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VoIP突破技术困境
 

【作者: 劉興華】2001年02月01日 星期四

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前言

整合数据与语音于同一平台传送的服务已成为当前重要的趋势。的确,随着宽频时代的来到,上述所提供的服务趋势是宽频系统业者的最大优势,这也是传统电信业者的最大威胁。同样的,宽频系统业者也彼此互相较量,我们相信,谁在加值服务的提供上能保持优势,将是这场战役中最后决胜者。


提供数据方式传送语音服务的网路电话(Internet Telephony),大家已耳熟能详,但是在国内由于法令限制及相关技术无法突破,我们一直无法享受到这个新科技所带来的便利与效率,因此,借由这篇文章的发表,让一般大众能够了解这项新技术所带来的效益并且能体会其相对于传统电信的优势。


VoIP的优势

虽然短期间,电信公司可以藉由降低接续费用,要求减免电信普及费(Universal Fee) 以降低成本来与 VoIP 竞争,但长期来看,VoIP 终究会取代传统的电信技术。究竟 VoIP 有什么优点,能让传统电信公司为之撼动,甚至让他们感受到威胁呢?


开放的技术

传统电信一直是私有的平台,使用某家厂牌的电信网路后,就一直必须使用该厂牌的设备。由于各据地盘,因此价格也偏高。但是数据设备厂商使用开放的标准和技术,互通性高,也因而竞争剧烈,价格自然会比电信设备厂商低。此外,开放的技术、标准能吸引更多具创意的公司投入,无论在发展速度或功能的提升都有明显的优势。


效率高

由于 VoIP 压缩技术成熟,G.729可压缩到一路语音只需要8K的频宽,G.723.1甚至可以到5.6K。但传统电话网路一条电话线路需要64K频宽,因此用VoIP 技术,可将频宽利用率提高8至10倍,相对地,使用价格也可以大幅降低。此外,传统电话只要电话线路一接通,不管有没有通话,该线路都被占据无法他用。但是 VoIP 使用的是封包技术,可以同时好几线使用同一线路,因此实际效率会比8至10倍还高。


数位化

VoIP 最重要的一个好处是数位化。数位化使得语音服务可以透过电脑技术与其他服务整合,例如提供语音加密服务,如此可以完全不担心被窃听,也可以与网页结合,提供线上即时咨询服务等等。只要能数位化,种种有创意的运用都可能如雨后春笋般的发生,而若传统类比技术要提供这种整合服务,则非常困难。


网路电话的特性

在了解 VoIP 诸多优势后,接下来我们就三个部分来介绍网路电话的特性,分别从服务应用、技术层次及产品区分的观点分述说明。


VoIP 的服务应用

1.多功能的整合技术

VoIP与传统电话最大的差异就在于网路电话可整合资料、语音、影像、传真等资料于同一平台传输,不像传统电信网路仅提供传输语音通讯而已。


2.提高声音品质

一般传统电话的声音是4 kHz的品质,但网路电话在宽频上传输时,可以立体声或更高的品质来传送声音,由于网路电话可透过网路传输影像及声音,因此可透过此机制达到视讯会议,多方通话的功能。


3.自动化传送

传送可实现影像电话,以及整合讯息(Unified Messaging System,UMS) 传送,我们一般都会有很多组的电话号码或其他通讯方式,例如公司电话、家中电话、行动电话、BB CALL、e-mail、传真等,网路电话可整合这些通讯方式,只要在资料库建立好预设资料,资料中有某个人的所有通讯资料,当要找某个人时,系统会自动传送已设定之通讯方式找到他,让他不会漏失任何重要讯息。


4.通话与上网一线OK

上网及通话的线路可整合在一起,不需要多申请一条线路供上网使用。


5.即时性客户服务

Web-base Call Center (电子商务客服中心)可让使用者透过Web界面启动VoIP,当有人打电话进来时,可直接线上交谈,不须关闭网路或离线,或使用者在网页上对某项交易有疑异或确认时,可即时与Call Center 服务人员交谈对话确认,增加交易的安全感。


6.分享频宽

可节省成本,因为大部分都是分享公共频宽。


7.远端遥控

可远端处理电信工作,电信工作人员并不须实地到现场处理问题,透过远端遥控或网路即可处理。


8.节省话务开销

企业可以透过网际网路电话服务商 (Internet Telephony Service Provider,ITSP) 提供的服务,使用专属网路或网际网路以数位来传送语音电话,如此可以大幅节省话务开销。若是属于 ITSP 服务可以到达的地方,就可以用 VoIP 技术透过 ITSP 提供服务。


9.数位化功能

VoIP的应用型态由于让所有语音都数位化,不管使用传统电话或是IP电话都会转成VoIP,而在适当的地方与传统的语音网路连接上。由于完全数位化,因此能与电脑及数据网路完全整合,所以能提供更多传统语音网路不容易做到的功能,例如优先电话、保密电话等。


VoIP 面临的技术挑战

利用 TCP/IP 技术来传递语音虽然大体上可行,而且也已经有实际的服务,但是 VoIP仍有一些问题有待各厂商努力解决。而在这些问题解决之前,要大规模的在 Internet 上提供服务仍有困难。因此,VoIP 的服务品质仍必须靠电信服务公司利用网路架构设计来避开,例如采用与Internet独立开的网路。由于网路电话是透过网际网路传递讯息,不可否认的,目前在网际网路平台上仍有许多技术方面尚待克服的问题,其中回音(Echo)、传输延迟(Transmission delay) 与封包遗失( Package Loss) 这三项不确定因素影响网路电话传输品质甚巨。


回音 (Echo)

回音是因为讯号传送到远方再反射回来传进发话人耳朵而被明显区分出来,这段来回时间只要延迟超过 50ms 回音就相当明显。接/发语音重叠则是因为延迟过久,而导致接/发话方顺序错乱。这问题只要延迟超过250ms就会相当明显。其中由于回音的问题相当严重 (很少传输能低于50ms),因此发展 VoIP 技术大都必须提供回音消除 (Echo Canceling) 的功能。


传输延迟 (Delay)

封包传输延迟是影响网路电话成败最重要的因素,细分延迟的因素有:编码延迟(Coding delay)、伫列延迟(Queuing delay)、重组延迟(Dejitter delay)、线路延迟(Serialization delay)、传递延迟(Propagation delay)、解码延迟(Decoding delay)。语音服务整个流程中有几个主要环节会产生延迟,首先是语音接收处理流程中的语音取样/压缩时间,也就是利用数位讯号处理器(Digital Signal Processor, DSP) 接收语音并做资料压缩所需的时间,称为编码延迟。这时间的长短取决于使用的语音编码器 (Voice Coder),根据不同的标准而异:


● G.726 ADPCM(16, 24, 32, 40 Kbps):0.125ms


● G.728(16Kbps):2.5ms


● G.729(8Kbps):10ms


● G.723.1(5.3, 6.3 Kbps):30ms


由于语音压缩效率愈高,所产生的延迟也会愈高,因此必须作取舍,究竟要怎么样的压缩技术才能满足需求,是高的压缩效率还是低的延迟。


第二个环节是语音接​​收处理流程中的封包包装时间,这主要取决于处理器处理效率和系统设计时的考量。一般而言,设计系统时为了降低网路额外负担(Overhead),都会将DSP 处理所得的数笔资料放在同一封包送出,因此放满三个送出和放满六个再送出的延迟时间差异会甚大,此外系统处理器的效率也是影响延迟的重要因素,这种延迟称为称为伫列延迟。


第三个环节是网路延迟,也就是透过网路从此端送到彼端所需的时间。这个延迟取决于网路距离、经过多少网路设备和网路设备种类而异,称为线路延迟。当然,网路壅塞程度也是主要影响因素。网路延迟是整个VoIP技术运用在网际网路时最无法控制的项目。也因此到目前为止,除非R​​SVP (Resource ReSerVation Protocol) 此类的频宽保留功能能普及,否则要透过Internet 提供够品质的语音服务还言之过早,所以目前提供品质较佳的VoIP 服务,都必须靠专属网路而非Internet。


最后,剧跳 (Jitter) 也是因为延迟而造成,由于TCP/IP网路的特性,使得封包从此端到彼端不见得会走同一路径,因此可能会造成后面的封包先到达。此时,系统必须将此封包暂时保留,直到前面的封包都到达后才按照真正顺序播放,因而造成延迟,称为重组延迟。至于到底要保留多少记忆体空间来暂存Jitter 的封包则是两难,暂存区太大虽不至于因为Jitter 太严重而必须储存多个封包时因而造成满溢(Overflow),但会增加延迟时间;暂存区太小则很可能满溢而必须被迫丢弃封包。


其他原因造成延迟包括;在目的端必须将编码、压缩的资料还原,这也会花费一些时间,称为解码延迟(Decoding delay);或因为某些VoIP 设备所造成,例如在拨接网路中,Modem 良窳也会造成延迟,上述的问题都是造成语音延迟的因素,各个VoIP 服务提供者均有自己的设计理念及目标,例如Hivocal 提供的语音服务其总共延迟约为150ms~180ms (其中网路延迟和剧跳延迟共计100ms)。


封包遗失 (Packet loss)

封包遗失也是严重问题,以前的TCP/IP 以传送数据为主,封包遗失可以靠重送来解决,但是语音是即时的,重送封包将造成严重延迟,置之不管则会降低语音品质,因此必须靠其他方法来解决。目前解决方法大抵以重复传送相同语音封包来避免封包遗失。但这样的做法明显浪费频宽。必须用两倍的频宽来传送原先的语音资料。


产品区隔

由于数据产业与电信产业的整合风潮,使得 VoIP 一直是最热门的话题。而在整合的趋势下,整个语音服务开始起变化,新的产品型态纷纷出现。比如说,在骨干网路上,有以IP 为主的高速交换器(Switch),有与传统语音网路连结的SS7 闸道器等;而在企业网路这一领域,同样地,也有新的产品型态出现,首先就是网际网路电话闸道器(Internet Telephony Gateway,ITG)。全球各厂商看好VoIP 前景大好,纷纷各凭创意和技术,推出众多相关产品,依据网路电话的市场区隔可分为局端使用设备型(Carriers)、企业型(Enterprises)、小企业/个人型(Small businesses/single users) 等三种(图一)。


《图一 VoIP相关产品数据/语音整合网络使用架构》
《图一 VoIP相关产品数据/语音整合网络使用架构》

局端使用设备 (Carriers)

提供局端使用设备的厂商包括 Lucent、Clarent、Cisco、3Com、Ericsson 占据了绝大部分的市场。因固网业者的建设与网路的升级,使得有线传输设备需求不断,平均约以20%的幅度持续成长,又以具有宽频功能、具有IP 功能之产品成长幅度较为明显,因此这是目前市场潜力最大之产品,它提供在传统电话及网路电话作转换,也就是说介于PSTN 及IP 网路间的转换产品,因此,包括了中华电信以及未来进入市场的固网业者都是这些业者的大型潜在客户。


另外ISP 业者也可透过这些接取设备转型为网际网路电话服务商(Internet Telephony Service Provider,ITSP) 提供的服务,使用专属网路或网际网路以数位来传送语音电话,如此可以大幅节省话务开销。若是属于ITSP服务可以到达的地方,就可以用VoIP技术透过 ITSP 提供服务。但由于并不是所有地方 ITSP 都能提供服务,因此若属于ITSP无法提供服务的地方则仍必须透过 ITG,利用传统电话公司的服务型态提供服务。


企业型 (Enterprises)

故名思义就是应用在企业内,在企业中已自成一个Intranet,透过现有网路线路即可传输语音,以取代传统电话,并且在各国内分公司或外国分公司间也可以此串接,将可省掉庞大的电信成本。企业架设 ITG 的方式为一端接上 ISP 业者提供的网​​路,另一端则连上传统的交换机 (PBX)。当使用者连络对象的电话是属于网路电话服务可及的,ITG 会将该通话务转送VoIP 网路上;若不是网路电话服务可及的,就转给传统的交换机,透过公众电话网路。


ITG产品大致可分为两类型,一种是作成界面卡可以安装在现有网路设备中,例如Cisco的产品,另外一种则是独立的机器例如Hivocal所提供植基于IPC上的Gateway产品(图二) 。


《》
《》

个人型 (Small businesses/single users)

这种市场区隔是以家中的PC-PC 方式施作,透过家中的电脑就可透过Internet 与目的端交谈,另外一种基本架构就是语音卡方式,只要将传统电话串接到语音卡上,也可作线上交谈。要使用这种方式就必须使用一种软体称为 Iphone software,Iphone 软体是最早利用 TCP/IP 来传送语音,并且以 Internet 网路为主。使用Iphone 软体的个人电脑必须具备音效卡和麦克风,而所有的语音转换和压缩解压缩完全利​​用个人电脑的CPU的运算能力,以目前的技术,一台Pentium 100 的机器就有足够的处理能力达到不错的效果。但是网路电话最主要的问题还是在 Internet 本身频宽毫无保证,一旦壅塞,通话效果将惨不忍睹。由于近年来电子商务发展迅速,Iphone 软体可以整合于浏览器中包装成 Webcall 应用,让在虚拟商城购物的使用者,能够即时线上与客服人员询问。(图三) 为一简单的 Internet Webcall 应用,漫游于网际网路的使用者可轻敲滑鼠 (one click) 即可立即与线上人员通话。


《图三 Webcall应用实例》
《图三 Webcall应用实例》

结论

虽然 VoIP 这几年来发展神速,但是 VoIP 要取代整个传统的类比电话网路仍有几个主要问题。初期大家比较注意的语音资料庞大及声音品质不佳,断断续续等问题,目前都不再是主要问题,透过语音压缩技术的改善,已经大幅降低语音资料量,而QoS (Quality of Service) 问题可以倚赖日渐成熟的ATM 或MPLS (Multiple Protocol Layer Switch) 技术解决。现在面对的问题反而是如何去取代目前值 700 亿美元的类比交换设备。


此外 2000 年经由数据网路处理 VoIP 的资料量虽然达到 6.6 亿分钟,比起同年 PSTN (Public Switched Telephone Network) 网路所处理的 7,300 亿分钟,简直是小巫见大巫。因此可能有人认为 VoIP 的扩充性、可靠性和即时性仍有待考验。虽然以目前来看整个电信网路由PSTN 网路移到IP 网路仍会有好长一段过渡期,但是VoIP 整合数据与语音于同一平台传输的特性,会使VoIP 在一些利基市场例如电子商务应用上会有很大的应用,让我们大家拭目以待。


(作者为声威网际公司执行副总)


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