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VoIP進入家庭應用的技術現狀及發展趨勢

上網時間: 2004年09月19日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:VoIP  IP語音  VoWLAN  家庭網路  類比電話配接器 

VoIP技術在企業應用相對廣泛,而家庭應用卻發展緩慢,除了寬頻網路普及不足的原因外,標準、功能特性定型以及半導體方案等方面還存在很大的制約因素。本文介紹了VoIP的應用現狀和技術平台,並分析了VoIP相關的半導體和軟體的發展路線圖和未來VoIP技術的發展趨勢。

VoIP是透過封包交換網路傳輸語音採樣。通常有三種VoIP業務類型,今天最常見的一種是透過IP電話卡來進行的通話,一般用於長途語音通訊,使用者可能永遠都不知道他的通話是採用VoIP技術。

第二種是PC至電話(或PC至PC)通話,是利用PC上執行的軟體電話來進行。通話者對著與PC相連的麥克風、手機或無線電話講話。很明顯,這種模式不可能擴展到普通大眾,而僅限於熟悉電腦的用戶。使用筆記型及PDA上執行的軟體電話客戶程式,將隨著無線數據及語音接取業務的繼續融合變得更為流行。

第三種是設備至電話業務,其中將標準電話插入類比電話配接器(ATA)/語音路由器中,或採用實際IP電話,用戶借助寬頻連接通話。無需用PC來實現通話,且用戶體驗類似於常規電話業務,因而使其成為迄今VoIP技術供應商最感興趣的市場。

VoIP應用現狀

儘管VoIP在去年獲得了廣泛關注,但其出貨量仍較低,尤其在美國。實際上,今天的大多數語音通訊都屬於電話至電話或PC至電話。

VoIP發展成為主流消費性業務將推動電話業務向設備至電話的模式進行大規模轉移,且將隨著低成本、具有豐富特性的VoIP設備推出而獲得大量應用。而這決定於半導體廠商能否提供滿足市場需求的價格點、特性及功能的元件,而要滿足這些要求還有待時日。

有意思的是,企業對VoIP的採用卻相對廣泛,這是因為企業中通常普及了乙太網路聯接,且採用VoIP能大幅減少電話開銷。IT經理們通常已經擁有專用數據網路,且能方便地利用該網路實現VoIP業務。特別是與專用封包交換機(PBX)解決方案相較,IP電話平均可將企業的服務成本降低20%。不僅能大幅減少通話成本,且VoIP所採用的會話發起協議(SIP)還能使通話雙方設定除語音以外的其它應用,包括語音、視訊和即時消息等。在服務品質(QoS)方面,VoIP在企業比在家庭中更容易得到滿足,因為數據網路是一種封閉系統及受控環境,且客戶端管理也比較簡單,只需將電話插入現有數據網路中即可。VoIP還為區域內通話漫遊提供了一種移植到無線區域網路語音(VoWLAN)的途徑。

今天的企業市場主要由少數幾家供應商(如Cisco、Avaya等)主導,但包括主要電話公司在內的其它設備與服務供應商也正轉向VoIP,以佔領SOHO市場,它們首先推出不受通話時數限制的月繳制計劃,並開放市場來讓大家競爭。如果能得到低成本及高性能設備廠商的支援,同樣的電話業務供應商甚至還能利用其設備及基礎設備投資來進入大眾市場。更低的成本以及增強特性,例如統一消息、個人(與位置無關)電話號碼、電話簿/目錄、呼叫轉移、會議以及其它特性,將有助於創造更多用戶需求。

但VoIP進入大眾市場的速度卻比較緩慢,且全球的步伐還不統一。在普通消費市場上,迄今最成功的VoIP部署是在日本,由於其它電話業務的高成本,以及由Yahoo Broadband這樣的服務供應商所推出的雄心勃勃的寬頻及VoIP策略,近幾年日本每年新增數百萬條VoIP電話線。而最具吸引力的機會將在擁有高寬頻部署率的韓國,以及許多地區缺少傳統銅線電話基礎設備,並可能一步跨越到光纖到戶(FTTH)的中國。VoIP在美國的採用相對較慢,主要因為美國的PSTN電話太便宜,因此幾乎沒有改變現狀的動機。

VoIP產品平台

目前,三種VoIP平台都已經出現潛在的應用(見圖1)。第一種是將VoIP功能增加到路由器或DSL/纜線數據機中,因此可稱為ATA、客戶端設備(CPE)或整合接取設備(IAD)。ATA平台是其中最基本的一種,它能在一邊提供寬頻或乙太網路連接,而在另一邊則提供RJ11連接(亦稱為外部交換業務或FXS),因而使得任何常規電話都能充當IP電話使用。儘管這是一種最簡單的配置,但目前業界開始轉向更高整合方案,譬如將VoIP功能與多埠有線或無線路由器整合的VoIP路由器等。更高整合度的解決方案甚至還包含VoIP ADSL路由器,它將所有三種功能都整合在一個可提供寬頻接取、LAN連接、電話配接器甚至撥號連接的設備盒中。未來這種設備盒還將增加視訊、儲存及其它周邊電路。

由於部署及協調所有業務將面臨很多挑戰,在很多情況下將涉及到多種業務及內容供應商,因此這種平台的最終上市還須待時日。儘管ATA盒是目前普通消費者選用的設備,但它們很可能最終將轉變為IP電話及WiFi手機,以實現高級IP業務並取代無線電話。

第二種VoIP平台是目前主要用於中小型企業的IP電話/網路接取設備。IP電話外觀及使用的體驗類似常規電話,唯一的區別是它們與LAN連接而不是與PSTN線連接。透過IP電話/網路介面,人們即可用同樣的終端來存取數據業務、即時消息甚至網路瀏覽器。幾乎以同樣的方式,隨著服務供應商開始在其無線語音網路上增加數據業務,行動電話已經發展成為一種多功能通訊平台。

第三種VoIP平台是無線區域網路(WLAN),亦稱為WiFi手機,它將行動性及可能的漫遊功能與統一的消息傳送功能相結合。當越來越多的寬頻接取家庭採用無線接取點時,就可用來實現這種無線手機業務。所有可用數據業務都能被無線手機存取,因而使其實現地址簿、電子日曆、瀏覽器等多功能整合。WLAN手機具有可行動、易配置及部署成本相對較低的特點。今天,WLAN手機主要部署在一些垂直細分市場,如醫院、大型商店及校園等。

要使家庭及SOHO WiFi手機應用成為現實,其價格必須低於50美元。IEEE 802.11e標準的最終敲定,也為WLAN語音傳輸提供了必要的QoS保證。In-Stat MDR預計,全球WiFi手機的出貨量將從2003年的6萬部成長到2007年的350萬部,到2008年將達到550萬部。

最新的一種平台可能是同時具有蜂巢式及WLAN功能的雙模式手機。蜂巢式網路廠商可能將WLAN嵌入到手機中,使其既能作為採用WLAN的VoIP手機,又能作為常規手機使用。這樣廠商將獲得更多利益,因為這樣一來,在用戶密集地區只需增加網路頻寬而無需擴大整個蜂巢式基礎設備,降低了通訊實現成本。這種電話具有充分的智慧,如果有可用的接取點,它即會將IP通話透過成本較低的WLAN,否則透過蜂巢式網路來傳輸語音通訊。這種平台的主要設計挑戰是:兩種模式共處而不互相干擾;可無縫地從一種模式切換到另一種模式;基於WLAN的VoIP通話能滿足QoS要求。

據In-Stat資料,這些平台的市場預計將從去年的1100萬埠迅速成長至2007年的3600萬埠,將為技術供應商及ODM提供廣闊的市場機會。與IP電話相較,配接器盒將繼續擁有更大的出貨量,因為它們是一種能擴展路由器功能及採用傳統電話的更為直接的VoIP實現途徑。但這些數位卻沒有考慮整合WLAN/蜂巢式手機所具有的巨大成長潛力,預計到2007及2008年手機市場規模將達到6億部,以如此巨大的市場基數,即使僅10%至20%的手機整合了WLAN,其市場潛力也十分巨大。

半導體及軟體發展路線圖

儘管目前已有好幾種整合半導體解決方案,但它們主要適合於企業IP電話市場。而在VoIP迄今仍主要作為DSL、纜線數據機或路由器附加功能的消費市場,大多數半導體廠商一直在等待設備特性要求能早點固定,以便提供相關的SoC解決方案。對於大眾消費市場而言,在很大程度上模組化比整合更為重要,因為其目標是以幾種選項來在單個設計中實現帶或不帶語音的多個不同類產品,同時等待特性要求固定以及VoIP成為主流。

VoIP實現的語音處理基本上可以下列三種方式來實現:採用DSP語音處理器;採用整合了主處理器與DSP核心的整合度更高的元件;採用執行語音處理軟體的功能更強大的主處理器。隨著嵌入式主處理器的功能更加強大,它們能實現更多的語音處理功能,因而可以不需要專用DSP核心,有助於減少產品尺寸和更好的功耗管理。

迄今為止,採用語音協同處理器對於那些VoIP作為附加功能的應用來說不失為一種最佳策略,而IP電話及WiFi手機則可利用整合SoC解決方案或軟體來實現。同時擁有DSP核心及軟VoIP能力的半導體廠商,將能更好地定位以滿足迅速發展的需求,並能為每種應用在基於主機、基於嵌入式DSP或基於語音協同處理器的實現之間進行最佳折衷選擇。

VoIP設備中整合越來越多特性和語音處理功能,這些通常可以分成三類,即語音處理、呼叫控制及應用。

語音處理主要任務包括各種語音編碼器、回音消除器以及音調檢波器與產生器。語音編碼器包括:G.729,它能以市話(或長途電話)品質在低於8kbps的速率上編碼語音訊號;G.722,它能以自適應差分脈衝編碼調變(ADPCM)方案來在48kbps、56kbps及64kbps速率上對7kHz頻寬的語音訊號進行編碼。此外,還有其它很多種語音增強功能,像舒適噪音產生(CNG)及語音訊號檢測(VAD)和訊框丟失隱藏等,VAD透過只傳輸人耳能聽到的聲音來提高頻寬利用率,訊框丟失隱藏可補償封包網路中丟失數據訊框,以及可吸收封包網路中延遲變化的‘動態抖動補償’等功能。值得注意的是,這些增強功能對所感覺的語音品質具有很大影響,同時也是區分各種解決方案優劣的關鍵。

其它必須考慮的功能包括傳真、數據機直通、IP傳真(T.38)、IP Modem(V.150)以及IP文本(V.151)等功能。有許多專利權問題與各種IP編碼器有關,這可能會直接或間接地增加產品成本。在定義產品特性集以及選擇技術供應商時,開發商必須清楚這些問題。

通話控制功能是一組協議,它能利用各種網路元素(如各種類型的網路閘道)來實現並超越一般的PSTN電話特性。此外,它還能提供用於設立並端接通話(或多媒體對話)以及橋接PSTN與封包交換網路的方法。目前已經開發了幾種協議,包括H.323、媒體網路閘道控制協議(MGCP)以及SIP等,早期採用H.323及SIP由於其相對簡單、可擴展及特性豐富而獲得了最多支援。應用軟體將最終決定設備的功能,無論是IP電話、ATA還是任何其它類似設備。同時,軟體還決定用戶介面、設備配置與管理,以及整體功能和可用模式。

由於上述三種主要設備的發展有些互相獨立且經常改變,因此採用分層軟體架構很重要。這種分層架構還必須足夠模組化,以便於整合、定製,以及便於由晶片供應商或系統整合商(或任何其它IP供應商)所設計組件的發展。圖2為此一架構示意圖。

外部交換局(FXO)是VoIP設備需支援的新功能之一,它實際上是與PSTN線的介面。FXO不僅能在IP網路掉線時使通話方可以使用PSTN,而且還能在同一設備中實現在PSTN與VoIP之間切換,還能使ATA盒接受遠端撥號,並根據所撥號碼或其它參數來將長途及國際呼叫接到更便宜的IP網路上。最便宜的通話、遠端終端呼叫以及呼叫轉移等功能結合,充分利用了早期採用相同電話介面的類比數據機技術經驗。

下一代VoIP手機

儘管面臨跨越幾種技術發展方向的高度動態環境,晶片供應商們已開始聚集在擁有多種近期機會的架構上。企業所使用的全特性IP手機、利用家庭網路閘道的啞IP手機(dumb IP handset)、甚至採用USB連接的功能強大的PDA等,都很快能用到整合晶片。後者依靠網路網路閘道、PC筆記型電腦或PDA來承載通話控制協議堆疊,並負責全部VoIP處理任務。

由於VoIP數據頻寬要求並不高,故802.11b完全可以滿足WLAN手機應用。但在WLAN手機設計中還其它幾個方面問題需要仔細考慮,其中功耗是關鍵問題,目前市場上大多數802.11元件並不能滿足手機的長待機時間要求;安全是另一個關切的問題,儘管目前WLAN領域中已有多種安全方案,但並不是全部都能支援,且安全IP客戶端的配置並非很順暢;最後一個重要問題是QoS,儘管已有眾多的標準及產業規格(如802.11e),但它仍是一個需要特別關注的棘手問題,語音應用嚴格的低延遲要求進一步增加了QoS的挑戰。在這種情況下,對等網路連接是WLAN VoIP系統的關鍵要求。而WLAN一般被設置成即使在其互相通訊時也能使所有客戶端都透過接取點,因而會佔用更多的頻寬並導入額外的延遲,故關鍵是必須在任何可能的情況下,透過對等連接來最有效地利用可用頻寬,並使延遲最小。

如上所述,IP電話與WiFi手機設計擁有許多共同點。設計工程師可以利用同一個平台來實現兩種應用,並利用相同的軟體。IP電話還要求更廣泛的LCD顯示以及乙太網路驅動器等其它特性,而WiFi手機則可能會使用這些功能中功耗較少的部份,並增加一個WLAN介面。這兩種應用的典型設備都將採用功能強大的ARM或類似處理器核心,並根據成本及功耗目標來選擇軟體或硬體語音編解碼器。也可能會結合A/D、D/A、LCD控制器、鍵盤掃描邏輯及功率管理特性等,同時也要求用USB連接來實現增加儲存或連接相機以實現視訊電話等功能。甚至可以利用USB on-the-go (OTG)功能,使設備動態地成為一個USB客戶機(當充電或同步傳輸數據時)或主機(當採用相機功能時等)。

因此,像這樣的SoC將能為VoIP系統ODM提供各種具有吸引力的下一代平台設計選擇。在標準推出、應用及特性定型後,半導體廠商將會著手提供各種新的整合解決方案,並從目前的功能跨越到能提供整合語音+WLAN解決方案,以及可充分利用USB 2.0這種新型連接技術的設備功能。此外,單一整合式SoC解決方案還將日益擁有用於多種產品平台以及經濟高效地為多個市場服務的靈活性。

作者:Zeev Collin


VoIP產品副總裁


科勝訊系統公司





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