基于无线个域网的新型语音通信系统

　　分析了基于WPAN的语音通信系统（VoWPAN）的优点，设计并研制了应用在石油井场的VoWPAN系统。该系统包括音频网关和语音终端2部分，能够提供音频网关到语音终端之间点到点、点到多点的无线语音通信。

　　通过采用高密度封装的蓝牙模块和集成化的设计，减小了系统的尺寸。针对语音终端待机时间短的问题，采用休眠模式、减小扫描窗长度、增大扫描间隔、关闭主机接口等措施，降低了功耗。通过分离音频网关的主机和射频前端，简化了天线的设计难度，降低了成本，克服了某些场合的屏蔽效应。采用规范的蓝牙通信协议，可以与普通的蓝牙产品兼容。经测试，系统的通信距离可达100m。该系统已成功应用于国内许多油田的井场控制。

　　作为现有骨干网络（如因特网、公众电话网和公众移动通信网）的一种补充和延伸，无线个域网（wireless personal area network，WPAN）技术的应用方兴未艾，基于WPAN的语音通信系统（voice overWPAN，VoWPAN）已逐渐成为一种新的应用。通过VoWPAN，人们可以无缝地接入现有的公众电话网（public switched telephone network，PSTN），在家庭、办公室等室内场合使用手机通信但发射功率极小且仅花费固定网络的资费。对于固定和移动通信网络运营商来说，引入VoWPAN，可以通过不同于有线或公众蜂房系统的电话业务，为企业、商场和家庭用户提供通信服务，从而有效扩展网络覆盖率，提高市场竞争力。

　　蓝牙（Bluetooth）作为WPAN的关键技术之一，应用于VoWPAN具有广阔的前景。本文把蓝牙作为VoWPAN的主要技术，在参考国际蓝牙专业组（special interesTIng group，SIG）提出的蓝牙语音应用参考模型的基础上，着重阐述其在井场无线通信VoWPAN中的应用，给出了一种新型的VoWPAN系统的设计和研制，包括其软、硬件结构和工作流程；然后分析其性能，特别是系统的电流消耗，给出了降低功耗的方法；最后剖析了VoWPAN尚存的问题和今后的发展方向。

　　VoWPAN的关键技术

　　VoWPAN利用PSTN网络的普遍性和成熟性，在家庭和企业环境中，通过使用WPAN语音终端，在WPAN覆盖范围内自由组网免费通话或者通过PSTN拨打市话。一般来说，VoWPAN系统应满足以下要求：

　　1）采用的语音编码应具有较小的时延。目前，比较常见的语音编码调制技术，主要有脉冲编码调制（pulse codemodulaTIon，PCM）和增量调制。为了提高增量调制的动态范围进而提高信噪比，通常采用连续可变斜率增量调制（conTInuous variableslope delta，CVSD）。测试表明，在同样的信息传输速率条件下CVSD的性能优于PCM，其误码率即使达到4%，话音质量也可以接受。

　　2）必须能够抵御WPAN环境中存在的各种干扰。跳频技术采用正交的伪随机跳变图案以避免“碰撞”，具有很强的抗干扰能力。但是在一个分散的系统中不可能有理想正交的跳频图案，这就导致了2个或多个用户同时在同一频隙上发送信号，即产生碰撞，碰撞概率随着系统中网络数量的增加而增加。另外，在蓝牙的工作频带内还有很多使用跳频技术的系统。

　　3）应严格限制几何尺寸，同时具有规范的接口，从而可以方便地集成到现有的语音终端设备中（如无线对讲机、蜂窝电话等）。鉴于本系统的典型应用是要将语音终端佩戴在用户头上，其体积和质量都有非常严格的要求。

　　根据上述要求，本系统采用了DELTA公司的DFBM-CF121蓝牙模块，集成了CSRBC02、PCM编解码器、Flash存储和晶振等部件，其尺寸仅为10.5mm&TImes;10.5mm×2.0mm。蓝牙技术规范的开放性保证了设备制造商可以自由地选用其专利协议或常用的公共协议，在此基础上开发新的应用。本文提出的语音通信系统就是在其核心协议的基础上，对语音终端和音频网关进行了控制、管理应用程序的开发。

　　蓝牙1.1标准规定用于传输语音的链路是同步面向连接链路（synchronous connection-oriented，SCO），支持对称、电路交换和点到点连接。目前蓝牙112标准和210标准增加了增强型同步面向连接链路（extended synchronous connection-oriented，eSCO），eSCO是在标准的SCO链路上增加一些扩展机制，使得链路能够支持更灵活的数据包格式、包内的数据内容、时隙周期，同时还允许加入同步比特。另外，eSCO支持有限的数据重传，增强了同步传输过程中的错误检测和重传机制，非常适合传输话音。

　　蓝牙的跳频序列周期很长，具有很强的抗干扰性能，可大大降低不同类型网络间和相同类型网络间的干扰，有利于对同步要求很高的语音业务。

　　另外，SIG也致力于开发蓝牙在语音方面的新应用。SIG早在蓝牙1.1标准发布时就给出了有关蓝牙语音应用的若干参考模型，包括无绳电话应用模型（cordless telephone profile，CTP）、对讲机应用模型（intercom profile，IntP）、耳机应用模型（head setprofile，HSP）、车载免提应用模型（hand freeprofile，HFP）等。目前，SIG又提出了一些新的语音应用参考模型，比如宽带语音应用模型（wide band speech，WB-Speech），采用16kHz采样率，符合蓝牙1.2标准规定的支持错误检测和重传机制的同步链路。此外，SIG还不断提出语音应用模型的新版本（例如HFP1.5，CTP1.2，IntP1.2版本等），具有更高的连接速度、更有效的错误检测和流量控制、更强的同步能力。

　　由于蓝牙技术在语音传输方面的优势，必将使其成为VoWPAN的关键技术。

　　VoWPAN通信系统的设计与实现

　　蓝牙VoWPAN通信系统原理如图1所示。通信系统采用蓝牙技术，以蓝牙电话应用框架为参考，充分利用了蓝牙语音质量好、体积小、功耗低、成本低和抗干扰能力强的特点，实现了语音终端与音频网关之间点到点、点到多点通信的无线语音接入系统。其中，语音终端可以是本文所述的蓝牙语音终端，也可以是普通的蓝牙耳机、带有蓝牙功能的蜂窝手机、支持蓝牙功能的笔记本电脑等。

　　本文主要介绍已经成功应用于石油井场的语音通信系统，该系统是VoWPAN技术在石油钻井平台现场的应用。井场示意图如图2所示，整个系统以钻井平台上的司钻控制室为中心，通信范围覆盖井架、发电装置、泥浆装置等设施。工作人员在覆盖区内可以自由地进行通话。在井场内部局域网内形成VoWPAN的应用。由于采用了免提设计，工作人员使用时甚至不需要用手按键，因此特别适合无法用手接听时的场合。如果司钻控制台接有电话线，只需在网关端加入电话处理模块，覆盖区内的工作人员可以通过司钻控制台拨打电话。

　　相对于VoWPAN在家庭、办公室应用，系统在尺寸、节能、抗干扰等方面有更高的要求。因此，本文所述井场的语音通信系统完全可以应用在医院、家庭、办公室等各种场合。