2.4GHz數(shù)字電話網(wǎng)信令傳輸策略及實現(xiàn)

2019-11-03 09:08:37

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供稿：網(wǎng)友

常建剛孫勇謀王紹棣

（南京郵電學院計算機科學與技術系南京210003）　　摘要 2.4GHz數(shù)字無繩電話網(wǎng)通信環(huán)境惡劣，信令傳輸?shù)目煽啃杂葹橹匾Ｌ岢隹煽康男帕顐鬏敳呗裕⒃跁r分雙工的鏈路上實現(xiàn)。

　　關鍵詞信令傳輸時分雙工 ARQ

1 引言

　　2.4GHz數(shù)字無繩電話網(wǎng)是有線電話網(wǎng)的無線延伸。2.4GHz頻段是世界通用的ISM（Industry Science Medicine）頻段，無需授權使用，且具有相當?shù)母采w范圍和墻體穿透能力。數(shù)字擴頻和加密技術增強了通信的穩(wěn)定性和保密性。內部通話、呼叫轉移、三方通話等，便利、實惠的網(wǎng)絡功能使其在SOHO（Small Office and Home Office）有著廣泛的應用前景。無繩電話網(wǎng)也是當前崛起的短距離無線通信的典型一例，是向最終實現(xiàn)移動網(wǎng)絡和個人通信邁出的成功一步。

　　但無線通信誤碼率高、可用性差，并且有切換和連接中斷等問題；2.4GHz頻段作為公用頻段更易受到干擾，因而信令傳輸?shù)目煽啃杂葹橹匾?。本文根?jù)無繩電話網(wǎng)信令在特定應用中的特點，借鑒有線局域網(wǎng)協(xié)議，從多方面采取策略保證信令傳輸?shù)目煽啃?，并在時分雙工的鏈路上實現(xiàn)。

2 2.4GHz無繩電話網(wǎng)的網(wǎng)絡拓撲和協(xié)議棧

　　無繩電話網(wǎng)是有基礎構架的無線網(wǎng)絡。座機通過電話線連接外部有線電話網(wǎng)，也是手機的AP（access Point）；同時它也是無中心網(wǎng)絡，即各站點（包括手機和座機）可通過無線方式獨立地相互通信, 而無需經過交換局或本地交換設備。

　　無線電話網(wǎng)通信分為兩個階段：呼叫階段和通話階段。呼叫時，鏈路是單向的，信令沿共享信道廣播到其他各站點。通話階段，兩點之間建立雙向連接，形成點到點的通信方式，不存在網(wǎng)絡路由問題，從OSI模型角度，通信協(xié)議棧主要由應用層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層構成。

　　整個網(wǎng)絡是通過隨入信令實現(xiàn)控制的，控制信息在鏈路層打包。

　　幀同步序列（PR）：使接收方更好地處理多徑傳播引起的碼間干擾。

　　網(wǎng)絡標志（NID）：區(qū)分兩個無繩電話網(wǎng)的標志，相互通信的雙方必須具有相同的網(wǎng)絡標志，否則無法正確接收。

　　幀類型（FT）：分為三種幀類型，即ABF (Acqusition Burst Frame)、EBF(Empty Burst Frame)、DBF (Data Burst Frame)。ABF和EBF用于建立通信鏈接，而DBF用于傳輸數(shù)據(jù)。

　　信令（COMM）：發(fā)送給通信對方的控制命令和數(shù)據(jù)，以及網(wǎng)內的廣播、多播、單播的控制。

　　數(shù)據(jù)（DATA）：處理過的語音數(shù)據(jù)或填充信息。信令和數(shù)據(jù)都包含奇偶校驗信息。

3 通信鏈路的建立和維護

　　無繩電話網(wǎng)中各站點（包括座機和手機）均有三種工作模式：主模式（Master Mode）、從模式（Slave Mode）、監(jiān)聽模式（Listening Mode）。主模式的站點通過發(fā)送ABF發(fā)起通信，其他站點處在監(jiān)聽模式時，只接收不發(fā)送。當轉為從模式，則予以響應，和主站點建立通信鏈路。各站點采用時分雙工的方式在半雙工的鏈路上仿真全雙工通信。每個幀期，通信一方處于空閑或接收狀態(tài)，每個發(fā)送幀或接收幀末，都有一定的時隙。在時隙期，系統(tǒng)一方面要切換射頻（RF，Radio Frequency）的發(fā)送或接收頻率；另一方面要處理來自應用層和MAC層的狀態(tài)信息和控制信令。當然，通信鏈路的暢通是傳輸信令和語音數(shù)據(jù)的前提。

3.1 通信鏈路的建立

　　通信鏈路的建立首先由處于主模式的站點通過發(fā)送ABF發(fā)起，其他的工作站收到后，若從監(jiān)聽模式轉換為從模式，則發(fā)送ABF響應。接著主站發(fā)送EBF，從站響應EBF，從而在通信站點之間建立雙向連接。3.2 通信鏈路的維護

　　無線鏈路斷鏈的可能性比較大。斷鏈的處理措施必不可少：

　?。?）當鏈路斷開，一方無法接收到正確的數(shù)據(jù)幀（DBF）時，并不是馬上開始重新建立連接，而是設置粘連計數(shù)器（Sticky Count）。當錯誤幀數(shù)不大于粘連計數(shù)器的設定值時，繼續(xù)發(fā)送DBF；當超過設定值時，主模式站點重新發(fā)送ABF,請求再次建立連接。

　　（2）在規(guī)定的時間內沒有建立連接，則雙方分別按一定的規(guī)律切換到新的信道上，工作模式不改變。

　?。?）在規(guī)定的時間內還沒有建立連接，則主模式切換到從模式、從模式切換到主模式再次發(fā)起建鏈。最終，或者成功建鏈或者放棄建鏈。

4 2.4GHz無繩電話網(wǎng)的信令傳輸

　　信令控制著各站點響鈴、來電、接通外線等功能的實現(xiàn)，負責網(wǎng)中正常的通信。呼叫過程和通話過程都要有信令的傳輸，情況卻不相同。

4.1 呼叫階段的信令傳輸

　　呼叫階段，主站向本網(wǎng)內的其他站點廣播或多播呼叫信令。由于其他站點都處在監(jiān)聽模式并不響應，即通信鏈路是單向的。

　　呼叫信令實時性強，因而要放寬接收的限制。為擴大容錯性，采用模糊匹配的方法，即把接收到的信令和本地信令真值按比特匹配。若錯誤的比特數(shù)小于容錯門限，則認為接收到的是正確的信令，否則判定為無效信令。為提高到達的可靠性，采用重復廣播的方式。設定信令的生存期TTL（Time To Live）為Ｎ（Ｎ≥2），即主站把同一信令發(fā)送Ｎ次。每發(fā)送一次，就將TTL減1，直到TTL為0。當然，信令重復發(fā)送也會使接收方接收到重復的、冗余的信令。

4.2 通話階段信令的傳輸

　　由于信令的數(shù)據(jù)量小，通信狀態(tài)下的信令交互采取簡化的停止等待協(xié)議和ARQ（Automaktic Repeat reQuest）機制。當接收方判別接收到的信令正確時，只是簡單地回復響應幀ACK，省去序列的確認。信令的接收分為單字節(jié)和雙字節(jié)兩種情況。單字節(jié)信令在信令域中存放重復的兩個。接收方比較此兩個字節(jié)，若相等則認為接收正確；否則，認為是非法信令。對于雙字節(jié)信令，接收方把第一次接收的保存，并和第二次接收的信令相比較。若相等，則認為接收正確；否則，認為是非法信令。

　　信令傳輸有兩種異常情況：一是如果接收方未正確收到信令，則不響應ACK，那么發(fā)送方會重發(fā)信令。為防止無限次重發(fā)，設定信令的生存期TTL。超過TTL，發(fā)送方就放棄發(fā)送，交給應用層處理；另一種是如果發(fā)送方未正確接收到ACK，那么發(fā)送方也會重發(fā)信令，造成信令的重復接收。

　　不論呼叫階段或通話階段，接收方都有可能收到重復的信令。我們把信令分為兩類處理。

　　（1）信令是單純控制信令，不攜帶數(shù)據(jù)。由于應用層在不同的狀態(tài)下所要接收的信令是不同的有限集合，并且在某一應用狀態(tài)收到此類信令必然跳轉到另一應用狀態(tài)，接收信令集也相應隨之改變。因此，應用層若發(fā)現(xiàn)所接收的此類信令不在本狀態(tài)對應的信令集合內，則沉默消除（Silent Discard）即可。例如當接收方已在非響鈴狀態(tài)接收到響鈴信令RING_ON，就進入響鈴狀態(tài)。此時RING_ON已不在響鈴狀態(tài)下的信令接收集中。若繼續(xù)收到RING_ON就消除它。

　　（2）信令不是單純控制信令，攜帶有數(shù)據(jù)。發(fā)送站為每個數(shù)據(jù)打上標簽。當接收方已收到標簽為X的數(shù)據(jù)，其期望接收數(shù)據(jù)的標簽為X+1；若收到的數(shù)據(jù)標簽不為X+1（可能和上次的數(shù)據(jù)重復或要接收的數(shù)據(jù)已丟失），則將數(shù)據(jù)沉默消除。

5 信令傳輸協(xié)議的實現(xiàn)

　　無繩電話的信令控制系統(tǒng)是其嵌入式操作系統(tǒng)的一部分，本文由于MCU的要求，用匯編語言實現(xiàn)。由于采用時分雙工的機制，因而在發(fā)送幀末和接收幀末各有不同的信令處理操作，在發(fā)送幀末時隙發(fā)送廣播命令。在接收幀末的時隙處理廣播接收和通話時的信令傳輸，此時關鍵的處理在于下一發(fā)送幀要發(fā)送的信令是取決于本接收幀所接收的信令。

6 結束語

　　2.4GHz數(shù)字擴頻無繩電話局域網(wǎng)正悄然興起，但短距離無線通信的惡劣通信環(huán)境卻使信令的可靠傳輸成為難點。本文根據(jù)無繩電話在特定的狀態(tài)下，所接收的信令有限、無重復等特點，參照有線網(wǎng)絡的傳輸協(xié)議，從應用層和鏈路層采取多種機制來保證信令的可靠性傳輸。開發(fā)的產品在應用中證明，采用上述策略建立的無繩電話網(wǎng)，信令傳輸具有相當?shù)目煽啃浴．斎?，從各種無線網(wǎng)絡到最終實現(xiàn)個人通信還有很多難題有待解決。

----《中國數(shù)據(jù)通信》