ＩＰ電話（ＶｏＩＰ）

近年は電話もインターネット技術（ＴＣＰ／ＩＰ）を利用するようになりました。それをＩＰ電話といいます。電話では音声を伝えること、連続して通信するなど、Ｗｅｂページ閲覧や電子メールのような利用とは異なる仕組みがあります。ここでは、ＩＰ電話のしくについて学習します。/p>

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加入電話からＩＰ電話へ

従来の加入電話

スマートフォンのような移動する電話に対して、家庭やオフィス内に固定的に設置した電話を固定電話といいます。
　従来からの固定電話は、主にＮＴＴ東日本やＮＴＴ西日本（総称としてＮＴＴといいます）などが敷設した公衆交換電話網（ＰＳＴＮ：Public Switched Telephone Network）を利用する電話サービスに加入しています。これを加入電話といいます。
　加入電話にはＮＴＴのＩＳＤＮを用いるデジタル電話もありますが、ここでは省略します。

公衆交換電話網はアナログ回線で、加入電話では、音声のアナログ信号のまま伝送しています。　音声をアナログの電流信号に変換する方式は多様ですがＡＭ（振幅変調）方式だと図のようになります。基になる一定の周波数をもつ搬送波を、音声の振幅（強さ）に変えた変調波が、回線を流れる電気信号になるのです。この変換はアナログ電話機の中で行われます。

公衆交換電話網の構成

電話機から加入者交換機までの回線を加入者線といいます（インターネット利用でのアクセス回線に相当）。各家庭への引込線は２本対（全二重通信）のツイストペア（銅線）で、端子函で加入線を多数束ねています。すなわち、各家庭から加入者交換機までは物理的に独立した回線で常に直結しています。
加入者交換機には、加入者線と加入者電話番号のテーブルがあり、ダイアル先の電話番号がテーブルにあれば、その加入者線と接続して通話できます（市内電話）。
テーブルにないときは、中継交換機に転送し、市外局番により相手の中継交換機に転送、さらに加入者交換機へ転送して、加入者電話番号の加入者線と接続して通話できます（市外電話）。
これらの交換機間の回線を中継線（インターネットのバックボーン回線に相当）といいます。この中継線は、多重化（周波数分割多重化：ＦＤＭ）方式により、１本の光ケーブルに多数の通話を載せています。しかも多数の光ケーブルを束ねたケーブルになっています（無線を使うこともあります）

料金体系

加入電話は回線交換方式です。中継線は多重化していますが、論理的には多数の回線があり、通話中はその１回線を独占していることになります。
　近距離通話では加入者交換機での折り返しですので、中継線は使いません。遠距離通話では多数の交換機を経由し、長い中継線を使います。
　そのため、通話時間と遠近距離による料金体系になります。

また、ＮＴＴとの加入電話回線を契約には、電話加入権を得る必要があります。ＮＴＴの施設設置費用などを基本料の前払い的な位置付けで支払うのです。

加入電話からＩＰ電話への移行

近年はスマートフォンの普及により、固定電話設置数が減少しています。また、インターネットの普及により、固定電話がインターネットを利用したＩＰ電話への移行が進み、すでにＩＰ電話が過半数になっています。

（注）ＩＰ電話は、ＶｏＩＰ（Voice over Internet Protocol）という技術で実現しています。また、主にキャリアが運営する「光電話」（０ＡＢＪ型ＩＰ電話）とＩＳＰが運営する（狭義の）「ＩＰ電話」（０５０型ＩＰ電話）に区分できます（後述）。
　しかし、ＶｏＩＰ電話というのも不自然だし、双方の区分は曖昧で特に技術的には共通事項が多いことから、ここでは総称して「ＩＰ電話」ということにします。広義・狭義の区分は文脈で判断してください。

ＩＰ電話は、インターネットを使うことにより、電話料金が大幅に削減できます。

公衆交換電話網を使わないので、電話加入権が不要です。
インターネットでは遠近格差がありません。
パケット交換方式になるので、回線独占時間は通話時間ではなくパケット伝送時間になります。しかも、多くの場合はインターネット利用料金は固定料金制であり、電話料金はそのオプションになります。そのため、電話料金が見かけでは無料になることもあります。

ＮＴＴは、自社が運営している光電話への移行により加入者減少が進み、公衆交換電話網の維持管理費用が負担になってきました。将来の動向も考慮して、ＮＴＴは公衆交換電話網サービスの終了を予定してます。

（注）ここではインターネットとしましたが、正確にはキャリアやＩＳＰが設置したＶｏＩＰ基盤網（後述）です。他のインターネットとは隔離したネットワークですが、不特定の加入者が共同で利用するネットワーク形態であり、基本的なプロトコルがＴＣＰ/ＩＰであることから、インターネットと表現しました。

ＩＰ電話のプロトコルと機器

ＩＰ電話は、相手先を呼び出して接続する電話の機能と、アナログ信号である音声を、ＩＰパケットにして送信することが特徴です。

アナログ情報のデジタル化（Ａ／Ｄ変換）
音声のアナログ情報を、標本化、量子化、符号化を行い、デジタル情報にします。参照：デジタル化
デジタル情報のパケット化
デジタル情報を、原則として標本化の周期を送出周期としてフレームを作成し、あて先アドレスなど転送に必要な制御情報（ヘッダ）を付加します。これをＲＴＰ（Real-time Transport Protocol）といいます。
シグナリング（呼制御）
電話の発信、着信、応答、切断などを行います。代表的なシグナリングプロトコルにＳＩＰ（Session Initiation Protocol）があります。
通話
シグナリングで通話リンクが確立したら、電話同士で通話します。通話はＲＴＰによるＲＴＰパケットの送受信で行われます。

ＶｏＩＰ（Voice over Internet Protocol）

ＩＰ電話全般にわたる技術規格です。ＩＰ電話のことをＶｏＩＰということもあります。

Ａ／Ｄ変換とコーデック

電話で話し聞くのは音声のアナログ情報です。それをＴＣＰ／ＩＰで伝送するには、デジタル情報に変換すること、デジタル情報をアナログ情報に復元することが必要です。それをＡ／Ｄ変換といいます。
　Ａ／Ｄ変換は、標本化、量子化、符号化のステップになります。→参照：デジタル化

標本化

音声情報を一定の時間間隔でサンプリング（標本をとる）します。情報化理論により、元情報の周波数の２倍の周波数（周期の半分）でサンプリングすれば、元の情報が復元できます。人間の声の周波数は４ｋＨｚ以下ですので、８ｋＨｚ（８０００回／秒）でサンプリングします。

量子化

音声情報の波の高さ（電圧）はアナログ量です。それをデジタル化するのですが、１６（－７～－０、＋０～＋７）セグメントにします。これは等間隔ではなく、０近傍では広く（精度が高く）なるように設定します。その尺度により、測定量を数値で表します。

符号化

量子化した数値を２進数の符号に変換します。このとき、符号化理論（圧縮理論）や信号の特徴などから、精密な数値を少ないビット数にする方法を符号化方式といいます。代表的な符号化方式にＰＣＭ方式とＣＥＬＰ方式があります。

ＰＣＭ（Pulse Code Modulation）
量子化されたデータをそのまま１バイト（８ビット）の２進数に変換します。
ＣＥＬＰ（Code Excited Linear Prediction）
受信したアナログの音声に最も近い音声のパターンをコードブックを記録して、受信したアナログの音声に最も近い音声のコードブックの情報を送信します。これにより大幅に情報量を減らすことができます。
これを発展させた方式にＣＳ－ＡＣＥＬＰがあります。

Ａ／Ｄ変換を行う機器あるいはソフトウェアをコーデックといいます。
　デジタル化された音声データがそのまま伝送されるのではありません。ＲＴＰがそれを行います。

ＲＴＰ（Real-time Transport Protocol）

実際に通話をする（ＲＴＰパケットの交換をする）ための、トランスポート層（ＴＣＰ層）のＵＤＰに属するプロトコルです。
　ＶｏＩＰゲートウェイあるいはＩＰ電話機に搭載されています。

音声情報をＩＰフレームにする機能とそのフレームを伝送する機能があります。

ＲＴＰの規格

パケット交換方式で複雑な回線網により伝送する環境では、パケットの伝送時間にばらつきがあります。また、符号化処理や復元処理に時間（原理遅延）　０.がかかります。
　Ａ／Ｄ変換では、８ｋＨｚ＝１／８（ミリ秒）でデータが発生しますが、あまりにも短時間であり、次のパケットが到着するまでに前のパケットの処理が終了しないことになります。
　そのため、いくつかのデータをまとめてパケットにする必要が生じます。

逆に、送出周期を長くしすぎると、前のパケットによる音声と次のパケットによる音声の間に無音の時間が発生します。

ＲＴＰでは、適切な送出周期（２０ミリ秒程度）になるように、コーデックによるデジタルデータを、いくつかまとめて、フレームを作成します。その音声データの部分をボイスペイロードといいます。
　その方式はＩＴＵ－Ｔが多様な規格を勧告してますが、ＩＰ電話に関係が深いものに、Ｇ.７１１とＧ.７２９があります。これらはＲＴＰの規格でもあり、コーデックの規格でもあります。

　　ＩＴＵ－Ｔ勧告　　Ｇ.７１１　　　Ｇ.７２９
　　符号化方式　　　　ＰＣＭ　　　　　ＣＳ－ＡＣＥＬＰ
　　標本化周波数　　　８ｋＨｚ　　　　８ｋＨｚ
　　パケット送出間隔　２０ミリ秒　　　２０ミリ秒
　　ペイロード長　　　１６０バイト　　２０バイト
　　回線必要帯域　　　６４bps 　　　　８bps
　　原理遅延　　　　　０.１２５ミリ秒１５ミリ秒
　　音質　　　　　　　良い　　　　　　やや良い
　　圧縮率　　　　　　低い　　　　　　高い　
　　主な用途　　　　　回線交換　　　　ＶｏＩＰ

ＲＴＰパケット

ＲＴＰパケットは、次のような構成になっています。

ＲＴＰヘッダには、
　　シーケンス番号（パケット化された順番）
　　タイムスタンプ（パケットの送信間隔）
　　ペイロード種別（コーデック種別）
などの情報があります。
　到着したパケットがシーケンス番号の順でないときは、欠けた番号のパケットがくるまで一定時間待ちます。そのとき、タイムスタンプから計算した時刻までに到着しないときは、そのパケットがなかったものとします。→ＵＤＰ

ＵＤＰ（User Datagram Protocol）

ＲＴＰの伝送はＵＤＰを用いています。

電話は、データ通信と比較して、大きな特徴があります。

データの誤りは容認できる
データ通信では１ビットでも誤りがあると誤った処理をしてしまいます。音声では誤りがあっても大きな違いはないし、数ミリ秒後には次の音声になるので、あまり気になりません。
リアルタイム性
データ通信では、パケットが着信してから次のパケットが着信するまでの時間がある程度長くても応答が遅いだけで許容できます。音声では、録音を遅回しにしたような状態になり、声が変わるようなことになります。

ＴＣＰは、コネクション型通信といい、データの送受信や誤り制御に複雑な処理をしています。それに対してＵＤＰはコネクションレス型通信です。一方的に送りつける方式で，エラーがあってもチェックしません。

ＶｏＩＰゲートウエイ

上記のＡ／Ｄ変換からパケット送出までの一連の処理（コーデックやＲＴＰの機能）を行う装置をＶｏＩＰゲートウエイ（VoIPアダプタ）といいます。
　電話機が加入電話機のときは、電話機の出口にＶｏＩＰゲートウエイを設置します。また、この機能をを内蔵した電話機をＩＰ電話機といいます。

ＯＮＵの構造

光電話を契約すると事業者からＯＮＵを買取／レンタルで提供されます。
　　外部接続端子：これがあるので別にルータを用意する必要はありません。
　　ＬＡＮ接続端子：パソコンなどと接続できます。パソコンのインタネット利用もできます。
　　電話機接続端子：２回線あり２台の電話機が接続できます。

ＳＩＰ（Session Initiation Protocol）

電話の発信、着信、応答、切断の機能をシグナリング（呼制御）といいます。ＳＩＰは、シグナリングのプロトコルでトランスポート層・セッション層（ＴＣＰ）に属します。ＩＥＴＦにより標準化されました。
　同様のシグナリングプロトコルに、H.323やMGCP(Media Gateway Control Protocol)がありますが、インターネットなどとの親和性がよいことからＳＩＰが広く用いられています。

ＳＩＰサーバ

ＳＩＰ機能を搭載した局側のサーバです。中継ルータから参照されます。
　呼制御を行うために、次のサーバ機能をもっています。

登録サーバ
加入者の登録、更新、削除などを行います。
加入者電話に最初に電源が入ると、設定された登録サーバにつながり自動的に登録されます。
プロキシサーバ
電話機の代理として、相手先の場所を特定して相手先を呼び出します。
リダイレクトサーバ
受信先電話番号が変更されていたときに、ロケーションサーバに問い合わせて発信元電話に新電話番号を通知します。
ロケーションサーバ
加入者の情報を保持し、他のサーバからの問合せに応じて位置情報などを伝えます。

収容ルータと中継ルータ

公衆交換電話網の収容交換機、中継交換機に相当します（それらの名称を使うこともあります）。
　電話機からダイアルアップがあると収容ルータに集められ、中継ルータに転送されます。
　電話機からは、相手先を電話番号で指定しています。中継ルータは、ＳＩＰサーバに問い合わせて相手先電話番号に対応するＩＰアドレスなどを得て、相手先に関係する中継ルータに転送します。

このプロセスは、０ＡＢＪ型ＩＰ電話と０５０型ＩＰ電話により異なるのですが、ここでは省略します。

ＰＢＸ（Private Branch eXchanger：構内電話交換機）

オフィスでは多数の電話があります。ＰＢＸは収納交換機を社内に設置したようなもので、次の機能をもっています。

内線交換機能: 接続している電話の番号（内線番号）表をもっています。この付番は任意なので、部門や業務などで分類した社内でわかりやすい番号体系にできます。
オフィス内同士の通話ならば、ＰＢＸで回線接続するだけで通話できます。
外線接続機能: すべての電話を加入電話にすると料金が高くなります。全体で数本の加入権（外線電話番号）をもっており、外部の電話番号でかかってきたら、一時的に空いている外線番号を割り当てて外線につなぎます。
外部からの電話には、あらかじめ設定していた外線番号を受け取る内線番号へとつなぎます。
内線切替機能: かかってきた電話機から、他の電話機に接続を変える機能があります。

各事業所のＰＢＸ間を専用回線などＷＡＮで接続すれば、他の事業所も内線番号で接続できます。

ＰＢＸは、公衆電話回線網の時代の交換機です。これをＩＰ通信網で使うときには、ＰＢＸにＶｏＩＰゲートウェイを接続する必要があります。

ＩＰ－ＰＢＸ

ＶｏＩＰ環境でのＰＢＸをＩＰ－ＰＢＸといいます。電話機とＬＡＮを構築し、イーサーネットやインターネットを活用した通話を可能とする電話交換機です。機能はＰＢＸとほぼ同じです。

ＩＰ電話機にはパソコンと同様にＭＡＣアドレスが付番されており、ＬＡＮ接続端子があります。すなわち、パソコンと同等なイーサーネットＬＡＮの接続機器なので、イーサーネットフレーム（ＲＴＭヘッダが付加されていますが）をＬＡＮ内に伝送します。
　ＩＰ－ＰＢＸには、ＩＰ電話機だけでなく、パソコン、タブレット、スマートフォンなど電話機能をもつ機器を接続できます（無線の場合は、ＩＰ－ＰＢＸに無線機能をもたせるか、有線に変換して接続する必要がありますが）。逆に、加入電話機はそのままでは接続できません。

ＩＰ－ＰＢＸは、ＰＢＸ機能をもつ以外は通常のサーバのような位置づけになります。それで、ＩＰ－ＰＢＸ専用機ではなく、汎用サーバにソフトウェアをインストールして電話交換機能を持たせることもあります。
　下図ではＯＮＵとルータが別になっていますが、ＯＮＵから直接に外部接続できるものもあります。

ＩＰ－ＰＢＸには、ＰＢＸの機能以外に次のような機能をもたせることができます。

通話録音機能
通常の電話機での録音機能だけでなく、特定の電話番号でかかってきた通話の自動録音、録音の自動分類など多様な機能をもっています。
ＩＶＲ（Interactive Voice Response：音声自動応答装置）
電話の応答と音声による情報の入出力や対話をコンピュータにて行うです。事前に録音された音声、あるいは動的に生成された音声を使用して応答します。コールセンターなどで広く用いられています。
ＣＴＩ（Computer Telephony Integration）
電話とコンピュータシステムの連動システムです。コールセンターなどで、顧客からの問合せに連動して、顧客情報や商品情報、標準的な応対手順などをオペレータのパソコン画面に表示するような機能です。必要となる情報は利用形態により多様ですので、独自のアプリケーションを開発する必要があります。

クラウドＰＢＸ

クラウドコンピューティングのＳａａＳ（Software as a Service）の一形態で、インターネット上にＰＢＸを構築して共同利用サービスを行う形態です。
　サービス内容や接続できる通信機器は、ＳａａＳ事業者や契約により多様です。

機器設置費用や運用担当者が不要ですので、小規模なＰＢＸの利用やＩＰ－ＰＢＸ設置の準備段階を意図しているときに適切です。

ＩＰ電話の区分

ＩＰ電話サービスを提供する事業者をＩＴＳＰ (Internet Telephony Service Provider) といます。ＩＴＳＰがキャリアかＩＳＰかにより、光電話と（狭義の）ＩＰ電話に区分されます。
　電話番号が加入電話のときの０ＡＢＪ体系か、ＩＰ電話の出現により新設された０５０体系かによる区分ができます。

以前は、光電話＝０ＡＢＪ、ＩＰ電話＝０５０の関係でしたが、現在は、ＩＳＰが運営する場合でも、「光」電話になっていたり、０ＡＢＪでのサービスもするようになり、区分は曖昧になっています。

現在では、「光電話」「０ＡＢＪ」が主流になっています。

事業者による区分：光電話／ＩＰ電話

光電話: ＮＴＴや電力会社など独自の光ケーブル網を持つ事業者（キャリア）が、その光ケーブル網を幹線として使う形態です。
回線には、局から宅内を結ぶ加入線と、局間の中継線（バックボーン回線）がありますが、どちらもキャリアの光ケーブルを用いています（それで「光電話」といっているのですが、ＩＰ電話でも多くは光ケーブルを使っています）。
ＩＰ電話: ＩＰ電話とは、広義にはＩＰ（Internet Protocol）およびＶｏＩＰを用いた電話のことで、光電話もＩＰ電話になりますが、ここでのＩＰ電話とは、ＩＳＰ（インターネットプロバイダ）が運営するものを指します。
ＩＳＰは、インターネット接続サービスをしていますが、そのサービスを電話に拡大したのがＩＰ電話です。
キャリアや大手ＩＳＰグループは、ＶｏＩＰ通信を主とするＶｏＩＰ基盤網をもっています。中継線はそれを用います。

電話番号体系による区分：０ＡＢＪ／０５０

０ＡＢＪ: 加入電話での03-123-456の形式。電話局の担当地域（都道府県、市区町村）による体系です。
光電話への移行では、以前の電話番号が継続して使えます。
０５０: 050-1234-5678の形式。０５０はＩＰ電話を示し、それに続く４桁は事業者に割り当てられた番号です。通常、各事業者は多くの番号をもっています。
ＩＰ電話は電気通信事業法では、データ通信として扱われていること、加入電話に比べて品質基準が緩いことなどから、０ＡＢＪとは別体系の電話番号になりました。
ＩＰ電話の通話品質はクラスＡ、Ｂ、Ｃに分けられており、０５０はどのクラスでも取得できますが、０ＡＢＪはクラスＡだけが取得できます。現在、ＩＰ電話の多くがクラスＡの要件を満たしており、０ＡＢＪを使えるサービスをしているＩＳＰも多くあります。
０５０体系では、引っ越しなど地域が変わっても、同一ＩＳＰとの契約であれば電話番号を変える必要はありません。逆に、ＩＳＰを変えると電話番号が変わります。
０５０関連トピックス