Android平台下基于Wi—Fi的可视化VoIP通话系统设计

引言
    随着移动终端设备朝着越来越智能化的方向发展，原本只具备简单通话功能的手机，也开始增加越来越多的服务功能。在移动终端上实现更多的功能，已经成为研发人员的一个新目标之一，这些功能为人们的生活提供着极大的便利，而VoIP技术就是其中的一个重要应用。现如今，VoIP技术已经在计算机上得到了广泛的应用，出现了一大批基于VoIP的应用软件，而随着移动终端逐渐可以方便地接入WLAN，在其上面进行多媒体技术的开发已经成为一个新的热点，尤其是在现如今最热门的Android操作系统上面。随着移动终端的处理能力日益强大，可以实现过去无法进行的复杂视频编解码处理，因此如果进一步结合VoIP技术，实现一个VoIP可视通话系统，这将是一个很好的研究课题，同时也将会有很好的市场前景。

1 系统设计方案和系统结构
1．1 系统设计方案
    本方案所设计的局域网内基于Wi—Fi的可视化VoIP通话系统主要包含了以下功能：
    ①移动终端(如手机、PDA)用户对系统个性化的配置，用户可以根据自己的需求和爱好选择需要的功能；
    ②实现移动终端用户向服务器发出请求并完成注册的功能；
    ③移动终端用户对语音视频数据的采集和编码，并通过RTP(实时传输协议)／RTCP(RTP传输控制协议)进行传输和控制；
    ④OpenSIPS开源服务器完成对会话的控制，包括会话的注册、发起、维护与结束、注销等功能；
    ⑤界面的开发，作为一个应用程序。一个友好的界面是不可或缺的，我们通过它来与用户进行交互。
1．2 系统结构
    系统的总体架构采用了客户端和服务器(C／S)模型，客户端利用自身的Wi—Fi模块接入网络。通过SIP协议与Open SIPS服务器建立会话，在传输层以IP数据包的形式传输语音视频数据。基于Wi—Fi的可视化VoIP通话系统结构如图1所示。

    系统主要由SIP客户终端和OpenSIPS开源服务器两部分组成。客户终端采用Android操作系统的智能手机和平板电脑。客户终端包括了SIP User Agent逻辑实体，并且支持AMR、G．729音频编解码，以及H．263和H．264视频编解码。

2 系统开发中关键技术的研究
2．1 SIP协议
    SIP协议(Session Initiation Protocol，会话发起协议)是由IETF(Internet工程任务组)2001年提出的IP电话信令协议，用于在IP数据网络上建立、改变和结束多媒体会话。SIP能够使用互联网的端点(用户代理)来发现参与者，并且协商它们共享会话的特性，SIP独立运行于底层的通信协议之上，并且不依赖于所建立的会话类型。SIP协议的主要目的是解决IP网中的信令控制，以及同Soft Switch的通信，从而构成下一代的增值业务平台，对电信、银行、金融等行业提供更好的增值业务。
    SIP是一个应用层的控制协议，可以用来建立、修改和终止多媒体会话(或者会议)，例如互联网电话。SIP也可以邀请参与者参加已经存在的会话，例如电话会议。它可以很方便地在一个已经存在的会话中增加(或者删除)媒体。SIP透明地支持名字映射和重定向服务，这些特性用于支持个人移动业务，也就是说用户可以使用一个唯一的外部标识，而无须考虑它们所在的实际网络位置。SIP在建立和终止多媒体通信方面支持了很多的功能。
2．2 Android手机操作系统
    Android是一种以Linux内核为基础、源码开放的手机操作系统。Android系统采用Java语言开发，它内部含有一个Dalvik虚拟机(Dalvik VM)，应用程序运行在Dalvik虚拟机上，而Dalvik虚拟机则运行在Linux内核上。Androld利用JNI实现了Java与C的通信。Android系统的体系结构分为了4层：
    ①Linux内核层，是硬件和应用软件之间的抽象层，提供硬件抽象功能，提供安全机制、内存管理、进程管理、网络协议堆栈和驱动程序等；
    ②中间件层，包括函数库和Androld运行时，其中函数库主要提供一组基于C／C++的函数库，Android运行时包括核心库和Dalvik虚拟机；
    ③应用程序框架层，采用Java语言实现，它提供了Androld平台基本的管理功能和组件重用机制；
    ④应用程序层，提供贴近用户的Android应用功能程序，包括闹钟、记事本、通讯录、电子邮件客户端、浏览器和日历等。
2．3 OpenSIPS服务器的介绍和配置
    OpenSIPS是一个成熟的开源SIP服务器，它除了提供基本的SIP代理及SIP路由功能外，还提供了一些应用级的功能。OpenSIPS的结构非常灵活，其核心路由功能完全通过脚本来实现，可灵活定制各种路由策略，方便地应用于语音视频通信、IM以及Presencce等。同时OpenSIPS是目前性能最高的SIP服务器之一，可用于电信级产品构建。OpenSIPS凭借其可扩展、模块化的系统架构提供了一个高度灵活的、用户可配置的路由引擎，可以为voice、video、IM和presence等服务提供强大高效的路由、鉴权、NAT、网关协议转化等功能。由于其稳定高效等特点，OpenSIPS已经被诸多电信运营商应用在自己的网络体系中。
    本系统中，我们对OpenSIPS进行了基本的配置，主要是通过配置文件opensips．cfg来实现的。该配置文件主要分为三个部分：
    ①第一部分主要是全局变量的设置，通过“Listen=udp：192．168．1．100：5060”语句来指定用于侦听接收sip消息的端口和传输层协议；
    ②第二部分主要是加载模块，并设置模块的相应参数；
    ③第三部分主要是路由的策略和功能应用。
    通过一些简单的配置，我们就能够确保服务器端正常工作，为客户端与服务器之间的通信提供了保障。完成配置后，我们在超级终端上应用openserctl start和openserctl stop命令开启和关闭OpenSIPS服务器。

3 系统客户端的设计
3．1 客户端软件设计的体系架构
    可视化VoIP通话系统客户端的设计是基于Android平台来实现的，Android是完全免费开放的移动设备平台，这给系统的开发提供了有利的条件。为了提高系统的可扩展性和可移植性，根据Android的系统架构，本设计的可视化VoIP通话系统软件架构如图2所示。

    我们将客户端软件架构分成了UI层、Engine层、SIP层和网络传输层4个部分，各层主要实现的功能如下：
    ①UI层。主要负责界面显示模块和界面事件的传递。
    ②Engine层。这一层是软件的核心处理层，它启动各种服务、初始化软件参数、处理各种UI事件、维持配置文件信息和保存全局属性变量。其中包括UserAgenProfile(用户配置文件属性)，UserAgent(用户事件处理)，VoIPEngine(核心处理中所有的UI事件、参数设计、服务
的启动都由此文件调度)，以及RegisterAgent(注册服务处理)。
    ③SIP层。提供所有的SIP消息模型，所有SIP消息的处理流程，包括发送、接收、封装、解码等等。
    ④网络传输层。提供音频、视频信息的处理，此模块对音频、视频进行即时编解码，同时发送数据。
3．2 客户端软件主要功能模块的实现
3．2．1 通话功能模块的实现
    通话功能是系统的核心模块，该模块负责实现通话的整个流程，包括了注册服务器、会话的发起和接收以及会话的结束。通话模块的流程如图3所示。

    首先，客户端软件进行系统资源以及配置文件的初始化。初始化工作完成后，从主线程里创建一个SIP消息监听线程。该线程用来监听和处理SIP消息，创建子线程成功后，主线程向服务器发起注册请求，待客户端注册成功后即可发起和接收会话进行语音、视频通信，会话结束后，伴随着Activity的结束。在此过程中，主线程发出了一个结束信号给SIP消息监听线程，SIP消息监听线程收到这个结束信号后调用finish()方法退出，等待用户的下一次呼叫操作。
3．2．2 媒体流管理模块的实现
    在本系统中，媒体流管理模块用来实现通话过程中音视频的实时采集、编码和播放功能，为了便于系统的调用，设计中实现了几个主要的功能函数StartMediaStream()、StopMediaStream()、InitMediaChannel()，分别完成开启音视频操作、关闭音视频操作、媒体流通道的初始化。为了具体实现媒体流的管理功能，系统需要向下调用RTP／RTCP库、音视频编解码、采集播放等接口。使用RTP／RTCP协议是目前解决流媒体实时传输问题的最好办法，RTP负责流媒体数据的发送和接收，而RTCP负责提供数据分发质量反馈信息。
    对于编解码库的加载，系统中采用了JNI技术实现了底层C／C++与上层Java的通信，具体的函数语句如下：
    static{
        System．loadLibrary(“Mediacodec”)；
    }
    其中，Mediacodec是视频编解码动态链接库的名称，源文件为Mediacodec．so，通过以上方法，我们实现了底层和上层应用之间的通信。

4 封装与测试
    为了能够在Android操作系统的智能手机和平板电脑上面方便地移植和使用该系统，在实现了各模块的功能后，还需将上面所有的模块进行封装。Android SDK本身就提供了一些很有用的工具。由于本文的重点环节不在于Android SDK上，所以我们采用集成开发工具——集成在Eclipse中的ADT插件来对整个系统进行封装。在工程libs(如果不存在则新建)目录下新建一个名为armeabi的目录，将Eclipse中编译生成的．so库文件放到该目录下。ADT在封装资源时会自动将该库文件封装到apk文件中，apk是Android手机操作系统中应用程序的封装形式，在所有Android平台中均能使用。将封装后的apk包安装到Android手机、PDA或虚拟机中。
    系统测试环境由OpenSIPS服务器和安装有可视化VoIP通话软件的移动终端组成。测试结果表明，系统运行稳定，性能良好，通话过程中无明显回音，图像清晰流畅，语音和视频能够保持同步。由于本系统运行在局域网内，通话延迟基本为零，充分满足了可视化VoIP通话系统的要求。

结语
    本文中所设计的可视化VoIP通话系统属于无线局域网领域的应用。系统在无线局域网内具有信令处理稳定、通话无时延、视频清晰流畅、语音视频同步性高等优点，在实际应用中具有潜在的市场价值。但本系统仍然有许多的不足之处，比如说信令不够完善、服务过于单一等缺点。