（无线电物理专业论文）24ghz+wifi手机射频模块的研究与设计.pdf

摘要 随着互联网的发展，由于互联网低廉的传输费用，利用互联网来进行语音通 信应运而生。无线局域网的发展，使得如何在无线局域网上应用m 成了人们 关注的热点。而w i f i 手机作为一种在无线局域网中应用v o 口的便携式终端，以 其轻便、功能齐全等特点而受到人们的广泛关注。经过多年的发展，w i f i 技术 已经进入成熟期。w i f i 单模或多模手机已经成了人们的研究热点。 本文在深入研究了w i f i 手机的原理后，研究并设计了基于2 4 g h z 的w i f i 手机的前端射频模块。包括方案的评估、芯片的选择及相应电路的设计工作。在 设计完成之后对所实现系统的射频模块进行了测试及调试，以达到设计要求。 首先是进行的是设计方案的评估论证工作，对已有的芯片平台进行了全面的 测试评估，综合考虑了设计成本、设计难度、设计周期等因素后选定了芯片平台。 其次进行的是围绕芯片进行的射频电路及相应电路进行的设计工作。最后进行的 是将设计思路实践并实现，对其进行测试调试等工作，并提出了未来的研究方向。 论文内容主要分三大部分。第一部分是前期调研的结论即理论知识介绍，包 括论文的选题背景、v o m 的理论知识、w l a n 的基础知识、v o w l a n 及w i f i 的基本原理、接收机系统结构等理论知识的论述。 第二部分则是射频模块的设计流程，内容包括方案评估、相应电路的设计如 振荡电路等、及版图的生成等工作。这部分工作也是论文的主要工作内容。 最后则是整合系统后的测试及结论，并提出了以后的研究方向。 关键字：口、v o w l a n 、射频、w i f i 、无线局域网 a b s t r a c t i n t e r a c t ，a sac h e a pt r a n s m i s s i o nm e d i u m ，i su s e dt ow a n s m i tv o i c ed u r i n gi t s d e v e l o p i n g t h ed e v e l o p m e n to ft h ew l a n ( w i r e l e s sl o c a l a r e an e t w o r k s ) h a sm a d e t h eu s i n go fw l a ni nv o w ( v o i c eo v e r 矾a t t r a c tp e o p l e sa t t e n t i o n w i f ip h o n ei s o n ek i n do ft e 册i n a l so ft h i sa p p l i c a t i o n a f t e rs e v e r a ly e a r s d e v e l o p m e n t , t h e a p p l i c a t i o no fw i f it e c h n o l o g yh a sb e e n t h ef o c u so ft h er e s e a r c ho nt h ed e s i g n c o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h ep a p e r , b a s e do nt h es t u d yo ft h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ew i f ip h o n e ， p r o p o s e sad e s l g no f t h er fm o d u l eo faw i f ip h o n ew h i c hw o r k so nt h ef r e q u e n c yo f 2 4 g h z 。i n c l u d i n gt h ee v a l n a t i o no ft h es c h e m e ，t h ec h o i c eo ft h ei c sa n ds oo n a f t e r t h ed e s i g no ft h ec i r c u i t so ft h er fm o d u l e ，t h em e a s u r e m e n ta n dt h ed e b u go ft h e c i r c u i t sa r ei n c l u d e dt or e a c ht h ep u r p o s eo ft h ed e s i g n f i r s t l y , t h ec h i p s e ti sc h o s e na f t e re v a l u a t i n gs o m ek i n d so fc h i p s e t s t h er f c i r c u i t sa n dp e r i p h e r a lc i r c u i t sa r er e s e a r c h e da n dd e s i g n e ds e c o n d l y t h e nc o m et h e m e a s u r e m e n ta n dt h ed e b u go ft h ec i r c u i t s f i n a l l yt h ec o n c l u s i o ni sa c h i e v e d t h em a i nc o n t e n to ft h ep a p e ri sc o m p o s e do ft h r e ep a r t s t h ef i r s tp a r ti st h e i n t r o d u c t i o no ft h et h e o r yk n o w l e d g e ，i n c l u d i n gt h ep r i n c i p l eo ft h ev o i p , w l a n 9 v o w l a na n dw i f i t h e nt h ed e s i g no ft h er fm o d u l ei sp r e s e n t e da st h es e c o n dp a r t , w h i c hi n c l u d e st h ed e s i g no ft h ep e r i p h e r a lc i r c u i t s t h el a s to n ei st h em e a s m e m e n t o ft h er fs y s t e m k e y w o r d s ：v o i p , w l a n ，v o w l a n ，w i f i ，r f 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意 作者签名：l 噎坠 日期：塑：壁 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阗有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在 解密后适用本规定 学位论文作者签名：弘毛色 导师签名：晾水 日期弋训b 代 日期：l型：y 华东师范大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 现代社会是一个高效率的信息社会，要求人们能够快速、便捷地掌握和交换 信息。随着网络技术和通信技术的发展，信息的获取和交换已经有了很大的进步， 但是和人们的目标：在任何时候、任何地方和任何人交换任何信息还有一定的距 离。 自2 0 世纪年代以来，i n t e r n e t 得到迅速发展，i n t e r a c t 应用范围和用户数 都有着显著增长。随着i n t e r n e t 网络的普及，利用i n t e r n e t 这种廉价的传输介质 来传输语音也引起人们的极大关注。v o l p ( v o i c eo v e ri n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 1 1 又称作口 电话，应运而生。它是把语音进行压缩编码，打包分组，利用i n t e r n e t 进行传输， 然后到达目的端进行解码最后转换为语音从而实现通话过程。因为i n t e r a c t 传输 费用低廉，因而有着巨大的发展潜力。 近年来，无线网络迅速发展，在众多无线标准中，无线局域网因为其较低的 构建和运营成本、较高的传输速率、较远的传输距离等优点获得了人们的青睐。 而伴随着无线局域网的迅速发展，无线v o 口的应用也日益广泛，而如何在无线 局域网中应用v o 口业务则备受关注。当前人们已经可以通过手提电脑，p d a 等 终端接入i m t e m e t ，实现数据传输。w i f i 手机，即是利用手机无线接口与a p ( a c c e s sp o i n t ) 接入无线局域网( w n ) 应用v 0 口业务的一种便携式终端。 理论上说来，w i f i 手机不仅具有可以传输语音话费低廉的优点，还可以实现随 时接入i n t e m e t 网的功能，因而人们对此表示了极大的兴趣。 经过多年发展，w i f i 技术已经进入了成熟期。然而，多年来w l a n 于手持 式终端及手机装置方面的应用总局限于小面积市场应用，主要原因除了w l a n 本身是一个被设计用来传送数据的技术，并不适合传送实时性要求高的语音及多 媒体影音数据之外，而且终端设备的高昂售价与户外基础建设不够完备等因素也 使其难以进入一般消费性市场。时近2 0 0 6 ，随着w l a n 相关业者与团体的努力， 先前制约w l a n 的o o s ( 8 0 2 1 l e 已获得i e e e 通过) 、f a s th a n d o f f 、设备耗电 性等议题都正逐渐被克服或改善，加上纯v o i p 服务业者寻求差异化服务以及固 网业者追求固网移动网结合( f m c ) 服务的策略趋势下，w i f iv o l p 服务正逐 渐受到重视。另外，在芯片业者对于芯片s i z e 与耗电性的不断改善，以及允许 c e l l u l a r 与w l a n 网络切换的u m a 规格获得3 g p pr e l e a s e6 采用( 有助手机厂 商推出双网手机意愿) ，低价终端设备也的不断推出等因素下，各大手机厂商如 n o k i a 、m o t o r o l a 等纷纷推出w i f i 单模或多模手机。我国也自主研发出了自己的 w i f i 手机，各手机厂商也纷纷表示关注。 华东师范大学硕士学位论文 1 2 论文研究内容 基于以上背景知识，选择此论文题目。在前期调研的基础上，本论文主要实 现以下工作及研究内容： 研究设计并实现用于2 4 g h z w i f i 手机射频前端模块部分。从手机接收机原 理开始，研究w i f i 手机接收机系统结构，设计并实现前端射频模块，即芯片选 择及其相应电路设计。 根据测试理论和方法，利用测试平台对所设计实现的手机射频前端模块及其 相应电路进行了测试和调试，以达到相应的指标要求。 1 3 论文结构 本论文主要分七章结构，各章内容安排如下： 第一章绪论，主要介绍选题背景知识、研究现状、论文的主要工作及内容。 第二章v o w l a n 的原理，本章主要论述v o w l a n 的背景知识及工作原理， 其中重点分别介绍w l a n 和v o i p 的原理，最后总结v o w l a n 的工 作原理及采用的主要技术。 第三章w i f i 手机的系统结构，本章主要内容是论述w i f i 手机的接收机工作 流程及其电路结构，其中重点讨论射频前端电路的结构及工作原理。 第四章w i f i 手机射频模块的设计，本章详细阐述w i f i 手机的射频前端的电 路设计，其中包括系统电路设计以及各部分电路设计。 第五章p c b 版图设计，本章从p c b 版图设计的流程、遵循的主要原则等开 始详细阐述p c b 版图的设计。 第六章系统的实现及测试，本章主要内容为实现系统的电路结构测试及数 据整理。 第七章结束语，总结论文的研究工作与不足之处，提出将来的研究方向。 2 华东师范大学硕士学位论文 第二章v o w l a n 技术简介 v o m a n 是在无线局域网的新兴业务之一，是v o 口在无线局域网( w e a n ) 上的扩展。在了解v o w l a n 的技术背景之前，有必要先了解一下无线局域网 ( w i a n ) 和v o i p 的发展、特点及主要技术。 无线局域网o v l a n ) 作为一种短距离无线传输的实现方式，利用微波或者红 外在计算机间建立连接以实现数据通信。近年来随着计算机网络与通信技术的发 展，由于其自身特点在各短距离无线传输的标准中，脱颖而出，成为人们研究的 热点。 v o i p ，就是v o i c eo v e ri p ，利用i n t e r a c t 进行语音传输。与传统的语音通信 相比，它具有费用低廉的优点，但是同时由于i n t e m e t 本身并不是为实时性数据 传输而设计的网络，语音通信则对实时性要求较高，因此、b m 也具有服务质量 不高等缺点。随着技术的发展与成熟，v 0 口必将有着广阔的发展前景。 本章主要内容是在简要介绍无线局域n ( w l a n ) 的背景知识和简单叙述 v o l p 技术的基础之后，最终引出v o w l a n 的技术介绍。 2 1 无线局域网概述 无线局域网( w i a n ，w i r e l e s s l o c a l a r e a n e t w o r k ) 是计算机技术与通信技 术相结合的产物，它提供了一种有效的方法来支持计算机问的通信。与有线连接 不同的是，无线局域网不需要有线介质而是使用红外、电磁波等无线介质来传送 数据。 2 1 1 无线局域网的特点 采用无线的连接方式构建局域网，与传统有线的连接方式相比，有很多独特 的地方1 2 j ： 一是所用无线的连接方式没有容易观察的绝对边界，所以不存在界限分明的 覆盖区域，为移动性应用场合提供了选择。 二是基础设备和运营成本较低。不需要缆线连接，可全面降低成本。而且在 某些不方便架设缆线的地方，网络实现也变成了可能。 三是在采用无线连接方式时，其网络通信的稳定性和可靠性要低于有线连接 方式。 由于无线连接方式摆脱了缆线等的束缚，因而能给用户提供随时、随地、随 意的宽带网络接入，从而为通信的移动性、个人化等提供了实现的可能。同时， 由于无线传输的动态性和不可预测性，因而，无线局域网也有一定的局限性。 2 1 2 无线局域网的发展1 3 1 3 华东师范大学硕士学位论文 在国外，进入2 0 世纪7 0 年代，人们就开始进行无线电技术与网络融合的研 究。1 9 7 1 年夏威夷大学的一项研究课题首次将网络技术与无线电通信技术结合 起来，创造了第一个基于封包技术的无线电通信网络。 2 0 世纪8 0 年代，伴随着以太网的迅猛发展，具有不用架线、灵活性强等优 点的无线局域网以已之长补“有线”之短。无线局域网设备开始兴起。相比于现 在的无线局域网，早期通信产品速率较低，技术性能也较差。 1 9 8 5 年美国联邦通信委员会( f c c ) 开放了9 0 2 m h z 、2 4 g h z 及5 8 g h z 三个i s m 频段，允许在低发射功率条件下无执照使用这些频段，对无线局域网 产业产生了巨大的和积极的影响，使无线局域网设备的顺利开发和广泛使用成为 可能。但是，当时并没有制定统一的协议标准，无线局域网产品提供商根据自己 的技术来制造设备。由于受限于特定产品提供商和兼容性问题，无线局域网没有 得到大规模的应用。 1 9 8 7 年由i e e e s 0 2 4 小组开始在1 e e e s 0 2 委员会中进行对于无线局域网的 研究。 1 9 9 0 年i e e e s 0 2 决定成立一个新的工作组也e e 8 0 2 1 l ，专门从事无线网的 研究，由其开发一个m a c 协议和物理介质标准。 1 9 9 1 年5 月，m 唧2 1 1 工作组成立。 1 9 9 7 年6 月2 6 日，m e e 8 0 2 1 1 标准制定完成。1 1 月2 6 日正式发布。 i e e e 8 0 2 1 1 标准为以后相继出现的一系列无线局域网标准的发展奠定了最 为重要的一块基石。1 9 9 9 年9 月，工作组又对i e e e 8 0 2 1 1 标准做了修正和扩展。 通用标准的发展和无线局域网传输速率的提高都起到了市场催化的作用，无线局 域网进入了快速发展阶段。 我国对于无线局域网技术的研究起步比较晚，2 0 世纪9 0 年代初才开始进行。 由西安电子科技大学国家重点实验室在1 9 9 4 上3 月研制了我国第一套无线局域 网样机，但没有进行产品市场化。1 9 9 2 年以色列b r e e z e c o m 公司的无线局域网 产品最先进入中国市场。随后的1 9 9 8 年，美国的朗讯( l u c e n t ) 公司的无线局 域网产品进入中国市场。 国家无线电管理委员会在1 9 9 7 年和1 9 9 8 年向各地区无线电委员会下文，同 意在我国境内使用2 4 g h z 和5 8 g h z 的扩频传输技术产品。 1 9 9 9 年底，美国朗讯( l u c e n t ) 以w a v c l a n 品牌推出l l m b p s 的产品，原 来只进行代工生产的台湾厂商也开始进入国内，寻求市场。兼容标准的出现和产 品速率的提高，使无线局域网技术得到进一步的推广和应用。 由于公众运营市场和用户对无线局域网应用需求的增长，2 0 0 2 年是国内无 线局域网运营市场比较活跃的一年。无线局域网由此开始深入人心，其技术也成 为各个厂家推动市场发展的一个重要的亮点，国家相关部门也开始关注并着手进 4 华东师范大学硕士学位论文 行无线局域网技术的规范工作。 o 2 1 3 无线局域网的标准 i e e e 、欧洲电信标准协议和技术联盟促进了w l a n 标准的发展。在w l a n 的i e e e s 0 2 1 1 系统标准中，有三个标准p 】特别值得注意。最主要的是8 0 2 1 l b 或 者称为w i f i ，在无线传输失真方面存在不足之处；8 0 2 1 1 a 增大了吞吐量，提高 了工作频率；8 0 2 1 l g 集合了前面两个标准的内容。其他还有比较重要的标准有 h o m e r f 、h i p e r l a n 1 和h i p e r l a n 2 t m 。 ( 1 ) 8 0 2 1 1 系列标准 e e e 8 0 2 1 1 系列协议标准是由国际电气和电子工程师联合会制定的，它以 i e e e 8 0 2 1 1 标准为基础，包括与无线局域网相关的多个已经发布和正在编著的 标准。其系列标准见表2 - l 。 表2 - 1i e e e s 0 2 1 1 系列协议标准 协议名称发布时间 说明 m e e 8 0 2 1 11 9 9 7 年定义了2 4 g h z 微波和红外线的物理层及m a c 子层 标准 腰e e 8 0 2 1 l a1 9 9 9 焦定义了5 g h z 微波的物理层及m a c 子层标准 正e e 8 0 2 1 l b1 9 9 9 芷扩展的2 4 g h z 微波的物理层及m a c 子层标准 ( d s s s ) m e 踟2 1 l b +2 0 0 2 焦扩展的2 4 g h z 微波的物理层及m a c 子层标准 ( p b c c ) i e e e 8 0 2 1 l c2 0 0 0 焦关于i e e e 8 0 2 1 1 网络和普通以态网之间的互通协议 i e e e 8 0 2 1 l d2 0 0 0 篮关于国际间漫游的 i e e e 8 0 2 1 i e2 0 0 4 焦基于无线局域网的质量控制协议 i e e e 8 0 2 1 1 f 2 0 0 3 生漫游过程中的无线基站内部通信 i e e e 8 0 2 1 l g 2 0 0 3 年扩展的2 4 g i - i z 微波的物理层及m a c 子层标准 ( o f d m ) i e e e 8 0 2 1 l h2 0 0 3 矩 扩展的5 g i - l z 微波的物理层及m a c 子层标准( 欧洲) i e e e 8 0 1 2 1 l i2 0 0 4 焦 增强的无线局域网安全机制 i e e e 8 0 2 1 1 j 2 0 0 4 矩扩展的5 g h z 微波的物理层及m a c 子层标准( 日本) i e e e 8 0 2 1 l k2 0 0 5 生基于无线局域网的微波测量规范 i e e e 8 0 2 1 1 1 暂无暂无 i e e e 8 0 2 1 l m2 0 0 6 笠基于无线局域网的设备维护规范 l e e e 8 0 2 1 l n2 0 0 7 年 高吞量的无线局域网规范 其中，i e e e 8 0 2 1 1 技术规范是第一个w l a n 标准。它采用与以太网相同的 华东师范大学硕士学位论文 交换协议，使用不需授权的2 4 g h z 频段进行无线通信，支持d s s s 和f h s s 两 种调制技术。有了新版本的标准后，8 0 2 1 1 产品不再生产。 8 0 2 1 l b w i f i 是8 0 2 1 1 家庭中最流行的标准，是基于8 0 2 1 1 的d s s s 版本， 使用2 4 g h z 频谱，可达到最大速率l l m b p s ，超过了以太网的最初标准1 0 m b p s 。 因此可同有线局域网分庭抗礼。 8 y 2 1 1 a 标准与8 0 2 1 l b 同时得到认可的。相比之下，8 0 2 1 l a 是一个高速通 信方式，工作在5 g h z 频段，速率可达5 4 m b p s ，采用o f d m 调制技术。工作频 率的差异，二者不能兼容。由于5 g i k 频段并不是通用的，所以8 0 2 1 1 a 成为全 球标准还有一定距离。 8 0 2 1 l g 将高速无线通信的工作频段移到2 4 g h z ，并保持对8 0 2 1 1 b 的向后 兼容性。亦即是说，8 0 2 1 l g 工作在与8 0 2 1 l b 相同的2 4 g h z 频段，使用相同的 d s s s 调制技术。而对于5 4 m b p s 的数据速率，8 0 2 1 l g 使用o f d m 调制技术， 仍使用2 4 g h z 频段。与8 0 2 1 l a 相比，8 0 2 1 l g 的容量较低，由于该频段较拥塞 可用信道少因此会产生较多的冲突。但是由于其向后兼容性，因此8 0 2 1 l g 更有 吸引力。下表2 2 是三个标准的比较。 表2 - 28 0 2 1 1 系列标准比较 内容 8 0 2 1 l b8 0 2 1 l a 8 0 2 1 l g 工作频率 2 乒之4 8 3 5 g h z 5 1 5 巧3 5 g h z 2 4 2 4 8 3 5 g h z 5 7 2 5 巧8 2 5 g h z 速率 1 1 、5 5 、2 、1 m b p s 5 4 、4 8 、3 6 、2 4 、兼容了前两者的 1 8 、9 、6m b p s 速率 距离范围 1 0 0 3 0 0 m1 0 0 1 0 d 0 m1 5 0 m 承载业务数据、语音、图像数据、语音、图像数据、语音、图像 物理层应用技术高速直接序列扩频正交频分复用正交频分复用 技术( d s s s )( o f d m ) 、( o f d m ) 、 直接序列扩频技直接序列扩频技 术( d s s s )术( d s s s ) 优点成本低、应用较多数据传输速率高、数据传输速率高、 频段干扰少兼容8 0 2 1 l b 、应用 较广泛 缺陷数据传输速率低、工成本较高、与目前工作在i s m 频段， 作在l s m 频段因此较流行的8 0 2 1 1 b受蓝牙、微波炉等 受蓝牙、微波炉等同不兼容同频干扰严重 频干扰严重 使用情况技术成熟、使用广泛使用少、规模小扔步应用阶段，但 6 华东师范大学硕士学位论文 ( 2 ) h o m e r f 标准 h o m e r f 标准是家用无线网络的无线l a n 技术。它在8 0 2 1 1 的f h s s 标准 的基础上有所增强，可以满足一般用户的需求。h o m e r f 使用共享无线接入协议， 使用2 4 g h z 频段，网络的覆盖范围是5 0 m ，最大速率可达1 0 m b p s 。 ( 3 ) h i p e r l a n la n dh i p e r l a n 2 欧洲电信标准协会( 翻r s i ) 于1 9 9 2 年提出了高性能无线局域网标准，以适 应小范围的高速无线通信。第一个版本是i - i i p e r l a n 1 ，它基于以太网标准，采 用g s m 的无线传输方式，使用5 g i - l z 频段，数据速率可达到2 3 5 m b p s ，但没有 经过商用。 h i p e r l a n 2 是e t s i 制定的下一代w l a n 技术规范，是宽带无线接入网的 技术规范，它使用5 g h z 频段，o f d m 调制技术，峰值速率可达5 4 m b p s ，通信 范围在1 5 0 m 左右。 2 1 4 无线局域网的关键技术 无线局域网通过电磁波谱来传递信息。其主要采用的传输介质有微波和红外 两种，采用扩频技术进行传输，主要有直接序列扩频( d s s s ) 技术1 6 j 和跳频扩 频( f h s s ) 技术1 7 1 。o f d m 调制技术将在后文中进行介绍。 直接序列扩频技术方式中，发射端将传输的信息比特被用伪随机码扩展到一 个很宽的频带上，在接收端用与发射端相同的伪承机码对接收的扩频信号进行处 理还原发射端的信息。而干扰信号由于是传输过程中加入的，与伪随机码并不相 关，经接收端处理被扩频后功率降低，从而增强了d s s s 网络的抗干扰性。 跳频扩频( f h s s ) 技术方式，发送端对数字信号进行载波调制。但是载波 信号在一个很宽的频带上从一个频率跳变到另一个频率。跳变规律是按照由伪随 机序列发生器产生的伪随机序列进行。接收端频率跳变与发送端保持一致。跳频 技术能有效地减少来自窄带系统的干扰信号，由于载波频率一直处于变化之中， 窄带干扰和频率选择性衰落只破坏传输信息的一部分，在其他中心频率处传送的 信号却不受影响。跳频越高，网络抗干扰性能越好。如下所示，表2 3 是两种工 作方式的比较。 表2 - 3 无线局域网的d s s s 与f h s s e 较【8 i 内容 d s s sf h s s 展频特性 将信号“1 ”、“0 ”利用l o + 以信号在一个频段内按照规律跳 ：c h i p s 代替，使得原来较高功率 动，由于同步作用，从而使得对 较窄频段的信号变成具有较宽频于一个非特定的接收器来说， 段的低功率信号，从而达到频谱f h s s 所产生的跳动信号对它来 7 华东师范大学硕士学位论文 扩展的目的 说只能算是脉冲噪声而已 调制差异 p s k 、d b p s k 、d o p s kg f s k 抗噪能力d s s s 采用线性放大器组成，因而f h s s 之f s k 调制方式架构简单， 其作用范围和抗噪声能力较强。采用非线性功率放大器组成。 差异 h i g hs p e e d l o w s p e e d l o n gd i s t a n c e s h o r tr a n g e e a s yi n t e g r a t i o n c a l r i c rd a t av o i c e b e t t e rs e c u r i t y 2 1 5 无线局域网的拓扑结构 无线局域网支持以下两种拓扑结构：无中心拓扑结构( p e e rt op e e r ，也叫对 等式拓扑结构) 和有中心拓扑结构( c e n t e r p o i n t - b a s e d ) 9 1 。 ( 1 ) 无中心拓扑结构 无中心拓扑结构的网络中任意两个站点可以直接通信，使用公用广播信道， 各站点通过竞争公用信道建立通信，信道接入控制协议一般采用c s m a ( 载波监 测多址接入1 类型的多址接入协议。该结构的优点是网络抗毁性好、建网容易、 且费用较低。但当网中用户数( 站点数) 过多时，信道竞争成为限制网络性能的要 害。并且为了满足任意两个站点可直接通信，网络中站点布局受环境限制较大。 这种拓扑结构只能互相通信而不能访问有线网络，适合于不存在有线网或者根本 不需要访问有线网的集中在一个较小区域中的工作群，i e e e 8 0 2 1 1 标准中定义的 m s s ( t h e i n d e p e n d e n tb a s i cs e r v i c en e t w o r k ，独立基本服务集网络) 就是这种 无中心拓扑网络，无中心拓扑网络结构如下图2 - 1 所示。 1 圉2 - 1 独立基本服务集嘲络 ( 2 ) 有中心拓扑结构 这是最常见的一种网络结构。在这种网络拓扑结构中，有一个无线站点充当 中心站，也是接入有线网的逻辑接入点，所有站点通过中心站访问网络，每个站 点在中心站覆盖范围内与其它站点通信。这种网络结构在网络业务量增大时网络 吞吐性能及网络时延性能的恶化不明显，网络中心点布局受环境限制也较小。但 其弱点是抗毁性差，中心站点的故障容易导致整个网络瘫痪，并且中心站点的引 8 华东师范大学硕士学位论文 入增加了网络成本。正e e 8 0 2 1 1 标准中定义的一种基础结构b s s ( t h e b a s i c s e r v i c en e t w o r k ，基本服务集网络) 网络就是这种有中心拓扑网络，它还可以通 过a p 及分布式系统相互连接扩展成e b s s ( n ee x t e n d e ds e r v i c en e t w o r k ，扩展 服务集网络) 。有中心拓扑结构如下图2 2 所示。 囊瓣墙 一舞一 囊撬t 律簟 图2 - 2 扩展服务集网络 2 2 v o i p 技术 m ( v o i c eo v e r 口) 就是口电话，是基于口网络的语音传输技术。它采用 计算机通信的分组化、数字化传输技术，先对语音数据进行压缩编码处理，然后 把数据按照相关协议打包，数据包通过口网络传送到目的地后，由接收方进行数 据重组，再经解码解压后恢复成原来的语音信号，这样就实现了网络两端双方的 通话。更广义地讲，v o l p 技术还可以进行包括话音、传真、数据甚至图像的传输。 当前的v o i p 业务根据服务对象不同分为专用v o w 网和公用v o w 网。前者是 大型企业或地理位置相对分散的部门利用已有的i n t r a n e t 网建立的可以实现内部 通话的系统；后者则是由i t s p 网络电话服务提供商建立的面向公众的可提供商业 性v o i p 业务的系统。按用户对话音质量及实时性要求的不同来分，包括实时v o l p 和非实时的v o l p ( 如语音邮件】。 2 2 1v o i p 的产生与发展 1 0 l 1 1 1 1 1 2 1 互联网技术的迅速普及和极好的价格优势是促成m 电话出现的重要因素。口 电话作为一种联机应用，最早出现于美国。1 9 9 5 年，微软公司推出了网络会议软 件。口电话诞生的标志是1 9 9 5 年2 月以色n v o c a t e c 公司研制并推向商用的客户 端i p 电话软件”i n t e r n e tp h o n e ”。这个软件可以提供p c n p c 的话音通信。在网关 出现之前，i p 电话都是只能在装有相同的电话软件的p c 机之间进行。1 9 9 6 年一 种称为网关( g a t e w a y ) 的产品出现了，网关的端与公众电话交换网p s t n 相连， 9 华东师范大学硕士学位论文 另一端接入i n t e m e t ，建立了p s t n 与i n t c r n c t 的互通就可以使通话不再限制在p c 机 之间而实现了普通话机之间的口通话。拔打长途电话时，用户是通过本地p s t n 经过本地网关进入互联网再到达远端的用户，也就是说用户只需支付通话期间的 本地电话接入费和极低的网络接入费，就可以实现长途通话，与传统电话比它的 价格优势是十分明显的。相关硬件和软件的发展和技术突破成为推动v o i p 发展 的强大动力。先进的数字信号处理器d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) n - i 完成语音 和数据集成所要求的繁琐复杂的计算任务，它的低成本和专门化的处理能力被用 来完成v o i d 系统中的信号处理功能。专用集成电路a s i c ( a p p f i c a t i o n s p e c i f i c i n t e g r a t e dc i r c u i t ) ：量执行单一应用或很小的一组功能的专门应用芯片。在v o w 中 a s i c 可专门用于路由器和交换机中，它的高度优化的专门功能可以为网络提供 更好的c o s 支持。 欧美、日本是、b 口开始较早的国家，目前欧洲的v o l p 已经影响到传统基础电 信运营商的市场份额。s o n u s 、a v a y a 、c i s c o 等公司的v o 口系统，被大量的 客户使用。2 0 0 4 年底美国的家庭网络电话用户为1 0 0 万户，预计今年网络电话用 户可能增至三倍。日本现有4 9 0 万户家庭安装了网络电话，韩国用户在电话号码 前加拨0 7 0 即可拨打网络电话。此外，美国有线网络电话用户大增，在2 0 0 4 年从 少于5 万用户增加至将近5 0 万用户，大幅增长9 0 0 。预计这一增长趋势在2 0 0 7 年 将达1 5 。在欧洲，v 0 口电话已经成为能够和传统p s t n 分庭抗争的重要固定 语音通信方式。 v 0 口语音业务目前在国际上的运用已足见规模，国内业务市场更是前景广 阔。我国的v o l p 产业发展迅速，1 9 9 9 年国家信息产业部正式批准中国电信( 原) 、 中国联通和中国网通三家公司开始口电话业务的试验，m 电话开始在全国普及， 之后越来越多的企业开始进入这一领域，甚至包括有线电视公司。短短的三四年 时间，球电话的使用己经超过了普通长途电话。根据c n n i c 公司的统计，截至2 0 0 3 年1 2 月3 1 日，我国上网计算机数为3 0 8 9 万台，宽带用户数达到1 7 4 0 万户，全国口 电话业务总量超过了8 2 8 3 3 亿分钟。众多厂家觊觎这个行业市场，行业用户也在 积极跟踪这个市场。目前中国的软交换厂家已经完全有技术实力拿出完善的、可 运营、可管理的软交换总体解决方案和全套产品，供行业企业使用。企业网、行 业客户都在密切跟踪i p 动向，n g n 和3 g 并列成为国内通信行业的两大新的主 题。 2 2 2v b i p 的优点 分组网络提高的效率和在统计学上随数据分组多路复用语音数据流的能力 的增强，允许公司最大限度地得到在数据网络基础设施上投资的回报。而把语音 数据流放到数据网络上也减少了语音专用线路和数目，这些专用线路的价格往往 很高。l a n 、m a n 、和w a n 环境中吉比特以太网、密集波分多路复用和p a c k e t o v e r l o 华东师范大学硕士学位论文 s d h 等新技术的实现，以更低的价位为数据网络提高更多的带宽。同样，与标准 的t d m 连接相比，这些技术提供了更好的性价比。 口电话利用语音数据集成与语音，分组技术相结合的优势，从而迎来一个新 的网络环境，这个新环境提供了低成本、高灵活性、高生产率及效率的增强应用 等优点。坤电话的这些优点使企业、服务供应商和电信运营商们看到了许多美好 的前景。 v o l p 技术的应用优势则体现在以下几个主要方耐1 3 j ： 1 通话费用低，建设成本低。 2 功能强大。可以灵活地提供各种服务功能。 3 独特的网内漫游功能。 4 具有加密和防窃听功能。 2 2 3v 0 口的相关组织和标准【1 田 国际上权威的v o i p 标准化组织主要有5 家：i n t e m e t i 程任务组( m t f ) ，国际电 信联盟电信标准化部l ( r r i - t ) ，欧洲电信标准学会( e r s i ) 、计算机电话企业论坛 0 1 c r f ) ，国际多媒体远程会议集i 矛( i m t c ) 。 i n t e r n e t 工程任务组 该组织侧重于i n t e r n e t 0 i 议的标准化工作。i e t f 规定了新的信令协议，如初 始会话协议s i p 、i n t e m e t 与p s t n 的互通。i e t f 的很多工程任务小组开发的标准 都直接或间接地涉及v o i p 技术，包括网关属性分配协议( g a t ) 、实时传输和控制 协议( r t p r t c p ) 、会话描述协议( s d p ) 等。 国际电信联盟电信标准化部门 r r u t 是国际电信联盟的电信标准化部门，下设有若干个研究小组，其中第 1 6 研究小组r r u 稿g 1 6 主要制订多媒体终端和服务的标准，最主要是进行h 3 2 3 系列标准的制订。 欧洲电信标准学会 e t s i 的主要目标是决定和产生电信标准。该组织在1 9 9 7 年创建了1 i p h o n 工 程，旨在综合电信和i n t e m e t 两大技术，研究v o i p 与现有电信网的互操作性问题， 目标是支持用户之间的语音通信以及与语音相关的市场。 计算机电话企业论坛 e c r f 是一个制定计算机电话标准的主要组织。有3 6 家计算机和电信领域的 主要厂商组成。e c r f 采用s l o a 作为计算机电话应用程序的标准a p i 。 国际多媒体远程会议集团 玳t c 是一个非赢利的、致力于发展和制订电视电话标准的组织。它的宗旨 是建立开放的国际标准，推动、鼓励和促进交互式多媒体远程会议解决方案的应 华东师范大学硕士学位论文 用和实现。它的基本目标是组织渗入多媒体远程会议产品和业务的各种组织，从 而帮助创建和采纳所需标准。 标准的制定和使用提供了产品的兼容和互通，这对于v o l p 是十分重要的。 各厂商的积极参与和以上组织的努力极大推进了v o i p 电话的标准化进程。各组 织在口网络上承载实时业务( 音频、话音、视频等) 都采用了工e t f 的实时传输 协议r t p ，只是在呼叫的建立和控制方面有着不同的方案，最具代表性的就是 r r u t 组织提出的h 3 2 3 协议1 1 5 l 和匠r f 推出的s i p 协议。图2 3 列出了目前涉及 v 胛技术的主要协议。 t l2 5 1 。麟 乏导掣拳写 ll 申申申 l f p p p l 乜到【 a t ! ( e t h e r n e t 【v 3 一 翻2 - 3 涉及v o i p 技术的主要协议 2 2 4v o i p 的原理与结构 v o l p 是建立在i p 技术上的分组化、数字化传输技术，其基本原理是通过语音 压缩算法对语音数据进行压缩编码处理，然后把这些语音数据按i p 等相关协议进 行打包，经过口网络把数据包传输到接收地，再把这些语音数据包串起来，经过 解码解压缩处理后，恢复成原来的语音信号，从而达到由i p 网络传送语音的目的。 i p 电话系统把普通电话的模拟信号转换成计算机可接入因特网传送的i p 数据包， 同时也将接收到的i p 数据包转换成声音的模拟电信号。经过i p 电话系统的转换及 压缩处理，每个普通电话传输速率约占用8 1 1 k p s 带宽，因此在与普通电信网使 用同样的传输速率6 4 k p s 的带宽时，摩电话数是原来的5 8 倍。 v o l p 的系统组件主要由终端( t e r m i n a l ) 、网关a t e w a y ) 、关守( g a t e k e e p e r ) 、 华东师范大学顽：t 学位论文 网管服务器、记账服务器等，系统配置和拓扑结构则主要有以下五种实现形式 【1 6 】： 1 ) 用n ：i 的网关连接电话； 2 ) 用路由器连接p c ： 3 ) 电话机至l j p c 的连接； 4 ) 用1 ：1 的网关连接； 5 ) p c 到电话的呼叫。 如下图2 - 4 所示： 华东师范大学硕士学位论文 q 雕n ：l l l 乓篾迄，i 毡话 bjj j 缝l j l 熬连接p c ( c ) 迎涵壤期p c 船琏缓 d ；| l l ：i 磷天连接 蹦2 4v o i p 的五种系统结| 奄形式 2 2 5v ：o i p 的关键技术1 7 1 华东师范犬学硕士学位论文 传统的口网络主要是用来传输数据业务的，采用的是尽力而为的、无连接 的技术，因此没有服务质量保证，存在分组丢失、失序到达和时延抖动等情况。 虽然数据业务对此要求不高，但语音属于实时业务，对时序、时延等有严格的要 求，因此必须采取特殊措施来保障一定的业务质量。口电话的关键技术包括： 信令技术、编码技术、实时传输技术、服务质量( q o s ) 保证技术，以及网络传 输技术等。 1 信令技术 信令技术保证电话呼叫的顺利实现和语音质量，目前被广泛接受的v 0 口控 制信令体系包括r r u - t 的h 3 2 3 系列和i e t f 的会话初始化协议( s 口) 。 r r u 的h