一種具有多跳功能的無(wú)線VoIP終端設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的工廠生產(chǎn)線調(diào)度系統(tǒng)通信都是通過(guò)有線電話實(shí)現(xiàn)的。這種有線連接方式存在著無(wú)法滿足移動(dòng)通信需求，線纜設(shè)施易受損，且布設(shè)和維護(hù)成本高等諸多問(wèn)題。基于IEEE 802.11協(xié)議的無(wú)線局域網(wǎng)接入技術(shù)擁有廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)，具有傳輸速率快，覆蓋范圍廣等突出優(yōu)勢(shì)，可以很好地解決這些問(wèn)題。

為了能在基于IEEE 802.11協(xié)議的無(wú)線局域網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音通信目的，必須采用無(wú)線VoIP(Voice overIP)技術(shù)。考慮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(wú)線VoIP終端設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)在嵌入式終端上實(shí)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)，使終端具有了多跳通話功能。

1 相關(guān)技術(shù)及協(xié)議

1.1 VoIP

VoIP是利用IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音通信的一種先進(jìn)通信手段，是基于IP網(wǎng)絡(luò)的語(yǔ)音傳輸技術(shù)。其基本原理是利用電話網(wǎng)關(guān)服務(wù)器之類(lèi)的設(shè)備將電話語(yǔ)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(yǔ)音數(shù)據(jù)按IP等相關(guān)協(xié)議進(jìn)行打包并通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)包傳輸?shù)侥康牡?，目的地收到這一串?dāng)?shù)據(jù)包后，將數(shù)據(jù)重組、解壓縮后再還原成原來(lái)的語(yǔ)音信號(hào)，這樣就達(dá)到了通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送語(yǔ)音的目的。

采用VoIP技術(shù)進(jìn)行語(yǔ)音傳輸?shù)淖畲髢?yōu)勢(shì)在于能夠以報(bào)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(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，以降低數(shù)據(jù)量，可以將傳統(tǒng)的64 Kb／s語(yǔ)音信號(hào)壓縮成6～8 Kb／s，從而有效地節(jié)省了帶寬，同時(shí)由于不需要單獨(dú)建立通信網(wǎng)絡(luò)，大大降低了通信費(fèi)用。

1.2 IEEE 802.11無(wú)線技術(shù)

IEEE 802.11是由IEEE定義的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，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(fù)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(shì)在于傳輸速率快(最高達(dá)54 Mb／s)且干擾少，但價(jià)格相對(duì)較高。IEEE 802.11b工作于2.4 GHz頻段，使用補(bǔ)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(shì)在于價(jià)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(wèn)控制層標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(zhuān)為移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的路由協(xié)議，它的處理過(guò)程簡(jiǎn)單，路由開(kāi)銷(xiāo)以及存儲(chǔ)開(kāi)銷(xiāo)都較小，能對(duì)鏈路狀態(tài)的變化做出快速反應(yīng)，并通過(guò)在控制報(bào)文中引入序列號(hào)，確保在任何時(shí)候都不會(huì)形成路由環(huán)。由于AODV路由協(xié)議性能優(yōu)越，且實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低，被IETF(InternetEngineering Task Force)的MANET工作組認(rèn)為是無(wú)線自組網(wǎng)最好的候選路由協(xié)議之一。因此，本設(shè)計(jì)采用AODV作為路由協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方案。

2 終端硬件設(shè)計(jì)

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(shí)在終端集成了存儲(chǔ)器模塊、語(yǔ)音處理模塊、FXS連接模塊、IEEE 802.11b／g無(wú)線模塊等共同構(gòu)建終端的硬件平臺(tái)。


(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(dá)175 MHz，內(nèi)部集成了8 KB指令緩存和8 KB數(shù)據(jù)緩存，對(duì)外提供8／16位的LOCAL BUS(支持標(biāo)準(zhǔn)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(gè)Switch引擎、5路10／100 Mb／s的PHY芯片，可對(duì)外提供5個(gè)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(yùn)行、資源的管理和分配、與各個(gè)模塊的接口和通信等功能。

(2)語(yǔ)音處理模塊

采用了高性能的DSP(VINETIC-2CPE)，具有很強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理能力。用于完成處理模擬電話信號(hào)，語(yǔ)音壓縮包，并提供實(shí)時(shí)壓縮包的緩沖，自適應(yīng)回聲抵消，靜音檢測(cè)，DTMF信號(hào)產(chǎn)生、譯碼等功能，且不需要另外的存儲(chǔ)單元。

(3)FXS連接模塊

終端通過(guò)一個(gè)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(guò)程中，模擬話音信號(hào)通過(guò)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(yǔ)音處理模塊中進(jìn)行處理。SLIC即用戶(hù)線接口電路，主要完成用戶(hù)狀態(tài)檢測(cè)和語(yǔ)音信號(hào)輸入輸出。它能夠檢測(cè)電話為掛機(jī)狀態(tài)還是摘機(jī)狀態(tài)，并產(chǎn)生高電壓驅(qū)動(dòng)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(hào)轉(zhuǎn)換為可通過(guò)’VoIP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)。DAC將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電平，以驅(qū)動(dòng)模擬電話。

(4)IEEE 802.11b／g無(wú)線模塊

IEEE 802.11b／g無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)空中無(wú)線接口，完成無(wú)線局域網(wǎng)的接入功能。終端提供一個(gè)MiniPCI接口，采用的是美國(guó)Atheros公司AR2413芯片組的無(wú)線網(wǎng)卡WMIA-165G，支持IEEE 802.11b／g標(biāo)準(zhǔn)，可提供54 Mb／s高速無(wú)線連接。

3 終端軟件設(shè)計(jì)

終端采用了主流的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，Linux具有源碼開(kāi)放，穩(wěn)定性與安全性較高，移植和擴(kuò)展能力較好的特點(diǎn)。如圖2所示，采用模塊化的設(shè)計(jì)思想對(duì)終端軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。


硬件驅(qū)動(dòng)層：主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)IEEE 802.11b／g無(wú)線模塊、DSP芯片、以太網(wǎng)接口及串口等底層硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)控制。針對(duì)終端的無(wú)線網(wǎng)卡類(lèi)型，IEEE 802.11b／g無(wú)線模塊中采用了madwifi(Multiband Atheros Driverfor wifi)驅(qū)動(dòng)。madwifi是為Atheros系列芯片IEEE802.11a／b／g無(wú)線網(wǎng)卡在Linux系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)的驅(qū)動(dòng)程序。

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

應(yīng)用程序?qū)樱喊娫拺?yīng)用程序接口TAPI(Telephony Application Program Interface)3.0和Web服務(wù)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(duì)底層電話硬件進(jìn)行操作的功能，通過(guò)將呼叫控制的功能抽象出來(lái)，達(dá)到屏蔽不同的、不兼容的通信協(xié)議的目的。通過(guò)TAPI 3.0，的編程接口可以方便地自定義信令協(xié)議，完成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的撥號(hào)過(guò)程。同時(shí)為了便于使用，在終端中植入了一個(gè)支持CGI的、非常適合于嵌入式系統(tǒng)的Boa Web Server，使用戶(hù)可以通過(guò)Web頁(yè)面的用戶(hù)接口輸入?yún)?shù)來(lái)配置終端的參數(shù)。[!--empirenews.page--]

3.1 無(wú)線模塊驅(qū)動(dòng)編譯

所有的Atheros芯片無(wú)線網(wǎng)卡基本都可以使用madwifi驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)程序源碼madwifi-0.9.4.tar.gz可以從http：／／madwifi.org／上下載。在進(jìn)行無(wú)線模塊驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)時(shí)，首先要配置并編譯Linux內(nèi)核，使其支持MiniPCI網(wǎng)卡，然后針對(duì)終端環(huán)境修改madwifi-0.9.4目錄下的Makefile，再使用make命令進(jìn)行編譯，生成適用于MIPS的驅(qū)動(dòng)程序模塊，并使用insmod命令將模塊在終端的Linux中進(jìn)行加載。加載成功后，用Linux下的無(wú)線局域網(wǎng)工具命令iwconfig對(duì)無(wú)線網(wǎng)卡進(jìn)行配置，注意配置時(shí)要將無(wú)線網(wǎng)卡的工作模式設(shè)定成為Ad Hoc模式。

．／wlanconfig ath0 destroy

．／wlanconfig ath0 create wlandev wifi0 wlanmode adhoc

3.2 AODV路由協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核并不直接支持按需路由，因此要實(shí)現(xiàn)AODV路由協(xié)議需要對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)充和修改。

Linux操作系統(tǒng)的路由體系結(jié)構(gòu)按功能可分為轉(zhuǎn)發(fā)功能模塊和路由功能模塊，可以在轉(zhuǎn)發(fā)功能模塊保持不變的情況下，通過(guò)修改路由功能模塊，實(shí)現(xiàn)不同的路由協(xié)議。轉(zhuǎn)發(fā)功能在Linux內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)，根據(jù)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)分組目的地址；查找路由表，按照最長(zhǎng)前綴匹配原則尋找與目的地址匹配的表項(xiàng)，如果找到匹配項(xiàng)，則將數(shù)據(jù)分組發(fā)送到相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口；否則就丟棄該分組。路由功能模塊作為后臺(tái)進(jìn)程在用戶(hù)空間運(yùn)行，主要負(fù)責(zé)與其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交流，采用適當(dāng)?shù)穆酚伤惴ń⒙酚?，更新和維護(hù)內(nèi)核路由表。

目前發(fā)布的針對(duì)AODV協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方案中多數(shù)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)都采用了Netfilter功能框架。Netfilter是Linux核心中的一個(gè)通用架構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包過(guò)濾、狀態(tài)保持、NAT以及安全等多種網(wǎng)絡(luò)功能。Netfilter結(jié)構(gòu)提供了一系列的“列表”(tables)，每個(gè)列表由若干個(gè)“鏈”(chains)組成，而每條鏈中又可以有一條或數(shù)條規(guī)則(rules)進(jìn)行規(guī)范，規(guī)則的定義采用“如果數(shù)據(jù)包頭符合這樣的條件，就這樣處理該數(shù)據(jù)包”。當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)一個(gè)鏈時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)從第一條規(guī)則開(kāi)始查看是否符合該規(guī)則所定義的條件。如果滿足，系統(tǒng)將根據(jù)該條規(guī)則所定義的方法處理該數(shù)據(jù)包；否則，繼續(xù)檢查下一條規(guī)則。如果該數(shù)據(jù)包不符合該鏈中任何一條規(guī)則的定義，系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)該鏈的缺省策略處理該報(bào)文。

Linux在內(nèi)核2.4版本以上的系統(tǒng)中提供了五個(gè)hook注冊(cè)點(diǎn)，這些hook點(diǎn)處在數(shù)據(jù)分組流經(jīng)協(xié)議棧的幾個(gè)關(guān)鍵位置，用戶(hù)可以在這些位置注冊(cè)自己定義的操作函數(shù)，流經(jīng)hook點(diǎn)的數(shù)據(jù)分組將執(zhí)行函數(shù)的操作。如圖3所示，Netfilter便由處于Linux協(xié)議棧中的五個(gè)hook函數(shù)組成。


在AODV協(xié)議的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，Netfilter的配置是協(xié)議正常運(yùn)行的前提，需要在內(nèi)核中注冊(cè)hook函數(shù)，但并不是所有的Linux系統(tǒng)都默認(rèn)啟用Netfilter，因此需要在內(nèi)核配置選項(xiàng)中進(jìn)行配置并編譯進(jìn)內(nèi)核。進(jìn)入Linux內(nèi)核源代碼安裝目錄，輸入make manuconfig命令進(jìn)入內(nèi)核配置主菜單，通過(guò)空格鍵選擇：

Networking options-->[*]Network packet filtering(replaces ipchains)
IP：Netfilter Configuration--><*>Userspaee queueing via NETLINK

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合IEEE 802.11無(wú)線技術(shù)和VoIP技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，采用了高性能的微處理器ADM5120和功能穩(wěn)定強(qiáng)大的嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為軟件平臺(tái)，構(gòu)建了一個(gè)基于IEEE 802.11b／g技術(shù)的無(wú)線VoIP便攜式終端。通過(guò)在終端的系統(tǒng)上加載AODV路由協(xié)議實(shí)現(xiàn)了多跳的功能。經(jīng)過(guò)三臺(tái)終端的聯(lián)合測(cè)試，多跳通話可以保證良好的語(yǔ)音效果。