VoIP的发展原理与技术概述
(华强电子世界网讯) 通过因特网进行语音通信是一个非常复杂的系统工程，其应用面很广，因此涉及的技术也特别多，其中最根本的技术是VoIP (Voice over IP)技术，可以说，因特网语音通信是VoIP技术的一个最典型的、也是最有前景的应用领域。因此在讨论用因特网进行语音通信之前，有必要首先分析VoIP的基本原理，以及VoIP中的相关技术问题。
一、 VoIP的基本传输过程
传统的电话网是以电路交换方式传输语音，所要求的传输宽带为64kbit/s。而所谓的VoIP是以IP分组交换网络为传输平台，对模拟的语音信号进行压缩、打包等一系列的特殊处理，使之可以采用无连接的UDP协议进行传输。
为了在一个IP网络上传输语音信号，要求几个元素和功能。最简单形式的网络由两个或多个具有VoIP功能的设备组成，这一设备通过一个IP网络连接。VoIP模型的基本结构图如图一(略)。从图中可以发现VoIP设备是如何把语音信号转换为IP数据流，并把这些数据流转发到IP目的地，IP目的地又把它们转换回到语音信号。两者之间的网络必须支持IP传输，且可以是IP路由器和网络链路的任意组合。因此可以简单地将VoIP的传输过程分为下列几个阶段。
1、 语音-数据转换
语音信号是模拟波形，通过IP方式来传输语音，不管是实时应用业务还是非实时应用业务，首先要对语音信号进行模拟数据转换，也就是对模拟语音信号进行8位或6位的量化，然后送入到缓冲存储区中，缓冲器的大小可以根据延迟和编码的要求选择。许多低比特率的编码器是采取以帧为单位进行编码。典型帧长为10~30ms。考虑传输过程中的代价，语间包通常由60、120或240ms的语音数据组成。数字化可以使用各种语音编码方案来实现，目前采用的语音编码标准主要有ITU-TG.711。源和目的地的语音编码器必须实现相同的算法，这样目的地的语音设备帮可以还原模拟语音信号。
2、 原数据到IP转换
一旦语音信号进行数字编码，下一步就是对语音包以特定的帧长进行压缩编码。大部份的编码器都有特定的帧长，若一个编码器使用15ms的帧，则把从第一来的60ms的包分成4帧，并按顺序进行编码。每个帧合120个语音样点（抽样率为8kHz）。编码后，将4个压缩的帧合成一个压缩的语音包送入网络处理器。网络处理器为语音添加包头、时标和其它信息后通过网络传送到另一端点。语音网络简单地建立通信端点之间的物理连接（一条线路），并在端点之间传输编码的信号。IP网络不像电路交换网络，它不形成连接，它要求把数据放在可变长的数据报或分组中，然后给每个数据报附带寻址和控制信息，并通过网络发送，一站一站地转发到目的地。
3、 传送
在这个通道中，全部网络被看成一个从输入端接收语音包，然后在一定时间（t）内将其传送到网络输出端。t可以在某全范围内变化，反映了网络传输中的抖动。网络中的同间节点检查每个IP数据附带的寻址信息，并使用这个信息把该数据报转发到目的地路径上的下一站。网络链路可以是支持IP数据流的任何拓结构或访问方法。
4、 IP包-数据的转换
目的地VoIP设备接收这个IP数据并开始处理。网络级提供一个可变长度的缓冲器，用来调节网络产生的抖动。该缓冲器可容纳许多语音包，用户可以选择缓冲器的大小。小的缓冲器产生延迟较小，但不能调节大的抖动。其次，解码器将经编码的语音包解压缩后产生新的语音包，这个模块也可以按帧进行操作，完全和解码器的长度相同。若帧长度为15ms，是60ms的语音包被分成4帧，然后它们被解码还原成60ms的语音数据流送入解码缓冲器。在数据报的处理过程中，去掉寻址和控制信息，保留原始的原数据，然后把这个原数据提供给解码器。
5、 数字语音转换为模拟语音
播放驱动器将缓冲器中的语音样点（480个）取出送入声卡，通过扬声器按预定的频率（例如8kHz）播出。 简而言之，语音信号在IP网络上的传送要经过从模拟信号到数字信号的转换、数字语音封装成IP分组、IP分组通过网络的传送、IP分组的解包和数字语音还原到模拟信号等过程。整个过程如图二（略）。
二、 推动VoIP发展的动力
由于相关的硬件、软件、协议和标准中的许多发展和技术突破，使得VoIP的广泛使用很快就会变成现实。这些领域中的技术进步和发展为创建一个更有效、功能和互操作性更强的VoIP网络起着推波助澜的作用。推动VoIP飞速发展乃至广泛应用的技术因素可以归纳为如下几个方面。
1、 数字信号处理器
先进的数字信号处理器（Digital Signal Processor ,DSP）执行语音和数据集成所要求的计算密集的任各。DSP处理数字信号主要用于执行复杂的计算，否则这些计算可能必须由通用CPU执行。它们的专门化的处理能力与低成本的结合使DSP很好地适合于执行VoIP系统中的信号处理功能。
单个语音流上G.729语音压缩的计算开销开常大，要求达到20MIPS，如果要求一个中央CPU在处理多个语音流的同时，还执行路由和系统管理功能，这是不现实的，因此，使用一个或多个DSP可以从中央CPU卸载其中的复杂语音压缩算法的计算任务。另外，DSP还适合于语音的活动检测和回声取消这样的功能，困为它们实时处理语音数据流，并能快速访问板上内存。
2、 高级专用集成电路
专用集成电路（Application-Specific Integrated Circait, ASIC）发展产生了更快、更复杂、功能更强的ASIC。ASIC是执行单一应用或很小的一组功能专门的应用芯片。由于集中于很窄的应用目标，故它们可以对特定的功能进行高度的优化，通常双通用CPU快一个或几个数量级。就像精简指令集计算机（RSIC）芯片集中于快速执行有限数目的操作一样，ASIC被预先编程、使其能更快地执行有限数目的功能。一旦开发完成，ASIC批量生产的成本并不高，被用于包括路由器和交换机这样的网络设备，执行路由查表、分组转发、分组分类和检查以及排队等功能。ASIC的使用使设备的性能更高，而成本更低。它们为网络提供增加的宽带和更好的QoS支持，所以对VoIP发展起着很大的促进作用。
3、 IP传输技术
传输电信网大多采用时分多路复用方式，因特网须采用的是统计复用变长分组交换方式，二者相比，后者对网络资源利用率高，互连互通简便有效、对数据业务十分适用，这是因特网得以飞速发展的重要原因之一。但是，宽带IP网络通信对QoS和延迟特性提出了苟刻的要求，因此，统计复用变长分组交换的技术发展为人们所关注。目前，除已问世的新一代IP协议--IPV6外，世界因特网工程任务组（IETF）提出了多协议标记交换技术（MPLS），这是一种基于网络层选路的各种标记/标签的交换，能提高选路的灵活性，扩展网络层选路能力，简化路由器和基于信元交换的集成，提高网络性能。MPLS既可以作为独立的选路协议工作，又能与现有的网络选路协议兼容，支持IP网络的各种操作、管理和维护功能，使IP网络通信的QoS、路由、信道等性能大大提高，达到或接近统计复用定长分组交换（ATM）的水平，而又比ATM简单、高效、便宜、适用。IETF还地抓紧新的分组理理持术，以便实现QoS选路。其中正在研究"隧道技术"就是为了实现单向链路的宽带传送。 另外，如何选择IP网络传输平台也是近年来研究的一个重要领域，先后出现了IP over ATM、IP over SDH、IP over DWDM等技术，目前公认的宽带网络分析模型如图三（略）。
第一层是基层础，提供高速的数据传输骨干。IP层向IP用户提供高质量的，具有一定服务保证的IP接入服务。用户层提供接入形式（IP接入和宽带接入）和服务内容形式。在基础层，以太网作为IP网络的物理层，是理所当然的事情，但是IP overDWDM却上最新技术，并具有很大的发展潜力。
密集波分多路复用（Dense Wave Division MultipLexing,DWDM）为光纤网络注入新的活力，并在电信公司铺设新的光纤主干网中提供惊人的带宽。DWDM技术利用光纤的能力和先进的光传输设备。波分多路复用的名称是从单股光纤上传送多个波长的光（LASER）而得来的。目前的系统能够发送和识别16个波长，而将来的系统能够支持40~96全波长。这具有重要意义，因为每增加一个波长，就增加了一个信息流。因此可以将2.6Gbit/s（OC-48）网络扩大16倍，而不必铺设新的光纤。
大多数新的光纤网络以（9.6Gbit/s）的速度运行OC-192，在与DWDM结合时，在一对光纤上产生150Gbit/s以上的容量。另外，DWDM提供了接口的协议和速度无关的特征，在一条光纤上可同时支持ATM、SDH和千兆以太网信号的传输，这样和现在已建成的各种网络都可以兼容，因此DWDM既可以保护已有的，还可以以其巨大带宽为ISP和电信公司提供了功能更强的主干网，并使宽带成本更低和访问性更强，这对VoIP解决方案的带宽要求提供强有力的支持。增加的传输速率不仅可以提供更粗的管道，使阻塞的机会更少，而且使延时降低了许多，因此可以在很大程度上减少IP网络上的QoS要求。
4、 宽带接入技术
IP网络的用户接入已成为制约全网发展的瓶颈。从长期发展看，用户接入的终极目标是光纤到户（FTTH）。光接入网从广义上讲包括光数字环路载波系统和无源光网络两类。前者主要在美国，结合开放口V5.1/V5.2，在光纤上传送其综合系统，显示了很大的生命力。后者主要在日本和德国。日本坚持不懈攻关十多年，采取一系列措施，将无源光网络成本降低至与铜缆和金属双绞线相近的水平，并大量使用。特别是近年ITU提出以ATM为基础的无源光网络（APON），将ATM与无源光网络优势互补，接入速率可达622M bit/s，对宽带IP多媒体业务发展十分有利，且能减少故障率和节点数目，扩大覆盖范围。目前ITU已完成了标准化工作，各厂家正在积极研制，不久会有商品上市，将成为面向21世纪的宽带接入技术的主要发展方向。
目前主要采用的接入技术有:PSTN、IADN、ADSL、CM、DDN、 X.25和 Ethernet以及宽带无线接入系统列等。这些接入技术各有特点，其中发展最快的是ADSL和CM；CM(Cable Modem)采用同轴电缆，传输速率高、抗干扰能力强；但是不能双向传输，无统一标准。ADSL（Asymmetrical
一、 VoIP的基本传输过程
传统的电话网是以电路交换方式传输语音，所要求的传输宽带为64kbit/s。而所谓的VoIP是以IP分组交换网络为传输平台，对模拟的语音信号进行压缩、打包等一系列的特殊处理，使之可以采用无连接的UDP协议进行传输。
为了在一个IP网络上传输语音信号，要求几个元素和功能。最简单形式的网络由两个或多个具有VoIP功能的设备组成，这一设备通过一个IP网络连接。VoIP模型的基本结构图如图一(略)。从图中可以发现VoIP设备是如何把语音信号转换为IP数据流，并把这些数据流转发到IP目的地，IP目的地又把它们转换回到语音信号。两者之间的网络必须支持IP传输，且可以是IP路由器和网络链路的任意组合。因此可以简单地将VoIP的传输过程分为下列几个阶段。
1、 语音-数据转换
语音信号是模拟波形，通过IP方式来传输语音，不管是实时应用业务还是非实时应用业务，首先要对语音信号进行模拟数据转换，也就是对模拟语音信号进行8位或6位的量化，然后送入到缓冲存储区中，缓冲器的大小可以根据延迟和编码的要求选择。许多低比特率的编码器是采取以帧为单位进行编码。典型帧长为10~30ms。考虑传输过程中的代价，语间包通常由60、120或240ms的语音数据组成。数字化可以使用各种语音编码方案来实现，目前采用的语音编码标准主要有ITU-TG.711。源和目的地的语音编码器必须实现相同的算法，这样目的地的语音设备帮可以还原模拟语音信号。
2、 原数据到IP转换
一旦语音信号进行数字编码，下一步就是对语音包以特定的帧长进行压缩编码。大部份的编码器都有特定的帧长，若一个编码器使用15ms的帧，则把从第一来的60ms的包分成4帧，并按顺序进行编码。每个帧合120个语音样点（抽样率为8kHz）。编码后，将4个压缩的帧合成一个压缩的语音包送入网络处理器。网络处理器为语音添加包头、时标和其它信息后通过网络传送到另一端点。语音网络简单地建立通信端点之间的物理连接（一条线路），并在端点之间传输编码的信号。IP网络不像电路交换网络，它不形成连接，它要求把数据放在可变长的数据报或分组中，然后给每个数据报附带寻址和控制信息，并通过网络发送，一站一站地转发到目的地。
3、 传送
在这个通道中，全部网络被看成一个从输入端接收语音包，然后在一定时间（t）内将其传送到网络输出端。t可以在某全范围内变化，反映了网络传输中的抖动。网络中的同间节点检查每个IP数据附带的寻址信息，并使用这个信息把该数据报转发到目的地路径上的下一站。网络链路可以是支持IP数据流的任何拓结构或访问方法。
4、 IP包-数据的转换
目的地VoIP设备接收这个IP数据并开始处理。网络级提供一个可变长度的缓冲器，用来调节网络产生的抖动。该缓冲器可容纳许多语音包，用户可以选择缓冲器的大小。小的缓冲器产生延迟较小，但不能调节大的抖动。其次，解码器将经编码的语音包解压缩后产生新的语音包，这个模块也可以按帧进行操作，完全和解码器的长度相同。若帧长度为15ms，是60ms的语音包被分成4帧，然后它们被解码还原成60ms的语音数据流送入解码缓冲器。在数据报的处理过程中，去掉寻址和控制信息，保留原始的原数据，然后把这个原数据提供给解码器。
5、 数字语音转换为模拟语音
播放驱动器将缓冲器中的语音样点（480个）取出送入声卡，通过扬声器按预定的频率（例如8kHz）播出。 简而言之，语音信号在IP网络上的传送要经过从模拟信号到数字信号的转换、数字语音封装成IP分组、IP分组通过网络的传送、IP分组的解包和数字语音还原到模拟信号等过程。整个过程如图二（略）。
二、 推动VoIP发展的动力
由于相关的硬件、软件、协议和标准中的许多发展和技术突破，使得VoIP的广泛使用很快就会变成现实。这些领域中的技术进步和发展为创建一个更有效、功能和互操作性更强的VoIP网络起着推波助澜的作用。推动VoIP飞速发展乃至广泛应用的技术因素可以归纳为如下几个方面。
1、 数字信号处理器
先进的数字信号处理器（Digital Signal Processor ,DSP）执行语音和数据集成所要求的计算密集的任各。DSP处理数字信号主要用于执行复杂的计算，否则这些计算可能必须由通用CPU执行。它们的专门化的处理能力与低成本的结合使DSP很好地适合于执行VoIP系统中的信号处理功能。
单个语音流上G.729语音压缩的计算开销开常大，要求达到20MIPS，如果要求一个中央CPU在处理多个语音流的同时，还执行路由和系统管理功能，这是不现实的，因此，使用一个或多个DSP可以从中央CPU卸载其中的复杂语音压缩算法的计算任务。另外，DSP还适合于语音的活动检测和回声取消这样的功能，困为它们实时处理语音数据流，并能快速访问板上内存。
2、 高级专用集成电路
专用集成电路（Application-Specific Integrated Circait, ASIC）发展产生了更快、更复杂、功能更强的ASIC。ASIC是执行单一应用或很小的一组功能专门的应用芯片。由于集中于很窄的应用目标，故它们可以对特定的功能进行高度的优化，通常双通用CPU快一个或几个数量级。就像精简指令集计算机（RSIC）芯片集中于快速执行有限数目的操作一样，ASIC被预先编程、使其能更快地执行有限数目的功能。一旦开发完成，ASIC批量生产的成本并不高，被用于包括路由器和交换机这样的网络设备，执行路由查表、分组转发、分组分类和检查以及排队等功能。ASIC的使用使设备的性能更高，而成本更低。它们为网络提供增加的宽带和更好的QoS支持，所以对VoIP发展起着很大的促进作用。
3、 IP传输技术
传输电信网大多采用时分多路复用方式，因特网须采用的是统计复用变长分组交换方式，二者相比，后者对网络资源利用率高，互连互通简便有效、对数据业务十分适用，这是因特网得以飞速发展的重要原因之一。但是，宽带IP网络通信对QoS和延迟特性提出了苟刻的要求，因此，统计复用变长分组交换的技术发展为人们所关注。目前，除已问世的新一代IP协议--IPV6外，世界因特网工程任务组（IETF）提出了多协议标记交换技术（MPLS），这是一种基于网络层选路的各种标记/标签的交换，能提高选路的灵活性，扩展网络层选路能力，简化路由器和基于信元交换的集成，提高网络性能。MPLS既可以作为独立的选路协议工作，又能与现有的网络选路协议兼容，支持IP网络的各种操作、管理和维护功能，使IP网络通信的QoS、路由、信道等性能大大提高，达到或接近统计复用定长分组交换（ATM）的水平，而又比ATM简单、高效、便宜、适用。IETF还地抓紧新的分组理理持术，以便实现QoS选路。其中正在研究"隧道技术"就是为了实现单向链路的宽带传送。 另外，如何选择IP网络传输平台也是近年来研究的一个重要领域，先后出现了IP over ATM、IP over SDH、IP over DWDM等技术，目前公认的宽带网络分析模型如图三（略）。
第一层是基层础，提供高速的数据传输骨干。IP层向IP用户提供高质量的，具有一定服务保证的IP接入服务。用户层提供接入形式（IP接入和宽带接入）和服务内容形式。在基础层，以太网作为IP网络的物理层，是理所当然的事情，但是IP overDWDM却上最新技术，并具有很大的发展潜力。
密集波分多路复用（Dense Wave Division MultipLexing,DWDM）为光纤网络注入新的活力，并在电信公司铺设新的光纤主干网中提供惊人的带宽。DWDM技术利用光纤的能力和先进的光传输设备。波分多路复用的名称是从单股光纤上传送多个波长的光（LASER）而得来的。目前的系统能够发送和识别16个波长，而将来的系统能够支持40~96全波长。这具有重要意义，因为每增加一个波长，就增加了一个信息流。因此可以将2.6Gbit/s（OC-48）网络扩大16倍，而不必铺设新的光纤。
大多数新的光纤网络以（9.6Gbit/s）的速度运行OC-192，在与DWDM结合时，在一对光纤上产生150Gbit/s以上的容量。另外，DWDM提供了接口的协议和速度无关的特征，在一条光纤上可同时支持ATM、SDH和千兆以太网信号的传输，这样和现在已建成的各种网络都可以兼容，因此DWDM既可以保护已有的，还可以以其巨大带宽为ISP和电信公司提供了功能更强的主干网，并使宽带成本更低和访问性更强，这对VoIP解决方案的带宽要求提供强有力的支持。增加的传输速率不仅可以提供更粗的管道，使阻塞的机会更少，而且使延时降低了许多，因此可以在很大程度上减少IP网络上的QoS要求。
4、 宽带接入技术
IP网络的用户接入已成为制约全网发展的瓶颈。从长期发展看，用户接入的终极目标是光纤到户（FTTH）。光接入网从广义上讲包括光数字环路载波系统和无源光网络两类。前者主要在美国，结合开放口V5.1/V5.2，在光纤上传送其综合系统，显示了很大的生命力。后者主要在日本和德国。日本坚持不懈攻关十多年，采取一系列措施，将无源光网络成本降低至与铜缆和金属双绞线相近的水平，并大量使用。特别是近年ITU提出以ATM为基础的无源光网络（APON），将ATM与无源光网络优势互补，接入速率可达622M bit/s，对宽带IP多媒体业务发展十分有利，且能减少故障率和节点数目，扩大覆盖范围。目前ITU已完成了标准化工作，各厂家正在积极研制，不久会有商品上市，将成为面向21世纪的宽带接入技术的主要发展方向。
目前主要采用的接入技术有:PSTN、IADN、ADSL、CM、DDN、 X.25和 Ethernet以及宽带无线接入系统列等。这些接入技术各有特点，其中发展最快的是ADSL和CM；CM(Cable Modem)采用同轴电缆，传输速率高、抗干扰能力强；但是不能双向传输，无统一标准。ADSL（Asymmetrical