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.

• Реализация физического интерфейса с коммуникационной сетью.
• Детектирование и генерация сигналов абонентской сигнализации.
• Преобразование сигналов абонентской сигнализации в пакеты данных и обратно.
• Преобразование речевого сигнала в пакеты данных и обратно.
• Соединение абонентов.
• Передача по сети сигнализационных и речевых пакетов.
• Разъединение связи.

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

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.)

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.

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.

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

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.