回声消除技术

“在PBX或局用交换机侧，有少量电能未被充分转换而且沿原路返回，形成回声。如果打电话者离PBX或交换机不远，回声返回很快，人耳听不出来，这种情况下无关紧要。但是当回声返回时间超过10ms时，人耳就可听到明显的回声了。为了防止回声，一般需要回声消除技术，在处理器中有特殊的软件代码监听回声信号，并将它从听话人的语音信号中消除。对于IP电话设备，回声消除技术是十分重要的，因为一般IP网络的时延很容易就达到40～50ms。 ”

一、 因特网语音通信中回声的特点

与传统电话相比，因特网上进行语音的实时传输，有其致命的弱点，那就是语音质量较差，影响因特网语音质量的因素是多方面的，最关键的因素之一是回声的影响。因此，要提高因特网的语音质量，就必须在因特网的语音传输过程中进行消回声的处理，也就是说，IP电话网关作为因特网的语音接入设备，几须具有回声的消除功能。由于因特网的语音传输是采用分组交换技术实现的一种全新的电信业务，传送的语音信号要经过编码、压缩、打包等一系列处理，这不仅造成回声路径的延迟较大，而且延迟抖动也较大。因此，在因特网的语音传输过程中，回声问题显得尤其突出，并具有如下特点。

1、 回声源复杂

在传统电话系统中，存在着一种所谓的”电路回击”。该回声产生的主要原回是在系统中存在2-4线的转换。完成2-4转换的混合器因阻抗匹配，造成” 泄漏”，从而导致了”电路回声”。从因特网IP电话网关的连接方式可以看出，IP电话网关一端连接PSTN，另一端连接因特网。

尽管电路回声产生于PSTN中，但同样会传至于IP电话网关，是因特网语音传输中的回声源之一，因特网语音传输中的第二种回声源是所谓的”声学回声”。声学回声是指扬声器播放出来的声音被麦克风拾取后发回远端，这就使得远端谈话者能听到自己的声音。声学回声又分为直接回声和间接回声。直接回声是指扬声器播放出来的声音未经任何反射直接进入麦克风。这种回声延迟最短，它与远端说话者的语音能量，扬声器与话筒之间的距离、角度、扬声器的播放音量以及话筒的拾取灵敏度等因素相关。间接回声是指扬声器播放的声音经不同的路径一次或多次反射后进入麦克风所产生的回声集合。因为周围物体的变动，例如人的走动等，都会改变回声的返回路径，因为这种回声的特点是多路径、时变的。另外，背景噪声也是产生回声的因素之一。

2、 回声路径的延迟大

在因特网中的语音传输中，延迟来源有三种：压缩延迟、分组传输延迟和处理延迟。语音压缩延迟是产生回声的主要延迟，例如在G.723.1标准中，压缩一帧（30ms）的最大延迟是37.5ms。分组传输延迟也是一个很重要的来源，测试表明，端到端的最大传输延迟可达250ms以上。处理延迟是指语音包的封装时延及其缓冲时延等。

3、 回声路径的延迟抖动大

在因特网的语音传输过程中，由于回声路径、语音压缩时延、分组传输路由等存在诸多不确定因素，而且波动范围较大，一般在20~50ms之间。

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基于SIP协议的IP电话系统设计与实现介绍

网络IP电话不仅具有成本低廉、网络资源利用率高等诸多优点，而且还可以进一步集成多媒体信息（包括语音、图像、数据等），以实现交互式的实时通信等，具有很大的发展潜力，且有逐渐取代传统PSTN电话的趋势，成为NGN（Next General Network）中语音信息传输的主要形式。

目前构建IP电话系统结构的信令协议主要有H.323协议和SIP协议，二者完全平行，互不兼容。H.323协议是为多媒体会议系统而提出的。该协议采用传统电信网络繁琐的信令概念，非常庞大，无论从实现技术手段，还是使用和管理方法上都十分复杂。而SIP协议则是以现有的Internet协议为基础来构架IP电话业务网的应用层协议。它将网络设备的复杂性推向网络边缘，支持单播、多播通信、名称映射和重定向业务，还支持类似呼叫转发、呼叫拒绝等电信业务的实现以及支持用户移动性。与H.323相比，SIP更适用于智能用户终端，使用更加灵活，掌握更加容易。鉴于此，本文提出了一种客户机－服务器模式的符合SIP协议规范的IP电话系统设计实现方案。

该系统具有以下特点：

（1）它采用IP－IP通信模式；

（2）电话终端设备直接与用户机USB接口相连，可方便地实现与被叫者的文本、语音等数据的可靠传输；

（3）系统包含完整的用户数据管理系统和网络通话管理控制系统；

（4）提供较高的QoS。

该系统充分利用SIP协议，提供了诸多增值服务，使得系统除具备普通电话的功能和业务外，还可以提供自主设置留言、来电过滤、跟踪呼叫等多种功能，适用于大中型企业集团或单位内部使用。

1、 SIP协议概述

总体来说，SIP协议支持多媒体通信中以下几个方面的功能：

(1)用户定位：确定通信中终端的位置；

(2)用户可用性：确定被叫方是否愿意参与通信；

(3)性能协商：确定通信中所用媒体及媒体参数；

(4)会话建立：呼叫双方会话参数的建立；

(5)会话管理：包括会话转移和中止、会话参数变更、调用新业务等内容。

SIP协议是一个客户服务器协议，用于发起和管理用户间的会话。SIP终端系统称为用户代理，即UA（User Agent），含用户代理客户机UAC(User Agent C1ient)和用户代理服务器UAS(User Agent sever)两部分。中间单元称为代理服务器。它的消息分为两大类：从客户端到服务器的请求(Request)和从服务器到客户端的响应 (Response)。无论请求消息还是响应消息都是由起始行(Start-Line)、消息头部(Message—Header)和可选的消息体 (Message—Body)构成。

请求消息按请求行（起始行）可分为：

(1)Register：用于登记联系信息；

(2)Invite：用于邀请用户加入会话；

(3)ACK：用于对请求成功后作出的确认；

(4)Cancel：用于取消未完成的请求；

(5)Bye：会话结束；

(6)0pions：用于询问服务器的性能。

响应消息按状态行（起始行）中的状态码（3位），可分为：

(1)1XX：暂时响应；

(2)2XX：成功响应；

(3)3XX：重定向响应；

(4)4XX：客户端出错；

(5)5XX：服务器出错；

(6)6XX：全局故障。

SIP协议支持3种呼叫方式：用户代理客户机（UAC）向对方用户代理服务器（UAS）直接呼叫；由代理服务器代表用户代理向客户服务器发起代理呼叫（图1）；由用户代理客户机在重定向服务器的辅助下进行重定向呼叫（图2）。呼叫方式2需要代理服务器转发用户的呼叫信令，因而加大了信息处理量。为了有效地将网络设备的压力推向网络边缘，呼叫信令3只指明目的地的方向，不保留每一呼叫状态，从而为组建大规模的IP网奠定基础。

2、 系统设计方案

本文给出的符合SIP协议规范的IP电话系统设计方案，采用客户机－服务器模式，主要由基于USB接口的IP电话终端设备、计算机网络终端(内含 SIP用户代理)、局域网（或Internet网络）、SIP网络服务器等组成。其系统结构示意图见图3。整个系统布局分为若干域，每个子公司或部门为一个域，每个域内有多个终端用户，并由一服务器管理控制。

2.1 系统基本工作流程

（1）用户注册

用户开机上线后，通过用户代理客户机自动向其所在域的服务器端发送注册信息；该服务器的SIP注册服务模块接收注册信息后，要先对客户端进行身份验证，确认其合法后再对该用户的状态信息、IP地址信息等进行更新。

（2）会话建立

在本系统设计方案中采用代理呼叫和重定向呼叫相结合的方式进行会话建立。即同一域内客户之间采用代理呼叫方式，域之间采用重定向呼叫方式。

假设1域的用户A准备要与用户B建立一次通话时，A首先通过其用户代理客户机将呼叫请求传至其所在域的代理服务器1，服务器1首先判断B是否也属于该服务器所管理的域。

如果B和A同属1域，则通过该域服务器进一步查找B的有关信息，进行精确定位，服务器1判定B是否为可接通状态，如可以则将A的呼叫请求直接转发给B，否则向A返回拒绝信息。

如果B不在1域，而在其它域（如2域），则代理服务器1将请求信息转发至2域的重定向服务器2，重定向服务器2对B进行精确定位，并判定B是否为可接通状态，如可接通则将B的精确地址信息传送给代理服务器1，代理服务器1将A的呼叫请求传送给B；否则向代理服务器1返回不可接通信息，代理服务器1再向A返回拒绝信息。

（3）通话过程

如果A和B之间的通信链路建立成功，则他们之间直接进行通信直至会话结束，通话结束时向代理服务器发送会话结束请求。

2.2 服务器端设计

本系统中每个域都由一服务器负责管理和控制，其相当于该域中的智能集线器，即网守（Gatekeeper）。每个网络服务器主要分四个功能模块：代理服务模块、重定向模块、注册服务模块和增值业务模块。

(1) SIP代理服务模块(SIP proxy)

SIP代理服务模块接收到UAC呼叫请求后，通过对呼叫ID的解析确定被叫方所在域，然后将请求转发至下一跳服务器或UAS。

(2) SIP重定向服务模块(SIP redirect module)

SIP重定向模块收到请求，完成地址解析，将被叫方的地址信息返回给呼叫方，让呼叫方直接向下一跳发送请求。

(3) SIP注册服务模块(SIP register module)

SIP注册服务模块用于为新用户分配ID号，以及用户登陆注册后地址等信息的更新，同时提供定位服务

(4)SIP增值业务模块（SIP value-added module）

由于服务器端除具备SIP协议中网守的功能外，还负责管理IP系统的数据库。它利用IP系统数据库提供的所有会话详细记录、客户注册信息等开放的接口，为用户提供多种SIP增值业务服务，诸如计费管理、话单查询、用户留言、来电过滤以及跟踪呼叫等。

系统的运行、使用以及增值业务等功能模块基本是以客户注册和会话详细记录等表为中心进行的。此外还有许多其它重要数据表，如用户IP地址表，用户费用表、级别权限表、业务表等。

2.3 客户端设计

客户端主要分两个模块：用户代理模块和语音模块。

（1）SIP用户代理模块（UA）又分为用户代理客户机(UAC)模块和用户代理服务器（UAS）模块。其中UAC向其它客户或服务器发起呼叫，UAS负责响应其它客户或服务器的呼叫。

（2）语音模块包括音频数据的采集/播放、A/D转换、编/解码、收/发等子模块。其中数据采集/播放和A/D互转模块由数字电话机终端设备实现。本系统的终端设备为一特别设计的一款基于USB接口的数字电话机。它采用以MCU为控制中心的体系结构，具有拨号、语音采集播放和A/D互转等功能。其中语音采样速率为8kHz，样本精度为8bit。

数据编/解码模块、收/发模块都由客户端上层应用软件实现。这样不仅可以减小下位机的负载，降低设备成本，并且可以在不需改变系统硬件设备的条件下，完成整个IP电话系统的配置更改或系统扩展。

在选择话音编码方式时，综合考虑带宽、编码迟延、应用需求等因素采用CCITT推荐的G.723编码技术。

2.4 系统协议结构

由于SIP不是垂直通信系统，不能独立提供业务，它必须与其他协议共同使用来建立一个完整的多媒体体系结构。本设计方案采用的协议结构如下：

在应用层，SIP协议主要用于会话建立、管理和性能协商等，由于SIP协议本身提供了可靠的确认机制，故在传输层选用UDP协议来支持信令的传输。

实时流协议（RTSP）用于控制“一点到多点”的多媒体数据流。

为了保证较高的系统服务质量QoS，系统采用了资源预留协议(RSVP)

和实时传输控制协议（RTCP）。前者规定了IP网络的资源保护技术，可将资源预留给一个（或多个）给定的会话，并且该会话优先于任何试图参与双方之间的其它媒介交换；后者用来检测并潜在地解决发送问题，从而监控会话质量和检测网络问题达到对QoS的监控。

实时传输协议（RTP）用于完成端到端的话音数据的实时传输业务。由于基于SIP协议的IP电话系统得到了端到端的QoS支持后，使用UDP协议，在网络负荷较重时，可以避免在超时连接时导致呼叫建立时延的增加。因此本方案在传输层选用UDP来传送语音信息。这里可以将RTP看作是在UDP协议上运行应用服务，构成支持实时数据传递所需的传输功能的不同部分。在RTP报头中包含有效负载格式、序列号、时间戳以及传送监视等信息。由于RTP数据单元是用UDP分组来承载,为了尽量减少时延,话音净荷通常都很短。IP、UDP和RTP报头都按最小长度计算。在此方式中将多路话音插入话音数据段中,有助于提高传输效率。

2.5 系统安全机制

本设计方案重点对服务器端数据库管理和网络语音数据传输两个环节的安全问题做了考虑。它通过代理更新机制、身份鉴定和授权机制可有效提高服务器端的数据安全性。系统严格限定UA对服务器的操作指令权限，并对用户身份鉴定，给不同的用户以不同的权限。

根据需要，本系统可以对会话参与者之间传送的语音数据进行加密。在客户终端的语音发送和接受模块嵌入数据加密算法，这样即使数据被截获，也能有效避免泄密。

3、 小结

本文提出的基于SIP协议的IP电话系统设计具有投资小、成本低、方便实用，可靠性强、安全性好等优点。该系统建立在通用的计算机网络上，可在局域网或Internet上使用，对用户无特殊要求；另外还可扩展成融文本、视频会议于一体的网络交互式多媒体系统；由于终端较多地借助了PC资源，所以系统具备了较高的智能性；系统设计规范，管理模块集中化，不仅降低了成本，而且更便于系统的操作和维护。由于该系统秉承了TCP／UDP协议族的简单性，绝大多数功能通过软件实现，进行简单的改进，即可以满足不同的应用和需要。

什么是SIP协议？

会话发起协议

（Session Initiation Protocol，缩写SIP）是一个由IETF MMUSIC 工作组开发的协议，作为标准被提议用于建立，修改和终止包括视频，语音，即时通信，在线游戏和虚拟现实等多种多媒体元素在内的交互式用户会话。2000年11月，SIP被正式批准成为3GPP信号协议之一，并成为IMS體系结构的一个永久单元。SIP与H.323一样，是用于VoIP最主要的信令协议之一。

协议设计

SIP的設計目标之一是提供類似公用交换电话网(PSTN)中呼叫处理功能的扩展集。在这个扩展集中，實現类似日常电话的操作：拨号，振铃，回铃音或者忙音，只是实现方式和术语有所不同。

SIP也实现了许多信令系统7(SS7)中更高级的呼叫处理功能，尽管这两个协议相差很远。SS7是一个高度集中处理的协议，其特点表现为高复杂度的中心网络结构和无智能的哑终端(传统的电话機)。SIP则是一个点对点协议，所以它只需要一个相對简单的(因此也高度可扩展的)核心网络，而将處理工作下放給連接在网络边缘的智能端点(装有硬件或软件的终端设备)。SIP的许多功能在端点中实现，这与传统的SS7将其在网络核心設備实现的作法大異其趣。

尽管有许多其它的VoIP信号协议存在，SIP的特点在于它的支持者植根于IP团体而不是电信產业。SIP最初由IETF标准化和管理，而H.323VoIP协议则从传统上与ITU有着更多的联系。尽管如此，这两个组织对两个协议在某些方面都相互认可。

SIP与许多其它的协议协同工作，仅仅涉及通信会话的信令部分(control message)。SIP報文內容傳送会话描述协议(SDP)，SDP协议描述了会话所使用流媒体細節，如：使用哪個IP端口，采用哪種编解码器等等。SIP的一个典型用途是：SIP“会话”传输一些简单的经过封包的实时传输协议流。RTP本身才是语音或视频的载体。

第一个被提议的标准版本（SIP 2.0）在RFC 2543中定义。在RFC 3261中对这个协议有更深入的解释，尽管目前许多裝置仍然是參考以前的过渡版本而實現的。注意现在的版本还是2.0。

SIP同HTTP相似并采用了后者的一些设计原则：SIP報文是人类可读的，并且也是採取请求-应答的流程。SIP的倡导者宣称它比H.323简单。但是，有些人则保留地认为尽管SIP的原始目标很简单，现在它已經演變得跟H.323一 样复杂了。SIP借用了许多HTTP状态码，如常见的’404 not found’。SIP的发起者说：曾經在网络上出现的急速革新和应用发展的歷史将同样发生在电话產业上。SIP和H.323对语音通信毫无限制，能够传输 从语音到视频的任何通信会话，甚至未来还没有設想的应用。

SIP网络部件

拥有传统的电话机外表，触感和形状的硬件，但使用SIP和RTP通信的终端和设备，已经有多家厂商可以供货。这些产品中有些可以通过电子配号（ENUM）来把现存的电话号码翻译成使用DNS的SIP地址，所以即使你的服务商运营的网络还只是为传统电话号码服务的PSTN（并且对你收费），你也可以通过这些电话网络呼叫其它的SIP用户。

现在，软件SIP终端已经非常常见。微软公司的Windows Messenger使用了SIP。2003年6月，苹果电脑宣布并向公众发布了测试版的iChat AV，一个新版的兼容AOL Instant Messenger并支持通过SIP进行音视频聊天的客户端。

SIP要想成为实用的服务同样需要代理和注册网络部件。尽管两个SIP终端可以不藉由任何SIP基础设施的支持來进行通信（这也是为什么 SIP 被稱为点对点的協議），但是这种方式是不适于實際的公共服务。现在已经有了很多公司提供软交换系統（如Nortel，Sonus等许多公司）。其他的一些以Ubiquity Software和Dynamicsoft为首的公司已经实现了一些基于被提议的标准，建立在JavaJAIN规范上的产品。
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