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作者：Debbie Greenstreet 與 Fred Zimmerman，德州儀器 DSP 系統小組
VoIP" title="VoIP">VoIP 不負眾望正在降低小區用戶的語音服務費用。早期的部署已經為實現網絡語音通信提供了必要的基本模擬到 IP 轉換功能。然而，大家對 VoIP 技術的追捧與投資熱情已經改變了 VoIP 的基本市場結構。Linksys 和 Motorola 等制造商已開發并通過強大的零售渠道推出了豐富的 VoIP 產品，在推動產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部署轉向小區市場時如何實現 VoIP。
為了保持產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品的功能與特性。當然提高語音質量" title="語音質量">語音質量也是勢在必行，這不僅能夠克服直接影響 QoS與感知質量的 WAN 瓶頸，而且還可提供比通過傳統 PSTN 實現的語音服務具有更高通話質量。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 協議實現的傳真業務。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，以便節省有限的帶寬資源。不過，為了滿足語音質量需求，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，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、以及對呼叫前轉與呼叫轉接等后續業務的支持等。
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 網絡。制造商已開始在單個產品中集成大量語音網關" title="語音網關">語音網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、服務質量管理以及不成熟零售渠道等產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 開發商必須開發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，為解決這一難題，關鍵是理解提供合理語音質量與業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 質量以及整體數據吞吐能力。
小區語音網關一般位于寬帶調制解調器或光纖／以太網連接背后。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，網關還必須提供各種 WAN 到LAN 數據路由性能，其中包括服務質量 (QoS) 機制、防火墻保護、網絡地址轉換 (NAT)、可選無線 LAN 連接、認證與語音安全以及市場中新出現的用戶體驗質量，這些要素在保持語音連接以及保證語音質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量。
服務質量 (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務標識或排序形式來執行數據包優先級排序，不過 QoS 機制各不相同。從 VoIP 角度來看，網關的主要任務是保證語音分組的優先級高于數據分組，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量。此外，如果對時延敏感的視頻流如在語音／視頻／數據“三重業務整合”網絡中那樣也屬于家庭網絡的組成部分，則必須慎重保證高優先級隊列不出現過多視頻流，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 設備免遭未經授權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。根據網絡漏洞情況，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。
網絡地址轉換 (NAT) ：NAT 技術通過將私有 IP 網絡地址轉換成公共 IP 網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網協議，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 技術將多個設備合并到單個地址中，家庭網絡上包括 VoIP手機 和 PC在內的多種設備可以在公共網絡中使用同一個 IP 地址。由于能夠將私有 LAN 地址與公共接入隔離，因此上述設備整合還可提高 VoIP 網絡的安全性。NAT 還允許采用內部尋址方案簡化 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，可以在不受網絡類型或物理位置限制情況下實現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，而且還提供穩定、可靠的語音連接。基本安全性由密鑰生成、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：由于語音網關是直接連接至 LAN 上，因此在語音網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 協議棧及 PC/筆記本電腦與寬帶調制解調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。
體驗質量：最近對 VoIP 業務的網絡測試與調查表明，20％ 的 VoIP 呼叫具有較差的語音質量。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。由于網絡內在架構原因，收集并報告有關 VoIP 網絡運行情況的信息成為艱難的任務。與電路交換網不同（其網絡運行信息儲存在精心定義的局端交換機中），而 IP 網絡的大部分信息則出現在網絡遙不可及的客戶端 (CPE) 。小區網關、智能家庭電話系統、DSL 與線纜調制解調器及其他新型 CPE系統等新興系統將滿足那些希望接入新型IP業務的小區用戶以及小企業／家庭商務用戶的需求。對于渴望提供成功 VoIP 業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 VoIP 邊緣設備都必須提供（處理并提供）重要的 VoIP 服務質量標準、相應的統計信息和診斷功能，以便預先協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量與性能的 VoIP 設備，開發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。此類系統至少需要處理 4或 5 個同步數據流：
- 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，開發人員通常借助在硬件中集成了眾多 VoIP 組件的片上系統 (SoC) 處理器。此類處理器通過提供合理的集成組件組合（其中包括以太網連接、TDM 接口、存儲器以及用于執行特定任務的硬件加速器）可以實現成本控制。此外，該處理器還必須處理數據路由與應用級功能，且不存在過高的數據傳輸負擔。過高負擔會產生瓶頸效應，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中執行此類處理。例如，語音處理的特點是采用固定算法處理大型數據塊，因此在基于 DSP 的架構上執行時效率最高。另一方面，盡管網絡路由和語音協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 架構處理，而綜合設備管理同樣如此。
由于 VoIP 系統具有分割處理特性，集成RISC 與 DSP 處理資源的雙處理器具有最佳的架構，從而能夠最有效地部署可靠的 VoIP 系統所需要的各種組件。在能夠處理眾多特定任務的架構上執行相應的任務不僅可以降低系統復雜性，而且還可縮短開發時間。
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 處理器上執行語音聲碼器的核心算法需要的指令是在 DSP 上執行所需要指令的 3 倍。 如果換算成周期，在 RISC 處理器上執行，聲碼器所需時間至少是在 DSP 上執行所需時間的 2 倍。例如，只建立在RISC 架構基礎之上的 SoC 需要一個能夠執行所有 VoIP 組件的處理器（除電話、網絡協議和路由器功能之外還需要執行語音處理操作），并能處理由于在錯誤架構上執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，在規劃整體系統功能容量時需要慎之又慎，因為如果處該理器是其產品系列中技術最先進的一款，增加處理容量要么需要高昂的成本，要么無法實現。如果容量不足，則必須放棄功能或者犧牲語音質量。
與純 RISC 架構或雙 RISC 多線程架構相比，采用雙架構可以將系統劃分到兩個 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、語音與數據路由性能最高的情況下架構的處理容量。在整個發展規劃中可以針對各種速度、性能與功能級（從基本網關功能到具備高級安全性的完整防火墻與路由器功能）優化雙處理器。
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據流，則大量數據傳輸會產生性能瓶頸，將使語音質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，那么關鍵數據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數據的傳輸與存儲。例如，在 DSP 完成數據塊處理之后，DMA 可以將數據傳輸至存儲器，排隊等待其他外設，從而無需任何 DSP 執行周期。高速內部交換、高總線寬度、數據突發功能以及智能外設等一系列因素也可提高 DMA 效率，從而能夠實現在無需連續 CPU 監控情況下直接數據傳輸與處理；最大化整體系統性能以降低延遲與抖動影響；并提高語音質量等。這樣，雙處理器中的每個處理器都可以擺脫管理數據流的負擔，從而集中力量執行其最在行的處理、命令及控制功能。其他重要的數據傳輸技術包括如下：
內部總線交換——交叉功能可以消除阻塞效應，從而降低數據傳輸爭用，使多條數據流能夠同時傳輸，且允許控制寄存器同時存取。交換功能可以使任何 2 個外設之間實現數據傳輸，而且在此進程中無需涉及 RISC 或 DSP 內核。
處理器高速緩存容量調整——可以針對具體應用處理與流量要求優化指令與數據高速緩存。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，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據的速度獲取數據，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。如果集成優化的軟件，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 控制與數據突發功能，則可以在無需 RISC 或 DSP 干預情況下最大化外設效率，以便執行特定任務。
未來發展
語音安全性是 VoIP 系統最重要的一個方面，開發人員在進行小區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送也需要安全性，因此安全實時協議 (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，由于大部分小區語音網關基于 SIP 之上，因此傳輸層安全性 (TLS) [確認]是確保語音呼叫系統安全性的最可行的方案。
隨著固定與移動技術整合 (FMC) 架構開始充分利用 VoIP 的成本經濟優勢，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）已經具有較高的帶寬效率，很可能會在相當長的時間內與傳統 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 等聲碼器轉換到家庭網關能夠識別的 G.711 聲碼器過程中造成的且會嚴重影響語音質量）等碼制轉換損失，小區網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。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 VoIP 市場已經從“新興技術”市場轉變成競爭激烈的市場，無數用戶仍不少掏腰包。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 的語音業務。隨著各類運營商都將目光轉移到 IP 網絡上，VoIP 目前正在成為可靠的語音技術。但是，此類技術為了成為主流，必須保持業務性能。
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。在了解集成VoIP 設備必須支持的全部功能后，OEM 廠商可以構建出能夠實現最佳配置的產品平臺，以滿足眾多用戶的需求。這樣，未來產品線可以利用應用軟件研發投資及現場固化 (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 而精心優化的，能夠有效實施各種語音處理與數據路由任務）能夠在不降低語音質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。