《VoIP技术构架(第2版·修订版)》一1.2 PSTN基础-阿里云开发者社区

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《VoIP技术构架(第2版·修订版)》一1.2 PSTN基础

简介:

本节书摘来自异步社区《VoIP技术构架(第2版·修订版)》一书中的第1章,第1.2节,作者【美】Jonathan Davidson , James Peters , Manoj Bhatia , Satish Kalidindi,更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看

1.2 PSTN基础

VoIP技术构架(第2版·修订版)
解释PSTN网络的每一个组件是一件很困难的事情,所以我们在本节里只解释PSTN网络的一些重要组成。下面我们将主要讨论声音如何在数字网络上传播的、基本电路交换概念和电话号码为什么要遵从E.164 编码格式。

注释:

E.164是ITU-T定义的国际公共通信编码规则,主要应用于PSTN和其他数据网络。它也定义了电话号码的格式。E.164号码最多有15位数字且通常使用 + 开头。如果是国际电话,那就添加相应的国际区号。

1.2.1 模拟与数字信号

我们所听到的所有声音,包括人说话的声音,都是模拟的。就在几十年前,电话网络也是基于模拟构架的。

虽然对于人类的交流来说,模拟信号非常理想,但很难将其与线路的噪声区分开来(语音线路旁的电器或无线发射器经常会产生线路噪声[line noise])。电话线路对于自感应及附近的电路电线产生的电压非常敏感。在早期的电话网络中,模拟信号的传送通过放大器来传送信号。但是放大器不仅放大了声音,也放大了噪声。而这些线路噪声经常导致线路不可连接。

模拟通信是时间和振幅的混合。图1-4展示了一个模拟波形,这就是在示波器下人的声音的示例。

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如果电话离端局交换机(end office switch)(电话的物理线路就是连在这台交换机上的)很远的话,就需要一个放大器来传送模拟信号(您的声音)。如果模拟信号混杂了线路噪声,会扭曲模拟波形而使接听断断续续。如果在您的家和端局交换机之间有许多放大器的话,那么对于听者会更为明显。图1-5表明了放大器只是简单地放大了进入的信号(包括语音的失真),而不是使信号清晰。这种一个语音信号通过几台放大器的过程称为累积噪声(accumulated noise)。

在数据网络中,线路噪声就不是什么问题了。因为中继器(repeater)不仅仅是放大信号,而且会清除噪声,使信号回到初始状态。因为数据通信是基于1和0的,所以才能做到这点。因此,如图1-6所示,中继器(数字放大器)只需要决定是重新产生1还是0。
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这样,当信号被重复发送时,一个清晰的声音就产生了。当这种数字表示方法的好处被人们意识到的时候,电话网络进入了脉冲编码调制(Pulse Code Modulation,PCM)时代。

1.2.2 数字语音信号

PCM是一种最通用的将模拟语音信号转成以1和0表示的数字信号的方法。所有的采样技术都采用Nyquist定理。按照Nyquist定理,如果您的取样率是最高模拟频率的两倍,就可以得到高质量的语音传输。

下面介绍PCM的编码过程。

1.模拟波形通过一个音频过滤器(voice frequency filter)时将所有超过4kHz的部分过滤出来。过滤4kHz的部分是为了尽量减少语音网络中的串话。根据Nyquist定理,您需要每秒采样8 000次以得到高质量的语音传输。

2.过滤后的模拟信号以每秒8 000次的频率采样。

3.波形被采样后转成离散数字形式。采样数据用一个代码表示。这个数字指示了被采样时的振幅。PCM的电话学形式使用8bit表示代码(code)和压缩算法以给予低振幅信号更多的位数。

用8位乘以8 000次/s,就可以得到64 000bit/s。所以电话基础设施的基础是64 000bit/s(或者说64kbit/s)。

通常使用的64kbit/s的PCM有两种: 律(北美标准)和A律(欧洲标准)。这两种方法很相似,都是采用压缩算法使8bit的PCM编码可以得到12bit到13bit的质量。

但它们也有着细小的差别。比如说, 律在低信号/噪声比率的情况下要比A律好。

注释:

在长途电话情况下,所有μ律到A律的转换都由使用μ-law国家负责。

1.2.3 本地回路、中继线以及交换机间通信

电话基础设施开始于您家中的一对铜线。这对铜线称为本地回路(local loop)。本地回路物理上连接了家中的电话和中心局交换机(central office switch,也称为5类交换机[class 5 switch]或端局交换机[end office switch])。家中电话与中心局之间的通信线路称为电话线(phone line),电话线通常运行在本地回路上。

中心局(central office)之间的通信线路称为中继线(trunk)。和在每个想通话的人家之间都铺设物理线路是不经济的一样,在每个中心局交换机之间都铺设物理线路也是不经济的。由图1-7您可以看出,一个网状的电话网络不如一个层次的电话网络易于扩展。

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目前的交换机都是以层次结构部署的。端局交换机(或中心局交换机)通过中继线与级联交换机(tandem switche)(也称为4类交换机)相连,高层的级联交换机与区域级联交换机相连接。图1-8展示了一个典型的交换机层次模型。

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中心局的交换机经常是直接互相连接的。通常根据话务量来决定中心局交换机是否直接相连接。如果两个中心局交换机之间有足够的话务量,那么一般在这两个交换机之间铺设一条专线(dedicated circuit)来负载来自区域级联交换机的电话流量。PSTN的某些部分使用多达5层的交换机。

到这里您应该了解了PSTN为什么和怎样被分成交换机层次结构的,您需要了解他们是怎样物理连接以及这个网络是怎样通信的。

1.2.4 PSTN信令

一般来讲,在各种传输介质上有两种信令方式(signaling method)。这两类信令方式为:

用户信令(user to network signaling)——用户电话怎样与PSTN通信;
局间信令(network to network signaling)——PSTN中的交换机之间是怎样通信的。
1.用户信令
通常来说,当使用双绞线(twisted copper pair)作为传输介质时,用户电话通过模拟、综合业务数字网(Integrated Services Digital Network,ISDN)或T1线路连接至PSTN。

电话机与交换机之间的模拟通信使用最多的信令方式是双音多频(Dual Tone Multi-Frequency,DTMF)。因为音调通过语音线路传播,所以DTMF属于带内信令(in-band signaling)。图1-9表明了DTMF的键盘是怎样组织的。

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DTMF的拨号键盘是一个4×4的矩阵,每一行代表一个低频,每一列代表一个高频。

每按一个键(比如0)就发送一个高频和低频的正弦信号组合(941和1336Hz)。因为发送两个音调,所以称为双音多频。这些音调随后由交换机解码来确定所对应的按键。

当用户摘下电话听筒按键时(见图1-9),拨号音通过您的电话传送给您的电话所连接的终端局交话机,告诉它您想拨叫的号码。

ISDN使用另一种称为带外(out-of-band)信令的方式。在这种方式下,信令通过声音以外的频道传送。用于传输声音、数据和传真的频道称为B信道(B channel),B信道是64kbit/s的。承载信号的信道称为控制信道(control channel)或D信道(D channel)。

基本速率接口(Basic Rate Interface, BRI)服务是入门级的服务,提供了两个64kbit/s的B信道和一个16kbit/s的D信道,简称2B+D。BRI主要是为了迎合大多数个人用户和小办公室用户的需要。

基群速率接口(Primary Rate Interface, PRI)服务比BRI服务有了更多的扩展。PRI提供23个64kbit/s的B信道和一个64kbit/s的D信道(23B+D)。PRI主要提供给有大量语音,数据和传真需求的大企业使用。图1-10展示了BRI由两个B信道和一个D信道组成。

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带外信令有如下的优点:

信令被整合到一个信道内;
减少了双占用(glare,当通话双方同时通话时出现双占用);
较低的拨号后时延;
实现了如更高的带宽等附加功能;
因为建立消息不像DTMF音频那样受线路噪声影响,所以连接成功率更高。
带内信令受到很多问题的干扰,其中最大的就是音调丢失(lost tones)。音调丢失经常发生在信令在语音线路上承载时,这也是人们在远程访问语音信箱时会遇到问题的一个主要原因。

2.局间信令
局间通信通常在如下的传输介质上传送。

双绞线上的T1/E1载波线路。
T1主要用于北美和日本,为1.544Mbit/s的数字传输链路;
E1主要用于欧洲,为2.048Mbit/s的数字链路。

同轴电缆上的T3/E3、T4载波线路。

T3承载28条T1或者672个64kbit/s连接,速率为44.736Mbit/s;T3承载16条T1或者512个64kbit/s连接,速率为34.368Mbit/s;T4承载168条T1或者4 032个4kbit/s连接,速率为274.176Mbit/s。
微波线路上的T3、T4载波线路。
光介质上的同步光纤网络(Synchronous Optical Network,SONET)。
SONET通常部署为OC-3(155.52Mbit/s),OC-12(622.08Mbit/s),与 OC-48(2.488Gbit/s)速率。

局间信令包括如多频(Multi-Frequency,MF)与强取比特信令(Robbed Bit Signaling,RBS)在内的带内信令。这些信令类型也可以用于承载网络信令方式。

数字承载系统(T1、T3)使用A和B位来表明摘挂机状态(on/off hook)。

通过设置A/B位来模仿单频(Single Frequency,SF)音调。(SF通常使用信号的出现、消失来传送A/B位)。这些信息位可能被从信息信道中强取(robbed)出来或者整合到一个普通信道中。关于信令类型的更多信息,请参看第3章。

MF与DTMF相似,但使用不同的频率。MF也是带内传送,不同的是,MF是在交换机之间传送的,而DTMF是在用户电话与端局交换机。

局间信令也使用带外信令7号信令系统(Signaling System 7,SS7)(或者欧洲的C7)。本小节中只涉及SS7的好处,更多的内容在第4章中。

注释:

SS7因为是带外信令而有很多好处。它主要用于智能网(Intelligent Network,IN)。连接到智能网使PSTN可以提供定制本地信令业务(Custom Local Area Signaling Service,CLASS)
SS7是一种在交换机之间传送信息的方式,它是拨叫控制和CALSS的基础。CLASS服务仍然依靠端局交换机和SS7网络。SS7被用来连接交换机和数据库以提供基于网络的服务(如800服务和本地号码可移植性[Local Number Portability,LNP])。

使用SS7有如下的好处。

减少拨号后延迟。
没有必要在每个PSTN跳上传送DTMF音频。SS7网络在一个初始建立消息中传送所有呼叫与被叫号码。在使用带内信令时,传送每个MF音频通常需要50ms。也就是说,在每一个PSTN跳跃上有至少0.5s的延迟。我们是按照11位号码拨叫(11MF音频×50ms = 550ms)计算出这个数字的。
提高了成功接通率。
SS7是一个基于分组交换的,带外信令协议,而DTMF与MF是带内信令。在一个分组中包含了所有的必要信息(电话号码、服务等)比在带内每次拨号都要产生一个音频要快多了。
到智能网(IN)的连接。
这些连接提供了可以在众多厂商的交换设备上透明传输的新应用与业务,同时也能够更快地产生新的业务和应用。
为了进一步描述PSTN,让我们来举例说明——比如说我要从我的家里给我10英里外的祖母家打电话。这个电话要经历一个端局交换机、7号信令网络(只是信令)和另一个端局交换机。图1-11表明了这个电话是怎样从我家到祖母家。

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为了更好地解释图1-11,我们来跟踪一下这个电话。

1.我拿起电话,则电话机向端局交换机发送一个摘机指示。

2.交换机回送一个拨号音。

3.我拨打祖母家的电话号码(它们通过DTMF带内传送)。

4.交换机解释这些数字,然后向SS7网络发送一个初始地址消息(Initial Address Message,IAM),或建立消息(setup message)。

5.SS7网络阅读到达的IAM后向祖母的交换机发送一个新的IAM。

6.祖母的交换机向祖母家的电话传送一个建立消息(她的电话会振铃)。

7.祖母的交换机向SS7网络通过地址完全消息(Address Complete Message,ACM)回送警告消息(警告与电话振铃是一样的)。

8.SS7网络阅读到达的ACM消息,然后产生一个ACM消息给我的交换机。

9.我听到铃声响了,知道奶奶家的电话正在振铃(铃声是不同步的,您的地域交换机通常在接到来自SS7网络的ACM消息后振铃)。

10.奶奶拿起电话,则电话会向她的交换机发送一个摘机指示。

11.奶奶的交换机向SS7网络发送一个应答消息(ANswer Message,ANM),然后向我的交换机发送一个新的ANM消息。

12.连接消息被发送给我的话机(只有当我的电话是ISDN电话时),然后一个连接确认被回送(同样,只有当我的电话是ISDN电话时)。如果不是ISDN电话,则摘机或挂机信号被传送到端局交换机。

13.直到挂机前我都可以和我祖母谈话(挂机指示)。

14.当我挂机时,我的挂机被解释为不连接,而在SS7解释为释放(RELEASE,REL)消息。祖母那端的交换机通过释放资源以响应RELEASE消息,并在释放后发送释放完成消息(RELEAE Complete,RLC)来确认释放完成。当我这方的交换机也释放完资源,呼叫断开就完成了。

如果我祖母的电话占线,我可以使用智能网(IN)的功能来预订她的线路,当她结束谈话后,PSTN会回拨我的电话。

到目前为止,我们描述了PSTN的基本功能。在下一节中我们会讨论PSTN中的通用服务和应用。

如果您需要有关PSTN信令类型的更多信息,请参照第3章、第4章。

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