在PC機上實現(xiàn)藍牙PSTN電話網(wǎng)關(guān)

【摘　要】　介紹了在PC機上通過外圍電路實現(xiàn)的藍牙電話網(wǎng)關(guān)的總體結(jié)構(gòu)，比較詳細地介紹了其軟硬件結(jié)構(gòu)，并對該方案的不足提出了改進。
??? 關(guān)鍵詞：藍牙 市話網(wǎng) 網(wǎng)關(guān) 物理鏈路 邏輯鏈路
　
1　藍牙PSTN電話網(wǎng)關(guān)簡介
1．1 藍牙技術(shù)簡介
　　藍牙技術(shù)的目標(biāo)是提供一種通用的無線接口標(biāo)準(zhǔn)，用無線信道取代傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中錯綜復(fù)雜的電纜，在藍牙設(shè)備間實現(xiàn)方便快捷、靈活、安全、低成本、低功耗的數(shù)據(jù)和話音通信。Bluetooth設(shè)備工作在2．4GHz的ISM（Industrial，Science and Medicine）頻段。在1．0版本的標(biāo)準(zhǔn)中，Bluetooth的基帶符號速率為1Mbps。Bluetooth支持64kb/s的實時語音傳輸和各種速率的數(shù)據(jù)傳輸 ，語音編碼采用對數(shù)PCM或連續(xù)可變斜率增量調(diào)制（ContinuousVariable Slope Delta Modulation，CVSD）。語音和數(shù)據(jù)可單獨或同時傳輸。當(dāng)僅傳輸語音時，Bluetooth設(shè)備最多可同時支持3路全雙工的話音通信。
1．2 藍牙電話網(wǎng)關(guān)簡介
??? 在藍牙的各種應(yīng)用中，“三合一電話”無疑是令人興奮的一種。擁有“三合一電話”的用戶 ，能夠做到：在戶內(nèi)使用只需繳納固定電話費，在戶外就象用普通的手機一樣，在辦公室等場合下 ，能使用企業(yè)內(nèi)部的電話網(wǎng)絡(luò)而無需付費。但是“三合一電話”要實現(xiàn)上述功能，只靠自身的藍牙功能是做不到的，它還需要藍牙電話網(wǎng)關(guān)的支持。如圖1所示，藍牙PSTN（Public Switched Telephone Network）電話網(wǎng)關(guān)為帶有藍牙電話功能的終端提供了一種與固定電話網(wǎng)連接的新的短距離接入方式。帶有藍牙電話功能的終端可以是簡單的無繩電話也可以是個人電腦中的無繩調(diào)制解調(diào)器等設(shè)備。
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　　從功能上講，藍牙PSTN網(wǎng)關(guān)主要是藍牙TCS(Telephony Control Specification)信令與PSTN信令之間的接口。它負責(zé)把接收到的由藍牙無繩終端發(fā)出的TCS信令轉(zhuǎn)換為PSTN網(wǎng)能夠識別的DTMF(Dual Tone Multi－ Frequency)信令，當(dāng)然還包括語音的傳遞。具體地說，它可以把外部PSTN網(wǎng)用戶打來的電話轉(zhuǎn)移到有效范圍內(nèi)的藍牙無繩終端上，也可以把有效范圍內(nèi)的藍牙無繩終端對PSTN網(wǎng)用戶的呼叫請求發(fā)向PSTN網(wǎng) 。
2　藍牙PSTN電話網(wǎng)關(guān)的總體設(shè)計方案
2．1　藍牙PSTN電話網(wǎng)關(guān)上的軟件
　　作為藍牙協(xié)議中規(guī)定好的一種應(yīng)用，藍牙PSTN電話網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)中的軟件棧必須符合藍牙協(xié)議中的要求，也就是要符合藍牙PSTN電話網(wǎng)關(guān)應(yīng)用模型的要求。
　　應(yīng)用模型是藍牙協(xié)議為各種應(yīng)用提供的解決方案，它由藍牙協(xié)議棧的縱向切分組成，是符合藍牙規(guī)范的各種應(yīng)用互通的基礎(chǔ)。每個應(yīng)用模型都要通過相應(yīng)的協(xié)議層的組合才能完成其功能，每個藍牙設(shè)備都支持一種或多種應(yīng)用模型。藍牙SIG定義了四個通用的應(yīng)用模型作為其他具體應(yīng)用模型的基礎(chǔ)：通用訪問模型，串口模型 ，服務(wù)發(fā)現(xiàn)模型和通用對象交換模型。一個具體的應(yīng)用通常受到與之相關(guān)的若干模型的限制 。
　　根據(jù)藍牙協(xié)議，藍牙PSTN網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用模型建立在通用訪問模型與服務(wù)發(fā)現(xiàn)模型之上。該應(yīng)用模型定義了“三合一電話”的各部分間協(xié)同工作的要求及過程。該應(yīng)用模型包括下列層：藍牙基帶、鏈路管理協(xié)議、L2CAP、服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議、電話控制信令、以及通用訪問模型。
2．2　藍牙PSTN電話網(wǎng)關(guān)上的硬件
??? PSTN電話網(wǎng)關(guān)上的硬件主要由一臺PC機、一塊愛立信EBSK（Ericsson Bluetooth Starter Kit）和電話語音接收與撥叫電路三部分組成，如圖2所示。下面分別簡單地介紹一下這三個部分的功能。
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　　藍牙EBSK模塊包括藍牙射頻電路以及基帶處理電路。該模塊提供了RS232串行口以及PCM(Pulse－Ampl itude Modulation）碼流口。各種控制信號、數(shù)據(jù)信號都通過串行口傳遞。語音信號則通過專用的PCM碼流口傳遞。PC機把藍牙模塊使用射頻電路、基帶處理電路接收到的數(shù)據(jù)通過協(xié)議棧解釋為摘機、掛機、撥號等命令并通過數(shù)據(jù)線控制電話語音接收與撥叫電路的各種操作 。PSTN市話網(wǎng)用戶線與電話語音接收與撥叫電路連接。電話語音接收與撥叫電路則把外部PSTN電話網(wǎng)的振鈴信號通過數(shù)據(jù)線傳遞給PC機，PC機再把該信號通過藍牙軟件棧打成數(shù)據(jù)包并送給藍牙模塊，由藍牙模塊發(fā)射出去。語音通路則由電話語音接收與撥叫電路的耳機、麥克風(fēng)接口經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換與PCM語音編碼器相連。所得PCM碼流直接送入藍牙模塊由其發(fā)射給語音終端。同樣，所需PCM碼流也直接由藍牙EBSK模塊提供。
3　軟件協(xié)議體系
??? 我們可以從圖3看到，藍牙網(wǎng)關(guān)軟件體系包括幾個層次。他們分別是TCS，SDP（Service Discovery Pr otocol），ME（Management Entity），L2CAP（Logical Link Control and Adaptation Protocol），HCI（HostControlInterface）以及應(yīng)用層。下面將分別介紹這些層次 。
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3．1　應(yīng)用層
3．1．1　結(jié)構(gòu)定義
　　該應(yīng)用模型定義了以下兩個設(shè)備：網(wǎng)關(guān)（GW）和終端（TL）。從外部電話網(wǎng)的角度來看，網(wǎng)關(guān)是一個終端，處理各種與外部網(wǎng)絡(luò)之間的相互操作，如向外部網(wǎng)絡(luò)發(fā)送呼叫請求或接收外部網(wǎng)絡(luò)的呼叫請求。該網(wǎng)關(guān)可以是PSTN家庭網(wǎng)關(guān)、ISDN家庭網(wǎng)關(guān)、GSM網(wǎng)關(guān)、衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)以及H．323網(wǎng)關(guān) 。終端指無線用戶終端。它可以是無繩電話、蜂窩／無繩雙模電話或PC機。無繩電話應(yīng)用模型支持一個網(wǎng)關(guān)及少量終端（≤7）的拓撲結(jié)構(gòu)。
3．1．2　用戶需求
　　該應(yīng)用模型應(yīng)滿足下列需求：用TL向外部網(wǎng)絡(luò)用戶打電話；接聽由外部網(wǎng)絡(luò)用戶打來的電話 ；內(nèi)部兩TL間直接通話；使用外部網(wǎng)絡(luò)提供的輔助服務(wù)。
3．1．3　應(yīng)用模型基本原理
　　在無繩電話應(yīng)用模型中，網(wǎng)關(guān)通常是微微網(wǎng)的主機。作為主機，網(wǎng)關(guān)將控制終端的電源模式并向終端廣播信息。
　　網(wǎng)關(guān)有效范圍外的終端通過周期的呼叫信息來搜索網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)必須盡可能多地掃描呼叫以盡快發(fā)現(xiàn)進入有效范圍的遠程終端。這種方案降低了電磁污染并提供合理的進入網(wǎng)關(guān)有效范圍時的訪問時間。當(dāng)終端成功地呼叫了網(wǎng)關(guān)后必須執(zhí)行主從切換操作，因為網(wǎng)關(guān)必須是主機。至此，一個面向連接的L2CAP信道或面向無連接的L2CAP信道已經(jīng)建立，并被用來在無繩電話通話期傳輸所有TCS信令。
　　處于網(wǎng)關(guān)有效范圍之內(nèi)但當(dāng)前不用的終端必須處于休眠模式。該模式下電源是打開的，在需要時能提供合理的呼叫建立時間，并允許向附屬終端（如果存在的話）廣播信息。
　　當(dāng)有電話打入或終端欲向外撥打電話時，網(wǎng)關(guān)必須進入激活狀態(tài)。所有的TCS控制信令由L2CAP信道傳輸，而話音由SCO（SynchronousConnection－Oriented）鏈路傳輸。
　　為了安全，網(wǎng)關(guān)及終端要進行身份認(rèn)證。為了便于在無線設(shè)備間可靠地傳輸信息，使用了WUG（Wirel ess User Group）概念。網(wǎng)關(guān)通常用作WUG主機。
　　應(yīng)用層應(yīng)當(dāng)管理三個層次上的連接，分別是：物理鏈路的連接，邏輯鏈路上的連接以及應(yīng)用連接。在協(xié)議中規(guī)定了在PSTN網(wǎng)關(guān)應(yīng)用中必須符合安全模式3或安全模式2中的一個。其中安全模式3是建立在物理鏈路上的安全機制，而安全模式2則是建立在邏輯鏈路上的安全機制。在建立邏輯鏈路之前，語音終端必須運用SDP對周圍的藍牙設(shè)備進行服務(wù)發(fā)現(xiàn)以便找到PSTN電話網(wǎng)關(guān)。在建立好邏輯鏈路后，網(wǎng)關(guān)將在邏輯鏈路上使用TCS層來與語音終端進行一系列的信息交互，以便建立好應(yīng)用層的連接。
3．2　物理鏈路建立過程
　　我們在設(shè)計PSTN電話網(wǎng)關(guān)時選擇了安全模式3，也就是說在建立物理鏈路時進行鑒權(quán)過程。這需要電話網(wǎng)關(guān)和語音終端在首次建立連接時在基帶進行配對，并要求語音終端符合電話網(wǎng)關(guān)所要求的PIN碼。
　　支持多終端的網(wǎng)關(guān)必須始終是微微網(wǎng)的主機。這樣的網(wǎng)關(guān)在有終端接入時要發(fā)出主從切換請求。如果終端拒絕請求，那么網(wǎng)關(guān)將不與其建立連接。因此不接受主從切換請求的終端不能獲得任何網(wǎng)關(guān)的服務(wù)。
　　網(wǎng)關(guān)在決定把各終端置于何種電源模式時應(yīng)非常保守。也即當(dāng)一個終端不傳輸信號時，網(wǎng)關(guān)應(yīng)把它置于節(jié)電模式。推薦使用的節(jié)電模式是休眠模式。但休眠時必須選擇恰當(dāng)?shù)墓?jié)電模式參數(shù) ，以便能在300ms之內(nèi)使終端回到工作狀態(tài)。
　　當(dāng)網(wǎng)關(guān)不支持休眠模式時，就由終端來決定在無呼叫時如何處理鏈路：維持工作狀態(tài)或者釋放鏈路。鏈路被釋放后，主從兩端都應(yīng)能在需要的時候重建鏈路。在這種情況下，當(dāng)不存在有效鏈路時，主從兩端都應(yīng)處于呼叫掃描狀態(tài)。
　　如果網(wǎng)關(guān)在呼叫過程中能節(jié)電，那么它可以使用監(jiān)聽狀態(tài)。終端也能被要求進入監(jiān)聽狀態(tài)。
3．3 服務(wù)發(fā)現(xiàn)過程
　　在建立好物理鏈路后，就開始進入SDP過程。下面簡單地介紹一下這個過程。
　　服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議工作于L2CAP上，使用L2CAP提供的基于連接的工作方式。它可劃分為兩個部分 ，如圖4所示。圖中服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議客戶端部分和服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議服務(wù)器端部分是在不同藍牙設(shè)備上工作的。需要請求服務(wù)的藍牙設(shè)備運行服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議客戶端部分，提供服務(wù)的藍牙設(shè)備運行服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議服務(wù)器端部分。一個藍牙設(shè)備視其情況可同時含有服務(wù)器端部分和客戶端部分。在客戶端，客戶端應(yīng)用程序發(fā)出服務(wù)發(fā)現(xiàn)請求。在服務(wù)器端，服務(wù)器端應(yīng)用程序?qū)⑵涓黜椃?wù)屬性注冊到服務(wù)器中。服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議根據(jù)服務(wù)類型來尋找服務(wù)，即一個藍牙設(shè)備A通過告訴另一個藍牙設(shè)備B它想要找的服務(wù)類型來讓設(shè)備B將滿足要求的服務(wù)記錄返回給設(shè)備A。接著，設(shè)備A在返回的服務(wù)記錄中找出有用的信息。在藍牙PSTN電話網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用中，網(wǎng)關(guān)作為SDP中的服務(wù)器端上層的應(yīng)用，需要在初始化的時候就將協(xié)議中規(guī)定好的服務(wù)屬性注冊到SDP服務(wù)器中去。終端可以在建立邏輯鏈路之前通過SDP過程來發(fā)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)所提供的服務(wù)并與之建立邏輯鏈路。
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3．4 邏輯鏈路建立過程
　　在終端通過TCS建立與網(wǎng)關(guān)之間的應(yīng)用層面上的連接之前，應(yīng)當(dāng)先配置鏈路并建立、配置TCS－BIN過程中傳輸信號用的L2CAP連接。只有通過身份驗證的終端才能與網(wǎng)關(guān)連接。為了避免呼叫建立以及接收廣播信息時的過長的時延，當(dāng)終端進入網(wǎng)關(guān)的有效區(qū)間時就與網(wǎng)關(guān)建立邏輯鏈路信道，并一直維持直到失去鏈路或終端關(guān)機。邏輯鏈路連接會在使用過后空閑很長時間。
　　該應(yīng)用模型用到了面向連接的信道以及面向無連接的信道。網(wǎng)關(guān)用面向無連接的信道向各語音終端廣播信息。只有風(fēng)關(guān)可以使用無連接信道來發(fā)送信息。使用邏輯鏈路無連接信道要滿足藍牙安全性體系結(jié)構(gòu)白皮書的規(guī)定。在該應(yīng)用模型中只有語音終端可以發(fā)起建立面向連接的信道。當(dāng)與網(wǎng)關(guān)連接時，終端必須在連接請求包的PSM域中使用值0x0007（TCS－BIN－CORDLESS）。下面我們對TCS進行簡單的介紹。
3．5 電話控制信令（TCS）及其分析
　　藍牙TCS（Telephony Control Specification）協(xié)議定義了藍牙設(shè)備之間建立語音和數(shù)據(jù)呼叫所需的呼叫控制信令，以及用于管理帶語音功能的藍牙設(shè)備的控制過程。
　　TCS協(xié)議基于ITU－TQ．931建議，采納了其中對等呼叫的部分，即在藍牙TCS設(shè)備中，僅僅區(qū)分呼叫方（發(fā)起呼叫）和呼入方（結(jié)束呼叫）。TCS協(xié)議分為三個功能塊（如圖5所示）。圖5中，CC—Call Contr ol，呼叫控制；GM—Group Management，組管理；CL—Connectionless TCS，無連接TCS。其中，呼叫控制用于建立和釋放語音或數(shù)據(jù)呼叫的控制信令；組管理指管理一組TCS設(shè)備的控制過程；無連接的TCS用于交換信令信息，該信息與當(dāng)前正在進行的呼叫無關(guān)。
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　　TCS設(shè)備存在兩種基本操作，一種是點對點呼叫控制，另一種是點對多點呼叫控制。前者用于被呼叫方已知的情況，并且使用面向連接的L2CAP信道；后者用于不能明確確定被呼叫方的情況，如當(dāng)有外部呼叫呼入時，交換機需要通知有效范圍內(nèi)的所有TCS設(shè)備，以進一步確定被呼叫方。點對多點控制信令只能使用面向無連接的L2CAP信道。
　　TCS設(shè)備支持同時存在多個呼叫，各呼叫實例可以用所承載的L2CAP信道的ID號加以區(qū)別。
4 測試結(jié)果及改進方案
　　我們使用上述網(wǎng)關(guān)及手機實現(xiàn)了手機與外部PSTN網(wǎng)用戶的互通。包括相互的呼叫、接聽以及無人應(yīng)答時的處理。經(jīng)實測當(dāng)手機與網(wǎng)關(guān)間距在六米以內(nèi)時通話質(zhì)量相當(dāng)好，語音清晰無失真感 。當(dāng)間距大于六米時，語音會有抖動。這是因為當(dāng)距離增加時傳輸?shù)恼`碼率增加，從而導(dǎo)致了語音的斷斷續(xù)續(xù)，主觀聽覺上就覺得抖動。這是因為所用藍牙模塊只支持1毫瓦的發(fā)射功率，如果使用較大功率的藍牙模塊可以改善這一現(xiàn)象。
　　另外，網(wǎng)關(guān)的側(cè)音較大，這是因為側(cè)音放大器的輸出電阻的阻值尚未調(diào)整到最佳。進一步調(diào)整阻值有望減小側(cè)音。網(wǎng)關(guān)受外界的電磁干擾比較嚴(yán)重。這是因為語音輸入部分的印刷電路走線不太合理，在下一個版本中改進走線可以改善這一現(xiàn)象。

　

1　http：//www．bluetooth．com．BSIG，Specification of the Bluetooth System（Core），Version 1．0B．1999，12
2　http：//www．bluetooth．com．BSIG，Specification of the Bluetooth System（Profile），Versi on1．0B．1999，12