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Internet正在改变着我们工作和生活的方方面面，IP电话就是其中的热点之一，它正以极其迅猛的态势席卷全球，目前世界数据网络通信领域的厂商均在加紧开发这方面的产品。作为新一代通信技术，它使得人们可以建立起一种经济可行的跨地域、跨国界的通信方式，有可能对传统电信业带来巨大的冲击，甚至导致一场电信革命。这是语音压缩技术与Internet相结合的产物，由于其低廉的费用和改进的音质，越来越多的人已开始使用网上电话作为通信工具。将来的发展方向是CTI（Computer Telephone Integration，计算机电话集成）技术，即将语音和数据服务融为一体，并在计算机或经改造的普通电话上得以实现，IP电话的普及应用已指日可待。
一、IP网络和IP电话
IP电话又叫VoIP（Voice over Internet Protocol）电话，是指应用于IP网络上实现话音信号传输的一项新的数据网络集成技术。随着跨国网络系统的纷纷采用，Internet协议（IP）已成为局域/广域网络系统的企业标准。人们最熟悉的IP网络是Internet，但它不过是数以百万计的该类型网络(公共网络和专用网络)之一。因IP网络可在广为流行的网络操作系统下运行，它已经成为一个价格低廉的理想的数据传送工具。
1995年2月，以色列的VocalTec公司推出其客户端Internet电话软件“Internet Phone”，这是世界上第一个IP电话软件，通过在PC机的桌面上安装VoIP软件和硬件，在Internet上实现实时通信，这种PC到PC或PC到电话的方式叫做PC方式（或桌面方式）。另外一种方式叫作网关方式，这种方式可实现电话到电话之间的网络语音传输，本文中除特别指出外，提到的IP电话指的是这种网关方式。
二、IP电话的实现机理和特点
那么，IP电话是如何工作的，或者说它的机理是什么呢？
传统电话网采用基于连接的电路方式来传输语音信息。话音电路是电话机和电话交换机等通信设备之间通过信令建立起来的，电话交换机必须为每一次呼叫建立一条专用的通路。
但利用IP网络传送话音，这种专用线路式的呼叫模式是不存在的。声音从某一点通过IP网络（如LAN、WAN或Internet）进行传输。IP电话是对模拟语音信号经过模数转换，再对数字编码压缩，然后按一定的打包规则将压缩的数字语音转换成IP数据包，通过数据网进行传输，接收方经过数据解压、数模转换复原成话音，从而达到语音通信的目的。由于数据网是采用分组交换的方式分配、使用网络资源，通话不会独占某一信道，所以分组语音技术可提高网络资源的利用率，降低运营成本，它的基本机理见图1。
据此可看出，IP网络的特点：
* 节省长途通信费用。用IP数据网络完成所有数据及话音的传送，极大地降低跨区域、跨国界的电话通信成本。无论其位于何处，只需支付本地通话的费用和上网的费用。
* 降低设备投资。对于公司，特别是跨国公司在原有只能传送数据的网络上获得增值的话音服务，而无需租用或者购买单独用于传送话音的设备或线路。通过IP网络传送话音，购买和维护设备的成本大大降低。因为所有的内部通信，包括话音通信和数据传输都通过同一网络传送。IP网络能够从所有的终端同时进行扩展，而不需要中央管理和组织。进一步地，一个IP子网甚至可以拥有路由的能力，IP数据包可以根据目的地址进行自动寻址。
* 提高了带宽利用率。传统电话每次成功的呼叫都要占用64Kbps的固定信道，且只要用户不挂机始终占用着。而IP电话的语音信息不占用固定的信道，有信息时才传送。
* 无法保证业务质量。IP语音传输采取IP数据包分组交换的方式，各个数据包分别寻找各自的路由。由于每个网络路由器只负责对下一个路由器的选择，所以从整个网络的角度来看，IP网络不能保证语音IP数据包的传输速率和到达顺序，甚至不保证数据包的完整性。由于数据包可能的丢失，IP网络语音传输的效率是不确定的。由于IP网络的结构千差万别，同时计算最佳路由需要进行大量的运算。
三、IP电话的核心――网关（Gateway）
网关是这样一种设备，它构成传统的电话交换网与计算机网络之间的桥梁。一方面它通过电话线与传统的电话网PSTN相连，另一方面与计算机网络相连，网关接收电话信令，将它数字化、压缩、打包和在计算机网络上对对方进行路由查询；网关的反向操作是从计算机网络上接收打包，发送到电话网上。在这种连接的基础上可以有多种配置方式：PC对电话、电话对PC以及电话对电话。前两者的操作可以用一个网关完成，电话对电话的操作则需要两个网关。
IP网关提供了一种可伸展的、灵活的且可靠的方法来解决电话网与IP网之间的互联。IP网关以8Kbps的带宽将话音转换成数字信号,但是IP网络的开销通常会将带宽占用增加到17.5Kbps。现已有一种静音抑制技术保障了只在通话双方讲话时才占用带宽。在安静的时候,话音的带宽被自动释放出来供其它传输使用，这种技术在典型的情况下可将带宽的占用降低到大7Kbps。
一个优秀的网关还应具备前向纠错功能,以最大限度地减少数字包的损失,同时它还使用高速缓存技术来减少IP网络的延迟。
网关具有灵活的可集成性。IP网关支持任何层次的通信系统,从仅有两台电话的小型办公室到复杂、完备的企业网络。将IP网关与公司的现有电话、PC、操作系统、用户交换机和路由器集成在一起,可使得据数据/话音集成起来而不牺牲话音质量或数据性能的效益。
从网络层来看,每个IP网关均维护一个电话目录数据库,以确定所有目的网关的电话号码及其相应的IP地址。网关将IP电话的优点提供给世界上应用广泛、价格低廉、流动性最大的终端：标准电话机。网关还克服了IP电话一个明显需解决的问题：IP寻址，因为要在Internet上确认一个多媒体计算机的地址，必须知道其IP地址；而使用网关确定一个远程终端的地址，你只需知道它的电话号码。
随着技术的发展，IP网关会发展成为通信公司的基本结构。
四、关于网关的几项关键技术
评价电话系统的优劣主要是两个因素：语音质量和时间延时。这也是IP电话系统要面对的具有挑战性的问题。为此需使用如下技术解决。
1．语音编码器
语音编码器的作用是通过语音信号处理器取得一组语音采样值，以一组数据表示，这组数据被称作帧。对这些帧数据采用某种算法，利用它们的冗余性及人耳对语音感受的固有特性，对这些数字信息进行压缩处理，以期减少对数据存储和传输的长度。设计编码器时要在语音质量、编码的复杂度、比特率等多种互相制约的因素之间寻求平衡。目前，先进的DSP可以轻易完成数／模转换，实现实时语音压缩和解压回放过程，且成本非常低廉；
2．带宽控制
为了使语音通信质量提高和有效利用带宽，在网络中应该进行拥挤控制。在可用带宽有限的情形下，当在网络某点发生过大的网络流量时，可以使用缓冲区对网络流量进行缓冲，这样可以减少数据差错率。但是缓冲区越大，时延越长，所以在平抑流量、平滑语音时，应该适度控制每个话路的缓冲大小。
3．时间延时和丢包重建
时间延时是影响IP电话质量的主要原因。据统计，在实时传送中30％以上的打包可能丢失或延误，时延的影响可包括时延大小、时延抖动大小、时延抖动频率。时延影响严重时，话音断断续续，交流不顺畅。成功的IP电话网关对丢失的包进行重建和恢复。由于网络的多样性，路由的多向性以及不可预见的带宽拥堵等等。有效的解决方案都需要进行复杂的数据处理和压缩来减少传输的数据量，并保持语音质量和延时的影响。
4．回音消除与静音压缩
本地网中的话音延迟很短不会产生明显的回音，但IP电话大部分是长途电话，所以必须有回音消除的功能，否则回音会严重干扰交谈。
另外还可以采用静音压缩技术来把背景声音滤去，这样，话路带宽就可以大大地减少。但是另一方面，由于压缩会引起失真，压缩算法也会有附加时延，这些都会影响话音质量。
五、网络电话的发展前景及对社会影响
IP电话只是分组网络中实现话音技术的一种，分组网中的电话功能也只是分组网实现的多媒体功能之一。随着分组网络的发展，若整个话音技术要在分组网中全面实施，必然涉及如何利用各种现有的设备资源和保持网络兼容等问题，建设成本、网络运营商的地位需重新设定，因此这是一个综合的系统工程。
IP电话技术的发展将为通信业带来美好前景：这将是含有视频、音频和数据信息的可视电话模式的廉价实现；通过网关将现有的电信两大网：电话网和数据网有机结合在一起，最终是实现“统一的网络”，IP电话一定有一个美好的发展前景。
一、IP网络和IP电话
IP电话又叫VoIP（Voice over Internet Protocol）电话，是指应用于IP网络上实现话音信号传输的一项新的数据网络集成技术。随着跨国网络系统的纷纷采用，Internet协议（IP）已成为局域/广域网络系统的企业标准。人们最熟悉的IP网络是Internet，但它不过是数以百万计的该类型网络(公共网络和专用网络)之一。因IP网络可在广为流行的网络操作系统下运行，它已经成为一个价格低廉的理想的数据传送工具。
1995年2月，以色列的VocalTec公司推出其客户端Internet电话软件“Internet Phone”，这是世界上第一个IP电话软件，通过在PC机的桌面上安装VoIP软件和硬件，在Internet上实现实时通信，这种PC到PC或PC到电话的方式叫做PC方式（或桌面方式）。另外一种方式叫作网关方式，这种方式可实现电话到电话之间的网络语音传输，本文中除特别指出外，提到的IP电话指的是这种网关方式。
二、IP电话的实现机理和特点
那么，IP电话是如何工作的，或者说它的机理是什么呢？
传统电话网采用基于连接的电路方式来传输语音信息。话音电路是电话机和电话交换机等通信设备之间通过信令建立起来的，电话交换机必须为每一次呼叫建立一条专用的通路。
但利用IP网络传送话音，这种专用线路式的呼叫模式是不存在的。声音从某一点通过IP网络（如LAN、WAN或Internet）进行传输。IP电话是对模拟语音信号经过模数转换，再对数字编码压缩，然后按一定的打包规则将压缩的数字语音转换成IP数据包，通过数据网进行传输，接收方经过数据解压、数模转换复原成话音，从而达到语音通信的目的。由于数据网是采用分组交换的方式分配、使用网络资源，通话不会独占某一信道，所以分组语音技术可提高网络资源的利用率，降低运营成本，它的基本机理见图1。
据此可看出，IP网络的特点：
* 节省长途通信费用。用IP数据网络完成所有数据及话音的传送，极大地降低跨区域、跨国界的电话通信成本。无论其位于何处，只需支付本地通话的费用和上网的费用。
* 降低设备投资。对于公司，特别是跨国公司在原有只能传送数据的网络上获得增值的话音服务，而无需租用或者购买单独用于传送话音的设备或线路。通过IP网络传送话音，购买和维护设备的成本大大降低。因为所有的内部通信，包括话音通信和数据传输都通过同一网络传送。IP网络能够从所有的终端同时进行扩展，而不需要中央管理和组织。进一步地，一个IP子网甚至可以拥有路由的能力，IP数据包可以根据目的地址进行自动寻址。
* 提高了带宽利用率。传统电话每次成功的呼叫都要占用64Kbps的固定信道，且只要用户不挂机始终占用着。而IP电话的语音信息不占用固定的信道，有信息时才传送。
* 无法保证业务质量。IP语音传输采取IP数据包分组交换的方式，各个数据包分别寻找各自的路由。由于每个网络路由器只负责对下一个路由器的选择，所以从整个网络的角度来看，IP网络不能保证语音IP数据包的传输速率和到达顺序，甚至不保证数据包的完整性。由于数据包可能的丢失，IP网络语音传输的效率是不确定的。由于IP网络的结构千差万别，同时计算最佳路由需要进行大量的运算。
三、IP电话的核心――网关（Gateway）
网关是这样一种设备，它构成传统的电话交换网与计算机网络之间的桥梁。一方面它通过电话线与传统的电话网PSTN相连，另一方面与计算机网络相连，网关接收电话信令，将它数字化、压缩、打包和在计算机网络上对对方进行路由查询；网关的反向操作是从计算机网络上接收打包，发送到电话网上。在这种连接的基础上可以有多种配置方式：PC对电话、电话对PC以及电话对电话。前两者的操作可以用一个网关完成，电话对电话的操作则需要两个网关。
IP网关提供了一种可伸展的、灵活的且可靠的方法来解决电话网与IP网之间的互联。IP网关以8Kbps的带宽将话音转换成数字信号,但是IP网络的开销通常会将带宽占用增加到17.5Kbps。现已有一种静音抑制技术保障了只在通话双方讲话时才占用带宽。在安静的时候,话音的带宽被自动释放出来供其它传输使用，这种技术在典型的情况下可将带宽的占用降低到大7Kbps。
一个优秀的网关还应具备前向纠错功能,以最大限度地减少数字包的损失,同时它还使用高速缓存技术来减少IP网络的延迟。
网关具有灵活的可集成性。IP网关支持任何层次的通信系统,从仅有两台电话的小型办公室到复杂、完备的企业网络。将IP网关与公司的现有电话、PC、操作系统、用户交换机和路由器集成在一起,可使得据数据/话音集成起来而不牺牲话音质量或数据性能的效益。
从网络层来看,每个IP网关均维护一个电话目录数据库,以确定所有目的网关的电话号码及其相应的IP地址。网关将IP电话的优点提供给世界上应用广泛、价格低廉、流动性最大的终端：标准电话机。网关还克服了IP电话一个明显需解决的问题：IP寻址，因为要在Internet上确认一个多媒体计算机的地址，必须知道其IP地址；而使用网关确定一个远程终端的地址，你只需知道它的电话号码。
随着技术的发展，IP网关会发展成为通信公司的基本结构。
四、关于网关的几项关键技术
评价电话系统的优劣主要是两个因素：语音质量和时间延时。这也是IP电话系统要面对的具有挑战性的问题。为此需使用如下技术解决。
1．语音编码器
语音编码器的作用是通过语音信号处理器取得一组语音采样值，以一组数据表示，这组数据被称作帧。对这些帧数据采用某种算法，利用它们的冗余性及人耳对语音感受的固有特性，对这些数字信息进行压缩处理，以期减少对数据存储和传输的长度。设计编码器时要在语音质量、编码的复杂度、比特率等多种互相制约的因素之间寻求平衡。目前，先进的DSP可以轻易完成数／模转换，实现实时语音压缩和解压回放过程，且成本非常低廉；
2．带宽控制
为了使语音通信质量提高和有效利用带宽，在网络中应该进行拥挤控制。在可用带宽有限的情形下，当在网络某点发生过大的网络流量时，可以使用缓冲区对网络流量进行缓冲，这样可以减少数据差错率。但是缓冲区越大，时延越长，所以在平抑流量、平滑语音时，应该适度控制每个话路的缓冲大小。
3．时间延时和丢包重建
时间延时是影响IP电话质量的主要原因。据统计，在实时传送中30％以上的打包可能丢失或延误，时延的影响可包括时延大小、时延抖动大小、时延抖动频率。时延影响严重时，话音断断续续，交流不顺畅。成功的IP电话网关对丢失的包进行重建和恢复。由于网络的多样性，路由的多向性以及不可预见的带宽拥堵等等。有效的解决方案都需要进行复杂的数据处理和压缩来减少传输的数据量，并保持语音质量和延时的影响。
4．回音消除与静音压缩
本地网中的话音延迟很短不会产生明显的回音，但IP电话大部分是长途电话，所以必须有回音消除的功能，否则回音会严重干扰交谈。
另外还可以采用静音压缩技术来把背景声音滤去，这样，话路带宽就可以大大地减少。但是另一方面，由于压缩会引起失真，压缩算法也会有附加时延，这些都会影响话音质量。
五、网络电话的发展前景及对社会影响
IP电话只是分组网络中实现话音技术的一种，分组网中的电话功能也只是分组网实现的多媒体功能之一。随着分组网络的发展，若整个话音技术要在分组网中全面实施，必然涉及如何利用各种现有的设备资源和保持网络兼容等问题，建设成本、网络运营商的地位需重新设定，因此这是一个综合的系统工程。
IP电话技术的发展将为通信业带来美好前景：这将是含有视频、音频和数据信息的可视电话模式的廉价实现；通过网关将现有的电信两大网：电话网和数据网有机结合在一起，最终是实现“统一的网络”，IP电话一定有一个美好的发展前景。