基于電纜的IP電話
張佳 2002/06/18
1概述
目前有線廣播電視網深入千家萬戶，從繁華的大都市到偏遠的鄉(xiāng)村有線電視戶戶通已經基本實現(xiàn)，形成了其它網絡不能比擬的網絡資源優(yōu)勢，基于傳統(tǒng)有線電視網絡的廣電寬帶綜合信息網絡已經在大規(guī)模建設。
傳統(tǒng)的用戶接入網絡具有投入成本高、速度受限制、運營不穩(wěn)定等諸多困難，廣電寬帶網絡不僅具有對包括家庭和單位等客戶提供速率高，接入時間24小時不限時的優(yōu)勢，而且還有利用現(xiàn)成有線電視線路不造成網絡重復建設的優(yōu)勢，在為用戶提供交互式的服務（交互游戲、教學、會議等）中具有高帶寬的廣電綜合信息網絡更是優(yōu)勢明顯。
寬帶網絡中，除了進行傳統(tǒng)數據通訊外，語音電話服務也成為一個趨勢，在此基礎上就有了計算機IP電話的出現(xiàn)和發(fā)展。目前，IP電話的所占的比重在語音電話業(yè)務中越來越大，發(fā)展IP電話已成為勢不可擋的潮流，特別在廣電寬帶綜合信息網中IP電話是將來必不可少的組成部分。
1.1 IP 電話的概念及市場前景
IP電話是建立于Internet基礎上的新型數字化傳輸技術，是IP網上通過TCP／IP協(xié)議實現(xiàn)的一種電話應用。這種應用包括PC對PC連接、PC對話機連接、話機對話機連接，其業(yè)務主要有Internet或Intranet上的語音業(yè)務、傳真業(yè)務（實時和存儲／轉發(fā)）、web上實現(xiàn)的IVR（交互式語音應答）業(yè)務等等，另外還包括E-mail、實時電話、實時傳真等多種通信業(yè)務。
IP電話近幾年來一直保持著其良好的發(fā)展勢頭。面對著競爭日趨激烈的全球市場，無論是政府專營的電話公司、ISP還是本地交換業(yè)務運營商（CLEC）和PTT都在不斷地尋找提高其服務水平和質量的方法。
美國的一家市場研究機構Frost and Sullivan預測，IP語音通信（Voice over IP，簡稱VOIP），這項新興技術，2001年將發(fā)展成為全球價值18.1億美元的設備產業(yè)。另一項研究指出，在2002年，VOIP市場，包括電話通信及其衍生服務行業(yè)，總值將達到630億美元。此外，業(yè)內專家預測，到2005年，34%的電話將通過分組交換網絡進行。無論你相信哪份報告的真實性，有一點是勿庸置疑的，即VOIP將極具市場潛力。
借助于IP電話，服務提供商們可以在Internet上開展各項基本及增強型的語音業(yè)務，其中包括Internet呼叫等待、增強型的電話Web交易以及交互式多媒體服務等。這些業(yè)務將被與現(xiàn)有的、基于電路交換的網絡（PSTN）無縫地集成在一起，以便在必要時使呼叫能夠在普通電話之上被發(fā)起和終結。由于IP協(xié)議是一種開放型的協(xié)議，VoIP可以使服務商們靈活地定制其現(xiàn)有業(yè)務，并可以比以前更快且更為合算地開展新業(yè)務。
2 VoIP如何工作
VoIP將標準的語音信號轉換成經過壓縮的數據包后在數據網絡而非傳統(tǒng)的電話網上進行傳輸。語音信號被封裝進可以在本地IP網絡或由以太網、幀中繼、ATM及SONET承載的IP網絡中傳輸的IP數據包。
現(xiàn)在，可以進行互操作的VoIP架構都是基于H.323規(guī)范的。H.323定義了網關（電話網與IP網的網間接口）和關守（內部交換組件），并對如何建立、路由和中止一次IP電話呼叫給出了建議。
“時延”是從發(fā)話人開始講話到受話人聽到講話所經過的時間。時延超過了限度會使人感到不自然，一般來說，時延超過了250ms，就會感到難于忍受。傳統(tǒng)的電話通信通話人是覺察不出時延的。而IP電話要把通話人說話的聲音信號變換為數字的編碼信號，要把數字化的信號“分組”、打“包”，還要用“存儲—轉發(fā)”的方式傳送；在接收端還要解碼、合成、復原等等，因此增加了很多時延（例如編、解碼的時延、緩存的時延等）。如果遇到電路擁擠的情況，等待轉發(fā)可能導致很長的時延，甚至還會造成數據分組丟失，使收話人聽不清或聽不懂發(fā)話人的說話。因此VoIP技術要求盡量減少時延�！ �
IP網絡最初用來處理局域網間的流量，通過網絡的許多數據報都是長達1500字節(jié)的信息包。在低速鏈路上（低于T1/E1），語音信息包必須等在這些大型信息包后面，增加的延遲將達數十微秒甚至上百微秒。技術需要分割開這些“大型信息包”，并在其中插入語音流量，從而減少時延和抖動。
2.1 IP語音的幾種方式
目前已有一些成熟的網絡設備提供Voice over IP業(yè)務，提供的業(yè)務基本有以下幾個類型：
話音傳輸方式一：
網絡的兩端均有一個支持語音的IP路由設備,可以直接連接普通話機，透過中間的IP網絡實現(xiàn)話音傳輸�！ �
話音傳輸方式二：
網絡的兩端均有單位的PBX電話交換機，通過語音中繼連接到支持語音的IP路由設備上，用戶可以使用自己目前的話機，通過PBX進行交換，將外出的話音傳輸通過IP傳輸到其他用戶端。
話音傳輸方式三
用戶可以使用支持語音的IP路由設備透過IP網絡和PSTN網絡收發(fā)傳真。
話音傳輸方式四
局域網上的用戶可以使用PC機上支持語音電話的軟件通過支持語音的IP路由設備與普通PSTN用戶交談。
上面四種方式基本上覆蓋了使用普通電話傳遞IP語音的方式，當然用戶還可以通過其他非普通電話方式傳輸語音，如許多基于PC機的IP 語音軟件直接在兩個不同PC之間進行話音傳輸。
2.2 IP語音的結構設計
有線總前端是整個網絡的管理中心，配置語音網關，對整個語音網絡提供呼叫地址管理和帶寬管理。配置 Voice Manager(VM)來對網絡上所有的語音網關設備狀態(tài)進行監(jiān)控和管理。同時配置一臺NT服務器安裝VM，作為管理服務器。
2.3 IP語音的壓縮設計和QoS保障設計
Voice over IP 技術是基于目前語音壓縮技術的發(fā)展以及IP網絡技術廣泛應用的基礎上發(fā)展起來的。在實際的應用仍然中會有許多因素影響到傳輸話音的質量，因此基于語音傳輸采用以下技術來保障實現(xiàn)語音的低帶寬和高質量。
· 配置語音壓縮技術
利用已成為標準的語音壓縮技術，此類技術理論上可以將語音壓縮至8K，并保障語音質量。
· 配置IP包頭壓縮技術減少數據包對帶寬的需求
因為Voice over IP是將語音封裝成IP的包來進行傳輸的，為了保證傳輸的低時延，不可能將語音封裝為大的數據包，因此傳輸語音從包的數量上就會增加。將語音封裝成IP包，IP要在每個包前增加40字節(jié)包頭，這樣一來將大大占用傳輸的帶寬。在此進行配置，采用IP包頭壓縮技術將IP的包頭壓縮至2-3個字節(jié)，從而可以大大節(jié)省帶寬。
· 采用IP包分割技術
在一個IP網絡中，往往一個數據包會較大，占有整個網絡帶寬，同時時間較長，這樣會導致語音傳輸的時延較大。因此在此需要采用IP包分割技術，將大的IP包分割為較小的包，便于將語音的包插入到線路中，保證語音的低時延。
· 配置IP優(yōu)先級技術減少延遲
在IP網絡中，所有的IP數據包會爭用有限的帶寬，這樣將無法保證語音的質量。因此在語音網絡中，將通過配置將語音的優(yōu)先級設高，從而滿足語音傳輸低延遲的要求。
· 配置RSVP和WFQ（加權的公平隊列）保證語音傳輸帶寬
當一路語音的IP包在網絡上傳輸，網絡上的帶寬很容易會被其他數據包占用，因此影響語音質量。在網絡中，將配置RSVP來保障每一路傳輸語音的質量，使其在傳輸時可以在各個路由器上申請出一定資源，建立傳輸有保障的帶寬。
· 集中化的語音控制中心
設置語音質量控制中心，對整個網絡的語音及編址進行統(tǒng)一管理，同時可以根據網絡狀況決定是否建立語音連接，保證整個網絡的已有語音連接通訊質量。
在語音傳輸中，準備采用以上的技術通過配置來實現(xiàn)VOIP并保障語音傳輸的質量。
2.4 VOIP的帶寬設計
從目前所采用的壓縮模式和算法來看，理論上每路語音占10-12K帶寬，也就是說，12路電話需要128K的帶寬，然而語音的傳輸不同于數據的傳輸，語音對傳送的時延有著較高的要求，而傳輸時延的大小受多方因素的影響：
（1）壓縮語音雖然減少了語音傳輸的數據量，但它也會導致一定時延。
�。�2）傳輸距離會產生的固定時延。
�。�3）把語音數據放到傳輸串行線路上的時延，這一時延與帶寬有密切的關系，帶寬小時延大，帶寬大時延小。
（4）多路隊列（queue）時延，也與帶寬相關，仍然是帶寬大，時延小。一般來說，延時在200ms以內被認為是優(yōu)質語音，在200ms～400ms之間被認為是可以接受的，400ms以上被認為是不可接受的語音質量。而從上述影響時延的因素看，帶寬是影響時延的一個重要因素。雖然每路電話不管線路帶寬大小所占帶寬基本一樣，但帶寬越大，語音包放到網絡上的速度越快，時延會越小，所以在為其設計帶寬時，要作周密的考慮。為了獲得較好的話音效果，每路話音占14-16K 左右的帶寬是較好的選擇,因為有線網絡的是一個寬帶網絡，因此在語音傳輸的帶寬上相應是有很大保障的，同時在中心配置了語音控制中心，對每路話音帶寬進行申請控制，因此可以在網絡負載較大的情況下也可以保證話音的傳輸帶寬。
3基于HFC網絡的IP電話系統(tǒng)
有線電視系統(tǒng)中普遍采用HFC(光纖/電纜)結構。采用光纜將信號傳輸到小區(qū)節(jié)點，再用同軸分配網絡將信號送到用戶家中。由于用光纖代替同軸干線電纜后網絡性能獲得極大的改進，以致于在實現(xiàn)高效率寬帶交互通信時，早期的“光纖到戶”目標不再認為是必須的。
HFC本身是一個CATV網絡，視頻信號可以直接進入用戶的電視機，采用新的數字調制技術和數字壓縮技術，可以向用戶提供數字電視和HDTV。同時，話音和高速的數據可以調制到不同的頻段上傳送，來提供電話和數據業(yè)務。這樣 HFC支持全部現(xiàn)存的和發(fā)展的窄帶和寬帶業(yè)務，成為所謂的全業(yè)務寬帶網絡。而且，HFC可以簡單地過渡到FTTH網絡，為光纖用戶環(huán)路的建設提供了一種循序漸進的手段。在HFC網絡中的數據傳輸是通過采用Cable Modem技術實現(xiàn)的，下面從這一技術出發(fā)，進行實現(xiàn)話音業(yè)務(Voice Over Cable)的探討。
3.1 系統(tǒng)結構
實現(xiàn)話音業(yè)務的系統(tǒng)是采用HFC網絡， 基于Cable Modem技術實現(xiàn)的。在Cable Modem技術中，Cable Modem的傳輸模式分為對稱式傳輸和非對稱式傳輸。
對一個6MHz的模擬帶寬 (可以針對中國情況采用8MHz帶寬)，通過64QAM和256QAM數字調制，傳輸速率達到27Mbps和38Mbps。同時在頻譜中分配5到65MHz中的一個頻段作為上行回傳。采用QPSK或者16QAM調制，對200kHz到3.2MHz的模擬帶寬調制后，可獲得0.3Mbps到10Mbps的速率。通過上行和下行數據信道形成數據傳輸的回路。這里采用非對稱技術，主要考慮到目前數據業(yè)務的信息量集中在下行，如Internet的瀏覽。 通信協(xié)議采用 TCP/IP ，實現(xiàn)的業(yè)務有Internet的高速接入，E－mail，計算機互連，家用辦公等。 一般系統(tǒng)除了網絡外還包括局端系統(tǒng)和用戶端系統(tǒng)，在Cable Modem系 統(tǒng)中對應Cable Modem的局端系統(tǒng)(Cable Head End Equipment)和Cable Modem的 用戶端設備(CM) 。在Cable Modem的局端系統(tǒng)中存在三個接口。一個是有線電視網絡接口， 與Cable Network連接，通過它可以連接上一級的CATV網絡相連，也可以傳輸轉播的衛(wèi)星電視和本地的視像服務，信號可以是模擬的電視信號或者數字的電視信號。另一個是基于IP的數據網絡接口，通過它與數據網絡相連，實現(xiàn)數據業(yè)務。最后一個接口是話音接口，也就是PSTN接口。通過這三個接口，實現(xiàn)了HFC網絡與現(xiàn)有的三個通信媒體有線電視、計算機和電信網絡的連接。所以通過我們設計的Cable Modem系統(tǒng)， 不但實現(xiàn)多業(yè)務的用戶綜合接入，而且實現(xiàn)了三網的互連互通。
Cable Modem技術最初是實現(xiàn)IP數據的高速傳輸，這里我們在系統(tǒng)中嵌入VoIP模塊的設計。CM中的VoIP模塊完成話音的數字話和IP包的轉化。
局端系統(tǒng)中VoIP模塊具有智能處理的能力，能區(qū)分來自CM話音的目標性質，經過不同的處理由三個接口中一個進入相應的網絡。
3.2工作原理
當用戶通過我們的HFC系統(tǒng)打電話時，從普通電話機接收的話音經過CM中的VoIP模塊處理，將模擬話音信號轉化為IP包數據。然后這些攜帶了話音信息的IP包經過CM的調制，通過HFC網絡上行到局端系統(tǒng)。在局端數據經過解調還原為話音IP包。根據IP中目標地址的性質進行相應的處理。
市話處理
如果是到本地的PSTN，話音IP包由局端系統(tǒng)中的IP網關(IP Gateway)轉換成PCM數據，再送到PSTN網。
長途處理
如果是到外地的PSTN，話音IP包進行進一步壓縮（如從G.711變到G.723.1），并加上更完整的因特網電話協(xié)議（H.323），然后通過因特網的傳輸到達當地的IP網關(IP Gateway)。IP網關對數據進行解壓縮合解IP包處理還原成PCM數據，再送到遠程的PSTN，實現(xiàn)長途電話功能。
Cable網絡處理：如果對方仍是Cable用戶，無須進一步壓縮等處理，只需轉發(fā)就可。對方用戶通過自己CM中的VoIP模塊，將IP的數字信號轉化為模擬的聲音信號。我們可以看到，如果用戶都是在Cable網絡中，將聲音打成IP包，有一些多余，雙方要進行打包和解包的處理，需要占用一些資源。之所以還要采用IP，是考慮到用戶的CM目前還不是一個智能終端，不能區(qū)分目標性質，需要統(tǒng)一在IP上，由局端系統(tǒng)來處理。
上述的過程均是可逆的，也就是Cable用戶同樣可以接收來自PSTN等其他網絡的電話。 基于Cable Modem技術，在HFC網絡中實現(xiàn)話音業(yè)務，為用戶提供了另一種打電話的途徑，可以分擔現(xiàn)有電信網絡的負擔，也加強了現(xiàn)有CATV網絡的競爭性。
同時我們可以看到HFC很好地解決了將寬帶業(yè)務引入家庭的瓶頸問題， 并且能與現(xiàn)有的各種通信網絡連通。電話只能說是其中的一項窄帶業(yè)務，通過HFC實現(xiàn)的應用還有很多，還有待于我們去探索�！ �
中國有線電視導航