IP語音系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王剛 張媛媛

（陜西省漢中市郵政局 陜西723000 ）

1 引言

目前省郵政公司數(shù)據(jù)交換傳輸中心到各地市局通過主備2 條8M 的光纖線路互連，在8M 線路上只單純地傳輸數(shù)據(jù)信息，不僅浪費(fèi)了線路帶寬，也沒有達(dá)到充分利用現(xiàn)有信息網(wǎng)資源的目的。因此，在郵政企業(yè)已有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、充分發(fā)揮現(xiàn)有設(shè)備的最大效能，是信息化建設(shè)的一項(xiàng)重要工作。陜西郵政以邁普公司的DDN 節(jié)點(diǎn)機(jī)作為傳輸設(shè)備，并利用電信運(yùn)營商的DDN 網(wǎng)完成連接和時(shí)隙的交叉復(fù)用，可以將現(xiàn)有8M 帶寬線路拆分成多個(gè)用戶速率，從而實(shí)現(xiàn)語音通信與IP 網(wǎng)絡(luò)的融合，郵政信息網(wǎng)資源得到了科學(xué)合理的利用。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則和目標(biāo)

IP 語音通信需要的支持服務(wù)，必須超越目前郵政企業(yè)語音通信賴以實(shí)現(xiàn)的傳統(tǒng)方式。IP 語音通信可以通過現(xiàn)有郵政專網(wǎng)實(shí)現(xiàn)語音通信，它將企業(yè)的管理部門、分支機(jī)構(gòu)整合到郵政信息網(wǎng)絡(luò)中，不但使語音和數(shù)據(jù)并入一個(gè)可以集中維護(hù)的網(wǎng)絡(luò)，還避免了省公司到各市局、市局到各縣局之間長途通話和市區(qū)通話的費(fèi)用支出，從而降低了企業(yè)成本。

2.1 設(shè)計(jì)原則

（1）可靠性：利用診斷工具遠(yuǎn)程監(jiān)控及維護(hù)服務(wù)加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性；

（2）安全性：行業(yè)領(lǐng)先的端到端媒體加密可保護(hù)所有IP 呼叫的安全；

（3）擴(kuò)展性：將系統(tǒng)功能擴(kuò)展至分支機(jī)構(gòu)，提高員工的工作效率；

（4）投資保護(hù)：可以重新利用90%的當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施；

（5）成本節(jié)約：節(jié)省長途電話費(fèi)用；

（6）靈活性：分支機(jī)構(gòu)采用純IP，管理部門混用IP 和模擬電話。

2.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

（1）完善性：能夠使IP 電話部署到整個(gè)郵政網(wǎng)絡(luò)的任何地方；

（2）可達(dá)性：能夠使每部電話達(dá)到任何一部其它的電話上，呼叫接通時(shí)間<5 秒；

（3）可擴(kuò)充性：能夠方便的增加IP 電話、內(nèi)部模擬話機(jī)或外部PSTN 接口；

（4）不變性：不改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、用戶原有電話號碼和用戶的撥號習(xí)慣。

2.3 IP語音電話系統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu)

（1）IP 電話（voice over IP）的定義：在整個(gè)語音通信進(jìn)程中，部分或全程采用分組交換技術(shù)，通過IP 網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行的語音傳輸都稱之為IP 電話。可見，IP 電話的本質(zhì)特征在于語音分組交換技術(shù)。分組交換技術(shù)是Internet 網(wǎng)絡(luò)采用的體系結(jié)構(gòu)，其核心是將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)報(bào)文分成長度較短且具有標(biāo)準(zhǔn)格式的分組，并采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)傳輸機(jī)制，有效降低數(shù)據(jù)傳輸過程中的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，滿足數(shù)據(jù)傳輸和交換的要求。

（2）IP 電話是建立在IP 技術(shù)上的分組化、數(shù)字化傳輸技術(shù)，其基本原理是：把普通電話的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字語音信號，通過語音壓縮算法對語音數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼處理，然后把這些語音數(shù)據(jù)按IP 等相關(guān)協(xié)議進(jìn)行打包，通過IP 網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)包傳輸?shù)侥康慕邮斩?，再把這些語音數(shù)據(jù)包重新裝配，經(jīng)過解碼解壓處理后，恢復(fù)成原來的模擬語音信號，從而達(dá)到用IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行語音通信的目的。經(jīng)過IP 電話系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換及壓縮處理，每路普通電話傳輸速率約占用8－11Kbps 帶寬，傳統(tǒng)電信網(wǎng)1 路電話所使用的64K bps 傳輸帶寬可承載5 到8 路的IP電話。

（3）IP 電話是IP 網(wǎng)絡(luò)上的語音應(yīng)用業(yè)務(wù)，一個(gè)完整的IP語音電話系統(tǒng)是由多個(gè)網(wǎng)絡(luò)組件構(gòu)成，主要包括：終端設(shè)備（Term inal）、網(wǎng)關(guān)（Gateway）、網(wǎng)守（Gatekeeper）、網(wǎng)管服務(wù)器和計(jì)費(fèi)服務(wù)器。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.1 需求分析

按照系統(tǒng)開發(fā)模型生命周期的原理，需求分析是系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)重要的基礎(chǔ)工作。開發(fā)模型(Development Model)是指系統(tǒng)開發(fā)全部過程、活動和任務(wù)的結(jié)構(gòu)框架[1]。主要包括需求、設(shè)計(jì)、編碼和測試等階段，有時(shí)也包括維護(hù)階段。系統(tǒng)開發(fā)模型能清晰、直觀地表達(dá)開發(fā)過程，明確規(guī)定了要完成的主要活動和任務(wù)，是項(xiàng)目開發(fā)工作的基礎(chǔ)。

（1）快速原型模型（Rapid Prototype Model）

快速原型模型的第一步是建造一個(gè)快速原型，實(shí)現(xiàn)客戶或未來的用戶與系統(tǒng)的交互，用戶或客戶對原型進(jìn)行評價(jià)，進(jìn)一步細(xì)化待開發(fā)系統(tǒng)的需求。通過逐步調(diào)整原型使其滿足客戶的要求，開發(fā)人員可以確定用戶的真正需求是什么；第二步則在第一步的基礎(chǔ)上開發(fā)客戶滿意的軟件產(chǎn)品?？焖僭头椒朔似俨寄Ｐ偷娜秉c(diǎn)，減少由于系統(tǒng)需求不明確帶來的開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，具有顯著的效果?？焖僭偷年P(guān)鍵在于盡可能快速地建造出軟件原型，一旦確定了客戶的真正需求，所建造的原型將被丟棄，直至用戶滿意認(rèn)可之后，再進(jìn)行完整實(shí)現(xiàn)及測試、維護(hù)?？焖僭湍Ｐ陀址Q原型模型，它是增量模型的另一種形式[2]。如圖1 所示。

圖1 快速原型模型

（2）V 型生命周期模型：V 模型是軟件開發(fā)過程中的一個(gè)重要模型，也稱為快速應(yīng)用開發(fā)模型，即RAD(rap application development)。其模型結(jié)構(gòu)圖形似字母V，所以稱V 模型。它通過開發(fā)和測試同時(shí)進(jìn)行的方式來縮短開發(fā)周期，提高開發(fā)效率。V 模型大體可以劃分為需求分析、概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、編碼、單元測試、集成測試、系統(tǒng)測試、驗(yàn)收測試等階段。V 模型的缺陷在于前期的隱患直到后期的驗(yàn)收測試才會被發(fā)現(xiàn)。如圖2 所示。

圖2 V 型生命周期模型

（3）混合模型（hybrid model）：它把幾種不同模型組合成一種混合模型，也稱為元模型（meta- model），允許一個(gè)項(xiàng)目能沿著最有效的路徑發(fā)展。一般情況下開發(fā)項(xiàng)目均利用幾種不同的開發(fā)方法組成適合特定系統(tǒng)的混合模型，以減小所選模型的缺點(diǎn)，充分利用其優(yōu)點(diǎn)。

基于郵政信息網(wǎng)的IP 語音系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)該采用混合模型，綜合快速原型模型、V 模式的優(yōu)點(diǎn)[3]。在開發(fā)過程中，需求的變化是不可避免的，快速原型模型的靈活性可以使其適應(yīng)需求變化的能力大大優(yōu)于其它模型；V 模式要求在測試工作開始前就擬定測試計(jì)劃，測試計(jì)劃可以在需求模型一完成就開始，并可以與需求分析同步進(jìn)行，縮短開發(fā)周期，盡快找出程序錯(cuò)誤，提高程序質(zhì)量，降低開發(fā)成本。這種混合模型是IP語音系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的較好模式。

3.2 系統(tǒng)功能

目前郵政企業(yè)的數(shù)據(jù)網(wǎng)和通信網(wǎng)是兩套不同的系統(tǒng)，企業(yè)內(nèi)部之間數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通過IP 專網(wǎng)進(jìn)行傳輸、話音業(yè)務(wù)通過公共PSTN 實(shí)現(xiàn)互通，兩套系統(tǒng)之間無關(guān)聯(lián)性，由此造成了網(wǎng)絡(luò)的隔離和應(yīng)用的割裂，同時(shí)專線費(fèi)用、通話費(fèi)用、管理維護(hù)等相增加了企業(yè)成本。IP 語音通信系統(tǒng)應(yīng)具有的功能：

（1）實(shí)現(xiàn)內(nèi)部免費(fèi)通話，同時(shí)提供豐富的IP 融合業(yè)務(wù)；

（2）實(shí)現(xiàn)語音、視頻、數(shù)據(jù)多種媒體的融合；

（3）IP 語音系統(tǒng)具備較好的靈活性，移動方便；

（4）簡化管理、降低維護(hù)成本；

（5）與郵政業(yè)務(wù)系統(tǒng)融合，提高企業(yè)的運(yùn)作效率。

3.3 質(zhì)量管理

信息系統(tǒng)項(xiàng)目的質(zhì)量管理可分為三個(gè)階段，如圖3 所示：

圖3 項(xiàng)目質(zhì)量目標(biāo)及活動

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 IP語音通信系統(tǒng)移植

（1）傳統(tǒng)TDM（Time Division Multiplexing）電話系統(tǒng)的IP化改造：通過PBX 的E1 接口與VG 語音網(wǎng)關(guān)E1 接口進(jìn)行對接，實(shí)現(xiàn)語音數(shù)據(jù)傳輸承載機(jī)制的融合，將語音流通過IP 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)的同步傳輸[4]，從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部零成本通話。

（2）部署IP 話機(jī)和IP PBX：由于第一步企業(yè)通信系統(tǒng)改造采用TDM 的IP 化方式，IP 語音系統(tǒng)的擴(kuò)展性受到了相應(yīng)的限制，IP 語音的業(yè)務(wù)功能單一、不夠靈活、封閉。為了使企業(yè)享受真正的IP 語音業(yè)務(wù)功能，需進(jìn)行第二步改造。省公司和各市局部署若干IP 智能話機(jī)和IP PBX 呼叫處理服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部全網(wǎng)的號碼漫游、呼叫轉(zhuǎn)移、呼叫代答、三方通話、熱線電話、電話廣播等豐富的IP 語音特色業(yè)務(wù)，滿足用戶對IP 語音通信系統(tǒng)的需求。在呼叫接續(xù)方面用戶內(nèi)部通話通過短號互撥，撥打PSTN 時(shí)通過VG 語音網(wǎng)關(guān)出局。

（3）部署IP 融合通信業(yè)務(wù)組件：IP 語音通信系統(tǒng)除了可實(shí)現(xiàn)IP 全網(wǎng)的免費(fèi)通話以及呼叫轉(zhuǎn)移、號碼漫游、廣播電話、熱線電話等豐富的語音業(yè)務(wù)之外，還可在現(xiàn)有的IP 語意通信平臺上部署IP 語音融合組件擴(kuò)展IP 語音系統(tǒng)的融合業(yè)務(wù)；通過部署XE7300 統(tǒng)一消息服務(wù)器實(shí)現(xiàn)語音留言（Voice Mail）、傳真郵件（Fax M ail）、自動話務(wù)員（IVR）以及統(tǒng)一消息服務(wù)，用戶可通過收件箱對語音留言、IP 傳真和文本郵件進(jìn)行統(tǒng)一管理；同時(shí)通過部署XE7500 實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的多方并發(fā)語音、視頻、數(shù)據(jù)會議接入能力，滿足企業(yè)多方的多媒體會議的需求。

（4）IP 語音通信系統(tǒng)與業(yè)務(wù)系統(tǒng)融合：隨著IP 語音系統(tǒng)在全網(wǎng)的成熟應(yīng)用以及系統(tǒng)的開放型，為利用IP 語音通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)企業(yè)業(yè)務(wù)流程的整合創(chuàng)造了條件，通過增值軟件商開發(fā)的軟件中間件實(shí)現(xiàn)IP 語音通信系統(tǒng)與企業(yè)現(xiàn)有的IVR、OA、安防等系統(tǒng)進(jìn)行業(yè)務(wù)流程整合，用戶通過IP 智能終端即可實(shí)現(xiàn)與業(yè)務(wù)系統(tǒng)的訪問，從而提高企業(yè)的工作效率和客戶價(jià)值，增強(qiáng)企業(yè)的核心競爭力，最終實(shí)現(xiàn)IP 語音通信平臺與企業(yè)運(yùn)行平臺相結(jié)合并為企業(yè)未來的在市場競爭中的戰(zhàn)略及決策服務(wù)。

4.2 抖動處理

在語音傳輸過程中，為提高傳輸效率，一般采用無連接數(shù)據(jù)報(bào)文的傳送方式，這就使得分組丟失無法避免，同時(shí)也無法確保分組有序傳輸。因此，延時(shí)抖動是分組交換的必然結(jié)果，有效的解決措施是RTP 協(xié)議提出的基于接收緩存的處理策略，即在接收方設(shè)置播出緩存[5]。其原理是：緩存為每一短暫的時(shí)間預(yù)先存儲一部分語音數(shù)據(jù)包，這樣就可保證數(shù)據(jù)包能以恒定的速率播出。如圖4 所示。

圖4 基于接收緩存的處理策略

4.3 網(wǎng)守

隨著IP 語音技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)守（Gatekeeper）作為其核心技術(shù)顯得愈加重要，網(wǎng)守是H.232 網(wǎng)絡(luò)中最主要的組成部分[6]。

4.3.1 基本概念

作為網(wǎng)絡(luò)中虛擬交換中心的網(wǎng)守，負(fù)責(zé)管理整個(gè)區(qū)域的呼叫通話。當(dāng)某個(gè)網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備試圖與另一個(gè)終端進(jìn)行通話時(shí)，它就發(fā)送一個(gè)請求，網(wǎng)守對這一請求進(jìn)行應(yīng)答。應(yīng)答包括被呼叫終端的IP 地址等參數(shù)，以建立起可靠的連接。

4.3.2 主要功能

（1）地址轉(zhuǎn)換：把各個(gè)用戶或節(jié)點(diǎn)的登記名稱轉(zhuǎn)換成計(jì)算方法能夠識別的IP 地址，實(shí)現(xiàn)此功能需要形成一張用戶名和IP 地址一一對應(yīng)的轉(zhuǎn)換表，并且可以由網(wǎng)管對該表進(jìn)行及時(shí)修改；

（2）控制接入：網(wǎng)守通過接入請求認(rèn)證的方式來控制接入，可以按照規(guī)定或需要來接受或拒絕終端設(shè)備的訪問；

（3）帶寬控制：網(wǎng)守可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況為每個(gè)通話分配接入帶寬。如果用戶占用的帶寬已經(jīng)達(dá)到使用上限，網(wǎng)守就會拒絕新的呼叫接入；

（4）整體控制：每個(gè)網(wǎng)守負(fù)責(zé)管轄一定數(shù)量的用戶或者區(qū)域，在其負(fù)責(zé)的用戶群里，網(wǎng)守均可為用戶提供相應(yīng)的服務(wù)；

（5）用戶控制：如果網(wǎng)絡(luò)中用戶占用的資源已經(jīng)達(dá)到上限，網(wǎng)守將根據(jù)用戶級別給予某些重要用戶一定的優(yōu)先權(quán)；

（6）信令控制：在用戶與用戶之間的通信中，網(wǎng)守是通過信令的控制給用戶提供服務(wù)；

（7）呼叫管理：網(wǎng)守通過用戶的呼叫列表的狀態(tài)來確定終端設(shè)備的工作狀態(tài)，如果某一用戶正在與其他用戶通信，網(wǎng)守就不會再為這個(gè)用戶建立新的連接，同時(shí)給試圖接入用戶發(fā)出忙碌信號。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

陜西郵政已經(jīng)建立起完善的高帶寬IP 網(wǎng)絡(luò)，完全具有語音通信與IP 網(wǎng)絡(luò)融合的基礎(chǔ)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)采用邁普IP 語音解決方案，充分利用高帶寬網(wǎng)絡(luò)，將電話語音通過郵政系統(tǒng)自己的專網(wǎng)傳輸，避開電信PSTN 網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)行業(yè)內(nèi)部通話零花費(fèi)。同時(shí)，提供多項(xiàng)免費(fèi)增值服務(wù)，如呼叫中心、語音留言、電話會議、呼叫轉(zhuǎn)移等。當(dāng)需要與行業(yè)外通話時(shí)，則電話語音信號通過郵政系統(tǒng)專網(wǎng)傳輸，到達(dá)通話對象所在地郵政局的IP語音網(wǎng)關(guān)設(shè)備，再進(jìn)入電信PSTN 網(wǎng)。這樣實(shí)現(xiàn)了與行業(yè)外用戶通話時(shí)只需要支付市話費(fèi)，節(jié)省了長途話費(fèi)和城鄉(xiāng)區(qū)間通話費(fèi)。

5.1 IP語音網(wǎng)絡(luò)的整體架構(gòu)

傳統(tǒng)的"路由器＋語音模塊"的組網(wǎng)方式具有明顯的缺點(diǎn)：(1)占用路由器相關(guān)資源，加重路由器負(fù)擔(dān)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和語音業(yè)務(wù)可能會交叉影響；(2) 占用路由器插槽，不利于升級更新；(3)管理維護(hù)復(fù)雜。因此，本方案在設(shè)計(jì)時(shí)使用外置網(wǎng)關(guān)，即采用"網(wǎng)關(guān)＋電話"的方式進(jìn)行IP 語音組網(wǎng)。

1、陜西郵政已有內(nèi)部的PBX（Private Branch Exchange），所以為保護(hù)投資，在省公司放置VG2000 語音網(wǎng)關(guān)，采用RE1實(shí)現(xiàn)IP 網(wǎng)與PBX 電話互通，它可同時(shí)支持30 路語音中繼[7]。

2、在各市郵政局放置VG800 語音網(wǎng)關(guān)，VG800 自身具有PBX，可接入4- 16 部語音。在縣郵政局放置VG600 小網(wǎng)關(guān)，可實(shí)現(xiàn)1- 4 路電話接入。

3、語音流在IP 網(wǎng)中傳輸?shù)穆酚煽刂坪蛶捁芾碛删W(wǎng)守負(fù)責(zé)。在接收到各地的IP 信號后，邁普語音網(wǎng)守進(jìn)行解析，然后送到正確的目的地。為實(shí)現(xiàn)地址解析、負(fù)載均衡、呼接控制等功能，需要在省公司放置一臺VGK2X 語音網(wǎng)守。

4、在省中心放置邁普呼叫管理服務(wù)器VCM 2000（純軟件），實(shí)現(xiàn)對全網(wǎng)IP 語音設(shè)備的管理，全中文圖形化網(wǎng)管使得用戶管理方便、效率更高。

5、根據(jù)需要可以配置IP 電話與普通程控電話網(wǎng)相通，并且可以支持IP/PSTN 自動切換，即IP 電話網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)自動切換至PSTN，恢復(fù)后又自動切回IP 網(wǎng)絡(luò)。如圖5 所示。

圖5 IP 語音網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5.2 IP語音帶寬占用分析

由于系統(tǒng)采用全集中式的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，各節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)本地的語音接入，節(jié)點(diǎn)配備語音網(wǎng)關(guān)接入，接入的電話都通過兩個(gè)2M 的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接續(xù)到上級節(jié)點(diǎn)，每路Vo IP 語音采用G.729AB 壓縮協(xié)議占用8K 帶寬，再加上IP 報(bào)文頭總共每路占用12K 帶寬，接入按最多30 路電話來算，并發(fā)只有12Kx2x30=720K 的帶寬，還剩2×2M- 720K=3376K，可充分滿足郵政各項(xiàng)業(yè)務(wù)對帶寬的需求。

6 結(jié)束語

按照系統(tǒng)開發(fā)混合模型的原則，對IP 語音系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則、功能、關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析研究，提出了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。為充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，下一步將在省郵政公司和各市郵政局分別放置一臺邁普MP9400 交叉復(fù)用設(shè)備，各市局連接至省公司的E1 鏈路，可以通過MP9400 將其映射到2個(gè)V35 接口上，其中一個(gè)V35 連接到處理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的Cisco7507上，另一個(gè)V35 連接到處理視頻的Cisco3640 上。對于各市局，在MP9400 上配置一張E1 的網(wǎng)管卡、一張4 串口卡，將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和視頻分別拆分到兩個(gè)V35 接口上。系統(tǒng)擴(kuò)容工作的完成，將最終實(shí)現(xiàn)IP 語音、視頻、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息的同步傳輸，提高網(wǎng)絡(luò)利用率，降低企業(yè)成本。

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