一種具有多跳功能的無線VoIP終端設計

摘 要:針對目前工廠生產(chǎn)線調(diào)度系統(tǒng)的通信需求，設計一種具有多跳功能、基于IEEE 802.11的無線VoIP終端。采用基于MIPS結(jié)構(gòu)的嵌入式微處理器ADM5120作為主要器件，通過對IEEE 802.11b/g無線模塊驅(qū)動和上層應用程序的開發(fā)，特別是AODV路由協(xié)議的實現(xiàn)和加載，在硬件平臺實現(xiàn)了多跳通話功能。測試結(jié)果表明，多跳通話可以保證較好的語音質(zhì)量。

關鍵詞:無線VoIP;IEEE 802.11;AODV;多跳通話

中圖分類號:TN919 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)03-059-03

Design of Wireless VoIP Terminal with Multi-hop Function

YANG Sen，XI Yong，WANG Lijie

(School of Electronic Science and Engineer，National University of Defense Technology，Changsha，410073，China)

Abstract:In order to satisfy the current requirements of control system in production line，a wireless VoIP terminal based on IEEE 802.11 with multi-hop function is designed.Adopting the embedded microprocessor ADM5120 which is in MIPS structure as the main components，developing the upper layer application program and module of IEEE 802.11b/g wireless driver，especially accomplishing protocol of AODV，multi-hop audio communication is implemented in the hardware platform.The results of practical tests indicate that this terminal can ensure the audio quality.

Keywords:wireless VoIP;IEEE 802.11;AODV;multi-hop audio communication

0 引 言

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。基于IEEE 802.11協(xié)議的無線局域網(wǎng)接入技術(shù)擁有廣泛的應用基礎，具有傳輸速率快，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)議的無線局域網(wǎng)上實現(xiàn)語音通信目的，必須采用無線VoIP(Voice over IP)技術(shù)。考慮到一般工廠的通信范圍為1 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VoIP終端設計方案，并通過在嵌入式終端上實現(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)，使終端具有了多跳通話功能。

1 相關技術(shù)及協(xié)議

1.1 VoIP

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)[1]。其基本原理是利用電話網(wǎng)關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)侥康牡兀康牡厥盏竭@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 802.11a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[2]，是專為移動Ad Hoc網(wǎng)絡設計的路由協(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(Internet Engineering 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，本設計采用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[3]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功能。

(2) 語音處理模塊

采用了高性能的DSP(VINETIC-2CPE)，具有很強大的數(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、譯碼等功能，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。

圖1 硬件架構(gòu)圖

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。

圖2 軟件架構(gòu)圖

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 Driver for wifi)驅(qū)動。madwifi是為Atheros系列芯片IEEE 802.11a/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)?包括電話應用程序接口TAPI(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)。

3.1 無線模塊驅(qū)動編譯

所有的Atheros芯片無線網(wǎng)卡基本都可以使用madwifi驅(qū)動，驅(qū)動程序源碼madwifi-0.9.4.tar.gz可以從http://madwifi.org/上下載。在進行無線模塊驅(qū)動開發(fā)時，首先要配置并編譯Linux內(nèi)核，使其支持MiniPCI網(wǎng)卡，然后針對終端環(huán)境修改madwifi-0.9.4目錄下的Makefile，再使用make命令進行編譯，生成適用于MIPS的驅(qū)動程序模塊，并使用insmod命令將模塊在終端的Linux中進行加載。加載成功后，用Linux下的無線局域網(wǎng)工具命令iwconfig對無線網(wǎng)卡進行配置，注意配置時要將無線網(wǎng)卡的工作模式設定成為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，因此要實現(xiàn)AODV路由協(xié)議需要對操作系統(tǒng)進行相應的擴充和修改。

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[4，5]，可以在轉(zhuǎn)發(fā)功能模塊保持不變的情況下，通過修改路由功能模塊，實現(xiàn)不同的路由協(xié)議。轉(zhuǎn)發(fā)功能在Linux內(nèi)核中實現(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，按照最長前綴匹配原則尋找與目的地址匹配的表項，如果找到匹配項，則將數(shù)據(jù)分組發(fā)送到相應的網(wǎng)絡接口;否則就丟棄該分組[6]。路由功能模塊作為后臺進程在用戶空間運行，主要負責與其他網(wǎng)絡節(jié)點進行信息交流，采用適當?shù)穆酚伤惴ń⒙酚桑潞途S護內(nèi)核路由表。

目前發(fā)布的針對AODV協(xié)議的實現(xiàn)方案中多數(shù)協(xié)議的實現(xiàn)都采用了Netfilter功能框架[7]。 Netfilter是Linux核心中的一個通用架構(gòu)，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)包過濾、狀態(tài)保持、NAT以及安全等多種網(wǎng)絡功能。Netfilter結(jié)構(gòu)提供了一系列的“列表”(tables)，每個列表由若干個“鏈”(chains)組成，而每條鏈中又可以有一條或數(shù)條規(guī)則(rules)進行規(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”。當一個數(shù)據(jù)包到達一個鏈時，系統(tǒng)就會從第一條規(guī)則開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)就會根據(jù)該鏈的缺省策略處理該報文。

Linux在內(nèi)核2.4版本以上的系統(tǒng)中提供了五個hook注冊點，這些hook點處在數(shù)據(jù)分組流經(jīng)協(xié)議棧的幾個關鍵位置，用戶可以在這些位置注冊自己定義的操作函數(shù)，流經(jīng)hook點的數(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hook函數(shù)組成[8]。

圖3 Netfilter的結(jié)構(gòu)組成

在AODV協(xié)議的實現(xiàn)過程中，Netfilter的配置是協(xié)議正常運行的前提，需要在內(nèi)核中注冊hook函數(shù)，但并不是所有的Linux系統(tǒng)都默認啟用Netfilter，因此需要在內(nèi)核配置選項中進行配置并編譯進內(nèi)核。進入Linux內(nèi)核源代碼安裝目錄，輸入make menuconfig命令進入內(nèi)核配置主菜單，通過空格鍵選擇:

Networking options --> [*] Network packet filtering (replaces ipchains)

IP:Netfilter Configuration --> <*> Userspace queueing via NETLINK

4 結(jié) 語

結(jié)合IEEE 802.11無線技術(shù)和VoIP技術(shù)的優(yōu)勢，采用了高性能的微處理器ADM5120和功能穩(wěn)定強大的嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為軟件平臺，構(gòu)建了一個基于IEEE 802.11b/g技術(shù)的無線VoIP便攜式終端。通過在終端的系統(tǒng)上加載AODV路由協(xié)議實現(xiàn)了多跳的功能。經(jīng)過三臺終端的聯(lián)合測試，多跳通話可以保證良好的語音效果。

參考文獻

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