基于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的智能手機(jī)語音通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林秋鵬

摘要：Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)靈活性使其具有廣泛的應(yīng)用前景，智能手機(jī)目前發(fā)展迅速且支持wifi，利用手機(jī)組建ad hoc網(wǎng)絡(luò)通信更加方便實(shí)惠。本文分析了智能手機(jī)間組建ad hoc網(wǎng)絡(luò)的問題，并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究與分析，針對(duì)語音通信的特點(diǎn)，構(gòu)建了一種在智能手機(jī)上的ad hoc網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。并根據(jù)體系結(jié)構(gòu)和智能手機(jī)系統(tǒng)的特性，提出了一個(gè)基于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的智能手機(jī)語音通信系統(tǒng)的概要設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)；智能手機(jī)；語音通信系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2012)01-0081-03

Design of a Smart Phone Voice Communication System Based on Ad Hoc Networks

LIN Qiu-peng

(College of Computer Science and Technology, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China)

Abstract: Mobile flexibility of ad hoc network lead to a broad prospect of application,currently，smart phones develop rapidly and support wifi,which formed ad hoc networks will convenient and affordable. This paper analyzes the problems and key technology in the ad hoc networks famed by smart phones ,and build a ad hoc network architecture by the voice communication features in the smart phones.And I pro? posed a design of smart mobile voice communication system based on the system architecture and the characteristics of smart phones.

Key words: Ad Hoc Network; Smart Phone; Voice Communication System

Ad hoc網(wǎng)絡(luò)是一種分布式的無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，它不依賴固定的基礎(chǔ)通信設(shè)施，沒有中心節(jié)點(diǎn)，具有自組織能力，抗毀性強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)地位平等，且具有轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文的功能。一般適用于軍事通信、搶險(xiǎn)救災(zāi)、應(yīng)對(duì)突發(fā)事件等無法得到有線網(wǎng)絡(luò)支持或者臨時(shí)需要通信的環(huán)境。

隨著wlan技術(shù)及手機(jī)應(yīng)用的迅速發(fā)展，越來越多的智能手機(jī)加入了WI-FI功能，諸如主流的iOS、Android、Windows Mobile、Sym? bian等手機(jī)操作系統(tǒng)都支持無線網(wǎng)絡(luò)的接入，為手機(jī)終端組建ad hoc網(wǎng)絡(luò)提供了支持。在應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害等緊急場合中，固定網(wǎng)絡(luò)往往受損，導(dǎo)致人們之間無法通信，此時(shí)利用手機(jī)組建Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信就變的必要可行。同時(shí)，隨著手機(jī)的應(yīng)用發(fā)展，人們希望降低手機(jī)的各項(xiàng)費(fèi)用，尤其對(duì)于學(xué)生這樣的低消費(fèi)人群，在小范圍內(nèi)如果可以組建Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)通信，便可以節(jié)省通信費(fèi)用，因此，提出一種基于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的智能手機(jī)語音通信系統(tǒng)方案，以實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)終端間無需借助運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)支持的自組織語音通信。

1國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)外對(duì)無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)有了比較廣泛的研究并取得了大量的成果，但已有研究絕大多數(shù)針對(duì)介質(zhì)訪問控制(MAC)[18]、路由系統(tǒng)[17]、拓?fù)涔芾?、功率控制、服?wù)質(zhì)量控制[9][12][16]、安全[11]等領(lǐng)域來開展，且通常以無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)作為一種網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施支持多樣性應(yīng)用為研究背景，研究的理論成分較重。

從公開發(fā)表的文獻(xiàn)看，利用智能手機(jī)內(nèi)置的IEEE802.11構(gòu)建Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)并實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間語音數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒欢?。P.B. Vel? loso等人利用仿真實(shí)驗(yàn)研究了移動(dòng)性和QoS提供等對(duì)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)語音通信容量問題進(jìn)行了研究[1]；HuiYao Zahng等人研究了不同路由協(xié)議對(duì)語音應(yīng)用系統(tǒng)性能的影響[2]；C.H.Saleem等人研究了利用Ad Hoc組建對(duì)等網(wǎng)絡(luò)支持緊急情況下指揮控制系統(tǒng)的語音通信問題[4]; Feng GAO等人構(gòu)建了Symbian平臺(tái)下基于藍(lán)牙無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)語音通信的中間件系統(tǒng)[3]。清華大學(xué)的陳萍萍在“手機(jī)終端的自組織通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)”[5]一文中基于Symbian智能手機(jī)終端實(shí)現(xiàn)了一種基于藍(lán)牙和WiFi的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)語音通信系統(tǒng)，但其測試網(wǎng)絡(luò)規(guī)模過小。同時(shí)董梅也在Symbian平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)了流媒體即時(shí)通信系統(tǒng)[7]，但同樣存在質(zhì)量保證跟網(wǎng)絡(luò)規(guī)模問題，鑒于小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)和大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的問題迥異程度較高，其實(shí)現(xiàn)方法在較大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中的可行性和性能需要進(jìn)一步研究；李振宇等在“一種移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時(shí)語音通信方法的研究”[6]一文中從網(wǎng)絡(luò)層面和應(yīng)用層面兩個(gè)方面討論了機(jī)遇As Hoc網(wǎng)絡(luò)的語音通信方法，包括QoS控制機(jī)制等，但相關(guān)討論建立在仿真實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，并沒有構(gòu)建實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)。

可以看出，盡管對(duì)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)和VoIP[10][13]技術(shù)的研究已經(jīng)取得了大量成果，但公開發(fā)表文獻(xiàn)未見關(guān)于“基于無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的智能手機(jī)終端語音通信系統(tǒng)”可以實(shí)用的成果發(fā)表。

2關(guān)鍵技術(shù)

由于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)獨(dú)有的無中心，自組織，多跳路由，動(dòng)態(tài)拓?fù)洌厥獾臒o線信道特征，安全性差等特點(diǎn)，所以需要考慮路由協(xié)議、服務(wù)質(zhì)量保證、語音編碼技術(shù)、安全性等多個(gè)方面的問題，其中主要對(duì)路由協(xié)議與服務(wù)質(zhì)量、語音編碼技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)研究。2.1 VOIP技術(shù)

VOIP技術(shù)是將語音電話建立在IP技術(shù)上的語音傳輸技術(shù)，其基本原理是將普通電話的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字語音信號(hào)，通過語音壓縮算法將語音數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼處理，然后把這些語音數(shù)據(jù)按相關(guān)協(xié)議進(jìn)行打包封裝處理，通過IP網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)包傳輸?shù)侥康牡亟邮斩?，再把這些語音數(shù)據(jù)包重新裝配，經(jīng)過解碼解壓縮處理后，恢復(fù)成原來的模擬語音信號(hào)，從而達(dá)到利用IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行語音通信的目的。我們可以利用此技術(shù)在ad hoc網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)手機(jī)的語音通信，通信模型如圖1。

2.2語音編碼方案

通過網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)時(shí)語音與傳輸普通數(shù)據(jù)不同，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)的組成必須符合這種實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枰?。語音的分組傳送通常要求網(wǎng)絡(luò)提供充足的帶寬。但是Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)帶寬資源有限，在這種情況下，我們可以通過編碼壓縮技術(shù)來減少對(duì)帶寬的使用

目前，語音編碼方案較多，主要包括G.711(64kbps)、G.723(5.3kbps~6.3kbps)、G.728(16kbps/8kbps)、G.729(8kbps)、MP3(128-112kb? ps)等，不同編碼方案的編碼碼率不同。目前智能手機(jī)中應(yīng)用的802.11b/g協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)速率分別是11/54Mbps，而實(shí)際應(yīng)用中可能遠(yuǎn)達(dá)不到此標(biāo)準(zhǔn)。手機(jī)中GSM語音通話是采用G.711編碼，由于無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的鏈路容量較低，加之由于移動(dòng)性導(dǎo)致的傳輸路徑的變化，采用固定的編碼方案和編碼速率可能無法較好的在語音質(zhì)量和應(yīng)用系統(tǒng)性能之間進(jìn)行折中，所以可以采用G.729與G.711相結(jié)合的動(dòng)態(tài)語音編碼方案。在鏈路狀況好的情況下優(yōu)先考慮語音質(zhì)量，采用G.711編碼，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生擁堵斷路等影響傳輸速率的時(shí)候，選用低速率的G.729編碼方案。

2.3 QoS路由協(xié)議

在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，隨著節(jié)點(diǎn)移動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在不斷變化。如何快速準(zhǔn)確地選擇到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由是一個(gè)重要和核心的問題，路由協(xié)議分類如圖2。

語音通信系統(tǒng)對(duì)傳輸性能要求較高，延遲抖動(dòng)要小、丟包率要低，在Ad Hoc語音通信系統(tǒng)中，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)在不斷移動(dòng)，這樣就會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，從而出現(xiàn)路由中斷，節(jié)點(diǎn)或鏈路擁塞，傳輸鏈路故障等問題，同時(shí)手機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量有限，所以基于QoS/基于能量考慮的路由協(xié)議更適合于該系統(tǒng)。

QoS路由協(xié)議是一種基于數(shù)據(jù)流QoS請(qǐng)求和網(wǎng)絡(luò)可用資源進(jìn)行路由的機(jī)制。一般QoS路由協(xié)議有兩個(gè)目標(biāo)：一個(gè)是找到滿足QOS要求的路徑；另一個(gè)是充分利用全局網(wǎng)絡(luò)資對(duì)現(xiàn)有路由協(xié)議的分析。結(jié)合Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的特殊性，通過兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間可能存在的多條路徑傳輸語音數(shù)據(jù)能夠更好地滿足需求。針對(duì)目前Ad Hoc路由協(xié)議的研究現(xiàn)狀，按需多路徑距離矢量(AOMDV)路由協(xié)議更適用于本系統(tǒng)，如何找多多條路徑、如何維護(hù)多條路徑、如何實(shí)現(xiàn)多條路徑的負(fù)載平衡等問題是關(guān)鍵。

3 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中手機(jī)通信的特性，構(gòu)建語音通信系統(tǒng)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分成五層。針對(duì)各層的功能，將所用協(xié)議進(jìn)行分層劃分，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖3。

應(yīng)用層根據(jù)voip協(xié)議原理采用自適應(yīng)編碼方案，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載輕時(shí)選用語音通信質(zhì)量好的G.711編碼方案，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞等情況導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳輸下降時(shí)選用G.729編碼方案。

傳輸層根據(jù)voip原理將包進(jìn)行封裝，為了更好的實(shí)現(xiàn)語音通信的實(shí)時(shí)傳輸，需要加入實(shí)時(shí)控制協(xié)議RTP頭，將數(shù)據(jù)進(jìn)行RTP封裝后加入U(xiǎn)DP頭等信息進(jìn)行UDP封裝，然后交由ad hoc網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。網(wǎng)絡(luò)層根據(jù)ad hoc網(wǎng)絡(luò)特性采用AOMDV協(xié)議進(jìn)行路由選路。鏈路層MAC協(xié)議采用DCF可以避免隱藏終端與暴露終端的問題。目前主流手機(jī)采用的無線協(xié)議多是802.11b/g兩種協(xié)議。

4系統(tǒng)概要設(shè)計(jì)

因?yàn)锳d Hoc網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都是獨(dú)立平等的，所以系統(tǒng)每一個(gè)模塊都應(yīng)包含客戶端和服務(wù)器端兩部分的功能。根據(jù)語音通信過程將系統(tǒng)分為以下四個(gè)模塊，具體如下圖4。

4.1語音處理模塊

手機(jī)作為客戶端，利用麥克風(fēng)對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行采集，并對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，用合適的編碼方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮；作為服務(wù)器端，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓，將解壓后的語音信號(hào)在手機(jī)上通過話筒播放。

4.2實(shí)時(shí)控制模塊

源節(jié)點(diǎn)將語音模塊處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝處理（RTP封裝、IP封裝），將數(shù)據(jù)通過合適的端口發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中；中間節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；目的節(jié)點(diǎn)將接收到的數(shù)據(jù)包按照正確的順序排列，去掉報(bào)頭等交給語音模塊進(jìn)行處理。

4.3路由模塊

客戶端（源節(jié)點(diǎn)）發(fā)起路由的查詢與建立，并對(duì)路由信息進(jìn)行維護(hù)；服務(wù)器端（中間節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)）對(duì)源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行響應(yīng)，建立源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信線路，實(shí)現(xiàn)語音數(shù)據(jù)的雙向通信，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)變化狀況對(duì)路由進(jìn)行控制維護(hù)。

4.4無線傳輸模塊

對(duì)系統(tǒng)的wifi進(jìn)行配置管理，獲得接入Ad Hoc覆蓋范圍內(nèi)手機(jī)終端的信息（SSID、MAC、IP等），網(wǎng)絡(luò)周期性的更新與維護(hù)，根據(jù)路由模塊選擇的路徑發(fā)送數(shù)據(jù)包。

5結(jié)束語

本文根據(jù)目前智能手機(jī)的發(fā)展情況，結(jié)合ad hoc網(wǎng)絡(luò)的特性，提出一個(gè)基于ad hoc網(wǎng)絡(luò)的智能手機(jī)語音通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該方案只是一個(gè)概要設(shè)計(jì)，對(duì)于路由協(xié)議、編碼方案、信令協(xié)議等問題可以進(jìn)一步研究改進(jìn)。

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