一種具有多跳功能的無線VoIP終端設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的工廠生產(chǎn)線調(diào)度系統(tǒng)通信都是通過有線電話實(shí)現(xiàn)的。這種有線連接方式存在著無法滿足移動(dòng)通信需求，線纜設(shè)施易受損，且布設(shè)和維護(hù)成本高等諸多問題?；贗EEE 802.11協(xié)議的無線局域網(wǎng)接入技術(shù)擁有廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)，具有傳輸速率快，覆蓋范圍廣等突出優(yōu)勢(shì)，可以很好地解決這些問題。

為了能在基于IEEE 802.11協(xié)議的無線局域網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)語音通信目的，必須采用無線VoIP(Voice overIP)技術(shù)。考慮到一般工廠的通信范圍為l km左右，目前采用基于IEEE 802.11的技術(shù)，在空曠地帶的傳輸距離只有大約200 m，因此考慮采用多跳的方式增加通信的覆蓋范圍。本文提出了一種基于IEEE 802.11協(xié)議的無線VoIP終端設(shè)計(jì)方案，并通過在嵌入式終端上實(shí)現(xiàn)Ad Hoc路由協(xié)議AODV(Ad hoc On-demand Distance Vector，按需距離矢量路由協(xié)議)，使終端具有了多跳通話功能。

1 相關(guān)技術(shù)及協(xié)議

1.1VoIP

VoIP是利用IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)語音通信的一種先進(jìn)通信手段，是基于IP網(wǎng)絡(luò)的語音傳輸技術(shù)。其基本原理是利用電話網(wǎng)關(guān)服務(wù)器之類的設(shè)備將電話語音數(shù)字化，將數(shù)據(jù)壓縮后打包成數(shù)據(jù)包，然后把這些語音數(shù)據(jù)按IP等相關(guān)協(xié)議進(jìn)行打包并通過IP網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)包傳輸?shù)侥康牡?，目的地收到這一串?dāng)?shù)據(jù)包后，將數(shù)據(jù)重組、解壓縮后再還原成原來的語音信號(hào)，這樣就達(dá)到了通過網(wǎng)絡(luò)傳送語音的目的。

采用VoIP技術(shù)進(jìn)行語音傳輸?shù)淖畲髢?yōu)勢(shì)在于能夠以報(bào)文的形式傳遞音頻數(shù)據(jù)，不占用固定信道，并且采用了先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，以降低數(shù)據(jù)量，可以將傳統(tǒng)的64 Kb／s語音信號(hào)壓縮成6～8 Kb／s，從而有效地節(jié)省了帶寬，同時(shí)由于不需要單獨(dú)建立通信網(wǎng)絡(luò)，大大降低了通信費(fèi)用。

1.2 IEEE 802.11無線技術(shù)

IEEE 802.11是由IEEE定義的無線網(wǎng)絡(luò)通信工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，目前主流的IEEE 802.11協(xié)議主要有IEEE 802.11a，IEEE 802.11b和IEEE 802.11g。IEEE 802.1la工作于5 GHz頻段，使用正交頻分復(fù)用(OFDM)調(diào)制技術(shù)作為傳輸方案，支持6～54 Mb／s的傳輸速率，802.11a的優(yōu)勢(shì)在于傳輸速率快(最高達(dá)54 Mb／s)且干擾少，但價(jià)格相對(duì)較高。IEEE 802.11b工作于2.4 GHz頻段，使用補(bǔ)碼鍵控(CCK)調(diào)制和直序列調(diào)頻(DSSS)技術(shù)，支持1～11 Mb／s的傳輸速率，802.11b的優(yōu)勢(shì)在于價(jià)格低廉，但速率較低(最高為11 Mb／s)。IEEE 802.11g構(gòu)建在已有的IEEE 802.11b物理層與介質(zhì)訪問控制層標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，同樣選擇2.4 GHz作為工作頻段，由于采用了OFDM調(diào)制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)最高54 Mb／s的傳輸數(shù)率。由于其仍然工作在2.4 GHz頻段，并且保留了IEEE 802.11b所采用的CCK技術(shù)，可與IEEE 802.11b的產(chǎn)品保持兼容。

1.3 AODV路由協(xié)議

AODV是一種基于距離矢量的按需路由算法，是專為移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的路由協(xié)議，它的處理過程簡(jiǎn)單，路由開銷以及存儲(chǔ)開銷都較小，能對(duì)鏈路狀態(tài)的變化做出快速反應(yīng)，并通過在控制報(bào)文中引入序列號(hào)，確保在任何時(shí)候都不會(huì)形成路由環(huán)。由于AODV路由協(xié)議性能優(yōu)越，且實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低，被IETF(InternetEngineering Task Force)的MANET工作組認(rèn)為是無線自組網(wǎng)最好的候選路由協(xié)議之一。因此，本設(shè)計(jì)采用AODV作為路由協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方案。

2 終端硬件設(shè)計(jì)

終端的硬件架構(gòu)如圖1所示，采用英飛凌公司的高速率ADM5120嵌入式微處理器作為主要器件，同時(shí)在終端集成了存儲(chǔ)器模塊、語音處理模塊、FXS連接模塊、IEEE 802.11b／g無線模塊等共同構(gòu)建終端的硬件平臺(tái)。


(1)處理器ADM5120

ADM5120是一種基于MIPS構(gòu)架的高度集成、高度靈活的SoC處理器，內(nèi)置了MIPS 32內(nèi)核，工作主頻最高可達(dá)175 MHz，內(nèi)部集成了8 KB指令緩存和8 KB數(shù)據(jù)緩存，對(duì)外提供8／16位的LOCAL BUS(支持標(biāo)準(zhǔn)的ROM／FLASH接口)、32位的SDRAM接口，1路UART接口。ADM5120內(nèi)部還集成了1個(gè)Switch引擎、5路10／100 Mb／s的PHY芯片，可對(duì)外提供5個(gè)10／100 Mb／s的以太網(wǎng)接口。ADM5120是終端通信控制和管理的核心，主要用于完成操作系統(tǒng)的運(yùn)行、資源的管理和分配、與各個(gè)模塊的接口和通信等功能。

(2)語音處理模塊

采用了高性能的DSP(VINETIC-2CPE)，具有很強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理能力。用于完成處理模擬電話信號(hào)，語音壓縮包，并提供實(shí)時(shí)壓縮包的緩沖，自適應(yīng)回聲抵消，靜音檢測(cè)，DTMF信號(hào)產(chǎn)生、譯碼等功能，且不需要另外的存儲(chǔ)單元。

(3)FXS連接模塊

終端通過一個(gè)帶有DC／DC轉(zhuǎn)換功能的SLIC-DC芯片連接模擬電話線路。通信過程中，模擬話音信號(hào)通過RJ-11電話接口經(jīng)SLIC和CODEC電路轉(zhuǎn)換后，將產(chǎn)生的PCM流送到語音處理模塊中進(jìn)行處理。SLIC即用戶線接口電路，主要完成用戶狀態(tài)檢測(cè)和語音信號(hào)輸入輸出。它能夠檢測(cè)電話為掛機(jī)狀態(tài)還是摘機(jī)狀態(tài)，并產(chǎn)生高電壓驅(qū)動(dòng)振鈴。CODEC(編解碼電路)由ADC與DAC電路構(gòu)成。ADC將模擬電話中的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為可通過’VoIP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)。DAC將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電平，以驅(qū)動(dòng)模擬電話。

(4)IEEE 802.11b／g無線模塊

IEEE 802.11b／g無線模塊實(shí)現(xiàn)空中無線接口，完成無線局域網(wǎng)的接入功能。終端提供一個(gè)MiniPCI接口，采用的是美國(guó)Atheros公司AR2413芯片組的無線網(wǎng)卡WMIA-165G，支持IEEE 802.11b／g標(biāo)準(zhǔn)，可提供54 Mb／s高速無線連接。

3 終端軟件設(shè)計(jì)

終端采用了主流的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，Linux具有源碼開放，穩(wěn)定性與安全性較高，移植和擴(kuò)展能力較好的特點(diǎn)。如圖2所示，采用模塊化的設(shè)計(jì)思想對(duì)終端軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。


硬件驅(qū)動(dòng)層：主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)IEEE 802.11b／g無線模塊、DSP芯片、以太網(wǎng)接口及串口等底層硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)控制。針對(duì)終端的無線網(wǎng)卡類型，IEEE 802.11b／g無線模塊中采用了madwifi(Multiband Atheros Driverfor wifi)驅(qū)動(dòng)。madwifi是為Atheros系列芯片IEEE802.11a／b／g無線網(wǎng)卡在Linux系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)的驅(qū)動(dòng)程序。

Linux內(nèi)核層：為語音數(shù)據(jù)的壓縮處理和語音包的實(shí)時(shí)傳輸提供了保證。TCP／IP協(xié)議軟件棧提供了對(duì)TCP／IP的支持，考慮到語音數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求，終端的語音傳輸采用UDP方式實(shí)現(xiàn)。建立在UDP之上的RTP協(xié)議用于保障數(shù)據(jù)流的實(shí)時(shí)可靠傳輸。語音處理模塊提供了對(duì)G.723等音頻編解碼軟件的支持。在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中包括了實(shí)現(xiàn)多跳通話功能的AODV路由協(xié)議。

應(yīng)用程序?qū)樱喊娫拺?yīng)用程序接口TAPI(Telephony Application Program Interface)3.0和Web服務(wù)器兩部分。TAPI 3.0集成了傳統(tǒng)電話的媒體流控制功能，并封裝了對(duì)底層電話硬件進(jìn)行操作的功能，通過將呼叫控制的功能抽象出來，達(dá)到屏蔽不同的、不兼容的通信協(xié)議的目的。通過TAPI 3.0，的編程接口可以方便地自定義信令協(xié)議，完成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的撥號(hào)過程。同時(shí)為了便于使用，在終端中植入了一個(gè)支持CGI的、非常適合于嵌入式系統(tǒng)的Boa Web Server，使用戶可以通過Web頁面的用戶接口輸入?yún)?shù)來配置終端的參數(shù)。