基于IEEE 802.11b／g技术的无线VoIP便携式终端设计

传统的工厂生产线调度系统通信都是通过有线电话实现的。这种有线连接方式存在着无法满足移动通信需求，线缆设施易受损，且布设和维护成本高等诸多问题。基于IEEE 802.11协议的无线局域网接入技术拥有广泛的应用基础，具有传输速率快，覆盖范围广等突出优势，可以很好地解决这些问题。

为了能在基于IEEE 802.11协议的无线局域网上实现语音通信目的，必须采用无线VoIP(Voice overIP)技术。考虑到一般工厂的通信范围为l km左右，目前采用基于IEEE 802.11的技术，在空旷地带的传输距离只有大约200 m，因此考虑采用多跳的方式增加通信的覆盖范围。本文提出了一种基于IEEE 802.11协议的无线VoIP终端设计方案，并通过在嵌入式终端上实现Ad Hoc路由协议AODV(Ad hoc On-demand Distance Vector，按需距离矢量路由协议)，使终端具有了多跳通话功能。

1 相关技术及协议

1.1VoIP

VoIP是利用IP网络实现语音通信的一种先进通信手段，是基于IP网络的语音传输技术。其基本原理是利用电话网关服务器之类的设备将电话语音数字化，将数据压缩后打包成数据包，然后把这些语音数据按IP等相关协议进行打包并通过IP网络把数据包传输到目的地，目的地收到这一串数据包后，将数据重组、解压缩后再还原成原来的语音信号，这样就达到了通过网络传送语音的目的。

采用VoIP技术进行语音传输的最大优势在于能够以报文的形式传递音频数据，不占用固定信道，并且采用了先进的数字信号处理技术，以降低数据量，可以将传统的64 Kb／s语音信号压缩成6～8 Kb／s，从而有效地节省了带宽，同时由于不需要单独建立通信网络，大大降低了通信费用。

1.2 IEEE 802.11无线技术

IEEE 802.11是由IEEE定义的无线网络通信工业标准，目前主流的IEEE 802.11协议主要有IEEE 802.11a，IEEE 802.11b和IEEE 802.11g。IEEE 802.1la工作于5 GHz频段，使用正交频分复用(OFDM)调制技术作为传输方案，支持6～54 Mb／s的传输速率，802.11a的优势在于传输速率快(最高达54 Mb／s)且干扰少，但价格相对较高。IEEE 802.11b工作于2.4 GHz频段，使用补码键控(CCK)调制和直序列调频(DSSS)技术，支持1～11 Mb／s的传输速率，802.11b的优势在于价格低廉，但速率较低(最高为11 Mb／s)。IEEE 802.11g构建在已有的IEEE 802.11b物理层与介质访问控制层标准基础上，同样选择2.4 GHz作为工作频段，由于采用了OFDM调制技术，可实现最高54 Mb／s的传输数率。由于其仍然工作在2.4 GHz频段，并且保留了IEEE 802.11b所采用的CCK技术，可与IEEE 802.11b的产品保持兼容。

1.3 AODV路由协议

AODV是一种基于距离矢量的按需路由算法，是专为移动Ad Hoc网络设计的路由协议，它的处理过程简单，路由开销以及存储开销都较小，能对链路状态的变化做出快速反应，并通过在控制报文中引入序列号，确保在任何时候都不会形成路由环。由于AODV路由协议性能优越，且实现复杂度低，被IETF(InternetEngineering Task Force)的MANET工作组认为是无线自组网最好的候选路由协议之一。因此，本设计采用AODV作为路由协议的实现方案。

2 终端硬件设计

终端的硬件架构如图1所示，采用英飞凌公司的高速率ADM5120嵌入式微处理器作为主要器件，同时在终端集成了存储器模块、语音处理模块、FXS连接模块、IEEE 802.11b／g无线模块等共同构建终端的硬件平台。


(1)处理器ADM5120

ADM5120是一种基于MIPS构架的高度集成、高度灵活的SoC处理器，内置了MIPS 32内核，工作主频最高可达175 MHz，内部集成了8 KB指令缓存和8 KB数据缓存，对外提供8／16位的LOCAL BUS(支持标准的ROM／FLASH接口)、32位的SDRAM接口，1路UART接口。ADM5120内部还集成了1个Switch引擎、5路10／100 Mb／s的PHY芯片，可对外提供5个10／100 Mb／s的以太网接口。ADM5120是终端通信控制和管理的核心，主要用于完成操作系统的运行、资源的管理和分配、与各个模块的接口和通信等功能。

(2)语音处理模块

采用了高性能的DSP(VINETIC-2CPE)，具有很强大的数字信号处理能力。用于完成处理模拟电话信号，语音压缩包，并提供实时压缩包的缓冲，自适应回声抵消，静音检测，DTMF信号产生、译码等功能，且不需要另外的存储单元。

(3)FXS连接模块

终端通过一个带有DC／DC转换功能的SLIC-DC芯片连接模拟电话线路。通信过程中，模拟话音信号通过RJ-11电话接口经SLIC和CODEC电路转换后，将产生的PCM流送到语音处理模块中进行处理。SLIC即用户线接口电路，主要完成用户状态检测和语音信号输入输出。它能够检测电话为挂机状态还是摘机状态，并产生高电压驱动振铃。CODEC(编解码电路)由ADC与DAC电路构成。ADC将模拟电话中的模拟信号转换为可通过’VoIP网络传输的数字信号。DAC将数字信号转换为模拟电平，以驱动模拟电话。

(4)IEEE 802.11b／g无线模块

IEEE 802.11b／g无线模块实现空中无线接口，完成无线局域网的接入功能。终端提供一个MiniPCI接口，采用的是美国Atheros公司AR2413芯片组的无线网卡WMIA-165G，支持IEEE 802.11b／g标准，可提供54 Mb／s高速无线连接。

3 终端软件设计

终端采用了主流的嵌入式Linux操作系统，Linux具有源码开放，稳定性与安全性较高，移植和扩展能力较好的特点。如图2所示，采用模块化的设计思想对终端软件进行设计。


硬件驱动层：主要功能是实现对IEEE 802.11b／g无线模块、DSP芯片、以太网接口及串口等底层硬件设备的驱动控制。针对终端的无线网卡类型，IEEE 802.11b／g无线模块中采用了madwifi(Multiband Atheros Driverfor wifi)驱动。madwifi是为Atheros系列芯片IEEE802.11a／b／g无线网卡在Linux系统下实现的驱动程序。

Linux内核层：为语音数据的压缩处理和语音包的实时传输提供了保证。TCP／IP协议软件栈提供了对TCP／IP的支持，考虑到语音数据的实时性要求，终端的语音传输采用UDP方式实现。建立在UDP之上的RTP协议用于保障数据流的实时可靠传输。语音处理模块提供了对G.723等音频编解码软件的支持。在网络协议栈中包括了实现多跳通话功能的AODV路由协议。

应用程序层：包括电话应用程序接口TAPI(Telephony Application Program Interface)3.0和Web服务器两部分。TAPI 3.0集成了传统电话的媒体流控制功能，并封装了对底层电话硬件进行操作的功能，通过将呼叫控制的功能抽象出来，达到屏蔽不同的、不兼容的通信协议的目的。通过TAPI 3.0，的编程接口可以方便地自定义信令协议，完成点对点的拨号过程。同时为了便于使用，在终端中植入了一个支持CGI的、非常适合于嵌入式系统的Boa Web Server，使用户可以通过Web页面的用户接口输入参数来配置终端的参数。