林秋鵬

摘要：Ad hoc網(wǎng)絡的移動靈活性使其具有廣泛的應用前景，智能手機目前發(fā)展迅速且支持wifi，利用手機組建ad hoc網(wǎng)絡通信更加方便實惠。本文分析了智能手機間組建ad hoc網(wǎng)絡的問題，并對關鍵技術進行了研究與分析，針對語音通信的特點，構(gòu)建了一種在智能手機上的ad hoc網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)。并根據(jù)體系結(jié)構(gòu)和智能手機系統(tǒng)的特性，提出了一個基于Ad Hoc網(wǎng)絡的智能手機語音通信系統(tǒng)的概要設計方案。

關鍵詞：Ad Hoc網(wǎng)絡；智能手機；語音通信系統(tǒng)

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：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)絡是一種分布式的無線移動網(wǎng)絡，它不依賴固定的基礎通信設施，沒有中心節(jié)點，具有自組織能力，抗毀性強，網(wǎng)絡中的各節(jié)點地位平等，且具有轉(zhuǎn)發(fā)報文的功能。一般適用于軍事通信、搶險救災、應對突發(fā)事件等無法得到有線網(wǎng)絡支持或者臨時需要通信的環(huán)境。

隨著wlan技術及手機應用的迅速發(fā)展，越來越多的智能手機加入了WI-FI功能，諸如主流的iOS、Android、Windows Mobile、Sym? bian等手機操作系統(tǒng)都支持無線網(wǎng)絡的接入，為手機終端組建ad hoc網(wǎng)絡提供了支持。在應對自然災害等緊急場合中，固定網(wǎng)絡往往受損，導致人們之間無法通信，此時利用手機組建Ad Hoc網(wǎng)絡進行通信就變的必要可行。同時，隨著手機的應用發(fā)展，人們希望降低手機的各項費用，尤其對于學生這樣的低消費人群，在小范圍內(nèi)如果可以組建Ad Hoc網(wǎng)絡通信，便可以節(jié)省通信費用，因此，提出一種基于Ad Hoc網(wǎng)絡的智能手機語音通信系統(tǒng)方案，以實現(xiàn)智能手機終端間無需借助運營商網(wǎng)絡支持的自組織語音通信。

1國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)外對無線Ad Hoc網(wǎng)絡已經(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)針對介質(zhì)訪問控制(MAC)[18]、路由系統(tǒng)[17]、拓撲管理、功率控制、服務質(zhì)量控制[9][12][16]、安全[11]等領域來開展，且通常以無線Ad Hoc網(wǎng)絡作為一種網(wǎng)絡基礎設施支持多樣性應用為研究背景，研究的理論成分較重。

從公開發(fā)表的文獻看，利用智能手機內(nèi)置的IEEE802.11構(gòu)建Ad Hoc網(wǎng)絡并實現(xiàn)節(jié)點之間語音數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒欢?。P.B. Vel? loso等人利用仿真實驗研究了移動性和QoS提供等對Ad Hoc網(wǎng)絡語音通信容量問題進行了研究[1]；HuiYao Zahng等人研究了不同路由協(xié)議對語音應用系統(tǒng)性能的影響[2]；C.H.Saleem等人研究了利用Ad Hoc組建對等網(wǎng)絡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平臺下基于藍牙無線Ad Hoc網(wǎng)絡語音通信的中間件系統(tǒng)[3]。清華大學的陳萍萍在“手機終端的自組織通信協(xié)議的實現(xiàn)”[5]一文中基于Symbian智能手機終端實現(xiàn)了一種基于藍牙和WiFi的Ad Hoc網(wǎng)絡語音通信系統(tǒng)，但其測試網(wǎng)絡規(guī)模過小。同時董梅也在Symbian平臺下實現(xiàn)了流媒體即時通信系統(tǒng)[7]，但同樣存在質(zhì)量保證跟網(wǎng)絡規(guī)模問題，鑒于小規(guī)模網(wǎng)絡和大規(guī)模網(wǎng)絡的問題迥異程度較高，其實現(xiàn)方法在較大規(guī)模網(wǎng)絡中的可行性和性能需要進一步研究；李振宇等在“一種移動Ad Hoc網(wǎng)絡中實時語音通信方法的研究”[6]一文中從網(wǎng)絡層面和應用層面兩個方面討論了機遇As Hoc網(wǎng)絡的語音通信方法，包括QoS控制機制等，但相關討論建立在仿真實驗基礎上，并沒有構(gòu)建實驗驗證網(wǎng)絡。

可以看出，盡管對Ad Hoc網(wǎng)絡和VoIP[10][13]技術的研究已經(jīng)取得了大量成果，但公開發(fā)表文獻未見關于“基于無線Ad Hoc網(wǎng)絡的智能手機終端語音通信系統(tǒng)”可以實用的成果發(fā)表。

2關鍵技術

由于Ad Hoc網(wǎng)絡獨有的無中心，自組織，多跳路由，動態(tài)拓撲，特殊的無線信道特征，安全性差等特點，所以需要考慮路由協(xié)議、服務質(zhì)量保證、語音編碼技術、安全性等多個方面的問題，其中主要對路由協(xié)議與服務質(zhì)量、語音編碼技術進行重點研究。2.1 VOIP技術

VOIP技術是將語音電話建立在IP技術上的語音傳輸技術，其基本原理是將普通電話的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字語音信號，通過語音壓縮算法將語音數(shù)據(jù)進行壓縮編碼處理，然后把這些語音數(shù)據(jù)按相關協(xié)議進行打包封裝處理，通過IP網(wǎng)絡把數(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，恢復成原來的模擬語音信號，從而達到利用IP網(wǎng)絡進行語音通信的目的。我們可以利用此技術在ad hoc網(wǎng)絡上實現(xiàn)手機的語音通信，通信模型如圖1。

2.2語音編碼方案

通過網(wǎng)絡傳輸實時語音與傳輸普通數(shù)據(jù)不同，應用網(wǎng)絡的組成必須符合這種實時傳輸?shù)男枰ＵZ音的分組傳送通常要求網(wǎng)絡提供充足的帶寬。但是Ad Hoc網(wǎng)絡帶寬資源有限，在這種情況下，我們可以通過編碼壓縮技術來減少對帶寬的使用

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。目前智能手機中應用的802.11b/g協(xié)議的標準數(shù)據(jù)速率分別是11/54Mbps，而實際應用中可能遠達不到此標準。手機中GSM語音通話是采用G.711編碼，由于無線Ad Hoc網(wǎng)絡的鏈路容量較低，加之由于移動性導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)量和應用系統(tǒng)性能之間進行折中，所以可以采用G.729與G.711相結(jié)合的動態(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，當網(wǎng)絡中發(fā)生擁堵斷路等影響傳輸速率的時候，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)絡中，隨著節(jié)點移動，網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)在不斷變化。如何快速準確地選擇到達目的節(jié)點的路由是一個重要和核心的問題，路由協(xié)議分類如圖2。

語音通信系統(tǒng)對傳輸性能要求較高，延遲抖動要小、丟包率要低，在Ad Hoc語音通信系統(tǒng)中，Ad Hoc網(wǎng)絡中的節(jié)點在不斷移動，這樣就會引起網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，從而出現(xiàn)路由中斷，節(jié)點或鏈路擁塞，傳輸鏈路故障等問題，同時手機作為網(wǎng)絡節(jié)點能量有限，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請求和網(wǎng)絡可用資源進行路由的機制。一般QoS路由協(xié)議有兩個目標：一個是找到滿足QOS要求的路徑；另一個是充分利用全局網(wǎng)絡資對現(xiàn)有路由協(xié)議的分析。結(jié)合Ad Hoc網(wǎng)絡的特殊性，通過兩個節(jié)點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、如何維護多條路徑、如何實現(xiàn)多條路徑的負載平衡等問題是關鍵。

3 Ad Hoc網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)Ad Hoc網(wǎng)絡中手機通信的特性，構(gòu)建語音通信系統(tǒng)的Ad Hoc網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)。將整個網(wǎng)絡分成五層。針對各層的功能，將所用協(xié)議進行分層劃分，詳細結(jié)構(gòu)如圖3。

應用層根據(jù)voip協(xié)議原理采用自適應編碼方案，根據(jù)網(wǎng)絡負載情況，當網(wǎng)絡負載輕時選用語音通信質(zhì)量好的G.711編碼方案，當網(wǎng)絡出現(xiàn)擁塞等情況導致網(wǎng)絡傳輸下降時選用G.729編碼方案。

傳輸層根據(jù)voip原理將包進行封裝，為了更好的實現(xiàn)語音通信的實時傳輸，需要加入實時控制協(xié)議RTP頭，將數(shù)據(jù)進行RTP封裝后加入UDP頭等信息進行UDP封裝，然后交由ad hoc網(wǎng)絡進行傳輸。網(wǎng)絡層根據(jù)ad hoc網(wǎng)絡特性采用AOMDV協(xié)議進行路由選路。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)概要設計

因為Ad Hoc網(wǎng)絡中的每一個節(jié)點都是獨立平等的，所以系統(tǒng)每一個模塊都應包含客戶端和服務器端兩部分的功能。根據(jù)語音通信過程將系統(tǒng)分為以下四個模塊，具體如下圖4。

4.1語音處理模塊

手機作為客戶端，利用麥克風對語音信號進行采集，并對采集的信號進行數(shù)字化，用合適的編碼方式對數(shù)據(jù)進行壓縮；作為服務器端，對接收到的數(shù)據(jù)進行解壓，將解壓后的語音信號在手機上通過話筒播放。

4.2實時控制模塊

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

4.3路由模塊

客戶端（源節(jié)點）發(fā)起路由的查詢與建立，并對路由信息進行維護；服務器端（中間節(jié)點、目的節(jié)點）對源節(jié)點進行響應，建立源節(jié)點到目的節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信線路，實現(xiàn)語音數(shù)據(jù)的雙向通信，根據(jù)網(wǎng)絡變化狀況對路由進行控制維護。

4.4無線傳輸模塊

對系統(tǒng)的wifi進行配置管理，獲得接入Ad Hoc覆蓋范圍內(nèi)手機終端的信息（SSID、MAC、IP等），網(wǎng)絡周期性的更新與維護，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)目前智能手機的發(fā)展情況，結(jié)合ad hoc網(wǎng)絡的特性，提出一個基于ad hoc網(wǎng)絡的智能手機語音通信系統(tǒng)的設計方案，該方案只是一個概要設計，對于路由協(xié)議、編碼方案、信令協(xié)議等問題可以進一步研究改進。

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