Шлюз

ШЛЮЗ

Шлюз и его архитектура

Реализовывать функции IP-телефонии будет устройство (или устройства) - шлюз, которое с сетевой точки зрения осуществляет преобразование управляющей информации и данных, поступающих из одной сети (например PSTN) в пакеты глобальной сети Интернет и обратно. Причем такое преобразование не должно значительно исказить исходный речевой сигнал, а режим передачи обязан сохранить обмен информацией между абонентами в реальном масштабе времени.

Более полно основные функции выполняемые шлюзом при соединении типа "точка-точка" состоят в следующем.

Большая часть функций шлюза в рамках архитектуры TCP/IP реализуются в процессах прикладного уровня.

Наличие разноплановых с вычислительной точки зрения функций, выполняемых системой, порождает проблему ее программной и аппаратной реализации. Рациональное решение этой проблемы основано на использовании распределенной системы, в которой управленческие задачи и связь с сетью осуществляется с помощью универсального процессора, а решения задач сигнальной обработки и телефонного интерфейса выполняются на цифровом процессоре обработки сигналов.

Сигнальная обработка в шлюзе

Схема сигнальной обработки в шлюзе при подключении аналогового 2-х проводного телефонного канала PSTN показана на рис. 5.


Рис. 5. Схема сигнальной обработки в шлюзе

Телефонный сигнал с 2-х проводной линии поступает на дифференциальную систему, которая разделяет приемную и передающую часть канала. Далее сигнал передачи вместе с "просочившейся" частью сигнала приема подается на аналого-цифровой преобразователь и превращается либо в стандартный 12 разрядный сигнал либо в 8-ми разрядный сигнал, закодированный по µ- либо А- закону. В последнем случае обработка должна также включать соответствующий экспандер. В устройстве эхо-компенсации из сигнала передачи удаляются остатки принимаемого сигнала. Эхо-компенсатор представляет собой адаптивный нерекурсивный фильтр, длина памяти (порядок) которого и механизм адаптации выбираются такими, чтобы удовлетворить требованиям рекомендации МКKТТ (ITU-T) G.165. Для обнаружения и определения сигналов внутриполосной телефонной сигнализации (MF сигналов), сигналов DTMF либо импульсного наборов используются детекторы соответствующих типов. В режиме сессии дальнейшая обработка входного сигнала происходит в речевом кодере. В анализаторе кодера сигнал сегментируется на отдельные фрагменты длительностью 30 мс и каждому входному блоку, состоящему из 240 отсчетов (1920 бит при А либо µ- коде и 2880 бит при 12-ти разрядном линейном коде), сопоставляется информационный кадр длиной 137 бит.

Часть параметров, вычисленная в анализаторе, используется в блоке определения голосовой активности (VAD - voice activity detector), который решает является ли текущий анализируемый фрагмент сигнала речью или паузой. При наличии паузы информационный кадр может не передаваться в службу виртуального канала. Режим передачи паузных кадров следующий. На сеансовый уровень передается лишь каждый пятый кадр такого типа. Кроме того, при отсутствии речи для кодировки текущих спектральных параметров используется только 27 бит. На приемной стороне из виртуального канала в логический поступает либо информационный кадр (длиной 137 или 27 бит) либо флаг наличия паузы. На паузных кадрах вместо речевого синтезатора включается генератор комфортного шума, который восстанавливает спектральный состав паузного сигнала. Параметры генератора обновляются при получении паузного информационного кадра. Наличие информационного кадра длиной 137 бит включает речевой декодер, на выходе которого формируется 12-ти разрядный речевой сигнал. Для эхо-компенсатора этот сигнал является сигналом дальнего абонента, фильтрация которого дает составляющую электрического эха в передаваемом сигнале. В зависимости от типа цифро-аналогового преобразования сигнал может быть подвергнут дополнительной кодировке по А- либо µ- закону.

Анализ схемы сигнальной обработки и опыт разработки позволяют выделить следующие основные проблемы цифровой обработки сигналов в шлюзе.

При использовании двухпроводных абонентских линий актуальной остаётся задача эхокомпенсации, особенность которой состоит в том, что компенсировать необходимо два различных класса сигналов - речи и телефонной сигнализации. Очень важной является задача обнаружения и детектирования телефонной сигнализации. Её сложность состоит в том, что служебные сигналы могут перемешиваться с сигналами речи.

Ключевая задача построения кодеков речи подробно обсуждалось в разделе "Речевые кодеки для IP телефонии". С построением кодеков тесно связана задача синтеза VAD. Основная трудность состоит в правильном детектировании пауз речи на фоне достаточно интенсивного акустического шума (шум офиса, улицы, автомобиля и т.д.)

Реализация шлюзов для IP-телефонии

Все системы IP- телефонии условно можно разделить на базовых схемы: для пользователей персональных компьютеров и пользователей телефонной сети (осуществляющих связь через интернет без использования компьютера.)

Для первой схемы мы можем говорить о двух вариантах реализации: программном (когда все процедуры делает персональный компьютер со встроенной звуковой картой), и программно-аппаратном (когда в компьютер устанавливается специализированная DSP карта, выполняющая основные функции и разгружая тем самым компьютер для другой работы). Первый вариант нашел воплощение в значительном множестве программных продуктов, выпускаемых различными фирмами. Среди них наиболее распространен известный продукт Net Meeting фирмы Microsoft.

Второй вариант также в настоящее время достаточно широко распространен. Для второй схемы можно говорить только об аппаратно-программной реализации, когда в систему входит набор специализированных DSP карт или модулей, работающих, как правило, под управлением некоторого модуля центрального процессора (CPU). Первые продукты такого рода появились примерно 1.5 -2 года тому назад и были реализованы на основе плат фирмы Dialogic (мирового лидера в области компьютерной телефонии) и программного обеспечения, разработанного фирмой VocalTech (пионера в области Интернет-телефонии). Шлюз назывался VocalTech Gateway и коммерчески доступен в настоящее время. Подобный продукт V/IP был создан фирмой Micom и также представляет собой DSP плату в конструктиве IBM-PС, работающую под управлением специального ПО.

Подобные способы построения шлюзов достаточны удобны для офисных и возможно (в некоторых случаях) для корпоративных применений, но для крупных интернет-провайдеров и телекоммуникационных компаний, которым необходима установка многоканальных систем, такая реализация малопригодна из-за ненадежности функционирования и сложности обеспечения большого числа каналов. Задачи повышения надежности и обеспечения многоканальности должны решаться при разработке аппаратного обеспечения шлюза с учетом ограничения удельной стоимости на канал. Современное развитие элементной базы и стандартизации в области промышленных компьютеров (в том числе с конкретными особенностями для телекоммуникаций) позволяют достаточно эффективно решать эти задачи.

Основной компонент для реализации аппаратного обеспечения шлюзов - это цифровые процессоры обработки сигналов (DSP). В последние годы наблюдается необычайно бурный рост номенклатуры приборов, их производительности, расширение функциональных свойств чипов. Особо следует отметить появление DSP, специально предназначенных для многоканальной обработки, что существенно снижает удельную стоимость оборудования. Первым и наиболее мощным DSP этого класса является TMS320C6201 фирмы Texas Instruments с производительностью до 1600 MIPs, на котором возможна реализация 16 и более голосовых каналов через IP. В гонку за лидером включилась компания Analog Devices, анонсировавшая недавно свой 600 MIPs DSP с плавающей точкой ADSP21160, который несмотря на некоторый проигрыш по производительности имеет свои больший объем внутренней памяти и улучшенную архитектуру.

Что касается развития стандартизации в области промышленных платформ, то одной из наиболее популярных является платформа на базе шины Compact PCI, отличающаяся высокой скоростью (что необходимо для построения многоканальных систем), широкой распространенностью и невысокой стоимостью поддерживающего программного обеспечения (полный электрический и функциональный аналог шины PCI), мощной поддержкой производителей промышленных систем. Следует заметить, что для телекоммуникационных применений стандартизованы дополнительные шины, которые также находят активное применение. Первой такой шиной явилась шина SCbus, разработанная и предложенная фирмой Dialogic. И примерно год назад появилась шина CTbus, являющаяся развитием шины SNbus и совместимая с ней снизу.

Для всех упомянутых шин существуют специализированные микросхемы, необходимые для построения адаптеров шин, что значительно упрощает и удешевляет построение аппаратных средств.

Крупные компании - производители телекоммуникационного оборудования такие как Siemens, Lucent, Motorola, Nokia активно осваивают этот перспективный сегмент рынка IP-телефонии. Как правило, каждый крупный производитель, предлагает свою собственную архитектуру, свою внутреннюю шину, свой способ управления и контроля, свои конструктивы. Мелкие и средние компании также получили высокие шансы для конкуренции с гигантами прежде всего в связи с бурным развитием стандартизации в области промышленных компьютеров, доступностью и сравнительно недорогой стоимостью различных комплектующих (начиная от корпуса и кончая любыми компонентами) при обеспечении всех необходимых свойств промышленных систем.

Задачи, возникающие при реализации шлюзов, во многом аналогичны задачам, решаемым при создании современного станционного оборудования. Вместе с тем, имеется специфика, определяемая широким применением DSP (до десятка и более на одной плате) и особенностями используемых алгоритмов.

Если на плате шлюза совместно размещаются аналоговая и цифровая части, возникает задача электромагнитной совместимости. Если же аналоговая и цифровая части разнесены - задача их сопряжения.

При размещении на одной плате большого числа мощных DSP, например TMS320C6201, возникают серьёзные проблемы с большим энергопотреблением.

При конструировании шлюза важно обеспечить согласование алгоритма с аппаратной частью. Дело в том, что аппаратная часть должна рационально обслуживать алгоритм работы шлюза. Это при экономном использовании аппаратуры не всегда легко (возможно) сделать. Вместе с тем, допустимые модификации алгоритма (распараллеливание вычислений, оптимизация управления ресурсами, рациональный порядок вычислений и пр.) могут оказать заметное влияние на структуру аппаратной реализации и, в целом, обеспечить лучшее решение.



[назад]                [на оглавление]                [вперед]


Реклама: Такого ещё не было! Здесь аппаратный vpn шлюз по хорошей цене. Только до конца недели.