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GPRS網(wǎng)絡(luò )的附加業(yè)務(wù)：VoIP over GPRS

2008/04/07

　　導言

　　近年來(lái)，IP語(yǔ)音(VoIP)變得越來(lái)越普及。與傳統的匯接解決方案相比，VoIP能夠降低初始部署成本和長(cháng)途費用。互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)制定的會(huì )話(huà)發(fā)起協(xié)議(SIP)是使用最廣泛的信令協(xié)議之一，該協(xié)議凝聚了互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的很大努力，適用于互聯(lián)網(wǎng)會(huì )議、電話(huà)、在線(xiàn)狀態(tài)、事件通知和即時(shí)信息處理。過(guò)去，人們無(wú)法以合理的低成本來(lái)實(shí)施這些附加功能，但現在使用會(huì )話(huà)發(fā)起協(xié)議(SIP)，只需向對方發(fā)送一些數據包，然后建立一個(gè)具有所需功能的會(huì )話(huà)，即可實(shí)現這些功能。因而，相對于傳統電話(huà)網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)，VoIP具備了一些優(yōu)勢。

　　接下來(lái)，人們可能會(huì )提出如何連接互聯(lián)網(wǎng)的問(wèn)題。無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)是一種可行方法。無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)提供了一定的移動(dòng)性，用戶(hù)能在WLAN接入點(diǎn)的附近區域內移動(dòng)，從而實(shí)現VoIP over WiFi應用。但是，由于WLAN屬于局域網(wǎng)，只限于室內應用，一旦用戶(hù)離開(kāi)接入點(diǎn)的覆蓋范圍，VoIP呼叫就會(huì )掉線(xiàn)。盡管GSM和VoIP之間可以切換，但這些機制和協(xié)議又增加了額外成本。

　　WiMax 和 GPRS 是提供移動(dòng)性的兩種可能解決方案。WiMax是城域網(wǎng)，覆蓋范圍長(cháng)達數英里。但是，它需要引入802.16e標準，才能支持移動(dòng)。雖然與GPRS相比，WiMax的數據速率快得多，但它目前仍然是一種正在演進(jìn)的技術(shù)，尚未確定最終標準。幾家公司提供的現有芯片組沒(méi)有遵循一定的標準，因而無(wú)法進(jìn)行互操作。此外，這種芯片組的成本也比較高。因此，VoIP over WiMax可能是未來(lái)的發(fā)展趨勢，但就目前而言，這種技術(shù)還沒(méi)有推廣。

　　相反，GPRS現在已經(jīng)成為最常見(jiàn)的無(wú)線(xiàn)數據業(yè)務(wù)，在幾乎所有GSM網(wǎng)絡(luò )上部署。它通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)接入互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。其吞吐速率高達40KB/秒，用戶(hù)可以獲得適當的接入速率，能夠非常便利地從任何地方連接到互聯(lián)網(wǎng)。目前，全球有1/5以上的人口使用GSM技術(shù)，截至2006年3月中旬，GSM用戶(hù)人數超過(guò)17億，占據全球手機市場(chǎng)的77%左右。GSM的滲透率如此之高，使得GPRS成為連接互聯(lián)網(wǎng)、提供VoIP業(yè)務(wù)的合適物理移動(dòng)媒介。

　　早期模擬表明，在GSM網(wǎng)絡(luò )中，VoIP over GPRS比電路切換語(yǔ)音的容量更大。在本文中，我們將重點(diǎn)介紹VoIP over GPRS在運行實(shí)時(shí)操作系統(RTOS)的低成本GSM移動(dòng)電話(huà)上的實(shí)施。我們還將介紹VoIP over GPRS的系統和架構，以及它的設計局限。接下來(lái)，我們將介紹在飛思卡爾i.250 2.5G 平臺上實(shí)施的概念驗證原型。

　　概況

　　IP語(yǔ)音(VoIP)是利用IP網(wǎng)絡(luò )來(lái)傳送語(yǔ)音信息的一系列新技術(shù)。在發(fā)送端，語(yǔ)音首先進(jìn)行數字化、壓縮、打包，然后通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò )，將這些數據包發(fā)送到目的地。一旦在遠端收到這些語(yǔ)音數據包，它們就會(huì )被記錄、解壓，然后重新生成語(yǔ)音。由于IP網(wǎng)絡(luò )的帶寬遠高于傳統的固話(huà)匯接網(wǎng)絡(luò )，VoIP的呼叫費用也遠低于傳統呼叫。然而，IP網(wǎng)絡(luò )最初設計用于傳輸非實(shí)時(shí)數據，因此，對于VoIP而言，如何實(shí)時(shí)傳輸語(yǔ)音服務(wù)，確保語(yǔ)音服務(wù)質(zhì)量就成為一種挑戰。隨著(zhù)IP技術(shù)和寬帶互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展，這些問(wèn)題已經(jīng)部分地得到解決，VoIP進(jìn)入實(shí)際應用階段。ITU(國際電信聯(lián)盟)和IETF(互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組)是制定VoIP協(xié)議的兩個(gè)主要標準機構，負責確保VoIP的更好質(zhì)量和互操作性。

　　與非實(shí)時(shí)通信不同，VoIP要求對等方在實(shí)際語(yǔ)音傳輸之前建立會(huì )話(huà)。會(huì )話(huà)的功能包括：位置搜索、功能協(xié)調、呼叫建立和資源預留等。當前，人們單獨使用 H.323 (ITU) 和SIP (IETF)來(lái)實(shí)施呼叫控制功能。就簡(jiǎn)單性而言，SIP優(yōu)于H.323，因此這個(gè)VoIP項目選擇了SIP。

　　圖1顯示了典型的VoIP協(xié)議堆棧。呼叫控制協(xié)議包括兩個(gè)選項：H.323 和SIP。H.323只能通過(guò)TCP接入IP網(wǎng)絡(luò )，而SIP可以同時(shí)通過(guò)TCP或UDP接入IP網(wǎng)絡(luò )。綠色方塊表示支持實(shí)時(shí)語(yǔ)音會(huì )話(huà)的媒介引擎和IP協(xié)議。黃色方塊表示用于數據包傳輸的MAC/PHY層。我們的重點(diǎn)將放在 SIP、 RTP、 RTCP、 UDP、 TCP、 IP和 GPRS上。



　　會(huì )話(huà)發(fā)起協(xié)議(SIP)是一種信令協(xié)議，用于初始化、管理和終止分組網(wǎng)絡(luò )之間的語(yǔ)音和視頻會(huì )話(huà)。與HTTP 或SMTP類(lèi)似，SIP也屬于文本編碼，具有很強的可擴展性。SIP能夠進(jìn)行擴展，以支持各種功能和服務(wù)，例如移動(dòng)服務(wù)、與現有電話(huà)系統的互操作。SIP網(wǎng)絡(luò )包括5類(lèi)邏輯實(shí)體。每類(lèi)實(shí)體都具有特定功能，作為客戶(hù)端(發(fā)起請求)或服務(wù)器(響應請求)參與SIP通信，或者同時(shí)以?xún)煞N身份參與通信。這5類(lèi)實(shí)體是：用戶(hù)代理、代理服務(wù)器、重定向服務(wù)器、注冊服務(wù)器和背靠背用戶(hù)代理(B2BUA)。VoIP電話(huà)應該是用戶(hù)代理，因為它是端點(diǎn)實(shí)體。

　　注意，在呼叫過(guò)程中，SIP不參與語(yǔ)音/視頻編碼/解碼，而只是為語(yǔ)音/視頻談話(huà)建立/終止一次會(huì )話(huà)。一旦建立會(huì )話(huà)，語(yǔ)音就由適當類(lèi)型的編解碼器(如GSM AMR)進(jìn)行編碼，然后在RTP/UDP/IP中打包。在這里，RTP代表Real Time Protocol(實(shí)時(shí)協(xié)議)，UDP代表User Datagram Protocol(用戶(hù)數據報協(xié)議)，IP代表Internet Protocol(互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)。如需了解更多信息，請咨詢(xún)IETF。

　　該協(xié)議的公布名稱(chēng)為RFC3261。所有SIP消息分為3個(gè)部分： 　　所有SIP消息的開(kāi)頭都是起始行。起始行說(shuō)明了消息類(lèi)型(在請求情況下，消息為方法類(lèi)型，在響應情況下，消息為響應代碼)和協(xié)議版本。報頭字段包含了信息屬性，這些屬性可以提供更多信息。報頭的格式為：:。報頭可以橫跨多行。一些SIP報頭，例如Via、Contact、 Route 和 Record Route可能在一條消息中出現多次，或者也可能在一個(gè)報頭中提供多個(gè)值，以逗號分隔。

　　消息本體用于描述將要發(fā)起的會(huì )話(huà)，它可能出現在請求和響應消息中。

　　一旦在網(wǎng)絡(luò )上建立會(huì )話(huà)，實(shí)時(shí)語(yǔ)音數據就會(huì )通過(guò)RTP/RTCP、UDP 和 IP發(fā)送。 這些協(xié)議分別在RFC 3550、768和 791 中進(jìn)行了定義。

　　RFC 3550指定了為具有實(shí)時(shí)特征的數據(例如互動(dòng)音頻和視頻)提供端到端傳送服務(wù)的實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議(RTP)。這些服務(wù)包括：凈負荷類(lèi)型識別、順序編號、時(shí)間戳和傳送監控。這些應用通常在UDP的頂層上運行RTP，以利用它的多路復用和校驗和服務(wù)。注意，RTP本身不提供任何機制來(lái)確保實(shí)時(shí)傳送，也不提供其它服務(wù)質(zhì)量保證，而是依靠較低層的服務(wù)來(lái)實(shí)現這些目標。它不能保證傳送和防止無(wú)序傳送，也不能確保底層是可靠的，能夠按照順序傳送數據包。根據RTP中包含的序列號，接收方能夠重建發(fā)送者的數據包順序。

　　RFC3550還規定，RTP控制協(xié)議(RTCP)應該監控服務(wù)質(zhì)量，并傳輸關(guān)于當前會(huì )話(huà)參與者的信息。

　　UDP (RFC768) 代表用戶(hù)數據報協(xié)議(User Datagram Protocol)，假定使用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議作為底層協(xié)議。該協(xié)議為應用程序提供了一個(gè)將消息傳送到其它程序的流程，只需很少的協(xié)議機制。該協(xié)議是面向事務(wù)處理的，不保證提供傳送和復制保護。如果應用需要可靠、有序的數據流傳送，應使用傳輸控制協(xié)議(TCP)。

　　互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(RFC791、IPv4)實(shí)施兩種基本功能：尋址和分割。IP使用報頭中的地址，將互聯(lián)網(wǎng)數據報傳送到目的地。選擇傳輸路徑的過(guò)程稱(chēng)為路由。當需要通過(guò)“小數據包”網(wǎng)絡(luò )傳輸時(shí)，它還使用報頭中的字段，對互聯(lián)網(wǎng)數據報進(jìn)行分割和重組。此外，這些IP模塊(特別是網(wǎng)關(guān)中的模塊)擁有執行路由決策和其它功能的程序。

　　互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議將互聯(lián)網(wǎng)數據報當作一個(gè)獨立實(shí)體處理，與其它任何互聯(lián)網(wǎng)數據報無(wú)關(guān)。沒(méi)有連接或邏輯電路。在提供服務(wù)時(shí)，它使用四種主要機制：服務(wù)類(lèi)型、生存時(shí)間、選項、報頭校驗和。



　　“MOS”列為“Mean Opinion Score”(主觀(guān)平均得分)，用于度量語(yǔ)音質(zhì)量。得分越高，表明質(zhì)量越好。

　　本項目的目的是在飛思卡爾i.250 2.5G 平臺上增加VoIP over GPRS功能。該平臺上的基帶處理器Neptune LTE 帶有雙核，ARM7運行VRTXmc OS 和 16 位Onyx DSP。時(shí)鐘頻率分別為52MHz 和130MHz。與通常在 200MHz頻率下運行的其它應用處理器相比， Neptune LTE 的處理功率是一個(gè)限制因素，影響我們對支持的編解碼器的選擇。在本項目中，我們實(shí)施的GSM-AMR主要用于演示用途，因為現有平臺支持AMR 編解碼器，并且已經(jīng)采用了DSP代碼。

　　系統架構

　　圖2顯示了飛思卡爾 i.250 2.5G 平臺上的VoIP over GPRS模塊圖。VoIP 應用是整個(gè)VoIP over GPRS系統的核心控制部分。它包含了一個(gè)狀態(tài)機，用于控制不同模塊流和初始化流程。通過(guò)人機界面 (MMI)通信，用戶(hù)能夠向對等實(shí)體發(fā)出VoIP呼叫。



　　網(wǎng)絡(luò )傳輸服務(wù)提供商目前對用戶(hù)是透明的。

　　網(wǎng)絡(luò )傳輸引擎包括：RTP/RTCP堆棧、SIP堆棧、抖動(dòng)控制堆棧等。SIP負責包括呼叫建立程序的呼叫控制協(xié)議。RTP/RTCP堆棧是實(shí)時(shí)流協(xié)議和實(shí)時(shí)流控制協(xié)議，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳送實(shí)時(shí)數據。

　　抖動(dòng)控制堆棧負責處理網(wǎng)絡(luò )延遲，確保接收數據包的正確順序。

　　多媒體引擎(MME)經(jīng)過(guò)修改，用于管理VoIP的全雙工語(yǔ)音信道。

　　網(wǎng)絡(luò )傳輸的數據流通過(guò)數據流服務(wù)提供商(DFSP)傳輸到GSM堆棧。在該堆棧中，子網(wǎng)相關(guān)收斂協(xié)議(SNDCP)處理分組交換數據。

　　藍色方塊表示現有平臺的新應用，包括網(wǎng)絡(luò )傳輸協(xié)議、核心控制VoIP應用。由于支持GPRS功能的每部移動(dòng)電話(huà)都應該帶有TCP/UDP IP堆棧，因而只需重復使用現有堆棧，而無(wú)需重新實(shí)施。注意，所有新模塊都是軟件。不需要其它硬件。

　　在i.250 2.5G平臺中，基帶處理器帶有雙核，一個(gè)為ARM7 MCU，另一個(gè)為Onyx-lite DSP。GPRS L1活動(dòng)和語(yǔ)音編解碼器計算工作都在DSP中完成，這有助于減少MCU的MIPS要求，在一個(gè)運行ARM7的平臺上實(shí)現 VoIP over GPRS功能。與此相反，一些現有解決方案通常需要至少一個(gè)ARM9 ，甚至ARM11 MCU。

　　MDI是MCU DSP接口，可以實(shí)現雙方之間的通信。

　　一旦與對方建立了呼叫，上行鏈路的運行方式如下： 　　
  1. Mic 檢測到語(yǔ)音，并將其轉換成電信號。

  2. DSP對音頻信號進(jìn)行編碼，轉換為AMR格式。

  3. DSP將編碼后的ARM語(yǔ)音幀放入MDI音頻隊列中。

  4. MME從MDI音頻隊列提取編碼的ARM語(yǔ)音幀，然后執行一定類(lèi)型的流量控制和緩沖。MDI報頭刪除，傳送到RTP堆棧中。

  5. RTP堆棧添加RTP報頭，構建RTP凈負荷，然后發(fā)送到DFSP。

  6. DFSP觸發(fā)UDP/IP堆棧，添加IP報頭，并傳送到GSM堆棧。

  7. GSM堆棧控制GPRS信令和調度，通過(guò)DSP中的MDI、L1和空中接口將GPRS數據包發(fā)送到基站。
　　下行鏈路的運行方式與上述流程相反，但需要添加抖動(dòng)控制模塊，以調節不可靠的數據包接收時(shí)間。

　　設計局限

　　在運行RTOS的低成本平臺上實(shí)施VoIP over GPRS是非常困難的。智能電話(huà)通常運行開(kāi)放式操作系統，例如Linux、Window CE 或 Symbian OS，而低成本的 i.250 2.5G 平臺則在專(zhuān)有RTOS系統上運行，所需的內存容量較低。坦白地說(shuō)，它的軟件開(kāi)發(fā)支持不及那些開(kāi)放式操作系統。我們可以很容易地在網(wǎng)絡(luò )上找到開(kāi)放式操作系統的技術(shù)論壇和知識中心，進(jìn)行技術(shù)共享。而互聯(lián)網(wǎng)上提供的代碼樣品通常只在開(kāi)放式操作系統上運行，我們不能將這些代碼直接移植到專(zhuān)有RTOS系統上。此外，我們還需要耗費大量精力來(lái)重新編寫(xiě)代碼，以提高內存使用效率，最大程度地縮短代碼，由此增加了編寫(xiě)代碼的難度和時(shí)間。

　　此外，在 i.250 2.5G平臺上的 RTOS系統中，我們使用的多任務(wù)機制與開(kāi)放式操作系統中的多任務(wù)機制是完全不同的。Linux 或Window CE使用“線(xiàn)程”概念來(lái)處理多個(gè)任務(wù)，而專(zhuān)有RTOS則使用“任務(wù)切換”概念。在多線(xiàn)程環(huán)境中，當需要新應用程序時(shí)，用戶(hù)只需創(chuàng )建一個(gè)線(xiàn)程，運行該應用程序的代碼。不同線(xiàn)程同時(shí)運行，各自完成自己的任務(wù)，但彼此能夠看到對方。所有資源共享機制都由操作系統管理。而在任務(wù)切換RTOS機制中，代碼開(kāi)發(fā)人員需要牢記一點(diǎn)：有很多其它任務(wù)也在同時(shí)運行。任務(wù)切換只能在功能進(jìn)入點(diǎn)/退出點(diǎn)或中斷時(shí)進(jìn)行。因此，他們必須將代碼劃分成更小片斷，以防止應用程序長(cháng)期占用資源。在編寫(xiě)嵌入式RTOS系統上的代碼時(shí)，應該使用特殊的技術(shù)。

　　另一個(gè)限制是雙方傳輸的延遲。我們知道，GPRS和互聯(lián)網(wǎng)是為數據傳輸設計的，數據包傳輸路徑是隨意選擇的。不能保證數據包能夠成功地傳送到目的地，并按照發(fā)送端的順序接收。要將收到的數據包重新排列成正確順序，應在接收端實(shí)施抖動(dòng)控制。實(shí)現方式是：將接收到的一些數據包保存在緩沖區中，然后根據它們的時(shí)間戳重新排列序。緩沖區容量越大，抖動(dòng)控制性能就越好。但是，該過(guò)程會(huì )導致音頻路徑的延遲，再加上GPRS和互聯(lián)網(wǎng)的固有延遲，總延遲時(shí)間長(cháng)達幾秒。設計者應當優(yōu)化電話(huà)軟件中的音頻延遲路徑，或者實(shí)施某些類(lèi)型的服務(wù)質(zhì)量控制協(xié)議，以確保質(zhì)量。

　　原型的驗證

　　上述的RTOS系統是在i.250 2.5G 平臺上實(shí)施的。為了進(jìn)行演示，這里的移動(dòng)電話(huà)的IP地址固定不變。圖3介紹了設備設置和連接過(guò)程。



　首先，在接通電源后，用戶(hù)只需按下“**”就能注冊登錄到代理服務(wù)器。代理服務(wù)器維持一個(gè)數據庫，列出所有用戶(hù)名和內容信息。只需通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )將SIP注冊消息發(fā)送到服務(wù)器，即可完成注冊。同時(shí)，電話(huà)軟件激活GPRS連接，獲取GPRS網(wǎng)絡(luò )分配的IP地址，并且打開(kāi)傳輸和接收數據的邏輯路徑。如果不激活GPRS連接，DUT身份對公用網(wǎng)絡(luò )就是不可知的，因而不能接到來(lái)電。代理服務(wù)器只存在于設置過(guò)程。

　　由于代理服務(wù)器被用作中間代理，主叫人應向代理服務(wù)器IP發(fā)送呼叫請求。然后，服務(wù)器將查詢(xún)數據庫，獲得被叫方位置，再將請求轉發(fā)到被叫方。本演示利用兩個(gè)Agilent 8960 ，將GRPS實(shí)驗室應用測試集用作媒介，將 i.250 2.5G 開(kāi)發(fā)板卡 (ADS板卡)連接到互聯(lián)網(wǎng)。ADS板卡在接通電源時(shí)，注冊登錄到GPRS網(wǎng)絡(luò )，測試集然后通過(guò)路由器連接到互聯(lián)網(wǎng)。測試集充當連接到GPRS的DUT的橋梁，讓它們接入互聯(lián)網(wǎng)。一旦GPRS上下文激活，測試集將為ADS分配一個(gè)固定IP地址。此外，在PC上運行的代理服務(wù)器也連接到同一個(gè)路由器。通過(guò)這種安排，確保三個(gè)實(shí)體都能在同一網(wǎng)段內運行。這樣就能對同一個(gè)網(wǎng)段內的分組流量進(jìn)行監控，用于開(kāi)發(fā)目的。

　　按照圖3的設置過(guò)程，2個(gè)i.250 2.5G 開(kāi)發(fā)板之間能夠成功建立VoIP呼叫連接。圖4對詳細的呼叫流程進(jìn)行了介紹。




結語(yǔ)

　　VoIP變得日益普及，通常與以太網(wǎng)或WLAN集成。在本文中，我們介紹了GPRS的使用和優(yōu)勢，并將其與其它無(wú)線(xiàn)技術(shù)進(jìn)行了比較。經(jīng)濟高效的VoIP over GPRS 解決方案的設計會(huì )受到大量限制，包括MIPS和RTOS的局限。但是，通過(guò)VoIP over GPRS 解決方案的詳細設計，我們在低成本的飛思卡爾 i.250 2.5G平臺上建立了概念驗證原型，并在實(shí)驗室進(jìn)行了驗證。

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