影響企業(yè)級IP電話(huà)性能的因素分析及解決方案
陳煒 2007/03/09
VoIP是指通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò )傳輸電話(huà)呼叫的一種方式。VoIP允許通過(guò)已有的IP數據網(wǎng)絡(luò )傳輸電話(huà)呼叫，從而幫助企業(yè)降低通信成本。同時(shí)VoIP技術(shù)在企業(yè)市場(chǎng)的應用使數據通信產(chǎn)品廠(chǎng)商進(jìn)入了語(yǔ)音市場(chǎng)，激烈的競爭催生了很多新的應用。在諸多新的應用中，IP電話(huà)與企業(yè)數據以及桌面應用的集成已成為一個(gè)熱點(diǎn)，企業(yè)級IP電話(huà)的語(yǔ)音質(zhì)量對于整個(gè)融合解決方案的質(zhì)量至關(guān)重要。
影響語(yǔ)音質(zhì)量的因素
VoIP是以一種新技術(shù)的角色進(jìn)入市場(chǎng)，與傳統的PSTN網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行競爭。作為替代技術(shù)，其語(yǔ)音質(zhì)量應該能夠與PSTN的語(yǔ)音質(zhì)量一致或者更好。但是因為IP網(wǎng)絡(luò )原本不是為傳遞語(yǔ)音數據而設計的，相對傳統電話(huà)系統，一些技術(shù)難點(diǎn)需要克服，設計者必須面對由此而帶來(lái)的挑戰。常見(jiàn)的問(wèn)題有網(wǎng)絡(luò )時(shí)延、抖動(dòng)、丟包和聲學(xué)回聲。
1. 網(wǎng)絡(luò )時(shí)延
在傳統的PSTN網(wǎng)絡(luò )，洲際長(cháng)話(huà)或者衛星長(cháng)話(huà)的回路時(shí)延大約在500~600ms，這時(shí)候，當一方說(shuō)話(huà)后要過(guò)一段時(shí)間對方才會(huì )聽(tīng)到說(shuō)話(huà)并反應，雙方通話(huà)脫節。在ITU的標準中建議電話(huà)系統的回路延時(shí)應該不大于300ms。在IP電話(huà)系統中，回路的時(shí)延包括語(yǔ)音報文打包時(shí)長(cháng)、語(yǔ)音編解碼所引入的延時(shí)以及處理網(wǎng)絡(luò )抖動(dòng)所引入的延時(shí)等。系統設計者必須均衡考慮各方面因素，使系統的回路時(shí)延盡可能小，使通話(huà)自然流暢。
2. 抖動(dòng)
IP報文在網(wǎng)絡(luò )上傳遞時(shí)，每個(gè)報文傳輸的路由都有可能不一樣，在每個(gè)節點(diǎn)上傳遞轉發(fā)的時(shí)間也可能不一樣。在一個(gè)VoIP通話(huà)中，每個(gè)語(yǔ)音數據報文在網(wǎng)絡(luò )中的傳輸時(shí)間都不一樣。一些報文會(huì )比預計到達的時(shí)間晚到或者早到接收方，而在回放解碼IP語(yǔ)音報文時(shí)，解碼器以固定間隔回放語(yǔ)音數據。晚到的語(yǔ)音包會(huì )導致在一段時(shí)間內解碼器沒(méi)有數據可解，而早到的數據報文有可能被丟棄。所以系統中需要引入報文緩存區以去除網(wǎng)絡(luò )抖動(dòng)，平滑網(wǎng)絡(luò )抖動(dòng)所造成的影響。但是引入過(guò)深的緩存區，會(huì )使回路時(shí)延相應增大，需要選擇合適的緩存區大小，在能去除網(wǎng)絡(luò )抖動(dòng)的同時(shí)，不過(guò)多增大回路延時(shí)。
3. 丟包
理想的網(wǎng)絡(luò )情況是所有發(fā)送的語(yǔ)音報文都能夠被接收端正常接收。但是IP報文在網(wǎng)絡(luò )上傳遞時(shí)，網(wǎng)絡(luò )的個(gè)別處理節點(diǎn)可能會(huì )出現處理能力不夠或者帶寬受限制的情況，部分報文可能會(huì )被丟掉。雖然IP網(wǎng)絡(luò )上有一些機制可以在報文丟失的時(shí)候重傳丟失報文，但是對實(shí)時(shí)性要求很高的話(huà)音數據并不能使用這些機制。
部分語(yǔ)音編解碼方式有內置的丟包補償算法，在丟包比率不高的時(shí)候，可以使用插值的方法做補償，讓接聽(tīng)方感覺(jué)不到語(yǔ)音信息丟失。但是在丟包率較高的網(wǎng)絡(luò )，必須采用其它方法來(lái)控制網(wǎng)絡(luò )丟包對語(yǔ)音質(zhì)量的影響。
4. 聲學(xué)回聲
在電話(huà)二四線(xiàn)轉換系統中通常存在兩種回聲：線(xiàn)路回聲和聲學(xué)回聲。
線(xiàn)路回聲是由于二四線(xiàn)轉換的時(shí)候阻抗不匹配引起。在這種情況下，通話(huà)者的聲音傳遞到遠端的二四線(xiàn)轉換時(shí)反射，同對方的說(shuō)話(huà)送回到通話(huà)者的耳中。如果回路延時(shí)比較小(＜50ms)，通話(huà)者很難察覺(jué)到回聲的存在，但是當回路時(shí)延比較大的時(shí)候，通話(huà)者就能聽(tīng)到自己的說(shuō)話(huà)。IP通話(huà)的回路時(shí)延一般比較大，所以在有二四現轉換的節點(diǎn)必須有回聲抑制單元。
聲學(xué)回聲是由于在電話(huà)側的播放和接聽(tīng)之間存在聲學(xué)耦合，喇叭播放出的聲音經(jīng)過(guò)在空間中的一次或者多次反射以后回饋到聽(tīng)筒或麥克風(fēng)而引起(如圖1所示)。
在企業(yè)級IP電話(huà)的設計中，因為IP電話(huà)中沒(méi)有二四線(xiàn)轉換，所以線(xiàn)路回聲的影響不需要考慮。聲學(xué)回聲的影響，特別是免提模式下的聲學(xué)回聲是系統設計者需要考慮的難點(diǎn)和主要問(wèn)題。
市場(chǎng)上推廣的很多解決方案宣稱(chēng)能夠做到全雙工免提。但是事實(shí)上，大部分算法都只能支持半雙工免提通話(huà)。當全雙工電話(huà)工作在免提模式下，通話(huà)的雙方即使同時(shí)說(shuō)話(huà)也能聽(tīng)到對方的聲音。如果是只能支持半雙工免提通話(huà)，當雙方同時(shí)說(shuō)話(huà)的時(shí)候，一方的聲音被壓制消除，不能被另一方聽(tīng)到。甚至在本地的背景噪聲比較大的時(shí)候，對方的說(shuō)話(huà)聲音被壓制，而聽(tīng)不到任何聲音。
網(wǎng)絡(luò )時(shí)延、抖動(dòng)、丟包以及聲學(xué)回聲都是影響IP電話(huà)通話(huà)質(zhì)量的重要因素，系統設計者必須妥善解決這些問(wèn)題。芯片供應商如果能夠提夠成熟的方案解決這些共性問(wèn)題，可以使系統設計者集中精力設計差異化的新業(yè)務(wù)，并縮短產(chǎn)品推向市場(chǎng)的時(shí)間。
TNETV1050 IP電話(huà)解決方案
TI提供全面的VoIP解決方案，覆蓋IP電話(huà)、家庭網(wǎng)關(guān)、電信級網(wǎng)關(guān)以及VoADSL和VoCable。針對企業(yè)級IP電話(huà)需求，TI提供了多種解決方案，其中TNETV1050/TNEV1055的SoC方案基于TI的TMS320C55x DSP系列的可編程DSP和增強的32位MIPS內核。它使用先進(jìn)的系統架構，在提供高性能低功耗的同時(shí)，兼顧系統的可擴展性，還包括豐富的外設接口，滿(mǎn)足設計企業(yè)級電話(huà)系統的要求。
圖2：TNETV1050/1055 IP電話(huà)處理器。
TNETV1050芯片包含一個(gè)內置的以太網(wǎng)交換機以及雙PHY，可以在桌面上提供IP電話(huà)服務(wù)的同時(shí)，提供一個(gè)PC連接。TNETV1050的USB接口可以使IP電話(huà)連接多種USB設備，如PDA等。設計者還可以通過(guò)TI的VLYNQ接口擴展多種其他功能，例如Wi-Fi模塊，硬件加密等。芯片集成了LCD控制器、CODEC以及鍵盤(pán)接口，降低了系統成本。
TI的IP電話(huà)軟件套件包括了DSP核心算法和配套的CPU軟件包。完整的DSP軟件包括多種編解碼算法、VAD、聲學(xué)回聲消除算法、報文回放模塊，以及完全的統計調試信息功能和語(yǔ)音質(zhì)量監控模塊。針對企業(yè)電話(huà)應用，TI提供完整的聲學(xué)回聲消除模塊支持全雙工免提功能，同時(shí)支持本地三方會(huì )議功能以及寬帶編解碼算法。
CPU軟件工具包，包括TI的CPU軟件以及第三方的軟件模塊。其中包括控制DSP的API模塊、支持呼叫控制的模塊、加密框架模塊、協(xié)議棧接口，以及第三方的協(xié)議棧模塊。
TI的軟件和第三方的軟件一起提供了IP電話(huà)所需要的完整軟件解決方案，優(yōu)化的芯片解決方案和DSP/CPU軟件大大減少了系統設計時(shí)間。針對企業(yè)級IP電話(huà)設計中遇到的共性問(wèn)題，TI的軟件提供系統的解決方法。
1. 抖動(dòng)和時(shí)延的處理
針對抖動(dòng)和時(shí)延問(wèn)題，TI的DSP軟件做了相應優(yōu)化，采用緊湊的系統結構，消除不必要的算法延遲。同時(shí)采用自適應的去抖動(dòng)緩存區的算法，可以計算網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)抖動(dòng)，并根據實(shí)時(shí)抖動(dòng)大小來(lái)調整緩存區的深度。在網(wǎng)絡(luò )狀況良好的時(shí)候，如企業(yè)的本地局域網(wǎng)中，去抖動(dòng)緩存區算法可以縮小緩存區深度，以減小回路延時(shí)。
2. 丟報的處理
TI的軟件包中包括主動(dòng)和被動(dòng)兩種丟包處理辦法。主動(dòng)算法是在傳輸報文中加入冗余信息(RFC 2198)或者前向糾錯信息(RFC 2733)。這樣在回放端如果發(fā)現有報文丟失，就可以根據相應的信息恢復出丟失的報文。當丟失的報文無(wú)法用主動(dòng)方法恢復的時(shí)候，可以用被動(dòng)的方法去做補償，根據前面的語(yǔ)音信息，擬合出一段語(yǔ)音用來(lái)補償。
從圖3可以看到，在網(wǎng)絡(luò )丟包比較高的時(shí)候，使用主動(dòng)干預仍然可以獲得比較好的語(yǔ)音質(zhì)量。
3. 聲學(xué)回聲的處理
解決IP電話(huà)的聲學(xué)回聲問(wèn)題需要從兩方面著(zhù)手。
首先，設計者需要采用有良好聲學(xué)特性的模具結構，以減小聲學(xué)回聲的幅度以及非線(xiàn)性回聲的部分。設計者可以通過(guò)咨詢(xún)相關(guān)的設計公司得到幫助。TI的方案包中包含聲學(xué)設計指南，對聲學(xué)設計中的一些要點(diǎn)提出建議。設計中的要點(diǎn)包括：盡可能增大喇叭到麥克風(fēng)的距離；麥克風(fēng)和喇叭在模具中應該有聲學(xué)隔離；麥克風(fēng)應用比較軟的海綿包住，然后固定到話(huà)機上，以減少從模具上傳遞過(guò)來(lái)的震動(dòng)；話(huà)機在接觸桌面的部分使用減震的墊腳，以減少震動(dòng)；選擇頻譜特性良好的喇叭和麥克風(fēng)等。
其次，聲學(xué)回聲處理模塊應能夠良好地去除壓制聲學(xué)回聲，并能夠正確處理兩端講話(huà)(double-talk)和不損害背景噪聲連續性。TI的聲學(xué)回聲抑制模塊利用快速傅立葉變換，使用基于頻域算法，能夠快速收斂預測參數，有效的檢測兩端講話(huà)。采用多級雙向非線(xiàn)性算法，同時(shí)在非線(xiàn)性算法工作的時(shí)候利用頻譜特征補償背景噪聲。
實(shí)時(shí)語(yǔ)音監控方案——PIQUA
VoIP的一大難點(diǎn)是IP網(wǎng)絡(luò )的不確定性，而VoIP系統的語(yǔ)音質(zhì)量很大程度上倚賴(lài)于網(wǎng)絡(luò )質(zhì)量的好壞。網(wǎng)絡(luò )管理員需要一種實(shí)時(shí)監控VoIP的質(zhì)量，主動(dòng)干預網(wǎng)絡(luò )配置和VoIP的設置。
PIQUA是TI推出的實(shí)時(shí)語(yǔ)音監控方案，它根據復雜的算法估算出用戶(hù)對VoIP系統語(yǔ)音質(zhì)量的主觀(guān)感覺(jué)并實(shí)時(shí)上報，同時(shí)還提供重要的網(wǎng)絡(luò )統計信息。上層軟件和網(wǎng)絡(luò )管理員可以根據實(shí)時(shí)語(yǔ)音質(zhì)量以及統計信息對系統配置進(jìn)行干預。例如，當某一段時(shí)間網(wǎng)絡(luò )的丟報率比較大，導致語(yǔ)音質(zhì)量下降的時(shí)候，系統管理軟件可以根據PIQUA的信息，配置不同等級的冗余或者前向糾錯來(lái)保證語(yǔ)音質(zhì)量。同時(shí)網(wǎng)絡(luò )管理員也可以根據PIQUA的記錄，了解整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的狀況，找到丟包率較高的原因，調整路由表或者網(wǎng)絡(luò )帶寬分配，主動(dòng)維護整個(gè)語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò )的質(zhì)量。
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