PSTN与VoIP
說起VoIP，也許大家對“網絡電話”這個詞更熟悉一些。其英文原意是Voice Over IP，即承載于IP網上的語音通信。大家熟悉家庭用來上網的ADSL吧，也許有些人還記得前些年用過的吱吱叫的老“貓”。技術日新月異，前面的技術都是用電話線上網，現在，VoIP技術使我們可以在網上打電話，生活就是這樣。
所謂溫故而知新，在學習任何新東西以前，我們都最好了解一下其歷史，以做到心中有數。在了解VoIP之前，我們需要先看一下PSTN，那么，在PSTN之前呢？
PSTN起源
PSTN（Public Switched Telephone Network）的全稱是公共交換電話網，就是我們現在打電話所使用的電話網絡。
第一次語音傳輸是蘇格蘭人亞歷山大·貝爾(Alexander Granham Bell)在1876年用振鈴電路實現的。在那之前，普遍認為烽火臺是最早的遠程通信方式。其實峰火臺不僅具備通信的完整要素(通信雙方，通信線路及中繼器)，而且還屬于無線通信呢。當時沒有電話號碼，相互通話的用戶之間必須有物理線路連接；并且，在同一時間只能有一個用戶可以講話(半雙工)。發話方通過話音的振動激勵電炭精麥克風而轉換成電信號，電信號傳到遠端后通過振動對方的揚聲器發聲，從而傳到對方的耳朵里。
由于每對通話的個體之間都需要單獨的物理線路，如果整個電話網上有10個人，而你想要與另個9個人通話，你家就需要鋪設9對電話線。同時整個電話網上就需要 10×(10-1)/2=45 對電話線。
當電話用戶數量增加的時候，為每對通話的家庭之間鋪設電話線是不可能的。因此一種稱為交換機（Switch）的設備誕生了。它位于整個電話網的中心，用于連接每個用戶。用戶想打電話時，先拿起電話連接到管理交換機的接線員，由接線員負責接通到對方的線路。這便是最早的電話交換網。
隨著技術的進步，電子交換機替代了人工交換機，便出現了現代意義的PSTN。隨著通信網絡的進一步擴大，便出現了許許多多的交換機。交換機間通過中繼線（Trunk）相連。有時一個用戶與另一個用戶通話需要穿越多臺交換機。
后來出現了移動電話（當移動電話小到可以拿在手里的時候就開始叫“手機”），專門用于對移動電話進行交換的通信網絡稱移動網，而原來的程控交換網則叫固定電話網，簡稱固網。簡單來說，移動網就是在普通固網的基礎上增加了許多基站（Base Station，可以簡單理解為天線），并增加了歸屬位置寄存器（HLR，Home Location Register）和拜訪位置寄存器（VLR，Visitor Location Register），以記錄用戶的位置（在哪個天線的覆蓋范圍內）、支持異地漫游等。移動交換中心稱之為MSC（Mobile Switch Center）。
隨著下一代網絡（NGN）技術的成熟及下一代移動通信時代的到來，大眾對多媒體業務的需求越來越強烈。因而運營商又部署了IMS系統（IP Multimedia Subsystem）。 它運行于標準的IP網絡上，使用一種基于第三方伙伴計劃（3GPP）的SIP標準的VoIP實現方式。IMS的目標不僅是在現網基礎上提供新的業務，而且它還要能提供現在以及未來因特網上能夠承載的所有的業務。現代最新的無線通信標準是LTE（Long Term Evolution，長期演進），為現代的手機及其它移動設備提供高速的數據通信手段。
模擬與數字信號
現實生活中的一切都是模擬的。模擬量（Analog）是連續的變化的，如溫度、聲音等。早期的電話網是基于模擬交換的。模擬信號對于人類交流來講非常理想，但它很容易引入噪聲。如果通話雙方距離很遠的話，由于信號的衰減，需要對信號進行放大。問題是信號中經常混入線路的噪音，放大信號的同時也放大了噪音，導致信噪比（信號量與噪聲的比例）下降，嚴重時會難以分辨。
數字（Digital）信號是不連續的（離散的）。它是按一定的時間間隔（單位時間內抽樣的次數稱為頻率）對模擬信號進行抽樣得出的一些離散值。然后通過量化和編碼過程將這些離散值變成數字信號。根據抽樣定理[^1-1]，當抽樣頻率是最高模擬信號頻率的兩倍時，就能夠完全還原原來的模擬信號。
[^1-1]: 又稱采樣定理或奈奎斯特·香農定理，見 http://zh.wikipedia.org/wiki/采樣定理 。
PCM
PCM（Pulse Code Modulation）的全稱是脈沖編碼調制。它是一種通用的將模擬信號轉換成以0和1表示的數字信號的方法。
一般來說，人的聲音頻率范圍在 300*Hz* ~ 3400*Hz* 之間， 通過濾波器對超過 4000*Hz* 的頻率過濾出去，便得到 4000*Hz* 內的模擬信號。然后根據抽樣定理，使用 8000*Hz* 進行抽樣，便得到離散的數字信號。
通過使用壓縮算法（實際為壓擴法，因為有的部分壓縮有的是擴張的。目的是給小信號更多的比特位數以提高語音質量），可以將每一個抽樣值壓縮到8個比特。這樣就得到 8×8000=64000*bit* 的信號。通常我們就簡稱為64*kbit/s*（注意，通常來說，對于二進制數，1*kbit*=1024*bit*，但此處的k=1000）。
PCM通常有兩種壓縮方式：A律和μ律。其中北美使用μ律，我國和歐洲使用A律。這兩種壓縮方法很相似，都采用8bit的編碼獲得12*bit*到13*bit*的語音質量。但在低信噪比的情況下，μ律比A律略好。A律也用于國際通信，因此，凡是涉及到A律和μ律轉換的情況，都由使用μ律的國家負責。
我國電話網結構
圖中主體部分為一地市級電話網的結構。通常，話機（如c）通過一對電話線連接到距離最近的交換機上，該交換機稱為端局交換機（一般以區或縣為單位）。端局交換機通過局間中繼線連接到匯接局。為了保證安全，匯接局通常會成對出現，平常實行負荷分擔，一臺匯接局出現故障時與之配對的匯接局承擔所有話務。長途電話需要通過長途局與其它長途局相連。但根據話務量要求，匯接局也可以直接與其它長途局開通高速直達中繼。為節省用戶線，在一些人口比較集中的地方（如學校、小區），端局下會再設模塊局或接入網，用戶則就近接入到模塊局上。
智能網一般用于實現電話卡、預付費或400/800類業務，前幾年新布署的NGN（Next Generation Network，下一代網絡，一般指軟交換）則支持更靈活、更復雜的業務。
但是技術發展很快，響應國家“光進銅退”^1-2的號召，直接光纖到戶，就全網都能IP化了。新技術代替舊技術，給用戶帶來了五彩斑瀾的業務，但老舊的技術永遠有讓人值得懷念的地方，那就是原來的電話線是帶電的，家里停電不影響打電話。但光纖是不能饋電的，因而沒有了銅線，停電以后用戶就不能打電話了（除非加UPS）。
時分復用與局間中繼
時分復用
通過將多個信道以時分復用的方式合并到一條電路上，可以減少局間中繼線的數量。通過將32個64*k*的信道利用時分復用合并到一條2M（ 64*k* × 32 = 2.048*M* ，通俗來說就直接叫一個2M）電路上，稱為一個E1（在北美和日本，是24個64k復用，稱為T1，速率是1.544*M*）。在E1中，每一個信道稱作一個時隙。其中，除0時隙固定傳同步時鐘，其它31個時隙最多可以同時支持31路電話（有時候會使用第16時隙傳送信令，這時最多支持30路電話）。
局間中繼
這些連接交換機(局)的2M電路就稱為局間中繼。隨著話務量的增加，交換機之間的電路越開越多，目前通常的做法是將63個2M合并到一個155M（2×63+P=155，其中P是電路復用的開銷）的光路（光纖）上，在SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步數字傳輸體系）技術中稱為STM-1（Synchronous Transfer Module，同步傳輸模塊）。
信令
用戶設備（如話機）與端局交換機之間，以及交換機與交換機之間需要進行通信。這些通信所包含的信息包括（但不限于）用戶、中繼線狀態，主、被叫號碼，中繼路由的選擇等。我們把這些消息稱為信令（Signaling）。
信令分類
信令主要有以下幾種分類方式：
按信令的功能分
- 線路信令：具有監視功能，用來監視主被叫的摘、掛機狀態及設備忙閑。
- 路由信令：具有選擇功能，指主叫所撥的被叫號碼，用來選擇路由。
- 管理信令：具有操作功能，用于電話網的管理和維護。
按信令的工作區域分
-
用戶線信令：是用戶終端與交換機之間的信令。它包括用戶狀態（摘、掛機）信號及用戶撥號（脈沖、 DTMF ）所產生的數字信號，以及交換機向用戶終端發送的信號（鈴流、信號音）。
-
局間信令：是交換機和交換機之間的信令，在局間中繼線上傳送，用來控制呼叫接續和拆線。
用戶線信令少而簡單，中繼線信令多而復雜。
按信令的信道分
- 隨路信令：信令和話音在同一條話路中傳送的信令方式。
- 公共信道信令：是以時分方式在一條高速數據鏈路上傳送一群話路的信令的信令方式。
隨路信令信令傳送速度慢，信息容量有限（傳遞與呼叫無關的信令能力有限）。而公共信令傳送速度快、容量大、具有改變或增加信令的靈活性，便于開放新業務。
其它分類
其它的分類方式有帶內信令與帶外信令、模擬信令和數字信令、前向信令和后向信令、線路信令和記發器信令等，我們在這里就不多解釋了。有興趣的讀者可以自行搜索相關的關鍵詞進一步學習。
用戶線信令
用戶線信令是從用戶終端（通常是話機）到端局交換機之間傳送的信令。對于普通的話機，線路上傳送的是模擬信號，信令只能在電話線路上傳送，這種信令稱為帶內信令。話機通過電壓變化來傳遞摘、掛機信號；通過DTMF（Dual Tone Multi Frequency，雙音多頻。話機上每個數字或字母都可以發送一個低頻和一個高頻信號相結合的正弦波，交換機經過解碼即可知道對應的話機按鍵）傳送要撥叫的電話號碼。另外，也可以通過移頻鍵控（FSK, Frequency Shift-keying）技術來支持“主叫號碼顯示”，俗稱“來電顯示”（Caller ID或CLIP，Caller Line Identification Presentation，主叫線路識別提示）。
與普通電話不同，ISDN（Integrated Service Digital Network，綜合業務數字網）在用戶線上傳送的是數字信號。它的基本速率接口（BRI，Base Rate Interface）使用144k的2B+D信道---兩個64k的B信道及一個16k的D信道。其中B信道一般用來傳輸話音、數據和圖像，D信道用來傳輸信令或分組信息。
2B+D的ISDN最初為了解決用戶線上的語音與數據與同步傳輸問題，野心勃勃。但事實上，2B+D的ISDN并不像傳說中的那么美，而且需要專門的NT1終端設備，在我國并沒有發揮出它應有的作用，后來很快被ADSL技術取代了。
局間信令
局間信令主要在局間中繼上傳送。一般一條信令鏈路通常只占用一個64k的時隙。一條信令消息通常只有幾十或上百個字節，一條64*k*的電路足以容納成千上萬路電話所需要的信令。但隨著技術的進步，話務量的上漲以及更多增值業務的出現，完成一次通話需要更多的信令消息，因此出現了2M速率的信令鏈路，即整個E1鏈路上全部傳送信令。
目前常見的局間信令有ISDN PRI(Primary Rate Interface，基群速率接口）信令和七號信令。PRI是在跟話路同一個E1上傳送的，通常使用第16時隙，而0時隙傳同步信號，其它30個時隙可傳輸通話信息，因此又稱為30B+D（與上面的2B+D相對）。
與PRI信令不同，七號信令除可以與話路在同一個E1上傳送外，還可以在專門的用于傳送信令鏈路的E1中繼上傳送的，因而它組網更加靈活，支持更大的話務量。我國的電話網絡中有專門的七號信令網。
但支持七號信令的每個通信設備都需要有一個全局唯一信令點編碼，而信令點編碼資源是比較有限的。因而，七號信令主要在運營商的設備上使用，而運行商與用戶設備（如PBX）一般使用PRI信令對接。
七號信令
七號信令（SS7，Signaling System No. 7）是目前我國使用的主要的信令方式，用于局間通信。
用戶a A交換機 B交換機 用戶b| | | || 摘機 |------------>| | || 撥號音 |<------------| | || 撥號 IAM |------------>|------------>| || 回鈴音 ACM 振鈴|<------------|<------------|------------>|| 通話 ANC 接聽|<------------|<------------|<------------|| <========== 通 話 ==========> |-------------------------------------------------------| 主叫掛機 CLF 送催掛音 |------------>|------------>|------------>|| RLG| |<------------| | -------------------------------------------------------| <========== 通 話 ==========> || 送催掛音 CBK 被叫掛機 |<------------|<------------|<------------|| CLF || |------------>| || | RLG | || |<------------| |我們來看一次簡單的固定電話的通話流程。如上圖。用戶a摘機，與其相連的A交換機根據電壓、電流的變化檢測到A摘機后，即送撥號音，同時啟動收號程序。a開始撥號，待A交換機號碼收齊后，即查找路由，發送IAM（Initial Address Message，初始地址消息）給B交換機。B向A發ACM（Adress Complete Message，地址全消息）并通知話機b振鈴，A向a送回鈴音。這時如果b接聽電話，則B向A發送ANC（Answer Charge，應答計費消息），a與b開始通話，同時A對a計費^1-3。
通話完畢，如果主叫掛機，則本端交換機A向對端B發送CLF（前向釋放消息），B向A回RLG（Rlease Gard，釋放監護消息），并向b送催掛音（嘟嘟嘟 ...）。
如果被叫掛機，則B向A發送CBK（Clear Backword，后向釋放消息），A回送CLF，最后B回RLG。
上面在交換機A與B之間傳遞的為七號信令中的TUP（Telephone User Part，電話用戶部分）部分。目前，由于ISUP（ISDN User Part，ISDN用戶部分）能與ISDN互聯并提供比TUP更多的能力和服務，已基本取代TUP而成為我國七號信令網上主要的信令方式。ISUP信令與TUP互通時的對應關系如下：
端局A 匯接局TM 端局B| ISUP | TUP || | || IAM(IAI) | IAM ||------------>|------------>|| ACM | ACM | |<------------|<------------|| ANM | ANC ||<------------|<------------|| <====== 通 話 ======> |-------------------------------------------------------| REL | CLF | <-- 主叫掛機|------------>|<------------|| RLC | RLG ||<------------|-------------|-------------------------------------------------------| <====== 通 話 ======> || REL CBK | <-- 被叫掛機|<------------|<------------|| RLC CLF ||------------>|------------>|| | RLG || |<------------|以上為端局A與端局B經過匯接局TM匯接通信中ISUP與TUP信令轉換的例子。ISUP信令的初始地址消息有IAM和IAI（IAM With Additional Information，帶附加信息的IAM）兩種，后者能提供更多的信息（如主叫號碼等）。另外ISUP信令的拆線信號不分前向后向，只有REL（Release，翻譯）和RLC（Release Complete，釋放完成）。
電路交換與分組交換
電路交換
傳統的電話都是基于電路交換。由于電路交換在通信之前要在通信雙方之間建立一條被雙方獨占的物理通路（由通信雙方之間的交換設備和鏈路逐段連接而成），因而有以下優缺點。
優點：
- 由于通信線路為通信雙方用戶專用，數據直達，所以傳輸數據的時延非常小。
- 通信雙方之間的物理通路一旦建立，雙方可以隨時通信，實時性強。
- 雙方通信時按發送順序傳送數據，不存在失序問題。
- 電路交換既適用于傳輸模擬信號，也適用于傳輸數字信號。
- 電路交換的交換的交換設備（交換機等）及控制均較簡單。
缺點：
- 電路交換的平均連接建立時間對計算機通信來說較長。
- 電路交換連接建立后，物理通路被通信雙方獨占，即使通信線路空閑，也不能供其他用戶使用，因而信道利用率低。
- 電路交換時，數據直達，不同類型、不同規格、不同速率的終端很難相互進行通信，也難以在通信過程中進行差錯控制。
分組交換
我們熟悉的IP交換就采用分組交換的方式。它仍采用存儲轉發傳輸方式，但將一個長報文先分割為若干個較短的分組，然后把這些分組（攜帶源、目的地址和編號信息）逐個地發送出去，因此分組交換除了具有報文的優點外，與報文交換相比有以下優缺點：
優點：
- 加速了數據在網絡中的傳輸。因為分組是逐個傳輸，可以使后一個分組的存儲操作與前一個分組的轉發操作并行，這種流水線式傳輸方式減少了報文的傳輸時間。此外，傳輸一個分組所需的緩沖區比傳輸一份報文所需的緩沖區小得多，這樣因緩沖區不足而等待發送的機率及等待的時間也必然少得多。
- 簡化了存儲管理。因為分組的長度固定，相應的緩沖區的大小也固定，在交換結點中存儲器的管理通常被簡化為對緩沖區的管理，相對比較容易。
- 減少了出錯機率和重發數據量。因為分組較短，其出錯機率必然減少，每次重發的數據量也就大大減少，這樣不僅提高了可靠性，也減少了傳輸時延。
- 由于分組短小，更適用于采用優先級策略，便于及時傳送一些緊急數據，因此對于計算機之間的突發式的數據通信，分組交換顯然更為合適些。
缺點：
- 盡管分組交換比報文交換的傳輸時延少，但仍存在存儲轉發時延，而且其結點交換機必須具有更強的處理能力。
- 分組交換與報文交換一樣，每個分組都要加上源、目的地址和分組編號等信息，使傳送的信息量大約增大5%～10%，一定程度上降低了通信效率，增加了處理的時間，使控制復雜，時延增加。
- 當分組交換采用數據報服務時，可能出現失序、丟失或重復分組，分組到達目的結點時，要對分組按編號進行排序等工作，增加了麻煩。若采用虛電路服務，雖無失序問題，但有呼叫建立、數據傳輸和虛電路釋放三個過程。
總之，若要傳送的數據量很大，且其傳送時間遠大于呼叫時間，則采用電路交換較為合適；當端到端的通路有很多段的鏈路組成時，采用分組交換傳送數據較為合適。從提高整個網絡的信道利用率上看，報文交換和分組交換優于電路交換，其中分組交換比報文交換的時延小，尤其適合于計算機之間的突發式的數據通信。
VoIP
維基百科上是這樣說的:
IP電話（簡稱VoIP，源自英語Voice over Internet Protocol；又名寬帶電話或網絡電話）是一種透過互聯網或其他使用IP技術的網絡，來實現新型的電話通訊。過去IP電話主要應用在大型公司的內聯網內，技術人員可以復用同一個網絡提供數據及語音服務，除了簡化管理，更可提高生產力。隨著互聯網日漸普及，以及跨境通訊數量大幅飆升，IP電話亦被應用在長途電話業務上。由于世界各主要大城市的通信公司競爭日劇，以及各國電信相關法令松綁，IP電話也開始應用于固網通信，其低通話成本、低建設成本、易擴充性及日漸優良化的通話質量等主要特點，被目前國際電信企業看成是傳統電信業務的有力競爭者。詳細內容參見維基百科上的IP電話^1-4。
目前，VoIP呼叫控制協議主要有SIP、H323，以及MGCP與H.248/MEGACO等。H323是由ITU-T（國際電信聯盟）定義的多媒體信息如何在分組交換網絡上承載的建議書。它是一個相當復雜的協議，使用起來很不靈活。而SIP則是IETF（互聯網工程任務組）開發的（RFC3261），它是一種類似HTTP的基于文本的協議，很容易實現和擴展，被普遍認為是VoIP信令的未來。
轉自：?http://www.ituring.com.cn/article/33939
總結
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