VoWLAN設計面臨的挑戰(zhàn)及解決方案分析

隨著VoWLAN質(zhì)量標準草案的完善和WLAN熱點的增多，市場研究公司Infonetics Research預計，全球VoWLAN的使用率預計將從當前的6%增加到2006年8月的27%，無線VoIP手機是主要的市場推動力。目前，歐、美、日等國是無線VoIP的主要市場，中國網(wǎng)通在三年前就已經(jīng)啟動了VoWLAN商用試驗網(wǎng)絡系統(tǒng)的研究和產(chǎn)品測試工作，隨著技術(shù)問題的逐步解決，VoWLAN市場的啟動指日可待。

對于中國通信設備制造商來說，抓住機遇切入VoWLAN市場，迫切需要掌握先進的VoWLAN開發(fā)平臺，以加快無線VoIP產(chǎn)品的開發(fā)步伐。本文介紹飛思卡爾面向無線VoIP應用的VoWLAN開發(fā)平臺技術(shù)，包括下列兩個方面的內(nèi)容：1. 無線VoIP電話設計面臨的挑戰(zhàn)和需要解決的問題；2. Freescale無線VoIP電話整體方案。

圖1：VoWLAN的系統(tǒng)架構(gòu)簡圖。

VoWLAN設計面臨的主要挑戰(zhàn)

無線VoIP利用WLAN實現(xiàn)端到端話音在IP上的傳輸。隨著無線VoIP技術(shù)的發(fā)展，移動電話與VoWLAN無縫融合的前景正越來越清晰地展現(xiàn)在人們面前。用戶在利用支持無線VoIP的移動電話進行語音通信的過程中，若進入辦公室等公司W(wǎng)LAN覆蓋范圍內(nèi)時，可以自動從移動電話網(wǎng)絡無縫切換至基于公司W(wǎng)LAN的VoIP服務，反之亦然。圖1所示為VoWLAN應用的系統(tǒng)架構(gòu)圖。

目前，在移動語音與數(shù)據(jù)服務市場上，移動運營商仍占據(jù)著近乎壟斷的地位。但是，隨著全球Wi-Fi無線熱點數(shù)量的增加和移動WiMAX等新技術(shù)的問世，VoWLAN電話將逐漸具備與現(xiàn)行移動電話服務抗衡的能力，讓用戶能夠暢游在基于國際互聯(lián)網(wǎng)的企業(yè)網(wǎng)絡、住宅寬帶網(wǎng)絡和公用Wi-Fi網(wǎng)絡之間，從而對VoIP潛在技術(shù)和市場形成重大影響。

在VoWLAN應用中，除了物理層、接入層和網(wǎng)絡層面臨的挑戰(zhàn)之外，VoWLAN手機主要面臨3大技術(shù)障礙：1. 形狀因數(shù)，包括設備的大小和重量，必須與目前的無繩電話協(xié)調(diào)一致，但是價格可能更高一點，因為WLAN提供更多的應用和可能性；2.在WLAN環(huán)境中，語音通信的服務質(zhì)量（QoS）和數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩詥栴}；3.功耗必須足夠低以高效率地實現(xiàn)兩次充電之間的長運行時間。

圖2：飛思卡爾VoWLAN開發(fā)平臺。

隨著WiFi標準的改善，以及802.11芯片體積不斷減小而功能不斷擴充，QoS、外形尺寸和安全性問題已經(jīng)迎刃而解，VoWLAN電話系統(tǒng)的可行性正在逐漸提升。而用戶普遍關(guān)心的耗電量問題，通過解碼器和時序的優(yōu)化設計，也可以很好地解決。

目前有兩種操作模式，能在802.11 WLAN中實現(xiàn)良好的省電時序，這兩種模式分別是混合控制功能（HCF）控制的通道存?。℉CF Controlled Channel Access， HCCA）及增強分散式通道存?。‥DCA）。這兩種模式都在IEEE 802.11e標準的QoS中做了規(guī)定，而兩者皆可用于開發(fā)中的省電傳輸方法。

此外，利用先進的IC技術(shù)，進一步提高集成度，并綜合采用智能軟件進行功率管理和開發(fā)高能電池等措施，將使未來芯片解決方案滿足VoWLAN手機的需求。

VoIP全面解決方案

飛思卡爾提供面向無線和VoIP基礎設施應用的解決方案。目前VoIP主要在企業(yè)應用，但隨著提供集成化企業(yè)通信方案的桌面IP電話的生產(chǎn)商不斷增多，再加上住宅寬帶視頻電話的應用，VoIP獲得了新的發(fā)展動力。首先是與無線熱點對接的無線IP電話應用；此外SIP功能加上GSM/3G手機，使802.11與GSM/3G網(wǎng)絡共存；在某些邊遠地區(qū)，基于網(wǎng)格（Mesh）網(wǎng)絡的SIP電話已開始取代PSTN或GSM網(wǎng)絡，這些新的發(fā)展，使以往以音頻為主的VoIP，逐漸發(fā)展至音視頻V2IP（Video and Voice over-IP）平臺的綜合解決方案。

圖3： VoWLAN開發(fā)系統(tǒng)的構(gòu)成。

飛思卡爾的VeriCall Edge是完整的集成V2IP平臺，它通過i.MX21多媒體處理器實現(xiàn)，所支持的音視頻格式和功能包括H.263、MPEG4、JPEG、音頻編解碼、鏡像、縮放和旋轉(zhuǎn)等。憑借VeriCall Edge，開發(fā)人員能夠獲得構(gòu)建VoIP邊緣設備和手機的功能，能在短短數(shù)月內(nèi)開發(fā)出一種全新的V2IP有線或無線設備。

飛思卡爾提供的VoIP方案覆蓋了從VoIP基礎設施到VoIP電話的所有應用，面對現(xiàn)在VoWLAN市場即將大規(guī)模啟動的前夜，開發(fā)商迫切需要一個能夠讓用戶快速開發(fā)VoWLAN手機的開發(fā)平臺。

VoWLAN開發(fā)平臺

為了配合VoWLAN手機的開發(fā)，飛思卡爾推出了VoWLAN參考板（AMOS評估板），其硬件組成部分如圖2所示。它的用途是作為VoWLAN手機軟件的開發(fā)平臺，用戶只要連接一個RS-232兼容端口、BDM連接器和一臺電源，就可以構(gòu)成完整功能的VoWLAN手機軟件開發(fā)系統(tǒng)。

其中，MCF5249器件是專用于VoWLAN電話的ColdFire系列處理器之一。ColdFire系列單片機MCF5249帶有增強型乘加運算單元（eMAC）的ColdFire V2內(nèi)核為核心，同時結(jié)合了增強型時序處理單元（eTPU）和10/100以太網(wǎng)多媒體存取控制模塊（MAC）的單片機。讀者可以訪問“ColdFire單片機在uCLinux上的應用在線座談”的記錄（http://bbs.chinaecnet.com/dispbbs.asp？boardID=3&RootID=46738&ID=46738），從中了解更多中國工程師與飛思卡爾專家針對ColdFire單片機在uClinux上應用的問答。

圖4：VoWLAN電話軟件設計的整個框架。

飛思卡爾通過授權(quán)分銷商中國電子器材公司提供VoWLAN手機的全套硬件參考板，包括完成的時鐘、以太網(wǎng)、存儲器、語音、WLAN和MCF5249的線路圖以及診斷電路圖，并提供完整的VoWLAN參考板用戶手冊，使開發(fā)商能夠?qū)⒖焖龠M入VoWLAN產(chǎn)品的開發(fā)。

VoWLAN參考板上的802.11b模塊采用市場上可以購買到的現(xiàn)成產(chǎn)品，針對于需要在VoIP電話部分進行軟件設計的開發(fā)商。AMOS開發(fā)平臺基于uClinux環(huán)境，UClinux中的uC是微控制器的意思，它被設計專用于MMUless MCU的開發(fā)。由于其源代碼完全免費，關(guān)于uClinux的更多信息，可以訪問http://www.uclinux.org和http://www.ucdot.org。

選用飛思卡爾的AMOS開發(fā)平臺，可以支持的MCU包括：M68328/M68EN322/MC68360；DragonBall:68EZ328/68VZ328；ColdFire:5272/5249/5307；ARM7；ETRAX；Intel i960；PRISMA等等，從而為用戶提供了更多的MCU選擇性和產(chǎn)品移植的可能性。

在開發(fā)之前，需要采用Colilo（COldfire LInux Loader）為基于ColdFire的嵌入式系統(tǒng)加載一段啟動程序，并需要修改硬件配置以將MCF5249C3移植到AMOS板。圖3所示為基于AMOS VoWLAN開發(fā)系統(tǒng)的構(gòu)成。根據(jù)上述系統(tǒng)，開發(fā)商就可以進行移植設計，開發(fā)完整的VoWLAN電話產(chǎn)品。

VoWLAN移動終端不僅僅是VoIP和WLAN的簡單疊加，還需要基于WLAN基礎設施解決QoS、無縫漫游、安全等諸多問題。飛思卡爾由于具備從高端到低端VoIP完整的產(chǎn)品線，選擇其VoWLAN方案，有助于獲得經(jīng)過用戶體驗的QoS、增強的安全性、可靠和易操作的網(wǎng)絡。

獲取第三方SIP協(xié)議棧

市面上常見的VoIP通訊協(xié)議有3種，分別是H.323、MGCP與SIP（Session Initiation Protocol）通訊協(xié)議。由于SIP協(xié)議采用易于讀寫的文本格式，因而獲得了廣泛的應用。

在VoWLAN電話設計過程中，用戶可以選用標準的WLAN卡，因此，開發(fā)過程只要是根據(jù)芯片商現(xiàn)有的硬件參考設計及原廠提供的操作系統(tǒng)和協(xié)議棧（可能需要付費），針對自己設計中選擇的不同外圍器件進行移植性開發(fā)。采用現(xiàn)成協(xié)議的好處是節(jié)省開發(fā)時間，縮短產(chǎn)品上市時間，但是，這種做法存在的問題是終端產(chǎn)品開發(fā)商不能對SIP協(xié)議棧進行修改，產(chǎn)品的升級換代受制于SIP協(xié)議開發(fā)商。

對于終端設備制造商來說，自主開發(fā)SIP協(xié)議棧面臨的挑戰(zhàn)問題在于：SIP互操作性問題還沒有最終確定，改進工作仍在持續(xù)進行之中，IETF還在不斷地開發(fā)和升級SIP相關(guān)的草案。

針對不斷變化的標準，欲從事SIP協(xié)議開發(fā)就不得不持續(xù)跟蹤標準的變化并積極參與各種IETF工作組的活動，以獲取數(shù)以百計的草案并升級SIP標準。此外，為了跟進SIP標準的變化，還需要安排專門的工程師負責修改和增強協(xié)議，這對大多電話制造商來說幾乎是不可行的。因此，終端設備制造商應盡可能購買商用的、由第三方或芯片原廠提供的SIP協(xié)議棧，這樣就可以將精力集中在終端產(chǎn)品的差異化和功能設計上，從而加快產(chǎn)品上市的步伐。

設計的流程

基于飛思卡爾的VoWLAN開發(fā)平臺，用戶完成硬件移植性設計之后，要完成的軟件工作包括：

AMOS開發(fā)平臺上，飛思卡爾采用的是BENQ生產(chǎn)的WLAN卡設計的。用戶在做移植性設計的過程中，如果需要選用其它品牌的標準WLAN卡，就需要安裝相應的WLAN驅(qū)動程序，才能實現(xiàn)完整的VoWLAN電話功能。

根據(jù)成本目標，選擇單片機芯片及其配套外圍芯片。一般來說，單片機選定之后，程序閃存和RAM對成本影響較大。UcLinux操作系統(tǒng)大概要占用1.6M的閃存，開發(fā)商應針對電話功能需求上的差異，壓縮程序存儲空間的大小。一般有兩種做法，第一是對程序進行壓縮；二是仔細減少多線程程序設計的存儲器開銷。

計工程師需要對SIP協(xié)議棧有充分的了解，以便針對實際設計，修改呼叫控制的設置參數(shù)。圖4所示為軟件設計的整個框架。AMOS平臺采用了Radvision公司的SIP協(xié)議棧，其特點是適合于高性能、嵌入式和緊湊型SIP應用。而配備的SIP工具套件則支持SDP、SIP和RTP/RTCP協(xié)議，因而給用戶開發(fā)應用程序提供了更多的靈活性。

目前國際成立了SIP代工這樣一個開放源軟件社群，就是為了促進針對VoIP電話SIP協(xié)議棧的開發(fā)。此外，國際上還有一個關(guān)于SIP的論壇組織（www.sipforum.org），他們的資源有助于工程師快速掌握開發(fā)過程需要的SIP相關(guān)知識。

除了上述軟件設計，要根據(jù)需求對用戶界面進行重新設計，包括：按鍵、顯示器。對于需要顯示實時圖像的產(chǎn)品，還需要對操作系統(tǒng)及SIP協(xié)議棧作出修改。

通過軟件設計工作，利用飛思卡爾的VoWLAN開發(fā)平臺及調(diào)試工具，并在飛思卡爾授權(quán)分銷商的軟件和硬件技術(shù)支持下，就能夠開發(fā)出來基于Coldfire單片機的、功能完善的VoWLAN產(chǎn)品。

針對VoWLAN電話對電源供電時間敏感的特點，AMOS開發(fā)平臺提供了先進的電源管理設計功能，容許用戶在軟件設計中控制存儲器的自動刷新/自刷新、編解碼器工作模式及無線芯片組的工作模式。

此外，需要指出的是，Coldfire屬于針對低成本VoWLAN電話設計的單片機，由于某些語音編碼器如G.723和G.729消耗的MIP數(shù)太高，該開發(fā)平臺容許將程序的代碼和數(shù)據(jù)段放在ColdFire5249放在內(nèi)部SRAM中，從而幫助終端設備制造商進一步降低節(jié)省單片機的成本。

本文小結(jié)

隨著寬帶基礎設施的不斷完善、VoIP電話的普及和WLAN熱點的增多，發(fā)展VoWLAN可謂水到渠成。未來的發(fā)展趨勢是互聯(lián)網(wǎng)的VoWLAN與移動網(wǎng)的手機融合，它給消費者以全新的漫游體驗，語音、數(shù)據(jù)和視頻都有機會在VoWLAN這個平臺上走向融合，更進一步將是傳統(tǒng)的固網(wǎng)與移動網(wǎng)的融合。因此，盡早掌握VoWLAN平臺的開發(fā)環(huán)境及工作，借以掌握ucLinux和SIP協(xié)議棧，對于今后企業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。

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