2.4GHz數字電話網信令傳輸策略及實現

2019-11-03 09:08:37

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供稿：網友

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數字無繩電話網通信環境惡劣，信令傳輸的可靠性尤為重要。提出可靠的信令傳輸策略，并在時分雙工的鏈路上實現。

　　關鍵詞信令傳輸時分雙工 ARQ

1 引言

　　2.4GHz數字無繩電話網是有線電話網的無線延伸。2.4GHz頻段是世界通用的ISM（Industry Science Medicine）頻段，無需授權使用，且具有相當的覆蓋范圍和墻體穿透能力。數字擴頻和加密技術增強了通信的穩定性和保密性。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，是向最終實現移動網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，因而信令傳輸的可靠性尤為重要。本文根據無繩電話網信令在特定應用中的特點，借鑒有線局域網協議，從多方面采取策略保證信令傳輸的可靠性，并在時分雙工的鏈路上實現。

2 2.4GHz無繩電話網的網絡拓撲和協議棧

　　無繩電話網是有基礎構架的無線網絡。座機通過電話線連接外部有線電話網，也是手機的AP（access Point）；同時它也是無中心網絡，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，不存在網絡路由問題，從OSI模型角度，通信協議棧主要由應用層、數據鏈路層和物理層構成。

　　整個網絡是通過隨入信令實現控制的，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。

　　網絡標志（NID）：區分兩個無繩電話網的標志，相互通信的雙方必須具有相同的網絡標志，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用于傳輸數據。

　　信令（COMM）：發送給通信對方的控制命令和數據，以及網內的廣播、多播、單播的控制。

　　數據（DATA）：處理過的語音數據或填充信息。信令和數據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）、監聽模式（Listening Mode）。主模式的站點通過發送ABF發起通信，其他站點處在監聽模式時，只接收不發送。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，每個發送幀或接收幀末，都有一定的時隙。在時隙期，系統一方面要切換射頻（RF，Radio Frequency）的發送或接收頻率；另一方面要處理來自應用層和MAC層的狀態信息和控制信令。當然，通信鏈路的暢通是傳輸信令和語音數據的前提。

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送ABF發起，其他的工作站收到后，若從監聽模式轉換為從模式，則發送ABF響應。接著主站發送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據幀（DBF）時，并不是馬上開始重新建立連接，而是設置粘連計數器（Sticky Count）。當錯誤幀數不大于粘連計數器的設定值時，繼續發送DBF；當超過設定值時，主模式站點重新發送ABF,請求再次建立連接。

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

　?。?）在規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，負責網中正常的通信。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送Ｎ次。每發送一次，就將TTL減1，直到TTL為0。當然，信令重復發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

　　由于信令的數據量小，通信狀態下的信令交互采取簡化的停止等待協議和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和雙字節兩種情況。單字節信令在信令域中存放重復的兩個。接收方比較此兩個字節，若相等則認為接收正確；否則，認為是非法信令。對于雙字節信令，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，那么發送方會重發信令。為防止無限次重發，設定信令的生存期TTL。超過TTL，發送方就放棄發送，交給應用層處理；另一種是如果發送方未正確接收到ACK，那么發送方也會重發信令，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。

　?。?）信令是單純控制信令，不攜帶數據。由于應用層在不同的狀態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收到此類信令必然跳轉到另一應用狀態，接收信令集也相應隨之改變。因此，應用層若發現所接收的此類信令不在本狀態對應的信令集合內，則沉默消除（Silent Discard）即可。例如當接收方已在非響鈴狀態接收到響鈴信令RING_ON，就進入響鈴狀態。此時RING_ON已不在響鈴狀態下的信令接收集中。若繼續收到RING_ON就消除它。

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

5 信令傳輸協議的實現

　　無繩電話的信令控制系統是其嵌入式操作系統的一部分，本文由于MCU的要求，用匯編語言實現。由于采用時分雙工的機制，因而在發送幀末和接收幀末各有不同的信令處理操作，在發送幀末時隙發送廣播命令。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送幀要發送的信令是取決于本接收幀所接收的信令。

6 結束語

　　2.4GHz數字擴頻無繩電話局域網正悄然興起，但短距離無線通信的惡劣通信環境卻使信令的可靠傳輸成為難點。本文根據無繩電話在特定的狀態下，所接收的信令有限、無重復等特點，參照有線網絡的傳輸協議，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。開發的產品在應用中證明，采用上述策略建立的無繩電話網，信令傳輸具有相當的可靠性。當然，從各種無線網絡到最終實現個人通信還有很多難題有待解決。

----《中國數據通信》