語音技術IP電話的原理結構

 隨著光網路的飛速發展和數字傳輸技術的應用，原來在資料通訊網中被視為應用“瓶頸”的頻寬和服務品質等問題一一得到解決，推動了IP技術的飛速發展，帶動各種應用向IP靠攏， IP電話（又稱IP PHONE或VoIP）業務就是其中一個典型的應用。
　　
　　一、IP電話的概念
　　IP電話是一種利用Internet技術或網路進行語音通訊的新業務。從網路組織來看，目前比較流行的方式有兩種：一種是利用Internet網路進行的語音通訊，我們稱之為網路電話；另一種是利用IP技術，電信運行商之間通過專線點對點連接進行的語音通訊，有人稱之為經濟電話或廉價電話。兩者比較，前者具有投資省，價格低等優勢，但存在著無服務等級和全程通話品質不能保證等重要缺陷。該方式多為電腦公司和資料網路服務公司所採納。後者相對於前者來講投資較大，價格較高，但因其是專門用於電話通訊的，所以有一定的服務等級，全程通話品質也有一定保證。該方式多為電信運行商所採納。
　　
　　IP電話與傳統電話具有明顯區別。首先，傳統電話使用公眾電話網作為語音傳輸的媒介；而IP電話則是將語音訊號在公眾電話網和Internet之間進行轉換，對語音訊號進行壓縮封裝，轉換成IP包，同時，IP技術允許多個使用者共用同一頻寬資源，改變了傳統電話由單個使用者獨佔一個通道的方式，節省了使用者使用單獨通道的費用。其次，由於技術和市場的推動，將語音轉化成IP包的技術已變得更為實用、便宜，同時，IP電話的核心元件之一數位訊號處理器的價格在下降，從而使電話費用大大降低，這一點在國際電話通訊費用上尤為明顯，這也是IP電話迅速發展的重要原因。
　　
　　二、IP電話的基本原理
　　IP電話（又稱IP PHONE或VoIP）是建立在IP技術上的分組化、數字化傳輸技術,其基本原理是：通過語音壓縮演算法對語音資料進行壓縮編碼處理,然後把這些語音資料按IP等相關協議進行打包,經過IP網路把資料包傳輸到接收地,再把這些語音資料包串起來,經過解碼解壓處理後,恢複成原來的語音訊號,從而達到由IP網路傳送語音的目的。IP電話系統把普通電話的類比訊號轉換成電腦可聯入網際網路傳送的IP資料包,同時也將收到的IP資料包轉換成聲音的類比電訊號。經過IP電話系統的轉換及壓縮處理,每個普通電話傳輸速率約佔用８～11kbit/s頻寬,因此在與普通電信網同樣使用傳輸速率為64kbit/s的頻寬時,IP電話數是原來的5～8倍。
　　
　　IP電話的核心與關鍵裝置是IP電話網關。IP電話網關具有路由管理功能,它把各地區電話區號映射為相應的地區網關IP地址。這些資訊存放在一個資料庫中,有關處理軟體完成呼叫處理、數字語音打包、路由管理等功能。在使用者撥打IP電話時,IP電話網關根據電話區號資料庫資料,確定相應網關的IP地址,並將此IP地址加入IP資料包中,同時選擇最佳路由,以減少傳輸時延,IP資料包經網際網路到達目的地IP電話網關。對於網際網路未延伸到或暫時未設立網關的地區,可設定路由,由最近的網關通過長途電話網轉接,實現通訊業務。
　　
　　三、IP電話的基本結構
　　IP電話的基本結構由網關（GW）和網守（GK）兩部分構成。網關的主要功能是信令處理、H.323協議處理、語音編解碼和路由協議處理等，對外分別提供與PSTN網串連的中繼介面以及與IP網路連接的介面。網守的主要功能是使用者認證、位址解析、頻寬管理、路由管理、安全管理和地區管理。一個典型的呼叫過程是：呼叫由PSTN語音交換器發起，通過中繼介面接入到網關，網關獲得使用者希望呼叫的被叫號碼後，向網守發出查詢資訊，網守尋找被叫網守的IP地址，並根據網路資源情況來判斷是否應該建立串連。如果可以建立串連，則將被叫網守的IP地址通知給主叫網關，主叫網關在得到被叫網關的IP地址後，通過IP網路與對方網關建立起呼叫串連，被叫側網關向PSTN網路發起呼叫並由交換器向被叫使用者響鈴，被叫摘機後，被叫側網關和交換器之間的話音通道被連通，網關之間則開始利用H.245協議進行能力交換，確定通話使用的編解碼，在能力交換完成後，主被叫方即可開始通話。
四、IP電話的優點
　　IP電話是語音Data Integration與語音/分組技術進展結合的經濟優勢，從而迎來一個新的網路環境，這個新環境提供了低成本、高靈活性、高生產率及效率的增強應用等優點。IP電話的這些優點使企業、服務供應商和電信電訊廠商們看到了許多美好的前景，把語音和Data Integration在一個封包交換網路中的契機是由以下因素推動的：
　　
　　(1)通過統計上的多工而提高的效率。
　　
　　(2)通過語音壓縮和語音活動檢測（安靜抑制）等增強功能而提高的效率。
　　
　　(3)通過在私人資料網路上傳送撥打電話而節省長途費用。
　　
　　(4)通過聯合基礎設施組件降低管理成本。
　　
　　(5)利用電腦電話語音整合的新應用的可能性。
　　
　　(6)資料應用上的語音連線。
　　
　　(7)有效使用新的寬頻WAN技術。
　　
　　分組網路提高的效率和在統計學上隨資料分組多工語音資料流的能力，允許公司最大限度地得到在資料網路基礎設施上投資的回報。而把語音資料流放到資料網路上也減少了語音專用線路的數目，這些專用線路的價格往往很高。LAN，MAN和WAN環境中吉位乙太網路、密集波分多工和Packet over SDH等新技術的實現，以更低的價位為資料網路提高更多的頻寬。同樣，與標準的TDM串連相比，這些技術提供了更好的性價比。
　　
　　五、IP電話的種類
　　IP電話就有4種：電話到電話、電話到PC、PC到電話和PC到PC。具體如下：
　　
　　（1）PC到PC：最初IP電話方式主要是PC到PC,利用IP地址進行呼叫,通過語音壓縮、打包傳送方式,實現網際網路上PC機間的即時話音傳送,話音壓縮、編解碼和打包均通過PC上的處理器、音效卡、網卡等硬體資源完成,這種方式和公用電話通訊有很大的差異,且限定在網際網路內,所以有很大的局限性。
　　
　　（2）電話到電話：　電話到電話即普通電話經過電話交換器連到IP電話網關,用電話號碼穿過IP網進行呼叫,發送端網關鑒別主叫使用者,翻譯電話號碼/網關IP地址,發起IP撥打電話,串連到最靠近被叫的網關,並完成話音編碼和打包,接收端網關實現拆包、解碼和串連被叫。
　　
　　（3）電話到PC ：電話到PC是由網關來完成IP地址和電話號碼的對應和翻譯,以及話音編解碼和打包。
　　
　　（4）PC到電話：PC到電話也是由網關來完成IP地址和電話號碼的對應和翻譯,以及話音編解碼和打包。
　　
　　六、IP電話的關鍵技術
　　傳統的IP網路主要是用來傳輸資料業務,採用的是儘力而為的、不需連線的技術,因此沒有服務品質保證,存在分組丟失、失序到達和時延抖動等情況。資料業務對此要求不高,但話音屬於即時業務,對時序、時延等有嚴格的要求。因此必須採取特殊措施來保障一定的業務品質。IP電話的關鍵技術包括：信令技術、編碼技術、即時傳輸技術、服務品質（QoS）保證技術、以及網路傳輸技術等。
　　
　　1．信令技術
　　
　　信令技術保證撥打電話的順利實現和話音品質,目前被廣泛接受的VoIP控制信令體系包括ITU－T的H.323系列和IETF的會話初始化協議SIP。
　　
　　ITU的H.323系列建議定義了在無業務品質保證的網際網路或其它分組網路上多媒體通訊的協議及其規程。H.323標準是區域網路、廣域網路、INTRANET和Internet上的多媒體提供技術基礎保障。H.323是ITU－T有關多媒體通訊的一個協議集,包括用於ISDN的H.320,用於Ｂ－ISDN的H.321和用於PSTN終端的H.324等建議。其編碼機制,協議範圍和基本操作類似於ISDN的Q.931信令協議的簡化版本,並採用了比較傳統的電路交換的方法。相關的協議包括用於控制的H.245,用於建立串連的H.225.0,用於大型會議的H.332,用於補充業務的H.450.1、H.450.2和H.450.3,有關安全的H.235,與電路交換業務互操作的H.246等。H.323提供裝置之間、高層應用之間和供應商之間的互通性。它不依賴於網路結構,獨立於作業系統和硬體平台,支援多點功能、組播和頻寬管理。H.323具備相當的靈活性,支援包含不同功能的節點之間的會議和不同網路之間的會議。H.323建議的多媒體會議系統中的資訊流包括音頻、視頻、資料和控制資訊。資訊流採用H.225.0建議方式來打包和傳送。
H.323呼叫建立過程涉及到三種信令：ＲＡS信令（R=註冊：Registration、A=許可：Admission和S=狀態：Status）,H.225.0呼叫信令和H.245控制信令。其中ＲＡS信令用來完成終端與網守之間的登記註冊、授權許可、頻寬改變、狀態和脫離解除等過程；H.225.0呼叫信令用來建立兩個終端之間的串連,這個信令使用Q.931訊息來控制呼叫的建立和拆除,當系統中沒有網守時,呼叫信令通道在呼叫涉及的兩個終端之間開啟；當系統中包括一個網守時,由網守決定在終端與網守之間或是在兩個終端之間開闢呼叫信令通道；H.245控制信令用來傳送終端到終端的控制訊息,包括主從判別、能力交換、開啟和關閉邏輯通道、模式參數請求、流控訊息和通用命令與指令等。H.245控制信令通道建立於兩個終端之間,或是一個終端與一個網守之間。
　　
　　雖然H.323提供了窄帶多媒體通訊所需要的所有子協議,但H.323的控制協議非常複雜。此外,H.323不支援多點發送（Multicast）協議,只能採用多點控制單元（ＭＣＵ）構成多點會議,因而同時只能支援有限的多點使用者。H.323也不支援來電轉接,且建立呼叫的時間比較長。與H.323相反,SIP是一種比較簡單的會話初始化協議。它不像H.323那樣提供所有的通訊協定,而是只提供會話或呼叫的建立與控制功能。SIP可以應用於多媒體會議、遠程教學及Internet電話等領域。SIP既支援單點發送（Unicast）也支援多點發送,會話參與者和媒體種類可以隨時加入一個已存在的會議。SIP可以用來呼叫人或機器裝置,如呼叫一個媒體存放裝置記錄一個會議,或呼叫一個點播電視伺服器向會議播放視頻訊號。
　　
　　SIP是一種應用程式層協議,可以用UDP或TCP作為其傳輸協議。與H.323不同的是：SIP