VoIP技術加速變革 台廠由軟體層面下手推出革新架構

VoIP技術已經發展多年，但近來受到許多網通廠商及電信業者重視，其中一個重要因素就是VoIP已開始影響傳統電信產業版圖，由日本的Yahoo!BB到目前的Skype，影響層面逐漸擴大，展望未來VoIP可變化的應用將越來越多，商機值得期待。  

VoIP搭配WiFi技術下的產物就是Voice over WLAN，簡稱VoWLAN，此技術正逐漸被各大廠採納，最主要原因乃在於WLAN的觀念及使用習慣已逐漸被一般家庭用戶肯定，但VoIP及VoWLAN市場仍未明朗，但觀察市場趨勢可發現未來將是一項重要技術，一般IC設計公司對於VoWLAN之開發皆將VoIP作為先期目標，待第二階段再將WiFi的射頻、基頻，以及媒體存取控制層(MAC)納入。  

寬頻環境成熟孕育VoIP  

在過去寬頻環境並不成熟的階段，談VoIP根本是緣木求魚，但隨著全球寬頻用戶突破5,000萬戶之後，許多廠商開始思考在這條資訊高速公路上可以玩哪些遊戲。但弔詭的是，提供這些骨幹網路的廠商，通常也是提供傳統話務的廠商，這些電信營運業者，當然對於這個新興服務是又愛又怕。愛的是，其收入可能隨著用戶數增加而增加；恨的是，一旦用戶都在網路上通話，傳統話務市場就會受到擠壓，這些屬於營運模式層級的問題，將於下文章節中接續討論。  

較早運用VoIP而獲利廠商代表當屬日本Yahoo!BB，其方式是以提供外型類似傳統電話機的IP電話機，用戶在家中客廳接上ADSL之後，在通話雙方皆有相同電話機的前提下，撥打特定的電話號碼，每月僅需繳寬頻費用及少許月租費，就可享受VoIP成本低廉的通話服務，這種須搭配話機出售的寬頻服務，營運模式看似困難，卻在日本得到空前成功，在一年內累積接近500萬戶，造成傳統電信公司NTT收入大幅下滑，被迫跟著提供網路電話服務，防止用戶繼續被搶走。  

也因為Yahoo!BB的成功經驗，讓許多系統硬體廠商，包括用戶端及局端廠商加入戰局，也讓許多IC設計廠商投入此領域之研發，而電信運營商也終於加入這個戰局。此一VoIP盛況，當拜寬頻環境成熟所致，由圖1可看出，在亞太地區的寬頻滲透率越來越高，未來VoIP的市場趨勢是擋不住的。  

網際網路環境催生SIP協定  

H.323協定是由國際電信聯盟(ITU-T)於1996年提出，因為它是由眾多從屬協定所構成，並非只是單一協定。其主要實體架構有四個：閘道管理員(Gatekeeper)、閘道器(Gateway)、多點控制器(Multipoint Control Units, MCU)及終端設備(Terminal)，因此H.323內容廣泛，並提供應用於不同設備的多媒體類型和壓縮技術。但早在90年代即已由國際電信聯盟定義的H.323，並非完全著眼於網際網路環境，因此網際網路工程工作特別小組(Internet Engineering Task Force, IETF)在1999年3月提出的「通訊啟動協定(Session Initiation Protocol, SIP)」新架構，試圖簡化H.323的複雜性，且在語音傳遞功能提供較高的延伸性，並直接採用文字(Text-based)式的通訊協定，能在兩個或更多的傳送參與者之間，發展及控制多媒體傳送(Multimedia Sessions)，其著眼於網際網路與公眾交換電話網路(PSTN)整合環境的一種技術，並以純文字，類似HTTP協定的方式來傳送指令及狀況，以達到協定簡單化、文字化，而不以訊號來判斷之目的(表1)。  

SIP僅是通話(Session)發起時的一種初始化的協定，實際上的資料或語音傳輸尚須依靠會議描述協定(Session Description Protocol, SDP)進行彼此同步，最後雙方再依照協定來通訊，並透過即時傳輸協定(Real-time Transport Protocol, RTP)來傳送實際的文字，語音或影像等資料(圖2)。  

VoIP在過去不斷的發展中已經在消費者、一般民間企業、電信營運商與ISP引起注意，但因標準確立上的延遲，再加上許多來自於產業面的阻礙因素而導致進展較慢；過去VoIP的成本優勢已獲得企業青睞，而隨著寬頻網路逐漸普及至家庭用戶及小型辦公室之後，VoIP的用戶基礎才逐漸擴大。  

過去運用H.323協定的IP電話、視訊電話、視訊會議等產品因建置成本較高、設定過程繁複等問題，因此使用者大多是企業用戶；進入2005年之後，家庭用戶逐漸進入市場，但家庭用戶的需求特色與企業用戶大相逕庭，首先家庭用戶不需要強大功能的系統，第二，家庭用戶需要友善的操作介面及設定簡便的系統，此兩項需求即是VoIP進入家戶市場的重點。  

VoIP用戶端產品多樣化  

寬頻網路逐漸普及之後，許多廠商思考如何運用高度成長的寬頻環境以創造新需求。這使得IP電話不再只是概念而已，而在這過程中，包括MSN、Skype等許多點對點(P2P)技術已逐漸取得消費者認同，但畢竟無法脫離電腦螢幕，這與一般家庭用戶打電話習慣相左，況且講電話也稍具隱私性，透過電腦的通話方式並非好方案，因此IP電話才有發展空間，但過去IP電話的設定相當困難，包括許多的網路設定問題，所以無法快速進入家庭用戶市場。  

雖然基於SIP的VoIP網路是以文字型態傳輸，應用較為簡便，但相關元件亦相當多，包括終端伺服器、轉址伺服器、註冊伺服器等，建置起來仍相當耗費成本；但由用戶端為出發點來看，如用戶端的IP電話必須經過不易了解的設定過程、或必須撥打另外設定的電話，抑或用戶端採取PPPoE的動態IP連結網路的不方便等因素，尚無法達到所謂的UPnP的地步。  

因此許多VoIP廠商針對上述缺點加以改進，因硬體結構本身已較為固定，一些新進廠商將解決問題的方式轉為在軟體應用層面下苦功，例如尚宏電子，其為專業研發VoIP相關終端設備廠商，其近期新產品的開發重點，即是為了改善一些目前普遍存在的問題，包括：(1)目前用戶端是以PPPOE方式連結寬頻，動態IP的方式讓VoIP用戶在啟始設定上困難。(2)在VoIP網路設置上，需要其他閘道器或伺服器，而使建設成本增加。(3)PSTN/VoIP轉換困難，且聲音品質無法維持。尚宏電子是採取軟體方式解決，包括加入中介軟體、應用程式介面(API)等嵌入式軟體，並研發出幾項技術，包括：(1)無伺服器動態IP擷取技術、(2)個人防火牆穿透技術、(3)A/D轉換技術、(4)VoIP電話簿建置技術。該公司將這些技術融合而研發出VoIP家用閘道器(圖3)，最主要的市場即為家用或SOHO市場。  

其運作方式是由發話端送出IP資訊，再由受話端接收發話端IP後發出邀請，然後形成VoIP連結，由於完全採取點對點傳輸，中間毋須其他的閘道管理員、名稱伺服器等，可以由兩端的VoIP家用閘道器直接連結。而最重要的一項特徵，是可沿用傳統電話的話機，VoIP家用閘道器上有RJ45用來連結ADSL數據機、另有RJ11可以連結原本的傳統電話機，且發話端僅需撥打另外一端連接在相同VoIP家用閘道器上的傳統電話之號碼，運用傳統PSTN線路傳送IP位址，僅需1～2秒時間，即可完成IP擷取動作並完成VoIP連結，並自動由PSTN切換至VoIP通話以節省電話費用，因此用戶僅需負擔這極短時間的電話費用。  

尚宏電子並運用軟體技術以建立電話簿功能，此電話簿屬於資料庫結構，將主程式及資料庫建立在VoIP家用閘道器硬體內的唯讀記憶體，可儲存多組IP位址，待用戶下一次撥打同樣電話號碼時，便在電話簿中尋找歷史IP資訊，並且快速形成VoIP連結，亦即用戶甚至不需再花費那一段短時間的通話費，直接可形成連線，這樣的技術目前已經逐漸成熟，但仍有許多技術仍需克服，包括未來發展成為DECT電話或整合WLAN基地台(AP)。  

除上述屬於家用市場的解決方案之外，另有硬體廠商將WiFi功能納入IP電話中，成為WiFi手機，這也屬於家庭應用市場，代表廠商有思科(Cisco)及一些台灣網通設備業者，這些整合性產品的未來發展值得關注。另外，同時具有GSM/GPRS/3G及VoWLAN功能手機的發展，正是業界開始關注的雙網手機，這也是值得重視的新趨勢之一，運用WLAN網路與行動通訊網路，以達到無縫連結境界，用戶可隨時轉換以節省話費，即是近來業界及政府部門相當重視的雙網整合，但在營運上，則取決於電信營運業者的態度，在技術上，則必須要克服兩者訊號干擾等問題。  

VoWLAN晶片加速創新  

VoIP加WLAN，是目前較新的應用趨勢，使用方式類似目前的無線電話。因為WLAN普及程度越來越高，一般用戶對於無線環境也逐漸習慣甚至依賴，因此新興的應用模式VoWLAN也逐漸受到重視。過去在WLAN上傳遞的是一般數據封包，而用戶在瀏覽網頁或收發郵件過程中，可以稍微忍受短暫的延遲，故WLAN在一般使用狀況中的連線品質並不穩定，有時還會出現瞬斷的情況；但是VoWLAN是用來傳遞語音封包，不僅用戶無法忍受聲音延遲，更無法容忍在通話時因WLAN的瞬斷而必須重新啟動連結，因此QoS的重要性在此便產生，這也是目前此領域發展上最具挑戰性之處。  

雖然一般語音信號只需要8kbps連續吞吐率，即可達到類似傳統電話的語音品質，但因為使用VoIP後，網際網路及802.11的協定卻使VoWLAN對實際數據速率需求提高到大約200kbps，才能達到傳統電話的通話品質，若再加上流量衝突或其他用戶引起的延遲，VoWLAN似乎沒有生存空間。但若反向思考，觀察用戶在實際上有此需求者，目前一般家庭中使用「傳統無線電話」的比重應當不小，當一般民眾已習慣無線電話的通話方式之後，將PSTN轉至VoIP，用戶還是會期待能用無線電話的通話方式。  

VoWLAN單晶片大勢所趨  

VoWLAN的SoC，現階段仍以德州儀器、博通(Broadcom)、傑爾系統(Agere)為領先廠商，現階段的SoC均為2～3顆晶片的晶片組解決方案，在硬體效能及功耗表現均不理想。因此有志於開發此領域的IC設計公司，應針對此一市場開發VoWLAN SoC系統，針對此市場銷售高效能的SoC單晶片，根本解決效能、語音品質及電池消耗的問題，且根據In-Stat/MDR對VoWLAN所作的預測，2004~2008年之間，以語音為基礎的WiFi用戶年成長率可達120%以上，且至2008年整體用戶規模可達1.45億戶。為了滿足用戶對於DSL數據機的需求日益多樣，因此許多晶片廠商提供的方案均可支援路由器、交換器、網路安全等功能，但隨著WLAN應用發展熱絡，晶片廠商再將802.11a/b/g的射頻、基頻、MAC等功能加入形成SoC，其應用層面產品就像目前市場上存在的無線網路基地台或無線路由器，發展至此階段對於稍具競爭力的廠商應無太大問題。  

WiFi手機SoC技術門檻高  

隨著VoIP市場有所進展的同時，晶片廠商再度將VoIP功能整合於原本的寬頻SoC，且稱之為VoWLAN SoC，在此階段晶片廠商會遇到較大問題，最主要原因在於必須處理語音訊號的技術問題，因此在此階段必須加入數位訊號處理器(DSP)，以處理一些語音編解碼器(Codec)演算法、即時傳真轉送(Fax Relay)、回音消除、雙音多頻(DTMF)、處理語音封包、暫存語音資料等多重工作，因此要真正形成單晶片仍須努力。  

典型的VoWLAN解決方案架構可參考圖4所示的德州儀器產品，其中的TNETW1230晶片，就是負責WiFi功能的主要元件，整合了MAC及基頻等功能。  

目前提供VoWLAN SoC的廠商除德州儀器之外，尚有博通、傑爾系統、Atheros等國際大廠，而台灣廠商對於此方面的研發則較為落後，據拓墣產業研究所觀察，發現台灣廠商事實上對於此領域的研發乃屬鴨子划水之姿默默耕耘，採取的方式則是以軟體DSP取代一般廠商所習慣的硬體DSP，如前文德州儀器SoC解決方案架構圖中的DSP，即是TI自行研發的硬體DSP。  

相較之下，如果運用軟體DSP，可節省許多專利權使用費，並且將802.11a/b/g的MAC及基頻整合成單晶片，且支援802.11i與802.11e WMM協定，整體VoWLAN SoC可達到120萬個閘數(Gate)，所有功能可在單一晶片上完成，但這必須有一顆強有力的微控制器(MCU)，如此新架構中須有ARM 926 EJ-S來做為嵌入式軟體及應用程式的引擎(圖5)。  

在VoWLAN需要克服的問題，就是一般WLAN連線品質的問題，民眾可以忍受在筆記型電腦無線上網時產生瞬斷與重新連結、也可以忍受WLAN傳輸過程中封包數的不穩定，但卻絕對無法忍受通話瞬斷與聲音品質低落，但這些問題可在晶片組層級解決，例如將802.11e的QoS內建至基頻中，亦有廠商運用嵌入式軟體解決，這都是VoIP新應用必須面對的挑戰。  

需求促使雙網手機發展  

雙網手機已非概念性產品，許多手機廠商已投入此領域研發，而相關晶片解決方案，目前包括手機晶片及傳統通訊晶片廠商皆相繼投入，雖然此領域的前景仍不明朗，但從以下幾點可看出未來VoWLAN整合進入手機架構將是重要趨勢。  

第一，是雙網手機能提供節費與便利服務。雙網手機具有自動搜尋並調整系統網路的能力，如果搜尋到可用的無線接取點，會透過成本較低的WLAN完成IP電話撥接，否則將透過蜂巢式網路來傳輸語音通訊，以維持通話的品質。  

除了話費的節省外，提供更方便與多樣化服務，也是雙模手機最重要功能。當雙網手機進入家裡，立刻切換成WLAN連線方式，當他人撥打家中電話時，VoIP無線閘道器(無線AP+類比終端轉換器+路由器)可讓來電者選擇想要通話的家裡成員，然後依其選擇，將電話轉成VoIP方式傳送給該成員的雙網手機，好處是可讓市內電話由原本僅能傳到家庭入口，進一步提升到能直接傳到真正的受話者處。VoIP更進一步的應用是視訊電話，雙網手機因具有高速數據傳輸能力，且手機畫面並不大，加上透過高速ADSL服務，因此網路能力已足以提供視訊電話功能，所以雙網手機在家中的應用訴求，視訊電話將是重要潛在應用之一。  

第二，是市場規模逐漸擴大。根據市調機構In-Stat預測，到2010年為止，市場上將有2.96億支無線網路手機，2005年可以說是雙網手機元年，市場規模估計有60萬支，市場發展潛力驚人，當然對於關鍵零組件廠商來說也是極佳的市場機會，目前也有多家廠商積極投入，包括晶片廠商及手機系統廠商(表2～3)。  

第三，則是晶片廠商及手機業者投入雙網手機領域越來越多。由表2～3可看出，不管是晶片廠商或手機系統廠商，其對於雙網手機也就是手機整合VoWLAN功能展現樂觀預期，因此皆投入相關的研發資源，故可知此領域的前景雖屬不明朗，但未來的發展亦必定是重要趨勢，我國晶片廠商可盡快進入此市場以取得市場先機，掌握先行者的優勢。  

第四，是手機晶片設計漸趨複雜。目前許多手機晶片廠商都盡可能將各種功能放在小小的電路板之上，況且在PDA手機、智慧型手機，甚至3G手機逐漸成為高階手機主力之際，附加功能就成為重要決勝點。  

不過由於通訊技術上的射頻IC要予以整合是相當困難，最主要就是要能克服訊號互相干擾的狀況，目前的解決方案是整合藍芽及WiFi，如圖6所示。  

雖理論上這樣可以降低晶片使用量及電路板面積，但是要變成SoC或者SiP則需要IC設計業者多加努力，當然這也是下一個很重要的機會點，未來亦有可能再度整合GPS等功能，在設計複雜度及功耗上的考量更顯重要。  

VoIP營運模式為最大關鍵  

在探討各項系統端、晶片端的議題後，事實上，左右上述廠商獲利的因素，還是來自於VoIP的營運模式，唯有用戶增加，才能讓產品銷售增加。日本Yahoo!BB的成功經驗讓許多廠商趨之若鶩，因此IP電話的開發逐漸為通訊設備廠商重視，但是此種搭配硬體出售ISP服務的營運模式是否可在其他地區成功，則有待檢驗。  

一方面，仍須觀察各國政府對於VoIP的開放態度，另一方面，電信營運商的態度也是關鍵。近來Skype的熱門程度，也讓許多電信營運商冷汗直流，深怕這種屬於「軟體電話」的模式會侵蝕傳統話務市場。  

但如果深究其中關鍵點，軟體電話的前提是必須擁有一部電腦，配上揚聲器與麥克風，而且必須會使用電腦軟體。雖然這對於一般上班族來說無太大困難，但對於家中長輩或不懂電腦的成員來說，說不定是遙不可及的距離，因此開發「如何不改變傳統打電話習慣」的解決方案，則是VoIP普及的前提，上述國內廠商開發的產品則是針對此課題。  

電信運營商其實毋須過度擔心，事實上Skype賺錢的部份在於Skype Out，也就是由網路打電話至傳統電話之上，要不然只要雙方都有Skype，是收不到錢的，而由VoIP到PSTN階段，則必須藉助電信營運商的網路，因此Skype要經營Skype Out業務，須向電信營運商購買批發的通話時數，再將通話時數轉賣給Skype Out用戶，在其中賺取差價，而通話時數越多，電信營運商也就能賺更多，換言之，VoIP的營運與傳統電信營運商脫不了關係。  

簡而言之，WiFi手機即是家中無線電話的變種，由原本的DECT技術轉為802.11a/b/g技術，也就是VoWLAN，但無線網路封包傳送的品質還是VoWLAN最重要的議題。  

WLAN結合行動通訊則是另外一個議題，雙網整合及雙網手機的話題已持續許多年，但其硬體、技術及營運模式上的瓶頸則相當多，且手機的生命週期相當短，加上3G服務啟動，因此其複雜程度遠較單純在一定範圍內使用的IP電話或WiFi手機來的高。  

從趨勢來看，當手機整合數位相機、MP3、遊戲機之後，下一波或許就是整合VoWLAN，這個趨勢似乎將無可避免。  

(詳細圖表請見新通訊62期4月號)