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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(fù)眾望正在降低小區(qū)用戶的語音服務(wù)費(fèi)用。早期的部署已經(jīng)為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(duì) 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(qiáng)大的零售渠道推出了豐富的 VoIP 產(chǎn)品，在推動(dòng)產(chǎn)品商品化的同時(shí)也帶來了價(jià)格壓力，迫使全球的服務(wù)供應(yīng)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(shí)如何實(shí)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(rèn)識(shí)到自己的成敗關(guān)鍵在于產(chǎn)品的功能與特性。當(dāng)然提高語音質(zhì)量" title="語音質(zhì)量">語音質(zhì)量也是勢(shì)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(shí)現(xiàn)的語音服務(wù)具有更高通話質(zhì)量。至少，每個(gè) 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(shí)現(xiàn)的傳真業(yè)務(wù)。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(wù)供應(yīng)商還需對(duì) 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(dòng)檢測、自適應(yīng)抖動(dòng)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(hào)碼變更、以及對(duì)呼叫前轉(zhuǎn)與呼叫轉(zhuǎn)接等后續(xù)業(yè)務(wù)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(luò)。制造商已開始在單個(gè)產(chǎn)品中集成大量語音網(wǎng)關(guān)" title="語音網(wǎng)關(guān)">語音網(wǎng)關(guān)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(jià)格、集成功能性、高級(jí)功能、服務(wù)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(yù)期達(dá)到當(dāng)今許多處理器都不堪重負(fù)的水平。

VoIP 解決方案處理重?fù)?dān)

VoIP 開發(fā)商必須開發(fā)一個(gè)不僅能夠保持最佳成本，同時(shí)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(guān)鍵是理解提供合理語音質(zhì)量與業(yè)務(wù)所需要的全部處理功能。但是，每種功能都會(huì)占用 CPU 周期，如果實(shí)施不當(dāng)，還會(huì)降低設(shè)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(guān)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(guān)還必須提供各種 WAN 到LAN 數(shù)據(jù)路由性能，其中包括服務(wù)質(zhì)量 (QoS) 機(jī)制、防火墻保護(hù)、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換 (NAT)、可選無線 LAN 連接、認(rèn)證與語音安全以及市場中新出現(xiàn)的用戶體驗(yàn)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(duì)上述任何要求處理不當(dāng)都會(huì)直接降低感知語音質(zhì)量。

服務(wù)質(zhì)量 (QoS) 機(jī)制：QoS 一直是 VoIP 部署的關(guān)鍵要素。雖然大部分在流量高峰期采用業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)或排序形式來執(zhí)行數(shù)據(jù)包優(yōu)先級(jí)排序，不過 QoS 機(jī)制各不相同。從 VoIP 角度來看，網(wǎng)關(guān)的主要任務(wù)是保證語音分組的優(yōu)先級(jí)高于數(shù)據(jù)分組，這是因?yàn)檎Z音分組對(duì)時(shí)延極其敏感，其延遲會(huì)嚴(yán)重影響語音質(zhì)量。此外，如果對(duì)時(shí)延敏感的視頻流如在語音／視頻／數(shù)據(jù)“三重業(yè)務(wù)整合”網(wǎng)絡(luò)中那樣也屬于家庭網(wǎng)絡(luò)的組成部分，則必須慎重保證高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列不出現(xiàn)過多視頻流，以至于影響語音流。

防火墻保護(hù)：由于可以采用封鎖未經(jīng)認(rèn)證流量進(jìn)入 LAN 的機(jī)制來加強(qiáng) LAN與 WAN 之間的安全性，因此防火墻在保護(hù) VoIP 設(shè)備免遭未經(jīng)授權(quán)訪問方面扮演關(guān)鍵角色。防火墻必須提供各種功能，其中包括對(duì)非法遠(yuǎn)程登錄、SMTP 會(huì)話攻擊(SMTP session hijacking)、允許遠(yuǎn)程訪問的操作系統(tǒng)漏洞、拒絕服務(wù) (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(hù)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)漏洞情況，上述功能的不完全保護(hù)仍然會(huì)使設(shè)備遭受攻擊或盜用風(fēng)險(xiǎn)，因此應(yīng)當(dāng)杜絕任何不完全的保護(hù)。

網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換 (NAT) ：NAT 技術(shù)通過將私有 IP 網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換成公共 IP 網(wǎng)絡(luò)地址能夠完美解決 IPv4 地址不足的問題。IPv4 是當(dāng)今最常用的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，但由于其地址空間相對(duì)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(gè)設(shè)備合并到單個(gè)地址中，家庭網(wǎng)絡(luò)上包括 VoIP手機(jī) 和 PC在內(nèi)的多種設(shè)備可以在公共網(wǎng)絡(luò)中使用同一個(gè) 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(shè)備整合還可提高 VoIP 網(wǎng)絡(luò)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(huì)造成與公共 IP 尋址模型的沖突。

認(rèn)證與語音安全：通過 WAN 實(shí)施 VoIP 時(shí)，可以在不受網(wǎng)絡(luò)類型或物理位置限制情況下實(shí)現(xiàn)可靠的端到端語音連接。不幸的是，與此同時(shí)這也會(huì)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(luò)的用戶就有可能試圖盜用其他用戶的接入地址，以期免費(fèi)使用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。安全性是同時(shí)保護(hù)用戶與服務(wù)供應(yīng)商的關(guān)鍵，不僅對(duì)用戶的隱私進(jìn)行保密，保證呼叫完整性，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶身份的驗(yàn)證，確保不可否認(rèn)性以致于用戶無法否認(rèn)接受過服務(wù)或計(jì)費(fèi)的準(zhǔn)確性，而且還提供穩(wěn)定、可靠的語音連接。基本安全性由密鑰生成、會(huì)話配置、密鑰交換、單向或雙向認(rèn)證、加密／解密等基本組成部分構(gòu)成。這些機(jī)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(guān)是直接連接至 LAN 上，因此在語音網(wǎng)關(guān)上可以最方便地進(jìn)行無線 LAN 連接。VoIP 設(shè)備不斷滲透用戶分布式信道，這也是至關(guān)重要，因?yàn)闊o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(gè)設(shè)備中獲得多設(shè)備功能。不過，引入無線接入功能會(huì)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(fù)荷，同時(shí)還需要支持各種無線安全標(biāo)準(zhǔn)。

體驗(yàn)質(zhì)量：最近對(duì) VoIP 業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)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(yàn)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(luò)內(nèi)在架構(gòu)原因，收集并報(bào)告有關(guān) VoIP 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況的信息成為艱難的任務(wù)。與電路交換網(wǎng)不同（其網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行信息儲(chǔ)存在精心定義的局端交換機(jī)中），而 IP 網(wǎng)絡(luò)的大部分信息則出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)遙不可及的客戶端 (CPE) 。小區(qū)網(wǎng)關(guān)、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(wù)的小區(qū)用戶以及小企業(yè)／家庭商務(wù)用戶的需求。對(duì)于渴望提供成功 VoIP 業(yè)務(wù)的服務(wù)供應(yīng)商來說，關(guān)鍵是帶來精彩的用戶體驗(yàn)。也就是說，每個(gè)小區(qū) VoIP 邊緣設(shè)備都必須提供（處理并提供）重要的 VoIP 服務(wù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)信息和診斷功能，以便預(yù)先協(xié)助服務(wù)供應(yīng)商分析損害的根本原因，然后進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制或處理。必須保證用戶體驗(yàn)質(zhì)量。當(dāng)然，要求VoIP 解決方案更智能并具有一定的實(shí)時(shí)處理能力。

利用處理器架構(gòu)擴(kuò)展 IP 語音解決方案

由于處理負(fù)擔(dān)的加重，因此所有這些解決方案容量會(huì)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(shè)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(shí)時(shí)操作的架構(gòu)。此類系統(tǒng)至少需要處理 4或 5 個(gè)同步數(shù)據(jù)流：

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

要想利用單個(gè)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(chǔ)器以及用于執(zhí)行特定任務(wù)的硬件加速器）可以實(shí)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(yīng)用級(jí)功能，且不存在過高的數(shù)據(jù)傳輸負(fù)擔(dān)。過高負(fù)擔(dān)會(huì)產(chǎn)生瓶頸效應(yīng)，影響其他時(shí)間敏感型語音處理功能。

理想情況下應(yīng)當(dāng)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(diǎn)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(shí)效率最高。另一方面，盡管網(wǎng)絡(luò)路由和語音協(xié)議處理具有相當(dāng)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(shè)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(wù)的架構(gòu)上執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)不僅可以降低系統(tǒng)復(fù)雜性，而且還可縮短開發(fā)時(shí)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(shí)間至少是在 DSP 上執(zhí)行所需時(shí)間的 2 倍。例如，只建立在RISC 架構(gòu)基礎(chǔ)之上的 SoC 需要一個(gè)能夠執(zhí)行所有 VoIP 組件的處理器（除電話、網(wǎng)絡(luò)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(cuò)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(shí)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(shí)需要慎之又慎，因?yàn)槿绻幵摾砥魇瞧洚a(chǎn)品系列中技術(shù)最先進(jìn)的一款，增加處理容量要么需要高昂的成本，要么無法實(shí)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(gè) 2 處理器，從而平分處理任務(wù)，并顯著降低每個(gè)處理器所需的時(shí)鐘頻率。由于功率與頻率成平方關(guān)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(dú)立的，因此其時(shí)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(gè)發(fā)展規(guī)劃中可以針對(duì)各種速度、性能與功能級(jí)（從基本網(wǎng)關(guān)功能到具備高級(jí)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(shí)鐘頻率與周期效率是僅有的兩個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)。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(huì)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(chǔ)器直接存取 (DMA) 機(jī)制，那么關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸通道則無需處理器，從而在沒有CPU 干預(yù)情況下，能夠在處理器之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與存儲(chǔ)。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(chǔ)器，排隊(duì)等待其他外設(shè)，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(shè)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(dòng)影響；并提高語音質(zhì)量等。這樣，雙處理器中的每個(gè)處理器都可以擺脫管理數(shù)據(jù)流的負(fù)擔(dān)，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(yīng)，從而降低數(shù)據(jù)傳輸爭用，使多條數(shù)據(jù)流能夠同時(shí)傳輸，且允許控制寄存器同時(shí)存取。交換功能可以使任何 2 個(gè)外設(shè)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，而且在此進(jìn)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(duì)具體應(yīng)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(yùn)行高速緩存，可以減少造成處理器延遲的外部存儲(chǔ)器存取次數(shù)，從而提高整體性能。

外部存儲(chǔ)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(huì)使其效率大打折扣。存儲(chǔ)器存取效率取決于總線寬度、時(shí)鐘速度及組交錯(cuò)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(shè)配置——可以配置專用的外設(shè)，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(yù)情況下最大化外設(shè)效率，以便執(zhí)行特定任務(wù)。

未來發(fā)展

語音安全性是 VoIP 系統(tǒng)最重要的一個(gè)方面，開發(fā)人員在進(jìn)行小區(qū)廣泛部署過程中必須考慮到這一點(diǎn)。不但語音有效負(fù)載需要安全性，語音信道的配置與信號(hào)發(fā)送也需要安全性，因此安全實(shí)時(shí)協(xié)議 (SRTP) 標(biāo)準(zhǔn)便成了語音有效負(fù)載安全性的首選。對(duì)于連接方面的安全性而言，由于大部分小區(qū)語音網(wǎng)關(guān)基于 SIP 之上，因此傳輸層安全性 (TLS) [確認(rèn)]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(dòng)技術(shù)整合 (FMC) 架構(gòu)開始充分利用 VoIP 的成本經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，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(huì)在相當(dāng)長的時(shí)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(guān)能夠識(shí)別的 G.711 聲碼器過程中造成的且會(huì)嚴(yán)重影響語音質(zhì)量）等碼制轉(zhuǎn)換損失，小區(qū)網(wǎng)關(guān)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(lǐng)域及其處理需求的另一個(gè)關(guān)鍵特性／功能是寬帶聲碼器。傳統(tǒng)語音聲碼器實(shí)際上在一定程度上限制實(shí)時(shí)語音通話的真實(shí)音質(zhì)。寬帶聲碼器實(shí)施起來更為復(fù)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(fù)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(yùn)營商和那些“純粹的” VoIP 服務(wù)供應(yīng)商（如北美的 Vonage）一樣，一直在快速部署基于 IP 的語音業(yè)務(wù)。隨著各類運(yùn)營商都將目光轉(zhuǎn)移到 IP 網(wǎng)絡(luò)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(wù)性能。

OEM 在服務(wù)供應(yīng)商贏得市場份額過程中扮演重要角色。隨著用戶對(duì) VoIP的認(rèn)知度及興趣的不斷提高，VoIP 的新特性、新配置及新應(yīng)用也將不斷涌現(xiàn)。在了解集成VoIP 設(shè)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(tái)，以滿足眾多用戶的需求。這樣，未來產(chǎn)品線可以利用應(yīng)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(hù)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(duì) VoIP 而精心優(yōu)化的，能夠有效實(shí)施各種語音處理與數(shù)據(jù)路由任務(wù)）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(yīng)用及未來 VoIP 應(yīng)用的性能需求。