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一种VOIP网络电话系统的设计与研究

来源:网上转载-网络电话系统  发布时间:2014-09-02 12:10:48

网络电话系统-VOIP(voiceoverIP)俗称IP电话。是利用IP网络实现语音通信的一种先进通信手段,是基于IP网络的语音传输技术。VOIP技术能在进行异地网络互连的同时,实现通过IP网络传输语音。这样既可节省大量的长途话费,更可以在公司内部实现零费用电话。作为网络电话系统重要组成部分的应用网关系统,不仅完成主要业务层的实现工作,还是一个功能强大的交换平台。通过应用网关,企业的各个系统被有机地连接在一起。此外,通过应用网关,企业还可以很容易地连接外部网络或特定的主机。应用网关与多种功能强大的后台支持系统连接的功能,可以方便企业不断开发出新的服务品种,不仅可以方便客户、树立企业形象,同时也为企业带来了新的业务增长点。通过IP网络传递语音、视频信号将是今后IP网络应用发展的趋势之一。

 

网络电话系统原理分析

1.网络电话系统基本原理

该系统是利用电话网关设备将电话语音信号数字化,将数据压缩后打包成数据包,通过IP网络传输到目的地,目的地收到这一串数据包后,将数据重组解压缩后还原成声音,从而达到由IP网络传送语音的目的。它可以提供可预测的、实时的、长途电话质量的语音和传真通信服务。网络电话系统的设计不仅仅要考虑IP数据承载网结构,以保证系统可实现性,更需要考虑系统大规模商用化所可能遇到的难题,提出解决思路和方法。

2.基于MGCP协议的网络电话系统呼叫流程分析

以下以一个基于MGCP协议的VOIP语音通话为例进行分析。软交换充当媒体控制器MGCP的角色,通过与综合接入设备IAD之间的MGCP信令交互,保证了IAD1和IAD2之间的正常通话。

(1).通话建立流程

图1明示了用户1通过综合接入设备IAD与用户2之间通话建立的流程。

1)主叫摘机,IAD1发送NTFY命令,通知软交换,软交换回响应;

2)软交换向主叫IAD1发送RQNT命令,送拨号音,下发数字映射表(拨号表)并要求监测用户拨号和主叫挂机事件,主叫IAD1回响应;

3)主叫IAD1发送NTFY命令,将用户拨号送给软交换,软交换回响应;

4)软交换向主叫IAD1发送CRCX命令,为主叫创建一个连接,连接模式为ReceiveOnly;

5)主叫IAD1回响应,并将连接的SDP信息返回给软交换;

 

网络电话系统

 

6)软交换向被叫IAD2发送CRCX命令,连接模式为SendReceive,并且将主叫连接的SDP信息带给被叫IAD2,同时请求向被叫用户送振铃音和监视被叫用户摘机,被叫IAD2回响应,并将连接的SDP信息返回给软交换;

7)软交换向主叫IAD1发送MDCX命令,修改连接模式为SendReceive,并将被叫SDP信息带给主叫IAD1,主叫IAD1回响应;

8)被叫用户摘机,被叫IAD2发送NTFY命令,软交换回响应;

9)软交换向被叫IAD2发送REQT,监视被叫挂机;

10)软交换向主叫TADI发送MDCX命令,停止送回铃音。

从上面的流程可以看出,软交换在创建被叫IAD2连接时,把主叫IAD1上创建连接的SDP传送给了IAD2;而当被叫用户应答软交换创建的连接时,就把被叫创建连接的SDP传送给IAD1,这样就实现了IAD之间的正常信令互通。

(2).通信拆除流程用户之间呼叫拆除过程如图2

 

网络电话系统

 

1)主叫用户挂机,IAD1向软交换发送NTFY命令,软交换回送应答。

2)软交换向IAD1发送DLCX,请求释放连接,IAD1应答并报告本次通话统计信息。

 

3)软交换向IAD2发送DLCX,请求释放连接,向用户送忙音,IAD2应答。

4)软交换向IAD1送RQNT,监视主叫挂机。

5)被叫挂机,IAD2向软交换发送NTFY命令,软交换应答。

6)软交换向IAD2送RQNT,监视被叫摘机。

 

网络电话系统总体设计结构

总体结构概述

通过对通话流程的分析可以看出,作为网络电话系统的核心部件,软交换提供了对话音业务的综合控制能力。话音业务的接入功能则由综合接入设备IAD完成,两者配合便可以实现正常通话,但它们还不能作为完整的系统存在。一套网络电话系统包含着业务层、控制层、传送层和接入层四部分,层与层之间以软交换通过标准通信协议进行连接和通信,其系统结构如图3所示。

 

网络电话系统

 

结构层次

为了能够清楚地研究网络电话系统,下面对以上四层结构作详细分析:

接入层:该层提供各种方式的用户接入,不管是IP方式还是传统的电路方式,不管是有线还是无线,通过系统功能模块都可以实现接入。从系统商用化的角度来看,这一层是业务实现的关键。在绝大多数情况下,用户接入能力的大小决定了VOIP业务商用化的进展程度。在接入层中重要的功能模块就是提供综合接入能力的智能网关设备IAD。

传送层:该层承载语音信令。目前根据结构和实际建设情况,可将网络抽象为骨干网、城域骨干网、城域接入网三层典型结构。多样化的运营环境和网络技术选择导致承载网的结构各有千秋,对于骨干网、城域网和接入网而言,均具多种建设模式,如骨干网可基于IP或ATM,有的支持MPLS,有的不支持MPLS;城域网有IP城域网、ATM城域网或双平面网络;接入网有专线、DSL、以太接入等方式,还有小区用户接入网和企业商业客户接入网。不管承载网络采取何种结构构建,VOIP传输网络一般都有以下两种基本建立方式:

第一种方式:VOIP网络独立成网

该网络作为存在于承载网基础F的逻辑网络,IAD、媒体网关、软交换、管理系统等部件均连接到该逻辑网络,与IP承载网的其他业务终端相对隔离。其构造基本方法是:

骨干网:采用运营商IP骨干网MPLSVPN,或ATM骨干网PVC功能,甚至可直接基于传输网独立建设个VOIP专用的VPN;

城域网:利用运营商IP城域网第三层路由交换机VLAN功能,或ATM城域网PVC功能,为话音业务分配专用VLAN;

接入网:IAD终端采用与其他业务终端不同的IP地址段,二层部件采用VLAN(或PVC),实现话音业务与其他业务的隔离,接入服务器或其他三层设备通过识别话音终端的地址,实现话音业务的分流。

这种思路的实现在初期比较复杂,首先需要在IP层采用MPLSVPN、VLAN、用户管理(NAS)、用户地址绑定、NAT,ALG等复杂技术,对基础网络的设备要求较高;其次网络的建设量大,需对基础网络设备进行大量配置;再次,网络管理复杂,网络管理系统不仅管理业务层(分组终端),还需要管理网络设备,有时还必须实现业务层和网络层的关联,如分组终端开户不仅需要配置营帐系统,而且还要配置接入第二层设备和NAS的VLAN,因此在现有数据承载网络中,这种方式不可操作。

第二种方式:不独立成网,不建立VOIP业务专用逻辑网络

用户IAD终端与其他业务终端采用相同的地址段,并通过NAT/防火墙接入城域网,在城域网和骨干网不为VOIP业务提供专用的网络资源,包括接口、VLAN,PVC、路由等。这种思路不采用VPN,VLAN等虚拟网络技术,业务直接由数据网络IP层承载。

在目前的技术和网络条件下,这是一种可行的方案。因为就目前而言,路由器、交换机对话音等实时业务的承载还比较理想,终端采用编码、压缩、消抖、回波抵消等技术,可较好地消除部分网络性能波动对话音等实时业务质量造成的不利影响。这种思路尽管实现容易,管理简单,对数据网络/IP网络没有苛刻要求,但是还存在许多棘手问题,如IP地址紧缺、用户安全、用户管理和QOS保证等问题。本文对网络电话系统的研究和设计都是基于这种成网方式来展开的。

控制层:该层完成呼叫控制功能,主要由软交换设备实现。对于在传送层所遇的问题,要在这一层进行控制并解决。在VOIP网络中,所有终端均为智能终端,终端用户可通过多种接入方式接入。对这些终端的认证,防止端点伪装和IP地址盗用等非法行为,以及对大量终端的管理也是控制层必须解决的问题;QOS语音保证则通过压缩语音编码、提高语音业务优先级来实现。

业务层:用于提供语音普通业务和其他增值业务,如Voicemail等,网络电话系统是综合、开放性的系统,既可以保留原有PSTN、ISDN、智能网等所提供的基本业务,又增加了许多特有的业务类型。例如:可视电话:能够在移动/固定,移动/移动,固定/固定电话之间建立可视呼叫;网上会议业务:能够通过网页浏览器组织多方多媒体会议;语音识别业务:能够自动识别语音,并相应执行标准的或用户设定的操作;VOD视频点播业务:可以根据需要订制不同的视频流服务。

系统实现

系统的结构为分布式网络结构,其中包含了软交换、媒体中继网关、路由代理服务器、用户安全服务器、网管服务器、综合接入网关IAD等一系列相关功能实体,它们彼此通过标准接口互连,协同工作。上述各部主要功能阐述如下:

软交换:软交换设备是电路交换网向分组网演进的核心设备,它独立于底层承载协议,主要完成呼叫控制、媒体网关接入控制、资源分配、协议处理、路由、认证、计费等功能,并可以向用户提供现有电路交换机所能提供的所有业务以及多样化的第三方业务。

媒体中继网关:媒体中继网关位于接入层,集成了媒体网关(MG)和信令网关(SG)的功能。媒体网关是负责电路交换网网络络承载通道和分组网络媒体代码转换的接口。它的主要功能是:根据交换命令对它所连接的呼叫进行控制;资源控制和功能。

网关系统软件采用开放式结构和模块化系统设计。其结构如图4所示:

其中,语音处理模块主要完成语音编、解码,语音分组封装、解封等功能;呼叫处理模块完成电话网信令到分组网信令的转换。其主要功能为完成电话号码到IP地址的转换、终止电话信令协议并提取信令信息、将电话信令信息映射成Intemet信令报文的格式,以及在分组网上建立会话通信;分组处理模块主要处理语音和信令分组。在分组提交给IP层以前。增加合适的头部信息,完成分组的实时传递;网络管理模块主要提供管理功能,完成故障处理、计费管理、配置管理、认证安全性管理、地址映射管理等功能。

 

网络电话系统

 

路由代理服务器:该设备位于控制层,用来实现NAT/防火墙语音穿透,保证私有地址用户的正常通话。

网管服务器:网管系统主要针对大量IAD终端用户进行管理的系统。传统语音通信并不管理用户终端—电话机,VOIP终端由于其/智能性0,使得对跨网络、大规模的IAD设备的管理显得很重要。网络系统的实现可以保证VOIP业务稳定发展。

由于无线信道具有带限、易错、时变的特点,在3G网络中实施VOIP会有突发性丢包、时延和抖动等现象,所以必定会降低VOIP的质量级别。本文所设计的系统综合了上述的因素,无论是从业务可用性、呼叫建立时间、话音时延等都达到了良好的效果,系统的单向响应小于l50ms;话音质量回声小、受干扰小。本文提出的VOIP电话系统设计具有投资小、成本低、方便实用,可靠性强、安全性好等优点。该系统建立在通用的计算机网络上,可在局域网或Internet上使用,对用户无特殊要求;另外还可扩展成融合文本、视频会议于一体的网络交互式多媒体系统;由于终端较多地借助了PC资源,所以系统具备了较高的智能性;系统设计规范,管理模块集中化,不仅降低了成本,而且更便于系统的操作和维护。由于该系统秉承了TCP/UDP协议族的简单性,绝大多数功能通过软件实现,进行简单的改进,即可以满足不同的应用和需要。

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