基于VoIP的企业通信网实现及关键技术
发布时间：2015-07-09 11:30
摘要 本文分析了数字电话技术VoIP的基本原理和系统组成，针对VoIP的几个关键技术进行分析讨论，在此基础上根据企业网络的不同构成情况，提出了两种基本的企业VoIP技术解决方案，最后对企业VoIP的发展进行了展望。
关键词 VoIP；PSTN；LAN；PBX
0 引言
近几年,互联网发展迅速，并逐渐渗入生活的各个领域，网络新技术也不断涌现，VoIP(Voice over Internet Protocal)就是其中之一。VoIP是一种数字电话技术,从字面意思理解就是通过IP网络来传输语音信号。它集成了语音压缩/解压缩、数据存储与交换及路由分配等多项信息处理技术，因其能利用现有网络资源提供廉价甚至免费的语音服务，最近几年得到广泛的应用，成为传统PSTN的强劲对手。在网上迅速走红的Skype软件就是最好的证明。如今，这项技术也引发了一轮企业通信革命。传统企业一般采用PSTN来进行语音交流，采用LAN来传送数据，这样不仅会产生大量的通信费用，增加企业运营成本，而且会浪费巨大的网络资源。运用VoIP技术，通过技术整合，将传统企业PSTN语音业务与传统LAN数据业务合二为一，不仅大大降低了企业的通信成本，而且变革了企业内部的网络架构,进一步提高了企业的工作效率。本文根据企业网络的不同构成情况，提出了两种基本的企业VoIP技术解决方案。
1 基于VoIP的关键技术及体系结构
传统的电话网是以电路交换方式传输语音，一旦连接建立，这条电话将一直为这次通话服务，直到通话一方释放连接。而VoIP是以IP分组交换网络为传输平台，先把从终端取得的模拟信号转换为数字信号，通过语音压缩算法对语音数字信号进行压缩编码处理，然后把这些语音数据按TCP/IP标准进行打包，形成统一的IP数据包，经过网络把语音数据送至接收端，接收端把这些语音数据按照时间先后串起来，经过解码解压缩后恢复成原来的语音信号，从而达到通过互联网传送语音的目的。传输使用的是无连接的UDP协议[1]，使用尽力而为的方式。其数据传送过程示意图如图1。
图1 VoIP数据传送模型图
1.1 VoIP关键技术分析
VoIP要实现的是通过网络来传输语音，通过分组交换来传送信息，不可避免的会出现分组丢失、失序到达和抖动等情况，造成语音质量下降，因此必须通过一定的技术来解决这些问题。在VoIP中，采用的关键技术主要有编码技术、信令技术和QoS保障技术等。
1.1.1语音编码
在VoIP的通信过程中，语音压缩编码是至关重要的一环。它的作用就是把用户语音的PCM（脉冲编码调制）抽样编码成少量比特的语音帧，从而大大地节省了网络的带宽，而且使得语音在链路产生误码、网络抖动和突发传输时具有很强的健壮性。
语音编码算法需要考虑三个方面的问题：编码比特率、语音质量和算法复杂度，但这些指标时互相影响的。比特率越低，线路利用率越高，但语音质量会受到影响；在同样比特率的情况下，算法设计越复杂，语音质量会有所提高，但延时会增加。实际的编码方案和算法就是在上述三个指标中取得折中。
目前应用于VoIP通信中的编码技术主要是由ITU-T建议的应用于低速率多媒体服务中语音信号的压缩算法，如G.723,G.729等。
1.1.2信令技术
信令控制技术是保证VoIP 建立呼叫和传输数据等环节正常运行的基础。信令在通信网中实现认证、资源分配和计费等功能，信令系统的体系结构和复杂程度在很大程度上决定了网络的可扩展能力、互通能力和业务提供能力。目前。工业上主要采用的协议为ITU-T公布的H.323协议。
H.323是有关“基于分组的多媒体通信系统”的系统协议簇，它涉及通信控制、网络接口和终端设备等，实际上是一个框架性的系列协议。在信令控制方面，主要是通过H.225.0 和H.245实现的。H.225.0的作用是把要传输的音频、数据和控制流格式化成为消息输出到网络接口，同时还要从网络接口输入的消息中检索出音频、数据和控制流。而且，它还能实现适合于各媒体类型的逻辑成帧、序列编号等。H.245是多媒体控制协议，主要是用来传送终端到终端的控制消息，包括打开和关闭逻辑信道、模式参数请求等。
1.1.3 QoS服务质量保障技术
在VoIP的通信流程中，模拟的语音信号需要被压缩编码、打包、IP网上传输和语音恢复等。这些过程都是有一定延迟时间的。所有的这些延迟加起来就构成了VoIP的总时延。为了保证通话质量，VoIP系统的总时延要求在400ms以下。相比较而言，语音编解码过程的时延较小，产生延迟的主要原因还是IP网络上的传输延迟。为了防止网络传输时延过大影响通话效果，目前常采用资源预留协议（RSVP）来减小时延。RSVP协议要求每台参与VoIP业务的机器都必须预留必要的资源来保障VoIP性能。
另一方面，语音包从源端传送到目的端的传输时间不同会引起通话时延抖动问题。这种时延抖动问题是由在接收端增加消抖动缓存器来解决的。在缓存器中延迟的时间要恰到好处，时间太短，一些语音包没有到达，没有起到消除抖动的目的;时间太长，这将会增加VoIP语音传输总的时延。所以通常采用自适应延迟算法，它是根据RTP报文中的时戳和丢包率来判断当前网络的抖动情况，自动调节每一个包的延迟。
此外，IP网络总是存在着阻塞现象，基于UDP传输协议的RTP语音包不可避免会存在传输丢包现象。通常情况下，都是单个丢包现象为主，两个或两个以上包丢失的比率要比单包丢失的比率小得多，大量连续得丢包现象更是少见。对单包丢失情况可以采用前向法（FEC）来解决丢包引起得通话质量问题，即在每次传输时，都多携带前面一个或几个的语音包的冗余信息，当接收端发现当前的包丢失时，就有可能利用后续到来的包携带的信息对当前包进行恢复。
除了上述通过解决时延、抖动、丢包问题来保证VoIP服务质量外静音检测技术和回声消除技术也十分关键。静音检测技术可以有效剔除静默信号，减少话音信号占用带宽。回声消除技术主要利用数字滤波技术来消除对通话质量影响很大的回声干扰问题，以保证通话质量。
1.2VoIP体系结构
一个典型的VoIP系统主要由终端、网守、网关等组成，简单的可实现VoIP模型不具有QoS控制机制，从实用的角度出发，下面分析一种QoS增强的VoIP体系结构如图2，并分析其具体实现。
图2 QoS增强的VoIP体系结构图
终端设备可以是普通的电话机、电脑，也可以是集语音、数据和图像于一体的多媒体业务终端。不同的终端产生的语音信号数据结构是不同的，而这些信号需要在同一个网络上按照同样的标准传输，这就需要由网关或者一个适配器来进行数据转换，形成统一的IP数据包。这种数据转换包括模数转换和压缩编码。VoIP电话系统中最重要的是网关，它提供IP网络和电话网及其它网络之间的接口，例如H.323网关可连接H.323网络和非H.323网络，可以完成业务信道编码的转换及信令控制的转换、接续，确定被叫的接续位置，同时选择最佳路由，以减少时延。网守类似于PSTN的程控交换机，它能够为网络中的终端和网关提供地址解析、访问控制、安全检查、呼叫控制信令以及呼叫管理功能。
QoS控制器是实现QoS控制的关键部件，连接准入控制，对终端的优先级配置，对语音分组的IP优先服务及对MAC帧的优先级控制都由它直接决定。它的主要功能包括用户界面、协议交互、远程网络设备配置及网络性能测试等。当终端用户发起呼叫时，QoS控制器将从网守处得到呼叫请求，它首先会根据呼叫终端和被呼叫终端的IP地址获得网络通信路径，利用它所携带的带宽和时延等测试工具获得实时网络性能，同时根据通信要求的基本QoS指标设定网络可用性的QoS域值，与测得的实时网络参数进行比较，若要求能被满足，则返回连接准许消息，同时附带所测网络参数给终端用户以指示。这样可以避免进一步的网络拥塞，同时很容易扩展为资源预留模型，用户只需要把终端优先级设为最高优先级，QoS控制器就可以代替终端发起资源预留，根据两端的IP地址建立保留路径的消息，一旦路径符合要求，将最快将资源转给高优先级的终端。
2 企业VoIP技术解决方案
现在大部分企业都使用两个网络，即PSTN和LAN。运用VoIP技术，通过技术整合，将传统企业PSTN语音业务与传统LAN数据业务合二为一，使之能
够在一个网络上实现低成本的IP语音和IP 数据服务，这对于增强企业LAN网络非IP呼叫处理能力、扩展其使用功能、降低企业对外经营业务成本费用（大量长途电话、传真、视频会议、语音多媒体网络信息服务等）具有非常重要的现实意义。下面就介绍几种企业内VoIP的实现方案。
2.1 基于PBX的企业VoIP实现
大部分企业具有PBX(专用分组交换机)交换系统，具有PBX交换系统的企业相当于是作为市话局的一个用户端局接入了城市PSTN系统，使企业PBX交换系统占有PSTN市话系统独立的中继局向和若干中继号码资源，以将企业内部话务量按一定比例集中分配到与市话网连接的中继线上。这实际上是一种传统的基于物理端口或电路交换形式的固定连接方式，它必须使PBX的每一部用户分机与交换机的某一物理端口相关联，在用户位置发生变化时，用户电缆的物理配置相应也要发生变化，这使网络的扩展性与系统配置的灵活性受到了很大的限制，因而企业希望能够通过VoIP网络整合技术来解决此问题。
在企业级VoIP系统中，终端设备之间的连接主要基于逻辑上的网络结构，一个基于电路连接的物理端口可以对应于若干个逻辑端口，逻辑端口数目可由关守定义，设备ＩＰ地址按逻辑信息进行标识，通过包交换形式，不仅同样可以从PBX的前向话音时隙交换中分离出话音信号和呼叫控制信号，达到在LAN数据网络上实现对语音信号的数字转换和传送的目的，同时，还可以通过呼叫服务器对设备的IP 地址进行管理（增加、删除和修改），因此在网络扩容或用户变更时，不需要对交换机物理端口进行配置，仅需对部分或个别逻辑端口重新定义或对IP地址进行修改即可。
VoIP网关+模拟话机的方案能兼容企业传统的PSTN电话交换网络，实现传统电话网络向IP网络的逐步过渡。典型的VoIP网关+模拟话机系统由电话终端、网关、网守和多点接入控制单元等构成，基于H.323协议所定义的协议模型。其基本结构如图3所示。
图3 基于PBX的企业VoIP语音系统构成
企业用户通过话机发出呼叫后通过PBX接到网关上，网关根据呼叫的接入码触发相应的业务流程，进而与用户进行交互，获得被叫号码信息；网关在获得被叫号码信息后，与网关上已经设置好的路由数据进行比较，如果被叫号码对应的号首已经有相应的路由数据，则网关直接核对端网关之间建立起IP通信，如果被叫号码对应的号首枚有相应的路由数据，则呼叫失败，网关可以提示用户不能接通，并允许用户重新拨打被叫号码；两个网关之间的呼叫建立起来后，被叫网关将向被叫用户所在的PSTN交换机或PBX发起呼叫建立请求，如果被叫号码存在且空闲，则被叫话机将振铃；被叫在振铃后摘机，主被叫用户通过IP电话网关和IP电话网络可以通话，其中语音从交换机传送到网关后，网关将对语音进行压缩，然后将压缩后的语音包打成IP包的形式并通过互联网传送到对方网关，恢复成压缩后的语音包并进行解压，使其恢复成正常的语音包，并让用户能够通话。
2.2 基于LAN的企业VoIP实现
目前，局域网的主要应用是数据交换和信息共享服务，如果充分利用现有的LAN资源来实现传统的PSTN语音服务，则可以为企业节约大量的通信费用，甚至有可能替代原有的企业内部电话总机。VoIP技术在网络中得到了广泛应用，许多关键技术和产品日渐成熟，系统设备的价格也越来越低，使得基于LAN的VoIP应用成为可能。
在原有LAN设备基础上增加LAN-PSTN网关（LPG）、LAN-WAN Exchange网关（LWEG）、系统管理服务器（SMS）和数字终端（DVT）即可构成LAN-VOIP电话系统。
DVT在此系统中相当于传统PSTN中的普通电话机，通常在LAN中有两种方法可以实现DVT，一种是软件方法，利用LAN中现有的计算机硬件资源，如声卡、网卡等，并加上一定的软件来实现，称之为“软件模式”；另一种是“硬件模式”，使用专门的VoIP终端话机。它提供一个与传统话机一样的拨号界面，并且提供一个以太网接口，用来接入LAN的HUB或交换机，具有语音压缩与还原功能。
基于LAN的IP电话系统中，SMS是十分重要的组成部分，它的作用如同PSTN中的PBX，它主要完成一下功能：呼叫连接管理、鉴权、语音信箱和系统功能维护。基于LAN的VoIP电话系统构成如图4。
图4 基于LAN的企业VoIP语音系统构成
图中SMS服务器与LAN中的Switch HUB相连，LPG的一端与外部的PSTN网连接，另一端与HUB相连，DVT直接与LAN各级Switch HUB相连。
当企业用户通过DVT发出呼叫时，在DVT与SMS之间通过TCP协议交换控制信息，然后由SMS负责发起呼叫，LAN Switch HUB接到呼叫信息后，检查信息头部，选择合适路由，并发送信息。如果被叫用户是传统PSTN用户，则通过LPG，它负责LAN用户与传统PSTN网的连接。如果被叫用户是LAN用户，则通过LWEG，它能实现LAN用户与外部广域网用户之间的语音通信。
论文介绍的两种方案均是采用VoIP来实现语音通信，即语音数据均是通过IP网络进行传输，但是二者也有不同之处。基于LAN的方式可以实现PC与PC和PC与普通PSTN电话终端之间的通信。其中PC与PC之间利用IP地址进行呼叫，这种方式和公用电话通信有很大的差异，且限定在因特网内。PC与普通PSTN电话终端之间的通信是由网关来完成IP地址和电话号码的对应与翻译，以及话音编码与解包。基于PBX的方式只可以实现普通PSTN电话终端之间的通信，因为普通电话终端只能设计成呼叫PSTN号码的形式，复杂的IP地址不能在上面进行呼叫。
以上两种方案主要是针对现在企业内部网络的情况提出的，实际上企业网实施VoIP技术，组网方案还会有多种灵活选择形式。重要的是在能够保证系统所需功能及服务质量QoS的前提下，企业要能够根据自身网络的不同情况和不同需求，按网络整合最低投资成本在众多可供选择的配套方案中做出最合理的选择，以避免给实施VoIP技术带来盲目性。
3 结束语
如果我们审视一下企业信息化的进程，就可以充分认识到企业VoIP通信与众不同之处。随着ERP和电子商务等IT应用深化到企业管理和生产之中，企业对其内部以及外部的通信模式提出了新的要求，即简化网络、降低管理成本和高效沟通，这就不难理解为什么VoIP会成为今天企业信息化的新宠。
但是现在企业信息化已不仅仅满足于提供单纯的话音服务，在未来的VoIP业务中，除了单纯语音业务外，一些增值业务的份额也将逐步增加，例如，数据传真、视频会议、远程监控等方面，其中视频会议将成为VoIP最具代表的优势体现。无线局域网络(Wi-Fi)与VoIP电话相结合也是一项重要的发展趋势。目前，VoIP的发展正处在一个多样化的阶段，技术也越来越成熟，我们有理由相信，在不远的未来，VoIP将给人类带来全新的通信概念。
参考文献：
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