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媒體網路閘道的開放式結構設計考慮

上網時間: 2001年10月14日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:media gateway design  媒體網路閘道設計  simple gateway  簡單網路閘道,signaling gateway  信令網路閘道 

隨著基於數據包的語音(VoP)系統開始推出,設計工程師必須重新考慮網路閘道設計。本文介紹採用開放式結構媒體網路閘道的設計,並說明DSP和RISC處理器在系統中的應用和功能均衡以及語音行為檢測(VAD)等相關技術的應用。

現在,全球的電訊運營商和網路服務商都在升級他們的核心網路以支援分組數據業務。同時又有新的運營商和網路服務商正在安裝分組網路,希望能在他們的網路上提供語音業務。

轉向分組數據技術的主要原因在於網際網路技術使得數據服務需求迅猛地成長、第三代(3G)無線系統的出現以及數據通訊帶來的更多商業利益等。此外,語音和信號處理技術的發展使得在分組網路上傳輸語音業務成為可能。

但是,對於IP電話設備,業界要解決的一個關鍵問題是提高分組網路上的語音品質,使之達到現有電路交換網路上的語音品質。

VoP技術為電訊運營商提供了新的網路實現方法和新的業務拓展空間。促使運營商轉向VoP技術的因素很多,包括降低語音業務運營成本的壓力、建立新用戶和開展新的業務來促進利潤成長以及充分利用現有數據網路空閑容量等因素。

由於採用開放式標準解決方案,分組語音設備的開發完成很快,它完全不同於以前緩慢的開發過程。但是採用開放式標準實現一個系統的結構設計時,必須知道各種情況下在什麼地方存在瓶頸問題。

傳統網路閘道設計方法

讓我們先考慮一下基於標準媒體網路閘道的組成部份(見圖1)。從概念上來說,媒體網路閘道由四部份組成:線路卡、代碼轉換引擎、網路閘道控制器以及分組網路介面。

在電路交換網路側,線路卡將時分再使用(TDM)通道從PSTN連接到網路閘道上;代碼轉換引擎進行標準間的轉換;網路閘道控制器管理網路閘道以及呼叫路由;分組網路介面用於網路閘道和分組數據設備之間的呼叫路由。

在圖2中給出了網路閘道中的數據流和連接關係。此圖僅僅從概念上將網路閘道功能進行了直接的邏輯劃分。實際上,當真正要實現一個網路閘道以及在動態系統中實現均衡時,其數據流和連接關係不會這樣簡單。

媒體網路閘道在處理電路交換網路到分組網路的呼叫路由時,要進行多項任務處理,因此,需要不同的處理器分別完成不同的任務。為開發出更好的VoP媒體網路閘道,設計工程師需要考慮一些重要因素以做出關鍵決策,其中的決策之一是關於數據處理。

現在大多數VoP網路閘道結構中,設計工程師可以在RISC微處理器和DSP之間進行資源分配,這其中一個關鍵問題是如何使這些功能在資源中均衡分配。總的來說,在VoP設計中,RISC處理器適用於信號的收發處理,而DSP適用於代碼轉換和語音的編解碼。

通道均衡

微處理器和DSP間的均衡分配只是需要考慮的關鍵因素之一。設計工程師還必須考慮網路閘道中所需T1/E1通道的數量以及這些通道如何在網路閘道中分佈等問題。

在電路交換網一側,語音/傳真/數據等呼叫信號總是以TDM流進入網路閘道,通常是T1或E1數據流。T1/E1通道的均衡分配通常藉由一種卡結構來完成,這種結構允許工程師添加或取出一個卡來實現增加或減少T1/E1通道的數量。在VoP網路閘道中,通常採用兩種卡結構。第一種是PCI夾層(Mezzanine)卡(PMC),現在已發展成為PCI通訊夾層卡(PTMC)。第二種是挂在H.110背板上的CompactPCI(CPCI)卡,它能支援4,096個通道。某些商用VoP板能採用專用夾層卡提供T1/E1通道,但這些方案實際上與PMC和PTMC類似。

網路閘道內部信號處理

信號一旦進入網路閘道,就需要進行代碼轉換處理。代碼轉換過程涉及標準轉換時的通道解碼和編碼。通常,電路交換方式下的語音信號採用G.711編碼,以每秒64kbps的速率進入網路閘道。而大多數分組網路運營商規定一個壓縮通道以使通道容量最大化,並為數據業務提供頻寬。在語音編碼和壓縮方面,ITU規定了一系列相關標準,但現在應用最為廣泛的是G.723.1或G.729標準(A,B,或AB),這些標準中每個通道的頻率要求都比較類似。當運營商採用不同的語音壓縮機制或者不壓縮時,問題就開始出現了。例如,如果分組網路運營商希望實現最優的語音品質,或者有足夠的頻寬來傳送非壓縮語音信號,信號處理負擔將會大幅減輕。此外,回波消除對改善語音品質作用很大,但是反過來又會大幅增加DSP的負載,增加的程度取決於所要求的尾波長度(Tail Length),大約需要16到64毫秒,甚至更多。

但是,系統中實現分組網路介面的分組數據處理器的要求並未隨之改變。這會導致主要的G.711系統與信號壓縮系統之間的均衡被打破,採用不同長度回波消除器的系統之間也存在這個問題。當DSP需求改變時,如果不考慮以上這些因素,系統其他部份將很容易產生瓶頸問題。

要恢復代碼轉換器和保持最大效率兩者間的均衡,設計工程師可採用以下兩種方法。一是提高RISC處理器的性能,使DSP得到充分利用,從而在分組介面處不會產生瓶頸。二是減少DSP數量以使系統達到均衡,由於網路閘道應用中的通道密度通常要求比較高,而此方法不適於高密度應用,因此一般不採用。

對於只要求有一種代碼轉換類型或採用預定的混合代碼轉換器的靜態系統而言,實現系統最大效率相對比較簡單(如只由G723.1到G.711)。在這些情況下,均衡狀態一般不會改變。而在一個壓縮和非壓縮通道比例不斷變化的動態系統中,最好採用一種新方法。

分組數據

語音編碼和壓縮後,需要將語音數據打包後才能藉由分組網路傳輸。DSP或RISC處理器都可產生實時包(RTP)。在輕載的DSP系統中(在未壓縮的語音數據情況下),最好採用DSP來產生RTP。而在負載較重的DSP系統中,最好利用微處理器來產生RTP。

RTP產生之後,將數據包傳送到分組網路介面路由器上。在此階段,設計工程師需要考慮呼叫客戶方和H.323及SIP等控制協議。此外,設計工程師還需要考慮影響網路呼叫客戶和RTP引擎的運行模式。

VoP是支援採用語音行為探測(VAD)的模式。在一般的電話通話過程中,50%或更多的時間都沒有語音信號,只有一些背景噪聲。如果在一個時間內沒有語音信號,可以不用傳送數據包。這會大幅降低對RTP處理器和網路呼叫客戶端的要求。在這種模式下運行時,通常感覺上語音品質比較差。但柔和噪音產生器(Comfort noise Generator)能藉由添加背景噪音來改善聲音效果,因為在話音間斷期間完全沒有聲音會讓人感覺不舒服。

因此,在進行網路閘道設計時,確定在何處產生RTP以及是否啟用VAD對設計工程師而言都非常重要,這些都會大幅影響VoP網路閘道設計的整體品質。

簡單網路閘道設計

在前面已經講到網路閘道設計時需考慮的一些重要因素。現在再來看看如何將這些因素藉由三種不同的方式結合來構成一個高密度媒體網路閘道,下面給出的這些概念也適用於其他開放式媒體網路閘道設計。

首先從一個簡單網路閘道設計開始。在圖3中,DSP板處理所有的媒體網路閘道功能。這種結構通常用在信令介面相對簡單的情況下(如通道關聯信令和ISDN基本速率介面(PRI)),並易於同直接端接到網路閘道處理器板的通道關聯。

在簡單網路閘道設計中,PSTN線路直接端接到DSP板上的一個PMC模組上。藉由一個專用的TDM介面,呼叫直接從T1/E1成幀器(Framer)進入到DSP板上。

在圖3所示的網路閘道中,DSP板進行所有的電話信令和網路協議處理(包括H.323或SIP呼叫信令),以及語音/傳真處理。另一方面,CPCI板的主CPU負責系統的初始化設置和配置,以及對每個板卡進行錯誤和報警監測。該CPU能夠運行組件管理軟體,這使得中央管理系統能夠藉由其專用IP連接對此網路閘道進行控制管理。

使用這種簡單網路閘道結構有很多優點。其中最主要的一點是可直接增加系統的通道密度,這是因為所有通道相關的處理都是由DSP板完成的。因此,設計工程師只需增加DSP板的數量就可以提高系統密度。

但是,圖3給出的簡單網路閘道設計方法也有缺點。通常這種完整的網路閘道是一種單插槽方案,是為某種特定裝置均衡設計的,其均衡點通常基於複雜的壓縮機制。它的線路介面的數量與DSP的處理能力相匹配,同時也與分組網路介面和RTP處理器的性能相匹配,而分組網路介面要預先確定。對於大部份應用而言,這種均衡藉由嚴格定義,並具有一定程度的靈活性,但是問題在於這種系統達不到標準結構所應有的效率。

當採用非壓縮通道方式時,這種低效率相當明顯。在這種情況下,DSP能夠處理很多的通道,但是線路卡和網路處理器卻可能成為系統的瓶頸。該系統不會降低輸入通道密度,但由於處理能力所限,不能達到最大的通道密度。VAD可用來減輕網路處理器的負載,但系統低效率仍有可能使線路卡成為一個限制因素。

信令網路閘道

信令網路閘道是VoP設計中經常採用的另一種結構。在這種結構中添加了一個開放的系統線路介面板,該介面板用來處理線路端接功能,而語音信號採用H.110 CT匯流排(如圖4所示)傳送到DSP板上。這種結構支援SS7等更為複雜的電話訊號,而所有通道的訊號都能在幾個鏈路集上承載。這種結構也可用於T3或E3等極高密度的端接上。

在訊號網路閘道方案中,DSP板依然進行所有的語音和網路協議處理(包括H.323訊號)。CPCI主機對訊號網路閘道和媒體網路閘道控制協議(MGCP)呼叫代理等附加功能進行處理。

這種方案的一個優點是DSP板的通道處理能力不會受到直接端接到板上的通道數量的限制,因此,所要求DSP板的處理能力更為準確地同端接到線路介面板上的通道數量相匹配。板上基於PMC的線路端接能力可根據需要用來增強外部線路端接性能。

但是,如果系統DSP板是按壓縮語音處理能力設計的,那麼當處理非壓縮語音信號時,系統的分組處理能力會使通道密度受到限制。對這個問題可以採用兩種方法來解決:一種方法是提供一個外部的網路協議引擎來提高系統的分組處理能力;另外一種方法同簡單網路閘道所採取的方法一樣,用VAD降低數據量。

幹線網路閘道

最後一種結構是幹線網路閘道,這種網路閘道結構以上述信令網路閘道為基礎。在這種網路閘道中,DSP板不進行線路端接和網路協議處理功能(見圖5)。在下面的有關分組網路處理的討論中,可以看到這些功能是在一塊單獨的CPCI板上實現,或是由DSP板上的一個PMC模組實現。

在幹線網路閘道中,語音通道依然採用H.110標準從外部CPCI線路卡上傳送到DSP板上。DSP板執行語音分組處理,產生的數據包會發送到一個網路協議引擎作進一步傳輸。

這種方案的一個好處是它可採用專用協議處理器板,其分組能力和網路連接性能比用於乙太網路的DSP板上組件更好,同時還支援對更大範圍數據網路的直接連接。

介面選擇

在幹線網路閘道內,設計工程師採用了包括網路介面在內的全整合板級解決方案。一般採用的介面是乙太網路。但是,某些系統可能也要求網路閘道提供與ATM、幀中繼和其他一些類型連接介面的功能。在幹線網路閘道中,新的I/O機制和關聯協議處理器引擎可與DSP板分離,既可以是PMC模組(安裝在DSP板上),也可以作為一個單獨的CPCI卡。

對於幹線網路閘道的結構,設計工程師應當考慮採用開放式標準的問題。由於網路閘道具有單獨的PSTN介面、代碼轉換功能和分組網路處理器,所以無論所處理的語音信號是壓縮的還是非壓縮的、回聲尾波是長還是短或是否採用VAD,都可以實現系統的均衡設計。藉由對線路卡、DSP資源和分組網路介面的匹配可以實現系統資源的最佳均衡設計。

幹線網路閘道的缺點是過於複雜,而簡單網路閘道的全整合解決方案比較易於實現和管理,並能提供系統的最佳密度。由於在幹線網路閘道中網路閘道功能分由幾個卡實現,在某些情況下其密度會有所降低。

在高性能硬體及藉由嚴格測試的軟體出現後,VoP網路閘道設計工程師能快速開發出高密度、易管理的解決方案,從而滿足運營商的需求。但是,網路閘道設計中依然存在著沒有解決的問題。分組處理能力和語音處理能力如何協調以使系統資源得到最佳應用是方案要解決的關鍵問題所在。

在市場的激烈競爭以及要求保持系統靈活性的條件下,開放式系統能夠提供專有系統和背板所不具有的多級適應性。開放式系統方法是進行開放式系統設計的基礎。PCI工業電腦製造商組織(PICMG)、VMEBus國際貿易協會以及PCI特別興趣小組(PICSIG)等標準機構正在致力於開放系統結構的研究。

作者:Brian Carr




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