PSTN与VoIP

说起VoIP，也许大家对“网络电话”这个词更熟悉一些。其英文原意是Voice Over IP，即承载于IP网上的语音通信。大家熟悉家庭用来上网的ADSL吧，也许有些人还记得前些年用过的吱吱叫的老“猫”。技术日新月异，前面的技术都是用电话线上网，现在，VoIP技术使我们可以在网上打电话，生活就是这样。

所谓温故而知新，在学习任何新东西以前，我们都最好了解一下其历史，以做到心中有数。在了解VoIP之前，我们需要先看一下PSTN，那么，在PSTN之前呢？

PSTN起源

PSTN（Public Switched Telephone Network）的全称是公共交换电话网，就是我们现在打电话所使用的电话网络。

第一次语音传输是苏格兰人亚历山大·贝尔(Alexander Granham Bell)在1876年用振铃电路实现的。在那之前，普遍认为烽火台是最早的远程通信方式。其实峰火台不仅具备通信的完整要素(通信双方，通信线路及中继器)，而且还属于无线通信呢。当时没有电话号码，相互通话的用户之间必须有物理线路连接；并且，在同一时间只能有一个用户可以讲话(半双工)。发话方通过话音的振动激励电炭精麦克风而转换成电信号，电信号传到远端后通过振动对方的扬声器发声，从而传到对方的耳朵里。

由于每对通话的个体之间都需要单独的物理线路，如果整个电话网上有10个人，而你想要与另个9个人通话，你家就需要铺设9对电话线。同时整个电话网上就需要 10×(10-1)/2=45 对电话线。

当电话用户数量增加的时候，为每对通话的家庭之间铺设电话线是不可能的。因此一种称为交换机（Switch）的设备诞生了。它位于整个电话网的中心，用于连接每个用户。用户想打电话时，先拿起电话连接到管理交换机的接线员，由接线员负责接通到对方的线路。这便是最早的电话交换网。

随着技术的进步，电子交换机替代了人工交换机，便出现了现代意义的PSTN。随着通信网络的进一步扩大，便出现了许许多多的交换机。交换机间通过中继线（Trunk）相连。有时一个用户与另一个用户通话需要穿越多台交换机。

后来出现了移动电话（当移动电话小到可以拿在手里的时候就开始叫“手机”），专门用于对移动电话进行交换的通信网络称移动网，而原来的程控交换网则叫固定电话网，简称固网。简单来说，移动网就是在普通固网的基础上增加了许多基站（Base Station，可以简单理解为天线），并增加了归属位置寄存器（HLR，Home Location Register）和拜访位置寄存器（VLR，Visitor Location Register），以记录用户的位置（在哪个天线的覆盖范围内）、支持异地漫游等。移动交换中心称之为MSC（Mobile Switch Center）。

随着下一代网络（NGN）技术的成熟及下一代移动通信时代的到来，大众对多媒体业务的需求越来越强烈。因而运营商又部署了IMS系统（IP Multimedia Subsystem）。 它运行于标准的IP网络上，使用一种基于第三方伙伴计划（3GPP）的SIP标准的VoIP实现方式。IMS的目标不仅是在现网基础上提供新的业务，而且它还要能提供现在以及未来因特网上能够承载的所有的业务。现代最新的无线通信标准是LTE（Long Term Evolution，长期演进），为现代的手机及其它移动设备提供高速的数据通信手段。

模拟与数字信号

现实生活中的一切都是模拟的。模拟量（Analog）是连续的变化的，如温度、声音等。早期的电话网是基于模拟交换的。模拟信号对于人类交流来讲非常理想，但它很容易引入噪声。如果通话双方距离很远的话，由于信号的衰减，需要对信号进行放大。问题是信号中经常混入线路的噪音，放大信号的同时也放大了噪音，导致信噪比（信号量与噪声的比例）下降，严重时会难以分辨。

数字（Digital）信号是不连续的（离散的）。它是按一定的时间间隔（单位时间内抽样的次数称为频率）对模拟信号进行抽样得出的一些离散值。然后通过量化和编码过程将这些离散值变成数字信号。根据抽样定理[^1-1]，当抽样频率是最高模拟信号频率的两倍时，就能够完全还原原来的模拟信号。

[^1-1]: 又称采样定理或奈奎斯特·香农定理，见 http://zh.wikipedia.org/wiki/采样定理 。

PCM

PCM（Pulse Code Modulation）的全称是脉冲编码调制。它是一种通用的将模拟信号转换成以0和1表示的数字信号的方法。

一般来说，人的声音频率范围在 300*Hz* ~ 3400*Hz* 之间， 通过滤波器对超过 4000*Hz* 的频率过滤出去，便得到 4000*Hz* 内的模拟信号。然后根据抽样定理，使用 8000*Hz* 进行抽样，便得到离散的数字信号。

通过使用压缩算法（实际为压扩法，因为有的部分压缩有的是扩张的。目的是给小信号更多的比特位数以提高语音质量），可以将每一个抽样值压缩到8个比特。这样就得到 8×8000=64000*bit* 的信号。通常我们就简称为64*kbit/s*（注意，通常来说，对于二进制数，1*kbit*=1024*bit*，但此处的k=1000）。

PCM通常有两种压缩方式：A律和μ律。其中北美使用μ律，我国和欧洲使用A律。这两种压缩方法很相似，都采用8bit的编码获得12*bit*到13*bit*的语音质量。但在低信噪比的情况下，μ律比A律略好。A律也用于国际通信，因此，凡是涉及到A律和μ律转换的情况，都由使用μ律的国家负责。

我国电话网结构

图中主体部分为一地市级电话网的结构。通常，话机（如c）通过一对电话线连接到距离最近的交换机上，该交换机称为端局交换机（一般以区或县为单位）。端局交换机通过局间中继线连接到汇接局。为了保证安全，汇接局通常会成对出现，平常实行负荷分担，一台汇接局出现故障时与之配对的汇接局承担所有话务。长途电话需要通过长途局与其它长途局相连。但根据话务量要求，汇接局也可以直接与其它长途局开通高速直达中继。为节省用户线，在一些人口比较集中的地方（如学校、小区），端局下会再设模块局或接入网，用户则就近接入到模块局上。

智能网一般用于实现电话卡、预付费或400/800类业务，前几年新布署的NGN（Next Generation Network，下一代网络，一般指软交换）则支持更灵活、更复杂的业务。

但是技术发展很快，响应国家“光进铜退”^1-2的号召，直接光纤到户，就全网都能IP化了。新技术代替旧技术，给用户带来了五彩斑澜的业务，但老旧的技术永远有让人值得怀念的地方，那就是原来的电话线是带电的，家里停电不影响打电话。但光纤是不能馈电的，因而没有了铜线，停电以后用户就不能打电话了（除非加UPS）。

时分复用与局间中继

时分复用

通过将多个信道以时分复用的方式合并到一条电路上，可以减少局间中继线的数量。通过将32个64*k*的信道利用时分复用合并到一条2M（ 64*k* × 32 = 2.048*M* ，通俗来说就直接叫一个2M）电路上，称为一个E1（在北美和日本，是24个64k复用，称为T1，速率是1.544*M*）。在E1中，每一个信道称作一个时隙。其中，除0时隙固定传同步时钟，其它31个时隙最多可以同时支持31路电话（有时候会使用第16时隙传送信令，这时最多支持30路电话）。

局间中继

这些连接交换机(局)的2M电路就称为局间中继。随着话务量的增加，交换机之间的电路越开越多，目前通常的做法是将63个2M合并到一个155M（2×63+P=155，其中P是电路复用的开销）的光路（光纤）上，在SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步数字传输体系）技术中称为STM-1（Synchronous Transfer Module，同步传输模块）。

信令

用户设备（如话机）与端局交换机之间，以及交换机与交换机之间需要进行通信。这些通信所包含的信息包括（但不限于）用户、中继线状态，主、被叫号码，中继路由的选择等。我们把这些消息称为信令（Signaling）。

信令分类

信令主要有以下几种分类方式：

按信令的功能分

• 线路信令：具有监视功能，用来监视主被叫的摘、挂机状态及设备忙闲。
• 路由信令：具有选择功能，指主叫所拨的被叫号码，用来选择路由。
• 管理信令：具有操作功能，用于电话网的管理和维护。

按信令的工作区域分

• 用户线信令：是用户终端与交换机之间的信令。它包括用户状态（摘、挂机）信号及用户拨号（脉冲、 DTMF ）所产生的数字信号，以及交换机向用户终端发送的信号（铃流、信号音）。

• 局间信令：是交换机和交换机之间的信令，在局间中继线上传送，用来控制呼叫接续和拆线。

用户线信令少而简单，中继线信令多而复杂。

按信令的信道分

• 随路信令：信令和话音在同一条话路中传送的信令方式。
• 公共信道信令：是以时分方式在一条高速数据链路上传送一群话路的信令的信令方式。

随路信令信令传送速度慢，信息容量有限（传递与呼叫无关的信令能力有限）。而公共信令传送速度快、容量大、具有改变或增加信令的灵活性，便于开放新业务。

其它分类

其它的分类方式有带内信令与带外信令、模拟信令和数字信令、前向信令和后向信令、线路信令和记发器信令等，我们在这里就不多解释了。有兴趣的读者可以自行搜索相关的关键词进一步学习。

用户线信令

用户线信令是从用户终端（通常是话机）到端局交换机之间传送的信令。对于普通的话机，线路上传送的是模拟信号，信令只能在电话线路上传送，这种信令称为带内信令。话机通过电压变化来传递摘、挂机信号；通过DTMF（Dual Tone Multi Frequency，双音多频。话机上每个数字或字母都可以发送一个低频和一个高频信号相结合的正弦波，交换机经过解码即可知道对应的话机按键）传送要拨叫的电话号码。另外，也可以通过移频键控（FSK, Frequency Shift-keying）技术来支持“主叫号码显示”，俗称“来电显示”（Caller ID或CLIP，Caller Line Identification Presentation，主叫线路识别提示）。

与普通电话不同，ISDN（Integrated Service Digital Network，综合业务数字网）在用户线上传送的是数字信号。它的基本速率接口（BRI，Base Rate Interface）使用144k的2B+D信道---两个64k的B信道及一个16k的D信道。其中B信道一般用来传输话音、数据和图像，D信道用来传输信令或分组信息。

2B+D的ISDN最初为了解决用户线上的语音与数据与同步传输问题，野心勃勃。但事实上，2B+D的ISDN并不像传说中的那么美，而且需要专门的NT1终端设备，在我国并没有发挥出它应有的作用，后来很快被ADSL技术取代了。

局间信令

局间信令主要在局间中继上传送。一般一条信令链路通常只占用一个64k的时隙。一条信令消息通常只有几十或上百个字节，一条64*k*的电路足以容纳成千上万路电话所需要的信令。但随着技术的进步，话务量的上涨以及更多增值业务的出现，完成一次通话需要更多的信令消息，因此出现了2M速率的信令链路，即整个E1链路上全部传送信令。

目前常见的局间信令有ISDN PRI(Primary Rate Interface，基群速率接口）信令和七号信令。PRI是在跟话路同一个E1上传送的，通常使用第16时隙，而0时隙传同步信号，其它30个时隙可传输通话信息，因此又称为30B+D（与上面的2B+D相对）。

与PRI信令不同，七号信令除可以与话路在同一个E1上传送外，还可以在专门的用于传送信令链路的E1中继上传送的，因而它组网更加灵活，支持更大的话务量。我国的电话网络中有专门的七号信令网。

但支持七号信令的每个通信设备都需要有一个全局唯一信令点编码，而信令点编码资源是比较有限的。因而，七号信令主要在运营商的设备上使用，而运行商与用户设备（如PBX）一般使用PRI信令对接。

七号信令

七号信令（SS7，Signaling System No. 7）是目前我国使用的主要的信令方式，用于局间通信。

用户a          A交换机        B交换机         用户b   |             |             |             |   |   摘机                 |------------>|             |             |   |   拨号音                 |<------------|             |             |   |   拨号            IAM                 |------------>|------------>|             |   |   回铃音          ACM           振铃   |<------------|<------------|------------>|   |   通话            ANC           接听   |<------------|<------------|<------------|   |    <========== 通    话 ==========>     |-------------------------------------------------------   |   主叫挂机        CLF           送催挂音      |------------>|------------>|------------>|   |                  RLG   |             |<------------|             | -------------------------------------------------------   |    <========== 通    话 ==========>     |   |   送催挂音        CBK           被叫挂机      |<------------|<------------|<------------|   |                  CLF                    |   |             |------------>|             |   |             |    RLG      |             |   |             |<------------|             | 

我们来看一次简单的固定电话的通话流程。如上图。用户a摘机，与其相连的A交换机根据电压、电流的变化检测到A摘机后，即送拨号音，同时启动收号程序。a开始拨号，待A交换机号码收齐后，即查找路由，发送IAM（Initial Address Message，初始地址消息）给B交换机。B向A发ACM（Adress Complete Message，地址全消息）并通知话机b振铃，A向a送回铃音。这时如果b接听电话，则B向A发送ANC（Answer Charge，应答计费消息），a与b开始通话，同时A对a计费^1-3。

通话完毕，如果主叫挂机，则本端交换机A向对端B发送CLF（前向释放消息），B向A回RLG（Rlease Gard，释放监护消息），并向b送催挂音（嘟嘟嘟 ...）。

如果被叫挂机，则B向A发送CBK（Clear Backword，后向释放消息），A回送CLF，最后B回RLG。

上面在交换机A与B之间传递的为七号信令中的TUP（Telephone User Part，电话用户部分）部分。目前，由于ISUP（ISDN User Part，ISDN用户部分）能与ISDN互联并提供比TUP更多的能力和服务，已基本取代TUP而成为我国七号信令网上主要的信令方式。ISUP信令与TUP互通时的对应关系如下：

   端局A       汇接局TM        端局B   |   ISUP      |    TUP      |   |             |             |   |  IAM(IAI)   |    IAM      |   |------------>|------------>|   |   ACM       |    ACM      |                 |<------------|<------------|   |   ANM       |    ANC      |   |<------------|<------------|   |  <====== 通   话 ======>  |-------------------------------------------------------   |   REL       |    CLF      | <-- 主叫挂机   |------------>|<------------|   |   RLC       |    RLG      |   |<------------|-------------|-------------------------------------------------------   |  <====== 通   话 ======>  |   |   REL            CBK      | <-- 被叫挂机   |<------------|<------------|   |   RLC            CLF      |   |------------>|------------>|   |             |    RLG      |   |             |<------------|

以上为端局A与端局B经过汇接局TM汇接通信中ISUP与TUP信令转换的例子。ISUP信令的初始地址消息有IAM和IAI（IAM With Additional Information，带附加信息的IAM）两种，后者能提供更多的信息（如主叫号码等）。另外ISUP信令的拆线信号不分前向后向，只有REL（Release，翻译）和RLC（Release Complete，释放完成）。

电路交换与分组交换

电路交换

传统的电话都是基于电路交换。由于电路交换在通信之前要在通信双方之间建立一条被双方独占的物理通路（由通信双方之间的交换设备和链路逐段连接而成），因而有以下优缺点。

优点：

• 由于通信线路为通信双方用户专用，数据直达，所以传输数据的时延非常小。
• 通信双方之间的物理通路一旦建立，双方可以随时通信，实时性强。
• 双方通信时按发送顺序传送数据，不存在失序问题。
• 电路交换既适用于传输模拟信号，也适用于传输数字信号。
• 电路交换的交换的交换设备（交换机等）及控制均较简单。

缺点：

• 电路交换的平均连接建立时间对计算机通信来说较长。
• 电路交换连接建立后，物理通路被通信双方独占，即使通信线路空闲，也不能供其他用户使用，因而信道利用率低。
• 电路交换时，数据直达，不同类型、不同规格、不同速率的终端很难相互进行通信，也难以在通信过程中进行差错控制。

分组交换

我们熟悉的IP交换就采用分组交换的方式。它仍采用存储转发传输方式，但将一个长报文先分割为若干个较短的分组，然后把这些分组（携带源、目的地址和编号信息）逐个地发送出去，因此分组交换除了具有报文的优点外，与报文交换相比有以下优缺点：

优点：

• 加速了数据在网络中的传输。因为分组是逐个传输，可以使后一个分组的存储操作与前一个分组的转发操作并行，这种流水线式传输方式减少了报文的传输时间。此外，传输一个分组所需的缓冲区比传输一份报文所需的缓冲区小得多，这样因缓冲区不足而等待发送的机率及等待的时间也必然少得多。
• 简化了存储管理。因为分组的长度固定，相应的缓冲区的大小也固定，在交换结点中存储器的管理通常被简化为对缓冲区的管理，相对比较容易。
• 减少了出错机率和重发数据量。因为分组较短，其出错机率必然减少，每次重发的数据量也就大大减少，这样不仅提高了可靠性，也减少了传输时延。
• 由于分组短小，更适用于采用优先级策略，便于及时传送一些紧急数据，因此对于计算机之间的突发式的数据通信，分组交换显然更为合适些。

缺点：

• 尽管分组交换比报文交换的传输时延少，但仍存在存储转发时延，而且其结点交换机必须具有更强的处理能力。
• 分组交换与报文交换一样，每个分组都要加上源、目的地址和分组编号等信息，使传送的信息量大约增大5%～10%，一定程度上降低了通信效率，增加了处理的时间，使控制复杂，时延增加。
• 当分组交换采用数据报服务时，可能出现失序、丢失或重复分组，分组到达目的结点时，要对分组按编号进行排序等工作，增加了麻烦。若采用虚电路服务，虽无失序问题，但有呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程。

总之，若要传送的数据量很大，且其传送时间远大于呼叫时间，则采用电路交换较为合适；当端到端的通路有很多段的链路组成时，采用分组交换传送数据较为合适。从提高整个网络的信道利用率上看，报文交换和分组交换优于电路交换，其中分组交换比报文交换的时延小，尤其适合于计算机之间的突发式的数据通信。

VoIP

维基百科上是这样说的:

IP电话（简称VoIP，源自英语Voice over Internet Protocol；又名宽带电话或网络电话）是一种透过互联网或其他使用IP技术的网络，来实现新型的电话通讯。过去IP电话主要应用在大型公司的内联网内，技术人员可以复用同一个网络提供数据及语音服务，除了简化管理，更可提高生产力。随着互联网日渐普及，以及跨境通讯数量大幅飙升，IP电话亦被应用在长途电话业务上。由于世界各主要大城市的通信公司竞争日剧，以及各国电信相关法令松绑，IP电话也开始应用于固网通信，其低通话成本、低建设成本、易扩充性及日渐优良化的通话质量等主要特点，被目前国际电信企业看成是传统电信业务的有力竞争者。详细内容参见维基百科上的IP电话^1-4。

目前，VoIP呼叫控制协议主要有SIP、H323，以及MGCP与H.248/MEGACO等。H323是由ITU-T（国际电信联盟）定义的多媒体信息如何在分组交换网络上承载的建议书。它是一个相当复杂的协议，使用起来很不灵活。而SIP则是IETF（互联网工程任务组）开发的（RFC3261），它是一种类似HTTP的基于文本的协议，很容易实现和扩展，被普遍认为是VoIP信令的未来。

转自： http://www.ituring.com.cn/article/33939