基于無線個(gè)域網(wǎng)的新型語音通信系統(tǒng)

　　分析了基于WPAN的語音通信系統(tǒng)（VoWPAN）的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)并研制了應(yīng)用在石油井場(chǎng)的VoWPAN系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括音頻網(wǎng)關(guān)和語音終端2部分，能夠提供音頻網(wǎng)關(guān)到語音終端之間點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)的無線語音通信。

　　通過采用高密度封裝的藍(lán)牙模塊和集成化的設(shè)計(jì)，減小了系統(tǒng)的尺寸。針對(duì)語音終端待機(jī)時(shí)間短的問題，采用休眠模式、減小掃描窗長(zhǎng)度、增大掃描間隔、關(guān)閉主機(jī)接口等措施，降低了功耗。通過分離音頻網(wǎng)關(guān)的主機(jī)和射頻前端，簡(jiǎn)化了天線的設(shè)計(jì)難度，降低了成本，克服了某些場(chǎng)合的屏蔽效應(yīng)。采用規(guī)范的藍(lán)牙通信協(xié)議，可以與普通的藍(lán)牙產(chǎn)品兼容。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)的通信距離可達(dá)100m。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)許多油田的井場(chǎng)控制。

　　作為現(xiàn)有骨干網(wǎng)絡(luò)（如因特網(wǎng)、公眾電話網(wǎng)和公眾移動(dòng)通信網(wǎng)）的一種補(bǔ)充和延伸，無線個(gè)域網(wǎng)（wireless personal area network，WPAN）技術(shù)的應(yīng)用方興未艾，基于WPAN的語音通信系統(tǒng)（voice overWPAN，VoWPAN）已逐漸成為一種新的應(yīng)用。通過VoWPAN，人們可以無縫地接入現(xiàn)有的公眾電話網(wǎng)（public switched telephone network，PSTN），在家庭、辦公室等室內(nèi)場(chǎng)合使用手機(jī)通信但發(fā)射功率極小且僅花費(fèi)固定網(wǎng)絡(luò)的資費(fèi)。對(duì)于固定和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商來說，引入VoWPAN，可以通過不同于有線或公眾蜂房系統(tǒng)的電話業(yè)務(wù)，為企業(yè)、商場(chǎng)和家庭用戶提供通信服務(wù)，從而有效擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋率，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

　　藍(lán)牙（Bluetooth）作為WPAN的關(guān)鍵技術(shù)之一，應(yīng)用于VoWPAN具有廣闊的前景。本文把藍(lán)牙作為VoWPAN的主要技術(shù)，在參考國(guó)際藍(lán)牙專業(yè)組（special interesTIng group，SIG）提出的藍(lán)牙語音應(yīng)用參考模型的基礎(chǔ)上，著重闡述其在井場(chǎng)無線通信VoWPAN中的應(yīng)用，給出了一種新型的VoWPAN系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制，包括其軟、硬件結(jié)構(gòu)和工作流程；然后分析其性能，特別是系統(tǒng)的電流消耗，給出了降低功耗的方法；最后剖析了VoWPAN尚存的問題和今后的發(fā)展方向。

　　VoWPAN的關(guān)鍵技術(shù)

　　VoWPAN利用PSTN網(wǎng)絡(luò)的普遍性和成熟性，在家庭和企業(yè)環(huán)境中，通過使用WPAN語音終端，在WPAN覆蓋范圍內(nèi)自由組網(wǎng)免費(fèi)通話或者通過PSTN撥打市話。一般來說，VoWPAN系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：

　　1）采用的語音編碼應(yīng)具有較小的時(shí)延。目前，比較常見的語音編碼調(diào)制技術(shù)，主要有脈沖編碼調(diào)制（pulse codemodulaTIon，PCM）和增量調(diào)制。為了提高增量調(diào)制的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)而提高信噪比，通常采用連續(xù)可變斜率增量調(diào)制（conTInuous variableslope delta，CVSD）。測(cè)試表明，在同樣的信息傳輸速率條件下CVSD的性能優(yōu)于PCM，其誤碼率即使達(dá)到4%，話音質(zhì)量也可以接受。

　　2）必須能夠抵御WPAN環(huán)境中存在的各種干擾。跳頻技術(shù)采用正交的偽隨機(jī)跳變圖案以避免“碰撞”，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。但是在一個(gè)分散的系統(tǒng)中不可能有理想正交的跳頻圖案，這就導(dǎo)致了2個(gè)或多個(gè)用戶同時(shí)在同一頻隙上發(fā)送信號(hào)，即產(chǎn)生碰撞，碰撞概率隨著系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)數(shù)量的增加而增加。另外，在藍(lán)牙的工作頻帶內(nèi)還有很多使用跳頻技術(shù)的系統(tǒng)。

　　3）應(yīng)嚴(yán)格限制幾何尺寸，同時(shí)具有規(guī)范的接口，從而可以方便地集成到現(xiàn)有的語音終端設(shè)備中（如無線對(duì)講機(jī)、蜂窩電話等）。鑒于本系統(tǒng)的典型應(yīng)用是要將語音終端佩戴在用戶頭上，其體積和質(zhì)量都有非常嚴(yán)格的要求。

　　根據(jù)上述要求，本系統(tǒng)采用了DELTA公司的DFBM-CF121藍(lán)牙模塊，集成了CSRBC02、PCM編解碼器、Flash存儲(chǔ)和晶振等部件，其尺寸僅為10.5mm&TImes;10.5mm×2.0mm。藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范的開放性保證了設(shè)備制造商可以自由地選用其專利協(xié)議或常用的公共協(xié)議，在此基礎(chǔ)上開發(fā)新的應(yīng)用。本文提出的語音通信系統(tǒng)就是在其核心協(xié)議的基礎(chǔ)上，對(duì)語音終端和音頻網(wǎng)關(guān)進(jìn)行了控制、管理應(yīng)用程序的開發(fā)。

　　藍(lán)牙1.1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定用于傳輸語音的鏈路是同步面向連接鏈路（synchronous connection-oriented，SCO），支持對(duì)稱、電路交換和點(diǎn)到點(diǎn)連接。目前藍(lán)牙112標(biāo)準(zhǔn)和210標(biāo)準(zhǔn)增加了增強(qiáng)型同步面向連接鏈路（extended synchronous connection-oriented，eSCO），eSCO是在標(biāo)準(zhǔn)的SCO鏈路上增加一些擴(kuò)展機(jī)制，使得鏈路能夠支持更靈活的數(shù)據(jù)包格式、包內(nèi)的數(shù)據(jù)內(nèi)容、時(shí)隙周期，同時(shí)還允許加入同步比特。另外，eSCO支持有限的數(shù)據(jù)重傳，增強(qiáng)了同步傳輸過程中的錯(cuò)誤檢測(cè)和重傳機(jī)制，非常適合傳輸話音。

　　藍(lán)牙的跳頻序列周期很長(zhǎng)，具有很強(qiáng)的抗干擾性能，可大大降低不同類型網(wǎng)絡(luò)間和相同類型網(wǎng)絡(luò)間的干擾，有利于對(duì)同步要求很高的語音業(yè)務(wù)。

　　另外，SIG也致力于開發(fā)藍(lán)牙在語音方面的新應(yīng)用。SIG早在藍(lán)牙1.1標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布時(shí)就給出了有關(guān)藍(lán)牙語音應(yīng)用的若干參考模型，包括無繩電話應(yīng)用模型（cordless telephone profile，CTP）、對(duì)講機(jī)應(yīng)用模型（intercom profile，IntP）、耳機(jī)應(yīng)用模型（head setprofile，HSP）、車載免提應(yīng)用模型（hand freeprofile，HFP）等。目前，SIG又提出了一些新的語音應(yīng)用參考模型，比如寬帶語音應(yīng)用模型（wide band speech，WB-Speech），采用16kHz采樣率，符合藍(lán)牙1.2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的支持錯(cuò)誤檢測(cè)和重傳機(jī)制的同步鏈路。此外，SIG還不斷提出語音應(yīng)用模型的新版本（例如HFP1.5，CTP1.2，IntP1.2版本等），具有更高的連接速度、更有效的錯(cuò)誤檢測(cè)和流量控制、更強(qiáng)的同步能力。

　　由于藍(lán)牙技術(shù)在語音傳輸方面的優(yōu)勢(shì)，必將使其成為VoWPAN的關(guān)鍵技術(shù)。

　　VoWPAN通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　藍(lán)牙VoWPAN通信系統(tǒng)原理如圖1所示。通信系統(tǒng)采用藍(lán)牙技術(shù)，以藍(lán)牙電話應(yīng)用框架為參考，充分利用了藍(lán)牙語音質(zhì)量好、體積小、功耗低、成本低和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了語音終端與音頻網(wǎng)關(guān)之間點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)通信的無線語音接入系統(tǒng)。其中，語音終端可以是本文所述的藍(lán)牙語音終端，也可以是普通的藍(lán)牙耳機(jī)、帶有藍(lán)牙功能的蜂窩手機(jī)、支持藍(lán)牙功能的筆記本電腦等。

　　本文主要介紹已經(jīng)成功應(yīng)用于石油井場(chǎng)的語音通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)是VoWPAN技術(shù)在石油鉆井平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用。井場(chǎng)示意圖如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)以鉆井平臺(tái)上的司鉆控制室為中心，通信范圍覆蓋井架、發(fā)電裝置、泥漿裝置等設(shè)施。工作人員在覆蓋區(qū)內(nèi)可以自由地進(jìn)行通話。在井場(chǎng)內(nèi)部局域網(wǎng)內(nèi)形成VoWPAN的應(yīng)用。由于采用了免提設(shè)計(jì)，工作人員使用時(shí)甚至不需要用手按鍵，因此特別適合無法用手接聽時(shí)的場(chǎng)合。如果司鉆控制臺(tái)接有電話線，只需在網(wǎng)關(guān)端加入電話處理模塊，覆蓋區(qū)內(nèi)的工作人員可以通過司鉆控制臺(tái)撥打電話。

　　相對(duì)于VoWPAN在家庭、辦公室應(yīng)用，系統(tǒng)在尺寸、節(jié)能、抗干擾等方面有更高的要求。因此，本文所述井場(chǎng)的語音通信系統(tǒng)完全可以應(yīng)用在醫(yī)院、家庭、辦公室等各種場(chǎng)合。