VoIP原理介绍及组网技术

TheoryandNetworkingTechniqueofVoIP

黄旭升

黄旭光

（广东电信有限公司科学技术研究院）

摘要主要介绍VoIP的原理，以及相关的H.323协议族，重点阐述了VoIP的呼叫过程及VoIP的网络规划，同

VoIP

H.323

呼叫

服务质量

RSVP

延迟

话音编码/解码

时对VoIP的服务及话音质量的控制及实现作出进一步的论述。最后结合相关产品说明VoIP具体实现的方法。

关键词

1VoIP业务介绍

随着数据成为公用通信基础设施的主流，采用相

数字信号之后还要进行压缩，通过IP网络传送至受话

方后，再按相反的过程将话音恢复,即VoIP(VoiceoverIP)技术。VoIP与普通PSTN电话网络最大的区别就是传输的载体不同，顾名思意，VoIP电话网络的传输载体是IP网络。

同的手段运载交换语音业务，无论从技术、操作和经济角度来讲都更有意义。传统的PSTN电话业务在传输上使用的是模拟技术，最大缺点是只能够在专用的网络上进行传输，专网专用，通话双方之间的电路被独占。所以传统电话业务的成本较高，并且其业务范围也受到了地域的。

IP电话在说话方将声音进行数字化采样，转变为

2VoIP的组成及其呼叫原理

2.1VoIP的基本原理

VoIP的整个工作过程主要就是由H.323协议套装来完成的，网络结构和功能大致如图1所示：

图1

黄旭升黄旭光

基于H.323协议的VoIP网络及其功能

华南理工大学无线电系硕士学位，现在广东省电信有限公司科学技术研究院数据网络部从事系统集成及网络维护工作。华南理工大学自动化系硕士学位，现在广东省电信有限公司科学技术研究院数据网络部从事网络技术研究和网络开发工作。

2.2块。

VoIP协议及功能模块

下面简单介绍VoIP涉及的协议以及各个功能模

2.2.1H.323协议

19

IP技术广东通信技术2004年

H.323是多媒体通讯的ITU-T协议，它主要应用于控制声音、图像和数据的互相传输和通讯。H.323协议和其他的VoiceoverPacket(VoP)软件提供了一个完整的下一代多媒体通讯的解决方案。2.2.2H.323基本组成部分

由图2可见，H.323由不同的组件组成，包括以下几个部分：

下一代的声音/视频电话等。2.2.3H.323GATEWAY的功能

(1)继承H.323终端特性。

(2)实现从一种网络模式到另一种网络模式的转变。

(3)提供从H.322终点到另一种终端形式的转变，比如转成普通电话或者H.320；H.324终端类型。

(4)完成传送传输信息和系统控制过程的任务，完成呼叫的建立和清除过程。2.2.4

H.323GATEKEEPER的功能

H.323关守主要是给大型VoIP网络提供呼

叫控制使用的，在点到点的VoIP呼叫过程中，关守可以如果没有关守，在整不用，在稍具规模的VoIP网络中，个呼叫建立，拆除，寻址过程中会消耗大量的网络资源，此时关守的功能就是对呼叫进行集中的寻址和管理，将本来由网关做的这部分工作接管过来，这样可以有效的利用资源，减少消耗。2.3

VoIP呼叫过程

上面简单的介绍了VoIP的一些基本原理以及其中

涉及到的协议，下面我们举一个例子简单说明VoIP的

图2

基于H.323协议网络的各个组成部分

整个呼叫过程。

（如图3所示）2.3.1单关守VoIP连接

终端A（4086-0001）呼叫终端B（4086-6711）需经过以下几个步骤。

第一步：终端A拨叫终端B的号码：408-667-1111。

第二步：网关A向关守GK1发出一个请求,要求允许向终端B呼叫。

第三步：关守GK1对终端B进行认证，然后向网关A返回网关B的IP地址。

第四步：网关A向网关B发出一个Q.931Call-并告诉网关B终端B的号码。Setup请求，

第五步：网关B向关守GK1发出一个请求,要求允

（1）H.323gateway(网关)和H.323gatekeeper(关守)

H.323gateway和H.323gatekeeper是voip里面重

要组成部分，网关可以终结isdn和pstn网络。

（2）H.323terminals（终端）

H.323terminals可以是以下的任何一样

装在PC上的H.323客户端软件(比如NetSpeak,VocalTec)；

带H.323硬件卡的PCProshare/Teamstation)；

(比如VCON,Intel

无线H.323电话(比如SymbolTechnology)；

图3单关守VoIP的呼叫过程

20

第1期黄旭升等：VoIP原理介绍及组网技术IP技术许应答网关A的呼叫。

第六步：关守GK1向网关B返回允许信号和网关A的IP地址。

第七步：网关B对终端B（4086-6711）建立一个呼叫连接。

第八步：当终端B应答后,网关B向网关A发出一个Q.931连接。至此，终端A和终端B的呼叫连接建立。

（如图4所示）2.3.2有两个或两个以上关守的voip连接终端A（4155-0003）呼叫终端B（4086-1111）需

经过以下几个步骤。

第一步：终端A拨叫终端B的号码：4086-1111。

第二步：网关A向关守GK1发出一个请求,要求允许向终端B呼叫。

发现终端B第三步：关守GK1对终端B进行认证，没有注册，然后关守2发出认证请求。

第四步：关守2对终端B进行认证通过，并向关守1返回网关B的IP地址。

第五步：关守GK1返回网关B的IP地址。

图4多个关守的VoIP呼叫过程

第六步：网关A向网关B发出一个Q.931Call-并告诉网关B终端B的号码。Setup请求，

要求允许应答第七步：网关B对关守2发出请求，网关A的呼叫。

第八步：关守2返回网关A的IP地址。

第九步：网关B对终端B（4086-6711）建立一个呼叫连接。

第十步：当终端B应答后,网关B向网关A发出一个Q.931连接。

至此，终端A和终端B的呼叫连接建立。

用现有IP网。由于IP电话业务承载主体主要采用IP

网络，同时为了满足电话通信的全程性，IP网应与电话网互连，通过IP网与电话网共同构成IP电话业务网。因此IP电话业务网的网路组织存在与电话网互联侧面和与IP网互联侧面。

对于网络互连的组网原则如下：

(1)为充分利用业务网的资源，网络设备尽量靠近用户，应遵循“近端入网、远端出网”的组网原则。(2)近期建设与远期发展相结合，把近期业务网作为远期实用网的基础来考虑。

关守、交换机、后台认综上所述VoIP主要由网关、证、计费系统组成。如图5所示。3.1

VoIP关键业务的服务质量保证

稳定性是IP电话提供良好服务IP电话的清晰性，

3VoIP的网络规划

在技术和经济上，尤其在资费VoIP基于IP技术，

上的优势，决定了在业务网网路组织上应最大限度利

图5VoIP网络结构

21

广东通信技术2004年

IP技术最重要的前提，在技术上，VoIP的服务质量保证是目前应关注的主要问题。在未来的2～5年中，IP电话将逐渐进入成熟期，随着IP电话产品标准的统一，全球IP电话网络将实现互通。能够提供电信级的话音质量，或近似于电信级的话音质量，再加上低廉的成本，IP电话与PSTN电话相比才有真正的优越性，

并有可能在长途业务中逐步取代PSTN。因此在组网过程中，如何保证IP电话的服务质量是一个关键问题。3.2高质量的话音网络

用户在拨打IP电话时需要经过VoIP网关进行语音编码和压缩，然后再将压缩的数据经由IP网络传输到受话地的VoIP网关，受话地的VoIP网关对这些数据解压后再经由PSTN传送给真正的受话人。

在这当中有两部分主要的可能发生传输延迟/抖动点，一部分由两边的VoIP网关的语音编码/还原和压缩/解压缩造成，由于目前的VoIP网关普遍采用了专用的编码/压缩芯片，因此，这部分延迟/抖动可以得到有效的控制；另一部分则由于包含语音的IP包在传输中的拥塞/丢包而造成，由于IP路由器传统上是以尽力(besteffort)传送的方式来传送IP包的，

它受网络状况的影响比较大，因此往往需要采用一定的手段让语音包得以更加高效地在IP网络上进行传输。

3.2.1网关话音质量

网关通过先进的话音处理和技巧来确保低时延，获得高话音质量。它还降低承载单个呼叫所需要的带宽，这样成本降低了，同时又保证了及时提供话音分组。

3.2.2话音编码/解码

网关的话音处理对呼叫质量的影响至关重要。网关设计用来支持多个CODEC和话音处理功能：它支持G.729(CS-ACELP)和G.711(PCM)ITU标准CODEC，这些可以实现8kbit/s的速率传输高质量的话音。另外还可以增加CODEC,它采用E.168回音消除标准进行回音消除功能。还有一些VoIP参数可以调节，以适应客户要求的话音质量，包括增益、衰减、回音消除深度、话音活动检测电平、信噪比以及静音压缩背景噪音等。

大多数的VoIP网关具有静音检测、

回声拟制功能，通话中50%的时间处于听的状态，另一端收不到任何语音包，这时可以实现静音压缩，不在IP网络上传输语音包，只在远端恢复近端的噪音直至近端重新有话音包传送。

VoIP网关的静音检测、回声抑制功能可通过软件22

命令配置不同的参数级别。静音检测的工作原理是检测话音信号的大小并决定何时不发送语音包.一般情

况下,当静音检测判断到静音,它等待固定的时间等待话音包停止传送,这个固定的时间一般为200ms。

VoIP网关中设置JitterBuffer来纠正时延抖动，JitterBuffer的值为4～200ms，

可以人为定义，也可以是自动动态调整。VoIP网关采用G.729语音压缩编码中纠错功能来对比特差错和丢包进行补偿处理。3.2.3降低延迟

延迟是由固定延迟和可变延迟两部分组成。

固定延迟包括=传输延迟+串行链路延迟+处理延迟。

传输延迟基于源和目标之间的总距离，每公里延迟为6µs,所以传输延迟=距离×6µs

串行链路延迟是指将数据发送到电路过程的延迟。电路速度越高，在电路上加载数据所需的时间越短,因此电路速度越高串行链路延迟越低。例如，在kbit/s的电路上加载1个字节需要125µs。而在OC-3电路上加载1个字节需要0.05µs。

处理延迟可以分解为：编码/压缩,解码/解压缩延迟，取决于采用的压缩方式.G.729编码方式的编码/压缩,解码/解压缩延迟为25ms。

可变延迟主要是队列延迟和抖动抑制缓冲区时延。

队列延迟是由于在中继线中等待处理其它业务时导致的延迟。在中继线上等候时，语音分组在队列中的等待时间是随机的。从统计学观点看其等待时间同业务的输入源有关,因此节点的输入源越多，

中继线就越容易出现争用。等待时间还取决于当前处理的分组尺寸。

抖动抑制缓冲区用于接收端,目的是平滑延迟变动,并兼顾解码和压缩操作。这还有助于开始通话,以使语音传送更加平滑。

延迟是实现话音质量的一个关键因素。ITU建议的实时话音应用延迟为150ms或更低。网关与网络QoS(服务质量)技术协同运行，以几种方式降低端到端延迟：低时延话音编码/解码防止过量延迟。一个自适应性抖动缓冲器智能地消除数据包延迟偏差。可在网关上设定IP优先权，给话音呼叫分配优先权在骨干网中进行排队。多级多链路PPP分段功能和交织(亦称RFC1990)将对时间不敏感的大数据包分成较小的包，从而将“实时”话音分组与较大的数据包交织。这种技

第1期黄旭升等：VoIP原理介绍及组网技术IP技术术在低速链路上尤其有用，可防止实时话音分组堵塞在大数据包之后。IP的CoS(IPPrecedence)服务可以将IP包进行分类传输。现有的队列技术可确保高优先级的VoIP包得到足够的优先处理和传输。资源预留协议(MPLS/RSVP)允许网关在网络中申请预留带宽。3.2.4降低带宽要求

如前所述，G.729CODEC可以8kbit/s的数据速率提供高质量话音。VoIP网关使用以下其他技术可降低网络带宽：发送传真时，传真呼叫每秒只消耗9.6kbit/s的带宽。入局传真被中继前先进行解调，降低原先kbit/s脉码调制所需的带宽。网关使用话音活动探测和静音抑制。因此，只有当用户在说话时才使用网络带宽。在通话的静止时间(silentperiod)(约为通话时间的带宽可供其它业务使用。可识别的静止前最长时50%)，()是200ms。大多数情况下，间“话音释放时间”压缩实时传输协议(CRTP)将一般为40个字节的数据包报头压缩成2到4个字节。这样便将报头尺寸缩小了90%，可为实时话音分组带来重大优点，因为话音分组的尺寸一般较小。3.3

实现网络QoS的设计

为了提供高效的链接，各节点之间用MLPPP方式互连，MLPPP(Multi-classMultilinkPPP和MLPPPwithInterleaving为接口捆绑)允许大数据包被多链路封装和分段成小数据包，这样满足语音的实时要求。重叠功能也为一些小的、延迟敏感的数据包提供一些特殊的传输序列，使之比其他序列更快传输。

实现QoS的网络是成功提供远距离话音业务的关键。

通过使用各种技术优先处理话音分组，话音质量可保持稳定，不受网络负载的变化。这种优先处理是通过支持各种QoS标准实现的。

可以采用的方法有：加权公平排队；加权随机早期

探测(WRED)等方法。

为保证IP电话和传真服务质量的关键是保证IP的服务质量，并且一定要是端到端的跨整个IP网的服务质量。

具体实现可以采用CRTP协议压缩（Compressed

、RSVP（带宽预保留）、Real-TimeTransportProtocol）

TrafficShaping、MultilinkFragmentationandInterleaving、

IPPrecedence-ClassofService等IPQoS技术，来提高或保证VoIP的服务质量。

4总结

目前，国际长途电话服务。随VoIP主要提供国内、

着VoIP技术的不断发展，VoIP系统上的增值业务将会越来越多，我们的目标是将PSTN网络上所有的增值业目前VoIP的发展正处于一个务逐步移植到IP网络上。

多样化的阶段，从产品的多样化、网络结构组成的复杂性以及协议的制定和发展趋势上来看，正在逐步趋向完善，VoIP必将带给世人一个全新的通信新概念。

（收稿日期：2003-10-29）

==================================================

中兴通讯CDMA全球设备无线容量突破1200万线

从中兴通讯深圳总部传来消息，截至2003年底，中兴通讯CDMA移动通信系统全球设备无线容量已突破1200万线。

中兴通讯CDMA系列产品在全球二十几个国家得到规模应用，成为海外销售线数最多的中国CDMA设备厂家。使中国通信设备制造厂商得以在CDMA这一当今世界增长最快的移动通讯领域占据了一席之地，中国移动通信设备企业多年来“国内翻身，突破海外”的愿望终于得以实现。

中兴通讯CDMA通信系统支持450M、800MHz、1.9GHz、拥有CDMA交换机、分组数据设备、基站、2.1GHz各工作频段，

手机等全套自主开发的CDMA系统和增值业务产品。中2003年，兴通讯全IP平台3GCDMA产品、基于CDMA技术的新一代集群通信系统GOTA、加密通信系统、GSM1X等新产品、新业务层

出不穷，丰富了CDMA产品系列，给运营商以更多选择。中兴通讯的CDMA3G产品，基于先进的全IP技术，具有业界领先的性能，是业界集成度最高、容量最大（超级基站）、组网最灵活的产开放的业务品。中兴通讯CDMA通信系统具有灵活的体系架构、和应用环境，能充分满足用户个性化、差异化的需求，帮助运营商快速形成自己独特的差异化竞争能力，拓宽赢利空间。

中兴通讯在中国开始建设CDMA移动通信网络之初就确立了“国产CDMA设备第一品牌”的地位。截至2003年，中兴通讯在中国联通CDMA一、二、三期招标中都取得了良好的成绩，主设备已进入联通15个省分公司的市场。在参与竞标的企业中，中兴通讯是唯一拥有全套自主开发、自主品牌的基站和交换系统的中国厂商，其基站产品也是唯一中标的国产基站系统。

23