基于IEEE802.15.4的無線VoIP話機系統

　　摘要： 隨著網絡的普及，基于分組交換的VoIP技術得到迅猛發展。如何將VoIP技術與無線通信技術相結合，實現無線VoIP話機是當前嵌入式VoIP話機設計的一個新方向。本文提出了一種適用于家庭辦公室小范圍內的無線VoIP話機系統設計方案，并且將該方案在具體的硬件平臺上付諸實現。本文重點介紹了該系統的設計特點，無線MAC層的設計，以及手持設備端的硬件結構和軟件結構。

　　關鍵詞： IEEE802.15.4;mC/OS-II;SIP;g.726

　　當前VoIP技術和無線通信技術的迅速發展為無線VoIP話機的實現創造了條件，也形成了一個研究熱點。當前提出的設計方案有采用802.11協議(WLAN)實現VoIP無線化，雖然覆蓋范圍可達上百米，充足的帶寬對語音壓縮也沒有過高要求，但作為移動便攜設備，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，提出了一種利用低速低功耗的無線個域網技術IEEE802.15.4[1]來實現無線VoIP話機系統的方案，并在基于Freescale射頻芯片MC13192的硬件平臺上成功實現了該方案。

　　無線VoIP話機系統方案

　　作為無線便攜設備，功耗是首要考慮的一個因素，如果把網絡協議棧，各個語音處理模塊，無線通信都放在手持設備上，必然造成手持設備功能復雜，功耗過大。本設計考慮將嵌入式VoIP話機劃分為兩部分：無線語音網關和手持設備端。無線語音網關作為該系統的非移動端，以有線方式連接到互聯網，主要處理網絡及會話協議，各種語音壓縮標準與g.726壓縮標準之間的轉換以及無線收發工作，而作為真正移動部分的手持設備端僅作簡單的會話信令處理，g.726語音編解碼和無線收發工作。在這種結構下，還可以增加手持設備的數量，實現多路無線通話，本設計成功實現了兩個手持設備的無線語音通話。即兩個手持設備可同時與互聯網上其它用戶建立語音通話。該無線VoIP話機系統如圖1所示。

圖1 無線VoIP話機的系統示意圖

　　無線語音網關同手持設備端之間的無線通信采用了低速低功耗的IEEE802.15.4協議，采用該協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的無線帶寬對語音的傳輸卻提出了挑戰。為適應250Kb/s的無線傳輸速率同時保證語音質量，本設計采用了g.726壓縮編解碼將語音速率從64Kb/s降低到16Kb/s。另外根據該應用的特點：手持設備與語音網關間僅構成星型拓撲結構，刪減了IEEE802.15.4協議部分功能，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協議與無線網內部會話信令

　　VoIP目前有兩大獨立的信令標準：H.323協議和SIP協議。H.323主要參考了傳統PSTN的呼叫控制和信令架構，便于與傳統電話網相連。SIP協議是由IETF在1999年提出來的一個應用控制協議，它可用來創建、修改以及終結多個參與者參加的多媒體會話進程。SIP協議借鑒了Internet協議設計思想，具有簡單，開放，可擴展等特點。本設計采用了SIP協議，并在實現時采用了源代碼開放的SIP協議棧osip2/eXosip庫。

　　無線網內部會話信令是本設計中無線語音網關與手持設備間進行通話所交互的信令。該信令集可以看成SIP信令在本無線網絡中的擴展。由于SIP協議是放在無線語音網關上實現，而在會話過程中，部分SIP事件例如發起呼叫，需要由手持設備來響應或送出，所以需要無線語音網關將這部分消息發送給手持設備，同時需要將從手持設備接收到的消息轉換成相應的SIP信息發送到互聯網。無線網內部會話信令便在無線語音網關和手持設備間充當了信息傳遞的橋梁。表1列舉了部分無線網內部會話信令在軟件實現中定義的宏名。

　　這里以無線手持設備發起呼叫為例介紹無線手持設備如何通過內部會話信令與其他VoIP電話建立會話，如圖2所示。

圖2 無線手持設備發起呼叫信令交互

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　　當用戶通過無線手持設備撥打一個號碼時，無線手持設備將發送一個HtoG_CALL_ NEW的內部會話信令連同呼叫的號碼給無線語音網關，無線語音網關收到該信令后，將根據該信令構造相應的SIP消息并發送到外部網絡。當無線語音網關收到來自被叫方表示振鈴信息的暫時應答RINGING時,將發送一個GtoH_CALL_RINGING的內部會話信令給手持設備。當無線語音網關收到來自被叫方表示應答的信息ANSWERED時,語音網關將啟動RTP線程并發送一個GtoH_CALL_ANSWERED的內部會話信令給手持設備以通知被叫方已應答。此時手持設備開啟語音進程，與被叫方實現通話。

　　無線MAC層設計和同步的實現

　　根據設計的特點，無線語音網關同手持設備間的無線網絡采用星型拓撲結構，無線語音網關作為無線個域網的協調器同手持設備進行信息交互。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，由無線語音網關發送信標幀同步無線手持設備的數據傳輸。本設計中超幀長30ms,等分為16個時隙，每個時隙為1.875ms。信標幀在時隙1發送，時隙2到時隙8為競爭時隙，使用時隙CSMA-CA算法傳輸命令幀和應答幀。時隙9到時隙16固定分配給兩個手持設備作為上下行語音數據通道。上下行各兩個時隙的分配可以滿足經 g.726壓縮后16Kb/s的語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，采用應答和超時重發機制保證其可靠傳輸。對于語音數據，采用5/6分組FEC糾錯算法改善語音質量。該糾錯算法可以恢復五個連續語音數據包中任意丟失的一個，且實現簡單，延遲較小。

　　由于所有信息傳輸都是在雙方約定的時隙內進行，時隙的錯位，抖動都將造成丟幀，而丟幀對語音質量的影響非常大，所以本設計的一個關鍵點是實現語音網關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個時隙與語音網關的對應時隙對齊。本設計利用了射頻芯片MC13192的接收時間戳功能來實現精確同步，如圖4所示。

圖4 超幀的同步

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　　時隙1開始后，語音網關需要TSTms的時間將射頻芯片從空閑狀態轉換為發送狀態，當轉換為發送狀態后，預先存儲在射頻芯片發送RAM中的信標幀立即開始發送，手持設備上的射頻芯片在收到六個字節TSPms后自動鎖存一個當前時間timestamp(時間戳), 這個值由手持設備在正確接收完信標幀后讀取。根據這個值，手持設備可以設定MC13192定時器在(timestamp+1875-TST- TSP)ms時刻產生中斷，進入該中斷服務程序的時刻即時隙2的起始時刻。在時隙2中使用MCU定時器設置隨后14個時隙的定時中斷產生時間，定時時間為1875ms。設置MC13192定時器中斷相關代碼如下所示：

　　switch(frametype)

　　{

　　/*收到信標幀*/

　　case BEACON:

　　/*獲取接收時間戳*/

　　timestamp=PLMEGetTimestampRequest();

　　/*設置時隙2定時中斷時刻*/

　　PLMEEnableMC13192Timer1(timestamp+1875-144-192);

　　beacon_receive_index++;

　　break;

　　case DATA:

　　...

　　}

　　在時隙2中斷服務程序中設置隨后14個時隙中斷時刻，代碼如下所示：

　　/*MC13192定時器1中斷服務*/

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

　　/* 停止MC13192計數器*/

　　SPIDrvWrite(T1_HI_ADDR, 0x8000);

　　/* 設置MCU定時器*/

　　EnableTMR(1875);

　　無線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：