提高VoIP话音质量的网络处理器和DSP任务分配策略

网络处理器(NPU)的应用使VoIP受益匪浅,但处理器与DSP之间的任务分配上仍存在诸多问题,例如基于NPU的“TDM-分包桥”设计面临的主要挑战是将串行数据转换为并行数据,DSP处理回波和压缩很合适,但进行分包数据处理就不如NPU为佳,本文就介绍提高VoIP话音质量的NPU和DSP任务分配策略。

网络综合具有很大的成本优势,因而促进了网络运营商、业务提供商或局域网管理部门在基于互联网协议(IP)的网络上进行语音数据传输。网络一体化面临的主要挑战是语音数据在IP 网络上传送之前,必须对串行时分多路复用(TDM)语音数据流进行分包处理。

典型情况下,分包处理通过一组数字信号处理器实现,遗憾的是,DSP处理方法要以牺牲效率为代价,因而随着网络处理器在分包/拆包处理中的普及应用,它日益失去吸引力。网络处理器通过从DSP中卸载一部分任务可以提高处理效率,但是,卸载却带来一些新问题。例如,如何分离被分离出来的任务？如何实现DSP与网络处理器之间的接口？本文就此介绍一些可行的解决方案。

需要优先考虑的问题

无论传输方法如何,对语音数据进行完整VoIP分包处理都包含如下步骤:

1. 语音处理:如有必要,该处理可包含双音多频(DTMF)生成/识别和回声消除。某些情形中,这一步操作还可包含压缩处理,但由于带宽已经唾手可得,因而对压缩处理的要求越来越小。

2. 分包处理:这一步操作实际上是将TDM数据打包到IP分包数据净荷中,并将表征特定电话号码的TDM流时隙与源IP地址及目的IP地址相关联。目的IP地址表征了TDM流中的一个时隙或目的电话号码。

3. 在IP网络上传输语音:这一步操作中VoIP分包数据只是网络上的分包数据,一般采用源端和目的端IP地址进行路由。

4. 有效性校验:有效性校验在IP分包数据目的端进行,以确认分包数据到达正确的目的端并包含有效的数据。

5. 实时协议报头分析:在这一步操作中,报头经过分析,将数字化的语音净荷导引至目的IP地址所指示的给定TDM流的给定时隙。

6. 拆包:该操作从分包数据包中卸下净荷或数字化语音数据。

7. 抖动缓冲:TDM数据对时间敏感,语音数据必须能在正确的时间出现在给定的TDM流的给定时隙,否则声音质量将很差或含糊不清。语音数据在IP网络上传输时,会受到分包数据的传送时间间隔可变特性的影响。抖动缓冲操作存储TDM数据的几个时隙。当缓冲来自IP网络的更新数据时,抖动缓冲中最早的TDM数据将传送至TDM流。因为该操作的语音传送延迟很小,从而保证了声音质量。抖动缓冲通常包括两级,第一级是解压缩,如果语音数据在传送端进行了压缩,则必须在此处解压缩；第二级则将解压缩数据传送至TDM流。

在VoIP应用的“TDM-分包桥”实现中,所有上述操作均采用DSP场(DSP farm)中的DSP实现。该方法在实现中简单易行,但单个DSP场的呼叫处理密度和所能处理的同步呼叫数目有限,因而效率极低。虽然可以通过添加DSP器件以增加每块单板的呼叫处理密度,但固定的底板架构,如6U CompactPCI单板,在物理上限制了可添加的DSP数目。

尽管在DTMF生成/识别、回波消除和压缩中DSP的效率极高,但在其他任务中则明显不佳,尤其是那些涉及分包/拆包和分包数据处理的任务。DSP的一个显著而强大的特性是其快速完成复杂浮点计算的功能,但是涉及密集分包数据处理的功能则完全不使用DSP的浮点计算功能。因此,在VoIP应用中,采用DSP对数据流进行分包处理完全是对DSP功能的不当使用,并极大地影响了可实现的处理密度和每个信道的最终成本。

网络处理器和DSP要合理分工

最新的数据处理方法将DSP的应用定义在压缩、回波消除、抖动缓冲和解压缩,而网络处理器的应用定义在分包、分包数据处理和拆包。新模型通过把DSP的处理任务卸载到网络处理器而使DSP的性能和呼叫处理能力达到最高(如图1所示)。

采用网络处理器从DSP上卸载分包数据处理功能的架构有两种。

1. 第一种架构采用位于CompactPCI底盘中某个位置的DSP场。DSP负责连接外部I/O(如E1/T1接口)和CompactPCI H.110 TDM流底板,如有必要还将连接DSP专用功能,如DTMF生成/识别、回波消除和压缩/解压缩等。基于网络处理器的底板完成应用中的所有分包数据处理。两块处理卡之间的TDM数据在CompactPCI H.110 TDM总线上传送。

在实际应用中,可采用CompactPCI 6U×4HP底板架构卡(如图2所示)。该卡包含CompactPCI H.110 TDM总线接口、多个10/100 BaseT以太网端口和网络处理器,以有效地实现分包数据处理功能。通用数据流具有如下特征:

(1) 利用商用的时隙交换器件,在CompactPCI H.110总线上采集TDM数据。
(2) 将串流TDM数据从串行形式转换为与网络处理器并行总线I/O兼容的64位并行形式。
(3) 通过网络处理器中的微引擎对TDM数据进行分包处理。
(4) 利用网络处理器高速总线上的I/O器件,在10/100以太网上传送包含语音数据的IP分包数据。网络处理器的微引擎还负责管理以太网I/O。

2. 第二种架构应用于不需要专用DSP功能的情形。此时,商用的线路卡可用于连接外部E1/T1 I/O和H.110 TDM CompactPCI底板。基于网络处理器的线路卡可用于对数据进行分包并在接收端拆包。

第二种方法中,开发基于网络处理器的“TDM-分包桥”面临的主要问题是如何设计ASIC,以将串行数据流转换为与网络处理器并行数据总线兼容的格式。虽然串行/并行转换器看起来相当简单,但ASIC的开发仍面临几大难题。

TDM数据以串行的形式出现,但网络处理器的高速率总线是并行总线,因此ASIC必须将串行TDM数据转换为64位并行总线形式。这意味着TDM数据的8个采样必须在提交给网络处理器并行总线之前进行缓冲。此外,ASIC在多个TDM流中连接许多时隙,这意味着每个TDM流中每个时隙的最小8个采样必须缓冲在ASIC中。

TDM数据的双缓冲还必须考虑到数据为网络处理器准备充分与网络处理器为数据准备充分(图3)之间的潜在时滞。双缓冲还防止了无法挽回的数据丢失和语音质量下降。电话呼叫是全双工的,即数据总在两个方向上传送。因此,ASIC必须能从网络处理器接收64位并行数据,将其拆分为8位采样并在适当的时机提交给恰当TDM流的适当时隙。此外,在某个方向上双缓冲数据使得NPU一旦准备充分即可迅速发送数据。

性能的度量标准

第一个性能度量标准是经由“TDM-分包桥”的数据总延迟。如果延迟过长,网络任意端上电话之间的总延迟可能将超过35ms,因此必须采用DSP实现回波消除。但根据测量,数据通过基于网络处理器的“TDM-分包桥”的总延迟小于0.75ms。如果IP网络的总延迟小于30ms,即可避免采用回波消除措施。

测试表明,在一定的分包数据处理及以太网I/O操作总量条件下,基于网络处理器的“TDM-分包桥”应能在单个6U CompactPCI底板架构中处理1,024个全双工呼叫。

处理器加载

运行于网络处理器微引擎上的分区软件的任务,包括微引擎的结果分配及运行于微引擎上的线程分配,逻辑上可分为4项任务:

(1) 实现从“TDM-网络处理器桥”I/O的数据入口和出口功能。
(2) 将语音数据转换为IP分包数据包。
(3) 实现10/100 Base T以太网I/O的数据入口和出口功能。
(4) 对以太网I/O收到的IP分包数据进行拆包。

在带有6个工作频率为200MHz的微引擎的基于网络处理器的实现中,每个微引擎含有4个执行线程、256个全双工语音信道或512个DS0用于VoIP操作,微引擎和线程总体使用率如图4所示,它们包括:
(1) 一个微引擎中的两个执行线程控制“TDM-NPU桥”I/O。
(2) 一个微引擎中的一个执行线程用于对语音数据进行分包。
(3) 两个微引擎中的四个线程用于支持10/100以太网I/O功能。
(4) 一个微引擎中的一个线程用于对来自10/100以太网I/O的IP分包数据进行拆包处理。

研究表明,如果上述实现采用较大容量的时隙交换器进行修改,那么网络处理器的计算能力将得到更充分的利用。因此,对于1,024个全双工信道或2,048个DS0,分包/拆包所需的线程数目将上升到每个微引擎上4个线程,而不是一个线程。其他的功能如桥I/O和以太网I/O则完全不受影响。

这种利用网络处理器计算能力的方法在实现高密度处理的同时,还对其他特殊用户或专项应用处理留出一定的计算资源。

本文小结

对可管理IP网络上传输的TDM数据进行分包处理的思想完全可以推广应用到VoIP范畴以外。7号信令系统呼叫建立和控制信息有时也可在呼叫端点处作为TDM数据加以处理。因为这里讨论的VoIP实现本质上与时分多路复用流中的数据并无二致,因而非常适于拓展至新兴的SS7 IP市场。

总之,VoIP的实际应用需要很高密度的“TDM-分包桥”,以使其在经济上和逻辑上更可行。在定制的“TDM-IX”总线接口ASIC的驱动下,网络处理器有能力提供适当的分包数据处理性能,以在单时隙6U CompactPCI底板上实现高密度桥。

作者:Lewis Zook

高级产品工程师

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RadiSys公司