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神州數碼網絡教育城域網IP電話解決方案

2003/10/17


一、教育城域網VOIP應用分析

　　教育系統(tǒng)所有的電話聯系都是使用中國電信的電話網絡，在其各級機構之間沒有建立其它電話支撐系統(tǒng)。企業(yè)的通訊費用太高是困擾許多企業(yè)經營者的問題，然而這好像又是無法壓縮的費用，內部高額的話務費用迫切希望能夠通過現有的技術解決。而VoIP技術的日趨成熟可以解決這一困擾了行業(yè)多年的問題。通過在教委和各學校之間建立VoIP網絡，可以大量節(jié)省通信費用，支持多種呼叫方式和幾乎不改變用戶呼叫習慣的VoIP網絡為用戶提供了完整的解決方案。

　　那么，教育系統(tǒng)如何才能降低這些費用，提高競爭力呢？除了在管理上想辦法節(jié)約成本外，VoIP技術的出現為企業(yè)從技術層面降低通訊成本提供了可行性。

　　所謂VoIP(Voice over Internet Protocol)就是一種以IP電話為主，并推出相應的增值業(yè)務的技術。它通過IP包發(fā)送實現的話音業(yè)務，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：通過語音壓縮算法對話音進行壓縮編碼處理，然后把這些語音數據按IP等相關協(xié)議進行打包，經過IP網絡把數據包傳輸到目的地，再把這些語音數據包串起來，經過解碼解壓縮處理后，恢復成原來的語音信號，從而達到由IP網絡傳送話音的目的。

　　驅使Internet話音業(yè)務飛速發(fā)展的因素是什么呢？主要因素是價格。相同通話時間，通過Internet話音服務花費的費用僅僅為通過傳統(tǒng)話音服務花費的費用的幾分之一，甚至幾十分之一，其價格差異如此的懸殊，Internet 電話的發(fā)展速度也就可想而知了。另一個因素是技術的發(fā)展。以往，Internet電話留給人的印象是話音質量低劣、延遲長、經常斷。但隨著技術的發(fā)展，這些現象將不復存在。一方面，隨著ITU H.323一系列協(xié)議的推出，使得Internet電話的規(guī)范逐步完善，各廠商的設備可以互通；另一方面，Internet網絡的大力興建及硬件設備性能的提高為Internet電話的順暢提供了保障；最后，話音壓縮技術的發(fā)展也為Internet電話的發(fā)展鋪平了道路。

　　目前專家普遍認為VoIP將代表電話技術未來的方向，甚至有這樣的一句話：everything is over IP（一切都將基于IP）。許多人相信IP電話時代即將到來，據倫敦菲利普斯公司分析，IP電話將在2003年占全球總體電話業(yè)務的43.12%，而Frost & Sullivan調研公司在報告中預計，到2007年VoIP的通話量將占全部通話量的75%。

二、VoIP語音系統(tǒng)的優(yōu)缺點

　　VoIP最大的優(yōu)勢是能廣泛地采用Internet和全球IP互連的環(huán)境，提供比傳統(tǒng)業(yè)務更多、更好的服務，下面是IP電話的特點：

　　支持靈活多樣的業(yè)務方式

　　支持用戶采用卡付費。普通帳戶和固定主叫用戶等方式進行國際、國內長途業(yè)務，計費系統(tǒng)完整支持電話-電話、電話-PC等多種業(yè)務及智能卡號業(yè)務，以及如來電指示及遇忙轉移等新型增值業(yè)務。并充分利用Internet技術優(yōu)勢保證通話質量。

優(yōu)異的性能價格比

　　IP電話最大的優(yōu)點是價格上的優(yōu)勢，這是IP電話崛起的根本原因。系統(tǒng)傳輸成本包括本地市話費、IP網絡使用費以及遠端市話費，與傳統(tǒng)電信網中昂貴的長途通信費相比，可極大地降低用戶通信費用。

　　兼容原有的電話網絡

　　IP電話網關支持下的“電話到電話”方式，與傳統(tǒng)電話相連接的是普通電話線路，完全能夠實現傳統(tǒng)的電話功能，使用方便，并具有自動識別和（PSTN與Internet用戶的）網間轉換、分帳、計費、語音信箱等一系列專業(yè)化服務功能。

　　提高傳輸效率

　　電話網關采用國際標準算法（G.723.1、G.729a）壓縮語音信號進行低速率語音編碼，如G.723.1可將常規(guī)64 kb/s語音信號壓縮到5.3kb/s，而仍可以保持良好的聲音效果。人們打電話時約有60％的靜默時間，采用靜音壓縮技術只傳輸通話過程中的實際交談時段的數據，而將雙人靜默時段的帶寬釋放給其他話音業(yè)務，從而提高帶寬利用率，節(jié)省通信資源。

　　充分利用網絡資源

　　采用IP的通信網絡Internet由分組交換與無連接的分組交換相整合，因此，IP協(xié)議對通信資源的利用遠遠高于傳統(tǒng)的通信網絡。

三、VOIP技術簡介

　　VoIP的普遍運用也是與VoIP網絡技術的發(fā)展密不可分。VoIP采用了基于統(tǒng)計時分復用的IP網絡為基礎進行話音業(yè)務傳送，采用先進的數據信號處理技術進行語音編碼、語音壓縮、靜音監(jiān)測、舒適噪音生成等等技術可以提供與電路交換方式的傳統(tǒng)PSTN網絡語音品質媲美的語音服務。技術發(fā)展到今天，目前主要有兩種VoIP實施標準：ITU-T標準和IETF標準。

　　ITU-T標準：H.323協(xié)議

　　H.323是最早被采納的VoIP標準。H.323協(xié)議體系規(guī)定了基于分組網進行兩點/多點實

　　時媒體通信的系統(tǒng)邏輯組件、消息定義和通信過程。H.323協(xié)議采用了ISDN的設計思想，使用Q.931協(xié)議完成呼叫的建立和釋放，明顯地帶有電信網可管理性和集中的特征。目前，H.323協(xié)議已經在網上得到廣泛應用，國際上如ITXC和AT&T，國內如中國電信、中國聯通等均采用H.323的體系結構組建IP電話運營網。與SIP比較，H.323更為成熟。

　　H.323協(xié)議的特點

　　基于網守的概念使得H.323網絡是集中控制的便于統(tǒng)一維護管理；

　　但由此，一個明顯的缺點是，呼叫處理時延大；

　　網絡規(guī)模也因此受到極大的限制；

　　IETF標準：SIP

　　該協(xié)議體系是由Level3、Bellcore和Cisico發(fā)起的業(yè)務提供商/廠商共同體提出并由IETF

　�。↖nternet工程任務組：Internet Engineering Task Force）開發(fā)形成的。SIP協(xié)議具有簡單，靈活性和擴展性好，以及和現有的Internet應用緊密的特點，許多人認為該協(xié)議比較容易實施，近期，特別是在美國得到快速發(fā)展，同時SIP將在第三代移動通信核心網和智能業(yè)務中得到廣泛應用。目前，SIP協(xié)議還處在發(fā)展的初期階段，很多相應的標準還沒完全統(tǒng)一，管理功能不完善，大型的網絡應用還沒有。

　　應該說，H.323和SIP協(xié)議都是為構建IP電話網而逐漸形成的，兩者在發(fā)展的初期是互斥的，但目前隨著SIP協(xié)議的發(fā)展，特別是其在軟交換中的應用，使得SIP協(xié)議有了很大的發(fā)展，目前H.323和SIP協(xié)議的互連互通也已經在制訂之中。

　　另外，不管是基于H.323協(xié)議還是基于SIP協(xié)議的IP電話網架構，都需要相關的協(xié)議完成網守對媒體網關的承載控制、資源控制及管理。目前此接口使用媒體網關控制協(xié)議（MGCP: Media Gateway Control Protocol）或H.248(MeGaCo:媒體網關控制)協(xié)議。

　　H.248協(xié)議稱為媒體網關控制協(xié)議，是由ITU－T第16組提出來的，應用在媒體網關和媒體網關控制器之間、媒體網關控制器與H.248/MeGaCo終端之間。

　　MGCP是IETF較早定義的媒體網關控制協(xié)議，主要從功能的角度定義媒體網關控制器和媒體網關之間的行為，實現比較簡單，沒有H.248那樣對包和屬性的詳細定義，事件交互的機制也比較簡單。MGCP具有實現簡單等特點，但其互通性和支持業(yè)務的能力受到限制。

　　H.248／MeGaCo因其功能靈活、支持業(yè)務能力強而受到重視，而且不斷有新的附件補充其能力，是目前媒體網關的主流協(xié)議，它解決了MGCP原有的缺點，操作性強，但由于該協(xié)議推出不久，業(yè)界還缺乏成熟的產品和應用實例，需進一步發(fā)展。

　　H.248和MeGaCo在協(xié)議文本上相同，只是在協(xié)議消息傳輸語法上有所區(qū)別，H.248采用ASN.1語法格式(ITU-T X.680 1997)，MeGaCo采用ABNF語法格式（RFC2234）。

　　VoIP的關鍵技術包括：

　　媒體編碼技術

　　包括流行的G.723.1、G.729、G.729A話音壓縮編碼算法和MPEG-II多媒體壓縮技術。

　　控制信令技術

　　包括ITU-T H.323和IETF會話初始化協(xié)議SIP[4]（Session Initation Protocol）兩套標準體系，還涉及到進行實時同步連續(xù)媒體流傳輸控制的實時流協(xié)議TRSP。

　　分組傳輸技術

　　主要采用實時傳輸協(xié)議RTP。

　　業(yè)務質量保障技術

　　采用資源預留協(xié)議RSVP、服務質量Qos和用于業(yè)務質量監(jiān)控的實時傳輸控制協(xié)議RTCP來避免網絡擁塞，保障通話質量。

　　網絡傳輸技術

　　主要是TCP和UDP。

　　此外還涉及到分組重建技術和時延抖動平滑技術、動態(tài)路由平衡傳輸技術、網關互聯技術（包括媒體互通和控制信令互通）、網絡管理技術（SNMP）、安全認證和計費技術、IVR交互式語音響應技術等等。

　　VOIP關鍵技術中我們重點強調的是解決語音質量方面的技術，因為語音質量是實現VOIP的基礎，關系到VOIP網絡的建設成敗，相信一次斷斷續(xù)續(xù)的語音通話是任何人都無法忍受的。影響VoIP語音質量的主要因素有：時延與時延抖動、語音編碼技術、包丟失率、回聲、語音電平等。

時延與時延抖動

　　端到端的時延包括編解碼時延，打包與解包時延，以及網絡傳送時延。時延的變化，即時延抖動（jitter）主要由網絡引起，如果端到端的傳輸路徑中經過的中間節(jié)點（路由器、交換機等）越多，帶來的時延抖動越大。

　　語音編碼技術

　　語音編碼技術在有效地利用帶寬的同時，能提供高質量的語音。不同的編碼技術將帶來不同的語音質量，下表列出了幾種編碼技術MOS（mean opinion score）值（測試結果）。參考下表所列結果，G.729與G.711兩種編碼方案可以滿足教育系統(tǒng)IP電話的質量要求。

　　編碼技術與性能指標

　　另一方面，G.729的帶寬要求遠遠低于G.711，在相同線路質量和帶寬情況下，G.711數據報在線路上傳輸的時間要長于G.729，而且這個時間大于語音壓縮成數據報的時間。因此從聽覺角度分析，使用G,729和G.711壓縮算法的效果基本相同。

　　綜合考慮，采用G.729，既滿足語音效果的要求，又節(jié)約了帶寬，節(jié)省了線路的投資費用，是首選的編碼壓縮算法。

　　包丟失率

　　在IP網絡中存在IP包被丟失的因素有：網絡傳輸中丟包、網絡擁塞時網關設備主動丟包。當包丟失率超過10%時將會嚴重影響語音質量。

　　回聲

　　回聲是由于通話兩端的阻抗不匹配所引起。在端到端時延較大的IP網絡中，回聲干擾的影響尤為明顯。

　　語音電平

　　合適的語音發(fā)送與接收電平是影響通話質量的又一重要因素，因此語音網關必須具有語　音電平調節(jié)的功能。

　　從以上的分析可以看出，要提高IP電話的語音質量主要應從兩方面著手。一是選用合適的語音編碼壓縮技術，選用高質量的語音網關及適當地網守控制方式；二是提高IP網絡的服務質量（QoS），使網絡時延、時延抖動及包丟失率控制在一定限度以內。


　　下面分析一下網關、網守圍繞上面因素對語音質量的所做的保證。

　　網關保證語音質量的措施

　　時延與抖動是影響語音質量至關重要的因素，網關通過下列技術可以在這兩個因素上進行較好的控制：

　　靜音抑制技術

　　靜音抑制，又稱活動語音檢測（Voice Activity Detection），它是根據人們日常談話的語音和靜默特性，檢測到靜音（Silence）時加以抑制，使其不占用或極少占用信道帶寬，檢測到突發(fā)的活動語音時才將其進行壓縮編碼與傳輸。研究表明運用VAD技術能使信道帶寬的有效利用率提高約一倍。

　　抖動抑制緩沖技術

　　抖動抑制緩沖區(qū)用于接收端，目的是平滑延遲抖動，并兼顧解碼和壓縮操作。

　　回聲消除

　　在IP電話設備中通常都必須采取消除回聲的措施，在網關設備中通常采用業(yè)界的G.165實現回波抑制。

　　網守保證語音質量的措施

　　網守具有帶寬管理的功能，利用這個功能可以通過設定某條線路上語音的帶寬來控制IP電話的呼叫過程，從而保證通話質量。舉例如下：

　　某條線路帶寬為1M bps，為了保證視頻、數據業(yè)務的帶寬，我們在網守上設定語音業(yè)務的帶寬為60K bps，按照每條話路占用帶寬12K bps計算，有5路以下語音時能保證通話質量，但要是超過5路通話質量就得不到保證。

　　利用網守的帶寬管理功能，在網守上配置該線路峰值呼叫時需要的帶寬，并對每一路呼叫進行監(jiān)控。當第六路發(fā)起呼叫時，網守根據配置拒絕其建立連接，以確保其它5路的通話質量，同時也保證了視頻和數據業(yè)務的開展。在教育系統(tǒng)IP電話網的設計中，我們可以根據不同情況在線路上確定通話數的峰值，通過網守來保證語音質量。

　　IP QoS對語音質量的保證

　　為了保證語音質量，網絡必須具有很好的QoS保證機制�？梢圆捎肈iff-Serv或RSVP進行QoS的保證：

　　要求IP網絡支持Diff-Serv、RSVP模式的QoS保證機制；

　　語音網關支持報文分類，對語音包分配高優(yōu)先級別；

　　網絡設備支持CAR（Committed Access Rate）功能，實現報文的度量和流量監(jiān)控；

網絡設備支持WFQ功能，對高優(yōu)先級報文進行優(yōu)先處理。

四、VOIP設計原則

　　根據VoIP應用的特點，對其網絡設計主要考慮以下因素：

QoS保證

話音應用對延遲、抖動、失真等等非常敏感，因為VoIP是基于統(tǒng)計時分復用的IP網絡為基礎進行話音業(yè)務傳送，因此要求充分QoS保證，在具體實現方法上，可以采用多種技術手段如RSVP帶寬資源預留，使用各種隊列算法如CBWFQ、PQ、CQ等等保證VoIP語音數據具有較高優(yōu)先級別，ToS參數設置等等。

高效的語音編碼和解碼技術

普通模擬話音經過抽樣、編碼，通常為64K帶寬，也就是G.711編碼技術，要實現高效的語音傳輸，必須在不影響話音質量的前提下對話音數據進行壓縮，在G.711基礎之上，先后發(fā)展如下編碼技術：G.726/G.727（16、24、32Kbps），G.728（16Kbps），G.729、G.729A、G.729B、G.729AB（8Kbps），G.723.1（5.3/6.4Kbps）等等，高效的壓縮技術使得話音對帶寬占有越來越少，而話音質量控制在可接收范圍之內，促進了VoIP技術的應用。

智能的選擇語音壓縮技術

不同VoIP設備之間在建立呼叫前能夠自動協(xié)商所使用的語音壓縮技術，動態(tài)選擇雙方支持的語音壓縮編解碼標準，從而能夠建立呼叫連接，實現VoIP通訊。

語音呼叫與本地網連接

VoIP語音網絡能夠實現IP網絡內部的通訊，實現與本地電信網的連接（即通常所稱的落地）可以提升VoIP網絡的價值，能夠實現更豐富的呼叫應用，為用戶帶來更多便利的服務。

VoIP網絡的呼叫可管理性

對于VoIP的不同應用方式要提供靈活方便的控制手段，而且配置過程盡可能簡單易懂，并且針對落地的呼叫方式，需要提供認證及提醒功能。針對用戶的不同需求，可以支持多種靈活的連接方式，實現不同的呼叫過程。

網絡的可靠性

　　網絡中單點故障不會使局部網絡失去與整個網絡的連接，多點故障不會造成整個網絡被分成幾個互不相連的部分。

網絡的標準化和易擴展性

網絡的結構，技術和產品的標準化，結構的易擴展，技術和產品的可連續(xù)性，在滿足用戶當前應用的基礎之上，充分保證用戶投資。

網絡的模塊化結構

VoIP網絡的的物理結構、邏輯結構和地址空間實現模塊化，要和當前PSTN網絡類似，為用戶提供良好的使用界面，便于網絡的構建、維護和擴展。

網絡的易管理和維護性

　　全網可進行統(tǒng)一或分布管理，網絡維護簡單有效；

網絡的實用性

　　根據現在的需求和可以預見的需求增長情況設計VoIP網絡，不追求空洞的技術先進性，避免追求高檔和最新技術花費的巨大代價。充分利用現有資源，挖掘原有設備的潛力，實現與VoIP網絡的連接。

五、城域網VOIP解決方案

VOIP帶寬分析
　　針對當前可用的語音編碼方法的綜合比較，一般選擇G.729作為VoIP編解碼協(xié)議標準。G.729是一種高效的語音壓縮國際標準，速率為8K bps,加上包頭等的開銷單向語音的速率可達11.2K bps。IP電話為雙工通信，但考慮到通信時每個方向至少有60%時間處于靜音狀態(tài)，可以采用VAD技術進行靜音壓縮，每路語音需12K bps帶寬。G.729技術十分成熟，語音質量較好，得到了廣泛的應用。

市教委VOIP連接
　　PBX提供E1或E&M中繼線路，連接語音網關的對應中繼接口。語音網關根據不同的設備形式，采用不同的連接方式：

　　語音網關采用地市廣域網路由器＋語音卡方式：語音卡內置于語音網路由器。

　　純語音網關方式：將語音網關以太網接入地市教委以太網交換機。

　　推薦地市教委的語音網關采用第１種連接方式，即語音卡內置于語音網路由器，具有更好的性價比。另外，如果設置地市級網守，將網守的以太網口接入地市教委以太網交換機。

區(qū)縣教委VOIP連接
　　有PBX的區(qū)縣教委，組網形式和連接方式同地市教委設計方案。無PBX或即將淘汰原有PBX的縣教委，可采用IP電話終端方式組建區(qū)、縣教委電話網絡，這種情況下需配置本地呼叫管理系統(tǒng)，呼叫管理系統(tǒng)接受上級網守的管理，IP電話終端和呼叫管理系統(tǒng)直接掛接在縣教委以太網交換機上；也可采用IP PBX的形式組建區(qū)、縣教委電話網絡，IP PBX的以太網接口直接接入縣教委以太網交換機。

　　神州數碼用于市教委和區(qū)縣教委接入的DCR-3660、DCR-2600系列路由器全面支持H.323 VoIP功能，能夠靈活提供E&M、FXO、FXS等多種語音接口方便與各類PBX和傳統(tǒng)語音設備的連接，并提供等位撥號等針對教育網絡定制開發(fā)的特性功能，是構建低成本、高性能教育系統(tǒng)IP語音網絡和數據網絡的可靠保證。

　　同時，DCR-3660、DCR-2600系列路由器為增強教育城域網VoIP管理，提供內置H.323網守功能，可以在區(qū)縣教委提供免費本地網守，減輕市教委網守的壓力。

中小學校VOIP連接
　　一般用戶數量較少，可采用廣域網路由器＋FXS語音卡的方式，直接由語音網關提供模擬電話接口，作為中小學電話網解決方案。

　　神州數碼的藍箱產品除了可以完成路由器的廣域網接入功能、本地交換網的接入，同時還可以通過靈活的語音模塊完成VOIP的功能。神州數碼用于中小學接入的DCR-1700、DCR-2500V系列路由器提供低成本的H.323 VoIP功能，DCR-1700能夠靈活提供E&M、FXO、FXS等多種語音接口方便與各類PBX和傳統(tǒng)語音設備的連接，DCR-2500V內置2個FXS IP電話接口，完全滿足一般中小學的IP語音需求。

神州數碼路由器VoIP的特點

靜音壓縮

　　自動檢測靜音狀態(tài)，取消靜音在網絡上的傳輸，從而減少網絡上的無效負載，該技術同舒適噪音相結合，能夠獲得更好的通話效果。

舒適噪音

　　由于靜音壓縮帶來通話間斷現象，為滿足人的聽覺感官的需要，自動向本地用戶發(fā)送舒適的背景聲。

頭部壓縮

　　支持PPP、FR、HDLC上的CRTP協(xié)議；支持RFC2507及RFC1144定義的TCP/IP頭部壓縮。

語音調諧

　　可以通過命令調諧語音端口的輸入輸出增益，改善通話效果。

服務質量

　　QoS一直是Internet上傳送實時語音的關鍵技術，我們的QoS支持CQ、PQ、WFQ、WRED等先進的排隊策略。我們的VoIP應用默認情況下使用最適用于實時應用的WFQ策略。

資源預留

　　支持RSVP協(xié)議，保證語音傳輸的帶寬需求。

語音平滑

　　跟蹤著名網絡實驗室的最新研究成果，按照權威的Jitter Buffer算法論文，并根據自身實踐，設計了一套行之有效的Jitter Buffer控制策略，成功解決了由于網絡傳輸擁塞和語音分片不均等原因造成的語音抖動，在多項應用中證明了其良好的效果。

Gatekeeper

　　實現了嵌入式的Gatekeeper軟件，便于VoIP網絡的集中管理維護，同時基于Windows的GUI界面的版本也在研發(fā)進行中，不久將投向市場。

FAXoIP

　　對傳統(tǒng)的FAX的支持是神州數碼語音產品的又一特色，支持FRF.11及T.38兩種格式的FAX編碼方式，同時還支持原有的直通模式的傳真技術。

增值服務

　　實現了基于標準的H.450系列協(xié)議的增值服務。

安全認證

　　使用AAA技術和Radius協(xié)議進行安全認證，保障信息的安全性。

記賬功能

　　基于Radius協(xié)議的與Gatekeeper軟件集成的記賬系統(tǒng)，使用便捷。

IVR功能

　　利用交互式語音響應技術交互式完成認證、轉接、計費等工作。

技術支持熱線：800-810-9119 010-82707711~6

網絡大學咨詢熱線：010-82707769

更多信息請訪問神州數碼網絡網站http://www.dcnetworks.com.cn/

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