市场研究机构In-Stat/MDR的分析报告显示,目前全球企业IP电话技术市场较一年前成长了50%,未来几年全球VoIP市场的年复合增长率更将达到64.6%,预计2008年的全球VoIP设备总收入有望达到20.5亿美元,全球VoIP用户数量将从2003年的9,940万增加到2008年的2.49亿(见图1)。目前,中国语音通信还处于相对垄断,VoIP的运营受到政策面的限制,但基于以下原因未来中国VoIP应用将仍然保持快速增长:首先,中国宽带用户数量已经超过1,000万,而且还在高速发展中,VoIP应用的网络条件具备；其次,全国近40万企业以及政府机构中很大部分计划在未来若干年中采用VoIP以降低通信资费；向全IP网络转变的全球趋势加快,VoIP全球应用的增加将向开发商提供更多高性能、低成本的实现方案,限制VoIP应用的服务质量(QoS)和成本问题将得到缓解。
网关是VoIP应用中的重要设备,按照应用领域和端口密度大致可以分为电信级网关和用户端网关设备。电信级网关通常要求高端口密度、高性能和高可靠性,具有最大的设计难度,要求开发商具有很强的开发实力；用户端网关通常端口密度较低,包括终端适配器、小区网关和企业级网关。目前,中国系统开发商大多开发低端VoIP网关产品。
互操作性、服务质量和安全性是目前影响中国和全球VoIP应用市场增长主要障碍,尽管客观上有一些诸如政府指导政策和市场环境等方面的不利因素,但宽带基础设施和VoIP技术本身的确还有待提高,如改善网络拥塞程度、改善因丢包、回声和延时而造成的QoS问题、提高设备的兼容性、安全性和互操作性等。只有当用户的体验与使用普通PSTN电话服务相近,VoIP市场才能真正进入高速发展阶段。本文将详细讨论当前VoIP市场存在的主要技术问题和主流的解决方案。
互操作性和安全性是关键挑战
互操作性问题是目前开发商所面临的最大挑战,当前不同开发商的VoIP网络产品不能无缝地在网络中互联互通。产生这个问题的技术层面主要有语音编解码标准、信令控制协议的不一致、软交换平台的互联互通以及传真支持协议问题,此外在回声消除、包抖动处理上各开发商的实现上也有差异。语音编码标准目前采用G.723、G.711、G.729、G.729A/B等,基于这些标准的编解码器通常由第三方或方案提供商的软件实现,因此不同设备的编解码和压缩格式存在差异,即使相同标准也有不同的数据率问题,在实现网络接入时需要进行一致性测试。
应用控制信令协议之间的兼容性也是当前VoIP应用中技术层面较大的障碍。目前主要的标准有H.323、SIP(会话初始化协议)和MGCP。H.323标准目前应用较多,而SIP和MGCP协议的应用也逐渐增加,不仅不同协议之间存在不兼容问题,即使相同协议也存在多种版本,如H.323存在三种版本和开放源代码的Open323。事实上,通常方案提供商已经在他们的软件方案中实现了这部分功能,开发商可以根据需要进行选择,但需要与运营商的系统平台保持一致性(如软交换平台)。这种互操作性问题带来系统调试和测试上的麻烦,工程师普遍反映,采用H.323的调试工作通常繁琐而过程漫长,对于SIP而言,所有的消息都采用文本编码,所以SIP消息非常简单,这样通过简单的网络检测就可以调试。
安全性是VoIP应用中另外一个业界关切较多的问题。与传统电话通过PSTN专用网络不同,VoIP应用基于互联网来传输语音通信,互联网本身的不安全性对VoIP同样带来很大的影响。这些安全忧虑主要有信令协议的开放性可能带来的拒绝服务(DoS)攻击、话费欺诈和非法监听等。此外,VoIP网关所采用的操作系统同样可能受到来自互联网的非法入侵危险。在安全性方面,信令层协议的安全性很重要,相对H.323而言SIP的安全性机制具有更强优势:支持通过HTTP的呼叫者/接听者鉴定；支持通过SSL/TSL逐跳(hop by hop)加密安全认证,并可使用任何传输层或类似于HTTP的安全机制,如SSH或S-HTTP,采用SDP传输密码；SIP定义了端到端得认证,使用PGP或S/MIME的加密方法。
服务质量是终端用户关注更多的问题,主要包括网络延时、抖动处理、网络拥塞。目前的VoIP服务质量已经有很大的提高,按照Cable&Wireless公司的服务等级协定(SLA)所表现的数据为:在欧洲内部传输延时小于60ms,跨太平洋通信延时165ms；平均一个月的分组丢失率低于1%。工程师可以采用短的分组来降低分组延时(但带宽利用率降低),而先进的DSP和VAD算法、编解码算法也能降低处理延时。目前的主流方案通常采用具有快速的收敛、低残留回声以及对背景噪声和窄带信号具有良好处理的回声消除器,满足G.168-2002标准要求。
VoIP网关通常需要独立电源供电是习惯于传统电话的用户十分关注的缺点。电信级网关和高端口密度的企业网关还必须采用独立电源,而对于功耗低于12.95W、采用以太网接入的低端网关(单口网关或适配器产品以及SOHO/小区用网关),可以采用基于以太网供电(PoE)方案实现不间断的稳定电源,如Broadcom公司的参考设计就支持PoE供电,包括凌特科技等多家电源提供商提供PoE实现方案。
针对VoIP应用中的这些技术缺陷,目前市场上出现的分组网络电路仿真业务(CESoP)将可能为VoIP技术带来一些挑战。CESoP采用与ATM相同的电路仿真方法,为分组网络传输电路交换业务提供了一种透明传输机制。与传统VoIP实现所采用的电话控制、信令功能和分组网络呼叫控制功能不同的是,CESoP不需要语音处理,对呼叫控制和信令要求也降低,大大地降低了实现的复杂性,在语音质量和传输延时等性能指标上具有明显的比较优势。然而,该技术目前更多地应用在城域以太网内,在客户端语音传输方面还缺乏实际应用,该技术的应用推广还有待做更多的工作。
主流解决方案分析
德州仪器公司(TI)是VoIP网关方案的主要提供商,据悉其全球已经提供超过5,000万端口,占近80%的市场份额。其方案采用了先进的DSP技术和Telogy Software软件技术,采用通讯和个人消费电子领域应用广泛的16位定点DSP内核TMS320C54x和TMS320C54x,用户可以基于这些方案进行一些应用和功能扩展。此外,TMS320C54x和TMS320C54x为业界工程师所熟悉,基于这些方案的产品开发具有一定技术优势以及较好的程序代码兼容性。
在小区/SOHO和企业网关方案上包括TNETV1060系列,如图2所示。这些方案通过都支持主流的语音编解码器、Fax RelayT38标准和回声消除技术。并针对不同的应用需求提供了不同功能集成的方案,如在TNETV2402等方案中没有集成分组处理器,以适用于语音处理与分组处理彼此独立的设计,实现更低的成本和设计灵活性。
TNETV3010是TI公司针对电信级网关应用的一款高端解决方案,同时集成了6个TMS320C55x DSP内核,单个电路可以实现高达2016个通道(OC-3)。为降低分组处理延时,该方案并没有集成内部处理器,而由开发商根据系统的实际设计需要灵活选择不同的实现方法。基于该解决方案,TI提供了采用FPGA、网络处理器和rMII子卡三种形式的参考设计供开发商选择。
在这些硬件方案基础上,TI还提供完整的业经验证的 Telogy软件,该软件包括预集成的操作系统及协议栈,支持各种语音编解码器、回声消除以及传真协议等,其模块化结构可以根据开发商的需求进行优化。 此外,Telogy软件在应用处理上作了很多工作,包括集成RADIVISION公司的协议栈,其回声抑制、低延时技术具有一定优势。
Broadcom公司是另一家重要的VoIP网关方案提供商。Broadcom作为传统的通信方案提供商具有很强的设计经验,在xDSL、Cable Modem方面的丰富经验和产品使其能提供完整的参考设计。针对SOHO和小区VoIP网关的通信处理器BCM1100和BCM1101以及BCM1115都采用了MIPS32 CPU和ZSP系列DSP,CPU的处理能力可以为开发商的应用程序开发提供处理能力支持,方便于用户的功能扩展和灵活设计。此外,Broadcom公司针对低端VoIP网关产品的参考设计方案还全面支持基于以太网供电(PoE)标准,该功能使VoIP应用能实现像传统电话的不间断供电。BCM1100还支持新兴的语音编码标准,方便于支持未来的新应用,如基于WiFi和2.5G、3G的VoIP应用。
而BCM1112具有一个150 MHz MIPS32 RISC处理器和一个双乘累加(dual-MAC)数字信号处理器。该芯片的以太网组件包括一个以太网交换器和两个整合式的10/100以太网收发器。此外,整合进BCM1112的还有三个能支持窄带(8 kHz)和宽带(16 kHz)样本的模拟编解码器。这些编解码器加上Broadcom BroadVoice32等宽带声码合成器,据称将在以后使IP网络能提供比传统的 PSTN 更高的声音保真质量。
面向电信级VoIP网关应用的CALISTO通信处理器同样采用了MIPS处理器和DSP架构,并采用了可重配置的自适应指令集,内部集成了21个处理单元具有3.3G乘法累加操作。基于该硬件平台,Broadcom公司还提供了xChange软件来实现语音包处理、实现128毫秒的回声处理、动态抖动管理器,以及传真中继和数据中继功能。为了提高方案的互操作性,Broadcom加强了其软件的互操作性测试。
针对VoIP应用的低端方案供应商还有杰尔系统和科胜讯系统公司等,这类方案主要面向IP电话、适配器、低端口的网关方案。此类产品通常设计较简单,部分产品不需要采用实时操作系统,设计灵活多样。这部分市场为很多业内人士所看好,目前很多半导体公司和整机开发商关注该市场的发展。
VoIP技术的未来走向
相对于传统电话服务,VoIP的最大优势是其低资费,甚至免费长途电话功能。在挑战传统电信服务的同时,它也面临传统电信服务的挑战。一方面,采用VoIP需要不菲的初始投资使部分中小企业在选择VoIP时更加犹豫；另一方面,电信运营商通过对大客户进行话费折扣来防止用户流失,降低了VoIP的实际优势。基于这样的现实,一些开发商认为未来VoIP产品降低成本很关键,而成本的降低还依赖整个市场的成熟。目前,一些国内有实力的开发商正在着手开发具有更多自主技术的VoIP网关/电话方案以降低系统成本,大部分开发商可以深入到应用软件和底层协议以及软交换层面的技术开发,可以实现更多的自主技术和低成本优势。
网络技术和半导体技术的发展为VoIP带来一些新的应用:3G和无线局域网的应用带来了宽带无线接入,基于这些无线网络的VoIP应用必然将成为新的趋势,在TI和Intel的最新高端手机方案都计划集成WLAN功能模块,此类应用将促进电信级和企业VoIP网关的发展；VoIP网关将在功能上与其它设备集成,如与线缆调制解调器或路由器功能集成等,包括杰尔系统和TI都计划推出集成VoIP和WLAN的方案,Centillium公司计划将DSL与VoIP功能在硅片级集成；VVoIP(video+voice over IP)应用增加,目前市场上已经有很多此类产品采用H.323协议实现多方可视会议功能,主要面对企业级应用；下一代网络(NGN)的部署将进一步促进VoIP的应用。图3所示为VoIP应用的发展进程和趋势。
VoIP应用的快速发展趋势似乎无可置疑,然而随着应用的增加,前面所述的安全性问题将可能制约其进一步发展,目前VoIP应用已经在一些发达国家引起法律上的争议。为加速VoIP的发展必须在技术层面加强安全保障,如通过加密和防火墙等方法,当然这些措施对成本、系统延时等问题必然带来负面影响。
H.323和SIP协议特性比较
在信令控制协议方面,分别由国际电联(ITU)和互联网工程任务组(IETF)制定的H.323和SIP是两个主要的竞争标准,通常认为这两个标准分别代表不同的利益集团,并各具特色。目前,在VoIP应用中H.323还占绝对多数,该标准在与PSTN能平滑互联,并考虑了会议功能,其中还包含了会议控制协议,且该标准应用成熟,有很多公司可以提供完整的实现程序。在技术层面,这两种标准主要存在以下差异:
1. 在架构上H.323覆盖几乎所有服务,包括会议控制、QoS、服务发现等；SIP是模块化架构,包括基本呼叫信令、用户定位和登记(registration),其它特性在单独的垂直协议中定义。
2. 地址的运用上SIP使用URL上的机制非常灵活,这样可以让SIP以一种非常灵活的方式重定向到非SIP服务器上去,被另外一个SIP呼叫的SIP终端也能重定向到某个网页或者是电子邮件地址。
3. SIP所有的消息都采用文本编码,非常简单,这样在开发的时候简单的网络检测就可以调试,而H.323协议采用了PER或者BER的二进制编码方式,信令不直观。
4. SIP没有会议控制能力,适合于点对点的通讯,而H.323一开始就考虑了会议功能,其中还包含了H.332会议控制协议,目前一些开发商推出的VVoIP产品基本上都采用了H.323协议。
5. 基于无线的网络而言,H.323有很大优势,由于信令采用了二进制编码,所以比较适合手持设备实现,而SIP由于采用了文本方式就没有这样的能力。
6. SIP具有简洁高效、可扩展性和适用性好的特点,能与现有IP数据网络平滑对接,方便互联网应用集成,并为3GPP所采用。
7. 多播:在这个方面IETF具有优势,有非常强大的应用经验的,SIP已经设计在很多多播的骨干网络上。
作者: 蒲文清
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