基于VoWLAN技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信與語(yǔ)音通信的應(yīng)用設(shè)計(jì)

作者： 李云燕;龍昭華;蔣貴全;毛周明

1 引言

1.1 VoWLAN概述

VoWLAN是WLAN的新興應(yīng)用之一。VoIP通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸語(yǔ)音信號(hào)；WLAN（無(wú)線局域網(wǎng)），通過無(wú)線接入點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線上網(wǎng)。VoWLAN可以說(shuō)是這兩者的有機(jī)結(jié)合，它可以利用現(xiàn)有的WLAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無(wú)線的VoIP通話能力，企業(yè)員工通過VoWLAN可在辦公場(chǎng)所以外的地方隨時(shí)語(yǔ)音通信、訪問E-mail和其他已接入的網(wǎng)絡(luò)資源，這樣提高了網(wǎng)絡(luò)資源的利用率并降低了通話的成本，從而節(jié)省企業(yè)的總體IT費(fèi)用。對(duì)于住宅用戶也可以通過與寬帶802.11無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相連的VoIP電話來(lái)降低話費(fèi)。VoWLAN系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流如下：通過接入點(diǎn)AP （Access Point）把語(yǔ)音信號(hào)傳輸?shù)絍oIP網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)可以就是原來(lái)的有線VoIP網(wǎng)關(guān)，這樣語(yǔ)音數(shù)據(jù)在IP網(wǎng)絡(luò)和PBX（交換機(jī)）之間傳輸。這種方式使得傳統(tǒng)有線辦公和住宅電話的功能都能在VoWLAN中實(shí)現(xiàn)，而運(yùn)營(yíng)商只需要增加語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)、計(jì)費(fèi)系統(tǒng)等設(shè)備，就可為其WLAN熱點(diǎn)提供VoWLAN應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信與語(yǔ)音通信的高效結(jié)合。

1.2 SIP概述

目前VoIP涉及的基本通信協(xié)議主要有三種：H323協(xié)議、SIP協(xié)議和MGCP協(xié)議。SIP稱為會(huì)話發(fā)起協(xié)議（Session Initiation Protocol），是Internet工程任務(wù)組（IETF）提出的建議中的一項(xiàng)協(xié)議。與H.323協(xié)議比較，SIP協(xié)議側(cè)重于將IP電話作為因特網(wǎng)上的一個(gè)應(yīng)用，較其實(shí)應(yīng)用（如FTP，E-mail等）增加了信令和QoS的要求，它們支持的業(yè)務(wù)基本相同，也都利用RTP作為媒體傳輸?shù)膮f(xié)議；SIP是基于文本的協(xié)議，類似于HTTP。基于文本的編碼意味著頭域的含義是一目了然的，如From、To、Subject等域名。這種分布式、幾乎不需要復(fù)雜的文檔說(shuō)明的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范風(fēng)格，其優(yōu)越性已在過去的實(shí)踐中得到了充分的證明（現(xiàn)在廣為流行的郵件協(xié)議SMTP就是 這樣的一個(gè)例子）。SIP的消息體部份采用SDP進(jìn)行描述，SDP中的每一項(xiàng)格式為’=’號(hào)，也比較簡(jiǎn)單；SIP很方便地支持補(bǔ)充業(yè)務(wù)或智能業(yè)務(wù)，只要充分利用SIP已定義的頭域，并對(duì)SIP進(jìn)行簡(jiǎn)單的擴(kuò)展，就可以實(shí)現(xiàn)這些業(yè)務(wù)。例如對(duì)于呼叫轉(zhuǎn)移，只要在BYE請(qǐng)求消息中添加Contact頭域，加入意欲轉(zhuǎn)至的第三方地址就可以實(shí)現(xiàn)此業(yè)務(wù)。對(duì)于通過擴(kuò)展頭域較難實(shí)現(xiàn)的一些智能業(yè)務(wù)，可在體系結(jié)構(gòu)中增加業(yè)務(wù)代理，提供一些補(bǔ)充服務(wù)或與智能網(wǎng)設(shè)備的接口；SIP協(xié)議借鑒了其它因特網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議的設(shè)計(jì)思想，在風(fēng)格上遵循因特網(wǎng)一貫堅(jiān)持的簡(jiǎn)練、開放、兼容和可擴(kuò)展等原則，比較簡(jiǎn)單。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1中央控制器

中央控制器MCU采用UBICOM公司的IP2022網(wǎng)絡(luò)處理器。它是專為 Internet-edge（網(wǎng)際邊緣）設(shè)計(jì)的微處理器。其主要特點(diǎn)：通過軟件來(lái)處理協(xié)議， 而不是用硬件邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)協(xié)議，降低了 chip 的復(fù)雜性；對(duì)到達(dá)的 packet，使用 Memory-to-memory 的操作，而不需要大容量，昂貴的on-chip caches（高速緩沖存儲(chǔ)器），以及 packet buffers；簡(jiǎn)潔設(shè)計(jì)的 real-time operating system，沒有memory-hungry requirement；Designer可以通過設(shè)計(jì) software 來(lái)實(shí)現(xiàn)各種 Internet-edge 應(yīng)用；IP2022 的 Memory 分為 on-chip 與 off-chip 兩個(gè)部分，采用的是Harvard architecture，分離的 data 與 code memories；4k bytes on-chip data memory、64k bytes 的 on-chip flash memory、16k bytes 的 on-chip PRAM、外部的 memory、extra flash memory，用來(lái)放更多的code，比如embedded web server 的code可以放在外部的 flash中，也包括一些dll functions。以及online firmware upgrades。SRAM，是用來(lái)拓展PRAM 空間來(lái)用的，比如可以在SRAM 中buffer packets。

2.2 語(yǔ)音模塊

本模塊采用的是TLV320AIC10。TLV320AIC10是TI公司近年新推出的低功耗∑-Δ型16位A/D、D/A音頻接口（AIC）芯片。它由5個(gè)控制寄存器控制。其中，控制寄存器1：軟件復(fù)位，DAC的16位或15＋1位模式選擇以及抗混疊濾波器、抽樣濾波器、插值濾波器使能/旁路選擇。控制寄存器2：決定工作方式和采樣速率。低功耗模式控制，分頻寄存器控制（決定濾波器的時(shí)鐘頻率和取樣周期）?？刂萍拇嫫?：軟件關(guān)電，模擬及數(shù)字信號(hào)反饋和事件控制模式選擇；ADC的16位或15＋1位模式選擇?？刂萍拇嫫?：輸入輸出增益控制（通過控制輸入和輸出可編程增益放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)）。AIC的初始化主要就是對(duì)這4個(gè)寄存器參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。該器件與單片機(jī)接口易于實(shí)現(xiàn)，開發(fā)和使用更加方便。尤其適合應(yīng)用于低比特率、高性能密集設(shè)備的話音傳輸、識(shí)別及合成等的各種VoIP、電纜調(diào)制解調(diào)器、語(yǔ)音和電話領(lǐng)域。

2.3網(wǎng)絡(luò)模塊

無(wú)線接收發(fā)送模塊選用的是CF無(wú)線網(wǎng)卡插槽。CF卡（CompactFlash）是1994年SanDisk推出的一種閃存卡。CF卡具有PCMCIA-ATA功能，并與之兼容，CF卡采用閃存（flash）技術(shù)，是一種穩(wěn)定的存儲(chǔ)解決方案，不需要電池來(lái)維持其中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。對(duì)所有保存的數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，CF卡比傳統(tǒng)的磁盤驅(qū)動(dòng)器安全性和保護(hù)性都更高，而且CF卡的用電量?jī)H為小型磁盤驅(qū)動(dòng)器的5%。這些優(yōu)異的條件使得大多數(shù)PDA用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都選擇CF卡作為其首選接口。

本系統(tǒng)無(wú)線接收發(fā)送模塊選用的是WL-672F CF無(wú)線網(wǎng)絡(luò)適配器。該無(wú)線網(wǎng)絡(luò)適配器為CompactFlashⅠ型適配器，可與配有Ⅱ型插槽的終端一起使用。使用該適配器，在移動(dòng)使用PDA進(jìn)行工作時(shí)，收發(fā)E-MAIL及訪問服務(wù)器數(shù)據(jù)時(shí)，都可使之保持連接。其使用*式設(shè)計(jì)，提供集成天線，可以和所有符合IEEE802.11b（DSSS）2.4GHz標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行交互式操作，也可以通過AP與有線以太網(wǎng)進(jìn)行交互式操作，支持Ad-Hoc以及Infrastructure通訊方式，使用128-bit的WEP加密方式以保證網(wǎng)絡(luò)的安全。

圖1 VoWLAN語(yǔ)音終端的硬件框架圖

建立連接后用戶的模擬話音通過AIC10的AURXFP、AURXM、AURXCP輸入，將模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換形成數(shù)字信號(hào)流后傳至編碼模塊。編碼模塊中的DSP根據(jù)系統(tǒng)要求將語(yǔ)音數(shù)據(jù)壓縮，壓縮后放入DOUT的寄存器中。

在接收語(yǔ)音數(shù)據(jù)時(shí)，在TLV320AIC10的幀同步FS為低電平，轉(zhuǎn)換時(shí)鐘信號(hào)SCLK的上升沿時(shí)，系統(tǒng)處理器將語(yǔ)音數(shù)據(jù)通過DIN送入AIC10進(jìn)行解壓縮，形成64Kbps的PCM碼流，送入D/A進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，最后由AIC10的OUTP和OUTM輸出模擬語(yǔ)音。

3 VoWLAN的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件是基于SIP協(xié)議棧的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。由于SIP協(xié)議棧采用模塊化設(shè)計(jì)思想，因此，系統(tǒng)軟件可以直接調(diào)用協(xié)議棧各模塊提供的API。軟件應(yīng)用模塊的消息獲取線程是實(shí)時(shí)獲取協(xié)議棧處理的結(jié)果（以消息或事件的形式存儲(chǔ)在協(xié)議棧消息隊(duì)列中），并把它轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)應(yīng)用的消息結(jié)構(gòu)存放在應(yīng)用模塊的消息隊(duì)列中。圖2是軟件應(yīng)用模塊的程序流程圖。

圖2軟件應(yīng)用程序流程圖

圖2中的“應(yīng)用初始化”包括建立消息讀取線程等；“SIP協(xié)議棧初始化”包括建立協(xié)議棧主線程、注冊(cè)回調(diào)函數(shù)、協(xié)議棧其它模塊的初始化及消息隊(duì)列的建立等；“關(guān)機(jī)準(zhǔn)備操作”首先進(jìn)行注銷操作，接著終止消息讀取線程和協(xié)議棧主線程，釋放軟件應(yīng)用模塊和協(xié)議棧各模塊占用的資源。

協(xié)議棧模塊包含事務(wù)管理和對(duì)話管理這兩模塊，同樣，軟件應(yīng)用模塊也包含類似的管理功能，即“呼叫（call）管理”。呼叫管理的功能和協(xié)議棧模塊中的對(duì)話管理功能類似，只是呼叫管理側(cè)重于和用戶交互，通過人機(jī)界面顯示信息，提示用戶當(dāng)前呼叫的進(jìn)度，引導(dǎo)用戶執(zhí)行進(jìn)一步的操作。

呼叫有四種狀態(tài)：“S_IDLE”、“S_PROGRESS”、“S_INCOMING”、“S_CONNECTED”，它們之間的關(guān)系用一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)來(lái)描述，如圖3。

圖 3 呼叫管理有限狀態(tài)機(jī)

“S_IDLE”狀態(tài)就是我們通常所說(shuō)的待機(jī)狀態(tài)。當(dāng)用戶撥打?qū)Ψ降腟IP URI，協(xié)議棧通過發(fā)送INVITE請(qǐng)求消息，得到臨時(shí)響應(yīng)消息，呼叫就處于“S_PROGRESS”，圖中箭頭表示該操作引起的狀態(tài)切換。在“S_PROGRESS”狀態(tài)，對(duì)方如果拒絕接受呼叫，狀態(tài)又返回“S_IDLE”，如箭頭；當(dāng)對(duì)方接受呼叫，就處于連接通話狀態(tài)“S_CONNECTED”，如箭頭。在“S_IDLE”狀態(tài)也可能收到對(duì)方的呼叫請(qǐng)求，當(dāng)UA應(yīng)用發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的呼叫請(qǐng)求，就應(yīng)當(dāng)切換狀態(tài)到“S_INCOMING”，如箭頭；同樣，用戶可以拒絕接受呼叫，狀態(tài)切換回“S_IDLE”，如箭頭；當(dāng)用戶接受呼叫請(qǐng)求，呼叫狀態(tài)就處于“S_CONNECTED”。在“S_CONNECTED”狀態(tài)，通話雙方任何一方的結(jié)束通話請(qǐng)求都會(huì)導(dǎo)致狀態(tài)返回“S_IDLE”，結(jié)束通話。

4 結(jié)論

本終端成本價(jià)格低，目前已經(jīng)能夠注冊(cè)到有關(guān)廠家的SIP測(cè)試平臺(tái)，并可以完成基本會(huì)話功能；同時(shí)，在LAN中可以以靜態(tài)IP的方式注冊(cè)成功，并進(jìn)行會(huì)話操作。

創(chuàng)新點(diǎn)

SIP/SDP信令協(xié)議的VoWLAN終端嵌入式開發(fā)使用；USER Agent在VoWLAN終端的嵌入實(shí)現(xiàn)；實(shí)現(xiàn)VoWLAN終端對(duì)PC、VoWLAN終端對(duì)VoWLAN等終端、VoWLAN終端對(duì)PSTN的通話。

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