ISIN网络体系与VoIP技术的发展

2016-09-05 编辑 16

新一代综合业务信息网(ISIN)网络体系
  随着Internet的深入应用与发展,IP将成为未来信息通信的主导技术,各种业务可由IP包来承载(Everything over IP),而IP信息流又可以在各种传输媒体中传送(IP over Everything),并以IP网为基础,最终实现数据、话音、图象业务融合和网络融合。采用统一的技术解决方案(Integrated Solution)来构建新一代信息网络(Information Network),以提供话音、数据和图象等综合服务(Integrated Service),将成为人们不懈努力的追求目标,代表着二十一世纪新一代通信网络的发展方向。
  1.ISIN网络体系结构
  ISIN(Integrated Service of Information Network)即综合业务信息网络,以分组包交换技术和提供综合各种服务为基础,建立统一的信息网络,将无缝地兼容现有各种业务,其网络体系模型由图1表示。
  ISIN网络体系由ISIN骨干网(BACKBONE)、ISIN接入网(ACCESS)和ISIN终端系统(CPE-Customer Premises Equipment)组成。ISIN是一个完全分组化(Pure Packet)的数字网络。从CPE设备开始,所有用户信息(话音、数据、图象等)皆作分组化处理,采用IP包或ATM信元承载,以MPLS协议作路由传送到接入网和骨干网进行传输与交换。在近阶段,采用IP包和ATM信元兼容处理可以更好地无缝融合现有话音业务,并可实现QoS功能,支持VoIP等实时业务。
  ISIN骨干网的核心设备是IP交换机(IP Switch)。IP交换机实质上是一部功能强大的高速路由器,采用IP over DWDM技术,直接以光纤密集波分复用方式组网。在高速骨干网周围,将采用边缘IP交换机进行网络扩展。
  ISIN接入网在功能上作为CPE设备与骨干网之间的接入设备,向用户提供语音、数据、图像等各种综合业务。在接入网的有关节点(Node)安装各类网关(Gateway)与PSTN及其它应用网络互联互通,实现业务逐步从现有分离建设的PSTN网、DDN、FR等网络中转入到一体化ISIN网络中,从而构建统一的ISIN信息网络体系。
  2.ISIN接入网
  ISIN接入网设备由接入节点机和各种接口设备组成。节点机采用Packet/Cell交换核心模块,外围网络侧采用光纤接口互连,用户侧可采用xDSL经UTP双绞线传输,或采用Cable Modem经同轴电缆(Coax)传输,也可以无线(Wireless)方式或光纤连接到用户终端,从而构成ISIN节点处理设备。节点设备可以安装内置网关模块或连接外部独立网关设备与PSTN等现有网络互联,实现业务互通。同时节点设备配置有OMC设备,可与网络管理中心和业务管理中心相连接,完成网络和业务的统一管理。
  通过功能模块、接口模块和网关模块的独特设计,使ISIN接入设备具有十分灵活便利的组网性能,可以很方便地满足电信部门灵活组网和扩容的要求,实现网络随业务发展不断升级。同样,由于ISIN组网的灵活性和分布适应性,可以根据客户需求,灵活安装节点设备,使用户就近上网,业务就近分流进入新建ISIN网中,从而不干扰现有PSTN网的话音业务。由此可见,ISIN接入网体现了“就近上网、业务综合、自成网络、走向未来”的特征,它代表着网络发展的方向,具有广阔的发展前景。
  3.ISIN CPE用户终端设备
  在用户侧,包括商业用户和家庭用户,需要安装一个终端设备(CPE)和ISIN接入网相连,将分组化、宽带化和智能化直接推进到最终用户。CPE设备采用机顶盒STB(Set Top Box)结构,可以是xDSL终端,也可以是Cable Modem 终端或是无线收发终端。可以从单一功能的终端起步,然后升级到具有路由功能的智能接入终端IAD(Intelligent Access Devices)。IAD采用10/100M以太网接口,连接内部局域网,组成HomeLAN网络,可连接计算机、IP网络电话、信息家电、家庭监控等终端设备。IAD可以采用光纤/xDSL/E1/V.35/Cable Modem/Ethernet等方式,与ISIN接入节点连接,为用户提供话音、数据和图象等信息业务。由此可见,立足ISIN分组化网络,采用以太网接口、功能齐备且使用简便的各种应用终端将展现巨大的市场前景。
IP电话的技术障碍和实施的关键技术
  1. 技术障碍
  因为IP电话还有一些尚未有效解决的技术问题,这些问题引起的语音质量不够理想、使用不方便,因而还不容易为人们普遍接受。
  IP电话的技术障碍目前主要有:
  IP交换引起的传输时延无法确定。语音应用对时延有一定要求,人耳对400毫秒以下的时延反应不甚强烈,但若超过400毫秒,就会感到断断续续,无法忍受了。解决时延问题是实现和发展IP电话的关键。
  无法提供QoS保证,造成语音效果无法接受。实现业务传输优先级的保证关键在于引入一种服务质量机制(QoS),允许网络将不同类型的业务置于特定的QoS队列之中。使得语音业务的传输优先级高于数据业务,从而降低了队列延时,实时性得到保障。
  带宽限制了应用,接入手段需要极大的改善。足够的带宽也是确保语音数据包无时延地到达目的地所必须的条件。如果网络面临拥塞,就需要更大的网络带宽来解决这个问题,仅仅采用优先机制无法消除分组包的丢失问题,若不希望丢弃任何数据包,就必须增加网络带宽。对于应用者来说,带宽越大越好,56K的模拟最大接入已经远远不能达到要求了。
  2.IP电话实施的关键技术
  ①话音压缩技术
  IP电话技术的基础是话音压缩技术。1995年11月,经过较长时间的研究,ITU(国际电联)批准了一个被称为G.729的新的话音压缩标准。G.729标准采用的算法,可以仅用8Kbit/s传输话音,话音质量与32Kbit/sADPCM(G.724)相同。ADPCM(差分脉冲编码调制)在全球的公共电话网络中被用于提供长话级话音(Toll Quality Voice)。G.729的算法被称作CS-ACELP(Conjugate Structured-Algebraic Code Excited Linear Predictive,对生结构代数码激线性预测),它构成了G.729标准的基础。在标准形成的过程中,AT&T、法国电信、日本NTT的研究建议对基于该算法的系统性能改进均起了重要作用。
  CS-ACELP在标准PCM或线性PCM(Pulsed Code Modulation,脉冲编码调制)的话音采样基础上,每10ms生成一个10字节长的话音帧。这个算法提供了优秀音质,且延时很小。CS-ACELP也是为先进的定点运算数字信号处理器设计的,因为它要求强大的运算处理能力。
  G.729标准后来在1996年又得到了进一步的优化改进。现在G.729是最重要的话音压缩标准,其他的话音压缩技术还有几种,采用较多的是G.729和G.723/G.723.1。
  ②静噪抑制技术
  所谓静噪抑制技术,是指检测到通话过程或传真过程中的安静时段,并在这些安静时候停止发送语音包。大量的研究表明,在一路全双工电话交谈中,只有36%~40%的信号是活动的或有效的。当一方在讲话时,另一方在听,而且讲话过程中有大量显著的停顿。通过静噪抑制技术,大量的网络带宽节省下来用于其他话音或数据通信。
  ③回声消除技术
  在PBX或局用交换机侧,有少量电能未被充分转换而且沿原路返回,形成回声。如果打电话者离PBX或交换机不远,回声返回很快,人耳听不出来,这种情况下无关紧要。但是当回声返回时间超过10ms时,人耳就可听到明显的回声了。为了防止回声,一般需要回声消除技术,在处理器中有特殊的软件代码监听回声信号,并将它从听话人的语音信号中消除。对于IP电话设备,回声消除技术是十分重要的,因为一般IP网络的时延很容易就达到40~50ms。
  ④话音抖动处理技术
  IP网络的一个特征就是网络延时与网络抖动,这可能导致IP电话音质下降。网络延时是指一个IP包在网络上传输平均所需的时间,网络抖动是指IP包传输时间的长短变化。当网络上的话音延时(加上声音采样、数字化、压缩、延时)超过200ms时,通话双方一般就愿意倾向采用半双工的通话方式,一方说完后另一方再说。另一方面,如果网络抖动较严重,那么有的话音包因迟到被丢弃,会产生话音的断续及部份失真,严重影响音质。为了防止这种抖动,人们采用了抖动缓冲技术,即在接收方设定一个缓冲池,话音包到达时首先进入缓冲池暂存,系统以稳定平滑的速率将话音包从缓冲池中取出、解压、播放给受话者。这种缓冲技术可以在一定限度内有效处理话音抖动,并提高音质。
  ⑤话音优先技术
  话音通信实时性要求较高。为了保证提供高音质的IP电话通信,在广域网带宽不足(拥挤)的IP网络上,一般需要话音优先技术。
  当WAN带宽低于512Kbit/s时,一般在IP网络路由器中设定话音包的优先级为最高,这样,路由器一旦发现话音包,就会将它们插入到IP包队列的最前面优先发送。这样,网络的延时与抖动情况对话音通信的影响均将得到改善。
  另一种技术是采用资源预留协议(RSVP)为话音通信预留带宽。只要有话音呼叫请求,网络就根据规则为话音通信预留出设定带宽,直到通话结束,带宽才释放。
  但是,在企业IP网上,人们一般并不使用RSVP,而一般采用优先级技术。几乎所有品牌的路由器均支持一些优先级技术。
  将话音包的优先级定为最高级别,任何时候路由器只要发现有话音包就将延迟对数据包的发送。这对于LAN数据包的影响可以忽略,因为话音的15Kbit/s与LAN的10~100Mbit/s带宽相比是极少的,而且在LAN上没有话音包优先。
  对于WAN数据传输的影响就看具体情况了,在低速的WAN链路上(28.8Kbit/s~256Kbit/s),数据一般是非实时的,如电子邮件或文件传输,对数据包的延迟并不在意。对于相对较高速的WAN链路(256Kbit/s以上),数据可能有实时性要求,如通过WAN进行记录级的文件操作。但话音通信所占的带宽仅占整条WAN链路的几个百分点,话音包的流量与WAN带宽相比是可以忽略的。
  实际上,对IP包采取优先级规则,在WAN上有机地结合数据与话音通信,是对WAN带宽的更充分有效的利用。在低速链路上,数据一般是非实时的、后台的,在较高速链路上,不会有大量的实时话音流量与大量的实时数据流量相冲突。
  ⑥IP包分割技术
  如果WAN链路为64Kbpit/,为更好地保证IP电话的音质,应将IP包大小限制为不超过256字节。
  ⑦VoIP前向纠错技术-FEC
  一般企业网络均有较低的丢包率/错包率,因而IP电话网关仅需将话音包回放为声音即可。公共Internet网络往往有较高的丢包率,这不足以维持高质量的话音通信。在这种情况下,FEC技术就能够发挥重要作用。FEC技术有两级,第一级是Intra-Packet,第二级是Extra-Packet。第一级是在同一包内加冗余数据,以便接收方纠错、恢复、还原话音数据,保证音质。第二级是在每一个话音包中存放后续包的冗余数据,以便接收方从已经接收到的包中恢复出错或丢失的话音包。
  FEC可以降低10%~20%的丢包率,保持高音质。但是FEC要多消耗多达30%的网络带宽,因此在企业网内部一般不采用FEC。
 IP电话领域的四个最新发展方向
  随着IP电话走向市场,IP电话运营商为使其服务受用户青睐,除提供话音邮件、呼叫等待和高速ADSL接入服务外,都将推出新的应用。
  1.赋予普通电话IP功能
  IP电话又一种新的应用是赋予普通电话以IP能力。例如,Aplio公司最近推出的Aplio/Phone2.0能将普通电话连接至Internet,并能与兼容H.323标准的IP电话和会议软件相结合使用。
  2.赋予呼叫中心网络能力
  现在已有一些厂商(如美国Essl科技公司和NetSpeak公司)开始推出IP电话产品,这些产品能让用户使用同一条电话线打电话和接入网站,并在呼叫中心向代理商传送为用户服务的在线请求,因此用户无需断开与Internet的连接就能获得对代理商的实时话音接入。由于呼叫中心在众多企业中起着为用户提供服务的重要作用,所以网络化的呼叫中心将会得到普遍应用。
  3.一体化的消息传递
  一体化消息传递是让用户通过一部电话或PC接入E-mail、传真和寻呼消息。这种一体化的消息接入服务现在尽管还不普遍,但是经营IP电话网络的业内人士认为,在今后几年内它将会成为重要的服务方式。一些IP电话厂商目前正在开发能提供一体化消息服务的产品。
  4.IP电视电话
  IP电话另一种可能的新应用是改善IP电话呼叫的视频连接。例如,Netspeak公司的WebPhone4.0和VocalTec通信公司的InternetPhone5等产品,都能用作实时电视电话。IP传输视频(Video over IP)与IP电话一样也需要相当的带宽,这一特点有助于这一技术与IP电话相结合,从而有利于那些经常面对带宽限制的家庭和小企业用户。
ISIN网络体系展望
  ISIN网络结构模型可以描述未来信息网络的需求与发展,ISIN代表着未来网络发展的方向,ISIN网络体系的建立将是一个长期的研发和积累进程。因此,ISIN网络体系结构用来对新一代宽带信息网络的技术研究和产品开发,将有很好的规划指导意义。
  围绕ISIN网络体系,在ISIN结构模型涵盖下,不断丰富产品系列,每一个新产品都应定位明确,适应市场,并逐步积累完善,实现产业化。可以预计,新一代综合业务信息网络(ISIN)将在未来的技术研究和产品开发中得到不断丰富和完善,将为我国信息产业带来显著的技术优势和经济效益。

标签: IP电话 VOIP SIP