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GPRS網絡的附加業(yè)務：VoIP over GPRS

2008/04/07

　　導言

　　近年來，IP語音(VoIP)變得越來越普及。與傳統(tǒng)的匯接解決方案相比，VoIP能夠降低初始部署成本和長途費用。互聯(lián)網工程任務組(IETF)制定的會話發(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)網行業(yè)的很大努力，適用于互聯(lián)網會議、電話、在線狀態(tài)、事件通知和即時信息處理。過去，人們無法以合理的低成本來實施這些附加功能，但現(xiàn)在使用會話發(fā)起協(xié)議(SIP)，只需向對方發(fā)送一些數據包，然后建立一個具有所需功能的會話，即可實現(xiàn)這些功能。因而，相對于傳統(tǒng)電話網絡來說，VoIP具備了一些優(yōu)勢。

　　接下來，人們可能會提出如何連接互聯(lián)網的問題。無線局域網(WLAN)是一種可行方法。無線局域網提供了一定的移動性，用戶能在WLAN接入點的附近區(qū)域內移動，從而實現(xiàn)VoIP over WiFi應用。但是，由于WLAN屬于局域網，只限于室內應用，一旦用戶離開接入點的覆蓋范圍，VoIP呼叫就會掉線。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 是提供移動性的兩種可能解決方案。WiMax是城域網，覆蓋范圍長達數英里。但是，它需要引入802.16e標準，才能支持移動。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的技術，尚未確定最終標準。幾家公司提供的現(xiàn)有芯片組沒有遵循一定的標準，因而無法進行互操作。此外，這種芯片組的成本也比較高。因此，VoIP over WiMax可能是未來的發(fā)展趨勢，但就目前而言，這種技術還沒有推廣。

　　相反，GPRS現(xiàn)在已經成為最常見的無線數據業(yè)務，在幾乎所有GSM網絡上部署。它通過互聯(lián)網協(xié)議(IP)接入互聯(lián)網網關。其吞吐速率高達40KB/秒，用戶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。目前，全球有1/5以上的人口使用GSM技術，截至2006年3月中旬，GSM用戶人數超過17億，占據全球手機市場的77%左右。GSM的滲透率如此之高，使得GPRS成為連接互聯(lián)網、提供VoIP業(yè)務的合適物理移動媒介。

　　早期模擬表明，在GSM網絡中，VoIP over GPRS比電路切換語音的容量更大。在本文中，我們將重點介紹VoIP over GPRS在運行實時操作系統(tǒng)(RTOS)的低成本GSM移動電話上的實施。我們還將介紹VoIP over GPRS的系統(tǒng)和架構，以及它的設計局限。接下來，我們將介紹在飛思卡爾i.250 2.5G 平臺上實施的概念驗證原型。

　　概況

　　IP語音(VoIP)是利用IP網絡來傳送語音信息的一系列新技術。在發(fā)送端，語音首先進行數字化、壓縮、打包，然后通過IP網絡，將這些數據包發(fā)送到目的地。一旦在遠端收到這些語音數據包，它們就會被記錄、解壓，然后重新生成語音。由于IP網絡的帶寬遠高于傳統(tǒng)的固話匯接網絡，VoIP的呼叫費用也遠低于傳統(tǒng)呼叫。然而，IP網絡最初設計用于傳輸非實時數據，因此，對于VoIP而言，如何實時傳輸語音服務，確保語音服務質量就成為一種挑戰(zhàn)。隨著IP技術和寬帶互聯(lián)網業(yè)務的發(fā)展，這些問題已經部分地得到解決，VoIP進入實際應用階段。ITU(國際電信聯(lián)盟)和IETF(互聯(lián)網工程任務組)是制定VoIP協(xié)議的兩個主要標準機構，負責確保VoIP的更好質量和互操作性。

　　與非實時通信不同，VoIP要求對等方在實際語音傳輸之前建立會話。會話的功能包括：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)來實施呼叫控制功能。就簡單性而言，SIP優(yōu)于H.323，因此這個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)議包括兩個選項：H.323 和SIP。H.323只能通過TCP接入IP網絡，而SIP可以同時通過TCP或UDP接入IP網絡。綠色方塊表示支持實時語音會話的媒介引擎和IP協(xié)議。黃色方塊表示用于數據包傳輸的MAC/PHY層。我們的重點將放在 SIP、 RTP、 RTCP、 UDP、 TCP、 IP和 GPRS上。



　　會話發(fā)起協(xié)議(SIP)是一種信令協(xié)議，用于初始化、管理和終止分組網絡之間的語音和視頻會話。與HTTP 或SMTP類似，SIP也屬于文本編碼，具有很強的可擴展性。SIP能夠進行擴展，以支持各種功能和服務，例如移動服務、與現(xiàn)有電話系統(tǒng)的互操作。SIP網絡包括5類邏輯實體。每類實體都具有特定功能，作為客戶端(發(fā)起請求)或服務器(響應請求)參與SIP通信，或者同時以兩種身份參與通信。這5類實體是：用戶代理、代理服務器、重定向服務器、注冊服務器和背靠背用戶代理(B2BUA)。VoIP電話應該是用戶代理，因為它是端點實體。

　　注意，在呼叫過程中，SIP不參與語音/視頻編碼/解碼，而只是為語音/視頻談話建立/終止一次會話。一旦建立會話，語音就由適當類型的編解碼器(如GSM AMR)進行編碼，然后在RTP/UDP/IP中打包。在這里，RTP代表Real Time Protocol(實時協(xié)議)，UDP代表User Datagram Protocol(用戶數據報協(xié)議)，IP代表Internet Protocol(互聯(lián)網協(xié)議)。如需了解更多信息，請咨詢IETF。

　　該協(xié)議的公布名稱為RFC3261。所有SIP消息分為3個部分： 　　所有SIP消息的開頭都是起始行。起始行說明了消息類型(在請求情況下，消息為方法類型，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(xiàn)多次，或者也可能在一個報頭中提供多個值，以逗號分隔。

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

　　一旦在網絡上建立會話，實時語音數據就會通過RTP/RTCP、UDP 和 IP發(fā)送。 這些協(xié)議分別在RFC 3550、768和 791 中進行了定義。

　　RFC 3550指定了為具有實時特征的數據(例如互動音頻和視頻)提供端到端傳送服務的實時傳輸協(xié)議(RTP)。這些服務包括：凈負荷類型識別、順序編號、時間戳和傳送監(jiān)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。注意，RTP本身不提供任何機制來確保實時傳送，也不提供其它服務質量保證，而是依靠較低層的服務來實現(xiàn)這些目標。它不能保證傳送和防止無序傳送，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(guī)定，RTP控制協(xié)議(RTCP)應該監(jiān)控服務質量，并傳輸關于當前會話參與者的信息。

　　UDP (RFC768) 代表用戶數據報協(xié)議(User Datagram Protocol)，假定使用互聯(lián)網協(xié)議作為底層協(xié)議。該協(xié)議為應用程序提供了一個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)網協(xié)議(RFC791、IPv4)實施兩種基本功能：尋址和分割。IP使用報頭中的地址，將互聯(lián)網數據報傳送到目的地。選擇傳輸路徑的過程稱為路由。當需要通過“小數據包”網絡傳輸時，它還使用報頭中的字段，對互聯(lián)網數據報進行分割和重組。此外，這些IP模塊(特別是網關中的模塊)擁有執(zhí)行路由決策和其它功能的程序。

　　互聯(lián)網協(xié)議將互聯(lián)網數據報當作一個獨立實體處理，與其它任何互聯(lián)網數據報無關。沒有連接或邏輯電路。在提供服務時，它使用四種主要機制：服務類型、生存時間、選項、報頭校驗和。



　　“MOS”列為“Mean Opinion Score”(主觀平均得分)，用于度量語音質量。得分越高，表明質量越好。

　　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，我們實施的GSM-AMR主要用于演示用途，因為現(xiàn)有平臺支持AMR 編解碼器，并且已經采用了DSP代碼。

　　系統(tǒng)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VoIP over GPRS系統(tǒng)的核心控制部分。它包含了一個狀態(tài)機，用于控制不同模塊流和初始化流程。通過人機界面 (MMI)通信，用戶能夠向對等實體發(fā)出VoIP呼叫。



　　網絡傳輸服務提供商目前對用戶是透明的。

　　網絡傳輸引擎包括：RTP/RTCP堆棧、SIP堆棧、抖動控制堆棧等。SIP負責包括呼叫建立程序的呼叫控制協(xié)議。RTP/RTCP堆棧是實時流協(xié)議和實時流控制協(xié)議，通過網絡傳送實時數據。

　　抖動控制堆棧負責處理網絡延遲，確保接收數據包的正確順序。

　　多媒體引擎(MME)經過修改，用于管理VoIP的全雙工語音信道。

　　網絡傳輸的數據流通過數據流服務提供商(DFSP)傳輸到GSM堆棧。在該堆棧中，子網相關收斂協(xié)議(SNDCP)處理分組交換數據。

　　藍色方塊表示現(xiàn)有平臺的新應用，包括網絡傳輸協(xié)議、核心控制VoIP應用。由于支持GPRS功能的每部移動電話都應該帶有TCP/UDP IP堆棧，因而只需重復使用現(xiàn)有堆棧，而無需重新實施。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，一個為ARM7 MCU，另一個為Onyx-lite DSP。GPRS L1活動和語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，在一個運行ARM7的平臺上實現(xiàn) VoIP over GPRS功能。與此相反，一些現(xiàn)有解決方案通常需要至少一個ARM9 ，甚至ARM11 MCU。

　　MDI是MCU DSP接口，可以實現(xiàn)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 檢測到語音，并將其轉換成電信號。

  2. DSP對音頻信號進行編碼，轉換為AMR格式。

  3. DSP將編碼后的ARM語音幀放入MDI音頻隊列中。

  4. MME從MDI音頻隊列提取編碼的ARM語音幀，然后執(zhí)行一定類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�？刂艷PRS信令和調度，通過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，但需要添加抖動控制模塊，以調節(jié)不可靠的數據包接收時間。

　　設計局限

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

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

　　另一個限制是雙方傳輸的延遲。我們知道，GPRS和互聯(lián)網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，應在接收端實施抖動控制。實現(xiàn)方式是：將接收到的一些數據包保存在緩沖區(qū)中，然后根據它們的時間戳重新排列序。緩沖區(qū)容量越大，抖動控制性能就越好。但是，該過程會導致音頻路徑的延遲，再加上GPRS和互聯(lián)網的固有延遲，總延遲時間長達幾秒。設計者應當優(yōu)化電話軟件中的音頻延遲路徑，或者實施某些類型的服務質量控制協(xié)議，以確保質量。

　　原型的驗證

　　上述的RTOS系統(tǒng)是在i.250 2.5G 平臺上實施的。為了進行演示，這里的移動電話的IP地址固定不變。圖3介紹了設備設置和連接過程。



　首先，在接通電源后，用戶只需按下“**”就能注冊登錄到代理服務器。代理服務器維持一個數據庫，列出所有用戶名和內容信息。只需通過GPRS網絡將SIP注冊消息發(fā)送到服務器，即可完成注冊。同時，電話軟件激活GPRS連接，獲取GPRS網絡分配的IP地址，并且打開傳輸和接收數據的邏輯路徑。如果不激活GPRS連接，DUT身份對公用網絡就是不可知的，因而不能接到來電。代理服務器只存在于設置過程。

　　由于代理服務器被用作中間代理，主叫人應向代理服務器IP發(fā)送呼叫請求。然后，服務器將查詢數據庫，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Agilent 8960 ，將GRPS實驗室應用測試集用作媒介，將 i.250 2.5G 開發(fā)板卡 (ADS板卡)連接到互聯(lián)網。ADS板卡在接通電源時，注冊登錄到GPRS網絡，測試集然后通過路由器連接到互聯(lián)網。測試集充當連接到GPRS的DUT的橋梁，讓它們接入互聯(lián)網。一旦GPRS上下文激活，測試集將為ADS分配一個固定IP地址。此外，在PC上運行的代理服務器也連接到同一個路由器。通過這種安排，確保三個實體都能在同一網段內運行。這樣就能對同一個網段內的分組流量進行監(jiān)控，用于開發(fā)目的。

　　按照圖3的設置過程，2個i.250 2.5G 開發(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行了介紹。




結語

　　VoIP變得日益普及，通常與以太網或WLAN集成。在本文中，我們介紹了GPRS的使用和優(yōu)勢，并將其與其它無線技術進行了比較。經濟高效的VoIP over GPRS 解決方案的設計會受到大量限制，包括MIPS和RTOS的局限。但是，通過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，并在實驗室進行了驗證。

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