专利名称：SCN网和IP网相结合的VoIP远程通信方法
技术领域：
本发明涉及一种VoIP远程通信方法。
背景技术：
VoIP技术是NGN(Next Generation Network)中，代替电信网话音服务，解决网上话音通信的重要技术。目前在LAN范围的VoIP通信可以很好地工作，不需通话费，QoS也很好。
然而，跨越远距离两个LAN范围的VoIP通信并没有实用的、可以广泛推广的办法。两个LAN间远距离的VoIP通信如图1所示，由路由器R和它们之间的远程连接组成。远程连接可以由公共的Internet、专用的WAN等来实现。但是由公共的Internet连接很难保证QoS，由专用的WAN连接费用高昂，一般用户不可能选择。
发明内容
本发明解决的问题是在VoIP通信系统中，两个LAN之间需要多条话音通路的情况下，发挥IP网通话费用低廉和SCN(Switched Circuit Network)有QoS保证的优势，二者相结合同时使用，实现远程IP话音通信，既满足QoS合理要求，又能够使通话费用低。
如图2所示，本发明提供一种媒体路由方法，应用此方法的路由器在本发明中称为媒体路由器(Media Router，简称MR)。比较图2(a)和(b)，路由器功能特殊化的结果是用MR代替了普通路由器R，而且两个路由器之间除了IP通路之外，增加了SCN通路。两个驻地A方和B方之间必须各有一个MR来连接两个远程的LAN。
一个MR有3种接口连接本地网络的以太网接口、SCN接口和远程IP网接口，其中后两种接口可为多个。SCN接口又包括PSTN模拟接口和ISDN数字接口两种，远程IP网接口可以是ADSL接口、以太网接口等。
MR的功能框图如图3所示，其主要功能包括现有公知技术所能得到的标准的SCN驱动、IP内网驱动、IP外网驱动(分别简记为SCN-Drv、I-Drv、E-Drv)，还包括本发明设计的特殊功能模块SCN通路管理、IP通路管理、QoS测量和路由控制，各模块功能如下
SCN通路管理模块维护SCN通路的一个信道占用状态表，状态表记为SCN-Table。
IP通路管理模块维护IP通路的一个信道占用状态表，状态表记为IP-Table。
QoS测量模块在IP网建立一个用于测量的RTP(Real-time Transport Protocol)连接，来估计IP网的QoS。这个RTP连接记为E-Link，QoS估计结果记为vQoS。
路由控制模块1、在每一时间节拍，根据vQoS，在SCN通路和IP网通路之间来回转移连接，完成该功能的算法记为C-Alg。转移连接的过程对用户是透明的，用户感觉不到转移连接动作。
2、根据用户需求新建连接和撤消连接。
MR利用SCN网和IP网两种途径，实现远程话音通信。在IP网能满足QoS要求时使用IP网进行通信，不能满足QoS要求时就临时借用SCN网，当IP网的通信质量改善，能够满足QoS要求时再使用IP网进行通信。
以下说明这4项功能的实现方法和MR工作的原理，首先说明基本概念。
1、物理连接是指MR建立的远程通路，它独占一定线路资源，有一定费用代价(物理连接是最小的计费单元)，比如ISDN的一个B信道，一条ADSL接入线路，一条PSTN模拟线路，一条以太网线路等都是一个物理连接。
2、连接特指两个驻地的两个MR之间的逻辑信道，就是一个语音话路连接。对于IP网就是一个RTP连接，对于ISDN网就是B信道承载的8个G.729语音流之一。一个物理连接上可以承载一个或多个连接。
除非特别说明，一个连接或物理连接是包括两个方向的双向连接。
3、服务质量QoS由一组参数表示，表征信道目前的通信质量，或用户的通信质量要求。对于信道质量的表述，按照IETF的RFC 2205和RFC2216，IP网CBR(Constant Bit Rate)服务的QoS参数有平均时延、最小时延、最大抖动和丢包率。对于VoIP，经过存储缓冲以后，等效的QoS参数变成随时间变化的两个函数当前时延delay(t)和当前丢包率loss(t)。不失一般性，本发明把信道的QoS参数具体成向量QoS(t)＝[delay(t)，loss(t)]在两个MR之间的通信线路上会有多个用户同时通信，每个用户各有自己的QoS需求r，多个r构成了对通信线路总的QoS需求，这个总的QoS需求用R(t)表示，代表时刻t的用户通信需求。
R(t)＝[r1，r2，…，rm]
其中ri是第i个用户的质量要求，它是一个向量ri＝[delay[i]，loss[i]]delay[i]和loss[i]分别是是第i个用户要求的最大时延和最大丢包率。
R(t)的时变性在于某些ri的到达和离去，包括用户数的变化和QoS要求的变化。
下面介绍利用MR实现SCN网和IP网相结合的VoIP远程通信的过程。
SCN通路管理模块通过调用SCN-Drv接收和发送RTP数据包，完成已建立的连接之通信功能。另一方面，该模块根据路由控制模块的要求可以新建和撤消连接，当新建连接时，物理连接已占满的条件下SCN通路管理模块负责建立新的物理连接，反之，当撤消连接时，有一个以上物理连接空闲的条件下，SCN通路管理模块负责撤消不用的物理连接。SCN-Drv负责把RTP数据包转换成物理信道的数据，传输到对端，对端再反方向转换成RTP数据包。各个连接的信息记录在SCN-Table中，如表1所示，每一行代表一个连接，一个连接中有三项内容连接ID、要求的QoS、占用的物理信道编号。“连接ID”是这个连接的标识，由原始IP包的Dest(目的)和Source(源)的IP-port(IP地址-端口号)构成；“要求的QoS”是本RTP连接要求的QoS，包括delay和loss；“占用的物理信道编号”是本连接当前所在的物理信道编号。
表1IP通路管理模块通过调用E-Drv接收和发送RTP数据包，完成已建立的连接之通信功能。与ISDN通路类似，IP通路也负责物理连接的新建和撤消，而且也需要设计一个信道占用状态表，如表2所示。每一行代表一个连接，一个连接中有三项内容连接ID、要求的QoS、占用的物理信道编号；“连接ID”是这个连接的标识，由原始IP包的Dest和Source的IP-port构成；“要求的QoS”是本RTP连接要求的QoS，包括delay和loss；“占用的物理信道编号”表示IP网的物理连接的序号。IP网的物理连接可以通过ADSL接入、以太网接入来实现等。
表2IP通路是包交换通路，语音连接只是逻辑性的，相互之间没有物理位置和顺序关系，所以其信道空间占用图简单，每个物理连接只用一个计数器记录物理信道的占用情况，控制信道过载即可，如图5所示。该图以ADSL接入为例，现在广泛应用的ADSL数据传输速率为512Kb/S，采用G.729压缩算法的每连接的数据传输速率是8kb/s，考虑RTP包头开销，一个物理信道可容纳的连接数(记为Nch_ADSL)＝50。一个物理信道的当前连接数(记为Counti)必须满足Counti＜＝Nch_ADSL。
I-Drv负责IP内网方向的RTP包接收和发送，是普通的网络驱动，在此不再赘述。
QoS测量模块在系统初始化时，在A方和B方之间建立E-Link，实时测量IP网的QoS，把结果记录在变量vQoS中。建立测量RTP连接的过程同建立普通RTP连接一样，它是一个双向连接，可以独立估计两个方向的QoS参数。估计QoS的方法现有技术可以得到，在此不再赘述。
路由控制模块能够动态调整路由，动态路由算法C-Alg每隔一定时间节拍Tclk(Tclk的取值范围在1秒到10秒之间)，将vQoS的值与SCN-Table和IP-Table各个连接的QoS要求进行比较，把SCN-Table中QoS低于vQoS的连接移动到IP通路，IP-Table中QoS高于vQoS的连接移动到SCN通路，算法实现流程如图6所示路由控制模块还具有新建、撤消连接的功能。如果有新的用户要求通信，MR就建立新的连接，根据新增加用户的QoS要求和vQoS，通过调用E-Drv或SCN-Drv，在IP通路或SCN通路增加连接，并修改SCN-Table或IP-Table，增加一行。需要撤消一个连接时，通过调用E-Drv或SCN-Drv，删除在IP通路和SCN通路不用的连接，并删除SCN-Table或IP-Table中的对应行。
SCN物理连接的建立，通常需要1秒至30秒的时间，这个速度远不能满足媒体数据动态调整路由的速度要求。为解决这一矛盾，本发明采用一种物理连接预建立的措施。以ISDN接入为例，介绍这种方法，而另一种接入方式----PSTN接入方式与ISDN接入方式类似，区别是PSTN接入方式每个物理连接只能承载1个连接，而ISDN接入方式可以承载8个连接(G.729编码时)，所以PSTN接入方式在此不再赘述，只就ISDN情况进一步说明SCN物理连接预建立的措施。
图4(a)是(SCN网络的)ISDN接入的信道空间图，图中有n个B信道配置，一个物理连接占用一个B信道，每个B信道可以承载8个连接。定义常数Nr_ISDN为最少的预留就绪连接数，No_ISDN为当前实际连接数，Nc_ISDN为当前需要的ISDN物理连接数，SCN通路管理模块根据SCN-Table中当前连接的情况和Nr_ISDN来及时新建和撤消物理连接。Nc_ISDN按照如下公式计算Nc_ISDN＝[(No_ISDN+Nr_ISDN)/8] (公式1)其中符号 表示大于等于的整数操作。
总之，按照以上方法，总有Nr_ISDN个预留就绪连接可以立即使用，而无须马上建立新的物理连接。根据应用需求，Nr_ISDN可取1，2，3，......。
图4(b)和(c)中的Nr_ISDN＝2，“占用”代表正在使用的连接，“预留”代表已建立但没有使用的预留就绪连接。预留连接可以立即使用，消除了物理连接建立缓慢的影响。图4(b)再增加一个连接就变成图4(c)状态中，前者占用1个物理连接，后者占用2个物理连接。
如果ADSL物理连接不是包月的24小时连通方式，而且建立物理连接的消耗时间较长，可以用与ISDN同样的方法建立预留连接。
为了满足公式(1)，新建连接时有可能需增加新的物理连接，撤消连接时有可能会删除物理连接。撤消连接的过程较为复杂，有出现“碎片”的情况，当实际物理连接数 ＜Nc_ISDN时，需要合并两个或多个物理连接。
本发明将SCN网与IP网相结合，实现了VoIP的远程连接，通过两种网之间瞬时改变路由传输话音，尽可能利用通信费用低廉的IP网，在不能满足QoS要求时使用SCN网来保证QoS，达到了在保证QoS的条件下通信费用最低的效果。
当MR与IP网之间用ADSL接入，这种方法具有很高的实用性。在典型的条件下，一天24小时有60％以上时间不用电路交换网通话，可以节省90％的通话费用，而且能够保证通话所要求的QoS。
图1是两个LAN间远距离的VoIP通信示意2是SCN和IP网结合的远程连接方法框图；其中图(a)是运用普通路由器的方法实现的原理框图；图(b)是采用本发明设计的媒体数据路由方法实现的原理框图；图3是MR的功能框图；图4是ISDN的信道占用示意图；其中图(a)是n个B信道及其承载的8×n个G.729语音流示意。上下实线间的空间表示一个B信道的容量，虚线间的空间表示一个语音信道的容量；图(b)是只占用一个B信道示意，还有2个预留就绪连接余量，则不新建B信道；图(c)是占用2个B信道示意，B1只有1个预留就绪连接余量，则建立新的B信道，保证马上有2个以上预留就绪连接可用，这种情形实际有9个预留就绪连接余量备用；图5是ADSL的信道占用状态计数图；此图所示为m个ADSL物理连接时的信道占用状态计数图；图6是C-Alg算法流程图。
权利要求
1.一种SCN网和IP网相结合的VoIP远程通信方法，其特征在于，针对媒体信息，给出一种媒体路由方法，将路由器特殊化为媒体路由器，利用SCN网和IP网两种网络通路建立VoIP远程连接，依据对IP网的QoS测量结果，在两种网络通道之间瞬时改变路由，实现远程话音通信在IP网能满足某个用户QoS要求时，这个用户的通信使用IP网通路进行；不能满足用户QoS要求时，这个用户的通信临时借用SCN网通路进行，当IP网的通信质量改善，能够满足该用户QoS要求时再使用IP网通路进行通信；
2.如权利要求1所述的媒体路由方法，其特征在于，采取物理连接预建立措施来解决瞬时改变路由的速度快和建立物理连接的速度慢的矛盾定义常数Nr_ISDN为最少的预留就绪连接数，No_ISDN为当前实际连接数，Nc_ISDN为当前需要的ISDN的物理连接数，Nc_ISDN按照如下公式计算 其中符号 表示大于等于的整数操作，这样可保证总有Nr_ISDN个预留就绪连接可以立即使用，而无须马上建立新的物理连接；
3.如权利要求1所述的媒体路由器，其特征在于，包括四个特殊功能模块SCN通路管理、IP通路管理、QoS测量和路由控制；
4.如权利要求3所述的媒体路由器，其特征在于，SCN通路管理模块通过调用SCN-Drv接收和发送RTP数据包，并监视记录每个物理信道当前承载的连接数量，维护SCN通路的一个信道占用状态表；
5.如权利要求3所述的媒体路由器，其特征在于，IP通路管理模块通过调用E-Drv接收和发送RTP数据包，并监视记录每个物理连接当前承载的连接数量，维护IP通路的一个信道占用状态表；
6.如权利要求3所述的媒体路由器，其特征在于，QoS测量模块系统初始化时，在A方和B方之间建立E-Link，实时测量IP网的QoS，把结果记录在变量vQoS中；
7.如权利要求3所述的媒体路由器，其特征在于，路由控制模块采用动态路由算法C-Alg每隔一定时间节拍Tclk，将vQoS的值与SCN-Table和IP-Table各个连接的QoS要求进行比较，把SCN-Table中QoS低于vQoS的连接移动到IP通路，IP-Table中QoS高于vQoS的连接移动到SCN通路，Tclk的取值范围在1秒到10秒之间。
全文摘要
一种SCN网和IP网相结合的VoIP远程通信方法，使用一种媒体信息路由方法，将路由器特殊化为媒体路由器，利用SCN网和IP网两种网络通道建立VoIP远程连接，依据对IP网的QoS测量结果，在两种网络通道之间瞬时改变路由，实现远程话音通信。在IP网能满足用户QoS要求时使用IP网进行通信，不能满足用户QoS要求时就临时借用SCN网，当IP网的通信质量改善，能够满足用户QoS要求时再使用IP网进行通信，达到了在保证QoS的条件下通信费用最低的效果。当媒体路由器与IP网之间用ADSL接入，这种方法具有很高的实用性。在典型的条件下，一天24小时有60％以上时间不用电路交换网通话，可以节省90％的通话费用，而且能够保证通话所要求的QoS。
文档编号H04L12/64GK1688142SQ20051001186
公开日2005年10月26日 申请日期2005年6月3日 优先权日2005年6月3日
发明者梁满贵, 张宗轶 申请人:北京交通大学