原创 面向NGN的无线多媒体智能通信终端及其应用

  1 引言

　　目前通信网络的发展遵循着这样一个趋势，即由传统的面向语音传输的单一业务网向着新一代的面向数据、语音、视频的综合业务网演进。传统的语音通信网是在电话网的基础上建立的，虽然经历了多年的数字化改进，出现了面向数据传输的DDN（Digital Data Network）技术，面向综合业务的B-ISDN技术以及高速的数字接入技术，但整个网络的结构特征依然没有改变，其交换方式仍以电路交换为主，而其复杂的信令体系使网络控制高度集中化，缺乏灵活性，这些特征对于实现包括数据，多媒体信息在内的综合业务来说都是不利的因素。为了解决这个问题，业界提出了下一代网络（NGN：Next Generation Network）的概念，其核心思想是业务驱动，即媒体与传输分离，传输与控制分离，它并不要求物理层面上实现电视网，电信网和计算机网的结合，而是在高层业务上实现三网的融合，为语音，数据，视频等各种业务在三网上的传输提供一个统一开放的平台。在这种情况下，传统的高度集中化的网络控制思想是不可行的，新的网络体系结构要求进一步简化网络的控制功能以实现平台的统一，这就要求终端的智能化，即采用新一代的智能终端来取代传统的包括语音电话、电视在内的哑终端。智能化的终端具有强大的计算处理能力，能够完成应用层面各种通信协议。智能化的通信终端和传统的哑终端相比，其软硬件结构的设计都要复杂的多，但通信的灵活性和协议得可扩展性却强得多。

　　本文给出了一种多媒体智能通信终端的实现方案，它采用嵌入式Linux操作系统，基于IEEE 802.11b无线局域网接入技术，遵循TCP/IP协议，支持IP v6和移动IP v6，支持符合SIP及ITU-T H.323标准的多媒体通信业务。该终端具备很强的灵活性和扩展性，可以支持未来的无线通信网络技术和未来的新型多媒体会话协议。

　　2 智能移动终端的技术框架

　　2.1 硬件体系结构

　　智能化、无线通信能力、易携带性和移动性是终端设备发展的趋势，这得益于集成电路技术、软件开发技术和无线通信技术的快速发展。具备无线通信能力的智能移动终端可以极大的方便人类的生活，使得任何人（Who）可以在任何时间（When）、任何地点（Where）与任何对象（Whom）进行文字、声音甚至视频（How）的通信，从而实现人类通信技术长久以来的目标。目前，典型的智能移动终端包括笔记本电脑，智能手机设备（Smart Phone）和具备无线通信能力的个人数字助理（PDA: Personal Digital Assistant）等。在硬件体系上，智能终端设备拥有核心处理器（CPU）、存储器（Memory）、外围设备和网络通信能力，相当于超微型的计算机设备。

　　2.2 嵌入式操作系统

　　嵌入式操作系统运行在智能终端设备上，向用户应用提供任务调度、设备管理、内存及其他资源分配等基本功能。随着终端设备计算能力的提高，运行在其上的操作系统能力已经接近通用的主流操作系统。主流的通用嵌入式操作系统有2大阵营，即Windows CE系列（含Pocket PC）和嵌入式Linux。相对于Windows CE系列，嵌入式Linux系统具备以下的特点：（a）Linux具备更灵活的可裁减性，用户可以依照需要自行对Linux系统进行裁减，这对于在功能、可靠性、体积、成本和功耗方面有严格要求的专用终端系统来说是一个非常重要的特点。而Windows CE系列缺乏定制能力。（b）Linux的源码是完全公开的，使得开发者可以有效地得到因特网中庞大的开放源代码资源，降低整个系统的开发难度，开发成本和开发周期。（c）Linux具备强大的网络支持功能，在众多开发者和维护着的努力下，Linux几乎支持当前流行的所有网络通信协议，包括TCP/IP，IPX，AppleTalk和Bluetooth。（d）Linux是GNU授权的自由软件，用户使用Linux不需要支付任何费用，从而降低系统开发成本。

　目前，国际上有数以百计的嵌入式Linux开发计划，它们面向不同的应用场景。本文的实现方案也选用了Linux作为嵌入式操作系统。

　　2.3 智能终端的移动多媒体通信

　　缺乏通信能力的终端只能为用户提供有限的计算和存储服务，而终端一旦具备移动通信能力，它就可能接入覆盖全球的互联网络，从而联络其他用户，访问互联网上数以千万计的公司、企业、大学、图书馆等资源，衍生出复杂的服务类型。目前，移动通信能力包括各种无线接入手段，如无线局域网（WLAN），蓝牙，GSM/GPRS，CDMA和未来的3G网络。智能终端增加不同的无线通信模块，就可以接入不同的无线网络。

　　本文的实现方案采用了经由无线局域网IEEE 802.11b接入互联网的方式。IEEE 802.11b无线局域网工作在2.4G的ISM频段，采用扩频调制技术进行数据通信。IEEE 802.11b的媒体接入控制协议（MAC）原理类似于以太网络，采用载波侦听的方式来控制网络中信息的传送，区别是以太网采用的是CSMA/CD（载波侦听/冲突检测）技术，而IEEE 802.11b无线局域网则引进了冲突避免技术。IEEE 802.11b无线局域网在发射功率为100mW时，传输距离为100米左右。IEEE 802.11b最高可以提供11Mbps的数字传输速率，可以满足H.323或SIP的话音通信需求。

　　H.323和SIP是目前主流的多媒体的会话协议，二者都需要智能的终端设备支持，在某种程度上，H.323和SIP体现了NGN和软交换的思想，即基于简化和统一网络结构，而采用具有复杂计算和控制能力作为未来网络的终端设备，因此文中提出的基于智能终端设备的IP语音传送技术是面向未来NGN框架的。

　　3 系统实现

　　本文提出一种智能终端多媒体通信的实现方案，它采用高性能PDA作为移动终端，以嵌入式Linux为操作系统，通过无线局域网接入互联网，基于H.323协议实现IP语音和多媒体业务。

　　3.1 硬件，操作系统和软件架构

　　系统的核心部件是各种嵌入式处理器，它的选择根据实际情况决定。常用的嵌入式处理器包括ARM、MIPS以及M68000等，目前，Linux对以上提到的处理器都支持。其次，网络接口的实现也是一个重要的因素，一般的解决方案包括采用现有的802.11芯片或通过通用的总线与802.11无线网卡相连接等。存储系统、音视频设备以及用户输入设备则是一般嵌入式系统的基本组成部分，它们的实现主要取决于用户的需求，应用环境，开发成本和周期等因素了。智能终端可以完全定制，可以采用通用的高性能可扩展的PDA。操作系统采用嵌入式Linux，经过适当裁剪以适合嵌入式应用。网络协议支持IP v4和IP v6，网络的编程采用通用的套接字接口。

　　无线网络的选择可以根据当地的网络条件和应用需求而决定。本文选择IEEE802.11b无线局域网。通信应用层软件包括互联网浏览、文件传输、语音通信和视频通信等。智能终端的H.323或SIP（会话初始化协议）属于应用层软件，它运行在嵌入式操作系统上，通过访问网络设备和声音设备，实现"软"VoIP终端功能。通信应用的软件实现使得系统具备更好的灵活性和可扩展性，即在系统硬件不做任何改动的条件下，用户不仅可以实现目前流行的多媒体通信协议如SIP或H.323协议栈，也可以根据特殊的需要自行开发合适的通信协议，或者支持任何将来可能出现的通信协议。这是智能终端最大的特点，也是NGN业务驱动特征的体现。

　3.2 典型应用场景

　　典型的智能终端应用的场景如图1所示。图中智能终端接入IEEE 802.11b无线网络，连接到IP网络。H.323网关连接IP网络和PSTN网。从PSTN来的呼叫被H.323网关受理，把其中的话音流转换成IP数据包经过IP网络传到智能终端；同时受理智能终端的呼叫，转向PSTN目的终端(电话)。智能终端也可以和其他的计算机或者智能终端通信，或者访问Internet网络的服务器。

　　3.3 实际方案

　　在实际实现中，我们采用了HP公司的iPAQ系列PDA作为硬件平台，采用Linux（内核版本2.4.18）作为操作系统，在应用层实现了H.323协议栈，并基于触摸屏实现了友好的用户界面。具体的硬件配置参数列表如下：

　　测试网络环境包含数个无线接入点，交换机，H.323网守和网关等，并连接到PSTN网和INTERNET。在搭建的测试环境上，我们进行了以下的测试：1. 通过智能终端上的H.323 VoIP客户端软件与PSTN的电话进行语音通信；2. 通过智能终端上的H.323 VoIP客户端软件与局域网的计算机进行话音通信；3. PSTN网络的电话呼叫移动智能终端并进行话音通信；4. 移动智能终端访问局域网及Internet的网络资源，包括Web浏览和文件传送。测试结果表明智能终端可以在移动的条件下和PSTN网络的固定电话(或IP网的计算机终端)进行相互间的话音呼叫和通信，话音质量较好，性能稳定，可以达到实际应用的要求，并且在语音通信期间，智能终端可以浏览互联网网页，传送文件。

　　若需要支持SIP协议，本文的终端仅需要安装支持SIP协议的应用层软件。网络中需要增加支持SIP的网关/代理等设备。

　　4 结束语

　　本文阐述和分析了NGN概念和核心思想，认为随着NGN和软交换技术的推进，网络将为语音、数据和视频等业务提供统一开放的平台，具有复杂计算能力的智能终端设备将取得传统的哑终端，成为未来NGN网络终端的主流。随后本文分析了面向NGN的智能移动终端涉及的技术，包括硬件体系、操作系统、应用层软件和网络接入方式，并给出了一种基于嵌入式Linux操作系统和无线局域网接入的，支持H.323协议和SIP协议的智能终端方案的实际实现。在可预见的将来，具有复杂计算能力和无线通信能力的终端设备，将支持丰富的网络应用，具有难以估量的产业机会和商业前景。