ＩＰ电话及其在线缆调制解调系统上的应用

    摘要：ＩＰ电话采用的信道复用和基于分组交换的传输技术提高了线路传输利用率。ＨＦＣ网双向改造的完成和ＤＯＣＳＩＳ的不断完善为开展ＩＰ电话增值业务提供了理想的接入网平台。本文研究了ＩＰ电话技术的现状、发展趋势以及ＩＰ电话的标准Ｈ．３２３规约、ＳＩＰ、ＭＧＣＰ、ＲＴＰ／ＲＴＣＰ和ＲＳＶＰ。最后介绍了一种国内开发的ＨＦＣ网上ＩＰ电话应用系统。

    关键词：ＩＰ电话 ＱｏＳ Ｈ．３２３ ＨＦＣ接入网

    ＩＰ电话是一种利用ＩＰ网络作为传输载体实现计算机－计算机、普通电话－普通电话、计算机－普通电话之间话音通信的技术。ＩＰ电话目前还处在初级阶段，无论在标准上、设备的成熟程度上和系统的设计理论上与现有传统电话相比还有很大的差距。但是ＩＰ电话从根本上动摇了电话必须基于电路交换技术这种理论，目前普遍认为下一代的电话网将会建立在统计复用的分组交换技术的基础之上。Ｉｎｔｅｒｎｅｔ电话由于采用信道复用和基于分组交换的传输技术，提高了线路的利用率，这是其收费便宜的主要原因。此外，新的基于计算机的多媒体通信需要Ｉｎｔｅｒｎｅｔ电话技术的支持，也促使了这一新技术的发展。当然，受市场驱动也是Ｉｎｔｅｒｎｅｔ电话技术迅速发展的原因。面对这一巨大市场，许多大公司像Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ、Ｉｎｔｅｌ、Ｌｕｃｅｎｔ都纷纷加入了市场竞争。

    这种竞争也促使了与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ电话技术相关的技术和标准的不断出现，如语音编码技术、实时传送协议（ＲＴＰ：Ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）、资源预约协议（ＲＳＶＰ：Ｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）、呼叫建立和控制协议等等，为这一技术的实用化提供了良好的条件。ＩＰ电话要和普通电话竞争，成为未来语音通信的主要手段必须解决以下几个问题：一是语音质量，无论在音质、流畅度和时延方面应与普通电话相当；二是呼叫和连接的建立要简单方便；三是要有统一的标准，以便实现不同厂家产品的互通。

１ ＩＰ电话ＱｏＳ 的改善

    ＩＰ电话是基于Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的，而Ｉｎｔｅｒｎｅｔ主要的协议ＴＣＰ／ＩＰ是为提供非实时数据业务而设计的，例如，对主机之间传输的数据不进行检错和纠错；目前还不能实现带宽管理、流量控制等。影响ＩＰ电话质量的因素有：编解码方法、时延、时延抖动、丢包、比特差错和协议处理。时延和时延抖动影响听觉，时延还会造成回波，时延越长所需的用于消除回波的计算机指令的时间就越长。Ｉｎｔｅｒｎｅｔ电话的时延通常由三部分组成，即编／解码时延、数据包传送时延和缓存时延。丢包和比特差错影响话音包的解码，而协议处理影响着呼叫建立时间及呼叫建立成功率、计费正确率等指标。

    为了改善网络ＱｏＳ，在Ｈ．３２３协议中，采用ＲＴＣＰ（实时控制协议）对ＩＰ电话系统的性能进行大致的监测，并通过ＲＴＣＰ或Ｈ．２４５进行反馈控制。另外，Ｈ．３２３对网闸定义了呼叫控制、带宽管理和带宽控制功能，并引入了ＲＳＶＰ（资源预留协议），为服务质量保证提供一些技术手段。ＥＴＳＩ对ＩＰ电话的服务质量（ＱｏＳ）问题已建立了一个框架，并提出了端到端的ＱｏＳ预算。端到端时延ＱｏＳ参数决定了源宿路径上诸如分组调度（带宽分配）、排队规则（缓存分配）、进程调度（ＣＰＵ处理时间分配）等传输服务的行为。为了提高端到端ＱｏＳ，还需要建立一套完整的网络运营管理系统，实现有效的资源管理、接纳控制、调度机制（如ＥＤＦ：ｅａｒｌｉｅｓｔ ｄｅａｄｌｉｎｅ ｆｉｒｓｔ算法），并在各个具有管理控制职能的网元上设置ＱｏＳ监控功能，用来监控网络的下列性能指标：带宽占用、信号抖动、延迟、丢包率、吞吐量。如在网关（Ｇａｔｅｗａｙ）、网闸（Ｇａｔｅｋｅｅｐｅｒ）及网管服务器（Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｍａｎａｇｅｒ）都通过各语音信道及任意ＩＰ链路进行ＱｏＳ指标的监控。

    由于网络拥塞、缓冲区溢出、误码等原因，在无连接的ＩＰ网络中时常发生丢包。ＶｏＩＰ技术采用的话音压缩编码技术算法多是以帧为单位的，对丢失数据包比较敏感，连续丢帧会明显地影响接收端合成话音的可懂度、自然度和清晰度。通常有几种方法进行补偿：其一是语音插空ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｅ，即重放丢失分组的前一分组。其二是以增加带宽开销为代价，发送冗余信息，使对方有一定的纠错能力。还可以根据前后语音信息的相关性，在解码时重构出丢失的帧。当丢包率不超过１０％时，这些措施都是相当有效的。

２ ＩＰ电话的信令与协议

２．１ ＩＴＵ Ｈ．３２３

    要使互联网电话大量普及发展，必须建立一个统一的国际标准，以使不同厂家的产品实现互通。Ｉｎｔｅｌ和Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ已发起了一个超过１００个厂商参加的组织，该组织将数据包管理的实时协议（ＲＴＰ／ＲＴＣＰ）及带宽预约协议（ＲＳＶＰ）合在一起，并加入ＩＴＵ的Ｔ．１２０数据会议和Ｈ．３２３音频与视频会议标准，准备做成一个完整的互联网电话协议。

    Ｈ．３２３ｖ２系统包括用户终端、网关、网闸（Ｇａｔｅｋｅｅｐｅｒｓ、多点控制器（Ｍｕｌｔｉｐｏｉｎｔ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ）、多点处理器Ｍｕｌｔｉｐｏｉｎｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒｓ和多点控制单元（ＭＣＵ）。Ｈ．３２３用户终端具有点对点或点对多点会议的语音通信能力。网关完成传输格式（如Ｈ．２２５．０与Ｈ．２２１）和通信流程（如Ｈ．２４５与Ｈ．２４２）的转换，以实现ＩＰ网络终端与电路交换网络（ＳＣＮ）终端之间的通信。网闸的功能有：地址转换Ａｄｄｒｅｓｓ Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ；确认控制Ａｄｍｉｓｓｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ；带宽控制Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ Ｃｏｎｔｒｏｌ；区域管理（Ｚｏｎｅ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ）。理论上网闸与终端是独立的，物理上网闸可存在于终端、ＭＣＵ、网关、ＭＣ或其他Ｈ３２３设备中。

表 1 IP电话信令标准的比较

    ＩＭＴＣ下的ＶｏＩＰ论坛已采用Ｈ．３２３作为Ｉｎｔｅｒｎｅｔ电话技术的基础，Ｈ．３２３协议也一直在发展变化与改进完善之中。Ｈ．３２３的最新版本Ｖ２与Ｖ１相比引入了包括快速连接在内的新特性，下一版本（包括Ｈ．３２３ｖ３和Ｈ．２２５．０ｖ３）亦在酝酿之中，届时在网闸互通问题等方面可能会有突破。Ｈ．３２３标准的内容亦不断丰富，如Ｈ．３２３ Ａｎｎｅｘ Ｄ（Ｒｅａｌ Ｔｉｍｅ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｆａｘ）；Ｈ．３２３ Ａｎｎｅｘ Ｅ（Ｃａｌｌ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｏｖｅｒ ＵＤＰ）；Ｈ．３２３ Ａｎｎｅｘ Ｆ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｕｓｅ Ｔｅｒｍｉｎａｌ）；Ｈ．３２３ Ａｎｎｅｘ Ｇ（Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｖｅ Ｄｏｍａｉｎｓ）；Ｈ．４５０．ｘ（Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ）。随着这些标准的逐步推出和完善，Ｈ．３２３系列的功能将更加强大。

２．２ ＳＩＰ

    虽然Ｈ．３２３提供了多媒体通信所需要的所有子协议，但Ｈ．３２３的控制协议非常复杂。此外，Ｈ．３２３不支持多点发送（Ｍｕｌｔｉｃａｓｔ）协议，只能采用多点控制单元（ＭＣＵ）构成多点会议，因而只能同时支持有限的多点用户。Ｈ．３２３在Ｉｎｔｅｒｎｅｔ内部是一个比较好的协议，然而由于其不支持呼叫转移和ＤＴＭＦ信号传输，作为与ＰＳＴＮ的网关协议不太合适。与Ｈ．３２３不同的是：ＳＩＰ是一种基于文本的协议，用ＳＩＰ规则资源定位语言描述（ＳＩＰ Ｕｎｉｆｏｒｍ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｌｏｃａｔｏｒｓ），是一种应用层协议，可以用ＵＤＰ或ＴＣＰ作为其传输协议。ＳＩＰ不像Ｈ．３２３提供了所有的通信协议，而是只提供了呼叫的建立与控制功能。ＳＩＰ可以应用于多媒体会议、远程教学及Ｉｎｔｅｒｎｅｔ电话等领域，这样易于实现和调试，更重要的是灵活性和扩展性好。

２．３ ＭＧＣＰ

    ＩＥＴＦ制定的ＭＧＣＰ融合了最初由Ｂｅｌｌｃｏｒｅ开发的简单网关控制协议ＳＧＣＰ和由Ｌｅｖｅｌ３ 提出的ＩＰＤＣ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ Ｄｅｖｉｃｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ）协议。典型的ＭＧＣＰ网关系统由一系列的网关和网关控制器——呼叫代理ＣＡ（Ｃａｌｌ Ａｇｅｎｔ）组成。ＭＧＣＰ体系的特点在于它假定呼叫控制体系中，呼叫控制智能不属于任何网关设备，而由独立的呼叫代理ＣＡ来承担。因而ＭＧＣＰ实际上是一个主从协议，网关只能服从和执行呼叫代理的指令。ＭＧＣＰ的最大优点在于简化用户终端设备，集中呼叫管理。尤其重要的是，网关间除了语音业务流外，没有直接的信息交换，这样可以把网关做得更小更稳定。

    ＭＧＣＰ目前最大的困难在于缺乏呼叫地理之间的通信协议。如果一个呼叫涉及到两个由不同ＣＡ控制的ＲＧＷ时，ＣＡ之间必须协同工作，才能完成接续。因此，对于不涉及ＰＳＴＮ的呼叫，我们倾向于采用一个更简单的协议——ＳＩＰ来处理ＣＡ之间通信，它的最大优势就在于被用来处理Ｉｎｔｅｒｎｅｔ 上的多媒体呼叫。

    Ｈ．３２３、ＳＩＰ和ＭＧＣＰ都是ＩＰ电话网络发展过程中不可缺少的要素，将在相当长的时间内继续共存。表１列出了Ｈ．３２３、ＳＩＰ、ＭＧＣＰ的比较结果。

２．４ 实时传送协议ＲＴＰ／ＲＴＣＰ、资源预约协议ＲＳＶＰ

    Ｉｎｔｅｒｎｅｔ话音基本上是基于ＵＤＰ协议来传送的。但ＵＤＰ不反馈信道和延时情况，信源无法知道传送质量，也无法调整话音编码速率。ＲＴＰ协议正是用来解决这一问题的。ＲＴＰ提供了时间标签和控制不同数据流同步等特性的机制，可以让接收端重组发送端的数据包，可以提供接收端到多点发送组的服务质量反馈，具有较强的时间特征。ＲＴＰ协议从上层接收多媒体信息码流（如Ｇ．７２３音频）组装成ＲＴＰ数据包，然后发送给下层ＵＤＰ。ＲＴＣＰ为实时控制协议，主要监视延时和带宽。一旦所传送的多媒体信息流的带宽变化，接收端则通知发送端，改变符号化识别码和编码参数。

    由于ＲＴＰ本身并不提供任何机制保证实时传送，也不保证任何服务质量，即ＲＴＰ协议不能保证传输的完整性，故Ｈ．３２３ｖ２终端及路由器中均采用ＲＳＶＰ协议实现资源预留，以确保端到端间的传输带宽。ＲＳＶＰ协议是在ｂｅｓｔ－ｅｆｆｏｒｔ环境下，为改善网络对业务流的控制能力而设计的资源预留协议，其主要目的是改善Ｉｎｔｅｒｎｅｔ网络对实时媒体的ＱｏＳ支持能力。ＲＳＶＰ信息是作为ＩＰ数据报发出，ＲＳＶＰ协议本身不含数据传输成分，ＲＳＶＰ协议所起的作用就是利用预留信息控制ＩＰ分组的传输方式。

３ Ｃａｂｌｅ Ｍｏｄｅｍ系统上ＩＰ电话的应用

３．１ ＤＯＣＳＩＳ１．１对ＱｏＳ 支持

    电缆数据业务接口规范ＤＯＣＳＩＳ（Ｄａｔａ Ｏｖｅｒ Ｃａｂｌｅ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ）是由多媒体电缆网络系统ＭＣＮＳＭｕｌｔｉｍｅｄｉａ Ｃａｂｌｅ ｎｅｔｗｏｒｋ Ｓｙｓｔｅｍ组织提出的，是ＨＦＣ网实现双向高速数据传输的接口规范，现已成为国际标准ＩＴＵ－Ｔ Ｊ１１２Ｂ 。由于Ｃａｂｌｅ Ｍｏｄｅｍ上行速率为３２０Ｋｂｐｓ～１０Ｍｂｐｓ，下行速率为２７Ｍｂｐｓ或３６Ｍｂｐｓ，这种非对称数据传输方式不仅比目前的电话线Ｍｏｄｅｍ或ＩＳＤＮ设备速率更快，而且使用户组网及管理网络更加方便，具有很大的市场潜力。１９９９年３月出台的ＤＯＣＳＩＳ１．１重点增强了Ｃａｂｌｅ Ｍｏｄｅｍ系统保证ＱｏＳ的机制，为Ｃａｂｌｅ Ｍｏｄｅｍ上ＩＰ电话系统的实现奠定了坚实的基础。ＤＯＣＳＩＳ１．１对ＱｏＳ的保证机制：

    （１）数据包分类Ｐａｃｋｅｔ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ

    数据包分类的基本机理类似于ＩＰｖ６的流标记 Ｆｌｏｗ Ｌａｂｅｌ 功能 即在射频接口上由ＭＡＣ层协议将需要相似路由处理的一系列数据分组都映射到同一业务流（Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｆｌｏｗ中，再按一定算法对所有业务流进行调度，并结合流量整形ｓｈａｐｉｎｇ 策略ｐｏｌｉｃｙ 设定优先级ｐｒｉｏｒｉｔｉｚｉｎｇ 等措施来确保ＱｏＳ。

    （２）数据包的分片（Ｆｒａｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ

    ＤＯＣＳＩＳ１．１的ＭＡＣ层数据包分片机制使ＣＭ在ＣＭＴＳ的控制下能够自适应地将长数据包分割为多个较小的包，分别单独发送。这一对ＩＰ层完全透明的过程使ＣＭＴＳ对上行信道带宽进行调度时有更大的灵活性，从而能够动态的控制整个系统的时延性能。分片过程就是将分割后的ＭＡＣ帧片段添上固定长度的分片头和分片ＣＲＣ进行重新封装的过程。

    （３）净荷报头抑制Ｐａｙｌｏａｄ Ｈｅａｄｅｒ Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ，ＰＨＳ
经过分类器对数据包的分类匹配，需要相似路由处理的数据包都被映射到了同一个业务流中。在此基础上，可以对属于同一业务流的数据帧净荷报头中内容相同的字段进行压缩，以减少不必要的开销，从而进一步提高传输效率。ＤＯＣＳＩＳ１．１的做法是：发送端实体将分类器表作用于每个输入的数据分组，其结果将得到一个与之匹配的业务流和相应的ＰＨＳ规则 它规定了被抑制字段的字节数ＰＨＳＳ、将被抑制的字符串ＰＨＳＦ以及该字符串的索引值ＰＨＳＩ。如果原始数据中需要抑制的字段内容与ＰＨＳＦ一致，那么，实际发送的数据包中被抑制的字段将由ＰＨＳＩ来替代。接收端实体根据收到的ＳＩＤ和ＰＨＳＩ可以恢复出ＰＨＳＦ，进而重构出被压缩的净荷报头。ＰＨＳ可以用于任何类型的业务流，但是它针对接受ＵＧＳ调度的业务流作了专门的优化，ＰＨＳ可以保证ＵＧＳ所要求的数据分组长度固定。

３．２基于ＤＯＣＳＩＳ数据电缆网的ＩＰ电话系统
 
    Ｃａｂｌｅ Ｍｏｄｅｍ系统上ＩＰ电话的应用由４大部分组成：ＤＳＰ、ＦＰＧＡ、ＤＳＬＡＣ和ＳＬＩＣ电路。用户线接口电路（ＳＬＩＣ）与双用户线音频处理电路（ＤＳＬＡＣ）构成用户电路完成ＢＯＲＳＣＨＴ功能。现场可编程门阵列ＦＰＧＡ是微处理器、ＤＳＬＡＣ、两个ＳＬＩＣ和ＤＳＰ的接口电路。ＤＳＰ负责的语音处理功能有：语音压缩、回声消除、话音活动检测ＶＡＤ、抖动缓冲管理、以及音调检测等，支持电话机的摘机检测，ＤＴＭＦ信号检测。微处理器负责作业调度，内存管理和任务间的通信，提供与电话设备的信令接口、实现对ＩＰ电话的网管功能、实现有关的协议栈如ＴＣＰ／ＩＰ。

    基于ＤＯＣＳＩＳ数据电缆网的ＩＰ电话系统，如图１所示。该系统由以下几个重要功能组件构成：

    （１）ＣＭ（Ｃａｂｌｅ Ｍｏｄｅｍ）和ＣＭＴＳ（Ｃａｂｌｅ Ｍｏｄｅｍ Ｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）

    对ＩＰ电话系统而言，基于ＤＯＣＳＩＳ１．１的端到端ＱｏＳ保证机制须由ＣＭ和ＣＭＴＳ来共同实现。此外，用户网关功能的实现在很大程度上有赖于ＣＭ的支持。

    （２）呼叫代理

    呼叫代理包括路由数据库、用户数据库、ＣＤＲ数据库等一组数据库和应用程序，负责处理复杂的信令转换控制和连接控制并进行地址转换、网络路由。实现了对干线网关和用户网关的呼叫控制。

    （３）业务支持系统（ＯＳＳ：Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ Ｓｕｐｐｏｒｔ Ｓｙｓｔｅｍ）

    通过ＤＨＣＰ、ＦＴＦＰ／ＨＴＴＰ、ＳＮＭＰ、ＤＮＳ和ＲＫＳ（Ｒｅｃｏｒｄ
Ｋｅｅｐｉｎｇ Ｓｅｒｖｅｒ）等服务器，为运营商提供用户管理，性能管理、故障管理、安全管理、计费管理和配置管理功能，保证了系统能够高效、可靠地运行。

    （４）ＰＳＴＮ网关

    包括媒体网关和信令网关两个模块，它们在呼叫代理的控制下，媒体网关完成ＳＣＮ和ＩＰ间的语音信息转换；信令网关则完成ＮＣＳ（Ｎｅｔｗｏｒｋ－ｂａｓｅｄ Ｃａｌｌ Ｓｉｇｎａｌｉｎｇ）和ＳＳ７间的转换，从而实现同ＰＳＴＮ的互通。

    中国信息产业部已经批准中国电信、联通、吉通和网通组建ＩＰ电话业务实验网。ＩＰ电话业务实验网的建成将对中国电信市场带来诸多积极的影响：推进我国网络电话技术的发展和应用，与世界通信技术的发展趋势保持同步；降低电话业务的通信费用，促进电信事业的发展；ＩＰ电话实验网的实验运行，在技术、业务流程、营销、业务种类、服务质量等各方面积累宝贵的经验，为今后ＩＰ电话的实际应用打下基础。

    ＨＦＣ网双向改造的完成和电缆数据业务接口规范ＤＯＣＳＩＳ的不断完善为宽带交互式多媒体业务，特别是为开展ＩＰ电话增值业务提供了理想的接入网平台。ＨＦＣ上的ＩＰ电话系统具有高的带宽可用性、数据处理功能和存储能力，并综合了ｂｕｎｄｌｉｎｇ和帐单功能。它独立于电信公司的通信线路，兼容传真、调制解调器、拨号形式以及用户指令。还支持包括呼叫等待、三方呼叫及多点接入等等。在提供和ＰＳＴＮ相同的话音质量和响应时间的同时节省大量费用，具有广阔的应用前景。专家预测Ｃａｂｌｅ Ｍｏｄｅｍ系统上的ＩＰ语音与传真业务量在不久的将来将会超过数据通信量，成为Ｃａｂｌｅ Ｍｏｄｅｍ系统的第一大业务。