VOIP在FA36網(wǎng)絡中的典型應用研究

VOIP 是VOICE OVER IP 的簡寫，即將語音業(yè)務通過IP網(wǎng)絡來進行承載之意，日常所說的IP 電話即是VOIP 的一種典型應用。VOIP 是主要通過語音分組來實現(xiàn)的，在VOIP 中，數(shù)字信號處理器(DSP)將語音信號封裝成幀并儲存在分組包中進行傳輸。從最早的INTELNET 電話到現(xiàn)在，得益于迅速發(fā)展的集成電路技術，使得DSP、CPU 的處理能力得到了極大的加強，推動了VOIP 業(yè)務的發(fā)展。

目前中南地區(qū)正在建設的FA36 傳輸網(wǎng)是為中南地區(qū)民航空管部門提供數(shù)據(jù)通信服務的基礎網(wǎng)絡平臺，是服務于民航的專用網(wǎng)絡。它以IP 交換技術為核心，通過FA36 設備的強大服務提供能力，它能夠?qū)Χ喾N業(yè)務提供支持，當然也包括VOIP 業(yè)務的支持。如何在其上布署VOIP 業(yè)務，成為了我們研究的問題。

1 VOIP 的基本原理

傳統(tǒng)的電話網(wǎng)是以電路交換方式傳輸語音，所要求的傳輸寬帶為64 Kb/s.而VOIP 如前所述是以IP 分組交換網(wǎng)絡為傳輸平臺，對模擬的語音信號進行壓縮、打包等一系列的數(shù)字化處理，使之可以采用無連接的UDP 協(xié)議進行傳輸。就目前來說，大部分 VOIP 設備廠家所采用的都為ITU-T 建議的H.323協(xié)議族。圖1 所示就是路由器作為網(wǎng)關設備用來連接PSTN 網(wǎng)絡與IP 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的示意圖。

在圖1 中，路由器通常作為網(wǎng)關設備用來連接PSTN 網(wǎng)絡與IP 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，用戶經(jīng)PSTN 設備連接IP 語音網(wǎng)關(路由器)，在網(wǎng)關處將模擬語音數(shù)據(jù)轉換成數(shù)字信號進行壓縮打包，讓它成為可以在IP 網(wǎng)絡上傳輸?shù)姆纸M語音數(shù)據(jù)。后經(jīng)IP 網(wǎng)絡傳遞至被叫端的IP 語音網(wǎng)關(路由器)，在被叫端將IP 語音數(shù)據(jù)還原成可識別的模擬語音信號，經(jīng)PSTN 傳送至用戶電話終端。由于中繼控制和路由功能的需要，可能還會在中間加上網(wǎng)守設備(GK)。總的來說，VOIP 的傳輸過程可以具體分為以下幾個階段。

1.1 語音- 數(shù)據(jù)轉換

語音信號一般是模擬波形，通過IP 方式來傳輸語音，不管是實時應用業(yè)務還是非實時應用業(yè)務，首先要對語音信號進行模擬數(shù)據(jù)轉換，也就是對模擬語音信號進行8 位或6 位的量化，然后送入到緩沖存儲區(qū)中，緩沖器的大小可以根據(jù)延遲和編碼的要求選擇。許多低比特率的編碼器采取以幀為單位進行編碼。典型幀長為10~30 ms.考慮傳輸過程中的代價，語間包通常由60、120 或240 ms 的語音數(shù)據(jù)組成。數(shù)字化可以使用各種語音編碼方案來實現(xiàn)，目前采用的語音編碼標準主要有ITU-T G.711、G.729、G.723 等。源和目的地的語音編碼器必須實現(xiàn)相同的算法，這樣目的地的語音設備才能正確還原模擬語音信號。

1.2 原數(shù)據(jù)到IP 的轉換

一旦語音信號進行數(shù)字編碼，下一步就是對語音包以特定的幀長進行壓縮編碼。大部分的編碼器都有特定的幀長，若一個編碼器使用15 ms 的幀，則把從第一來的60 ms 的包分成4 幀，并按順序進行編碼。每個幀合120 個語音樣點(抽樣率為8 kHz)。編碼后，將4 個壓縮的幀合成一個壓縮的語音包送入網(wǎng)絡處理器。網(wǎng)絡處理器為語音添加包頭、時標和其他信息后，通過網(wǎng)絡傳送到另一端點。語音網(wǎng)絡簡單地建立通信端點之間的物理連接(一條線路)，并在端點之間傳輸編碼的信號。IP 網(wǎng)絡不像電路交換網(wǎng)絡，它不形成連接，它要求把數(shù)據(jù)放在可變長的數(shù)據(jù)報或分組中，然后給每個數(shù)據(jù)報附帶尋址和控制信息，并通過網(wǎng)絡發(fā)送，一站一站地轉發(fā)到目的地。

1.3 傳送通道

在這個通道中，全部網(wǎng)絡被看成一個從輸入端接收語音包，然后在一定時間(t)內(nèi)將其傳送到網(wǎng)絡輸出端。t 可以在某一范圍內(nèi)變化，反映了網(wǎng)絡傳輸中的抖動。網(wǎng)絡中的節(jié)點檢查每個IP 數(shù)據(jù)附帶的尋址信息，并使用這個信息把該數(shù)據(jù)報轉發(fā)到目的地路徑上的下一站。網(wǎng)絡鏈路可以是支持IP 數(shù)據(jù)流的任何拓結構或訪問方法。

1.4 IP 包與數(shù)據(jù)的轉換

目的地VOIP 設備接收這個IP 數(shù)據(jù)并開始處理。網(wǎng)絡級提供一個可變長度的緩沖器，用來調(diào)節(jié)網(wǎng)絡產(chǎn)生的抖動。該緩沖器可容納許多語音包，用戶可以選擇緩沖器的大小。小的緩沖器產(chǎn)生延遲較小，但不能調(diào)節(jié)大的抖動。解碼器將經(jīng)編碼的語音包解壓縮后產(chǎn)生新的語音包，這個模塊也可以按幀進行操作，完全和解碼器的長度相同。若幀長度為15 ms,使60 ms 的語音包被分成4 幀，然后它們被解碼還原成60 ms 的語音數(shù)據(jù)流送入解碼緩沖器。在數(shù)據(jù)報的處理過程中，去掉尋址和控制信息，保留原始的原數(shù)據(jù)，然后把這個原數(shù)據(jù)提供給解碼器。

1.5 數(shù)字語音到模擬語音的轉換

播放設備將緩沖器中的語音樣點取出送入聲音驅(qū)動設備，將其還原成可識別的模擬信號，經(jīng)用戶線路傳送到用戶終端。

2 VOIP 的呼叫流程

由于VOIP 主要是一種軟件解決方案，在路由設備中需要采用相應的模塊話語音插卡來實現(xiàn)，因此，其呼叫流程可以大概分為以下幾個過程：

(1)用戶摘機，語音用戶卡實時檢測用戶的摘機動作。

(2)模塊化語音卡將用戶的摘機信號傳送到路由器的VOIP 信號處理模塊。

(3)用戶聽到VOIP 的會話應用程序播放的撥號音，然后開始撥號;

(4)VOIP 會話應用程序收集用戶所撥打的號碼，同時實時地與已配置的被叫號碼模板進行匹配操作。在成功匹配后，號碼將被映射至某網(wǎng)關設備(可以是小型的PBX)。

(5)主叫網(wǎng)關利用H.323 協(xié)議和被收網(wǎng)關發(fā)起呼叫，并為每一路呼叫建立通路，用以發(fā)送和接收語音數(shù)據(jù)。

(6)被叫側網(wǎng)關接收到IP 側的H.323 呼叫，同時根據(jù)自身的號碼匹配被叫模板來尋找目的地址。如果呼叫為PBX 來處理的話，就通叫PSTN 信令將呼叫送到PBX 處理。

(7)在呼叫連續(xù)的過程中的H.323 階段，兩端協(xié)商所使用的語音編碼方式，并使用RTP 協(xié)議來傳遞語音數(shù)據(jù)。

(8)RTP 語音通道用于在IP 網(wǎng)絡上傳輸呼叫過程中的提示信號及其他可在帶內(nèi)傳送的信號。

(9)呼叫的任何一方掛機，VOIP 會話應用程序?qū)⒔Y束會話，然后等待新的呼叫。

3 FA36 網(wǎng)絡支持的VOIP 應用

路由器通常用作網(wǎng)關設備，用于完成電路交換至分組交換的轉換。FA36 設備正是基于華為3COM 公司的AR46、AR28 系列路由器升級設計而成，該系列路由器擁有不同的板卡，可以提供不同的語音用戶線接口，分別為FXS、FXO、E&M、數(shù)字E1 等接口，其操作系統(tǒng)VRP(通用路由平臺)語音特性更是可以支持包括靜音壓縮、舒適噪聲、防止抖動和亂序、QOS 功能、忙音自動檢測、免打擾、遇忙轉移等功能。

3.1 FXS 應用

FXS(Foreign Exchange Station)模擬語音用戶線，通常稱為普通電話業(yè)務端口，一般與只有FXO 用戶線的終端設備相連并提供鈴流、電壓及撥號音。目前在FA36 中，有FXS 板卡相支持，分別有2、4、8 口等幾種配置，在空管業(yè)務中常用于管制移交電話以及勤務電話。圖2 所示為其常用應用示意圖。

此時，通常將電話線路直接入FA36 設備中的FXS 卡，利用綜合布線將其延伸至管制席位或者網(wǎng)絡維護員席位。由于接口模塊的設計，此接口為RJ45 八針設計，話音業(yè)務只利用到了其4(RING)、5(TIPS)兩根針腳。其典理配置如下：

令用戶1 的號碼為11000,LO 地址為1.1.1.1,用戶線接在1/0/0上;令用戶2 的號碼為22000,LO 地址為2.2.2.2,用戶線接在1/0/0上。這樣，F(xiàn)A36 設備1 的配置如下：

若要配置成熱線電話，則需要在相應的線路上使用命令PRIVATE 22000 即可。

3.2 E&M 語音應用

模擬E&M(Ear&Mouth) 語音用戶線， 它支持模擬E&M 信令，將每個用語音連接分為中繼電路側和信令單元側。

PBX 在M 線上給路由器提供信號，E 線上接路由器的信號。目前在FA36 設備中有E&M 板卡來支持，它有2 口、4 口兩種端口配置可選。它主要提供E&M模擬中繼線的接入及處理，實現(xiàn)語音信號在數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡上的傳輸。在空管業(yè)務中，常用于VHF 信號的傳輸。圖3 所示為其常見應用鏈接圖。

此時，將內(nèi)話系統(tǒng)E&M 模擬中繼線接入FA36 的E&M卡，利用FA36 網(wǎng)絡將其延伸至甚高頻臺點，將管制員場聲音送至發(fā)射機，同時收信機將飛行員話音收回至內(nèi)話系統(tǒng)。由于話音數(shù)據(jù)采樣、打包、傳送的時延特性以及人耳的回音感覺，需要在FA36 設備前端添加PTT 靜噪設備，在管制員說話時將自己聲音抑制。由于經(jīng)歷了了長距離傳送，語音的質(zhì)量和音量上可能會有一些差異，可以使用 RECEIVE GAIN、TRANSMIT GAIN 來調(diào)整音量增益，以控制音量的大小?？梢岳肅OMPRESSION 來改變數(shù)據(jù)編碼方式，以獲取不同的話音質(zhì)量。目前來說，F(xiàn)A36 支持的幾種壓縮方式如表1 所列。

其典型配置如下：設甚高頻臺點這邊的FA36 設備IP 地址為2.2.2.2,E&M 語音接在 1/0/0 端口，內(nèi)話系統(tǒng)這邊的FA36 設備IP 地址為1.1.1.1, E&M 語音接在 1/0/0 端口。

3.3 E1 數(shù)字語音中繼

數(shù)字E1 語音用戶線的端口帶寬為2.048 Mb/s,分為32個時隙(TS0~TS31)，每個時隙的帶寬為64 Kb/s,它支持R2、DSS1、數(shù)字E&M 信令。在FA36 設備中，有相應的CE1 中繼板來支持。在空管業(yè)務應用，通常用它接入程控交換機，用來延伸電話業(yè)務。其典型應用如圖4 所示。

該應用的典型配置如下：令程控交換機側的FA36IP 地址為1.1.1.1,用E1 連接程控交換機，接號信令為中國一