徐 亮，文 鴻，彭生奇，周 恒

（湖南工業(yè)大學(xué)，計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院，湖南 株洲 412007）

0 引言

傳統(tǒng)的語(yǔ)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(jí)交換機(jī)（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(zhǎng)，費(fèi)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(wú)線傳輸數(shù)據(jù)具有安裝方便、靈活性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，因此，利用WiFi等技術(shù)進(jìn)行語(yǔ)音數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用越來(lái)越廣泛[1]。但該類調(diào)度系統(tǒng)需部署無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，依賴移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)時(shí)使用范圍受限，運(yùn)行成本較高，在災(zāi)害救援、戰(zhàn)場(chǎng)調(diào)度場(chǎng)景下無(wú)法實(shí)施。移動(dòng)無(wú)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(diǎn)地位都是平等的，都可充當(dāng)周圍節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)[2]，利用這種機(jī)制可以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離。

本文運(yùn)用VoIP技術(shù)，采用MANET承載語(yǔ)音數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了無(wú)線語(yǔ)音調(diào)度系統(tǒng)。該系統(tǒng)不需要專門的調(diào)度機(jī)和調(diào)度臺(tái)，其功能完全由調(diào)度終端完成，無(wú)需固定轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，具有布網(wǎng)迅速、抗毀性強(qiáng)、鏈路冗余等優(yōu)勢(shì)。

1 會(huì)話發(fā)起協(xié)議（SIP）

會(huì)話發(fā)起協(xié)議（session initiation protocol，SIP）是一個(gè)由Internet工程任務(wù)組（Internet Engineering Task Force，IETF）的多方多媒體會(huì)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(yǔ)音、即時(shí)通信、在線游戲和虛擬現(xiàn)實(shí)等多媒體元素在內(nèi)的交互式會(huì)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(cè)服務(wù)器[4]，圖1顯示了各個(gè)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(gè)發(fā)起和終止會(huì)話的實(shí)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(wèn)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(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，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(cè)服務(wù)器注冊(cè)，表明該用戶加入了SIP網(wǎng)絡(luò)，注冊(cè)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(dòng)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(diǎn)在向信宿發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，當(dāng)源端沒有到達(dá)目的端的路由時(shí)才啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程，在對(duì)時(shí)延要求嚴(yán)格的語(yǔ)音調(diào)度系統(tǒng)中，此類路由協(xié)議不適用。表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議由結(jié)點(diǎn)周期性地發(fā)送Hello報(bào)文，隨時(shí)更新鄰居結(jié)點(diǎn)的鏈路狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)結(jié)點(diǎn)有整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的全部或大部分路由信息，在承載語(yǔ)音數(shù)據(jù)時(shí)，報(bào)文傳輸時(shí)延較小，接近有線網(wǎng)絡(luò)[5]，能滿足語(yǔ)音調(diào)度系統(tǒng)對(duì)時(shí)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(fèi)了MANET寶貴的帶寬資源，同時(shí)增加了無(wú)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(dòng)路由協(xié)議的拓?fù)涓聶C(jī)制，周期性地發(fā)送Hello數(shù)據(jù)包，或當(dāng)檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)，只選擇被作為多點(diǎn)中繼（multipoint relays，MPR）節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行拓?fù)鋽?shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，這種機(jī)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(hào)和3號(hào)結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)0號(hào)結(jié)點(diǎn)的拓?fù)涓聢?bào)文，這極大地減少了全網(wǎng)控制報(bào)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(shí)現(xiàn)方案，本文采用olsr.org OLSR daemon[7]，該版本能實(shí)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(yùn)行。

3 語(yǔ)音調(diào)度系統(tǒng)終端平臺(tái)

SIP采用Client/Server結(jié)構(gòu)的通訊機(jī)制，對(duì)呼叫的控制是將對(duì)信令的控制消息封裝到消息的頭域中，通過(guò)消息的傳遞來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，SIP系統(tǒng)中的終端就比較智能化，其不只是簡(jiǎn)單地提供數(shù)據(jù)，還提供了對(duì)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(duì)終端硬件提出了更高的要求。

3.1 終端平臺(tái)硬件組成

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

圖3 語(yǔ)音調(diào)度系統(tǒng)終端平臺(tái)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(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（reduced instruction set computing，RISC）通用微處理器，其運(yùn)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(dòng)等終端設(shè)備。

S3C6410模塊設(shè)有優(yōu)化的外部存儲(chǔ)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(tái)采用的無(wú)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(hào)的A/D, D/A轉(zhuǎn)換。

3.2 終端平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

語(yǔ)音調(diào)度終端平臺(tái)軟件系統(tǒng)包括上層用戶界面（user interface，UI）、liblinphone動(dòng)態(tài)庫(kù)、OLSR、硬件驅(qū)動(dòng)程序等，其構(gòu)架見圖4。liblinphone動(dòng)態(tài)庫(kù)是軟件系統(tǒng)的核心，提供語(yǔ)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(shí)現(xiàn)全部的語(yǔ)音調(diào)度行為。

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

終端平臺(tái)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(duì)時(shí)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(dú)立的，實(shí)現(xiàn)的OLSR路由功能不會(huì)過(guò)度依賴于操作系統(tǒng)內(nèi)核，也不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)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(tái)由單呼和會(huì)議2個(gè)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(tái)功能模塊Fig.5 Platform functional modules

在一對(duì)一的通話時(shí)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(hào)，實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中可以是對(duì)方的工號(hào)等信息，然后執(zhí)行呼叫操作即可。當(dāng)2個(gè)擁有低級(jí)別權(quán)限的終端在通話中時(shí)，任一擁有高級(jí)別權(quán)限的終端可以發(fā)起強(qiáng)插、強(qiáng)拆操作，對(duì)通話過(guò)程進(jìn)行干預(yù)。

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

圖6 會(huì)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(lái)實(shí)現(xiàn)。Qt/E是一個(gè)專門為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(kù)完成功能實(shí)現(xiàn)。

調(diào)度平臺(tái)的會(huì)議模式終端界面如圖7所示。

圖7 會(huì)議模式終端界面Fig.7 The conference user interface

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

4 系統(tǒng)測(cè)試

語(yǔ)音調(diào)度系統(tǒng)的測(cè)試場(chǎng)景為湖南工業(yè)大學(xué)河?xùn)|校區(qū)，測(cè)試拓?fù)淙鐖D8所示（節(jié)點(diǎn)的實(shí)際距離按圖右下角比例尺計(jì)算），區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布6個(gè)終端節(jié)點(diǎn)。終端平臺(tái)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境無(wú)法完成6臺(tái)終端的兩兩通信，而在MANET網(wǎng)絡(luò)中，調(diào)整每個(gè)終端的無(wú)線網(wǎng)卡，讓其在Ad Hoc模式中工作，且都運(yùn)行OLSR，即可實(shí)現(xiàn)6臺(tái)終端的兩兩通信。

圖8 測(cè)試布局圖Fig.8 Testing layout

圖8中，終端A和F借助其他終端對(duì)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行語(yǔ)音傳輸。開始測(cè)試時(shí)，6個(gè)節(jié)點(diǎn)保持靜止?fàn)顟B(tài)，在A節(jié)點(diǎn)上使用traceroute命令，跟蹤去往節(jié)點(diǎn)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(dòng)節(jié)點(diǎn)C至C′，E至E′（見圖8）；其后，在A節(jié)點(diǎn)上跟蹤去往F節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包沿著圖8中的實(shí)箭頭方向傳輸，重復(fù)測(cè)試3次，數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)路徑?jīng)]有改變。用ping命令測(cè)試A與F節(jié)點(diǎn)間的連通性（每次測(cè)試300個(gè)數(shù)據(jù)包），結(jié)果見表1。

表1 A和F節(jié)點(diǎn)間連通性測(cè)試Table1 Connectivity test between A and F

從表1中可以看出，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)C和E后，傳輸時(shí)延明顯減少，這是因?yàn)閿?shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)由原來(lái)的3個(gè)節(jié)點(diǎn)變?yōu)?個(gè)節(jié)點(diǎn)的緣故，實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)不宜超過(guò)5個(gè)，否則，時(shí)延將明顯增大，影響語(yǔ)音數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)通話節(jié)點(diǎn)間的丟包率不大于15%，平均時(shí)延不大于200 ms時(shí)，即能滿足語(yǔ)音通話要求。測(cè)試結(jié)果表明：該語(yǔ)音調(diào)度系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，話音質(zhì)量可靠。

5 結(jié)語(yǔ)

基于Linux系統(tǒng)平臺(tái)，結(jié)合liblinphone庫(kù)和OLSR路由協(xié)議，構(gòu)建語(yǔ)音調(diào)度系統(tǒng)，完成了硬件和軟件的設(shè)計(jì)，并應(yīng)用于實(shí)際場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)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(shí)時(shí)性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，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(xiǎn)救災(zāi)等領(lǐng)域中，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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