VoIP进入家庭应用的技术现状及发展趋势

VoIP技术在企业应用相对广泛，而家庭应用却发展缓慢，除了宽带网络普及不足的原因外，标准、功能特性定型以及半导体方案等方面还存在很大的制约因素。本文介绍了VoIP的应用现状和技术平台，并分析了VoIP相关的半导体和软件的发展路线图和未来VoIP技术的发展趋势。

VoIP是通过分组交换网络传输语音采样。通常有三种VoIP业务类型，今天最常见的一种是通过IP电话卡来进行的通话，一般用于长途语音通信，使用者可能永远都不知道他的通话是采用VoIP技术。

第二种是PC至电话(或PC至PC)通话，是利用PC上运行的软件电话来进行。通话者对着与PC相连的麦克风、手机或无绳电话讲话。很明显，这种模式不可能扩展到普通大众，而仅限于熟悉计算机的用户。使用笔记本及PDA上运行的软件电话客户程序，将随着无线数据及语音接入业务的继续融合变得更为流行。

第三种是设备至电话业务，其中将标准电话插入模拟电话适配器(ATA)/语音路由器中，或采用实际IP电话，用户借助宽带连接通话。无需用PC来实现通话，且用户体验类似于常规电话业务，因而使其成为迄今VoIP技术提供商最感兴趣的市场。

VoIP应用现状

尽管VoIP在去年获得了广泛关注，但其出货量仍较低，尤其在美国。实际上，今天的大多数语音通信都属于电话至电话或PC至电话。

VoIP发展成为主流消费类业务将推动电话业务向设备至电话的模式进行大规模转移，且将随着低成本、具有丰富特性的VoIP设备推出而获得大量应用。而这决定于半导体厂商能否提供满足市场需求的价格点、特性及功能的器件，而要满足这些要求还有待时日。

有意思的是，企业对VoIP的采用却相对广泛，这是因为企业中通常普及了以太网联接，且采用VoIP能极大地减少电话开销。IT经理们通常已经拥有专用数据网络，且能方便地利用该网络实现VoIP业务。特别是与专用分组交换机(PBX)解决方案相比，IP电话平均可将企业的服务成本降低20(。不仅能极大地减少通话成本，且VoIP所采用的会话发起协议(SIP)还能使通话双方建立除语音以外的其它应用，包括语音、视频和即时消息等。在服务质量(QoS)方面，VoIP在企业比在家庭中更容易得到满足，因为数据网络是一种封闭系统及受控环境，且客户端管理也比较简单，只需将电话插入现有数据网络中即可。VoIP还为区域内通话漫游提供了一种移植到无线局域网语音(VoWLAN)的途径。

今天的企业市场主要由少数几家供应商(如Cisco、Avaya等)统治，但包括主要电话公司在内的其它设备与服务提供商也正转向VoIP，以占领SOHO市场，它们首先推出低月度不受限通话计划，并开放市场来让大家竞争。如果能得到低成本及高性能设备厂商的支持，同样的电话业务提供商甚至还能利用其设备及基础设施投资来进入大众市场。更低的成本以及增强特性，例如统一消息、个人(与位置无关)电话号码、电话簿/目录、呼叫转移、会议以及其它特性，将有助于创造更多用户需求。

但VoIP进入大众市场的速度却比较缓慢，且全球的步伐还不统一。在普通消费市场上，迄今最成功的VoIP部署是在日本，由于其它电话业务的高成本，以及由Yahoo Broadband这样的服务提供商所推出的雄心勃勃的宽带及VoIP战略，近几年日本每年新增数百万条VoIP电话线。而最具吸引力的机会将在拥有高宽带部署率的韩国，以及许多地区缺少传统铜线电话基础设施，并可能一步跨越到光纤到户(FTTH)的中国。VoIP在美国的采用相对较慢，主要因为美国的PSTN电话太便宜，因此几乎没有改变现状的动机。

VoIP产品平台

目前，三种VoIP平台都已经出现潜在的应用(见图1)。第一种是将VoIP功能增加到路由器或DSL/ 线缆调制解调器中，因此可称为ATA、客户端设备(CPE)或集成接入设备(IAD)。ATA平台是其中最基本的一种，它能在一边提供宽带或以太网连接，而在另一边则提供RJ11连接(亦称为外部交换业务或FXS)，从而使得任何常规电话都能充当IP电话使用。尽管这是一种最简单的配置，但目前业界开始转向更高集成方案，譬如将VoIP功能与多端口有线或无线路由器整合的VoIP路由器等。更高集成度的解决方案甚至还包含VoIP ADSL路由器，它将所有三种功能都整合到一个可提供宽带接入、LAN连接、电话适配器甚至拨号连接的设备盒中。未来这种设备盒还将增加视频、存储及其它外围电路。

由于部署及协调所有业务将面临很多挑战，在很多情况下将涉及到多种业务及内容提供商，因此这种平台的最终面市还须待时日。尽管ATA盒是目前普通消费者选用的设备，但它们很可能最终将转变为IP电话及WiFi手机，以实现高级IP业务并取代无绳电话。

第二种VoIP平台是当前主要用于中小型企业的IP电话/ 网络接入设备。IP电话外观及使用的体验类似常规电话，唯一的区别是它们与LAN连接而不是与PSTN线连接。通过IP电话/ 网络接口，人们即可用同样的终端来访问数据业务、即时消息甚至网络浏览器。几乎以同样的方式，随着服务提供商开始在其无线语音网络上增加数据业务，蜂窝电话已经发展成为一种多功能通信平台。

第三种VoIP平台是无线局域网(WLAN)，亦称为WiFi手机，它将移动性及可能的漫游功能与统一的消息传送功能相结合。当越来越多的宽带接入家庭采用无线接入点时，就可用来实现这种无线手机业务。所有可用数据业务都能被无线手机访问，从而使其实现地址簿、电子日历、浏览器等多功能集成。WLAN手机具有可移动、易配置及部署成本相对较低的特点。今天，WLAN手机主要部署在一些垂直细分市场，如医院、大型商店及校园等。

要使家庭及SOHO WiFi手机应用成为现实，其价格必须低于50美元。IEEE 802.11e标准的最终敲定，也为WLAN语音传输提供了必要的QoS保证。In-Stat MDR预计，全球WiFi手机的出货量将从2003年的6万部增长到2007年的350万部，到2008年将达到550万部。

最新的一种平台可能是同时具有蜂窝及WLAN功能的双模式手机。蜂窝网络运营商可能将WLAN嵌入到手机中，使其既能作为采用WLAN的VoIP手机，又能作为常规手机使用。这样运营商将获得更多利益，因为这样一来，在用户密集地区只需增加网络带宽而无需扩大整个蜂窝基础设施，降低了通信实现成本。这种电话具有充分的智能，如果有可用的接入点，它即会将IP通话通过成本较低的WLAN，否则通过蜂窝网络来传输语音通信。这种平台的主要设计挑战是：两种模式共处而不互相干扰；可无缝地从一种模式切换到另一种模式；基于WLAN的VoIP通话能满足QoS要求。

据In-Stat资料，这些平台的市场预计将从去年的1100万端口迅速增长至2007年的3600万端口，将为技术提供商及ODM提供广阔的市场机会。与IP电话相比，适配器盒将继续拥有更大的出货量，因为它们是一种能扩展路由器功能及采用传统电话的更为直接的VoIP实现途径。但这些数字却没有考虑集成WLAN/蜂窝手机所具有的巨大增长潜力，预计到2007及2008年手机市场规模将达到6亿部，以如此巨大的市场基数，即使仅10(至20(的手机集成了WLAN，其市场潜力也十分巨大。

半导体及软件发展路线图

尽管当前已有好几种集成半导体解决方案，但它们主要适合于企业IP电话市场。而在VoIP迄今仍主要作为DSL、线缆调制解调器或路由器附加功能的消费市场，大多数半导体厂商一直在等待设备特性要求能早点固定，以便提供相关的SoC解决方案。对于大众消费市场而言，在很大程度上模块化比集成更为重要，因为其目标是以几种选项来在单个设计中实现带或不带语音的多个不同类产品，同时等待特性要求固定以及VoIP成为主流。

VoIP实现的语音处理基本上可以下列三种方式来实现：采用DSP语音处理器；采用集成了主处理器与DSP内核的集成度更高的器件；采用运行语音处理软件的功能更强大的主处理器。随着嵌入式主处理器的功能更加强大，它们能实现更多的语音处理功能，从而可以不需要专用DSP内核，有助于减少产品尺寸和更好的功耗管理。

迄今为止，采用语音协处理器对于那些VoIP作为附加功能的应用来说不失为一种最佳策略，而IP电话及WiFi手机则可利用集成SoC解决方案或软件来实现。同时拥有DSP内核及软VoIP能力的半导体厂商，将能更好地定位以满足迅速发展的需求，并能为每种应用在基于主机、基于嵌入式DSP或基于语音协处理器的实现之间进行最佳折衷选择。

VoIP设备中集成越来越多特性和语音处理功能，这些通常可以分成三类，即语音处理、呼叫控制及应用。

语音处理主要任务包括各种语音编码器、回音消除器以及音调检波器与发生器。语音编码器包括：G.729，它能以市话(或长途电话)质量在低于8 kbps的速率上编码语音信号；G.722，它能以自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)方案来在48kbps、56kbps及64kbps速率上对7kHz带宽的语音信号进行编码。此外，还有其它很多种语音增强功能，像舒适噪声发生(CNG)及语音信号检测(VAD)和帧丢失隐藏等，VAD通过只传输人耳能听到的声音来提高带宽利用率，帧丢失隐藏可补偿分组网络中丢失数据帧，以及可吸收分组网络中延时变化的“动态抖动补偿”等功能。值得注意的是，这些增强功能对所感觉的语音质量具有很大影响，同时也是区分各种解决方案优劣的关键。

其它必须考虑的功能包括传真、调制解调器直通、IP传真(T.38)、IP Modem(V.150)以及IP文本(V.151)等功能。有许多专利权问题与各种IP编码器有关，这可能会直接或间接地增加产品成本。在定义产品特性集以及选择技术提供商时，开发商必须清楚这些问题。

通话控制功能是一组协议，它能利用各种网络元素(如各种类型的网关)来实现并超越一般的PSTN电话特性。此外，它还能提供用于建立并端接通话(或多媒体对话)以及桥接PSTN与分组交换网络的手段。目前已经开发了几种协议，包括H.323、媒体网关控制协议(MGCP)以及SIP等，早期采用H.323及SIP由于其相对简单、可扩展及特性丰富而获得了最多支持。应用软件将最终决定设备的功能，无论是IP电话、ATA还是任何其它类似设备。同时，软件还决定用户界面、设备配置与管理，以及整体功能和可用模式。

由于上述三种主要设备的发展有些互相独立且经常改变，因此采用分层软件架构很重要。这种分层架构还必须足够模块化，以便于集成、定制，以及便于由芯片提供商或系统集成商(或任何其它IP供应商)所设计的组件的发展。图2给出了这种架构示意图。

外部交换局(FXO)是VoIP设备需支持的新功能之一，它实际上是与PSTN线的接口。FXO不仅能在IP网络掉线时使通话方可以使用PSTN，而且还能在同一设备中实现在PSTN与VoIP之间切换，还能使ATA盒接受远程拨号，并根据所拨号码或其它参数来将长途及国际呼叫接到更便宜的IP网络上。最便宜的通话、远程终端呼叫以及呼叫转移等功能结合，充分利用了早期采用相同电话接口的模拟调制解调器技术经验。

下一代VoIP手机

尽管面临跨越几种技术发展方向的高度动态环境，芯片提供商们已开始聚集在拥有多种近期机会的架构上。企业所使用的全特性IP手机、利用家庭联网网关的哑IP手机(dumb IP handset)、甚至采用USB连接的功能强大的PDA等，都很快能用到集成芯片。后者依靠网络网关、PC笔记本电脑或PDA来承载通话控制协议栈，并承担全部VoIP处理任务。

由于VoIP数据带宽要求并不高，故802.11b完全可以满足WLAN手机应用。但在WLAN手机设计中还其它几个方面问题需要仔细考虑，其中功效是关键问题，当前市场上大多数 802.11器件并不能满足手机的长待机时间要求；安全是另一个关切的问题，尽管目前WLAN领域中已有多种安全方案，但并不是全部都能支持，且安全IP客户端的配置并非很顺畅；最后一个重要问题是QoS，尽管已有众多的标准及行业规范(如802.11e) ，但它仍是一个需要特别关注的棘手问题，语音应用严格的低延时要求进一步增加了QoS的挑战。在这种情况下，对等网络连接是WLAN VoIP系统的关键要求。而WLAN一般被设置成即使在其互相通信时也能使所有客户端都通过接入点，从而会占用更多的带宽并引入额外的延时，故关键是必须在任何可能的情况下，通过对等连接来最有效地利用可用带宽，并使延时最小。

如上所述，IP电话与WiFi手机设计拥有许多共同点。设计工程师可以利用同一个平台来实现两种应用，并利用相同的软件。IP电话还要求更广泛的LCD显示以及以太网驱动器等其它特性，而WiFi手机则可能会使用这些功能中功耗较少的部分，并增加一个WLAN接口。这两种应用的典型设备都将采用功能强大的ARM或类似处理器内核，并根据成本及功耗目标来选择软件或硬件语音编解码器。也可能会结合A/D、D/A、LCD控制器、键盘扫描逻辑及功率管理特性等，同时也要求用USB连接来实现增加存储或连接摄像机以实现视频电话等功能。甚至可以利用USB on-the-go (OTG)功能，使设备动态地成为一个USB客户机(当充电或同步传输数据时)或主机(当采用摄像机功能时等)。

因此，像这样的SoC将能为VoIP系统ODM提供各种具有吸引力的下一代平台设计选择。在标准出台、应用及特性定型后，半导体厂商将会着手提供各种新的集成解决方案，并从目前的功能跨越到能提供集成语音＋WLAN解决方案，以及可充分利用USB 2.0这种新型连接技术的设备功能。此外，单一集成式SoC解决方案还将日益拥有用于多种产品平台以及经济高效地为多个市场服务的灵活性。

作者：Zeev Collin

VoIP产品副总裁

科胜讯系统公司