IP语音系统的设计与实现

王刚 张媛媛

（陕西省汉中市邮政局 陕西723000 ）

1 引言

目前省邮政公司数据交换传输中心到各地市局通过主备2 条8M 的光纤线路互连，在8M 线路上只单纯地传输数据信息，不仅浪费了线路带宽，也没有达到充分利用现有信息网资源的目的。因此，在邮政企业已有的网络基础上，进一步优化网络结构、充分发挥现有设备的最大效能，是信息化建设的一项重要工作。陕西邮政以迈普公司的DDN 节点机作为传输设备，并利用电信运营商的DDN 网完成连接和时隙的交叉复用，可以将现有8M 带宽线路拆分成多个用户速率，从而实现语音通信与IP 网络的融合，邮政信息网资源得到了科学合理的利用。

2 系统设计原则和目标

IP 语音通信需要的支持服务，必须超越目前邮政企业语音通信赖以实现的传统方式。IP 语音通信可以通过现有邮政专网实现语音通信，它将企业的管理部门、分支机构整合到邮政信息网络中，不但使语音和数据并入一个可以集中维护的网络，还避免了省公司到各市局、市局到各县局之间长途通话和市区通话的费用支出，从而降低了企业成本。

2.1 设计原则

（1）可靠性：利用诊断工具远程监控及维护服务加强系统的可靠性；

（2）安全性：行业领先的端到端媒体加密可保护所有IP 呼叫的安全；

（3）扩展性：将系统功能扩展至分支机构，提高员工的工作效率；

（4）投资保护：可以重新利用90%的当前基础设施；

（5）成本节约：节省长途电话费用；

（6）灵活性：分支机构采用纯IP，管理部门混用IP 和模拟电话。

2.2 设计目标

（1）完善性：能够使IP 电话部署到整个邮政网络的任何地方；

（2）可达性：能够使每部电话达到任何一部其它的电话上，呼叫接通时间<5 秒；

（3）可扩充性：能够方便的增加IP 电话、内部模拟话机或外部PSTN 接口；

（4）不变性：不改变现有网络结构、用户原有电话号码和用户的拨号习惯。

2.3 IP语音电话系统的原理与结构

（1）IP 电话（voice over IP）的定义：在整个语音通信进程中，部分或全程采用分组交换技术，通过IP 网络来进行的语音传输都称之为IP 电话。可见，IP 电话的本质特征在于语音分组交换技术。分组交换技术是Internet 网络采用的体系结构，其核心是将要传输的数据报文分成长度较短且具有标准格式的分组，并采用存储转发传输机制，有效降低数据传输过程中的网络时延，满足数据传输和交换的要求。

（2）IP 电话是建立在IP 技术上的分组化、数字化传输技术，其基本原理是：把普通电话的模拟信号转变为数字语音信号，通过语音压缩算法对语音数据进行压缩编码处理，然后把这些语音数据按IP 等相关协议进行打包，通过IP 网络把数据包传输到目的接收端，再把这些语音数据包重新装配，经过解码解压处理后，恢复成原来的模拟语音信号，从而达到用IP网络进行语音通信的目的。经过IP 电话系统的转换及压缩处理，每路普通电话传输速率约占用8－11Kbps 带宽，传统电信网1 路电话所使用的64K bps 传输带宽可承载5 到8 路的IP电话。

（3）IP 电话是IP 网络上的语音应用业务，一个完整的IP语音电话系统是由多个网络组件构成，主要包括：终端设备（Term inal）、网关（Gateway）、网守（Gatekeeper）、网管服务器和计费服务器。

3 系统功能设计

3.1 需求分析

按照系统开发模型生命周期的原理，需求分析是系统功能设计重要的基础工作。开发模型(Development Model)是指系统开发全部过程、活动和任务的结构框架[1]。主要包括需求、设计、编码和测试等阶段，有时也包括维护阶段。系统开发模型能清晰、直观地表达开发过程，明确规定了要完成的主要活动和任务，是项目开发工作的基础。

（1）快速原型模型（Rapid Prototype Model）

快速原型模型的第一步是建造一个快速原型，实现客户或未来的用户与系统的交互，用户或客户对原型进行评价，进一步细化待开发系统的需求。通过逐步调整原型使其满足客户的要求，开发人员可以确定用户的真正需求是什么；第二步则在第一步的基础上开发客户满意的软件产品。快速原型方法克服了瀑布模型的缺点，减少由于系统需求不明确带来的开发风险，具有显著的效果。快速原型的关键在于尽可能快速地建造出软件原型，一旦确定了客户的真正需求，所建造的原型将被丢弃，直至用户满意认可之后，再进行完整实现及测试、维护。快速原型模型又称原型模型，它是增量模型的另一种形式[2]。如图1 所示。

图1 快速原型模型

（2）V 型生命周期模型：V 模型是软件开发过程中的一个重要模型，也称为快速应用开发模型，即RAD(rap application development)。其模型结构图形似字母V，所以称V 模型。它通过开发和测试同时进行的方式来缩短开发周期，提高开发效率。V 模型大体可以划分为需求分析、概要设计、详细设计、编码、单元测试、集成测试、系统测试、验收测试等阶段。V 模型的缺陷在于前期的隐患直到后期的验收测试才会被发现。如图2 所示。

图2 V 型生命周期模型

（3）混合模型（hybrid model）：它把几种不同模型组合成一种混合模型，也称为元模型（meta- model），允许一个项目能沿着最有效的路径发展。一般情况下开发项目均利用几种不同的开发方法组成适合特定系统的混合模型，以减小所选模型的缺点，充分利用其优点。

基于邮政信息网的IP 语音系统的开发应该采用混合模型，综合快速原型模型、V 模式的优点[3]。在开发过程中，需求的变化是不可避免的，快速原型模型的灵活性可以使其适应需求变化的能力大大优于其它模型；V 模式要求在测试工作开始前就拟定测试计划，测试计划可以在需求模型一完成就开始，并可以与需求分析同步进行，缩短开发周期，尽快找出程序错误，提高程序质量，降低开发成本。这种混合模型是IP语音系统设计与实现的较好模式。

3.2 系统功能

目前邮政企业的数据网和通信网是两套不同的系统，企业内部之间数据业务通过IP 专网进行传输、话音业务通过公共PSTN 实现互通，两套系统之间无关联性，由此造成了网络的隔离和应用的割裂，同时专线费用、通话费用、管理维护等相增加了企业成本。IP 语音通信系统应具有的功能：

（1）实现内部免费通话，同时提供丰富的IP 融合业务；

（2）实现语音、视频、数据多种媒体的融合；

（3）IP 语音系统具备较好的灵活性，移动方便；

（4）简化管理、降低维护成本；

（5）与邮政业务系统融合，提高企业的运作效率。

3.3 质量管理

信息系统项目的质量管理可分为三个阶段，如图3 所示：

图3 项目质量目标及活动

4 关键技术

4.1 IP语音通信系统移植

（1）传统TDM（Time Division Multiplexing）电话系统的IP化改造：通过PBX 的E1 接口与VG 语音网关E1 接口进行对接，实现语音数据传输承载机制的融合，将语音流通过IP 网络进行传输，实现语音、数据的同步传输[4]，从而实现企业内部零成本通话。

（2）部署IP 话机和IP PBX：由于第一步企业通信系统改造采用TDM 的IP 化方式，IP 语音系统的扩展性受到了相应的限制，IP 语音的业务功能单一、不够灵活、封闭。为了使企业享受真正的IP 语音业务功能，需进行第二步改造。省公司和各市局部署若干IP 智能话机和IP PBX 呼叫处理服务器，实现企业内部全网的号码漫游、呼叫转移、呼叫代答、三方通话、热线电话、电话广播等丰富的IP 语音特色业务，满足用户对IP 语音通信系统的需求。在呼叫接续方面用户内部通话通过短号互拨，拨打PSTN 时通过VG 语音网关出局。

（3）部署IP 融合通信业务组件：IP 语音通信系统除了可实现IP 全网的免费通话以及呼叫转移、号码漫游、广播电话、热线电话等丰富的语音业务之外，还可在现有的IP 语意通信平台上部署IP 语音融合组件扩展IP 语音系统的融合业务；通过部署XE7300 统一消息服务器实现语音留言（Voice Mail）、传真邮件（Fax M ail）、自动话务员（IVR）以及统一消息服务，用户可通过收件箱对语音留言、IP 传真和文本邮件进行统一管理；同时通过部署XE7500 实现强大的多方并发语音、视频、数据会议接入能力，满足企业多方的多媒体会议的需求。

（4）IP 语音通信系统与业务系统融合：随着IP 语音系统在全网的成熟应用以及系统的开放型，为利用IP 语音通信系统实现企业业务流程的整合创造了条件，通过增值软件商开发的软件中间件实现IP 语音通信系统与企业现有的IVR、OA、安防等系统进行业务流程整合，用户通过IP 智能终端即可实现与业务系统的访问，从而提高企业的工作效率和客户价值，增强企业的核心竞争力，最终实现IP 语音通信平台与企业运行平台相结合并为企业未来的在市场竞争中的战略及决策服务。

4.2 抖动处理

在语音传输过程中，为提高传输效率，一般采用无连接数据报文的传送方式，这就使得分组丢失无法避免，同时也无法确保分组有序传输。因此，延时抖动是分组交换的必然结果，有效的解决措施是RTP 协议提出的基于接收缓存的处理策略，即在接收方设置播出缓存[5]。其原理是：缓存为每一短暂的时间预先存储一部分语音数据包，这样就可保证数据包能以恒定的速率播出。如图4 所示。

图4 基于接收缓存的处理策略

4.3 网守

随着IP 语音技术的不断发展，网守（Gatekeeper）作为其核心技术显得愈加重要，网守是H.232 网络中最主要的组成部分[6]。

4.3.1 基本概念

作为网络中虚拟交换中心的网守，负责管理整个区域的呼叫通话。当某个网络终端设备试图与另一个终端进行通话时，它就发送一个请求，网守对这一请求进行应答。应答包括被呼叫终端的IP 地址等参数，以建立起可靠的连接。

4.3.2 主要功能

（1）地址转换：把各个用户或节点的登记名称转换成计算方法能够识别的IP 地址，实现此功能需要形成一张用户名和IP 地址一一对应的转换表，并且可以由网管对该表进行及时修改；

（2）控制接入：网守通过接入请求认证的方式来控制接入，可以按照规定或需要来接受或拒绝终端设备的访问；

（3）带宽控制：网守可以根据网络状况为每个通话分配接入带宽。如果用户占用的带宽已经达到使用上限，网守就会拒绝新的呼叫接入；

（4）整体控制：每个网守负责管辖一定数量的用户或者区域，在其负责的用户群里，网守均可为用户提供相应的服务；

（5）用户控制：如果网络中用户占用的资源已经达到上限，网守将根据用户级别给予某些重要用户一定的优先权；

（6）信令控制：在用户与用户之间的通信中，网守是通过信令的控制给用户提供服务；

（7）呼叫管理：网守通过用户的呼叫列表的状态来确定终端设备的工作状态，如果某一用户正在与其他用户通信，网守就不会再为这个用户建立新的连接，同时给试图接入用户发出忙碌信号。

5 系统实现

陕西邮政已经建立起完善的高带宽IP 网络，完全具有语音通信与IP 网络融合的基础。系统实现采用迈普IP 语音解决方案，充分利用高带宽网络，将电话语音通过邮政系统自己的专网传输，避开电信PSTN 网，从而实现行业内部通话零花费。同时，提供多项免费增值服务，如呼叫中心、语音留言、电话会议、呼叫转移等。当需要与行业外通话时，则电话语音信号通过邮政系统专网传输，到达通话对象所在地邮政局的IP语音网关设备，再进入电信PSTN 网。这样实现了与行业外用户通话时只需要支付市话费，节省了长途话费和城乡区间通话费。

5.1 IP语音网络的整体架构

传统的"路由器＋语音模块"的组网方式具有明显的缺点：(1)占用路由器相关资源，加重路由器负担，数据业务和语音业务可能会交叉影响；(2) 占用路由器插槽，不利于升级更新；(3)管理维护复杂。因此，本方案在设计时使用外置网关，即采用"网关＋电话"的方式进行IP 语音组网。

1、陕西邮政已有内部的PBX（Private Branch Exchange），所以为保护投资，在省公司放置VG2000 语音网关，采用RE1实现IP 网与PBX 电话互通，它可同时支持30 路语音中继[7]。

2、在各市邮政局放置VG800 语音网关，VG800 自身具有PBX，可接入4- 16 部语音。在县邮政局放置VG600 小网关，可实现1- 4 路电话接入。

3、语音流在IP 网中传输的路由控制和带宽管理由网守负责。在接收到各地的IP 信号后，迈普语音网守进行解析，然后送到正确的目的地。为实现地址解析、负载均衡、呼接控制等功能，需要在省公司放置一台VGK2X 语音网守。

4、在省中心放置迈普呼叫管理服务器VCM 2000（纯软件），实现对全网IP 语音设备的管理，全中文图形化网管使得用户管理方便、效率更高。

5、根据需要可以配置IP 电话与普通程控电话网相通，并且可以支持IP/PSTN 自动切换，即IP 电话网络发生故障时自动切换至PSTN，恢复后又自动切回IP 网络。如图5 所示。

图5 IP 语音网络架构

5.2 IP语音带宽占用分析

由于系统采用全集中式的设计实现，各节点负责本地的语音接入，节点配备语音网关接入，接入的电话都通过两个2M 的数据网络接续到上级节点，每路Vo IP 语音采用G.729AB 压缩协议占用8K 带宽，再加上IP 报文头总共每路占用12K 带宽，接入按最多30 路电话来算，并发只有12Kx2x30=720K 的带宽，还剩2×2M- 720K=3376K，可充分满足邮政各项业务对带宽的需求。

6 结束语

按照系统开发混合模型的原则，对IP 语音系统的设计原则、功能、关键技术进行分析研究，提出了系统实现的整体网络架构。为充分利用网络资源，下一步将在省邮政公司和各市邮政局分别放置一台迈普MP9400 交叉复用设备，各市局连接至省公司的E1 链路，可以通过MP9400 将其映射到2个V35 接口上，其中一个V35 连接到处理业务数据的Cisco7507上，另一个V35 连接到处理视频的Cisco3640 上。对于各市局，在MP9400 上配置一张E1 的网管卡、一张4 串口卡，将业务数据和视频分别拆分到两个V35 接口上。系统扩容工作的完成，将最终实现IP 语音、视频、业务数据信息的同步传输，提高网络利用率，降低企业成本。

[1]刘欣怡，周跃东，田秀丽．软件工程[M]．北京：清华大学出版社，2007:10- 31.

[2]肖丁,吴建林,周春燕.软件工程模型与方法[M].北京:北京邮电大学出版社,2008:110- 133.

[3]罗积玉,李超．软件工程的推进方法[M].成都:电子科技大学出版社,2004:12- 29.

[4]余斌.企业IP 语音通信系统的设计和实现[D]．复旦大学，2012(12):10- 20.

[5]陈明义,钱敏．提高IP 电话QoS 的综合去抖动同步策略研究[J]．计算机工程与设计，2006，27(23):91- 92.

[6]朱建民.IP 语音技术中的网守研究[J]．科教导刊，2011(33):108- 109.

[7]宋铁成,张华.一种基于IP 技术的PBX 系统[J]．东南大学学报，2000，30(6):18- 20.