基于AdHoc网络的智能手机语音通信系统设计

摘 要 ：Ad hoc网络的移动灵活性使其具有广泛的应用前景,智能手机目前发展迅速且支持wifi,利用手机组建ad hoc网络通信更加方便实惠.本文分析了智能手机间组建ad hoc网络的问题,并对关键技术进行了研究与分析,针对语音通信的特点,构建了一种在智能手机上的ad hoc网络体系结构.并根据体系结构和智能手机系统的特性,提出了一个基于Ad Hoc网络的智能手机语音通信系统的概要设计方案.

关 键 词 ：Ad Hoc网络；智能手机；语音通信系统

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：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 work lead to a broad prospect of application,currently,art phones develop rapidly and support wifi,which formed ad hoc works will convenient and affordable. This paper analyzes the problems and key technology in the ad hoc works famed by art phones ,and build a ad hoc work architecture by the voice munication features in the art phones.And I pro posed a design of art mobile voice munication system based on the system architecture and the characteristics of art phones.

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

Ad hoc网络是一种分布式的无线移动网络,它不依赖固定的基础通信设施,没有中心节点,具有自组织能力,抗毁性强,网络中的各节点地位平等,且具有转发报文的功能.一般适用于军事通信、抢险救灾、应对突发事件等无法得到有线网络支持或者临时需要通信的环境.

随着wlan技术及手机应用的迅速发展,越来越多的智能手机加入了WI-FI功能,诸如主流的iOS、Android、Windows Mobile、Sym bian等手机操作系统都支持无线网络的接入,为手机终端组建ad hoc网络提供了支持.在应对自然灾害等紧急场合中,固定网络往往受损,导致人们之间无法通信,此时利用手机组建Ad Hoc网络进行通信就变的必要可行.同时,随着手机的应用发展,人们希望降低手机的各项费用,尤其对于学生这样的低消费人群,在小范围内如果可以组建Ad Hoc网络通信,便可以节省通信费用,因此,提出一种基于Ad Hoc网络的智能手机语音通信系统方案,以实现智能手机终端间无需借助运营商网络支持的自组织语音通信.

1国内外发展现状

国内外对无线Ad Hoc网络已经有了比较广泛的研究并取得了大量的成果,但已有研究绝大多数针对介质访问控制(MAC)[18]、路由系统[17]、拓扑管理、功率控制、怎么写作质量控制[9][12][16]、安全[11]等领域来开展,且通常以无线Ad Hoc网络作为一种网络基础设施支持多样性应用为研究背景,研究的理论成分较重.

从公开发表的文献看,利用智能手机内置的IEEE802.11构建Ad Hoc网络并实现节点之间语音数据传输的成果不多.P.B. Vel loso等人利用仿真实验研究了移动性和QoS提供等对Ad Hoc网络语音通信容量问题进行了研究[1]；HuiYao Zahng等人研究了不同路由协议对语音应用系统性能的影响[2]；C.H.Saleem等人研究了利用Ad Hoc组建对等网络支持紧急情况下指挥控制系统的语音通信问题[4], Feng GAO等人构建了Symbian平台下基于蓝牙无线Ad Hoc网络语音通信的中间件系统[3].清华大学的陈萍萍在“手机终端的自组织通信协议的实现”[5]一文中基于Symbian智能手机终端实现了一种基于蓝牙和WiFi的Ad Hoc网络语音通信系统,但其测试网络规模过小.同时董梅也在Symbian平台下实现了流媒体即时通信系统[7],但同样存在质量保证跟网络规模问题,鉴于小规模网络和大规模网络的问题迥异程度较高,其实现方法在较大规模网络中的可行性和性能需要进一步研究；李振宇等在“一种移动Ad Hoc网络中实时语音通信方法的研究”[6]一文中从网络层面和应用层面两个方面讨论了机遇As Hoc网络的语音通信方法,包括QoS控制机制等,但相关讨论建立在仿真实验基础上,并没有构建实验验证网络.

可以看出,尽管对Ad Hoc网络和VoIP[10][13]技术的研究已经取得了大量成果,但公开发表文献未见关于“基于无线Ad Hoc网络的智能手机终端语音通信系统”可以实用的成果发表.

2关键技术

由于Ad Hoc网络独有的无中心,自组织,多跳路由,动态拓扑,特殊的无线信道特征,安全性差等特点,所以需要考虑路由协议、怎么写作质量保证、语音编码技术、安全性等多个方面的问题,其中主要对路由协议与怎么写作质量、语音编码技术进行重点研究.2.1 VOIP技术

VOIP技术是将语音建立在IP技术上的语音传输技术,其基本原理是将普通的模拟信号转换为数字语音信号,通过语音压缩算法将语音数据进行压缩编码处理,然后把这些语音数据按相关协议进行打包封装处理,通过IP网络把数据包传输到目的地接收端,再把这些语音数据包重新装配,经过解码解压缩处理后,恢复成原来的模拟语音信号,从而达到利用IP网络进行语音通信的目的.我们可以利用此技术在ad hoc网络上实现手机的语音通信,通信模型如图1.

2.2语音编码方案

通过网络传输实时语音与传输普通数据不同,应用网络的组成必须符合这种实时传输的需要.语音的分组传送通常要求网络提供充足的带宽.但是Ad Hoc网络带宽资源有限,在这种情况下,我们可以通过编码压缩技术来减少对带宽的使用

目前,语音编码方案较多,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,不同编码方案的编码码率不同.目前智能手机中应用的802.11b/g协议的标准数据速率分别是11/54Mbps,而实际应用中可能远达不到此标准.手机中G语音通话是采用G.711编码,由于无线Ad Hoc网络的链路容量较低,加之由于移动性导致的传输路径的变化,采用固定的编码方案和编码速率可能无法较好的在语音质量和应用系统性能之间进行折中,所以可以采用G.729与G.711相结合的动态语音编码方案.在链路状况好的情况下优先考虑语音质量,采用G.711编码,当网络中发生拥堵断路等影响传输速率的时候,选用低速率的G.729编码方案.

2.3 QoS路由协议

在Ad Hoc网络中,随着节点移动,网络拓扑结构在不断变化.如何快速准确地选择到达目的节点的路由是一个重要和核心的问题,路由协议分类如图2.

语音通信系统对传输性能要求较高,延迟抖动要小、丢包率要低,在Ad Hoc语音通信系统中,Ad Hoc网络中的节点在不断移动,这样就会引起网络拓扑结构的动态变化,从而出现路由中断,节点或链路拥塞,传输链路故障等问题,同时手机作为网络节点能量有限,所以基于QoS/基于能量考虑的路由协议更适合于该系统.

QoS路由协议是一种基于数据流QoS请求和网络可用资源进行路由的机制.一般QoS路由协议有两个目标：一个是找到满足QOS要求的路径；另一个是充分利用全局网络资对现有路由协议的分析.结合Ad Hoc网络的特殊性,通过两个节点之间可能存在的多条路径传输语音数据能够更好地满足需求.针对目前Ad Hoc路由协议的研究现状,按需多路径距离矢量(AOMDV)路由协议更适用于本系统,如何找多多条路径、如何维护多条路径、如何实现多条路径的负载平衡等问题是关键.

3.Ad Hoc网络体系结构

根据Ad Hoc网络中手机通信的特性,构建语音通信系统的Ad Hoc网络体系结构.将整个网络分成五层.针对各层的功能,将所用协议进行分层划分,详细结构如图3.

应用层根据voip协议原理采用自适应编码方案,根据网络负载情况,当网络负载轻时选用语音通信质量好的G.711编码方案,当网络出现拥塞等情况导致网络传输下降时选用G.729编码方案.

传输层根据voip原理将包进行封装,为了更好的实现语音通信的实时传输,需要加入实时控制协议RTP头,将数据进行RTP封装后加入UDP头等信息进行UDP封装,然后交由ad hoc网络进行传输.网络层根据ad hoc网络特性采用AOMDV协议进行路由选 路.链路层MAC协议采用DCF可以避免隐藏终端与暴露终端的问题.目前主流手机采用的无线协议多是802.11b/g两种协议.

4系统概要设计

因为Ad Hoc网络中的每一个节点都是独立平等的,所以系统每一个模块都应包含客户端和怎么写作器端两部分的功能.根据语音通信过程将系统分为以下四个模块,具体如下图4.

4.1语音处理模块

手机作为客户端,利用麦克风对语音信号进行采集,并对采集的信号进行数字化,用合适的编码方式对数据进行压缩；作为怎么写作器端,对接收到的数据进行解压,将解压后的语音信号在手机上通过话筒播放.

4.2实时控制模块

源节点将语音模块处理的数据进行封装处理（RTP封装、IP封装）,将数据通过合适的端口发送到网络中；中间节点对接收到的数据包进行转发；目的节点将接收到的数据包按照正确的顺序排列,去掉报头等交给语音模块进行处理.

4.3路由模块

客户端（源节点）发起路由的查询与建立,并对路由信息进行维护；怎么写作器端（中间节点、目的节点）对源节点进行响应,建立源节点到目的节点之间的数据通信线路,实现语音数据的双向通信,根据网络变化状况对路由进行控制维护.

4.4无线传输模块

对系统的wifi进行配置管理,获得接入Ad Hoc覆盖范围内手机终端的信息（SSID、MAC、IP等）,网络周期性的更新与维护,根据路由模块选择的路径发送数据包.

5结束语

本文根据目前智能手机的发展情况,结合ad hoc网络的特性,提出一个基于ad hoc网络的智能手机语音通信系统的设计方案,该方案只是一个概要设计,对于路由协议、编码方案、信令协议等问题可以进一步研究改进.

[16]钱琛.Ad Hoc网络语音通信Qos研究及模拟分析[D].南京邮电学硕士论文,2008,4.

[17]师小琳.Ad Hoc网络稳定路由协议[J].计算机工程与应用, 2010,46（32）:88-90.

[18]吴笑萍.Ad Hoc网络隐藏/暴露终端问题的研究.微计算机信息,2006,22(10):35-38.