VoIP進入家庭應用的技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

　　VoIP技術在企業(yè)應用相對廣泛，而家庭應用卻發(fā)展緩慢，除了寬帶網絡普及不足的原因外，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(xiàn)狀和技術平臺，并分析了VoIP相關的半導體和軟件的發(fā)展路線圖和未來VoIP技術的發(fā)展趨勢。
 
　　VoIP是通過分組交換網絡傳輸語音采樣。通常有三種VoIP業(yè)務類型，今天最常見的一種是通過IP電話卡來進行的通話，一般用于長途語音通信，使用者可能永遠都不知道他的通話是采用VoIP技術。 

　　第二種是PC至電話(或PC至PC)通話，是利用PC上運行的軟件電話來進行。通話者對著與PC相連的麥克風、手機或無繩電話講話。很明顯，這種模式不可能擴展到普通大眾，而僅限于熟悉計算機的用戶。使用筆記本及PDA上運行的軟件電話客戶程序，將隨著無線數據及語音接入業(yè)務的繼續(xù)融合變得更為流行。 
第三種是設備至電話業(yè)務，其中將標準電話插入模擬電話適配器(ATA)/語音路由器中，或采用實際IP電話，用戶借助寬帶連接通話。無需用PC來實現(xiàn)通話，且用戶體驗類似于常規(guī)電話業(yè)務，因而使其成為迄今VoIP技術提供商最感興趣的市場。 

VoIP應用現(xiàn)狀 

　　盡管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信都屬于電話至電話或PC至電話。 
 
　　VoIP發(fā)展成為主流消費類業(yè)務將推動電話業(yè)務向設備至電話的模式進行大規(guī)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。而這決定于半導體廠商能否提供滿足市場需求的價格點、特性及功能的器件，而要滿足這些要求還有待時日。 

　　有意思的是，企業(yè)對VoIP的采用卻相對廣泛，這是因為企業(yè)中通常普及了以太網聯(lián)接，且采用VoIP能極大地減少電話開銷。IT經理們通常已經擁有專用數據網絡，且能方便地利用該網絡實現(xiàn)VoIP業(yè)務。特別是與專用分組交換機(PBX)解決方案相比，IP電話平均可將企業(yè)的服務成本降低20(。不僅能極大地減少通話成本，且VoIP所采用的會話發(fā)起協(xié)議(SIP)還能使通話雙方建立除語音以外的其它應用，包括語音、視頻和即時消息等。在服務質量(QoS)方面，VoIP在企業(yè)比在家庭中更容易得到滿足，因為數據網絡是一種封閉系統(tǒng)及受控環(huán)境，且客戶端管理也比較簡單，只需將電話插入現(xiàn)有數據網絡中即可。VoIP還為區(qū)域內通話漫游提供了一種移植到無線局域網語音(VoWLAN)的途徑。 

　　今天的企業(yè)市場主要由少數幾家供應商(如Cisco、Avaya等)統(tǒng)治，但包括主要電話公司在內的其它設備與服務提供商也正轉向VoIP，以占領SOHO市場，它們首先推出低月度不受限通話計劃，并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持，同樣的電話業(yè)務提供商甚至還能利用其設備及基礎設施投資來進入大眾市場。更低的成本以及增強特性，例如統(tǒng)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，將有助于創(chuàng)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(tǒng)一。在普通消費市場上，迄今最成功的VoIP部署是在日本，由于其它電話業(yè)務的高成本，以及由Yahoo Broadband這樣的服務提供商所推出的雄心勃勃的寬帶及VoIP戰(zhàn)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帶部署率的韓國，以及許多地區(qū)缺少傳統(tǒng)銅線電話基礎設施，并可能一步跨越到光纖到戶(FTTH)的中國。VoIP在美國的采用相對較慢，主要因為美國的PSTN電話太便宜，因此幾乎沒有改變現(xiàn)狀的動機。 

VoIP產品平臺 

　　目前，三種VoIP平臺都已經出現(xiàn)潛在的應用(見圖1)。第一種是將VoIP功能增加到路由器或DSL/ 線纜調制解調器中，因此可稱為ATA、客戶端設備(CPE)或集成接入設備(IAD)。ATA平臺是其中最基本的一種，它能在一邊提供寬帶或以太網連接，而在另一邊則提供RJ11連接(亦稱為外部交換業(yè)務或FXS)，從而使得任何常規(guī)電話都能充當IP電話使用。盡管這是一種最簡單的配置，但目前業(yè)界開始轉向更高集成方案，譬如將VoIP功能與多端口有線或無線路由器整合的VoIP路由器等。更高集成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到一個可提供寬帶接入、LAN連接、電話適配器甚至撥號連接的設備盒中。未來這種設備盒還將增加視頻、存儲及其它外圍電路。 

　　由于部署及協(xié)調所有業(yè)務將面臨很多挑戰(zhàn)，在很多情況下將涉及到多種業(yè)務及內容提供商，因此這種平臺的最終面市還須待時日。盡管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?yōu)镮P電話及WiFi手機，以實現(xiàn)高級IP業(yè)務并取代無繩電話。
 
　　第二種VoIP平臺是當前主要用于中小型企業(yè)的IP電話/ 網絡接入設備。IP電話外觀及使用的體驗類似常規(guī)電話，唯一的區(qū)別是它們與LAN連接而不是與PSTN線連接。通過IP電話/ 網絡接口，人們即可用同樣的終端來訪問數據業(yè)務、即時消息甚至網絡瀏覽器。幾乎以同樣的方式，隨著服務提供商開始在其無線語音網絡上增加數據業(yè)務，蜂窩電話已經發(fā)展成為一種多功能通信平臺。 
第三種VoIP平臺是無線局域網(WLAN)，亦稱為WiFi手機，它將移動性及可能的漫游功能與統(tǒng)一的消息傳送功能相結合。當越來越多的寬帶接入家庭采用無線接入點時，就可用來實現(xiàn)這種無線手機業(yè)務。所有可用數據業(yè)務都能被無線手機訪問，從而使其實現(xiàn)地址簿、電子日歷、瀏覽器等多功能集成。WLAN手機具有可移動、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(yī)院、大型商店及校園等。
 
　　要使家庭及SOHO WiFi手機應用成為現(xiàn)實，其價格必須低于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6萬部增長到2007年的350萬部，到2008年將達到550萬部。 

　　最新的一種平臺可能是同時具有蜂窩及WLAN功能的雙模式手機。蜂窩網絡運營商可能將WLAN嵌入到手機中，使其既能作為采用WLAN的VoIP手機，又能作為常規(guī)手機使用。這樣運營商將獲得更多利益，因為這樣一來，在用戶密集地區(qū)只需增加網絡帶寬而無需擴大整個蜂窩基礎設施，降低了通信實現(xiàn)成本。這種電話具有充分的智能，如果有可用的接入點，它即會將IP通話通過成本較低的WLAN，否則通過蜂窩網絡來傳輸語音通信。這種平臺的主要設計挑戰(zhàn)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；基于WLAN的VoIP通話能滿足QoS要求。
 
　　據In-Stat資料，這些平臺的市場預計將從去年的1100萬端口迅速增長至2007年的3600萬端口，將為技術提供商及ODM提供廣闊的市場機會。與IP電話相比，適配器盒將繼續(xù)擁有更大的出貨量，因為它們是一種能擴展路由器功能及采用傳統(tǒng)電話的更為直接的VoIP實現(xiàn)途徑。但這些數字卻沒有考慮集成WLAN/蜂窩手機所具有的巨大增長潛力，預計到2007及2008年手機市場規(guī)模將達到6億部，以如此巨大的市場基數，即使僅10(至20(的手機集成了WLAN，其市場潛力也十分巨大。
 
半導體及軟件發(fā)展路線圖 

　　盡管當前已有好幾種集成半導體解決方案，但它們主要適合于企業(yè)IP電話市場。而在VoIP迄今仍主要作為DSL、線纜調制解調器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。對于大眾消費市場而言，在很大程度上模塊化比集成更為重要，因為其目標是以幾種選項來在單個設計中實現(xiàn)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(xiàn)的語音處理基本上可以下列三種方式來實現(xiàn)：采用DSP語音處理器；采用集成了主處理器與DSP內核的集成度更高的器件；采用運行語音處理軟件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(xiàn)更多的語音處理功能，從而可以不需要專用DSP內核，有助于減少產品尺寸和更好的功耗管理。 

　　迄今為止，采用語音協(xié)處理器對于那些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手機則可利用集成SoC解決方案或軟件來實現(xiàn)。同時擁有DSP內核及軟VoIP能力的半導體廠商，將能更好地定位以滿足迅速發(fā)展的需求，并能為每種應用在基于主機、基于嵌入式DSP或基于語音協(xié)處理器的實現(xiàn)之間進行最佳折衷選擇。 

　　VoIP設備中集成越來越多特性和語音處理功能，這些通?？梢苑殖扇悾凑Z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發(fā)生器。語音編碼器包括：G.729，它能以市話(或長途電話)質量在低于8 kbps的速率上編碼語音信號；G.722，它能以自適應差分脈沖編碼調制(ADPCM)方案來在48kbps、56kbps及64kbps速率上對7kHz帶寬的語音信號進行編碼。此外，還有其它很多種語音增強功能，像舒適噪聲發(fā)生(CNG)及語音信號檢測(VAD)和幀丟失隱藏等，VAD通過只傳輸人耳能聽到的聲音來提高帶寬利用率，幀丟失隱藏可補償分組網絡中丟失數據幀，以及可吸收分組網絡中延時變化的“動態(tài)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質量具有很大影響，同時也是區(qū)分各種解決方案優(yōu)劣的關鍵。
 
　　其它必須考慮的功能包括傳真、調制解調器直通、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提供商時，開發(fā)商必須清楚這些問題。
 
　　通話控制功能是一組協(xié)議，它能利用各種網絡元素(如各種類型的網關)來實現(xiàn)并超越一般的PSTN電話特性。此外，它還能提供用于建立并端接通話(或多媒體對話)以及橋接PSTN與分組交換網絡的手段。目前已經開發(fā)了幾種協(xié)議，包括H.323、媒體網關控制協(xié)議(MGCP)以及SIP等，早期采用H.323及SIP由于其相對簡單、可擴展及特性豐富而獲得了最多支持。應用軟件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，軟件還決定用戶界面、設備配置與管理，以及整體功能和可用模式。
 
　　由于上述三種主要設備的發(fā)展有些互相獨立且經常改變，因此采用分層軟件架構很重要。這種分層架構還必須足夠模塊化，以便于集成、定制，以及便于由芯片提供商或系統(tǒng)集成商(或任何其它IP供應商)所設計的組件的發(fā)展。圖2給出了這種架構示意圖。 

　　外部交換局(FXO)是VoIP設備需支持的新功能之一，它實際上是與PSTN線的接口。FXO不僅能在IP網絡掉線時使通話方可以使用PSTN，而且還能在同一設備中實現(xiàn)在PSTN與VoIP之間切換，還能使ATA盒接受遠程撥號，并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網絡上。最便宜的通話、遠程終端呼叫以及呼叫轉移等功能結合，充分利用了早期采用相同電話接口的模擬調制解調器技術經驗。
 
下一代VoIP手機
 
　　盡管面臨跨越幾種技術發(fā)展方向的高度動態(tài)環(huán)境，芯片提供商們已開始聚集在擁有多種近期機會的架構上。企業(yè)所使用的全特性IP手機、利用家庭聯(lián)網網關的啞IP手機(dumb IP handset)、甚至采用USB連接的功能強大的PDA等，都很快能用到集成芯片。后者依靠網絡網關、PC筆記本電腦或PDA來承載通話控制協(xié)議棧，并承擔全部VoIP處理任務。 

　　由于VoIP數據帶寬要求并不高，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，其中功效是關鍵問題，當前市場上大多數 802.11器件并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，盡管目前WLAN領域中已有多種安全方案，但并不是全部都能支持，且安全IP客戶端的配置并非很順暢；最后一個重要問題是QoS，盡管已有眾多的標準及行業(yè)規(guī)范(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時要求進一步增加了QoS的挑戰(zhàn)。在這種情況下，對等網絡連接是WLAN VoIP系統(tǒng)的關鍵要求。而WLAN一般被設置成即使在其互相通信時也能使所有客戶端都通過接入點，從而會占用更多的帶寬并引入額外的延時，故關鍵是必須在任何可能的情況下，通過對等連接來最有效地利用可用帶寬，并使延時最小。 

　　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臺來實現(xiàn)兩種應用，并利用相同的軟件。IP電話還要求更廣泛的LCD顯示以及以太網驅動器等其它特性，而WiFi手機則可能會使用這些功能中功耗較少的部分，并增加一個WLAN接口。這兩種應用的典型設備都將采用功能強大的ARM或類似處理器內核，并根據成本及功耗目標來選擇軟件或硬件語音編解碼器。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(xiàn)增加存儲或連接攝像機以實現(xiàn)視頻電話等功能。甚至可以利用USB on-the-go (OTG)功能，使設備動態(tài)地成為一個USB客戶機(當充電或同步傳輸數據時)或主機(當采用攝像機功能時等)。 

　　因此，像這樣的SoC將能為VoIP系統(tǒng)ODM提供各種具有吸引力的下一代平臺設計選擇。在標準出臺、應用及特性定型后，半導體廠商將會著手提供各種新的集成解決方案，并從目前的功能跨越到能提供集成語音＋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，單一集成式SoC解決方案還將日益擁有用于多種產品平臺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(tǒng)公司