下一代网络分组话音接入的实现

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    下一代网络可以提供各种各样的业务，如话音、互联网接入、视频会议、流媒体等，因此下一代网络的业务呈现出多样性。话音业务作为一种基础电信业务，将始终构成运营商业务收入的主要来源。近年来，随着分组交换技术的发展，传统电路交换形式的话音业务比重呈下降趋势，分组话音业务的比重则逐年上升。接入网是现有电信网中网络规模投资最大的部分，因此接入网向下一代网络的平滑演进过程中，必须适应业务综合化和话音分组化的趋势。在接入网中，可以采用不同的方式实现分组话音接入。不同的实现方式对接入技术提出了不同的要求，本文将分析和比较不同的分组话音接入实现方案。

    二、分组话音业务的特征

    分组话音业务是在分组交换网络上实现的话音业务，目前最常用的是VoIP，即IP电话业务。在分组交换网络上进行话音数据流的传送，可以充分利用网络统计复用的特征，提高系统的容量。采用数字信号处理技术进行语音压缩、话音静默检测/消除、回声消除技术等，比固定传送速率、固定电路分配的PSTN网络更具优势。因此，分组话音业务的成本，尤其是在长途业务上，将远低于传统PSTN话音业务的成本。分组话音业务具有以下基本特征：

    (1)采用话音压缩编码技术，如G.711， G.723，G.728，G.729等。不同的话音编码算法占用的带宽不一样，话音质量也不一样，引入的时延也不同。
    (2)话音业务是实时业务，对时序性有严格要求，要求采用能支持实时传输的协议。
    (3)对端到端时延、时延抖动、包丢失率比较敏感。端到端时延包括编解码时延、包封装与解包时延、网络传送时延等。时延抖动则主要由网络引起，在网络中彻底消除分组话音包的时延抖动是不可能的，但应尽量降低网络的时延抖动对话音业务的不利影响。
 
    三、分组话音接入的实现方案

    1.基于DSL接入
    国内的宽带接入技术发展很快，xDSL技术就是其中之一。基于xDSL接入的分组话音的实现方案可以分为VoATMoverDSL和VoIPoverDSL两种。

    (1)VoATMoverDSL解决方案。VoATMeverDSL是在ATMoverDSL技术基础上提供话音业务的一种解决方案。整个网络是由综合接入设备(IAD)、网关和ATM DSLAM构成(见图1)。IAD向用户提供多路POTS或者ISDN接口、以太网接口，上行可以是ADSL或者G.shdsl接口，直接接入DSLAM。话音业务采用AAL2封装，由网关进行PVC终结。数据业务采用AAL5封装，通过ATMPVC连到宽带接入服务器(BAS)。话音业务的信令通过BLES(Broad-band Loop Emulation Service)协议完成，网关通过V5.2或者V5.1接入到PSTN网。IAD的主要作用是在用户端对媒介进行适配和信令适配。所谓媒介适配就是将话音数字化，并且进行压缩；信令适配就是将传统的用户信令采用BLES协议进行传送。网关的主要作用是把分组话音转换成64kbit/s的PCM数字信号接入到PSTN网络；终结BLES协议，将信令转换成传统的PSTN网络的信令。ATM DSLAM的主要作用就是将封装在AAL2的话音业务和AAL5的数据业务分别送到网关和BAS。这里ATMDSLAM的网关都需要支持AAL2信元的识别。

    图1　VoATM over DSL解决方案

    (2)VoIP over DSL解决方案。与VoATMover DSL网络结构一样，VoIPover DSL的网络结构也是由IAD、网关和DSLAM组成(见图2)。VoIPover DSL的IAD与VoATMover DSL的类似，可以提供多路POTS或者ISDN接口、以太网接口，上行可以是ADSL或者G.shdsl接口、VDSL接口，直接接入DSLAM。不同的是，IAD与网关之间传输分组语音数据，IAD需要配置相应的IP地址。网关提供E1接口通过V5.2或者V5.1协议接入到PSTN网。与第一种方案不同的是，DSLAM不需要支持AAL2信元的识别，这里的DSLAM可以是ATMDSLAM或者是IP DSLAM。

    图2　VoIP over DSL解决方案

    丢包率和时延会直接影响话音业务的服务质量。在上述两种基于DSL接入的分组话音的实现方案中，只要DSL接入速率不超过线路上可以承受的最大速率，物理层的误码率一般可以控制在10-7之中。在DSL接入中，物理层的传输时延一般在ms级，因此采用DSL低层承载技术可以保证接入段的话音业务服务质量。

    2.基于Ethernet接入
    基于以太网(Ethernet)的接入技术包括以太网接入技术和无线局域网(WLAN)接入技术，物理层之上的媒质接入控制层(MAC)分别符合802.3MAC或802.11MAC协议。传统的以太网接入技术和WLAN主要提供以因特网接入为主的数据业务，在向NGN演进过程中，利用以太网接入和WLAN技术可以方便地提供分组话音业务。网络解决方案如图3所示。

    图3　基于Ethernet接入的解决方案

    如图3左侧所示，实现分组话音接入，可以保持目前以太网接入的用户端设备(NT)功能不变，而局端设备具备接入媒体网关(AG)的功能，实现话音和数据综合接入。AG提供POTS接口和Ethernet接口，对话音进行分组化处理，通过H.248或SIP协议与软交换进行交互，完成呼叫处理功能。

    如图3所示，通过IAD接入设备，同样可以实现基于Ethernet的分组话音接入。IAD支持H.248，SIP或MGCP协议，支持呼叫处理、语音处理、媒质控制处理等功能。IAD放置在用户家中，同时提供POTS和Ethernet接口，实现语音、数据和宽带多媒体的接入。IAD若为具备楼道交换机功能的设备，则物理上可以仅提供RJ45接口，通过在用户家中安装分线盒，将一个RJ45接口分线为一个RJ45接口和一个RJ11接口，分别提供与PC机和电话机的连接。

    VoWLAN接入同样可以有不同的实现方案，但是真正意义上的VoWLAN实现如图3右侧所示。在WLAN空中接口，采用Voiceover Ipover WLAN的协议栈，终端可以采用具备SIP功能的便携WLAN双模终端(同时支持话音和数据)，或者在PC机上插入WLAN网卡，运行软电话(Soft Phone)软件实现SIP协议，实现话音的接入。

    无论是有线以太网接入还是WLAN，由于在一个局域网内所有用户都是共享网络的，必然存在安全隐患。对于无线接入方式，由于没有线缆的束缚，信号很容易被截取，无线链路级的安全问题更加突出。因此，与ADSL接入方式相比，在利用以太网接入提供分组话音业务时，需要采用定的接入控制策略或数据加密策略来保证用户通信的安全。

    在基于Ethernet接入的实现中，可以通过采用/EEE802.1p实现二层QoS保证。在WLAN上支持分组话音，还必须解决无线链路级的QoS问题。在802.11 WLAN中，采用了载波侦听多路访问/碰撞避免(CSMA/CA)协议，主要规定了利用分布式协调功能(DCF)实现共享媒质接入。当终端(STA)侦听到信道空闲后，要随机回退(Backoff)一段时间后再发送数据，通过这种方式尽量降低碰撞发生的概率。在DCF功能中，并不区分业务，不能保证话音业务的QoS。目前，正在制定的802.11e QoS标准是对MAC层的增强，采用增强的分布信道接入(EDCA)功能，将业务分成8个优先级，对尽力而为业务、话音业务、视频业务等采用了不同的MAC层处理机制．可以充分保证VoWLAN业务的服务质量。802.11e标准将在今年正式发布，Wi-Fi联盟已经将802.11e规定的功能列入互操作性认证计划，这将极大地促进VoWLAN业务的发展。

    3.分组话音接入的协议栈模型
    图4给出了上述几种分组话音接入解决方案的协议栈。

    图4　实现分组话音接入的协议栈模型

    四、不同实现方案的特点

    1.VoDSL解决方案特点

    VoATM over DSL是基于ATM技术提供话音业务，话音业务和数据业务分别通过AAL2和AAL5进行封装。AAL2技术是专为在ATM网络上传输语音而设计的，在分组语音数据的封装处理、多个分组语音数据如何在一条VC上传送等有着严格的定义，它不需要为IAD配置IP地址。因此，VoATM是一种在ATM数据网上提供语音的解决方案，语音业务必须在AAL2信元中传输，只能应用于ATM网络，不能应用于以IP网络为主的数据网。

    由于VoIP本身是基于IP的，因此对承载网没有限制，可以是ATM的，也可以是其他链路的。VoIP over DSL的解决方案中，除了可以承载在ADSL，G.shdsl外，还可以是VDSL等，而且DSLAM也更灵活，除了ATMDSLAM，也可以是IPDSLAM等。因此，VoIPover DSL解决方案非常方便接入下一代网络，有着很强的适应性和发展前景。另外，与VoATMover DSL相比，VoIPover DSL这种解决方案不需要DSLAM和IAD支持AAL2识别，封装和解封装，这对于DSLAM来说是非常重要的，因为目前大多数ATMDSLAM都不支持AAL2，利用这种方案不需要改动已有的DSLAM，可以直接提供话音业务。

    VoATM over DSL的解决方案是基于BLES协议，建立在ATM网络基础上只解决话音业务的方案，不论从网络技术，还是业务发展都不具备进一步发展空间，特别是在国内缺乏网络支撑的情况下。由于VoIP的IAD支持MGCP，H.248或者SIP，天然具备向NGN演进的能力。当网络演进到NGN时，可以修改IAD配置接入到NGN网络，直接与软交换进行通信。

    2.基于Ethernet接入的解决方案特点
    基于Ethernet接入提供分组话音归根到底仍然是VoIP的解决方案，利用IAD支持H.248或SIP协议，可以顺利地实现网络的演进。VoIP over DSL和VoIP over Ethernet都适应了整个网络技术和业务发展的趋势，最终可以过渡到以软交换为核心的NGN网络架构上。

    由于低层承载技术的不同，会对VoIP的应用产生一定影响。对于VoWLAN技术，由于WLAN工作在免许可频段，会受到同频段其他设备的干扰。WLAN无线信道数量有限，同一热点内如果AP过多，会存在系统自干扰的问题，会影响话音的质量。WLAN MAC层本身由于存在头开销、控制帧开销、回退机制以及可能的碰撞，有效负荷基本上为标称速率的50%左右，即802.11a在标称11Mbit/s情况下，有效负荷约为5Mbit/s：802.11a在标称54Mbit/s情况下，有效负荷约为30Mbit/s。对于VoIP，在话音封装过程中引入了RTP/UDP/IP的开销(RTP包头12字节，UDP包头8字节，IP包头20字节)，又降低了有效的带宽利用率。因此，在WLAN上支持话音，还会面临带宽的问题。传统WLAN终端是为Internet接入设计的，新的业务对WLAN终端也提出了新的要求，要求采用双模终端，且体积小、省电、符合用户的使用习惯等。

    五、结束语

    从当前IP电话业务市场的迅猛发展可以看到，利用分组技术传送电话业务越来越成为一项较成功的技术。对于传统的运营商来说，利用DSL提供分组话音，可以充分利用已有的铜线资源，利用一个网络同时提供话音和数据综合接入，同时降低对网络的维护费用。以太网接入技术，尤其是WLAN接入技术发展迅速，无论对于传统运营商还是新兴运营商，如果在个网络上可以提供综合的业务，则能够最大限度地挖掘网络的潜力，快速争取用户，提供自己的竞争力。从本文的技术分析可以看到，目前最具发展潜力的DSL接入技术和以太网接人技术都可以通过设备的改造升级逐步演进到下一代网络，提供分组话音业务。

    来源：E-WORKS