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作者：Debbie Greenstreet 與 Fred Zimmerman，德州儀器 DSP 系統(tǒng)小組

VoIP" title="VoIP">VoIP 不負眾望正在降低小區(qū)用戶的語音服務費用。早期的部署已經(jīng)為實現(xiàn)網(wǎng)絡語音通信提供了必要的基本模擬到 IP 轉(zhuǎn)換功能。然而，大家對 VoIP 技術(shù)的追捧與投資熱情已經(jīng)改變了 VoIP 的基本市場結(jié)構(gòu)。Linksys 和 Motorola 等制造商已開發(fā)并通過強大的零售渠道推出了豐富的 VoIP 產(chǎn)品，在推動產(chǎn)品商品化的同時也帶來了價格壓力，迫使全球的服務供應商不得不重新思考在將目光從功能豐富且利潤可觀的企業(yè)部署轉(zhuǎn)向小區(qū)市場時如何實現(xiàn) VoIP。

為了保持產(chǎn)品競爭力并掌控收入來源，制造商已認識到自己的成敗關鍵在于產(chǎn)品的功能與特性。當然提高語音質(zhì)量" title="語音質(zhì)量">語音質(zhì)量也是勢在必行，這不僅能夠克服直接影響 QoS與感知質(zhì)量的 WAN 瓶頸，而且還可提供比通過傳統(tǒng) PSTN 實現(xiàn)的語音服務具有更高通話質(zhì)量。至少，每個 VoIP 端口都必須支持 G.711 PCM 語音編碼以及通常采用 T.38 協(xié)議實現(xiàn)的傳真業(yè)務。為了滿足使用 DSL 等低帶寬連接的用戶的各種需求，大多數(shù)寬帶服務供應商還需對 G.729ab 等低比特率聲碼器" title="聲碼器">聲碼器提供支持，以便節(jié)省有限的帶寬資源。不過，為了滿足語音質(zhì)量需求，每條 VoIP 通道都必須配備完整、可靠的語音處理" title="語音處理">語音處理系統(tǒng)，其中包含性能卓越的回波消除、語音活動檢測、自適應抖動緩沖器／語音播放、音頻檢測與生成、 用于 DTMF 中繼的 RFC 2833、各種主叫號碼變更、以及對呼叫前轉(zhuǎn)與呼叫轉(zhuǎn)接等后續(xù)業(yè)務的支持等。

但是，將注意力全部集中在核心語音功能上并不足以打造具有競爭力的VoIP 網(wǎng)絡。制造商已開始在單個產(chǎn)品中集成大量語音網(wǎng)關" title="語音網(wǎng)關">語音網(wǎng)關與家庭路由器功能，從而帶來了令人眼花繚亂的多種不同成品配置。商品價格、集成功能性、高級功能、服務質(zhì)量管理以及不成熟零售渠道等產(chǎn)生的綜合壓力可能使得性能與成本預期達到當今許多處理器都不堪重負的水平。

VoIP 解決方案處理重擔

VoIP 開發(fā)商必須開發(fā)一個不僅能夠保持最佳成本，同時又具備必要的性能與特性的高效架構(gòu)，為解決這一難題，關鍵是理解提供合理語音質(zhì)量與業(yè)務所需要的全部處理功能。但是，每種功能都會占用 CPU 周期，如果實施不當，還會降低設備性能，從而有可能影響 VoIP 質(zhì)量以及整體數(shù)據(jù)吞吐能力。

小區(qū)語音網(wǎng)關一般位于寬帶調(diào)制解調(diào)器或光纖／以太網(wǎng)連接背后。除了為每條支持的語音信道提供完整的語音處理功能之外，網(wǎng)關還必須提供各種 WAN 到LAN 數(shù)據(jù)路由性能，其中包括服務質(zhì)量 (QoS) 機制、防火墻保護、網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換 (NAT)、可選無線 LAN 連接、認證與語音安全以及市場中新出現(xiàn)的用戶體驗質(zhì)量，這些要素在保持語音連接以及保證語音質(zhì)量方面都具有舉足輕重的作用。對上述任何要求處理不當都會直接降低感知語音質(zhì)量。

服務質(zhì)量 (QoS) 機制：QoS 一直是 VoIP 部署的關鍵要素。雖然大部分在流量高峰期采用業(yè)務標識或排序形式來執(zhí)行數(shù)據(jù)包優(yōu)先級排序，不過 QoS 機制各不相同。從 VoIP 角度來看，網(wǎng)關的主要任務是保證語音分組的優(yōu)先級高于數(shù)據(jù)分組，這是因為語音分組對時延極其敏感，其延遲會嚴重影響語音質(zhì)量。此外，如果對時延敏感的視頻流如在語音／視頻／數(shù)據(jù)“三重業(yè)務整合”網(wǎng)絡中那樣也屬于家庭網(wǎng)絡的組成部分，則必須慎重保證高優(yōu)先級隊列不出現(xiàn)過多視頻流，以至于影響語音流。

防火墻保護：由于可以采用封鎖未經(jīng)認證流量進入 LAN 的機制來加強 LAN與 WAN 之間的安全性，因此防火墻在保護 VoIP 設備免遭未經(jīng)授權(quán)訪問方面扮演關鍵角色。防火墻必須提供各種功能，其中包括對非法遠程登錄、SMTP 會話攻擊(SMTP session hijacking)、允許遠程訪問的操作系統(tǒng)漏洞、拒絕服務 (DoS) 攻擊、電子郵件炸彈、黑客宏病毒、其他病毒、垃圾郵件以及可疑來源路由的防護。根據(jù)網(wǎng)絡漏洞情況，上述功能的不完全保護仍然會使設備遭受攻擊或盜用風險，因此應當杜絕任何不完全的保護。

網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換 (NAT) ：NAT 技術(shù)通過將私有 IP 網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換成公共 IP 網(wǎng)絡地址能夠完美解決 IPv4 地址不足的問題。IPv4 是當今最常用的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，但由于其地址空間相對較小，因此地址的分配基本留作專用，很少供私人使用。利用NAT 技術(shù)將多個設備合并到單個地址中，家庭網(wǎng)絡上包括 VoIP手機 和 PC在內(nèi)的多種設備可以在公共網(wǎng)絡中使用同一個 IP 地址。由于能夠?qū)⑺接?LAN 地址與公共接入隔離，因此上述設備整合還可提高 VoIP 網(wǎng)絡的安全性。NAT 還允許采用內(nèi)部尋址方案簡化 LAN 管理，而不會造成與公共 IP 尋址模型的沖突。

認證與語音安全：通過 WAN 實施 VoIP 時，可以在不受網(wǎng)絡類型或物理位置限制情況下實現(xiàn)可靠的端到端語音連接。不幸的是，與此同時這也會使 LAN 面臨與 WAN 伴隨而來的各種安全威脅。例如，如果不安裝防火墻，VoIP 網(wǎng)絡的用戶就有可能試圖盜用其他用戶的接入地址，以期免費使用網(wǎng)絡服務。安全性是同時保護用戶與服務供應商的關鍵，不僅對用戶的隱私進行保密，保證呼叫完整性，實現(xiàn)對用戶身份的驗證，確保不可否認性以致于用戶無法否認接受過服務或計費的準確性，而且還提供穩(wěn)定、可靠的語音連接?；景踩杂擅荑€生成、會話配置、密鑰交換、單向或雙向認證、加密／解密等基本組成部分構(gòu)成。這些機制都需要大量處理器資源，且部署在硬件中通常比利用軟件部署在 CPU 上更有效。

可選無線 LAN 連接：由于語音網(wǎng)關是直接連接至 LAN 上，因此在語音網(wǎng)關上可以最方便地進行無線 LAN 連接。VoIP 設備不斷滲透用戶分布式信道，這也是至關重要，因為無線接入、路由及語音處理功能集成在一起使用戶能夠在單個設備中獲得多設備功能。不過，引入無線接入功能會增加 802.11 協(xié)議棧及 PC/筆記本電腦與寬帶調(diào)制解調(diào)器之間無線分組路由處理負荷，同時還需要支持各種無線安全標準。

體驗質(zhì)量：最近對 VoIP 業(yè)務的網(wǎng)絡測試與調(diào)查表明，20％ 的 VoIP 呼叫具有較差的語音質(zhì)量。如果不了解用戶體驗情況，就無法確定損害的根本原因，而且也無法采取糾正措施。由于網(wǎng)絡內(nèi)在架構(gòu)原因，收集并報告有關 VoIP 網(wǎng)絡運行情況的信息成為艱難的任務。與電路交換網(wǎng)不同（其網(wǎng)絡運行信息儲存在精心定義的局端交換機中），而 IP 網(wǎng)絡的大部分信息則出現(xiàn)在網(wǎng)絡遙不可及的客戶端 (CPE) 。小區(qū)網(wǎng)關、智能家庭電話系統(tǒng)、DSL 與線纜調(diào)制解調(diào)器及其他新型 CPE系統(tǒng)等新興系統(tǒng)將滿足那些希望接入新型IP業(yè)務的小區(qū)用戶以及小企業(yè)／家庭商務用戶的需求。對于渴望提供成功 VoIP 業(yè)務的服務供應商來說，關鍵是帶來精彩的用戶體驗。也就是說，每個小區(qū) VoIP 邊緣設備都必須提供（處理并提供）重要的 VoIP 服務質(zhì)量標準、相應的統(tǒng)計信息和診斷功能，以便預先協(xié)助服務供應商分析損害的根本原因，然后進行實時的控制或處理。必須保證用戶體驗質(zhì)量。當然，要求VoIP 解決方案更智能并具有一定的實時處理能力。

利用處理器架構(gòu)擴展 IP 語音解決方案

由于處理負擔的加重，因此所有這些解決方案容量會影響其性能。為了成功推出可提供理想語音質(zhì)量與性能的 VoIP 設備，開發(fā)人員必須采用一種能夠處理簡單 VoIP 部署所要求的大量同步實時操作的架構(gòu)。此類系統(tǒng)至少需要處理 4或 5 個同步數(shù)據(jù)流：

• WAN 連接，一般是寬帶接口；
• LAN 接口，如：單個 PC 連接或 3 至 5 端口以太網(wǎng)連接；
• 最低2條語音信道；
• 當時使用或不使用的可選 WLAN 接口。

要想利用單個芯片支持所有上述處理，開發(fā)人員通常借助在硬件中集成了眾多 VoIP 組件的片上系統(tǒng) (SoC) 處理器。此類處理器通過提供合理的集成組件組合（其中包括以太網(wǎng)連接、TDM 接口、存儲器以及用于執(zhí)行特定任務的硬件加速器）可以實現(xiàn)成本控制。此外，該處理器還必須處理數(shù)據(jù)路由與應用級功能，且不存在過高的數(shù)據(jù)傳輸負擔。過高負擔會產(chǎn)生瓶頸效應，影響其他時間敏感型語音處理功能。

理想情況下應當在最適合 VoIP 處理類型的處理器架構(gòu)中執(zhí)行此類處理。例如，語音處理的特點是采用固定算法處理大型數(shù)據(jù)塊，因此在基于 DSP 的架構(gòu)上執(zhí)行時效率最高。另一方面，盡管網(wǎng)絡路由和語音協(xié)議處理具有相當高的靈活性，但由于存在眾多例外情況，因此最好采用靈活的可編程 RISC 架構(gòu)處理，而綜合設備管理同樣如此。

由于 VoIP 系統(tǒng)具有分割處理特性，集成RISC 與 DSP 處理資源的雙處理器具有最佳的架構(gòu)，從而能夠最有效地部署可靠的 VoIP 系統(tǒng)所需要的各種組件。在能夠處理眾多特定任務的架構(gòu)上執(zhí)行相應的任務不僅可以降低系統(tǒng)復雜性，而且還可縮短開發(fā)時間。

另外，還可以最大程度提高性能。值得注意的是，一般情況下在 RISC 處理器上執(zhí)行語音聲碼器的核心算法需要的指令是在 DSP 上執(zhí)行所需要指令的 3 倍。 如果換算成周期，在 RISC 處理器上執(zhí)行，聲碼器所需時間至少是在 DSP 上執(zhí)行所需時間的 2 倍。例如，只建立在RISC 架構(gòu)基礎之上的 SoC 需要一個能夠執(zhí)行所有 VoIP 組件的處理器（除電話、網(wǎng)絡協(xié)議和路由器功能之外還需要執(zhí)行語音處理操作），并能處理由于在錯誤架構(gòu)上執(zhí)行某些組件造成的低效問題（低2倍以上）。此類處理器需要高頻時鐘，從而增加成本和散熱。另外，在規(guī)劃整體系統(tǒng)功能容量時需要慎之又慎，因為如果處該理器是其產(chǎn)品系列中技術(shù)最先進的一款，增加處理容量要么需要高昂的成本，要么無法實現(xiàn)。如果容量不足，則必須放棄功能或者犧牲語音質(zhì)量。

與純 RISC 架構(gòu)或雙 RISC 多線程架構(gòu)相比，采用雙架構(gòu)可以將系統(tǒng)劃分到兩個 2 處理器，從而平分處理任務，并顯著降低每個處理器所需的時鐘頻率。由于功率與頻率成平方關系，因此還可以顯著降低功耗與散熱。另外，由于雙處理器是相互獨立的，因此其時鐘可以采用不同頻率，從而能夠估算出在確保成本最低、語音與數(shù)據(jù)路由性能最高的情況下架構(gòu)的處理容量。在整個發(fā)展規(guī)劃中可以針對各種速度、性能與功能級（從基本網(wǎng)關功能到具備高級安全性的完整防火墻與路由器功能）優(yōu)化雙處理器。

不過，時鐘頻率與周期效率是僅有的兩個關鍵性能指標。如果處理器缺乏高效的數(shù)據(jù)流，則大量數(shù)據(jù)傳輸會產(chǎn)生性能瓶頸，將使語音質(zhì)量下降至低于可接受的限值。如果采用存儲器直接存取 (DMA) 機制，那么關鍵數(shù)據(jù)傳輸通道則無需處理器，從而在沒有CPU 干預情況下，能夠在處理器之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與存儲。例如，在 DSP 完成數(shù)據(jù)塊處理之后，DMA 可以將數(shù)據(jù)傳輸至存儲器，排隊等待其他外設，從而無需任何 DSP 執(zhí)行周期。高速內(nèi)部交換、高總線寬度、數(shù)據(jù)突發(fā)功能以及智能外設等一系列因素也可提高 DMA 效率，從而能夠?qū)崿F(xiàn)在無需連續(xù) CPU 監(jiān)控情況下直接數(shù)據(jù)傳輸與處理；最大化整體系統(tǒng)性能以降低延遲與抖動影響；并提高語音質(zhì)量等。這樣，雙處理器中的每個處理器都可以擺脫管理數(shù)據(jù)流的負擔，從而集中力量執(zhí)行其最在行的處理、命令及控制功能。其他重要的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)包括如下：

內(nèi)部總線交換——交叉功能可以消除阻塞效應，從而降低數(shù)據(jù)傳輸爭用，使多條數(shù)據(jù)流能夠同時傳輸，且允許控制寄存器同時存取。交換功能可以使任何 2 個外設之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，而且在此進程中無需涉及 RISC 或 DSP 內(nèi)核。

處理器高速緩存容量調(diào)整——可以針對具體應用處理與流量要求優(yōu)化指令與數(shù)據(jù)高速緩存。按照與處理器相同的速度運行高速緩存，可以減少造成處理器延遲的外部存儲器存取次數(shù)，從而提高整體性能。

外部存儲器連接——如果處理器不能按照自己使用數(shù)據(jù)的速度獲取數(shù)據(jù)，則會使其效率大打折扣。存儲器存取效率取決于總線寬度、時鐘速度及組交錯技術(shù)。如果集成優(yōu)化的軟件，則可以將存取效率提高40％。

外設配置——可以配置專用的外設，從而在初始化之后無需直接的 RISC 或DSP 支持。如果集成了分布式 DMA 控制與數(shù)據(jù)突發(fā)功能，則可以在無需 RISC 或 DSP 干預情況下最大化外設效率，以便執(zhí)行特定任務。

未來發(fā)展

語音安全性是 VoIP 系統(tǒng)最重要的一個方面，開發(fā)人員在進行小區(qū)廣泛部署過程中必須考慮到這一點。不但語音有效負載需要安全性，語音信道的配置與信號發(fā)送也需要安全性，因此安全實時協(xié)議 (SRTP) 標準便成了語音有效負載安全性的首選。對于連接方面的安全性而言，由于大部分小區(qū)語音網(wǎng)關基于 SIP 之上，因此傳輸層安全性 (TLS) [確認]是確保語音呼叫系統(tǒng)安全性的最可行的方案。

隨著固定與移動技術(shù)整合 (FMC) 架構(gòu)開始充分利用 VoIP 的成本經(jīng)濟優(yōu)勢，其他變化也開始浮出水面。無線聲碼器（如：GSM FR、EFR 和 EVRC 聲碼器）已經(jīng)具有較高的帶寬效率，很可能會在相當長的時間內(nèi)與傳統(tǒng) VoIP 聲碼器并存。不過，這些無線聲碼器比有線聲碼器占用更多的處理周期。為避免性能降低與延遲增加（這是在將語音從 GSM-FR 等聲碼器轉(zhuǎn)換到家庭網(wǎng)關能夠識別的 G.711 聲碼器過程中造成的且會嚴重影響語音質(zhì)量）等碼制轉(zhuǎn)換損失，小區(qū)網(wǎng)關需要擁有足夠的保留容量，以便直接支持贏得市場的、需頻繁使用處理器的無線聲碼器。

有可能影響 VoIP 解決方案領域及其處理需求的另一個關鍵特性／功能是寬帶聲碼器。傳統(tǒng)語音聲碼器實際上在一定程度上限制實時語音通話的真實音質(zhì)。寬帶聲碼器實施起來更為復雜，但是在兩端集成后可以提供保真度更高的通話。不過，此類解決方案需要更高密度的 MIPS 聲碼器及與手持終端連接的、更復雜的硬件／軟件接口。

2004 年以來，小區(qū) VoIP 市場已經(jīng)從“新興技術(shù)”市場轉(zhuǎn)變成競爭激烈的市場，無數(shù)用戶仍不少掏腰包。有線電視運營商和那些“純粹的” VoIP 服務供應商（如北美的 Vonage）一樣，一直在快速部署基于 IP 的語音業(yè)務。隨著各類運營商都將目光轉(zhuǎn)移到 IP 網(wǎng)絡上，VoIP 目前正在成為可靠的語音技術(shù)。但是，此類技術(shù)為了成為主流，必須保持業(yè)務性能。

OEM 在服務供應商贏得市場份額過程中扮演重要角色。隨著用戶對 VoIP的認知度及興趣的不斷提高，VoIP 的新特性、新配置及新應用也將不斷涌現(xiàn)。在了解集成VoIP 設備必須支持的全部功能后，OEM 廠商可以構(gòu)建出能夠?qū)崿F(xiàn)最佳配置的產(chǎn)品平臺，以滿足眾多用戶的需求。這樣，未來產(chǎn)品線可以利用應用軟件研發(fā)投資及現(xiàn)場固化 (field hardening) 與互操作性投資，以保護在早期部署階段所贏得的市場份額。OEM 廠商利用 SoC（該 SoC 是針對 VoIP 而精心優(yōu)化的，能夠有效實施各種語音處理與數(shù)據(jù)路由任務）能夠在不降低語音質(zhì)量或功能的情況下精簡材料清單 (BOM) 成本。這樣，OEM 廠商就能夠確保其產(chǎn)品具有充分靈活的可用容量，從而滿足各種新型 VoIP 應用及未來 VoIP 應用的性能需求。