专利名称：话音通信方法
技术领域：
本发明涉及通信技术，具体涉及可与互连网协议数据传输技术兼容的话音传输技术，更具体地说，涉及一种基于面向连接和话音分组技术的话音通信方法。
就分组话音通信现状而言，目前有两大主流技术，第一种是ATM论坛VTOA(Voice Telephony Over ATM，即ATM电话)小组主张的话音通过AAL1(ATM第一类适配层协议)、AAL2(ATM第二类适配层协议)适配在ATM(Asynchronous Transfer Mode异步传输模式)网络上传送。ITU-T也支持VTOA，制定了AAL2的信令标准Q．2630．1(ITU-T关于AAL2信令标准)，在ATM网络上再叠加一个微信元交换网，实现AAL2微信元交换。现在还没有支持AAL2微信元交换的ATM商用产品推出，更谈不上开通业务。第二种是以IETF为代表的IPTEL(IP电话小组)组织大力宣扬的VOIP，即话音通过IP网承载。现已有商家推出产品，营运商纷纷开通业务，以低资费吸引电话用户。前者在ATM网络上传送话音，且采用AAL2微信元交换，传输效率与业务质量都比IP电话优越，组网也可与第二种所采用的VOIP(Voice Over IP，即IP电话)一样灵活。但是，随着Internet的普及，未来全球数据业务量必定会超过话音业务。因此下一代公网一定是以数据为中心，话音作为辅助业务被溶入到以IP(互连网协议)业务为特征的公用分组网中。这样从表面上看，用IP来溶合话音似乎很合理，觉得可以击败VTOA，第二种方案似乎有可取之处。事实上不论是用ATM网络，还是用IP网来传送分组话音都不是合适的方法，这是由话音通信的要求的交互性、实时性特点所决定的。下面对此进行分析。
对用ATM传送话音，首先，ATM的信元长度对分组话音太长，如果直接用ATM交换话音(特别是压缩后的分组话音)很难达到实时性要求，只得在ATM网络上再叠加一个AAL2的微信元交换网，来确保话音通信交互性与实时性要求，同时传输效率也较高，但是这种叠加方式增加了技术难度，交换设备也会变得复杂，对成本不利。此外，ATM的信元长度对数据来说又太短，通常IP数据包长会大于信元的净荷域，因此信元税降低了传输效率。最重要的是ATM面向连接的业务承载技术与非连接的IP本质上有区别，用ATM传送IP数据包不是最优设计。从长远考虑在未来以IP数据业务为主的需求情况下ATM不会长期成为新公网中的业务承载技术。
对在IP网上传送话音来说，按照数据传送的多层协议栈逐级封装话音分组，开销实在太大，传输效率极低。话音业务与数据业务在服务要求上恰好相反，新公网中如果用IP来承载所有业务，尽管对数据业务是最优设计，但对话音业务却相反。本质上IP的非连接属性不适合话音通信的交互性与实时性要求，IP电话的质量很难达到电信级要求。
因此，单就话音业务讲，当今的面向连接的TDM(时分复用)交换与传输技术从成本上、通话质量上全面考虑，已经是最优设计，很难找到更好的替代技术。但是由于业务需求的变化，数据业务的位置将会高于话音业务的位置，话音业务不得不服从于以数据业务优化设计的分组交换网。最具前景的是IP优化光网络，它将是对数据业务的最优设计，如果采用VOIP来传送话音，对话音业务却不然。技术的进步没有任何理由大量浪费传输资源，更没有理由降低话音通信的质量水准。在新公网上必须寻求另一条途径既对数据业务又对话音业务都能是优化设计。
本发明的目的是寻求一种新的话音通信方法，这种方法可以克服ATM话音传输和IP网话音传送的缺点，既考虑到话音通信所要求的实时性、交互性要求，又考虑到与数据传输交换的兼容并可利用已有通信协议和设备并可扩展到未来新公网上使用，具体地说，这种话音通信方法开销较低，信道利用高，通话实时性好，并可与IP网数据传输共用通信资源。
本发明的目的是这样实现的，构造一种话音通信方法，其特征在于，包括建立连接、在已建立连接基础上利用标签交换传送分组话音，在通话结束后拆除连接的步骤。
按照本发明的话音通信方法，其特征在于，所述建立连接包括以下步骤由源终端用信令发起呼叫；网络交换机响应呼叫并向终端分配标签，网络根据呼叫的目的地址，选择路由，在所选的路径上每个交换机使用信令接续呼叫，并沿途分配标签，且在每台交换机上生成标签转发表，呼叫接续到目的终端，如果目的终端同意接受呼叫，端到端的标签分配结束且完成连接，则开始通话。
按照本发明提供的方法，其特征在于，所述在已建立连接基础上利用标签交换传送分组话音包括以下步骤
将用户话音数字化和压缩，每隔一定时间间隔输出一帧数字话音分组，对成帧的话音进行流协议处理，即加上流协议头，在终端进行标签复用，即再加上分配的标签，进行链路层处理，加上PPP／HDLC头和校验尾，通过物理线路把这帧数字话音送入网络交换机，在沿途的每台交换机中根据转发表交换标签值，最终送到目的端，在目的终按照源端反过程解出数字话音帧，最终还原成语音信号。
按照本发明提供的话音通信方法，其特征在于，所述连接拆除包括以下步骤通话中的任何一端用信令发起拆除请求，网络交换机接受请求，释放分配的标签；沿途经每个交换机用信令传递拆除信息，并释放分配的标签，刷新转发表；拆除信息传递到另一端，释放全部标签，通话结束。
按照本发明提供的方法，其特征在于，在所述连接建立过程中，由所述源终端用H。323+信令发起呼叫，在所选的路径上每个交换机也使用H．323+或者其它网络与网络间的信令接续呼叫。
按照本发明提供的方法，其特征在于，所述源终端向网络发出连接请求是用H．323+信令发起呼叫。
按照本发明提供的方法，其特征在于，所述根据呼叫目的地址决定路由可以是利用OSPF(Open Shortest Path First，最短路径优先协议)、BGP(Boader Gateway Protocol，边界网关协议)路由协议产生的IP动态路由表，也可以是显示配置路由。
按照本发明提供的方法，其特征在于，所述沿途经过每个交换机都具有H．323+信令或其它网络与网络接口间(NNI)信令功能。
按照本发明提供的方法，其特征在于，所述H．323+信令是通过TCP(传输控制协议)协议传递的。
按照本发明提供的方法，其特征在于所述对话音进行数字化及压缩处理的步骤采用G．729(ITU-T关于语音压缩的标准)标准对数字话音压缩。
按照本发明提供的方法，其特征在于所述每隔一定时间间隔输出一帧数字话音分组包括2-3个帧G．729分组话音。
按照本发明提供的方法，其特征在于所述在数字话音帧上加上流协议头是指按照1．366．2(ITU-T关于在ATM网上话音中继业务标准)要求定义格式在包前面加1-2字节的包头，该包头包括分组类型位，分组序号和其它用途位，其中，分组类型位指出是传话音的第一类分组或传非话音信息的第三类分组，对所述第一类分组，所述分组序号采用模8计数。
按照本发明提供的方法，其特征在于，所述标签定义与MPLS(多协议标签交换)中的标签格式相同，每个标签包括20个比特位表示的标签值，3个比特位表示的业务等级，其余的在MPLS中1个比特位表示的栈底以及8个比特位表示的存话时间，对于分组话音分组交换没有用途，暂作保留。
按照本发明提供的方法，其特征在于在进行所述HDLC帧封步骤前，还包括对帧内信息0X7E进行转义处理的步骤，即将帧内信息0X7E转义为0X7D 0X5E，将帧内信息0X7E转义为0X7D 0X5D。
实施本发明提供的基于话音分组标签交换话音通信方法，由于采用面向连接的机制VOLS，可以用于除话音业务之外的电路仿真(CESCircuitEmulation Service／电路仿真业务)、FR(Frame Relay，帧中继)这些需要保证带宽的连接型业务。因为每申请一个连接，一个标签代表的带宽并没有特别限制，包长也不固定，这就为适应不同种类业务提供了灵活性。这也是新公网需具备的能力之一，即在统一网络中包容所有的业务。
结合附图和实施例，进一步说明本发明的特点，附图中
图1是话音分组标签交换协议层示意图；图2是分组话音流协议头结构示意图；图3是Shim Header的结构示意图；图4是分组话音信息处理过程的简略表示；图5是实施本发明方法进行一次话音通信过程的简略表示图。
1、分组话音标签交换(VOLS，即Voice Over Label Swtich，话音标签交换)基于IP的分组数据网，对IP数据分组和话音分组都能优化的途径是在网络中对两类分组分别对待，即话音分组不是承载在IP包中，而是直接进入同一网络中传输与交换，并且保持面向连接的特征，以满足话音通信交互性、实时性的要求。在同一网络中能同时汇聚两类分组的基础是标签交换(Label Switch)，图1示出了分组话音通信时终端与网络交换节点用户面和控制面的协议栈。
标签交换中选路与转发相分离，这种技术已经用于IP交换(MPLS)，同时它也可用于分组话音交换。如果把标签视为话音用户的通道标识符，就可以在传输链路级实现对多个用户的标记复用，通过标签交换可将用户通道从一条链路交换到另一条链路上去。这样分组话音与IP数据分组在同一个网络中共享标签交换平台与传输链路。2、分组话音标签交换(VOLS)中的控制环节话音通信需要通过面向连接的技术来确保质量，网络一旦为用户建立了连接就必须在连接期间保证用户的合约带宽。信令是连接控制的产物，在分组话音标签交换中应包括终端用户与网络交换节点间的信令以及交换节点与交换节点间的信令。如果考虑尽量利用已经做的工作，终端用户与网络交换节点间的信令可以在H．323的基础上增加或修改(H．323+)，如满足连接允许控制(CACConnection Admission Control／连接允许控制)的需要。交换节点与交换节点间的信令也许可以使用H．323+，或者制定新的信令。这样用户需要通话时首先通过H．323+信令向网络发连接请求，并向网络申请标签，网络检查是否有保证分组用户端到端连接的资源(如带宽)确认能否建立连接。
连接建立时的选路既可以利用IP网的动态路由结果(如OSPF，BGP路由协议产生的路由表)也可以配置显式路由。为了避免网络传输线路上负荷的两极分化，疏导负荷重的路线上的业务流量，显式路由也许必不可少。分组话音与IP数据分组在同一个网中完全可以共享标签，只要资源管理能与IP标签交换时的LDP(Label Distribution Protocol／标签分布协议)和分组话音连接建立控制信令H．323+统一协调，就能确保各种业务动态使用标签。由于分组话音需要严格地建立端到端的连接，因此网络中的每一个交换节点都需要信令功能，如H．323+。这相当于IP标签交换中为端到端数据流预留带宽的RSVP(ReSource reSerVation Protocol／资源预留协议)。两者的区别在于H．323+静态为每个呼叫分配带宽资源，一旦为某个呼叫建立了连接，直到拆除这个连接之前都保持分配的带宽资源，而RSVP为每个数据流动态分配资源，即每隔一定的时间要继续申请需要的带宽资源，否则网络节点设备(标签交换路由器)一旦发现超时就会释放所预留的带宽资源。
控制面信息可以在单独的IP控制网中或者与用户信息在同一网络中传送，不管在哪里传输都要求对信令可靠地传输，因此用TCP协议传送信令比较合适。如果在同一网络中传送信令与用户信息，可以在节点设备间的传输链路上分配一个专用的、固定的标签，并分配合适的带宽传送信令。3、分组话音标签交换(VOLS)中的用户数据环节对于话音业务，用户面上是话音信息。为了降低每路话音消耗的传输带宽，特别是长途传输线路的带宽，一般都要对数字化话音进行压缩处理形成分组话音。但是压缩后的分组话音对于用户来说应不低于现有的公用电话网上的通话质量。这是对新公网能否取代现有电话网的关键点。3．1)VDSP(话音数字信号处理)目前公用电话网上数字话音采用64Kbps PCM编码传送，由于数字信号处理(DSP)技术及器件的成熟，完全有希望对话音压缩，节省传输带宽。能达到公用电话网上PCM通话质量(MOS=4)(MOSMean OpinionScore／平均意见分)的压缩标准是G．729，这种算法能将每路话音压缩到8Kbps，压缩率至少为8倍(考虑静音抑制压缩率更高)，且MOS=4。G．729仅就算法而言，每15ms输出80比特(10字节)长的一帧分组话音。如果按照G．114中所述，对于大多数用户能接受的端到端单向时延应在150ms之内，因此最多可将2～3帧G．729分组话音收齐后一起组包传送。3．2)分组话音流协议当分组话音组包后，需要经流协议处理。分组话音流协议主要是保证端到端的包恢复，即每一分组话音包在发送时应有序号，当经过网络丢包或延时太大时，收端根据序号进行相应的处理。分组话音流协议在包前面加一包头，长约1～2字节，格式定义可以满足I．366．2的要求。图2是用一个字节来完成流协议头的有关功能参照I．366．2，定义两种分组类型第一类分组用于传话音，第三类用于传非话音话带信息，如DTMF(双音多频)等特殊信息。
对于第一类分组，分组序号采用模8计数，用于接收端检测分组丢失或超时，从而采取相应的恢复措施。剩余3比特可用作其它需要。3．3)标签复用与交换为了与IP标签交换共享交换平台，因此标签的定义必须与MPLS中的标签格式相同。MPLS中通用标签称为Shim Header，其格式定义如图3。
Shim Header共4字节长，其中标签值为20比特，可以同时标识大于106个用户通道或数据流，并且标签值只有本地意义，用户通道从一段链路交换到另一段链路上后，标签值也就改变了。对于分组话音业务，连接建立时分配标签，拆除连接后又释放标签，标签资源可以重复利用。这样每段链路上既可以传送分组话音又可以传送IP数据分组，只需用不同的标签值标识，就可实现标签复用。
分组话音用户发起呼叫时，网络根据被叫地址确定路由；然后再沿这条路径通过信令在每一段链路上为该呼叫预分配标签值；当每段链路上的标签值均分配后，这条路径上的各交换节点的转发表也都生成。通话时用户的通道完全由标签值所标识，即在交换节点设备中根据转发表可以用硬件实现线速转发用户话音。当通话完毕拆除这条路径时，沿途各段链路上所占用的标签释放，同时各交换节点中的转发表也要刷新。从转发的机制看，与MPLS中对IP分组的转发没有区别，因此两者完全能共享节点设备中的交换平台。
Shim Header中的业务等级(CoSClass of Service／服务类别)十分重要，标签交换设备内部的队列调度机制要用业务等级来区分优先级，对于话音等实时业务给予高优先级，首先从队列中调度出去。
对于面向严格建立连接的话音业务，特别是使用显式路由，Shim Header中最后两项没有用途。3．4)PPP／HDLC无论是话音分组还是IP数据分组都需进行链路层成帧封装后才能送入物理线路上传输，接收端根据这个封装进行定帧、解帧。在公网上节点设备间的传输线路一般为点到点联系，所以最合适的链路层协议为PPP／HDLC(PPP是Point to Point Protocol缩写，指点对点协议，HDLC是Highlevel DataLink Control缩写，指高级数据链路层控制协议)，且已在IP Over SDH(SDH光同步数字传输网)、租用线(专线、拨号)上使用。HDLC帧封装中的帧标志符为0x7E，传送规程中使用0比特插入／删除方法来排除帧内其它信息中出现的0x7E的可能性。这种规定适合于面向比特传输，但对于象SDH这些以8位组(Octet)为传输单位的传输系统却受到限制，因此在IP over SDH的规程中用转义符来实现帧内信息0x7E的转义，规定如下 这种方法既适合于以8位组为传输单位，又适合于面向比特传输的系统，有很好的适应性，应该在新公网中推广使用。4．一个示例性实例设有A、B两个终端经两台交换机相连，A向B发起呼叫，交换机1给A分配标签其值L=15，交换机1把呼叫接续到交换机2，分配标签值L=202，交换机2发现目的终端B已经可到达，分配标签值L=87。图5是通话时在线路上传送的数字话音PPP／HDLC帧，每经过一个交换机，其标签值改变。当终端A送入交换机1的分组话音使用分配的标签值15，到达交换机1后，标签值交换为202，送入交换机2，最后标签值交换为87送到目的终端B。一旦分组话音送入交换网络后，交换机只是对标签值交换，不会对高层作任何处理。其中，借用了以下现有的协议，未作改动1)标签用于与IP数据包共享链路资源，实现标签复用与交换，取自于“LDP Specification”IETF(Internet Engineering Task Force／互连网工程任务行动组织)draft-feldman-1dp-spec-00．txt；2)PPP／HDLC协议，取自于“PPP over SONET／SDH”IETF draft-ietf-pppext-sonet-ds-01．txt。5．传送效率比较下面将现有的VTOA、VOIP方式传输话音方法与本发明的基于VOLS的话音传送方法在传送效率作一比较，分析各种方式对带宽资源的开销。
如采用MOS=4的G．729话音压缩算法，考虑端到端单向时延150ms的限制，每两帧G．729输出一起组包传送，打包时延为30ms，加上DSP的处理时延，发送端的话音分组化时延有望控制在35ms内。5．1)VTOA对于VTOA／AAL2微信元交换，每个ATM信元可装两路压缩话音，传送信息组成如下2(3字节微信元头+20字节压缩话音)+1字节偏移量指示+1字节填充+5字节ATM信元头53字节长的ATM信元中开销共13字节，开销率为13／53=24．5％。5．2)VOIP对于IP V4上的应用VOIP，每个IP包装一路话音，传送信息组成如下20字节压缩话音+12字节RTP(实时传送协议)头+8字节UDP(UserDatagram Protocol／用户数据报协议)头+20字节IP头+7字节PPP／HDLC头67字节的发送帧中开销47字节，开销率为47／67=70．1％。
当采用MPLS IP交换时，开销还要增加4字节，开销率增致71．8％。如果是IP演进到下一代，即IP V6，采用64／128比特IP地址，IP头将增加到24／40字节，开销率进一步增加。5．3)VOLS对于本发明的VOLS，每个包装1路话音，参见图4，传送信息组成如下20字节压缩话音+1字节分组话音流协议头+4字节Shim Header+7字节PPP／HDLC头总共32字节的发送帧中开销12字节，开销率为12／32=37．5％比较结果总结在下表。
由此可见，本发明的VOLS的话音传送开销虽比VTOA／AAL2高出13个百分点，但比VOIP的开销降低了近一倍，更直观的比较结果是VOIP传送一路话音所需的带宽资源，如果用VOLS可以传两路话音。更为关键的是VOLS能与传送数据效率高的IP溶合在一个网络中，特别是未来的新公网将基于IP优化光网络，VOLS更有意义。6．业务应用推广本发明的基于VOLS的话音传送只是面向建立连接的业务之一，这种面向连接的机制，可以用于除话音业务之外的电路仿真(CES)、FR这些需要保证带宽的连接型业务。因为每申请一个连接，一个标签代表的带宽并没有特别限制，包长也不固定，这就为适应不同种类业务提供了灵活性。这也是新公网需具备的能力之一，即在统一网络中包容所有的业务。如果尝试Every Thing over IP，由于IP的非连接特征，很难在其上有效保证这些连接型业务的质量。
权利要求
1.一种话音通信方法，其特征在于，包括建立连接、在已建立连接基础上利用标签交换传送分组话音，在通话结束后拆除连接的步骤。
2.根据权利要求1所述的话音通信方法，其特征在于，所述建立连接包括以下步骤由源终端用信令发起呼叫；网络交换机响应呼叫并向终端分配标签，网络根据呼叫的目的地址，选择路由，在所选的路径上每个交换机使用信令接续呼叫，并沿途分配标签，且在每台交换机上生成标签转发表，呼叫接续到目的终端，如果目的终端同意接受呼叫，端到端的标签分配结束且完成连接，则开始通话。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在已建立连接基础上利用标签交换传送分组话音包括以下步骤将用户话音数字化和压缩，每隔一定时间间隔输出一帧数字话音分组，对成帧的话音进行流协议处理，即加上流协议头，在终端进行标签复用，即再加上分配的标签，进行链路层处理，加上PPP／HDLC头和校验尾，通过物理线路把这帧数字话音送入网络交换机，在沿途的每台交换机中根据转发表交换标签值，最终送到目的端，在目的终按照源端反过程解出数字话音帧，最终还原成语音信号。
4.根据权利要求1所述的话音通信方法，其特征在于，所述连接拆除包括以下步骤通话中的任何一端用信令发起拆除请求，网络交换机接受请求，释放分配的标签；沿途经每个交换机用信令传递拆除信息，并释放分配的标签，刷新转发表；拆除信息传递到另一端，释放全部标签，通话结束。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述连接建立过程中，由所述源终端用H．323+信令发起呼叫，在所选的路径上每个交换机也使用H．323+或者其它网络与网络间的信令接续呼叫。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述源终端向网络发出连接请求是用H．323+信令发起呼叫。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据呼叫目的地址决定路由可以是利用OSPF、BGP路由协议产生的IP动态路由表，也可以是显示配置路由。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述沿途经过每个交换机都具有H．323+信令或其它网络与网络接口间(NNI)信令功能。
9．根据权利要求5、6、8所述的方法，其特征在于，所述H．323+信令是通过TCP协议传递的。
10．根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述对话音进行数字化及压缩处理的步骤采用G．729标准对数字话音压缩。
11．根据权利要求3按照本发明提供的方法，其特征在于所述每隔一定时间间隔输出一帧数字话音分组包括2-3个帧G．729分组话音。
12．根据权利要求10、11所述的方法，其特征在于所述在数字话音帧上加上流协议头是指按照I．366．2要求定义格式在包前面加1-2字节的包头，该包头包括分组类型位，分组序号和其它用途位，其中，分组类型位指出是传话音的第一类分组或传非话音信息的第三类分组，对所述第一类分组，所述分组序号采用模8计数。
13．根据权利要求10、11所述方法，其特征在于，所述标签定义与MPLS中的标签格式相同，每个标签包括20个比特位表示的标签值，3个比特位表示的业务等级，其余的在MPLS中1个比特位表示的栈底以及8个比特位表示的存话时间。
14．根据权利要求3所述的方法，其特征在于在进行所述HDLC帧封步骤前，还包括对帧内信息0X7E进行转义处理的步骤，即将帧内信息0X7E转义为0X7D 0X5E，将帧内信息0X7E转义为0X7D 0X5D。
全文摘要
本发明公开了一种基于面向连接的分组话音标签交换技术实现的话音通信方法,包括利用信令建立连接并获得标签分配、在己建立连接基础上利用标签交换传送数字化的分组话音,在通话结束后拆除连接释放标签的步骤。还可以用于除话音业务之外的电路仿真、FR这些需要保证带宽的连接型业务。这种通话方法克服了ATM话音传输和IP网话音传送的缺点,开销较低,信道利用高,通话实时性好,并可与IP网数据传输共用通信资源。
文档编号H04L12/54GK1286556SQ9911705
公开日2001年3月7日 申请日期1999年8月27日 优先权日1999年8月27日
发明者杨贤侦 申请人:深圳市华为技术有限公司