分析了基于WPAN的語音通信系統(tǒng)（VoWPAN）的優(yōu)點，設(shè)計并研制了應(yīng)用在石油井場的VoWPAN系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括音頻網(wǎng)關(guān)和語音終端2部分，能夠提供音頻網(wǎng)關(guān)到語音終端之間點到點、點到多點的無線語音通信。
通過采用高密度封裝的藍牙模塊和集成化的設(shè)計，減小了系統(tǒng)的尺寸。針對語音終端待機時間短的問題，采用休眠模式、減小掃描窗長度、增大掃描間隔、關(guān)閉主機接口等措施，降低了功耗。通過分離音頻網(wǎng)關(guān)的主機和射頻前端，簡化了天線的設(shè)計難度，降低了成本，克服了某些場合的屏蔽效應(yīng)。采用規(guī)范的藍牙通信協(xié)議，可以與普通的藍牙產(chǎn)品兼容。經(jīng)測試，系統(tǒng)的通信距離可達100m。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于國內(nèi)許多油田的井場控制。
作為現(xiàn)有骨干網(wǎng)絡(luò)（如因特網(wǎng)、公眾電話網(wǎng)和公眾移動通信網(wǎng)）的一種補充和延伸，無線個域網(wǎng)（wireless personal area network，WPAN）技術(shù)的應(yīng)用方興未艾，基于WPAN的語音通信系統(tǒng)（voice overWPAN，VoWPAN）已逐漸成為一種新的應(yīng)用。通過VoWPAN，人們可以無縫地接入現(xiàn)有的公眾電話網(wǎng)（public switched telephone network，PSTN），在家庭、辦公室等室內(nèi)場合使用手機通信但發(fā)射功率極小且僅花費固定網(wǎng)絡(luò)的資費。對于固定和移動通信網(wǎng)絡(luò)運營商來說，引入VoWPAN，可以通過不同于有線或公眾蜂房系統(tǒng)的電話業(yè)務(wù)，為企業(yè)、商場和家庭用戶提供通信服務(wù)，從而有效擴展網(wǎng)絡(luò)覆蓋率，提高市場競爭力。
藍牙（Bluetooth）作為WPAN的關(guān)鍵技術(shù)之一，應(yīng)用于VoWPAN具有廣闊的前景。本文把藍牙作為VoWPAN的主要技術(shù)，在參考國際藍牙專業(yè)組（special interesTIng group，SIG）提出的藍牙語音應(yīng)用參考模型的基礎(chǔ)上，著重闡述其在井場無線通信VoWPAN中的應(yīng)用，給出了一種新型的VoWPAN系統(tǒng)的設(shè)計和研制，包括其軟、硬件結(jié)構(gòu)和工作流程；然后分析其性能，特別是系統(tǒng)的電流消耗，給出了降低功耗的方法；最后剖析了VoWPAN尚存的問題和今后的發(fā)展方向。
VoWPAN的關(guān)鍵技術(shù)
VoWPAN利用PSTN網(wǎng)絡(luò)的普遍性和成熟性，在家庭和企業(yè)環(huán)境中，通過使用WPAN語音終端，在WPAN覆蓋范圍內(nèi)自由組網(wǎng)免費通話或者通過PSTN撥打市話。一般來說，VoWPAN系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：
1）采用的語音編碼應(yīng)具有較小的時延。目前，比較常見的語音編碼調(diào)制技術(shù)，主要有脈沖編碼調(diào)制（pulse codemodulaTIon，PCM）和增量調(diào)制。為了提高增量調(diào)制的動態(tài)范圍進而提高信噪比，通常采用連續(xù)可變斜率增量調(diào)制（conTInuous variableslope delta，CVSD）。測試表明，在同樣的信息傳輸速率條件下CVSD的性能優(yōu)于PCM，其誤碼率即使達到4%，話音質(zhì)量也可以接受。
2）必須能夠抵御WPAN環(huán)境中存在的各種干擾。跳頻技術(shù)采用正交的偽隨機跳變圖案以避免“碰撞”，具有很強的抗干擾能力。但是在一個分散的系統(tǒng)中不可能有理想正交的跳頻圖案，這就導(dǎo)致了2個或多個用戶同時在同一頻隙上發(fā)送信號，即產(chǎn)生碰撞，碰撞概率隨著系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)數(shù)量的增加而增加。另外，在藍牙的工作頻帶內(nèi)還有很多使用跳頻技術(shù)的系統(tǒng)。
3）應(yīng)嚴格限制幾何尺寸，同時具有規(guī)范的接口，從而可以方便地集成到現(xiàn)有的語音終端設(shè)備中（如無線對講機、蜂窩電話等）。鑒于本系統(tǒng)的典型應(yīng)用是要將語音終端佩戴在用戶頭上，其體積和質(zhì)量都有非常嚴格的要求。
根據(jù)上述要求，本系統(tǒng)采用了DELTA公司的DFBM-CF121藍牙模塊，集成了CSRBC02、PCM編解碼器、Flash存儲和晶振等部件，其尺寸僅為10.5mm&TImes;10.5mm×2.0mm。藍牙技術(shù)規(guī)范的開放性保證了設(shè)備制造商可以自由地選用其專利協(xié)議或常用的公共協(xié)議，在此基礎(chǔ)上開發(fā)新的應(yīng)用。本文提出的語音通信系統(tǒng)就是在其核心協(xié)議的基礎(chǔ)上，對語音終端和音頻網(wǎng)關(guān)進行了控制、管理應(yīng)用程序的開發(fā)。
藍牙1.1標準規(guī)定用于傳輸語音的鏈路是同步面向連接鏈路（synchronous connection-oriented，SCO），支持對稱、電路交換和點到點連接。目前藍牙112標準和210標準增加了增強型同步面向連接鏈路（extended synchronous connection-oriented，eSCO），eSCO是在標準的SCO鏈路上增加一些擴展機制，使得鏈路能夠支持更靈活的數(shù)據(jù)包格式、包內(nèi)的數(shù)據(jù)內(nèi)容、時隙周期，同時還允許加入同步比特。另外，eSCO支持有限的數(shù)據(jù)重傳，增強了同步傳輸過程中的錯誤檢測和重傳機制，非常適合傳輸話音。
藍牙的跳頻序列周期很長，具有很強的抗干擾性能，可大大降低不同類型網(wǎng)絡(luò)間和相同類型網(wǎng)絡(luò)間的干擾，有利于對同步要求很高的語音業(yè)務(wù)。
另外，SIG也致力于開發(fā)藍牙在語音方面的新應(yīng)用。SIG早在藍牙1.1標準發(fā)布時就給出了有關(guān)藍牙語音應(yīng)用的若干參考模型，包括無繩電話應(yīng)用模型（cordless telephone profile，CTP）、對講機應(yīng)用模型（intercom profile，IntP）、耳機應(yīng)用模型（head setprofile，HSP）、車載免提應(yīng)用模型（hand freeprofile，HFP）等。目前，SIG又提出了一些新的語音應(yīng)用參考模型，比如寬帶語音應(yīng)用模型（wide band speech，WB-Speech），采用16kHz采樣率，符合藍牙1.2標準規(guī)定的支持錯誤檢測和重傳機制的同步鏈路。此外，SIG還不斷提出語音應(yīng)用模型的新版本（例如HFP1.5，CTP1.2，IntP1.2版本等），具有更高的連接速度、更有效的錯誤檢測和流量控制、更強的同步能力。
由于藍牙技術(shù)在語音傳輸方面的優(yōu)勢，必將使其成為VoWPAN的關(guān)鍵技術(shù)。
VoWPAN通信系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)
藍牙VoWPAN通信系統(tǒng)原理如圖1所示。通信系統(tǒng)采用藍牙技術(shù)，以藍牙電話應(yīng)用框架為參考，充分利用了藍牙語音質(zhì)量好、體積小、功耗低、成本低和抗干擾能力強的特點，實現(xiàn)了語音終端與音頻網(wǎng)關(guān)之間點到點、點到多點通信的無線語音接入系統(tǒng)。其中，語音終端可以是本文所述的藍牙語音終端，也可以是普通的藍牙耳機、帶有藍牙功能的蜂窩手機、支持藍牙功能的筆記本電腦等。
本文主要介紹已經(jīng)成功應(yīng)用于石油井場的語音通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)是VoWPAN技術(shù)在石油鉆井平臺現(xiàn)場的應(yīng)用。井場示意圖如圖2所示，整個系統(tǒng)以鉆井平臺上的司鉆控制室為中心，通信范圍覆蓋井架、發(fā)電裝置、泥漿裝置等設(shè)施。工作人員在覆蓋區(qū)內(nèi)可以自由地進行通話。在井場內(nèi)部局域網(wǎng)內(nèi)形成VoWPAN的應(yīng)用。由于采用了免提設(shè)計，工作人員使用時甚至不需要用手按鍵，因此特別適合無法用手接聽時的場合。如果司鉆控制臺接有電話線，只需在網(wǎng)關(guān)端加入電話處理模塊，覆蓋區(qū)內(nèi)的工作人員可以通過司鉆控制臺撥打電話。
相對于VoWPAN在家庭、辦公室應(yīng)用，系統(tǒng)在尺寸、節(jié)能、抗干擾等方面有更高的要求。因此，本文所述井場的語音通信系統(tǒng)完全可以應(yīng)用在醫(yī)院、家庭、辦公室等各種場合。
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