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一種具有多跳功能的無線VoIP終端設計

作者: 時間:2010-03-16 來源:網(wǎng)絡 收藏

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現(xiàn)的。這種有線連接方式存在著無法滿足移動通信需求,線纜設施易受損,且布設和維護成本高等諸多問題?;贗EEE 802.11協(xié)議的局域網(wǎng)接入技術(shù)擁有廣泛的應用基礎(chǔ),傳輸速率快,覆蓋范圍廣等突出優(yōu)勢,可以很好地解決這些問題。

為了能在基于IEEE 802.11協(xié)議的局域網(wǎng)上實現(xiàn)語音通信目的,必須采用(Voice overIP)技術(shù)??紤]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)議的無線方案,并通過在嵌入式上實現(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),使了多跳通話

1 相關(guān)技術(shù)及協(xié)議

1.1

VoIP是利用IP網(wǎng)絡實現(xiàn)語音通信的一種先進通信手段,是基于IP網(wǎng)絡的語音傳輸技術(shù)。其基本原理是利用電話網(wǎng)關(guān)服務器之類的設備將電話語音數(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)議進行打包并通過IP網(wǎng)絡把數(shù)據(jù)包傳輸?shù)侥康牡?,目的地收到這一串數(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,這樣就達到了通過網(wǎng)絡傳送語音的目的。

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

1.2 IEEE 802.11無線技術(shù)

IEEE 802.11是由IEEE定義的無線網(wǎng)絡通信工業(yè)標準,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)勢在于傳輸速率快(最高達54 Mb/s)且干擾少,但價格相對較高。IEEE 802.11b工作于2.4 GHz頻段,使用補碼鍵控(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)勢在于價格低廉,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)訪問控制層標準基礎(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Ad Hoc網(wǎng)絡的路由協(xié)議,它的處理過程簡單,路由開銷以及存儲開銷都較小,能對鏈路狀態(tài)的變化做出快速反應,并通過在控制報文中引入序列號,確保在任何時候都不會形成路由環(huán)。由于AODV路由協(xié)議性能優(yōu)越,且實現(xiàn)復雜度低,被IETF(InternetEngineering Task Force)的MANET工作組認為是無線自組網(wǎng)最好的候選路由協(xié)議之一。因此,本采用AODV作為路由協(xié)議的實現(xiàn)方案。

2 終端硬件設計

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,同時在終端集成了存儲器模塊、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。


(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175 MHz,內(nèi)部集成了8 KB指令緩存和8 KB數(shù)據(jù)緩存,對外提供8/16位的LOCAL BUS(支持標準的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Switch引擎、5路10/100 Mb/s的PHY芯片,可對外提供5個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)的運行、資源的管理和分配、與各個模塊的接口和通信等。

(2)語音處理模塊

采用了高性能的DSP(VINETIC-2CPE),很強大的數(shù)字信號處理能力。用于完成處理模擬電話信號,語音壓縮包,并提供實時壓縮包的緩沖,自適應回聲抵消,靜音檢測,DTMF信號產(chǎn)生、譯碼等,且不需要另外的存儲單元。

(3)FXS連接模塊

終端通過一個帶有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行處理。SLIC即用戶線接口電路,主要完成用戶狀態(tài)檢測和語音信號輸入輸出。它能夠檢測電話為掛機狀態(tài)還是摘機狀態(tài),并產(chǎn)生高電壓驅(qū)動振鈴。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轉(zhuǎn)換為可通過’VoIP網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)字信號。DAC將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬電平,以驅(qū)動模擬電話。

(4)IEEE 802.11b/g無線模塊

IEEE 802.11b/g無線模塊實現(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MiniPCI接口,采用的是美國Atheros公司AR2413芯片組的無線網(wǎng)卡WMIA-165G,支持IEEE 802.11b/g標準,可提供54 Mb/s高速無線連接。

3 終端軟件設計

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,移植和擴展能力較好的特點。如圖2所示,采用模塊化的設計思想對終端軟件進行設計。


硬件驅(qū)動層:主要功能是實現(xiàn)對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備的驅(qū)動控制。針對終端的無線網(wǎng)卡類型,IEEE 802.11b/g無線模塊中采用了madwifi(Multiband Atheros Driverfor wifi)驅(qū)動。madwifi是為Atheros系列芯片IEEE802.11a/b/g無線網(wǎng)卡在Linux系統(tǒng)下實現(xiàn)的驅(qū)動程序。

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

應用程序?qū)樱喊娫拺贸绦蚪涌赥API(Telephony Application Program Interface)3.0和Web服務器兩部分。TAPI 3.0集成了傳統(tǒng)電話的媒體流控制功能,并封裝了對底層電話硬件進行操作的功能,通過將呼叫控制的功能抽象出來,達到屏蔽不同的、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,完成點對點的撥號過程。同時為了便于使用,在終端中植入了一個支持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)。


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