ISIN網(wǎng)絡(luò)體系與VoIP技術(shù)的發(fā)展
李魯湘 宋健 2009/06/25
世紀之初電信網(wǎng)發(fā)展五大趨勢
世紀之交，回顧展望，我們所面對的未來10年將是世界電信史上技術(shù)發(fā)展最活躍的時期，也是一百多年電信管理體制全面轉(zhuǎn)軌的時期，兩者的結(jié)合正在深刻地改變電信網(wǎng)的面貌和未來的技術(shù)走向。專家認為，在未來10年中，電信網(wǎng)的戰(zhàn)略發(fā)展趨勢將集中在5個方向：即網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)應(yīng)用的IP化趨勢、網(wǎng)絡(luò)窄帶接入的無線化趨勢、網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)的分組化趨勢、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的寬帶化趨勢和網(wǎng)絡(luò)功能結(jié)構(gòu)的扁平化趨勢。
新一代綜合業(yè)務(wù)信息網(wǎng)(ISIN)網(wǎng)絡(luò)體系
隨著Internet的深入應(yīng)用與發(fā)展，IP將成為未來信息通信的主導(dǎo)技術(shù)，各種業(yè)務(wù)可由IP包來承載(Everything over IP)，而IP信息流又可以在各種傳輸媒體中傳送(IP over Everything)，并以IP網(wǎng)為基礎(chǔ)，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)、話音、圖象業(yè)務(wù)融合和網(wǎng)絡(luò)融合。采用統(tǒng)一的技術(shù)解決方案(Integrated Solution)來構(gòu)建新一代信息網(wǎng)絡(luò)(Information Network)，以提供話音、數(shù)據(jù)和圖象等綜合服務(wù)(Integrated Service)，將成為人們不懈努力的追求目標，代表著二十一世紀新一代通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向。
1.ISIN網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)
ISIN(Integrated Service of Information Network)即綜合業(yè)務(wù)信息網(wǎng)絡(luò)，以分組包交換技術(shù)和提供綜合各種服務(wù)為基礎(chǔ)，建立統(tǒng)一的信息網(wǎng)絡(luò)，將無縫地兼容現(xiàn)有各種業(yè)務(wù)，其網(wǎng)絡(luò)體系模型由圖1表示。
ISIN網(wǎng)絡(luò)體系由ISIN骨干網(wǎng)(BACKBONE)、ISIN接入網(wǎng)(ACCESS)和ISIN終端系統(tǒng)(CPE-Customer Premises Equipment)組成。ISIN是一個完全分組化(Pure Packet)的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)。從CPE設(shè)備開始，所有用戶信息(話音、數(shù)據(jù)、圖象等)皆作分組化處理，采用IP包或ATM信元承載，以MPLS協(xié)議作路由傳送到接入網(wǎng)和骨干網(wǎng)進行傳輸與交換。在近階段，采用IP包和ATM信元兼容處理可以更好地無縫融合現(xiàn)有話音業(yè)務(wù)，并可實現(xiàn)QoS功能，支持VoIP等實時業(yè)務(wù)。
ISIN骨干網(wǎng)的核心設(shè)備是IP交換機(IP Switch)。IP交換機實質(zhì)上是一部功能強大的高速路由器，采用IP over DWDM技術(shù)，直接以光纖密集波分復(fù)用方式組網(wǎng)。在高速骨干網(wǎng)周圍，將采用邊緣IP交換機進行網(wǎng)絡(luò)擴展。
ISIN接入網(wǎng)在功能上作為CPE設(shè)備與骨干網(wǎng)之間的接入設(shè)備，向用戶提供語音、數(shù)據(jù)、圖像等各種綜合業(yè)務(wù)。在接入網(wǎng)的有關(guān)節(jié)點(Node)安裝各類網(wǎng)關(guān)(Gateway)與PSTN及其它應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，實現(xiàn)業(yè)務(wù)逐步從現(xiàn)有分離建設(shè)的PSTN網(wǎng)、DDN、FR等網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)入到一體化ISIN網(wǎng)絡(luò)中，從而構(gòu)建統(tǒng)一的ISIN信息網(wǎng)絡(luò)體系。
2.ISIN接入網(wǎng)
ISIN接入網(wǎng)設(shè)備由接入節(jié)點機和各種接口設(shè)備組成。節(jié)點機采用Packet/Cell交換核心模塊，外圍網(wǎng)絡(luò)側(cè)采用光纖接口互連，用戶側(cè)可采用xDSL經(jīng)UTP雙絞線傳輸，或采用Cable Modem經(jīng)同軸電纜(Coax)傳輸，也可以無線(Wireless)方式或光纖連接到用戶終端，從而構(gòu)成ISIN節(jié)點處理設(shè)備。節(jié)點設(shè)備可以安裝內(nèi)置網(wǎng)關(guān)模塊或連接外部獨立網(wǎng)關(guān)設(shè)備與PSTN等現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，實現(xiàn)業(yè)務(wù)互通。同時節(jié)點設(shè)備配置有OMC設(shè)備，可與網(wǎng)絡(luò)管理中心和業(yè)務(wù)管理中心相連接，完成網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)的統(tǒng)一管理。
通過功能模塊、接口模塊和網(wǎng)關(guān)模塊的獨特設(shè)計，使ISIN接入設(shè)備具有十分靈活便利的組網(wǎng)性能，可以很方便地滿足電信部門靈活組網(wǎng)和擴容的要求，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)隨業(yè)務(wù)發(fā)展不斷升級。同樣，由于ISIN組網(wǎng)的靈活性和分布適應(yīng)性，可以根據(jù)客戶需求，靈活安裝節(jié)點設(shè)備，使用戶就近上網(wǎng)，業(yè)務(wù)就近分流進入新建ISIN網(wǎng)中，從而不干擾現(xiàn)有PSTN網(wǎng)的話音業(yè)務(wù)。由此可見，ISIN接入網(wǎng)體現(xiàn)了“就近上網(wǎng)、業(yè)務(wù)綜合、自成網(wǎng)絡(luò)、走向未來”的特征，它代表著網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的方向，具有廣闊的發(fā)展前景。
3.ISIN CPE用戶終端設(shè)備
在用戶側(cè)，包括商業(yè)用戶和家庭用戶，需要安裝一個終端設(shè)備(CPE)和ISIN接入網(wǎng)相連，將分組化、寬帶化和智能化直接推進到最終用戶。CPE設(shè)備采用機頂盒STB(Set Top Box)結(jié)構(gòu)，可以是xDSL終端，也可以是Cable Modem 終端或是無線收發(fā)終端�？梢詮膯我还δ艿慕K端起步，然后升級到具有路由功能的智能接入終端IAD(Intelligent Access Devices)。IAD采用10/100M以太網(wǎng)接口，連接內(nèi)部局域網(wǎng)，組成HomeLAN網(wǎng)絡(luò)，可連接計算機、IP網(wǎng)絡(luò)電話、信息家電、家庭監(jiān)控等終端設(shè)備。IAD可以采用光纖/xDSL/E1/V.35/Cable Modem/Ethernet等方式，與ISIN接入節(jié)點連接，為用戶提供話音、數(shù)據(jù)和圖象等信息業(yè)務(wù)。由此可見，立足ISIN分組化網(wǎng)絡(luò)，采用以太網(wǎng)接口、功能齊備且使用簡便的各種應(yīng)用終端將展現(xiàn)巨大的市場前景。
IP電話的技術(shù)障礙和實施的關(guān)鍵技術(shù)
1. 技術(shù)障礙
因為IP電話還有一些尚未有效解決的技術(shù)問題，這些問題引起的語音質(zhì)量不夠理想、使用不方便，因而還不容易為人們普遍接受。
IP電話的技術(shù)障礙目前主要有：
IP交換引起的傳輸時延無法確定。語音應(yīng)用對時延有一定要求，人耳對400毫秒以下的時延反應(yīng)不甚強烈，但若超過400毫秒，就會感到斷斷續(xù)續(xù)，無法忍受了。解決時延問題是實現(xiàn)和發(fā)展IP電話的關(guān)鍵。
無法提供QoS保證，造成語音效果無法接受。實現(xiàn)業(yè)務(wù)傳輸優(yōu)先級的保證關(guān)鍵在于引入一種服務(wù)質(zhì)量機制(QoS)，允許網(wǎng)絡(luò)將不同類型的業(yè)務(wù)置于特定的QoS隊列之中。使得語音業(yè)務(wù)的傳輸優(yōu)先級高于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，從而降低了隊列延時，實時性得到保障。
帶寬限制了應(yīng)用，接入手段需要極大的改善。足夠的帶寬也是確保語音數(shù)據(jù)包無時延地到達目的地所必須的條件。如果網(wǎng)絡(luò)面臨擁塞，就需要更大的網(wǎng)絡(luò)帶寬來解決這個問題，僅僅采用優(yōu)先機制無法消除分組包的丟失問題，若不希望丟棄任何數(shù)據(jù)包，就必須增加網(wǎng)絡(luò)帶寬。對于應(yīng)用者來說，帶寬越大越好，56K的模擬最大接入已經(jīng)遠遠不能達到要求了。
2.IP電話實施的關(guān)鍵技術(shù)
�、僭捯魤嚎s技術(shù)
IP電話技術(shù)的基礎(chǔ)是話音壓縮技術(shù)。1995年11月，經(jīng)過較長時間的研究，ITU(國際電聯(lián))批準了一個被稱為G.729的新的話音壓縮標準。G.729標準采用的算法，可以僅用8Kbit/s傳輸話音，話音質(zhì)量與32Kbit/sADPCM(G.724)相同。ADPCM(差分脈沖編碼調(diào)制)在全球的公共電話網(wǎng)絡(luò)中被用于提供長話級話音(Toll Quality Voice)。G.729的算法被稱作CS-ACELP(Conjugate Structured-Algebraic Code Excited Linear Predictive，對生結(jié)構(gòu)代數(shù)碼激線性預(yù)測)，它構(gòu)成了G.729標準的基礎(chǔ)。在標準形成的過程中，AT&T、法國電信、日本NTT的研究建議對基于該算法的系統(tǒng)性能改進均起了重要作用。
CS-ACELP在標準PCM或線性PCM(Pulsed Code Modulation，脈沖編碼調(diào)制)的話音采樣基礎(chǔ)上，每10ms生成一個10字節(jié)長的話音幀。這個算法提供了優(yōu)秀音質(zhì)，且延時很小。CS-ACELP也是為先進的定點運算數(shù)字信號處理器設(shè)計的，因為它要求強大的運算處理能力。
G.729標準后來在1996年又得到了進一步的優(yōu)化改進�，F(xiàn)在G.729是最重要的話音壓縮標準，其他的話音壓縮技術(shù)還有幾種，采用較多的是G.729和G.723/G.723.1。
�、陟o噪抑制技術(shù)
所謂靜噪抑制技術(shù)，是指檢測到通話過程或傳真過程中的安靜時段，并在這些安靜時候停止發(fā)送語音包。大量的研究表明，在一路全雙工電話交談中，只有36%～40%的信號是活動的或有效的。當一方在講話時，另一方在聽，而且講話過程中有大量顯著的停頓。通過靜噪抑制技術(shù)，大量的網(wǎng)絡(luò)帶寬節(jié)省下來用于其他話音或數(shù)據(jù)通信。
�、刍芈曄夹g(shù)
在PBX或局用交換機側(cè)，有少量電能未被充分轉(zhuǎn)換而且沿原路返回，形成回聲。如果打電話者離PBX或交換機不遠，回聲返回很快，人耳聽不出來，這種情況下無關(guān)緊要。但是當回聲返回時間超過10ms時，人耳就可聽到明顯的回聲了。為了防止回聲，一般需要回聲消除技術(shù)，在處理器中有特殊的軟件代碼監(jiān)聽回聲信號，并將它從聽話人的語音信號中消除。對于IP電話設(shè)備，回聲消除技術(shù)是十分重要的，因為一般IP網(wǎng)絡(luò)的時延很容易就達到40～50ms。
④話音抖動處理技術(shù)
IP網(wǎng)絡(luò)的一個特征就是網(wǎng)絡(luò)延時與網(wǎng)絡(luò)抖動，這可能導(dǎo)致IP電話音質(zhì)下降。網(wǎng)絡(luò)延時是指一個IP包在網(wǎng)絡(luò)上傳輸平均所需的時間，網(wǎng)絡(luò)抖動是指IP包傳輸時間的長短變化。當網(wǎng)絡(luò)上的話音延時(加上聲音采樣、數(shù)字化、壓縮、延時)超過200ms時，通話雙方一般就愿意傾向采用半雙工的通話方式，一方說完后另一方再說。另一方面，如果網(wǎng)絡(luò)抖動較嚴重，那么有的話音包因遲到被丟棄，會產(chǎn)生話音的斷續(xù)及部份失真，嚴重影響音質(zhì)。為了防止這種抖動，人們采用了抖動緩沖技術(shù)，即在接收方設(shè)定一個緩沖池，話音包到達時首先進入緩沖池暫存，系統(tǒng)以穩(wěn)定平滑的速率將話音包從緩沖池中取出、解壓、播放給受話者。這種緩沖技術(shù)可以在一定限度內(nèi)有效處理話音抖動，并提高音質(zhì)。
�、菰捯魞�(yōu)先技術(shù)
話音通信實時性要求較高。為了保證提供高音質(zhì)的IP電話通信，在廣域網(wǎng)帶寬不足(擁擠)的IP網(wǎng)絡(luò)上，一般需要話音優(yōu)先技術(shù)。
當WAN帶寬低于512Kbit/s時，一般在IP網(wǎng)絡(luò)路由器中設(shè)定話音包的優(yōu)先級為最高，這樣，路由器一旦發(fā)現(xiàn)話音包，就會將它們插入到IP包隊列的最前面優(yōu)先發(fā)送。這樣，網(wǎng)絡(luò)的延時與抖動情況對話音通信的影響均將得到改善。
另一種技術(shù)是采用資源預(yù)留協(xié)議(RSVP)為話音通信預(yù)留帶寬。只要有話音呼叫請求，網(wǎng)絡(luò)就根據(jù)規(guī)則為話音通信預(yù)留出設(shè)定帶寬，直到通話結(jié)束，帶寬才釋放。
但是，在企業(yè)IP網(wǎng)上，人們一般并不使用RSVP，而一般采用優(yōu)先級技術(shù)。幾乎所有品牌的路由器均支持一些優(yōu)先級技術(shù)。
將話音包的優(yōu)先級定為最高級別，任何時候路由器只要發(fā)現(xiàn)有話音包就將延遲對數(shù)據(jù)包的發(fā)送。這對于LAN數(shù)據(jù)包的影響可以忽略，因為話音的15Kbit/s與LAN的10～100Mbit/s帶寬相比是極少的，而且在LAN上沒有話音包優(yōu)先。
對于WAN數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懢涂淳唧w情況了，在低速的WAN鏈路上(28.8Kbit/s～256Kbit/s)，數(shù)據(jù)一般是非實時的，如電子郵件或文件傳輸，對數(shù)據(jù)包的延遲并不在意。對于相對較高速的WAN鏈路(256Kbit/s以上)，數(shù)據(jù)可能有實時性要求，如通過WAN進行記錄級的文件操作。但話音通信所占的帶寬僅占整條WAN鏈路的幾個百分點，話音包的流量與WAN帶寬相比是可以忽略的。
實際上，對IP包采取優(yōu)先級規(guī)則，在WAN上有機地結(jié)合數(shù)據(jù)與話音通信，是對WAN帶寬的更充分有效的利用。在低速鏈路上，數(shù)據(jù)一般是非實時的、后臺的，在較高速鏈路上，不會有大量的實時話音流量與大量的實時數(shù)據(jù)流量相沖突。
⑥IP包分割技術(shù)
如果WAN鏈路為64Kbpit/，為更好地保證IP電話的音質(zhì)，應(yīng)將IP包大小限制為不超過256字節(jié)。
�、遃oIP前向糾錯技術(shù)-FEC
一般企業(yè)網(wǎng)絡(luò)均有較低的丟包率/錯包率，因而IP電話網(wǎng)關(guān)僅需將話音包回放為聲音即可。公共Internet網(wǎng)絡(luò)往往有較高的丟包率，這不足以維持高質(zhì)量的話音通信。在這種情況下，F(xiàn)EC技術(shù)就能夠發(fā)揮重要作用。FEC技術(shù)有兩級，第一級是Intra-Packet，第二級是Extra-Packet。第一級是在同一包內(nèi)加冗余數(shù)據(jù)，以便接收方糾錯、恢復(fù)、還原話音數(shù)據(jù)，保證音質(zhì)。第二級是在每一個話音包中存放后續(xù)包的冗余數(shù)據(jù)，以便接收方從已經(jīng)接收到的包中恢復(fù)出錯或丟失的話音包。
FEC可以降低10%～20%的丟包率，保持高音質(zhì)。但是FEC要多消耗多達30%的網(wǎng)絡(luò)帶寬，因此在企業(yè)網(wǎng)內(nèi)部一般不采用FEC。
IP電話領(lǐng)域的四個最新發(fā)展方向
隨著IP電話走向市場，IP電話運營商為使其服務(wù)受用戶青睞，除提供話音郵件、呼叫等待和高速ADSL接入服務(wù)外，都將推出新的應(yīng)用。
1.賦予普通電話IP功能
IP電話又一種新的應(yīng)用是賦予普通電話以IP能力。例如，Aplio公司最近推出的Aplio/Phone2.0能將普通電話連接至Internet，并能與兼容H.323標準的IP電話和會議軟件相結(jié)合使用。
2.賦予呼叫中心網(wǎng)絡(luò)能力
現(xiàn)在已有一些廠商(如美國Essl科技公司和NetSpeak公司)開始推出IP電話產(chǎn)品，這些產(chǎn)品能讓用戶使用同一條電話線打電話和接入網(wǎng)站，并在呼叫中心向代理商傳送為用戶服務(wù)的在線請求，因此用戶無需斷開與Internet的連接就能獲得對代理商的實時話音接入。由于呼叫中心在眾多企業(yè)中起著為用戶提供服務(wù)的重要作用，所以網(wǎng)絡(luò)化的呼叫中心將會得到普遍應(yīng)用。
3.一體化的消息傳遞
一體化消息傳遞是讓用戶通過一部電話或PC接入E-mail、傳真和尋呼消息。這種一體化的消息接入服務(wù)現(xiàn)在盡管還不普遍，但是經(jīng)營IP電話網(wǎng)絡(luò)的業(yè)內(nèi)人士認為，在今后幾年內(nèi)它將會成為重要的服務(wù)方式。一些IP電話廠商目前正在開發(fā)能提供一體化消息服務(wù)的產(chǎn)品。
4.IP電視電話
IP電話另一種可能的新應(yīng)用是改善IP電話呼叫的視頻連接。例如，Netspeak公司的WebPhone4.0和VocalTec通信公司的InternetPhone5等產(chǎn)品，都能用作實時電視電話。IP傳輸視頻(Video over IP)與IP電話一樣也需要相當?shù)膸挘@一特點有助于這一技術(shù)與IP電話相結(jié)合，從而有利于那些經(jīng)常面對帶寬限制的家庭和小企業(yè)用戶。
ISIN網(wǎng)絡(luò)體系展望
ISIN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型可以描述未來信息網(wǎng)絡(luò)的需求與發(fā)展，ISIN代表著未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的方向，ISIN網(wǎng)絡(luò)體系的建立將是一個長期的研發(fā)和積累進程。因此，ISIN網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)用來對新一代寬帶信息網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)，將有很好的規(guī)劃指導(dǎo)意義。
圍繞ISIN網(wǎng)絡(luò)體系，在ISIN結(jié)構(gòu)模型涵蓋下，不斷豐富產(chǎn)品系列，每一個新產(chǎn)品都應(yīng)定位明確，適應(yīng)市場，并逐步積累完善，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。可以預(yù)計，新一代綜合業(yè)務(wù)信息網(wǎng)絡(luò)(ISIN)將在未來的技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)中得到不斷豐富和完善，將為我國信息產(chǎn)業(yè)帶來顯著的技術(shù)優(yōu)勢和經(jīng)濟效益。
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