ＩＰ电话的研究

１ 引言

    随着通信技术和计算机技术的高速发展，人们在单一网络平台上实现语音、图像、数据等综合业务已经成为网络发展的目标和必然趋势。近几年来，Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上多媒体业务逐年增加，Ｉｎｔｅｒｎｅｔ电话和可视电话、远程教学和远程医疗等实时多媒体业务将会是下一代Ｉｎｔｅｒ-ｎｅｔ的主要应用之一，而新的支持服务质量（ＱｏＳ）的高速路由器将为这些多媒体业务提供有力的保证。

    ＩＰ电话是众多多媒体业务中应用最广的一种，它一出现就以其低廉的价格受到广大用户和通信厂商的关注，连接传统电话网的ＩＰ电话网关的出台更给ＩＰ电话注入了新的活力。通信厂商和网络供应商已在世界各地展开了ＩＰ电话试验，中国电信、联通和吉通也正在开展ＩＰ电话试验网的建设。然而，当前的ＩＰ电话还存在很多问题，因此，进一步研究和完善ＩＰ电话及其功能是很有必要的。

２ ＩＰ电话的实现方式

    ＩＰ电话就是将话音数据分组化并经Ｉｎｔｅｒｎｅｔ传送的话音通信。其具体有以下４种方式：

  （１）ＩＰ主机之间的话音通信

    最早的ＩＰ电话指的就是这类电话。连接在网上的ＩＰ主机配置话筒、耳机、话音采集板和ＩＰ电话软件后，相互之间就可以进行话音通信。这方面典型的ＩＰ电话软件有微软公司的Ｎｅｔｍｅｅｔｉｎｇ、Ｖｏｃａｌｔｅｃ公司的Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｐｈｏｎｅ等。

   （２）传统电话间经Ｉｎｔｅｒｎｅｔ传输的话音通信

    传统电话经Ｉｎｔｅｒｎｅｔ中继后就能降低通话费用，特别是长途电话费用降低更多。而对用户来说，这种电话与传统电话的使用方法基本一样，不需要任何附加的软、硬件设备。为了连接Ｉｎｔｅｒｎｅｔ和电话网，在Ｉｎｔｅｒｎｅｔ和电话网之间需要配置ＩＰ电话网关，将传统的模拟话音信号进行Ａ／Ｄ变换、压缩编码后转换成ＩＰ话音分组，然后在Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上传输，最后在另一侧网关完成相反的操作，并进行延时抖动及回波抵消处理。这些ＩＰ电话网关的运营通常由ＩＰ电话业务商提供。

   （３）ＩＰ主机到传统电话机的话音通信

    利用ＩＰ主机上的多媒体配件和ＩＰ电话软件从Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上拨打普通电话机的号码，话音分组经Ｉｎｔｅｒｎｅｔ传输后到达ＩＰ电话网关，由网关将话音分组转换成话音信号后，再经电话网传输到被叫方。这种通信方式常常可用于一边看万维网主页上某企业的产品介绍，一边用鼠标点击该企业的电话进行问讯或订购的情况。

   （４）传统电话机到ＩＰ主机的话音通信

    这种通话方式相对于前３种用途要小一些，复杂程度也大一些。这是因为ＩＰ主机的识别要依靠ＩＰ地址，这在普通电话机上很难拨打；另外，在普通电话机侧也很难知道ＩＰ主机侧的ＩＰ电话是否处于激活状态。

    ＩＰ电话的实现方法从理论上讲有以上４种，前３种比较实用，并且已有许多产品问世。综括这几种ＩＰ电话，可以发现，ＩＰ电话的组成主要有两大系统：桌面系统（具有ＩＰ电话功能的主机）和ＩＰ电话网关系统。这两大系统在话音信号的编码压缩、呼叫连接、分组化传输等方面的工作原理基本相同，但ＩＰ电话网关系统还需要连接电话网，所以其工作原理比桌面系统复杂。

下面以上述第２种ＩＰ电话方式为例，讨论ＩＰ电话的基本原理及相关协议。

３ ＩＰ电话的工作原理

    ＩＰ电话和普通电话一样要经过呼叫连接、话音传输、呼叫拆除等过程，由于采用Ｉｎｔｅｒｎｅｔ进行话音中继，因此要将话音信号转换成ＩＰ话音分组；为了有效地利用传输媒体，还要对话音进行压缩和解压缩；经Ｉｎｔｅｒｎｅｔ传输的分组到达目的端的时延各不相同，而延时抖动对话音质量的影响很大，因此还必须在接收端（ＩＰ主机或ＩＰ电话网关）进行延时抖动处理。

  （１）呼叫连接

    到目前为止，端到端的呼叫连接的详细步骤因生产系统的厂商而异，与呼叫连接有关的协议有Ｈ．３２３协议和会话初始化协议（ＳＩＰ）。前者由ＩＴＵ－Ｔ提出，后者由ＩＥＴＦ提出。呼叫建立的过程如图２所示。

首先，主叫方拨打被叫方电话号码，并选择了ＩＰ电话方式（如加拨特殊号码）；连接主叫方的电话网判断出用户使用的是ＩＰ电话时，就将此呼叫信号转发给最近的ＩＰ电话网关（图２中ａ）；网关验证了主叫方的身份后，选择离被叫方最近的网关作为对方网关，并与此网关进行ＩＰ网上的呼叫设定（图２中ｂ）；对方网关根据呼叫方告知的被叫方电话号码向被叫方转发此呼叫（图２中ｃ），这样双方电话机就建立了呼叫连接。

   （２）话音的编码与传输

    从普通电话机输出的模拟信号经模／数转换后变成６４ｋｂｉｔ／ｓ的数字信号，为了有效地利用传输信道，可使用各种语音压缩技术对话音进行压缩编码。常用的语音压缩技术有３２ｋｂｉｔ／ｓ的自适应差分脉冲编码调制（ＡＤＰＣＭ，Ｇ．７２６）、１６ｋｂｉｔ／ｓ低延时码激励线性预测（ＬＤ－ＣＥＬＰ，Ｇ．７２８）、８ｋｂｉｔ／ｓ的共轭结构代数码激励线性预测（ＣＳ－ＡＣＥＬＰ，Ｇ．７２９）和双速率的Ｇ．７２３．１（５．３ｋｂｉｔ／ｓ的ＡＣＥＬＰ和６．３ｋｂｉｔ／ｓ的多脉冲最大似然量化——ＭＰ－ＭＬＱ）。目前用得最多的是Ｇ．７２３．１和Ｇ．７２９标准。考虑到通话时只有一方说话，因此话音的有音率低于５０％。故如果采用静音压缩技术，可以更有效地利用传输线路。

    编码后的话音数据以一定的长度（也有可变长度）组成话音数据帧。为了尽可能地进行实时传输，传输层只能采用高效的用户数据报协议（ＵＤＰ）。由于ＵＤＰ协议是不可靠的非连接传输层协议，所以不能保证数据的可靠性和顺序性，因此还需要实时传输协议（ＲＴＰ）来对数据加上时戳以保证接收端的按序输出。话音数据的ＩＰ分组封装。

    为了减少话音数据组帧时的延时，按２０ｍｓ为一帧话音数据计算，在Ｇ．７２９编码中，这一帧话音数据为２０字节，因此在一个ＩＰ分组中，有效净荷只占２０／（８＋１２＋２０＋２０）＝１／３。如果一个ＩＰ分组封装两帧话音，利用率也只为５０％，即需要１６ｋｂｉｔ／ｓ以上的信道。所以，为了保证话音质量，信道传输速率必须大于话音压缩后码速率的２～３倍。

  （３）延时抖动控制和回波抵消

    话音ＩＰ分组到达接收方网关或ＩＰ主机后，分组中的话音数据按原来的顺序在缓冲区中重组，并解压缩恢复成话音信号。由于Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上ＩＰ分组的传输时延各不相同，因此要设置缓冲区吸收延时抖动。缓冲区开设得越大，延时抖动吸收得越好，但端到端的话音延时也越大。为了协调延时抖动的吸收与话音延时的矛盾，有的网关对缓冲区大小进行动态控制。

模拟话音经目的侧电话网传输到目的端电话机的过程中会产生回波。在ＩＰ电话中，由于Ｉｎｔｅｒｎｅｔ中继所产生的处理延时和传输延时，源端的回波影响较为显著，在网关中要进行回波抵消处理。

    （４）Ｈ．３２３协议与ＳＩＰ协议

    Ｈ．３２３协议是１９９６年１１月由Ｉ-ＴＵ－Ｔ公布的国际标准，它用于局域网上的多媒体通信，能提供实时的音频、视频和数据通信。该协议规定了话音编码采用Ｇ．７１１、Ｇ．７２３．１或Ｇ．７２９标准；视频编码采用Ｈ．２６１或Ｈ．２６３标准；连接与控制采用Ｑ．９３１和Ｈ．２４５等标准。Ｈ．３２３系统的组件有终端、网关、网闸、多点控制器、多点处理器和多点控制单元。Ｈ．３２３协议支持点到点和多点的多媒体通信；Ｈ．３２３终端应提供音频、视频和数据通信能力，其中音频是必须的，视频和数据是可选的；Ｈ．３２３网关用来支持和其它网络的互联；网闸提供地址转换和访问控制等功能。为了增强网闸对网关的控制功能，支持Ｎｏ．７信令，ＩＴＵ－Ｔ于１９９９年２月又为Ｈ．３２３增添了一个新协议——网关控制协议（Ｈ．ｇｃｐ）。

    与Ｈ．３２３相比，ＳＩＰ是一种比较简单的会话初始化协议，它不像Ｈ．３２３那样提供所有的多媒体通信协议，而只提供呼叫的建立与控制功能。它由ＩＥＴＦ的多方多媒体会议控制工作组（ＭＭＵＳＩＣ）提出，１９９８年８月又推出了修改草案。它应用于一个或多个参与者之间建立、修改和结束会话，会话可以是Ｉｎｔｅｒｎｅｔ多媒体会议、Ｉｎｔｅｒｎｅｔ电话或其它多媒体业务。ＳＩＰ协议基于客户机／服务器模式，它类似于ＨＴＴＰ协议，协议本身是基于文本的，并采用了ＨＴＴＰ的许多头域。ＳＩＰ的地址选择类似于Ｅ－ｍａｉｌ的标识符，可以是ｕｓｅｒ＠ｄｏｍａｉｎ、ｕｓｅｒ＠ｈｏｓｔ、ｕｓｅｒ＠ＩＰ－ａｄｄｒｅｓｓ或ｐｈｏｎｅ－ｎｕｍｂｅｒ＠ｇａｔｅ-ｗａｙ之类的格式，可以嵌入到Ｗｅｂ页或其它超文本链路中，用户只要用鼠标一点即可发出一个呼叫。

４ ＩＰ地址和电话号码的转换及管理

    当用户在普通电话机上使用ＩＰ进行通话时，主叫方的ＩＰ电话网关必须根据主叫方拨打的被叫方电话号码在Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上寻找离被叫方最近的ＩＰ电话网关，获取此网关的ＩＰ地址，即完成电话号码与ＩＰ地址的变换功能，然后建立网关间的呼叫连接。

    地址转换可分为集中处理和分布处理两种方式：集中处理方式是用一个叫网闸（Ｇａｔｅｋｅｅｐｅｒ）的服务器负责地址转换、身份认证和带宽管理等功能，它适用于一个规模较大的ＩＰ电话网；分布处理则不用专门的服务器来处理地址转换，而是在各个ＩＰ电话网关中设有地址转换表，因此它只适合于小规模的ＩＰ电话网。例如，日本ＮＥＣ公司的产品ＩＰ４５／９３１就是利用分布处理，它将每个ＩＰ电话网关编号，此号码与所对应的ＩＰ网关的ＩＰ地址在网关初始化时输入，因此每个ＩＰ电话网关中都有一张网关号码与ＩＰ地址对应表，当用户拨打ＩＰ电话时，除拨对方电话号码外还要加上对方网关的号码。

     网闸是管理ＩＰ电话网关的ＩＰ地址的服务器。用户通过ＰＢＸ或ＰＳＴＮ接入最近的ＩＰ电话网关（称主叫方网关）后，输入被叫方的电话号码，于是此网关向网闸查询离该被叫方电话最近的ＩＰ电话网关（称被叫方网关）的ＩＰ地址，再与被叫方网关建立呼叫连接。如果被叫方网关的所有电话线路都被占用，网闸还应能将被叫方附近的其它网关的ＩＰ地址告诉主叫方网关，使之建立呼叫。因此，网闸的作用不仅是建立ＩＰ地址和电话号码间的对应关系，还应能管理各ＩＰ电话网关，具有一定的寻路功能。而进一步强化网闸功能也成为ＩＰ电话的研究课题之一。

     最近在地址转换及管理方面还推出了另一种技术，它是通过ＩＰ网络从外部控制用户电话网内的交换机及企业的ＰＢＸ等通信设备的专用协议，如美国的新兴通信业主Ｌｅｖｅｌ ３ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ推出的ＩＰ设备控制（ＩＰＤＣ）和Ｂｅｌｌｃｏｒｅ推出的简单网关控制协议（ＳＧＣＰ）。ＩＥＴＦ对这两种协议都制定了标准草案，将来可能会综合成一个协议。这些新协议的基本思想是通过ＩＰ网络对ＩＰ电话网关及电话交换机等通信设备进行控制，同时，还需要设计控制器连接Ｉｎｔｅｒｎｅｔ与Ｎｏ．７共路信令网。该控制器从Ｎｏ．７信令网接收主叫／被叫用户的电话号码后，根据这些信息利用ＩＰＤＣ或ＳＧＣＰ指示Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上的主叫侧和被叫侧的ＩＰ电话网关建立起呼叫连接，以指示被叫方的交换机对电话机发出振铃。

     ＩＰＤＣ和ＳＧＣＰ给用户带来的利益是Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的电话服务费用更加低廉，特别是对配置了大量ＩＰ电话网关的大规模ＩＰ电话业主来说，其效果十分显著。能够降低费用的理由是至今为止内置在ＩＰ电话网关的补充业务用的软件可全部集中到控制器上，这使ＩＰ电话网关的设备成本大幅度下降，因为ＩＰ电话网关只需完成模拟话音与ＩＰ话音分组的转换功能。

     Ｌｅｖｅｌ ３ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ公司认为：“一旦采用了ＩＰＤＣ和ＳＧＣＰ，就能比电话网更迅速、更方便地生成多种补充业务。”因为补充业务用的软件运行在基于微机的控制器上，从软件开发来看具有很大灵活性和开放性。

５ ＩＰ电话的现状与展望

    ＩＰ电话良好的发展前景和较高的经济效益吸引了许多公司的关注，已经出现了很多ＩＰ电话的产品。但是到目前为止，ＩＰ电话还没有一个统一的国际标准。由ＩＴＵ－Ｔ提出的Ｈ．３２３协议被较多的ＩＰ电话厂商所支持。这里的主要原因在于，Ｈ．３２３协议出现得较早，而且目前已经标准化；而ＩＥＴＦ正推出的ＳＩＰ协议是在１９９６年１２月前后提出的，中间虽经过几次修改，但现在还处于讨论阶段，并没有完全标准化。

     目前，ＩＰ电话的桌面系统主要有Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ公司的Ｎｅｔｍｅｅｔｉｎｇ、Ｉｎｔｅｒ-ｎｅｔ Ｐｈｏｎｅ、Ｗｅｂｐｈｏｎｅ和Ｉｎｔｅｌ公司的Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｐｈｏｎｅ、Ｓｐｅａｋ Ｆｒｅｅｌｙ以及清华大学的Ｃｏｏｌ Ａｕｄｉｏ等，它们通过在多媒体计算机上运行，使Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上的ＩＰ主机能够相互通话。表１列出了国外几家典型的ＩＰ电话网关设备及其特性。

     虽然这些产品的面向对象有些不同，实现的方法也各有差异，不同厂商的产品还不能互通。但随着ＩＰ电话的普及和电信市场的逐步开放，最终将形成一个统一的ＩＰ电话标准，使用户以低廉的价格方便地使用ＩＰ电话，获取良好的话音质量。

    另外，连接Ｎｏ．７信令网和Ｉｎ-ｔｅｒｎｅｔ的网关控制器的设置将支持ＩＰ电话网的大规模化，并能缩短呼叫建立时间，进一步降低ＩＰ电话网的成本，以及迅速增加ＩＰ电话的补充业务。

６ 结束语

    近几年来，Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的蓬勃发展为ＩＰ电话注入了强大的生命力，但目前来说ＩＰ电话还存在着一些问题有待解决，其中最重要的就是ＱｏＳ问题。因为在Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上传送数据必然存在以下３个问题：延时、延时抖动和丢包，这３个问题直接影响了话音的质量，所以为了保证话音质量，就要求网络有足够的带宽，路由交换设备要支持服务质量或业务等级（ＣｏＳ）。

    另外，为减少话音处理带来的延时，将话音数据分割成很小，网络上的开销大于净荷，造成网络的利用率降低，且加重了路由器的负担。因此，有必要研究在一个ＩＰ分组中加载多个信道的话音数据，以提高路由器和整个网络的性能。

参考文献

１．Ｈ．３２３ Ｖｉｓｕａｌ ｔｅｌｅｐｈｏｎｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｆｏｒ ｌｏ-ｃａｌ ａｒｅａ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ＩＴＵ－Ｔ ｓｔａｎｄａｒｄ，１９９６

２．ＳＩＰ ＩＥＴＦ ＭＭＵＳＩＣ ｇｒｏｕｐ ｄｒａｆｔ ｓｔａｎｄａｒｄ．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｅｔｆ．ｏｒｇ

（收稿日期：１９９９－０３－１８）

[摘要] 文章以传统电话经由Ｉｎｔｅｒｎｅｔ传输的话音通信为例，阐述了ＩＰ电话的基本原理，给出了相关协议，并指出存在的问题。

[关键词] ＩＰ电话 网关 网闸

[Abstract] Ｂｙ ｔａｋｉｎｇ ｔｗｏ ｒｅｇｕｌａｒ ｐｈｏｎｅｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｔｏ ｃａｒｒｙ ｏｕｔ ｖｏｉｃｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｓ ａｎ ｅｘａｍ-ｐｌｅ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｐｒｉｍａ-ｒｙ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｐｈｏｎｅ（ＩＰ） ａｎｄ ｉｔｓ ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ，ａｎｄ ｅｎｄｓ ｕｐ ｗｉｔｈ ｓｏｍｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｗｉｔｈ ＩＰ．

[Keywords] Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｐｈｏｎｅ Ｇａｔｅｗａｙ Ｇａｔｅｋｅｅｐｅｒ