肖征荣
摘要：随着Internet在近几年的快速增长，通过Internet传输电话业务引起了人们极大的兴趣。因为Internet支持数据通信，许多别的业务能够和IP电话相结合。然而，Internet主要是用于非实时的数据通信的，因此，在Internet成功地用于电话业务之前，有几个技术问题必须解决。本文讨论了IP电话中的新业务，技术问题和解决方案，以及支持IP电话的产品。
1.引言
计算机网络和电信网络中两种主要的技术是电路交换和分组交换。当前的电话系统是以电路交换为基础的，并为用户提供了服务质量（QoS）保证。在两个端点开始通信之前建立一个电路。数据通信是非实时的，是通过分组交换网络运行的，如以TCP/IP协议族为基础的Internet。
Internet在近年来的增长，使得人们对在Internet上传输实时的语音业务流产生了兴趣。因为Internet最初不是为实时通信设计的，在Internet上传输语音产生了许多技术问题，这些问题都需要在IP电话成功部署以前解决。这些技术问题包括在Internet上传输语音时，带宽得不到保障、分组丢失、时延和抖动。
然而，IP电话产生了一系列的业务及其综合业务，这是使用传统电路交换的电话网络没法实现的。它允许在同一个网络上语音、传真和数据的综合。使用IP电话的业务包括：以Web为基础的呼叫中心、实时记帐、远程工作、使用共享白板和共享应用的电话会议。
商家已经开发了大量的在Internet上进行语音通信的产品，这些产品根据端用户的不同主要分为三类：通信公司、企业和个人。
2.应用和业务
传统的PSTN和IP电话的主要区别是，IP电话是建立在现有的数据通信业务之上的。因此，IP电话提供的不仅仅是语音业务。数据业务可以与语音业务结合，产生新的业务，这是传统的电话业务无法实现的。这个新技术所提供的业务有以下几种：
2.1语音等级
PSTN仅支持一种等级的语音，即4kHz的长途电话语音。因此PSTN不适合于高保真度的立体声和环绕语音。只有IP网络有足够的带宽，IP电话才能支持更高等级的语音。
2.2视频电话
由于IP电话支持视频传输，在IP电话上很容易提供视频电话。
2.3统一的消息服务
大多数雇员有许多通信业务，用以在工作时与客户或者同事保持联络。人们大都有一个E-Mail地址，一个移动电话号码，一个固定电话号码，一个传真号，以便在工作时可以联络，或许还有另外的家用电话或传真号码。联系方式的增加，导致用户更加难于联络，因为在某一时刻，他只可能在一个地方。
传统的电话公司提供的消息业务只限于语音邮件，他们并不允许接入传真或E-Mail。使用IP网络的分组交换系统，一个统一的消息业务系统就可以实现了。用户可以在他方便的地方接收发往一个位置的所有消息，家中或工作电话上的语音邮件可以象E-Mail一样转发到同一位置。这个特点可以扩展到所有的通信业务使用同一个电话号码。
2.4虚拟的第二条线路
许多家庭Internet用户使用两条电话线，一条用于语音业务，另一条用于上网。使用IP电话，家庭用户就可以在上网的同时打电话。因此IP电话提供了一条虚拟的线路。
2.5以Web为基础的呼叫中心
以Web为基础的呼叫中心允许用户浏览Internet时，从一个组织的Web站点向呼叫中心发起一个VoIP呼叫。上网时无需停止浏览Internet。这种业务有两个优点：第一，有助于吸引用户的注意力。许多人或许喜欢网上的商品广告，但是通过电话订货要停止浏览，这很不方便，使得他们不愿意继续。第二，当用户要求进一步的信息时，通过网上呼叫中心，用户可以与呼叫中心的工作人员对话，得到更多的信息。
2.6低成本的语音呼叫
不像使用电路交换的PSTN，IP电话使用分组交换技术。由于IP电话使用分组交换技术，没有用于语音呼叫的专用链路，所有的呼叫共享网络资源，这样就极大地降低了电话呼叫的成本。
2.7实时记帐
尽管PSTN的核心网络使用智能设备已经有几十年了，这部分对用户仍然是透明的，尤其是记帐信息。用户是被动的知道帐目的。这主要是由于传统电话设备功能的限制，他们大部分仍然是只有12个标准操作键。使用VoIP，端用户使用计算机，就可以实时地接入到记帐信息的网关。事实上，VoIP和Internet都是以IP为基础的，这或许是某些业务商允许客户从其网站上得到记帐信息的原因。
2.8远程工作
VoIP的使用也增加了远程工作者可以使用的资源。远程工作者需要接入到公司的专用分支交换机（PBX）上，以便可以象在公司的其他人一样接收和发送呼叫。他们也要求不时地接入到办公室的LAN上，这些业务可以通过公司的VoIP网关得到。
2.9增强的电话会议
在IP电话的概念出现以前就有了电话会议了。然而，IP电话改变了电话会议的方式。传统的电话会议为了保证图象质量，，需要在特定的房间里面安装昂贵的设备。通过IP的电话会议更加灵活,运行用户可以在好几个位置举行会议,而只需要一般的设备如桌面相机和一台多媒体电脑。随着视频编码技术的改进，移动图象的质量也在不断提高。在IP网络上的电话会议产生了丰富的业务，这些是传统的电话系统中没有的。用户可以通过电子白板共享文献，他们能够共享仅仅安装在一个参与者的计算机上的应用，并且能够在会议成员间实时地传输文件。
3.技术问题
IP电话面临着许多技术问题，如分组丢失、时延和抖动。这一部分主要讨论IP电话的技术问题和解决方案。
3.1分组的丢失
在所有的分组交换网络中，包括IP网络，分组的丢失都是常见的现象。与PSTN不同，IP网络没有端到端的物理电路。来自多个源的IP分组在路由器的输出链路上排队传输，从队列的头开始，一个一个地传输。如果队列满了，一个刚到达的分组就要在网络中丢失。随着使用Internet的人越来越多，路由器常常阻塞，导致分组的丢失。
对IP电话来说，分组的丢失对语音的质量有很大影响。每个IP分组包含有40-80ms的语音信息，与构成语音最重要的单元音素相对应。当一个分组丢失了，相应的音素就丢失了。人的大脑只能重构一句话中少数丢失的音素，太多的分组丢失就使得一句话无法理解了。
现在已经有很多技术来解决这个问题，一些技术集中于减少分组的丢失，另外一些集中于修复分组丢失带来的损害。主要有：网络升级，噪声替换，分组重发，分组插补，帧交织，前向纠错等。
3.2分组的时延
时序的安排是语音的一个重要特征，一个词的两个音节读出时有一个间隔，这个间隔同音节一样，是语音的不可少的一部分。如果音节之间插入了额外的时延，语音的节奏就没有了。太大的时延在几个方面影响语音：第一，长时延使得两个对话者进入了一种半双工的通信方式。第二，当发端完成传输时，反射信号回到发端，长时延加重了回音。
问题是，语音时延的阀值为多少才合适？原则上说，大多数应用允许150ms以下的时延。如果时延超过150ms，用户就会听到回音，并且干扰别人的发言。然而，对长距离通信来说，如在澳大利亚和纽约之间，150ms-400ms的时延仍然是可以接受的。由于不可避免的信号传播时延，用户对较长的时延有思想准备。400ms以上的时延极大地恶化了语音的质量，这在大多数情况下是不能接受的。
在当前的电路交换网络中，如ISDN和PSTN，时延不是一个大问题。这些网络中主要的时延是分组传播时延，与距离相关。由于信号以接近光速传播，即使对长距离的卫星通信来说，时延也在400ms以下。
IP电话面临的一个大问题就是时延。在IP网络的分组交换网络中，有许多因素导致时延，主要是队列时延。而某些时延是固定的和可以预先知道的，另外一些则是变化的和不可预知的。总的时延很容易就超过400ms的界限。
IP电话中的主要时延有：编码解码器时延、排序时延、排队时延和传播时延。IETF正在研究新的机制，如区分服务（DiffServ）和资源保留协议（RSVP），以在语音和其他对时延敏感的应用中，使得语音分组比数据分组有优先权，以减小排队时延。
3.3网络抖动
在收端，帧间的到达时间的变化就叫抖动。抖动对IP电话的影响比上述的时延还大。由于在网络中，排队时延的可变性和使用低轨卫星链路的传播时延，就会产生抖动。IP分组属于同一业务流，可能在Internet中选取不同的路径，就有不同的时延。如果一个分组无限度地时延，就不能及时地到达接收端，就会被接收端认为已经丢失了。如果这经常发生，语音的质量就会受到很大影响。
为了改善这点，并获得稳定的分组流，接收端在将第一个分组放出之前，将第一个分组在抖动缓区里保留一定的时间。这个保留时间就是抖动缓冲区大小。例如，一个50ms的保留时间意味着有50ms的抖动缓冲区。
抖动缓冲区保留时间增加了总的时延。因此，如果抖动很高的话，即使平均时延很低，总的时延也是很大的。对IP电话系统来说，抖动缓冲区大小的选取是很关键的。一般缓冲区的大小从50ms到100ms。Cisco、Hypercom、和Netrix公司的产品都提供了可随着网络变化的智能缓冲区。
3.4IP和PSTN的综合
端用户有几种体系结构可用。一种是PC-PC，用户使用与Internet相连的多媒体计算机。所有的取样、压缩、编码和解码都由计算机完成。用户间的呼叫都使用IP地址来建立。在这种体系结构中，IP和PSTN独立运行。PC-电话是另外一种体系结构，它允许一个PC用户与一个传统的PSTN电话用户建立呼叫。这种体系结构导致IP网络和PSTN的综合。PC-电话的扩展是电话-Internet-电话，它使用Internet，可以减少传统电话用户的费用。在电话-Internet-电话这种结构中，使用传统的电话设备。当一个用户想要呼叫另外一个用户时，就呼叫一个特定的号码，即PSTN和Internet之间的网关，然后是所需的电话号码。所有的取样和编码由网关完成。语音分组就通过Internet传送到另外一个用户的网关。第二个网关完成所有的解码和转变为模拟信号，再通过PSTN传送到第二个用户。
4.产品和市场
在市场上出现的IP电话产品可以分为三个部分：通信公司，企业和单个用户。通信公司试图为大众提供IP电话业务，占据了市场的一大部分。第二个部分是企业，他们想把他们公司内部的电话呼叫从PSTN中转到他们已有的数据网络中。使用PCs和传统电话的单个用户属于第三类。下面分别作介绍。
4.1通信公司
在IP电话产品中，或许最大的市场部分属于下一代电信公司，他们的目的是在Internet上传送语音业务流，传统电话公司看到了IP电话的潜力，并把它作为他们的一种核心业务。这些通信公司想要将呼叫从现有的PSTN转到IP网络中，或者反过来。这部分的产品是PSTN和IP网络之间的网关。
通信公司的另外两个功能是，提供IP电话业务的网络管理和IP-PSTN混合网络的帐目管理。IP电话产品的基本体系结构如图1。核心模块的功能是协助不同模块之间的通信，综合产品的所有部分，以便其外表只是单个产品。
图1 通信公司IP电话产品基本结构
许多公司发布了IP电话产品，如表1所示。
4.2企业
企业这部分市场与通信公司那部分不同。第一，企业不需要运载公众呼叫，因此产品的规模较小。第二，企业愿意用连接到公司内部网络的IP电话产品代替传统的PBXs，因此这部分产品必须提供基本的PBX功能，比如呼叫保持和呼叫转移。表2是一些相关的产品。
表2.企业产品
4.3单个用户
这部分市场主要是IP电话的客户而非提供商，包括家庭用户和只有一两台PC的商家。这个市场的产品主要设计来允许呼叫者通过Internet发起PC-PC的长距离呼叫，呼叫者只需浏览Internet。随着技术的改进，使用通信公司提供的网关业务，某些产品也可以提供PC-电话的呼叫。
这类产品的基本构成包括PC中的声卡，有头戴式耳机和话筒的麦克风，或者连接到声卡的传统电话设备，以及PC中安装的IP电话软件。用户需要接入到Internet，不同的平台上有不同的IP电话软件，如表3。
表3 IP电话软件
软件 站点
NetMeeting www.microsoft.com/netmeeting |
