VoIP基本概念(2)原理

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1、VoIP 基本概念基本概念(2):原理原理VoIP 的原理及技术 通过因特网进行语音通信是一个非常复杂的系统工程，其应用面很广，因此涉及的技术也特别多，其中最根本的技术是 VoIP (Voice over IP)技术，可以说，因特网语音通信是VoIP 技术的一个最典型的、也是最有前景的应用领域。因此在讨论用因特网进行语音通信之前，有必要首先分析 VoIP 的基本原理，以及 VoIP 中的相关技术问题。 一、 VoIP 的基本传输过程 传统的电话网是以电路交换方式传输语音，所要求的传输宽带为 64kbit/s。而所谓的VoIP 是以 IP 分组交换网络为传输平台，对模拟的语音信号进行压缩、打包等

2、一系列的特殊处理，使之可以采用无连接的 UDP 协议进行传输。为了在一个 IP 网络上传输语音信号，要求几个元素和功能。最简单形式的网络由两个或多个具有 VoIP 功能的设备组成，这一设备通过一个 IP 网络连接。VoIP 模型的基本结构图如图 2-18 所示。从图中可以发现 VoIP 设备是如何把语音信号转换为 IP 数据流，并把这些数据流转发到 IP 目的地，IP 目的地又把它们转换回到语音信号。两者之音的网络必须支持 IP 传输，且可以是 IP 路由器和网络链路的任意组合。因此可以简单地将 VoIP 的传输过程分为下列几个阶段。 图 2-18 VoIP 的模型结构 1、 语音-数据转换

3、语音信号是模拟波形，通过 IP 方式来传输语音，不管是实时应用业务还是非实时应用业务，道貌岸首先要对语音信号进行模拟数据转换，也就是对模拟语音信号进行 8 位或 6位的量化，然后送入到缓冲存储区中，缓冲器的大小可以根据延迟和编码的要求选择。许多低比特率的编码器是采取以帧为单位进行编码。典型帧长为 1030ms。考虑传输过程中的代价，语间包通常由 60、120 或 240ms 的语音数据组成。数字化可以使用各种语音编码方案来实现，目前采用的语音编码标准主要有 ITU-T G.711。源和目的地的语音编码器必须实现相同的算法，这样目的地的语音设备帮可以还原模拟语音信号。 2、 原数据到 IP 转换

4、 一旦语音信号进行数字编码，下一步就是对语音包以特定的帧长进行压缩编码。大部份的编码器都有特定的帧长，若一个编码器使用 15ms 的帧，则把从第一来的 60ms 的包分成 4 帧，并按顺序进行编码。每个帧合 120 个语音样点（抽样率为 8kHz）。编码后，将 4 个压缩的帧合成一个压缩的语音包送入网络处理器。网络处理器为语音添加包头、时标和其它信息后通过网络传送到另一端点。语音网络简单地建立通信端点之间的物理连接（一条线路），并在端点之间传输编码的信号。IP 网络不像电路交换网络，它不形成连接，它要求把数据放在可变长的数据报或分组中，然后给每个数据报附带寻址和控制信息，并通过网络发送，一站一

5、站地转发到目的地。 3、 传送 在这个通道中，全部网络被看成一个从输入端接收语音包，然后在一定时间（t）内将其传送到网络输出端。t 可以在某全范围内变化，反映了网络传输中的抖动。网络中的同间节点检查每个 IP 数据附带的寻址信息，并使用这个信息把该数据报转发到目的地路径上的下一站。网络链路可以是支持 IP 数据流的任何拓结构或访问方法。 4、 IP 包-数据的转换 目的地 VoIP 设备接收这个 IP 数据并开始处理。网络级提供一个可变长度的缓冲器，用来调节网络产生的抖动。该缓冲器可容纳许多语音包，用户可以选择缓冲器的大小。小的缓冲器产生延迟较小，但不能调节大的抖动。其次，解码器将经编码的语音

6、包解压缩后产生新的语音包，这个模块也可以按帧进行操作，完全和解码器的长度相同。若帧长度为15ms，是 60ms 的语音包被分成 4 帧，然后它们被解码还原成 60ms 的语音数据流送入解码缓冲器。在数据报的处理过程中，去掉寻址和控制信息，保留原始的原数据，然后把这个原数据提供给解码器。 5、 数字语音转换为模拟语音 播放驱动器将缓冲器中的语音样点（480 个）取出送入声卡，通过扬声器按预定的频率（例如 8kHz）播出。 简而言之，语音信号在 IP 网络上的传送要经过从模拟信号到数字信号的转换、数字语音封装成 IP 分组、IP 分组通过网络的传送、IP 分组的解包和数字语音还原到模拟信号等过程。

7、整个过程如图 2-19 所示。 图 2-19 VoIP 传输的基本过程 二、 推动 VoIP 发展的动力 由于相关的硬件、软件、协议和标准中的许多发展和技术突破，使得 VoIP 的广泛使用很快就会变成现实。这些领域中的技术进步和发展为创建一个更有效、功能和互操作性更强的 VoIP 网络起着推波助澜的作用。表 2-2 简单列出了这些领域中的主要发展。从表中可以看出，推动 VoIP 飞速发展乃至广泛应用的技术因素可以归纳为如下几个方面。 1、 数字信号处理器 先进的数字信号处理器（Digital Signal Processor ,DSP）执行语音和数据集成所要求的计算密集的任各。DSP 处理数字

8、信号主要用于执行复杂的计算，否则这些计算可能必须由通用 CPU 执行。它们的专门化的处理能力与低成本的结合使 DSP很好地适合于执行 VoIP 系统中的信号处理功能。单个语音流上 G.729 语音压缩的计算开销开常大，要求达到 20MIPS，如果要求一个中央 CPU 在处理多个语音流的同时，还执行路由和系统管理功能，这是不现实的，因此，使用一个或多个 DSP 可以从中央 CPU 卸载其中的复杂语音压缩算法的计算任务。另外，DSP 还适合于语音的活动检测和回声取消这样的功能，困为它们实时处理语音数据流，并能快速访问板上内存，因此。在本章节中，比较详细地介绍如何在 TMS320C6201DSP 平

9、台来实现语音编码和回声抵消的功能。 表 2-2 推动 VoIP 的主要技术进展 协议和标准 软件 硬件 H.323 加权公平排队法 DSP MPLS 标记交换 加权随机早期检测 高级 ASIC RTP, RTCP 双漏斗通用信元速率算法 DWDM RSVP 额定访问速成率 SONET Diffserv, CAR Cisco 快速转发 CPU 处理功率 G.729, G.729a:CS-ACELP 扩展访问表 ADSL，RADSL，SDSL FRF.11/FRF.12 令牌桶算法 Multilink PPP 帧中继数据整流形 SIP 基于优先级的 CoS Packet over SONET IP

10、 和 ATM QoS/CoS 的集成 协议和标准 软件 硬件 H.323 加权公平排队法 DSP MPLS 标记交换 加权随机早期检 测 高级 ASIC RTP, RTCP 双漏斗通用信元速率算法 DWDM RSVP 额定访问速成率 SONET Diffserv, CAR Cisco 快速转发 CPU 处理功率 G.729, G.729a:CS-ACELP 扩展访问 表 ADSL，RADSL，SDSL FRF.11/FRF.12 令牌桶算法 Multilink PPP 帧中继数据整流形 SIP 基于优先级的 CoS Packet over SONET IP 和 ATM QoS/CoS 的集成

11、2、 高级专用集成电路 专用集成电路（Application-Specific Integrated Circait, ASIC）发展产生了更快、更复杂、功能更强的 ASIC。ASIC 是执行单一应用或很小的一组 功能专门的应用芯片。由于集中于很窄的应用目标，故它们可以对特定的功能进行高度的 优化，通常双通用 CPU 快一个或几个数量级。就像精简指令集计算机（RSIC）芯片集中于 快速执行扔限数目的操作一样，ASIC 被预先编程、使其能更快地执行有限数目的功能。一 旦开发完成，ASIC 批量生产的成本并不高，被用于包括路由器和交换机这样的网络设备， 执行路由查表、分组转发、分组分类和检查以及排

12、队等功能。ASIC 的使用使设备的性能更 高，而成本更低。它们为网络提供增加的宽带和更好的 QoS 支持，所以对 VoIP 发展起着 很大的促进作用。 3、 IP 传输持术 传输电信网大多采用时分多路复用方式，因特网须采用的是统计复 用变长分组交换方式，二者相比，后者对网络资源利用率高，互连互通简便有效、对数据 业务十分适用，这是因特网得以飞速发展的重要原因之一。但是，宽带 IP 网络通信对 QoS 和延迟特性提出了苟刻的要求，因此，统计复用变长分组交换的技术发展为人们所关注。 目前，除已问世的新一代 IP 协议-IPV6 外，世界因特网工程任务组（IETF）提出了多协议 标记交换技术（MPL

13、S） ，这是一种基于网络层选路的各种标记/标签的交换，能提高选路的 灵活性，扩展网络层选路能力，简化路由器和基于信元交换的集成，提高网络性能。MPLS 既可以作为独立的选路协议工作，又能与现有的网络选路协议兼容，支持 IP 网络的各种操作、管理和维护功能，使 IP 网络通信的 QoS、路由、信令等性能大大提高，达到或接近统 计复用定长分组交换（ATM）的水平，而又比 ATM 简单、高效、便宜、适用。IETF 还地 抓紧新的分组理理持术，以便实现 QoS 选路。其中正在研究“隧道技术“就是为了实现单向 链路的宽带传送。 另外，如何选择 IP 网络传输平台也是近年来研究的一个重要领域，先 后出现了

14、 IP over ATM、IP over SDH、IP over DWDM 等技术，目前公认的宽带网络分析 模型如图 2-20 所示。 图 2-20 宽带 IP 网络的分层模型 第一层是基层础，提供高速的数据传输骨干。IP 层向 IP 用户提供高质量的，具有一 定服务保证的 IP 接入服务。用户层提供接入形式（IP 接入和宽带接入）和服务内容形式。 在基础层，以太网作为 IP 网络的物理层，是理所当然的事情，但是 IP overDWDM 却上最 新技术，并具有很大的发展潜力。密集波分多路复用（Dense Wave Division MultipLexing,DWDM）为光纤网络注入新的 活力，

15、并在电信公司铺设新的光纤主干网中提供惊人的带宽。DWDM 技术利用光纤的能力 和先进的光传输设备。波分多路复用的名称是从单股光纤上传送多个波长的光（LASER） 而得来的。目前的系统能够发送和识别 16 个波长，而将来的系统能够支持 4096 全波长。 这具有重要意义，因为每增加一个波长，就增加了一个信息流。因此可以将 2.6Gbit/s（OC-48）网络扩大 16 倍，而不必铺设新的光纤。大多数新的光纤网络以（9.6Gbit/s）的速度运行 OC-192，在与 DWDM 结合时，在一 对光纤上产生 150Gbit/s 以上的容量。另外，DWDM 提供了接口的协议和速度无关的特征， 在一条光纤

16、上可同时支持 ATM、SDH 和千兆以太网信号的传输，这样和现在已建成的各种 网络都可以兼容，因此 DWDM 既可以保护已有的设资，还可以以其巨大带宽为 ISP 和电信 公司提供了功能更强的主干网，并使宽带成本更低和访问性更强，这对 VoIP 解决方案的 带宽要求提供强有力的支持。增加的传输速率不仅可以提供更粗的管道，使阻塞的机会更 少，而且使延时降低了许多，因此可以在很大程度上减少 IP 网络上的 QoS 要求。 4、 宽带接入技术 IP 网络的用户接入已成为制约全网发展的瓶颈。从长期发展看，用户接入的终极目标 是光纤到户（FTTH） 。光接入网从广义上讲包括光数字环路载波系统和无源光网络两类。 前者主要在美国，结合开放口 V5.1/V5.2，在光纤上传送其综合系统，显示了很大的生命 力。后者主要在目本和德国。日本坚持不懈攻关十多年，采取一系列措施，将无源光网络 成本降低至与铜缆和金属双绞线相近的水平，并大量使用。特别是近年 ITU 提出以 ATM 为基础的无源光网络（APON） ，将 ATM 与无源光网络优势互补，接入速率可达 622M bit/s，对宽带 IP