VoWLAN设计面临的挑战及解决方案分析

随着VoWLAN质量标准草案的完善和WLAN热点的增多，市场研究公司Infonetics Research预计，全球VoWLAN的使用率预计将从当前的6%增加到2006年8月的27%，无线VoIP手机是主要的市场推动力。目前，欧、美、日等国是无线VoIP的主要市场，中国网通在三年前就已经启动了VoWLAN商用试验网络系统的研究和产品测试工作，随着技术问题的逐步解决，VoWLAN市场的启动指日可待。

对于中国通信设备制造商来说，抓住机遇切入VoWLAN市场，迫切需要掌握先进的VoWLAN开发平台，以加快无线VoIP产品的开发步伐。本文介绍飞思卡尔面向无线VoIP应用的VoWLAN开发平台技术，包括下列两个方面的内容：1. 无线VoIP电话设计面临的挑战和需要解决的问题；2. Freescale无线VoIP电话整体方案。

图1：VoWLAN的系统架构简图。

VoWLAN设计面临的主要挑战

无线VoIP利用WLAN实现端到端话音在IP上的传输。随着无线VoIP技术的发展，移动电话与VoWLAN无缝融合的前景正越来越清晰地展现在人们面前。用户在利用支持无线VoIP的移动电话进行语音通信的过程中，若进入办公室等公司WLAN覆盖范围内时，可以自动从移动电话网络无缝切换至基于公司WLAN的VoIP服务，反之亦然。图1所示为VoWLAN应用的系统架构图。

目前，在移动语音与数据服务市场上，移动运营商仍占据着近乎垄断的地位。但是，随着全球Wi-Fi无线热点数量的增加和移动WiMAX等新技术的问世，VoWLAN电话将逐渐具备与现行移动电话服务抗衡的能力，让用户能够畅游在基于国际互联网的企业网络、住宅宽带网络和公用Wi-Fi网络之间，从而对VoIP潜在技术和市场形成重大影响。

在VoWLAN应用中，除了物理层、接入层和网络层面临的挑战之外，VoWLAN手机主要面临3大技术障碍：1. 形状因数，包括设备的大小和重量，必须与目前的无绳电话协调一致，但是价格可能更高一点，因为WLAN提供更多的应用和可能性；2.在WLAN环境中，语音通信的服务质量（QoS）和数据传输的安全性问题；3.功耗必须足够低以高效率地实现两次充电之间的长运行时间。

图2：飞思卡尔VoWLAN开发平台。

随着WiFi标准的改善，以及802.11芯片体积不断减小而功能不断扩充，QoS、外形尺寸和安全性问题已经迎刃而解，VoWLAN电话系统的可行性正在逐渐提升。而用户普遍关心的耗电量问题，通过解码器和时序的优化设计，也可以很好地解决。

目前有两种操作模式，能在802.11 WLAN中实现良好的省电时序，这两种模式分别是混合控制功能（HCF）控制的通道存取（HCF Controlled Channel Access， HCCA）及增强分散式通道存取（EDCA）。这两种模式都在IEEE 802.11e标准的QoS中做了规定，而两者皆可用于开发中的省电传输方法。

此外，利用先进的IC技术，进一步提高集成度，并综合采用智能软件进行功率管理和开发高能电池等措施，将使未来芯片解决方案满足VoWLAN手机的需求。

VoIP全面解决方案

飞思卡尔提供面向无线和VoIP基础设施应用的解决方案。目前VoIP主要在企业应用，但随着提供集成化企业通信方案的桌面IP电话的生产商不断增多，再加上住宅宽带视频电话的应用，VoIP获得了新的发展动力。首先是与无线热点对接的无线IP电话应用；此外SIP功能加上GSM/3G手机，使802.11与GSM/3G网络共存；在某些边远地区，基于网格（Mesh）网络的SIP电话已开始取代PSTN或GSM网络，这些新的发展，使以往以音频为主的VoIP，逐渐发展至音视频V2IP（Video and Voice over-IP）平台的综合解决方案。

图3： VoWLAN开发系统的构成。

飞思卡尔的VeriCall Edge是完整的集成V2IP平台，它通过i.MX21多媒体处理器实现，所支持的音视频格式和功能包括H.263、MPEG4、JPEG、音频编解码、镜像、缩放和旋转等。凭借VeriCall Edge，开发人员能够获得构建VoIP边缘设备和手机的功能，能在短短数月内开发出一种全新的V2IP有线或无线设备。

飞思卡尔提供的VoIP方案覆盖了从VoIP基础设施到VoIP电话的所有应用，面对现在VoWLAN市场即将大规模启动的前夜，开发商迫切需要一个能够让用户快速开发VoWLAN手机的开发平台。

VoWLAN开发平台

为了配合VoWLAN手机的开发，飞思卡尔推出了VoWLAN参考板（AMOS评估板），其硬件组成部分如图2所示。它的用途是作为VoWLAN手机软件的开发平台，用户只要连接一个RS-232兼容端口、BDM连接器和一台电源，就可以构成完整功能的VoWLAN手机软件开发系统。

其中，MCF5249器件是专用于VoWLAN电话的ColdFire系列处理器之一。ColdFire系列单片机MCF5249带有增强型乘加运算单元（eMAC）的ColdFire V2内核为核心，同时结合了增强型时序处理单元（eTPU）和10/100以太网多媒体存取控制模块（MAC）的单片机。读者可以访问“ColdFire单片机在uCLinux上的应用在线座谈”的记录（http://bbs.chinaecnet.com/dispbbs.asp？boardID=3&RootID=46738&ID=46738），从中了解更多中国工程师与飞思卡尔专家针对ColdFire单片机在uClinux上应用的问答。

图4：VoWLAN电话软件设计的整个框架。

飞思卡尔通过授权分销商中国电子器材公司提供VoWLAN手机的全套硬件参考板，包括完成的时钟、以太网、存储器、语音、WLAN和MCF5249的线路图以及诊断电路图，并提供完整的VoWLAN参考板用户手册，使开发商能够将快速进入VoWLAN产品的开发。

VoWLAN参考板上的802.11b模块采用市场上可以购买到的现成产品，针对于需要在VoIP电话部分进行软件设计的开发商。AMOS开发平台基于uClinux环境，UClinux中的uC是微控制器的意思，它被设计专用于MMUless MCU的开发。由于其源代码完全免费，关于uClinux的更多信息，可以访问http://www.uclinux.org和http://www.ucdot.org。

选用飞思卡尔的AMOS开发平台，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，从而为用户提供了更多的MCU选择性和产品移植的可能性。

在开发之前，需要采用Colilo（COldfire LInux Loader）为基于ColdFire的嵌入式系统加载一段启动程序，并需要修改硬件配置以将MCF5249C3移植到AMOS板。图3所示为基于AMOS VoWLAN开发系统的构成。根据上述系统，开发商就可以进行移植设计，开发完整的VoWLAN电话产品。

VoWLAN移动终端不仅仅是VoIP和WLAN的简单叠加，还需要基于WLAN基础设施解决QoS、无缝漫游、安全等诸多问题。飞思卡尔由于具备从高端到低端VoIP完整的产品线，选择其VoWLAN方案，有助于获得经过用户体验的QoS、增强的安全性、可靠和易操作的网络。

获取第三方SIP协议栈

市面上常见的VoIP通讯协议有3种，分别是H.323、MGCP与SIP（Session Initiation Protocol）通讯协议。由于SIP协议采用易于读写的文本格式，因而获得了广泛的应用。

在VoWLAN电话设计过程中，用户可以选用标准的WLAN卡，因此，开发过程只要是根据芯片商现有的硬件参考设计及原厂提供的操作系统和协议栈（可能需要付费），针对自己设计中选择的不同外围器件进行移植性开发。采用现成协议的好处是节省开发时间，缩短产品上市时间，但是，这种做法存在的问题是终端产品开发商不能对SIP协议栈进行修改，产品的升级换代受制于SIP协议开发商。

对于终端设备制造商来说，自主开发SIP协议栈面临的挑战问题在于：SIP互操作性问题还没有最终确定，改进工作仍在持续进行之中，IETF还在不断地开发和升级SIP相关的草案。

针对不断变化的标准，欲从事SIP协议开发就不得不持续跟踪标准的变化并积极参与各种IETF工作组的活动，以获取数以百计的草案并升级SIP标准。此外，为了跟进SIP标准的变化，还需要安排专门的工程师负责修改和增强协议，这对大多电话制造商来说几乎是不可行的。因此，终端设备制造商应尽可能购买商用的、由第三方或芯片原厂提供的SIP协议栈，这样就可以将精力集中在终端产品的差异化和功能设计上，从而加快产品上市的步伐。

设计的流程

基于飞思卡尔的VoWLAN开发平台，用户完成硬件移植性设计之后，要完成的软件工作包括：

AMOS开发平台上，飞思卡尔采用的是BENQ生产的WLAN卡设计的。用户在做移植性设计的过程中，如果需要选用其它品牌的标准WLAN卡，就需要安装相应的WLAN驱动程序，才能实现完整的VoWLAN电话功能。

根据成本目标，选择单片机芯片及其配套外围芯片。一般来说，单片机选定之后，程序闪存和RAM对成本影响较大。UcLinux操作系统大概要占用1.6M的闪存，开发商应针对电话功能需求上的差异，压缩程序存储空间的大小。一般有两种做法，第一是对程序进行压缩；二是仔细减少多线程程序设计的存储器开销。

计工程师需要对SIP协议栈有充分的了解，以便针对实际设计，修改呼叫控制的设置参数。图4所示为软件设计的整个框架。AMOS平台采用了Radvision公司的SIP协议栈，其特点是适合于高性能、嵌入式和紧凑型SIP应用。而配备的SIP工具套件则支持SDP、SIP和RTP/RTCP协议，因而给用户开发应用程序提供了更多的灵活性。

目前国际成立了SIP代工这样一个开放源软件社群，就是为了促进针对VoIP电话SIP协议栈的开发。此外，国际上还有一个关于SIP的论坛组织（www.sipforum.org），他们的资源有助于工程师快速掌握开发过程需要的SIP相关知识。

除了上述软件设计，要根据需求对用户界面进行重新设计，包括：按键、显示器。对于需要显示实时图像的产品，还需要对操作系统及SIP协议栈作出修改。

通过软件设计工作，利用飞思卡尔的VoWLAN开发平台及调试工具，并在飞思卡尔授权分销商的软件和硬件技术支持下，就能够开发出来基于Coldfire单片机的、功能完善的VoWLAN产品。

针对VoWLAN电话对电源供电时间敏感的特点，AMOS开发平台提供了先进的电源管理设计功能，容许用户在软件设计中控制存储器的自动刷新/自刷新、编解码器工作模式及无线芯片组的工作模式。

此外，需要指出的是，Coldfire属于针对低成本VoWLAN电话设计的单片机，由于某些语音编码器如G.723和G.729消耗的MIP数太高，该开发平台容许将程序的代码和数据段放在ColdFire5249放在内部SRAM中，从而帮助终端设备制造商进一步降低节省单片机的成本。

本文小结

随着宽带基础设施的不断完善、VoIP电话的普及和WLAN热点的增多，发展VoWLAN可谓水到渠成。未来的发展趋势是互联网的VoWLAN与移动网的手机融合，它给消费者以全新的漫游体验，语音、数据和视频都有机会在VoWLAN这个平台上走向融合，更进一步将是传统的固网与移动网的融合。因此，尽早掌握VoWLAN平台的开发环境及工作，借以掌握ucLinux和SIP协议栈，对于今后企业的发展至关重要。

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