专注SIP通讯产品与方案

网络媒体话机终端系统的设计与应用

   从用户目前拥有的网络终端构成分析,最为普及的是电话机和电视机,还有近几年发展迅速的PC,三网终端各司其职,提供不同的服务应用体验。在网络通信与传播实现全面数字化的背景下,IP电话、机顶盒等智能终端相继问世,但从终端的演进策略思考,特别需要一种既能发挥三网资源融合优势,又符合功能配置灵活,操作应用简便的类PC终端。

   网络媒体话机终端的发明,是对于三网传统意义上终端单一应用功能这一定位的革命性的超越,其精华在于把语音、数据和视频业务融合为一体的融合通信模式的引入。网络媒体话机终端集互联网、多媒体、通信等多种技术于一体,其目标市场首先是国内的普通住宅家庭,用户只需沿袭传统的拨号操作,在实现PSTNVoIP通信的同时,可外接电视机提供数字电视、IPTV、互动VOD和媒体消息等服务,特别是它还能通过外接摄像头和移动硬盘,支持可视通信和数字内容下载。除家庭应用外,通过改变应用模式,还可提供统一消息(UMS)、多方语音/视频通信、媒体呼叫中心、在线电子商务等其它融合通信商用服务。

一、功能规划

网络媒体话机终端的功能目标是支持跨网的融合通信服务应用,应具备通信交互和媒体展现能力,并具备较强的网络信息处理能力,终端在保证对三网传统终端功能继承的基础上,还要通过对关键应用支持能力的创新向用户提供前所未有的新型融合通信业务体验,系统功能规划的典型特征如下:

•信息处理方式的融合——支持传统电话机升级换代,取代“单个业务专用终端”的方式

•通用的拨号呼叫机制——顺从传统电信业务运营逻辑、降低用户对新业务的使用门槛
   
•多重网络的接口适配——适应现有网络接入环境,方便实现单机即插即用
   
•双向的信息互动交流——提供人与人,以及与内容的多方互动,便于细分应用市场

•变革内容的提供方式——终端成为内容的潜在提供节点,符合大众传播的交互模型

随着融合通信应用的范围越来越广泛,终端系统的功能也将越来越复杂。概括而言,网络媒体话机终端应具备的基本功能包括:

•操作功能:PSTN拨号呼叫、IP号码映射呼叫、“热键”呼叫
   
•话机功能:PSTN/IP电话功能,外设扩展支持可视电话应用
   
•媒体功能:匹配电视机/音响支持VOD/IP-TV等流媒体服务,扩展支持数字内容下载
•消息功能:匹配电视机/音响支持语音、文本、媒体消息呈现
   
•通信协议:POTS、SIP
   
•媒体格式:支持H.264兼容MPEG-4、MPEG-2、MP3
   
•互通模式:域标识控制支持UMS、3GPP
   
•网页HTTP、HTML、cookie、Java
   
•支持DVB、扩展支持HDTV

•扩展支持:室内无线电话提供遥控功能、DSL/Cabll-Modern转接、WebCall、P2P

二、系统设计

网络媒体话机终端系统将跨网语音、数据、视频融合业务的交互和通信过程,以及交互信息、控制、状态等等统一抽象成为基于融合通信的消息体封装,并提供规范的业务与技术接口,按照统一的号码解析进行消息体在不同客户融合型网络媒体话机终端间的实现转换和交互,同时完成终端与融合通信中心平台间的资讯访问和通信,通信提供通信协议和音视频编解码的技术应用模型。

基本设计思路:以嵌入式处理器利用嵌入式软件实现音视频编解码,使用高性能的嵌入式处理器实现各种功能接口、操作系统和通信控制协议等,选择增加通信处理器实现不同网络多重接入介质的适配、软件实现PSTN-Call、IP-Call和WebCall等基于号码映射的融合通信业务创建、终端以融合通信技术实现对三网融合、3G互通、UMS、P2P等相关业务的应用支持,并利用无线Home RF技术实现终端室内子母机和遥控操作功能。

网络媒体话机终端系统的开发首先应选择高效的操作系统,因为每添加一项新功能都可能需要从头开始设计,否则只能增加开发成本和系统的复杂度。通常系统开发的精力都集中在对单一功能或基本业务的应用领域,嵌入式的最大特点是可以突出个性,嵌入式操作系统引入到网络媒体话机终端设计中,能够对系统的开发产生极大的推动作用。嵌入式操作系统可以通过其所提供的各种API来对嵌入式系统进行有效的管理。常用到的嵌入式操作系统有OS/2、Linux等。基于嵌入式系统开发的类PC终端不仅只有单纯的语音和视频功能,它将融合更多的业务应用。CPU和DSP技术正日益融合为SoC,其间的界限越来越模糊。一系列技术难题也已得到突破,网络媒体话机终端作为类PC终端,采用嵌入式处理器最明显的优势就是可以方便集成到系统设备中,以适应融合通信技术的不断创新和发展的应用需要。

网络媒体话机终端的核心能力是对高质量音频和视频处理的支持,以提高用户体验。融合通信要求网络媒体话机终端支持H.264视频和宽带音频(AMR-WB、G.729x等),嵌入式处理器有很强的处理能力,性能和效率都得到了提升,凸显以下特点:增加存储子系统,考虑系统实时性,优化系统软件,SoC能把视频加速器和IP核集成在一起,可以有效地、完成网络媒体话机终端系统的VoIP编解码(G.711.G.729)、音频处理(AC-3)、语音质量提升及H.264的视频处理、软件优化和视频的编解码硬件加速。采用嵌入式系统令融合通信增值服务的终端实现成为可能。

三、集成框架

网络媒体话机终端的核心技术涉及语音、音频/视频压缩、编解码技术等相关网络通信和媒体协议。框架接口负责用户人机界面功能及信令交互,功能模块完成终端的相关应用与增值功能。

1.核心技术

•语音编码技术:ITU-T的G.72X系列语音压缩标准。
   
•视频编码技术:MPEG2、MPEG4、H.264视频压缩算法
   
•网络通信协议:OSIP2通信控制协议

•数字电视协议:DVB数字电视公开标准

2.框架接口(图1)

网络媒体话机终端将数字机顶盒与IP话机的相关功能集中为一体、基本框架接口包括:

•呼叫映射方式的UMS和媒体业务交互操作

•对于LAN/PSTN/HFC网络的IP接入支持

•对于电视机/音响的接入支持

•对于终端子母机室内无线的连接支持

•对于USB标准下摄像头/移动硬盘等PC外设的接入支持。

网络媒体话机终端还通过设置业务属性控制域标识,由功能框架接口提供融合通信应用业务属性分配控制管理支持、“热键”WebCall(网页呼叫)业务生成优化、数字电视有条件接收、对等网络技术应用与控制等。

基于业务应用的终端功能框架接口可依据宽带互联网、电话网和数字电视网的“终端+服务”应用模式和成品性价比,形成满足融合通信业务多层次应用需求和用户体验的网络媒体话机终端系列产品。依据其应用模式可分为:

•普通配置网络媒体话机终端+基本应用服务

•高端配置网络媒体话机终端+融合应用服务

•业务定制网络媒体话机终端+差异化应用服务

3.功能模块

融合通信的业务实现意味着“一个终端,一个号码,一个账单,一致的业务体验”,直接源于持续和非持续两种范式的融合在信息技术体系的每一层(从物理层到应用层)的体现,本质上是用户需求驱动下的一种业务变化,从平台通信、网络计算、消费电子的“3C融合”,到语音、数据、视频服务的“三网融合”,以及开放和闭合网络环境的融合和网络信息技术范式的融合,都已经开始发生并深刻地影响终端技术和设备的发展。

网络媒体话机终端配合融合通信服务应用系统主要完成以下功能:统一呼叫控制功能、媒体网关接入功能、综合业务提供功能、跨网互连互通功能、开放的业务/应用接口功能、支持认证与授权功能、计费功能、资源访问控制功能和QoS管理功能、协议和接口功能等。基于框架接口设计的网络媒体话机终端系统可选功能配置结构模块包括:

•PSTN电话+DSL通信转接模块

•VoIP电话+WebCall业务功能模块

•融合通信业务属性控制功能模块

•UMS业务功能模块

•有线电视+CableModem通信转接模块

•数字电视调谐+有条件接收解码模块

•互动电视+音视频编解码模块

•对等网络技术应用与控制模块

•WAN/LAN+系统外设接口功能模块

•室内无线子母机功能模块

功能模块由嵌入式处理器、嵌入式操作系统、应用程序支持,实现基本的软硬件功能,含简单拨号操作的PSTN号码(含IP映射SIP呼叫)、VoIP通信,MPEG/H.264流媒体通信和LCD来电/信息显示;网络接人部分(含10/100Mbp以太网接口、DSL通信转接接口或CableModem通信转接接口)、USB接口,拨号键盘(含业务创建“热键”)等由TCP/IP协议堆栈、CODEC协议堆栈软件支持。

4.系统集成

在明确网络媒体话机终端系统功能开发的基本设计要点后,重要工作就是将各个独立的功能模块集成,系统基本功能结构可以概括为视频输入/输出单元、视频编解码器、语音输入/输出单元、语音编解码器、延时单元、数据处理单元(可选)、系统控制单元、多媒体数据复用/解复用单元和网络接口单元。软件可以分为应用程序模块、协议控制模块、音频编解码模块、视频编解码模块等几部分。应用程序模块完成终端的用户人机界面功能及相关增值功能,协议控制模块负责信令交互等功能。在系统功能集成设计中,各功能模块数据流必须在接收侧取得关联性和同步。

网络媒体话机终端定义为基于嵌入式系统的融合通信终端产品。嵌入式系统的可选方案有:固定功能芯片集/IP内核、通用可编程CPU处理主机或本地信号以及可编程面向通信的DSP。

由于嵌入式系统是软硬件高度结合的系统,需要根据硬件配置条件针对软件系统定制一个开发平台。利用嵌入式解决方案开发平台的操作软件系统创建向导,可开发出满足各种不同需求的系统功能、新建映象文件并将其下载到开发电路板中固化。

四、系统实现

为简化系统解决方案的实现,网络媒体话机终端采用高度优化和集成的嵌入式系统平台,以获得更低功耗、更小体积和总体更低的系统成本,并快速集成到最终的产品方案中。基于嵌入式系统和嵌入式应用软件集成的灵活架构内,提供必要的媒体处理算法以及基于呼叫通信的控制,可在终端开发时专注于开发终端上的业务应用。SIP呼叫控制、用户接口和一般的电话控制应用都在这个应用处理器上完成,同时利用嵌入式系统软件框架配置和管理基于嵌入式处理器硬件的视频加速模块来控制MPEG或H.264视频流。其它任务用‘C’实现。将媒体处理和呼叫控制/系统管理合并到单个应用处理器可以进一步简化设计,减少器件数量、成本和体积。另外,合并后还可以取消VoIP媒体处理和系统控制原本所需的各项单独开发工作和单独开发工具链,可以使用内含通用处理器和专用视频协处理器或DSP的系统级嵌入式芯片(SoC)。

1.硬件开发

嵌入式系统由嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件等几大部分组成。考虑到最终产品的生产成本、实现的难易程度、市场推广、产品的升级更新等因素,具体实施网络媒体话机终端系统的硬件方案,建议使用高速数字信号处理芯片利用嵌入式软件实现音视频编解码,采用外围电路处理芯片实现SIP协议、嵌入式OS及框架接口、嵌入式操作系统和传输控制协议等,并通过简单的程序下载实现软件升级或增加新的业务应用功能。

2.软件开发

在终端系统硬件设计完成后,需要编写代码实现各个功能模块,最终实现整个系统集成。嵌入式OS采用开源的μC/OS-II内核,硬件驱动模块主要是基于外围电路处理芯片介于硬件和μC/OS-II内核之间的软件接口,为特定的硬件响应定义好编程接口从而操作硬件。这两大模块的技术目前已相当成熟,可直接选用芯片解决方案开发软件包,采用G.711/729/723.1实现音频编解码,采用MPEG或H.264实现视频编码和SIP协议栈等核心技术。

3.产品开发

   网络媒体话机终端的设计与开发始终贯穿着资源和计算能力共享的理念,基于嵌入式系统架构的应用处理器增强了系统的处理能力。通过优化的“嵌入式操作系统”指令,可以将针对融合通信业务具体应用的特定功能任务交给嵌入式应用软件的功能中间件来完成。终端产品正是基于系统设计的基本概念及功能结构模块抽象模型,依据融合通信业务的实现逻辑开发的。最终产品可根据融合通信业务的应用特点,选用不同处理能力的嵌入式系统架构。通过修改嵌入式操作系统和借助中间件嵌入应用软件开发获得网络媒体话机终端的系列化功能配置产品。

   网络媒体话机终端系统设计与应用的开发集成方案,具有多功能、低成本、易普及、高可靠性等突出优点,不仅先期投入低,而且后续功能开发费用小,具有最小的总拥有成本(TCO)。同时,,嵌入式系统架构也可以用更短的时间和最小的风险开发出商用产品。基于终端实现三网融合,是一项涉及产业链重组的创新性工作,目前业内只有一些概念性的设计,尚无具体的成功范例。因此,本文所研究的内容具有一定的开拓价值,相关知识产权已申请专利保护。我国目前固定电话和电视机的拥有量均已超过4亿台,数字电视整体转换和3G建设也在规模推进,网络媒体话机终端对于潜力巨大的固网/3G互通和数字高清电视等市场具有广泛的发展前景。