徐 亮，文 鴻，彭生奇，周 恒

（湖南工業(yè)大學(xué)，計算機與通信學(xué)院，湖南 株洲 412007）

0 引言

傳統(tǒng)的語音調(diào)度系統(tǒng)多采用公共交換電話網(wǎng)絡(luò)（public switched telephone network，PSTN），其調(diào)度流程需要用戶級交換機（private branch exchange，PBX）等網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的支持，系統(tǒng)部署周期較長，費用較高。隨著VoIP技術(shù)的發(fā)展，調(diào)度系統(tǒng)的架構(gòu)組成發(fā)生了重要變化。無線傳輸數(shù)據(jù)具有安裝方便、靈活性強等優(yōu)勢，因此，利用WiFi等技術(shù)進(jìn)行語音數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用越來越廣泛[1]。但該類調(diào)度系統(tǒng)需部署無線轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，依賴移動電話網(wǎng)絡(luò)時使用范圍受限，運行成本較高，在災(zāi)害救援、戰(zhàn)場調(diào)度場景下無法實施。移動無線自組織網(wǎng)絡(luò)（mobile ad-hoc networks，MANET）技術(shù)可克服這些不足。MANET是一種數(shù)據(jù)包多跳傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點地位都是平等的，都可充當(dāng)周圍節(jié)點數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點[2]，利用這種機制可以延長網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離。

本文運用VoIP技術(shù)，采用MANET承載語音數(shù)據(jù)，設(shè)計和實現(xiàn)了無線語音調(diào)度系統(tǒng)。該系統(tǒng)不需要專門的調(diào)度機和調(diào)度臺，其功能完全由調(diào)度終端完成，無需固定轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，具有布網(wǎng)迅速、抗毀性強、鏈路冗余等優(yōu)勢。

1 會話發(fā)起協(xié)議（SIP）

會話發(fā)起協(xié)議（session initiation protocol，SIP）是一個由Internet工程任務(wù)組（Internet Engineering Task Force，IETF）的多方多媒體會話控制（Multiparty Multimedia Session Control，MMUSIC）工作組開發(fā)的應(yīng)用層信令控制協(xié)議，作為標(biāo)準(zhǔn)提議用于建立、修改和終止包括視頻、語音、即時通信、在線游戲和虛擬現(xiàn)實等多媒體元素在內(nèi)的交互式會話協(xié)議[3]。

SIP是用于VoIP技術(shù)最主要的信令協(xié)議之一，其系統(tǒng)由4種元素組成，即用戶代理、SIP代理服務(wù)器、重定向服務(wù)器以及注冊服務(wù)器[4]，圖1顯示了各個功能組件在網(wǎng)絡(luò)中所處的位置。用戶代理（user agents，UA）是一個發(fā)起和終止會話的實體；代理服務(wù)器與重定向服務(wù)器及位置服務(wù)器相連，為UA提供代理服務(wù)，完成SIP消息的路由轉(zhuǎn)發(fā)功能；重定向服務(wù)器與位置服務(wù)器相連，使用輕量目錄訪問協(xié)議（lightweight directory access protocol，LDAP），將用戶新的位置信息返回給呼叫方；位置服務(wù)器就是一個數(shù)據(jù)庫，用于存放終端用戶當(dāng)前的位置信息，為SIP重定向服務(wù)器或代理服務(wù)器提供被叫用戶的位置信息；用戶將其信息在注冊服務(wù)器注冊，表明該用戶加入了SIP網(wǎng)絡(luò)，注冊服務(wù)器可以支持鑒權(quán)功能。

圖1 SIP網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)成Fig.1 Basic framework of SIP network

2 最優(yōu)化鏈路狀態(tài)路由協(xié)議（OLSR）

MANET網(wǎng)絡(luò)主要有兩類路由協(xié)議，一類是表驅(qū)動路由協(xié)議，另一類是按需路由協(xié)議。采用按需路由協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)中信源結(jié)點在向信宿發(fā)送數(shù)據(jù)包時，當(dāng)源端沒有到達(dá)目的端的路由時才啟動路由發(fā)現(xiàn)過程，在對時延要求嚴(yán)格的語音調(diào)度系統(tǒng)中，此類路由協(xié)議不適用。表驅(qū)動路由協(xié)議由結(jié)點周期性地發(fā)送Hello報文，隨時更新鄰居結(jié)點的鏈路狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)中的每個結(jié)點有整個網(wǎng)絡(luò)的全部或大部分路由信息，在承載語音數(shù)據(jù)時，報文傳輸時延較小，接近有線網(wǎng)絡(luò)[5]，能滿足語音調(diào)度系統(tǒng)對時延的要求。雖然周期性地廣播Hello數(shù)據(jù)包加快了路由更新，但浪費了MANET寶貴的帶寬資源，同時增加了無線調(diào)度終端的電池耗電量。

最優(yōu)化鏈路狀態(tài)路由協(xié)議（optimized link state routing，OLSR）采用有別于傳統(tǒng)表驅(qū)動路由協(xié)議的拓?fù)涓聶C制，周期性地發(fā)送Hello數(shù)據(jù)包，或當(dāng)檢測到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時，只選擇被作為多點中繼（multipoint relays，MPR）節(jié)點的鄰居節(jié)點，進(jìn)行拓?fù)鋽?shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，這種機制可以避免廣播方式下數(shù)據(jù)包在網(wǎng)內(nèi)大量傳播[6]。如在圖2的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，只有1號和3號結(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)0號結(jié)點的拓?fù)涓聢笪?，這極大地減少了全網(wǎng)控制報文流量。

圖2 OLSR拓?fù)涓掳鼈鬏擣ig.2 The transmission of OLSR topology updating packet

OLSR有多種實現(xiàn)方案，本文采用olsr.org OLSR daemon[7]，該版本能實現(xiàn)OLSR的全部功能，支持IPv4和IPv6，在Linux和Windows操作系統(tǒng)上都可運行。

3 語音調(diào)度系統(tǒng)終端平臺

SIP采用Client/Server結(jié)構(gòu)的通訊機制，對呼叫的控制是將對信令的控制消息封裝到消息的頭域中，通過消息的傳遞來實現(xiàn)。因此，SIP系統(tǒng)中的終端就比較智能化，其不只是簡單地提供數(shù)據(jù)，還提供了對呼叫的控制消息，這樣就將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的復(fù)雜性推向了終端設(shè)備，對終端硬件提出了更高的要求。

3.1 終端平臺硬件組成

語音調(diào)度系統(tǒng)終端平臺硬件構(gòu)成見圖3，包括ARM CPU控制模塊、無線模塊和音頻處理模塊等。

圖3 語音調(diào)度系統(tǒng)終端平臺硬件組成Fig.3 The hardware components of terminal platform

S3C6410模塊是三星公司基于ARM1176處理器而研發(fā)的16/32bit、高性能低功耗的精簡指令集計算機（reduced instruction set computing，RISC）通用微處理器，其運行速率達(dá)667 MHz，集成有2塊128 MB的mDDR和1塊1 GB的 NAND Flash，適用于手持、移動等終端設(shè)備。

S3C6410模塊設(shè)有優(yōu)化的外部存儲接口，該接口能滿足在高端通信服務(wù)中的數(shù)據(jù)帶寬要求，接口分為兩路，即DRAM和Flash/ROM/DRAM端口。終端平臺采用的無線通信模塊為AzureWave公司研發(fā)的GM320，該模塊支持802.11 b/g協(xié)議，理論傳輸帶寬最大達(dá)150 Mbps，完全能滿足調(diào)度系統(tǒng)的音頻傳輸帶寬要求。音頻處理模塊WM9713負(fù)責(zé)完成音頻信號的A/D, D/A轉(zhuǎn)換。

3.2 終端平臺軟件設(shè)計

語音調(diào)度終端平臺軟件系統(tǒng)包括上層用戶界面（user interface，UI）、liblinphone動態(tài)庫、OLSR、硬件驅(qū)動程序等，其構(gòu)架見圖4。liblinphone動態(tài)庫是軟件系統(tǒng)的核心，提供語音數(shù)據(jù)傳輸功能接口，上層UI操作這些功能接口便可實現(xiàn)全部的語音調(diào)度行為。

圖4 語音調(diào)度系統(tǒng)終端平臺軟件架構(gòu)Fig.4 The software architecture of terminal platform

終端平臺軟件系統(tǒng)選用Linux操作系統(tǒng)作為應(yīng)用程序和底層硬件之間的橋梁，可以更直觀地在其網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行編寫和修改[8]，能滿足調(diào)度系統(tǒng)對時效性的要求。OLSR在Linux操作系統(tǒng)的用戶空間完成，該空間與操作系統(tǒng)的內(nèi)核空間是相互獨立的，實現(xiàn)的OLSR路由功能不會過度依賴于操作系統(tǒng)內(nèi)核，也不會對系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生負(fù)面影響。

3.3 調(diào)度終端功能模塊

調(diào)度終端系統(tǒng)平臺由單呼和會議2個組件構(gòu)成，特定組件中包含具體的功能模塊，如圖5所示。

圖5 平臺功能模塊Fig.5 Platform functional modules

在一對一的通話時采用單呼模式，在該模式下，呼叫方只需在自己的操作界面上輸入被呼叫方的編號，實際運用過程中可以是對方的工號等信息，然后執(zhí)行呼叫操作即可。當(dāng)2個擁有低級別權(quán)限的終端在通話中時，任一擁有高級別權(quán)限的終端可以發(fā)起強插、強拆操作，對通話過程進(jìn)行干預(yù)。

在會議模式下，發(fā)起會議的操作者默認(rèn)是會議的管理者。會議初始階段，根據(jù)實際需要，選擇被呼叫方編號，對會議參與者的呼叫是單呼模式下呼叫的重復(fù)過程，被呼叫方只需在自己的終端平臺界面選擇接受即可進(jìn)入會議室，也可以選擇齊呼模式，這時該終端周圍所有的節(jié)點都會收到加入會議的提示信息。會議的管理者可以根據(jù)實際情況對處于會議中的用戶執(zhí)行踢除、靜音和恢復(fù)等操作。圖6為會議模式下系統(tǒng)工作流程圖。

圖6 會議操作流程圖Fig.6 The flow chart of conference operation

終端操作界面采用QT的嵌入式版本Qt/E來實現(xiàn)。Qt/E是一個專門為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計圖形用戶界面的工具包。操作者在UI界面上輸入命令，由底層的liblinphone庫完成功能實現(xiàn)。

調(diào)度平臺的會議模式終端界面如圖7所示。

圖7 會議模式終端界面Fig.7 The conference user interface

在實際操作過程中，每臺終端都存儲了其他終端的IP地址和編號對應(yīng)信息，可以將調(diào)度系統(tǒng)平臺人為分成若干組，以方便調(diào)度過程的管理。如圖7將全部調(diào)度終端平臺分為4組，會議發(fā)起者根據(jù)需要和每臺終端的狀態(tài)來決定是否將該終端加入會議中，已進(jìn)入會議的終端，會議發(fā)起者可以對其執(zhí)行踢除、靜音和恢復(fù)操作。

4 系統(tǒng)測試

語音調(diào)度系統(tǒng)的測試場景為湖南工業(yè)大學(xué)河?xùn)|校區(qū)，測試拓?fù)淙鐖D8所示（節(jié)點的實際距離按圖右下角比例尺計算），區(qū)域內(nèi)隨機分布6個終端節(jié)點。終端平臺集成的GM320 WiFi模塊支持802.11 b/g協(xié)議。采用802.11b協(xié)議，室外數(shù)據(jù)傳輸距離理論值約為100m[9]?；赪iFi的傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境無法完成6臺終端的兩兩通信，而在MANET網(wǎng)絡(luò)中，調(diào)整每個終端的無線網(wǎng)卡，讓其在Ad Hoc模式中工作，且都運行OLSR，即可實現(xiàn)6臺終端的兩兩通信。

圖8 測試布局圖Fig.8 Testing layout

圖8中，終端A和F借助其他終端對數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行語音傳輸。開始測試時，6個節(jié)點保持靜止?fàn)顟B(tài)，在A節(jié)點上使用traceroute命令，跟蹤去往節(jié)點F的數(shù)據(jù)包，結(jié)果顯示數(shù)據(jù)包的傳輸方向沿著圖8中的虛箭頭前進(jìn)；然后，人為移動節(jié)點C至C′，E至E′（見圖8）；其后，在A節(jié)點上跟蹤去往F節(jié)點的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包沿著圖8中的實箭頭方向傳輸，重復(fù)測試3次，數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)路徑?jīng)]有改變。用ping命令測試A與F節(jié)點間的連通性（每次測試300個數(shù)據(jù)包），結(jié)果見表1。

表1 A和F節(jié)點間連通性測試Table1 Connectivity test between A and F

從表1中可以看出，移動節(jié)點C和E后，傳輸時延明顯減少，這是因為數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)由原來的3個節(jié)點變?yōu)?個節(jié)點的緣故，實際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點不宜超過5個，否則，時延將明顯增大，影響語音數(shù)據(jù)的實時傳輸。實際測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)通話節(jié)點間的丟包率不大于15%，平均時延不大于200 ms時，即能滿足語音通話要求。測試結(jié)果表明：該語音調(diào)度系統(tǒng)實時性好，話音質(zhì)量可靠。

5 結(jié)語

基于Linux系統(tǒng)平臺，結(jié)合liblinphone庫和OLSR路由協(xié)議，構(gòu)建語音調(diào)度系統(tǒng)，完成了硬件和軟件的設(shè)計，并應(yīng)用于實際場景進(jìn)行測試。與以往的調(diào)度系統(tǒng)相比，此系統(tǒng)具有組網(wǎng)方便、性能穩(wěn)定、實時性好、可靠性高等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于不方便甚至不可能部署基礎(chǔ)設(shè)施的工廠調(diào)度、搶險救災(zāi)等領(lǐng)域中，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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