IP電話：業(yè)務(wù)、技術(shù)問題及產(chǎn)品
肖征榮
2003/11/04
摘要：隨著Internet在近幾年的快速增長，通過Internet傳輸電話業(yè)務(wù)引起了人們極大的興趣。因為Internet支持數(shù)據(jù)通信，許多別的業(yè)務(wù)能夠和IP電話相結(jié)合。然而，Internet主要是用于非實時的數(shù)據(jù)通信的，因此，在Internet成功地用于電話業(yè)務(wù)之前，有幾個技術(shù)問題必須解決。本文討論了IP電話中的新業(yè)務(wù)，技術(shù)問題和解決方案，以及支持IP電話的產(chǎn)品。
1.引言
計算機網(wǎng)絡(luò)和電信網(wǎng)絡(luò)中兩種主要的技術(shù)是電路交換和分組交換。當前的電話系統(tǒng)是以電路交換為基礎(chǔ)的，并為用戶提供了服務(wù)質(zhì)量（QoS）保證。在兩個端點開始通信之前建立一個電路。數(shù)據(jù)通信是非實時的，是通過分組交換網(wǎng)絡(luò)運行的，如以TCP/IP協(xié)議族為基礎(chǔ)的Internet。
Internet在近年來的增長，使得人們對在Internet上傳輸實時的語音業(yè)務(wù)流產(chǎn)生了興趣。因為Internet最初不是為實時通信設(shè)計的，在Internet上傳輸語音產(chǎn)生了許多技術(shù)問題，這些問題都需要在IP電話成功部署以前解決。這些技術(shù)問題包括在Internet上傳輸語音時，帶寬得不到保障、分組丟失、時延和抖動。
然而，IP電話產(chǎn)生了一系列的業(yè)務(wù)及其綜合業(yè)務(wù)，這是使用傳統(tǒng)電路交換的電話網(wǎng)絡(luò)沒法實現(xiàn)的。它允許在同一個網(wǎng)絡(luò)上語音、傳真和數(shù)據(jù)的綜合。使用IP電話的業(yè)務(wù)包括：以Web為基礎(chǔ)的呼叫中心、實時記帳、遠程工作、使用共享白板和共享應(yīng)用的電話會議。
商家已經(jīng)開發(fā)了大量的在Internet上進行語音通信的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品根據(jù)端用戶的不同主要分為三類：通信公司、企業(yè)和個人。
2.應(yīng)用和業(yè)務(wù)
傳統(tǒng)的PSTN和IP電話的主要區(qū)別是，IP電話是建立在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)之上的。因此，IP電話提供的不僅僅是語音業(yè)務(wù)。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可以與語音業(yè)務(wù)結(jié)合，產(chǎn)生新的業(yè)務(wù)，這是傳統(tǒng)的電話業(yè)務(wù)無法實現(xiàn)的。這個新技術(shù)所提供的業(yè)務(wù)有以下幾種：
2.1語音等級
PSTN僅支持一種等級的語音，即4kHz的長途電話語音。因此PSTN不適合于高保真度的立體聲和環(huán)繞語音。只有IP網(wǎng)絡(luò)有足夠的帶寬，IP電話才能支持更高等級的語音。
2.2視頻電話
由于IP電話支持視頻傳輸，在IP電話上很容易提供視頻電話。
2.3統(tǒng)一的消息服務(wù)
大多數(shù)雇員有許多通信業(yè)務(wù)，用以在工作時與客戶或者同事保持聯(lián)絡(luò)。人們大都有一個E-Mail地址，一個移動電話號碼，一個固定電話號碼，一個傳真號，以便在工作時可以聯(lián)絡(luò)，或許還有另外的家用電話或傳真號碼。聯(lián)系方式的增加，導(dǎo)致用戶更加難于聯(lián)絡(luò)，因為在某一時刻，他只可能在一個地方。
傳統(tǒng)的電話公司提供的消息業(yè)務(wù)只限于語音郵件，他們并不允許接入傳真或E-Mail。使用IP網(wǎng)絡(luò)的分組交換系統(tǒng)，一個統(tǒng)一的消息業(yè)務(wù)系統(tǒng)就可以實現(xiàn)了。用戶可以在他方便的地方接收發(fā)往一個位置的所有消息，家中或工作電話上的語音郵件可以象E-Mail一樣轉(zhuǎn)發(fā)到同一位置。這個特點可以擴展到所有的通信業(yè)務(wù)使用同一個電話號碼。
2.4虛擬的第二條線路
許多家庭Internet用戶使用兩條電話線，一條用于語音業(yè)務(wù)，另一條用于上網(wǎng)。使用IP電話，家庭用戶就可以在上網(wǎng)的同時打電話。因此IP電話提供了一條虛擬的線路。
2.5以Web為基礎(chǔ)的呼叫中心
以Web為基礎(chǔ)的呼叫中心允許用戶瀏覽Internet時，從一個組織的Web站點向呼叫中心發(fā)起一個VoIP呼叫。上網(wǎng)時無需停止瀏覽Internet。這種業(yè)務(wù)有兩個優(yōu)點：第一，有助于吸引用戶的注意力。許多人或許喜歡網(wǎng)上的商品廣告，但是通過電話訂貨要停止瀏覽，這很不方便，使得他們不愿意繼續(xù)。第二，當用戶要求進一步的信息時，通過網(wǎng)上呼叫中心，用戶可以與呼叫中心的工作人員對話，得到更多的信息。
2.6低成本的語音呼叫
不像使用電路交換的PSTN，IP電話使用分組交換技術(shù)。由于IP電話使用分組交換技術(shù)，沒有用于語音呼叫的專用鏈路，所有的呼叫共享網(wǎng)絡(luò)資源，這樣就極大地降低了電話呼叫的成本。
2.7實時記帳
盡管PSTN的核心網(wǎng)絡(luò)使用智能設(shè)備已經(jīng)有幾十年了，這部分對用戶仍然是透明的，尤其是記帳信息。用戶是被動的知道帳目的。這主要是由于傳統(tǒng)電話設(shè)備功能的限制，他們大部分仍然是只有12個標準操作鍵。使用VoIP，端用戶使用計算機，就可以實時地接入到記帳信息的網(wǎng)關(guān)。事實上，VoIP和Internet都是以IP為基礎(chǔ)的，這或許是某些業(yè)務(wù)商允許客戶從其網(wǎng)站上得到記帳信息的原因。
2.8遠程工作
VoIP的使用也增加了遠程工作者可以使用的資源。遠程工作者需要接入到公司的專用分支交換機（PBX）上，以便可以象在公司的其他人一樣接收和發(fā)送呼叫。他們也要求不時地接入到辦公室的LAN上，這些業(yè)務(wù)可以通過公司的VoIP網(wǎng)關(guān)得到。
2.9增強的電話會議
在IP電話的概念出現(xiàn)以前就有了電話會議了。然而，IP電話改變了電話會議的方式。傳統(tǒng)的電話會議為了保證圖象質(zhì)量，，需要在特定的房間里面安裝昂貴的設(shè)備。通過IP的電話會議更加靈活,運行用戶可以在好幾個位置舉行會議,而只需要一般的設(shè)備如桌面相機和一臺多媒體電腦。隨著視頻編碼技術(shù)的改進，移動圖象的質(zhì)量也在不斷提高。在IP網(wǎng)絡(luò)上的電話會議產(chǎn)生了豐富的業(yè)務(wù)，這些是傳統(tǒng)的電話系統(tǒng)中沒有的。用戶可以通過電子白板共享文獻，他們能夠共享僅僅安裝在一個參與者的計算機上的應(yīng)用，并且能夠在會議成員間實時地傳輸文件。
3.技術(shù)問題
IP電話面臨著許多技術(shù)問題，如分組丟失、時延和抖動。這一部分主要討論IP電話的技術(shù)問題和解決方案。
3.1分組的丟失
在所有的分組交換網(wǎng)絡(luò)中，包括IP網(wǎng)絡(luò)，分組的丟失都是常見的現(xiàn)象。與PSTN不同，IP網(wǎng)絡(luò)沒有端到端的物理電路。來自多個源的IP分組在路由器的輸出鏈路上排隊傳輸，從隊列的頭開始，一個一個地傳輸。如果隊列滿了，一個剛到達的分組就要在網(wǎng)絡(luò)中丟失。隨著使用Internet的人越來越多，路由器常常阻塞，導(dǎo)致分組的丟失。
對IP電話來說，分組的丟失對語音的質(zhì)量有很大影響。每個IP分組包含有40-80ms的語音信息，與構(gòu)成語音最重要的單元音素相對應(yīng)。當一個分組丟失了，相應(yīng)的音素就丟失了。人的大腦只能重構(gòu)一句話中少數(shù)丟失的音素，太多的分組丟失就使得一句話無法理解了。
現(xiàn)在已經(jīng)有很多技術(shù)來解決這個問題，一些技術(shù)集中于減少分組的丟失，另外一些集中于修復(fù)分組丟失帶來的損害。主要有：網(wǎng)絡(luò)升級，噪聲替換，分組重發(fā)，分組插補，幀交織，前向糾錯等。
3.2分組的時延
時序的安排是語音的一個重要特征，一個詞的兩個音節(jié)讀出時有一個間隔，這個間隔同音節(jié)一樣，是語音的不可少的一部分。如果音節(jié)之間插入了額外的時延，語音的節(jié)奏就沒有了。太大的時延在幾個方面影響語音：第一，長時延使得兩個對話者進入了一種半雙工的通信方式。第二，當發(fā)端完成傳輸時，反射信號回到發(fā)端，長時延加重了回音。
問題是，語音時延的閥值為多少才合適？原則上說，大多數(shù)應(yīng)用允許150ms以下的時延。如果時延超過150ms，用戶就會聽到回音，并且干擾別人的發(fā)言。然而，對長距離通信來說，如在澳大利亞和紐約之間，150ms-400ms的時延仍然是可以接受的。由于不可避免的信號傳播時延，用戶對較長的時延有思想準備。400ms以上的時延極大地惡化了語音的質(zhì)量，這在大多數(shù)情況下是不能接受的。
在當前的電路交換網(wǎng)絡(luò)中，如ISDN和PSTN，時延不是一個大問題。這些網(wǎng)絡(luò)中主要的時延是分組傳播時延，與距離相關(guān)。由于信號以接近光速傳播，即使對長距離的衛(wèi)星通信來說，時延也在400ms以下。
IP電話面臨的一個大問題就是時延。在IP網(wǎng)絡(luò)的分組交換網(wǎng)絡(luò)中，有許多因素導(dǎo)致時延，主要是隊列時延。而某些時延是固定的和可以預(yù)先知道的，另外一些則是變化的和不可預(yù)知的�？偟臅r延很容易就超過400ms的界限。
IP電話中的主要時延有：編碼解碼器時延、排序時延、排隊時延和傳播時延。IETF正在研究新的機制，如區(qū)分服務(wù)（DiffServ）和資源保留協(xié)議（RSVP），以在語音和其他對時延敏感的應(yīng)用中，使得語音分組比數(shù)據(jù)分組有優(yōu)先權(quán)，以減小排隊時延。
3.3網(wǎng)絡(luò)抖動
在收端，幀間的到達時間的變化就叫抖動。抖動對IP電話的影響比上述的時延還大。由于在網(wǎng)絡(luò)中，排隊時延的可變性和使用低軌衛(wèi)星鏈路的傳播時延，就會產(chǎn)生抖動。IP分組屬于同一業(yè)務(wù)流，可能在Internet中選取不同的路徑，就有不同的時延。如果一個分組無限度地時延，就不能及時地到達接收端，就會被接收端認為已經(jīng)丟失了。如果這經(jīng)常發(fā)生，語音的質(zhì)量就會受到很大影響。
為了改善這點，并獲得穩(wěn)定的分組流，接收端在將第一個分組放出之前，將第一個分組在抖動緩區(qū)里保留一定的時間。這個保留時間就是抖動緩沖區(qū)大小。例如，一個50ms的保留時間意味著有50ms的抖動緩沖區(qū)。
抖動緩沖區(qū)保留時間增加了總的時延。因此，如果抖動很高的話，即使平均時延很低，總的時延也是很大的。對IP電話系統(tǒng)來說，抖動緩沖區(qū)大小的選取是很關(guān)鍵的。一般緩沖區(qū)的大小從50ms到100ms。Cisco、Hypercom、和Netrix公司的產(chǎn)品都提供了可隨著網(wǎng)絡(luò)變化的智能緩沖區(qū)。
3.4IP和PSTN的綜合
端用戶有幾種體系結(jié)構(gòu)可用。一種是PC-PC，用戶使用與Internet相連的多媒體計算機。所有的取樣、壓縮、編碼和解碼都由計算機完成。用戶間的呼叫都使用IP地址來建立。在這種體系結(jié)構(gòu)中，IP和PSTN獨立運行。PC-電話是另外一種體系結(jié)構(gòu)，它允許一個PC用戶與一個傳統(tǒng)的PSTN電話用戶建立呼叫。這種體系結(jié)構(gòu)導(dǎo)致IP網(wǎng)絡(luò)和PSTN的綜合。PC-電話的擴展是電話-Internet-電話，它使用Internet，可以減少傳統(tǒng)電話用戶的費用。在電話-Internet-電話這種結(jié)構(gòu)中，使用傳統(tǒng)的電話設(shè)備。當一個用戶想要呼叫另外一個用戶時，就呼叫一個特定的號碼，即PSTN和Internet之間的網(wǎng)關(guān)，然后是所需的電話號碼。所有的取樣和編碼由網(wǎng)關(guān)完成。語音分組就通過Internet傳送到另外一個用戶的網(wǎng)關(guān)。第二個網(wǎng)關(guān)完成所有的解碼和轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號，再通過PSTN傳送到第二個用戶。
4.產(chǎn)品和市場
在市場上出現(xiàn)的IP電話產(chǎn)品可以分為三個部分：通信公司，企業(yè)和單個用戶。通信公司試圖為大眾提供IP電話業(yè)務(wù)，占據(jù)了市場的一大部分。第二個部分是企業(yè)，他們想把他們公司內(nèi)部的電話呼叫從PSTN中轉(zhuǎn)到他們已有的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中。使用PCs和傳統(tǒng)電話的單個用戶屬于第三類。下面分別作介紹。
4.1通信公司
在IP電話產(chǎn)品中，或許最大的市場部分屬于下一代電信公司，他們的目的是在Internet上傳送語音業(yè)務(wù)流，傳統(tǒng)電話公司看到了IP電話的潛力，并把它作為他們的一種核心業(yè)務(wù)。這些通信公司想要將呼叫從現(xiàn)有的PSTN轉(zhuǎn)到IP網(wǎng)絡(luò)中，或者反過來。這部分的產(chǎn)品是PSTN和IP網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)關(guān)。
通信公司的另外兩個功能是，提供IP電話業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)管理和IP-PSTN混合網(wǎng)絡(luò)的帳目管理。IP電話產(chǎn)品的基本體系結(jié)構(gòu)如圖1。核心模塊的功能是協(xié)助不同模塊之間的通信，綜合產(chǎn)品的所有部分，以便其外表只是單個產(chǎn)品。
圖1 通信公司IP電話產(chǎn)品基本結(jié)構(gòu)
許多公司發(fā)布了IP電話產(chǎn)品，如表1所示。
4.2企業(yè)
企業(yè)這部分市場與通信公司那部分不同。第一，企業(yè)不需要運載公眾呼叫，因此產(chǎn)品的規(guī)模較小。第二，企業(yè)愿意用連接到公司內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的IP電話產(chǎn)品代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PBXs，因此這部分產(chǎn)品必須提供基本的PBX功能，比如呼叫保持和呼叫轉(zhuǎn)移。表2是一些相關(guān)的產(chǎn)品。
4.3單個用戶
這部分市場主要是IP電話的客戶而非提供商，包括家庭用戶和只有一兩臺PC的商家。這個市場的產(chǎn)品主要設(shè)計來允許呼叫者通過Internet發(fā)起PC-PC的長距離呼叫，呼叫者只需瀏覽Internet。隨著技術(shù)的改進，使用通信公司提供的網(wǎng)關(guān)業(yè)務(wù)，某些產(chǎn)品也可以提供PC-電話的呼叫。
這類產(chǎn)品的基本構(gòu)成包括PC中的聲卡，有頭戴式耳機和話筒的麥克風(fēng)，或者連接到聲卡的傳統(tǒng)電話設(shè)備，以及PC中安裝的IP電話軟件。用戶需要接入到Internet，不同的平臺上有不同的IP電話軟件，如表3。
表3 IP電話軟件
軟件 站點
NetMeeting www.microsoft.com/netmeeting
Internet Phone www.vocaltech.com
FreeTel www.freetel.com
WebPhone www.netspeak.com
CU-SeeMe www.wpine.com
5.結(jié)束語
IP電話可以提供許多新的業(yè)務(wù)，但是，要使IP電話達到傳統(tǒng)電話的質(zhì)量，還有很多技術(shù)問題需要解決。有一些解決方案已經(jīng)有了，但是由于Internet的規(guī)模很大，實施起來較難。新的協(xié)議和技術(shù)應(yīng)當并入到當前的Internet中，以向端用戶提供QoS保障。IETF的區(qū)分服務(wù)工作組和IP電話工作組正在研究將QoS并入到Internet中，并制定新的協(xié)議以支持IP電話。
中國通信網(wǎng)(www.c114.net)