宽带网络系统部 张佳
1概述
目前有线广播电视网深入千家万户，从繁华的大都市到偏远的乡村有线电视户户通已经基本实现，形成了其它网络不能比拟的网络资源优势，基于传统有线电视网络的广电宽带综合信息网络已经在大规模建设。
传统的用户接入网络具有投入成本高、速度受限制、运营不稳定等诸多困难，广电宽带网络不仅具有对包括家庭和单位等客户提供速率高，接入时间24小时不限时的优势，而且还有利用现成有线电视线路不造成网络重复建设的优势，在为用户提供交互式的服务（交互游戏、教学、会议等）中具有高带宽的广电综合信息网络更是优势明显。
宽带网络中，除了进行传统数据通讯外，语音电话服务也成为一个趋势，在此基础上就有了计算机IP电话的出现和发展。目前，IP电话的所占的比重在语音电话业务中越来越大，发展IP电话已成为势不可挡的潮流，特别在广电宽带综合信息网中IP电话是将来必不可少的组成部分。
1.1 IP 电话的概念及市场前景
IP电话是建立于Internet基础上的新型数字化传输技术，是IP网上通过TCP／IP协议实现的一种电话应用。这种应用包括PC对PC连接、PC对话机连接、话机对话机连接，其业务主要有Internet或Intranet上的语音业务、传真业务（实时和存储／转发）、web上实现的IVR（交互式语音应答）业务等等，另外还包括E-mail、实时电话、实时传真等多种通信业务。
IP电话近几年来一直保持着其良好的发展势头。面对着竞争日趋激烈的全球市场，无论是政府专营的电话公司、ISP还是本地交换业务运营商（CLEC）和PTT都在不断地寻找提高其服务水平和质量的方法。
美国的一家市场研究机构Frost and Sullivan预测，IP语音通信（Voice over IP，简称VOIP），这项新兴技术，2001年将发展成为全球价值18.1亿美元的设备产业。另一项研究指出，在2002年，VOIP市场，包括电话通信及其衍生服务行业，总值将达到630亿美元。此外，业内专家预测，到2005年，34%的电话将通过分组交换网络进行。无论你相信哪份报告的真实性，有一点是勿庸置疑的，即VOIP将极具市场潜力。
借助于IP电话，服务提供商们可以在Internet上开展各项基本及增强型的语音业务，其中包括Internet呼叫等待、增强型的电话Web交易以及交互式多媒体服务等。这些业务将被与现有的、基于电路交换的网络（PSTN）无缝地集成在一起，以便在必要时使呼叫能够在普通电话之上被发起和终结。由于IP协议是一种开放型的协议，VoIP可以使服务商们灵活地定制其现有业务，并可以比以前更快且更为合算地开展新业务。
2 VoIP如何工作
VoIP将标准的语音信号转换成经过压缩的数据包后在数据网络而非传统的电话网上进行传输。语音信号被封装进可以在本地IP网络或由以太网、帧中继、ATM及SONET承载的IP网络中传输的IP数据包。
现在，可以进行互操作的VoIP架构都是基于H.323规范的。H.323定义了网关（电话网与IP网的网间接口）和关守（内部交换组件），并对如何建立、路由和中止一次IP电话呼叫给出了建议。
“时延”是从发话人开始讲话到受话人听到讲话所经过的时间。时延超过了限度会使人感到不自然，一般来说，时延超过了250ms，就会感到难于忍受。传统的电话通信通话人是觉察不出时延的。而IP电话要把通话人说话的声音信号变换为数字的编码信号，要把数字化的信号“分组”、打“包”，还要用“存储—转发”的方式传送；在接收端还要解码、合成、复原等等，因此增加了很多时延（例如编、解码的时延、缓存的时延等）。如果遇到电路拥挤的情况，等待转发可能导致很长的时延，甚至还会造成数据分组丢失，使收话人听不清或听不懂发话人的说话。因此VoIP技术要求尽量减少时延。
IP网络最初用来处理局域网间的流量，通过网络的许多数据报都是长达1500字节的信息包。在低速链路上（低于T1/E1），语音信息包必须等在这些大型信息包后面，增加的延迟将达数十微秒甚至上百微秒。技术需要分割开这些“大型信息包”，并在其中插入语音流量，从而减少时延和抖动。
2.1 IP语音的几种方式
目前已有一些成熟的网络设备提供Voice over IP业务，提供的业务基本有以下几个类型：
话音传输方式一：
网络的两端均有一个支持语音的IP路由设备,可以直接连接普通话机，透过中间的IP网络实现话音传输。
话音传输方式二：
网络的两端均有单位的PBX电话交换机，通过语音中继连接到支持语音的IP路由设备上，用户可以使用自己目前的话机，通过PBX进行交换，将外出的话音传输通过IP传输到其他用户端。
话音传输方式三
用户可以使弥С钟镆舻腎P路由设备透过IP网络和PSTN网络收发传真。
话音传输方式四
局域网上的用户可以使用PC机上支持语音电话的软件通过支持语音的IP路由设备与普通PSTN用户交谈。
上面四种方式基本上覆盖了使用普通电话传递IP语音的方式，当然用户还可以通过其他非普通电话方式传输语音，如许多基于PC机的IP 语音软件直接在两个不同PC之间进行话音传输。
2.2 IP语音的结构设计
有线总前端是整个网络的管理中心，配置语音网关，对整个语音网络提供呼叫地址管理和带宽管理。配置 Voice Manager(VM)来对网络上所有的语音网关设备状态进行监控和管理。同时配置一台NT服务器安装VM，作为管理服务器。
2.3 IP语音的压缩设计和QoS保障设计
Voice over IP 技术是基于目前语音压缩技术的发展以及IP网络技术广泛应用的基础上发展起来的。在实际的应用仍然中会有许多因素影响到传输话音的质量，因此基于语音传输采用以下技术来保障实现语音的低带宽和高质量。
· 配置语音压缩技术
利用已成为标准的语音压缩技术，此类技术理论上可以将语音压缩至8K，并保障语音质量。
· 配置IP包头压缩技术减少数据包对带宽的需求
因为Voice over IP是将语音封装成IP的包来进行传输的，为了保证传输的低时延，不可能将语音封装为大的数据包，因此传输语音从包的数量上就会增加。将语音封装成IP包，IP要在每个包前增加40字节包头，这样一来将大大占用传输的带宽。在此进行配置，采用IP包头压缩技术将IP的包头压缩至2-3个字节，从而可以大大节省带宽。
· 采用IP包分割技术
在一个IP网络中，往往一个数据包会较大，占有整个网络带宽，同时时间较长，这样会导致语音传输的时延较大。因此在此需要采用IP包分割技术，将大的IP包分割为较小的包，便于将语音的包插入到线路中，保证语音的低时延。
· 配置IP优先级技术减少延迟
在IP网络中，所有的IP数据包会争用有限的带宽，这样将无法保证语音的质量。因此在语音网络中，将通过配置将语音的优先级设高，从而满足语音传输低延迟的要求。
· 配置RSVP和WFQ（加权的公平队列）保证语音传输带宽
当一路语音的IP包在网络上传输，网络上的带宽很容易会被其他数据包占用，因此影响语音质量。在网络中，将配置RSVP来保障每一路传输语音的质量，使其在传输时可以在各个路由器上申请出一定资源，建立传输有保障的带宽。
· 集中化的语音控制中心
设置语音质量控制中心，对整个网络的语音及编址进行统一管理，同时可以根据网络状况决定是否建立语音连接，保证整个网络的已有语音连接通讯质量。
在语音传输中，准备采用以上的技术通过配置来实现VOIP并保障语音传输的质量。
2.4 VOIP的带宽设计
从目前所采用的压缩模式和算法来看，理论上每路语音占10-12K带宽，也就是说，12路电话需要128K的带宽，然而语音的传输不同于数据的传输，语音对传送的时延有着较高的要求，而传输时延的大小受多方因素的影响：
（1）压缩语音虽然减少了语音传输的数据量，但它也会导致一定时延。
（2）传输距离会产生的固定时延。
（3）把语音数据放到传输串行线路上的时延，这一时延与带宽有密切的关系，带宽小时延大，带宽大时延小。
（4）多路队列（queue）时延，也与带宽相关，仍然是带宽大，时延小。一般来说，延时在200ms以内被认为是优质语音，在200ms～400ms之间被认为是可以接受的，400ms以上被认为是不可接受的语音质量。而从上述影响时延的因素看，带宽是影响时延的一个重要因素。虽然每路电话不管线路带宽大小所占带宽基本一样，但带宽越大，语音包放到网络上的速度越快，时延会越小，所以在为其设计带宽时，要作周密的考虑。为了获得较好的话音效果，每路话音占14-16K 左右的带宽是较好的选择,因为有线网络的是一个宽带网络，因此在语音传输的带宽上相应是有很大保障的，同时在中心配置了语音控制中心，对每路话音带宽进行申请控制，因此可以在网络负载较大的情况下也可以保证话音的传输带宽。
3基于HFC网络的IP电话系统
有线电视系统中普遍采用HFC(光纤/电缆)结构。采用光缆将信号传输到小区节点，再用同轴分配网络将信号送到用户家中。由于用光纤代替同轴干线电缆后网络性能获得极大的改进，以致于在实现高效率宽带交互通信时，早期的“光纤到户”目标不再认为是必须的。
HFC本身是一个CATV网络，视频信号可以直接进入用户的电视机，采用新的数字调制技术和数字压缩技术，可以向用户提供数字电视和HDTV。同时，话音和高速的数据可以调制到不同的频段上传送，来提供电话和数据业务。这样 HFC支持全部现存的和发展的窄带和宽带业务，成为所谓的全业务宽带网络。而且，HFC可以简单地过渡到FTTH网络，为光纤用户环路的建设提供了一种循序渐进的手段。在HFC网络中的数据传输是通过采用Cable Modem技术实现的，下面从这一技术出发，进行实现话音业务(Voice Over Cable)的探讨。
3.1 系统结构
实现话音业务的系统是采用HFC网络， 基于Cable Modem技术实现的。在Cable Modem技术中，Cable Modem的传输模式分为对称式传输和非对称式传输。
对一个6MHz的模拟带宽 (可以针对中国情况采用8MHz带宽)，通过64QAM和256QAM数字调制，传输速率达到27Mbps和38Mbps。同时在频谱中分配5到65MHz中的一个频段作为上行回传。采用QPSK或者16QAM调制，对200kHz到3.2MHz的模拟带宽调制后，可获得0.3Mbps到10Mbps的速率。通过上行和下行数据信道形成数据传输的回路。这里采用非对称技术，主要考虑到目前数据业务的信息量集中在下行，如Internet的浏览。 通信协议采用 TCP/IP ，实现的业务有Internet的高速接入，E－mail，计算机互连，家用办公等。 一般系统除了网络外还包括局端系统和用户端系统，在Cable Modem系 统中对应Cable Modem的局端系统(Cable Head End Equipment)和Cable Modem的 用户端设备(CM) 。在Cable Modem的局端系统中存在三个接口。一个是有线电视网络接口， 与Cable Network连接，通过它可以连接上一级的CATV网络相连，也可以传输转播的卫星电视和本地的视像服务，信号可以是模拟的电视信号或者数字的电视信号。另一个是基于IP的数据网络接口，通过它与数据网络相连，实现数据业务。最后一个接口是话音接口，也就是PSTN接口。通过这三个接口，实现了HFC网络与现有的三个通信媒体有线电视、计算机和电信网络的连接。所以通过我们设计的Cable Modem系统， 不但实现多业务的用户综合接入，而且实现了三网的互连互通。
Cable Modem技术最初是实现IP数据的高速传输，这里我们在系统中嵌入VoIP模块的设计。CM中的VoIP模块完成话音的数字话和IP包的转化。
局端系统中VoIP模块具有智能处理的能力，能区分来自CM话音的目标性质，经过不同的处理由三个接口中一个进入相应的网络。
3.2工作原理
当用户通过我们的HFC系统打电话时，从普通电话机接收的话音经过CM中的VoIP模块处理，将模拟话音信号转化为IP包数据。然后这些携带了话音信息的IP包经过CM的调制，通过HFC网络上行到局端系统。在局端数据经过解调还原为话音IP包。根据IP中目标地址的性质进行相应的处理。
市话处理
如果是到本地的PSTN，话音IP包由局端系统中的IP网关(IP Gateway)转换成PCM数据，再送到PSTN网。
长途处理
如果是到外地的PSTN，话音IP包进行进一步压缩（如从G.711变到G.723.1），并加上更完整的因特网电话协议（H.323），然后通过因特网的传输到达当地的IP网关(IP Gateway)。IP网关对数据进行解压缩合解IP包处理还原成PCM数据，再送到远程的PSTN，实现长途电话功能。
Cable网络处理：如果对方仍是Cable用户，无须进一步压缩等处理，只需转发就可。对方用户通过自己CM中的VoIP模块，将IP的数字信号转化为模拟的声音信号。我们可以看到，如果用户都是在Cable网络中，将声音打成IP包，有一些多余，双方要进行打包和解包的处理，需要占用一些资源。之所以还要采用IP，是考虑到用户的CM目前还不是一个智能终端，不能区分目标性质，需要统一在IP上，由局端系统来处理。
上述的过程均是可逆的，也就是Cable用户同样可以接收来自PSTN等其他网络的电话。 基于Cable Modem技术，在HFC网络中实现话音业务，为用户提供了另一种打电话的途径，可以分担现有电信网络的负担，也加强了现有CATV网络的竞争性。
同时我们可以看到HFC很好地解决了将宽带业务引入家庭的瓶颈问题， 并且能与现有的各种通信网络连通。电话只能说是其中的一项窄带业务，通过HFC实现的应用还有很多，还有待于我们去探索。
摘自《CTI周讯》（2002年6月24日）
