基于IEEE802.15.4的無(wú)線(xiàn)VoIP話(huà)機系統

　　摘要： 隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )的普及，基于分組交換的VoIP技術(shù)得到迅猛發(fā)展。如何將VoIP技術(shù)與無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)相結合，實(shí)現無(wú)線(xiàn)VoIP話(huà)機是當前嵌入式VoIP話(huà)機設計的一個(gè)新方向。本文提出了一種適用于家庭辦公室小范圍內的無(wú)線(xiàn)VoIP話(huà)機系統設計方案，并且將該方案在具體的硬件平臺上付諸實(shí)現。本文重點(diǎn)介紹了該系統的設計特點(diǎn)，無(wú)線(xiàn)MAC層的設計，以及手持設備端的硬件結構和軟件結構。

　　關(guān)鍵詞： IEEE802.15.4;mC/OS-II;SIP;g.726

　　當前VoIP技術(shù)和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的迅速發(fā)展為無(wú)線(xiàn)VoIP話(huà)機的實(shí)現創(chuàng )造了條件，也形成了一個(gè)研究熱點(diǎn)。當前提出的設計方案有采用802.11協(xié)議(WLAN)實(shí)現VoIP無(wú)線(xiàn)化，雖然覆蓋范圍可達上百米，充足的帶寬對語(yǔ)音壓縮也沒(méi)有過(guò)高要求，但作為移動(dòng)便攜設備，其成本和功耗成為了設計瓶頸。本設計主要從性能，成本，功耗等方面出發(fā)，提出了一種利用低速低功耗的無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)技術(shù)IEEE802.15.4[1]來(lái)實(shí)現無(wú)線(xiàn)VoIP話(huà)機系統的方案，并在基于Freescale射頻芯片MC13192的硬件平臺上成功實(shí)現了該方案。

　　無(wú)線(xiàn)VoIP話(huà)機系統方案

　　作為無(wú)線(xiàn)便攜設備，功耗是首要考慮的一個(gè)因素，如果把網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧，各個(gè)語(yǔ)音處理模塊，無(wú)線(xiàn)通信都放在手持設備上，必然造成手持設備功能復雜，功耗過(guò)大。本設計考慮將嵌入式VoIP話(huà)機劃分為兩部分：無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)和手持設備端。無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)作為該系統的非移動(dòng)端，以有線(xiàn)方式連接到互聯(lián)網(wǎng)，主要處理網(wǎng)絡(luò )及會(huì )話(huà)協(xié)議，各種語(yǔ)音壓縮標準與g.726壓縮標準之間的轉換以及無(wú)線(xiàn)收發(fā)工作，而作為真正移動(dòng)部分的手持設備端僅作簡(jiǎn)單的會(huì )話(huà)信令處理，g.726語(yǔ)音編解碼和無(wú)線(xiàn)收發(fā)工作。在這種結構下，還可以增加手持設備的數量，實(shí)現多路無(wú)線(xiàn)通話(huà)，本設計成功實(shí)現了兩個(gè)手持設備的無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音通話(huà)。即兩個(gè)手持設備可同時(shí)與互聯(lián)網(wǎng)上其它用戶(hù)建立語(yǔ)音通話(huà)。該無(wú)線(xiàn)VoIP話(huà)機系統如圖1所示。

圖1 無(wú)線(xiàn)VoIP話(huà)機的系統示意圖

　　無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)同手持設備端之間的無(wú)線(xiàn)通信采用了低速低功耗的IEEE802.15.4協(xié)議，采用該協(xié)議雖然能極大地降低系統特別是手持設備的功耗，但僅僅250Kb/s的無(wú)線(xiàn)帶寬對語(yǔ)音的傳輸卻提出了挑戰。為適應250Kb/s的無(wú)線(xiàn)傳輸速率同時(shí)保證語(yǔ)音質(zhì)量，本設計采用了g.726壓縮編解碼將語(yǔ)音速率從64Kb/s降低到16Kb/s。另外根據該應用的特點(diǎn)：手持設備與語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)間僅構成星型拓撲結構，刪減了IEEE802.15.4協(xié)議部分功能，對其幀結構也作了一定修改以增加負載數據在幀中所占的比例。

　　SIP協(xié)議與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)內部會(huì )話(huà)信令

　　VoIP目前有兩大獨立的信令標準：H.323協(xié)議和SIP協(xié)議。H.323主要參考了傳統PSTN的呼叫控制和信令架構，便于與傳統電話(huà)網(wǎng)相連。SIP協(xié)議是由IETF在1999年提出來(lái)的一個(gè)應用控制協(xié)議，它可用來(lái)創(chuàng )建、修改以及終結多個(gè)參與者參加的多媒體會(huì )話(huà)進(jìn)程。SIP協(xié)議借鑒了Internet協(xié)議設計思想，具有簡(jiǎn)單，開(kāi)放，可擴展等特點(diǎn)。本設計采用了SIP協(xié)議，并在實(shí)現時(shí)采用了源代碼開(kāi)放的SIP協(xié)議棧osip2/eXosip庫。

　　無(wú)線(xiàn)網(wǎng)內部會(huì )話(huà)信令是本設計中無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)與手持設備間進(jìn)行通話(huà)所交互的信令。該信令集可以看成SIP信令在本無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中的擴展。由于SIP協(xié)議是放在無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)上實(shí)現，而在會(huì )話(huà)過(guò)程中，部分SIP事件例如發(fā)起呼叫，需要由手持設備來(lái)響應或送出，所以需要無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)將這部分消息發(fā)送給手持設備，同時(shí)需要將從手持設備接收到的消息轉換成相應的SIP信息發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)內部會(huì )話(huà)信令便在無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)和手持設備間充當了信息傳遞的橋梁。表1列舉了部分無(wú)線(xiàn)網(wǎng)內部會(huì )話(huà)信令在軟件實(shí)現中定義的宏名。

　　這里以無(wú)線(xiàn)手持設備發(fā)起呼叫為例介紹無(wú)線(xiàn)手持設備如何通過(guò)內部會(huì )話(huà)信令與其他VoIP電話(huà)建立會(huì )話(huà)，如圖2所示。

圖2 無(wú)線(xiàn)手持設備發(fā)起呼叫信令交互

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　　當用戶(hù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)手持設備撥打一個(gè)號碼時(shí)，無(wú)線(xiàn)手持設備將發(fā)送一個(gè)HtoG_CALL_ NEW的內部會(huì )話(huà)信令連同呼叫的號碼給無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)，無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)收到該信令后，將根據該信令構造相應的SIP消息并發(fā)送到外部網(wǎng)絡(luò )。當無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)收到來(lái)自被叫方表示振鈴信息的暫時(shí)應答RINGING時(shí),將發(fā)送一個(gè)GtoH_CALL_RINGING的內部會(huì )話(huà)信令給手持設備。當無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)收到來(lái)自被叫方表示應答的信息ANSWERED時(shí),語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)將啟動(dòng)RTP線(xiàn)程并發(fā)送一個(gè)GtoH_CALL_ANSWERED的內部會(huì )話(huà)信令給手持設備以通知被叫方已應答。此時(shí)手持設備開(kāi)啟語(yǔ)音進(jìn)程，與被叫方實(shí)現通話(huà)。

　　無(wú)線(xiàn)MAC層設計和同步的實(shí)現

　　根據設計的特點(diǎn)，無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)同手持設備間的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )采用星型拓撲結構，無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)作為無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)的協(xié)調器同手持設備進(jìn)行信息交互。IEEE802.15.4MAC層分為使用信標幀和不使用信標幀兩種工作模式，本設計采用使用信標幀同步的超幀結構，由無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)發(fā)送信標幀同步無(wú)線(xiàn)手持設備的數據傳輸。本設計中超幀長(cháng)30ms,等分為16個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙為1.875ms。信標幀在時(shí)隙1發(fā)送，時(shí)隙2到時(shí)隙8為競爭時(shí)隙，使用時(shí)隙CSMA-CA算法傳輸命令幀和應答幀。時(shí)隙9到時(shí)隙16固定分配給兩個(gè)手持設備作為上下行語(yǔ)音數據通道。上下行各兩個(gè)時(shí)隙的分配可以滿(mǎn)足經(jīng) g.726壓縮后16Kb/s的語(yǔ)音數據傳輸帶寬要求。超幀結構如圖3所示。

圖3 超幀結構

　　對于命令幀，采用應答和超時(shí)重發(fā)機制保證其可靠傳輸。對于語(yǔ)音數據，采用5/6分組FEC糾錯算法改善語(yǔ)音質(zhì)量。該糾錯算法可以恢復五個(gè)連續語(yǔ)音數據包中任意丟失的一個(gè)，且實(shí)現簡(jiǎn)單，延遲較小。

　　由于所有信息傳輸都是在雙方約定的時(shí)隙內進(jìn)行，時(shí)隙的錯位，抖動(dòng)都將造成丟幀，而丟幀對語(yǔ)音質(zhì)量的影響非常大，所以本設計的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是實(shí)現語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)與手持設備間的精確同步，即手持設備在收到信標幀后保證隨后15個(gè)時(shí)隙與語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)的對應時(shí)隙對齊。本設計利用了射頻芯片MC13192的接收時(shí)間戳功能來(lái)實(shí)現精確同步，如圖4所示。

圖4 超幀的同步

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　　時(shí)隙1開(kāi)始后，語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)需要TSTms的時(shí)間將射頻芯片從空閑狀態(tài)轉換為發(fā)送狀態(tài)，當轉換為發(fā)送狀態(tài)后，預先存儲在射頻芯片發(fā)送RAM中的信標幀立即開(kāi)始發(fā)送，手持設備上的射頻芯片在收到六個(gè)字節TSPms后自動(dòng)鎖存一個(gè)當前時(shí)間timestamp(時(shí)間戳), 這個(gè)值由手持設備在正確接收完信標幀后讀取。根據這個(gè)值，手持設備可以設定MC13192定時(shí)器在(timestamp+1875-TST- TSP)ms時(shí)刻產(chǎn)生中斷，進(jìn)入該中斷服務(wù)程序的時(shí)刻即時(shí)隙2的起始時(shí)刻。在時(shí)隙2中使用MCU定時(shí)器設置隨后14個(gè)時(shí)隙的定時(shí)中斷產(chǎn)生時(shí)間，定時(shí)時(shí)間為1875ms。設置MC13192定時(shí)器中斷相關(guān)代碼如下所示：

　　switch(frametype)

　　{

　　/*收到信標幀*/

　　case BEACON:

　　/*獲取接收時(shí)間戳*/

　　timestamp=PLMEGetTimestampRequest();

　　/*設置時(shí)隙2定時(shí)中斷時(shí)刻*/

　　PLMEEnableMC13192Timer1(timestamp+1875-144-192);

　　beacon_receive_index++;

　　break;

　　case DATA:

　　...

　　}

　　在時(shí)隙2中斷服務(wù)程序中設置隨后14個(gè)時(shí)隙中斷時(shí)刻，代碼如下所示：

　　/*MC13192定時(shí)器1中斷服務(wù)*/

　　if ((u16StatusContent & TIMER1_IRQ_MASK) != 0) {

　　/* 停止MC13192計數器*/

　　SPIDrvWrite(T1_HI_ADDR, 0x8000);

　　/* 設置MCU定時(shí)器*/

　　EnableTMR(1875);

　　無(wú)線(xiàn)手持設備端的硬件框架

　　手持設備端的硬件結構需要支持以下功能：