构建运营商级高密度、低功耗VoIP网关平台

要设计组建一个运营商级的高密度、低功耗VoIP网关,需要将模拟部分和数字部分连接起来,工程师必须考虑严格的DSP和软件要求以及系统性能指标。本文作者将分别就网关的实现、语音功能以及系统扩展等问题讨论系统的实现方法和相关的技术。

基于分组的语音技术的发展实现了在单一的网络上传递语音和数据服务。勿庸置疑,在下一代基于分组的网络上,语音和数据服务将结合在一起,逐渐取代传统的电路交换网络。这种趋势已经开始出现。

设备制造商要想在基于分组网络设备的市场获得成功,必须满足服务提供商的需求,提供具有可扩展性和技术特色的运营商级网关解决方案,满足高密度、低功耗、低语音信道成本的要求。基于下一代可编程DSP的方案将使这种平台成为可能,这些方案可以在同一个DSP上处理多个语音和传真信道,极大地降低单个端口的成本和功耗,从而增加方案的总体信道密度。但是,仅仅用高信道密度方案来解决这个问题是不够的,必须采用一种系统级的方法来设计一个满足服务提供商要求的解决方案。此时,需要考虑到支持长话级音质的语音特性、外部器件对DSP资源的支持程度,以及在不产生系统瓶颈的前提下集成大量语音信道的方法。

在过去的短短几年中,基于分组的语音技术已从一种技术演示发展成了下一代网络和服务的一个必要组成部分。该技术的快速发展可归功于几个关键因素,其中包括IP语音技术、低功耗的DSP技术、具有可扩展性的信道密度、传输技术(例如DSL和线缆技术)的实现。另外,互操作性和新兴标准也使得这种技术开始趋于成熟。

网关的实现

目前,VoIP网关的应用已涵盖了从小型双端口综合接入设备(IAD)到作为5类交换机替代产品的大型运营商级网关的许多场合。

与电路交换语音技术相比,基于分组的语音技术有几项优势。首先,通过采用语音活动检测(VAD)技术和低位率编解码器,大大降低了通话语音所需要的带宽。VAD技术消除了占所传递的语音信息总量40%的无声信息,低位率编解码器将语音通话的带宽从64kbps降低到了5.3 kbps；其次,由于建立在开放的标准之上,第三方开发商可为服务提供商提供产品,基于分组的语音和数据网络基础设施使得新的功能和技术改进能够更快地投放市场；最后,基于分组平台的投资远远少于基于电路交换的平台,由于平台和网络管理的统一,运营成本也大幅降低。

由于基于DSP的技术已能够提供更低的功耗和更高的密度,大规模的IP语音网络的可行性越来越高,制造商已开始着手解决互操作性问题。VoIP的半导体和软件技术已经发展到可以支持数百个信道,并且很快就可以在单个芯片上支持OC-3信道密度(超过2,000个信道)。

方案密度(Solution density)

通过VoIP的应用,服务提供商可以获益匪浅。他们希望利用分组服务的开放架构尽快推出新的和增强的业务,创造新的收入,同时通过基于分组的网络的扩展来降低运营成本。但是,他们不会牺牲通话质量来铺设单一综合网络。

方案密度的概念使得服务提供商和平台开发人员可以更清楚地理解并实现高密度VoIP方案。它要求对于VoIP方案不能仅仅评估一块芯片上的信道数目,必须从系统工程的角度出发,评价系统解决方案的各个要素是如何组合在一起,在不牺牲通话质量的前提下使得功耗最低、面积最小。

因此,方案密度是指在高密度运营商级网关中,对目标应用的信道密度、功耗、结构、系统功能的集成和具有所要求的基于软件特性的I/O进行最佳优化处理。方案密度的概念提供了一个在结合所有主要系统要素和特性考虑(而不仅仅是任何单个组成部分的性能)的基础上,对方案进行评估的体系。一个对密度方案进行检查的项目列表将包括结构、语音和传真特性,以及开发工具等其它要素。

质量和可靠性

分组网络中语音质量和网络可靠性的标准与传统电话网络的标准是相同的。用户希望其服务质量能与传统电话网络的质量一致,因此,服务提供商所提供的基于分组的语音服务对于用户来说应该是透明的。只有通过新的和增强的服务,用户才能意识到他们在使用一个基于分组的网络,而非传统的基于时分复用(TDM)的网络。

人们常常以运营商级或长话质量来讨论高密度VoIP 应用,这两点都是与高质量语音服务密切相关。这些要求反映了服务提供商(更重要的是他们的用户)对服务质量的期望。音调处理、分组补偿、VAD(含有使通话人感觉舒适的噪声)以及各种回声消除技术对于达到期望质量都很重要。

系统扩展

在不降低语音质量的同时将VoIP 网络进行扩展以适应更大的业务量,这对基于分组网络设备的建设非常关键。在大多数情况下,信道密度将受到整个系统对功耗要求的限制。功耗和冷却的水平必须符合业界标准(例如Telcordia的网络设备构建标准NEBS规定,23英尺系统的最大功耗为1,275W,采用强制风冷)。对致力于提供最大可扩展性的平台开发商来说,在保持运营商级性能的同时只有对功耗和面积进行最佳优化的方案才能满足这个标准。因此,最重要的是单信道的功耗而不是芯片信道数量。

灵活性是在通信行业中用得很频繁的词汇,但通常是指在不断发展的标准下增加新的服务和维持现有功能的能力。VoIP网关平台方案不仅仅支持脉冲编码调制(PCM)语音功能,还支持低位率编解码器和传真中继等,因此服务提供商不必影响和更换设备就可以增加服务,这些基于软件的特征使得平台开发商的网关产品能够在竞争中具有优势。从方案密度的角度,对DSP资源和存储器规模等结构方面的考虑将决定某一方案的灵活性。

运营商级语音功能

对于提供长话级语音和增强的数据服务等具有关键影响的特性和功能必须用软件来实现。这包括许多复杂的、需要大量计算的算法,随着新标准的兴起以及对新的增强服务和整体互操作性的需求增加,平台提供商需要对这些因素加以考虑。

对长话级语音服务具有关键影响的软件功能包括回声消除、语音压缩、分组补偿软件、声调处理、传真/调制解调器支持、打包、信令支持和网络管理。

实现高质量VoIP的一个关键因素是要有一个先进的能够消除回声的回声消除器,在传统的POTS网络中也有回声消除器。在POTS网络中回声是可以接受的,因为网络延迟小于50ms,回声被两边电话中产生的正常侧音(side tone)掩盖。由于在分组网络中网络延迟常常大于50ms,回声会影响通话质量,因此,VoIP方案中需要包括回声消除技术。ITU规定了对回声消除器的性能要求,早先的回声消除器标准是ITU的G.165建议,而G.168则提出了一组更严格的要求。这些标准提供了一系列客观性能测试,但不涉及其实现方法,也不涉及主观性能。

一个好的回声消除器必须很好地去掉回声,包括在通话开始的时候,在通话过程中则要防止任何形式的回声。另外,它还要处理“双讲(double talk)”现象(通话双方同时讲话),在“双讲”起始和结束的时候都不能影响任何一边的语音信号。回声消除器还要有很好的背景噪声处理能力,包括高背景噪声以及变化的背景噪声,该指标需要优于G.165/G.168标准以支持将来更为严格的ITU回声消除器标准,例如G.168-2002。实际应用证明,仅仅符合G.165/G.168标准并不保证回声消除器能够满足性能要求。

回声消除器必须具有快速的收敛、低残留回声(收敛深度)、可靠的“双讲”检测能力(既没有偏差,也不损害有效语音),以及对背景噪声和窄带信号的良好处理,同时还应该支持长达128ms的拖尾(运营商级方案经常规定的指标),包括支持在整个128ms时间内的多次反射；回声消除器还应该支持冗余,并可动态跟踪由会议电话、通话转移以及永久连接脱离所造成的回声路径变化；最后,在四线连接和低混合衰减时还应能正确工作,并具有内置的配置和可测试能力。

分组、信令和管理

分组封装应该在DSP内部进行,以提供可扩展性和灵活性,还应当包括VoIP 、实时协议(RTP)、实时控制协议(RTCP)、一个ATM适应层2(AAL2),以及用于视频会议数据流的AAL1xN。应该在单个信道的基础上支持这些特性,以支持ATM/IP混合网络设备。另一个重要的特性是网络信道交换,或分组网络之间的路由能力。路由可包括对语音净载荷的译码和/或改变封装格式,例如从VoIP到AAL2或从G.726到拨号音多频G.729AB。

信令支持是另一个必要的DSP功能部分,并且应该包括全音(fulltone)检测和生成功能,包括DTMF、MF R1/R2、SS7 COT、通话音以及双向音处理。必须支持的两类信令是信道相关信令(CAS)和公共信道信令(CCS)。具有可扩展性的高密度方案需要DSP内部的支持来检测信令的变化,以降低信令主机的处理要求。网关还必须提供“用户忙,请稍后再拨”之类的提示语音播放功能(对时分复用或分组网络方向)。

任何通信系统都必须能够尽早发现、隔离和补救所出现的问题,以尽量减小或消除用户受到的影响。在单个信道的基础上进行配置是很重要的(包括可配置国家代码信息),这里包括每个信道的统计/状态报告、实时跟踪和诊断、冗余支持,以及Bellcore测试线功能。

高密度VoIP结构涉及一系列关键要素,包括单个信道的功耗(mW)、成本(半导体材料和硬件)、软件和知识产权的许可成本以及每平方英寸的信道密度(见图1)。包括分组汇集和路由在内的系统划分以及网络管理对达到高可用性和可靠性十分重要。

完整的系统概念

对于成本、功耗和面积指标评估必须在整个系统的基础上进行,而且必须是性能和功能的函数。图2是一个包括报警监控硬件模块、通话处理、PSTN、分组、背板和VoIP 接口的高密度设计。

在这个系统中,监控模块执行设备的全面网络管理,包括各信道配置、状态和统计收集、通话记录报告以及报警处理。通话处理模块执行系统的通话建立和通话挂断,并在PSTN和分组网络之间执行互连功能。根据设备的具体应用和位置,系统可以执行SS7、ISDN、TR08、TR303等PSTN电话信令或H.323、媒体网关控制协议(MGCP)、Megaco、会话启动协议(SIP)以及ATM宽带本地仿真业务(BLES)等VoIP信令。

通话处理有两种基本结构:VoIP模块执行较低级信令协议的分布式处理或集中式处理。

传统上,PSTN到VoIP的接口由T1(24信道)和E1(30信道)组成。今天的高密度VoIP系统一般具有多个DS3(28个T1或672个信道)甚至多个OC-3(2,016个信道)PSTN接口,而制造商能提供在一个设备机架上处理超过10万个语音信道的设备。

分组接口模块提供与分组交换网络的接口,其中两种最常用的是ATM和IP接口模块。根据具体应用不同,VoIP设备可以以ATM或IP为中心,或既支持ATM又支持IP语音。在许多情况下,重要的是让设备在每次通话的基础上支持基于ATM和IP的语音,以提供ATM网络与IP网络之间的互连。分组接口包括用于SONET上的分组数据和ATM的OC-n(OC-3、OC-12等)光接口,以及多个100 Base-T和千兆位以太网接口。一个交换结构模块执行信元或分组信息包在系统中的路由处理。用户卡在信元中加入适当的包头,交换网络用该包头将信元(包)发送到正确的用户卡或外部接口。

典型的VoIP模块由一组在PSTN和分组网络之间执行语音流转换的DSP组成。在PSTN到分组网络这个方向,VoIP模块从PSTN接口模块接收64 kbps的数据流,并向分组网络接口模块输出信息包或信元。与之相似,在分组网络到PSTN这个方向,VoIP模块从分组网络接口模块接收信息包或信元,将64kbps数据流输出到PSTN接口模块。所有的DSP由一个负责DSP配置和软件下载以及帮助通话建立和终止的主处理器进行控制。

为了提供能够汇集大量VoIP信道的高可扩展性平台,需要利用汇集逻辑(aggregation logic),见图3。该逻辑部分将多个DSP到与背板和分组网络接口的信息包流进行汇集,并向对应的DSP发送所接收到的信息包,为背板/分组网络接口提供一个标准的接口,并将网络管理和通话建立、终止信息传递到一个主处理器。

背板接口

有许多不同的背板接口用于这些类似的系统。最典型的是各种信元总线以及基于SONET的分组接口。PSTN网络中的TDM数据可通过H.110 TDM总线传送,或者PCM数据可被封装到ATM信元,以便通过用来发送分组数据的同一信元总线进行发送。

建立在高密度低功耗并具有全部性能特征概念上的方案可提供新一代的高密度、运营商级的网关平台。这些平台将使服务提供商能够铺设一种相同的基于分组的网络设施,为公司和个人消费者提供新一代增强的语音和数据服务。

作者:Brian Glinsman

产品主管

Telogy Networks公司

bglinsman@