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2006-12-20   阅:    下页:
VoIP测试基础:网络电话VoIP信号传输过程


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  VoIP又称IP电话或IP网络电话,是Voice Over IP的缩写,这种技术通过对语音信号进行编码数字化、压缩处理成压缩帧,然后转换为IP数据包在IP网络上进行传输,从而达到了在IP网络上进行语音通信的目的。IP电话*大的改进了网络带宽的利用率,大大降低了通信的费用,它的广泛应用也促进了宽带多媒体应用的发展。

  VoIP*大的*势是能广泛地采用Internet和全球IP互连的环境,提供比传统业务更多、更好的服务。

  VoIP可以在IP网络上便宜的传送语音、传真、视频、和数据等业务,如统*消息、虚拟电话、虚拟语音/传真邮箱、查号业务、Internet呼叫中心、Internet呼叫管理、电视会议、电子商务、传真存储转发和各种信息的存储转发等。

  通过因特网进行语音通信是*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*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**典型的、也是*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**分析 VoIP的基本原理,以及VoIP中的相关技术问题。

*、 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*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*个IP网络上传输语音信号,要求几个元素和功能。*简单形式的网络由两个或多个具有VoIP功能的设备组成,这*设备通过*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。

 


  1、 语音-数据转换

  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,**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 10~30ms。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

  *旦语音信号进行数字编码,下*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*个编码器使用15ms的帧,则把从第*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*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*端点。语音网络简单地建立通信端点之间的物理连接(*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,**站地转发到目的地。

  3、 传送

  在这个通道中,全部网络被看成*个从输入端接收语音包,然后在*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*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*提供*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。整个过程如图2-19所示。
     
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*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 *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*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*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平台来实现语音编码和回声抵消的功能。

https://anheng.com.cn/news/html/network_troubleshooting/938.html 

  
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*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
  Multili

  nk PPP 帧中继数据整流形
  SIP 基于***的CoS
  Packet over SONET IP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*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***的CoS Packet over SONET IP和ATM QoS/CoS的集成

  2、 高*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*应用或很小的*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*化,通常双通用CPU快*个或几个数量*。就像精简指令集计算机(RSIC)芯片集中于快速执行有限数目的操作*样,ASIC被预*编程、使其能更快地执行有限数目的功能。*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传输技术 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*。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*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(MPLS),这是*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*个重要领域,*后出现了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。

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  第*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*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*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,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*进的光传输设备。波分多路复用的*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40~96全波长。这具有重要意义,因为每增加*个波长,就增加了*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*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*条光纤上可同时支持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既可以保护已有的投资,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*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。后者主要在日本和德国。日本坚持不懈攻关十多年,采取*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*势互补,接入速率可达622M bit/s,对宽带IP多媒体业务发展十分有利,且能减少故障率和节点数目,扩大覆盖范围。目前ITU已完成了标准化工作,各厂家正在积*研制,不久会有商品上市,将成为面向21世纪的宽带接入技术的主要发展方向。

  目前主要采用的接入技术有:PSTN、IADN、ADSL、CM、DDN、 X.25和 Ethernet以及宽带无线接入系统列等。这些接入技术各有特点,其中发展*快的是ADSL和CM;CM(Cable Modem)采用同轴电缆,传输速率高、抗干扰能力强;但是不能双向传输,无统*标准。ADSL(Asymmetrical Digital Loop)独享接入宽带,充分利有现有电话网,提供非对称的传输速率,用户侧的下载速率可以达到8 Mbit/s,用户侧的上载速率可以达到1M bit/s。ADSL为企业和各个用户提供必要的宽带,并*大地降低成本。使用较低成本的ADSL地区环路,现在公司能以更高的速度访问因特网和基于因特网服务供应商的VPN,允许更高的VoIP呼叫容量。

  5、 中央处理单元技术

  中央处理单元(CPU)在功能、功率和速度方面继续发展。这使多媒体PC能够广泛应用,并提高了受CPU功率限制的系统功能的性能。PC处理流式音频和视频数据的能力在用户中期待已久,所以在数据网络上传送语音呼叫理所当然成为下*步的目标。这个计算功能使*进的多媒体桌面应用和网络组件中的*进功能都支持语音应用。

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