（通信与信息系统专业论文）voip与wlan结合实现移动ip电话的研究.pdf

i 摘 要 本文主要讨论了结合 voip 与 wlan 技术，构建可移动网络电话系统解决方案 的设计与实现。从系统结构、网络层次、服务质量保证技术、层与层之间的通信协 议、相关音频编解码技术到各模块具体设备及完成功能、等方面进行了研究。 voip与wlan是近年来迅速发展的新兴技术， voip利用internet传输语音数据， 大大降低了通话费用；wlan 只需要热点即可接入网络，不需要电线电缆，便利了 铺设网络的工程实施。本文对二者相关技术及标准做了简要介绍，包括音频编码技 术、 语音处理技术、 ieee 802.11 系列标准等， 其中主要讲述了二者关键技术,即 voip 服务质量 qos 与 wlan 网络安全问题。 本文重点介绍了整个移动 ip 电话系统的结构以及各部分组成和相关设备，重点 描述了在 isp 提供 voip 服务的模式下，wlan 区用户移动网络 ip 电话终端，即 wifi 手机的设计实现。对其系统结构、状态机与逻辑设计、模块划分以及具体模块 功能实现等方面做了详细的描述，并进行了功能测试与指标分析，验证了该方案的 可行性。 国内 voip 业务只开展了 pctopc，没有提供 phonetophone 的服务，针 对这种现状，本文在现有 wifi 手机研究成果的基础上，结合运用 voip 语音网关等 设备，提出了一种实现企业级移动 ip 电话的方案。利用企业原有的 internet 资源， 把传统 pstn 网与之结合实现数据互通， 以达到提高 internet 利用率， 优化资源配置， 合理降低企业经营成本的效果。 关键词：关键词：voip；wifi；无线局域网；服务质量；无线局域网安全 ii abstract this thesis mainly discusses the system design and realization which using voip mixed with wlan technique. it carries on research from the system structure, network layer, commuication protocol, related audio encode/decode tecnnology, as well as the function realization and quality assurance of each module. voip and wlan techniques develop quickly in the recent years. voip delivers data through the internet to cut down the phone cost. wlan transports data form the air, simplifying the construction of network. this thesis simply introduces the voip and wlan relavant technique and standards, containing audio technology, the series standard of ieee 802.11, etc. and mainly gives detail explanation of the two key techniques: qos of voip and the security transmission of wlan. this thesis emphasizes on the design of the terminal equipment of mobile ip phone system, that is the wifi phone, under the mode of isp. it describes the wifi phone from the network structure, logic design, framework of the key equipment, model realization to the equipment function in detail. also , it does a lot of test work with the wifi phone, such as the function test ,the guide line analyze, for the purpose of verifying the possibility of the project. in our country, the voip application restricts to pctopc. there is no phoneto phone isp at present. according to this, this thesis suggests a method of carrying out mobile ip phone system at the enterprize level, basing on the realization of the wifi phone, and using the voip audio gateway product. make use of the original resource of the enterprize, combine internet with the traditional pstn net, as to deliever data freely between the two nets, improve the utilization of internet, optimize the resource configuration. as the result of this method ,the enterprize could reduce its cost on the long-way telephone calls . key words : voip；wifi；wlan；qos；wlan security v 缩略语 英文简写 英文全称 中文全称 voip voice over internet protocol ip 电话 wlan wireless local-area network 无线局域网 pstn public switched telephone network 公众电话交换网 wifi wireless fidelity 无线保真 ap access point 网络访问接入点 gk gate keeper 网守 sip session initiation protocol 会话初始化协议 fec forward and error correction 前向纠错 mac medium access control 媒体访问控制层 llc logic link control 逻辑链路控制层 dsss direct sequence spread spectrum 直接序列扩频技术 fhss frequency hopping spread spectrum 跳频扩频技术 bss basic service set 基本服务集 ds distribution system 分布系统 ess extended service set 扩展服务组 wep wired equivalent privacy 有线对等保密协议 wpa wi-fi protected access wi-fi 保护接入 rsn robust security network 强健的安全网络 tkip temporal key integrity protocol 暂时密钥完整协议 rsvp resource reservation protocol 资源预留协议 rtp/rtcp real-time transport protocol/ real-time transport control protocol 实时传输协议/实时传 输控制协议 csma/ca carrier sense multi-access/collision avoidance 载波侦听多址访问碰 撞回避协议 i 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含 其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文研究做出贡献的个人和集体, 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本人完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。 学位论文作者签名: 管玲玲 日期: 2007年 2 月 2 日 学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留和使用学位论文的规定，即:学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密 。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名：管玲玲 指导老师签名：王宏远 日期: 2007年 2 月 2 日 日期: 2007年 2 月 2 日 1 1 绪 论 1.1 移动 ip 电话介绍 移动 ip 电话是指将 voip 与 wlan 这两种技术结合起来，实现在 wlan 上的 voip 技术，通俗来讲，就是将 ip 电话 “移动化”、“无线化”。 voip 即 ip 电话，是利用 ip 网络实现语音通信的一种先进通信手段，是基于 ip 网络的语音传输技术。它利用电话网关服务器之类的设备将电话语音数字化，将数 据压缩后打包成数据包，通过 ip 网络传输到目的地；目的地收到这一串数据包后， 将数据重组， 解压缩后再还原成声音1。 这样， 网络两端的人就可以听到对方的声音。 wlan 技术是弥补有线网的缺陷而产生的。在通信电子产品层出不穷的现代社 会，大量复杂的网络电缆规划增加了室内设计的难度，而 wlan 可以说从根本上解 决了这个问题。从广义上讲，凡是采用无线传输媒质的计算机局域网都可称作无线 局域网， 传输媒质可以是无线电波、 红外线或激光。 ieee 802.11 极大的推动了 wlan 的发展，它也成为应用最广泛的标准，尤其是其中的 ieee 802.11b，是市面上产品 的默认使用标准。 调查表明，it 领域最受关注的十大技术，voip 与 wlan 均榜上有名。它们是 被焦点关注的新兴技术。voip 把传统 pstn 与 internet 联合起来实行数据互通，拉 开了“三网合一”的序曲；wlan 突破电线电缆等实物媒质的界限，在空气中利用 电波传播数据，极大程度便捷了网络铺设。它们在各自的领域有着互补于传统技术 的优势，把这两种蓬勃发展的技术结合起来，实行可以移动的 ip 电话技术，无疑具 有着良好的研究价值和市场前景。 1.2 移动 ip 电话产生背景与发展现状 1.2.1 ip 电话产生背景与发展现状 基于交换机采用电路交换的公众电话交换网 pstn 最初是为传输语音设计的， 而基于路由器采用分组交换的 ip 网则是为传输数据设计的2 。 通过电话网打电话是 2 最理想的方式，语音质量能得到可靠保证，但是，在电话网上打电话，尤其是打国 际长途电话，其通话费用极高。为此，数据网络专家们考虑能否利用 internet 廉价的 上网费用和全世界无处不通的特点来传输语音，这种设想一旦实现，前景无疑将非 常诱人。 internet 设计之初主要是用来传输数据资料的，它四通八达、无所不在，并具有 免费传输信息的特点。因此很多用户和公司在使用过程中都想使它发挥更大潜力， 比如利用它打长途电话。在市场需求和技术进步的推动下，voip 技术应运而生。 1995 年初，以色列的 vocaltec 公司推出了客户端 ip 电话软件“internet phone” ， 实现了pc到pc的语音通信， 它标志着ip电话的诞生3。 1996年底， vocaltec 公司和 dialogic 公司合作推出了连接 internet 和 pstn 两个网络的 ip 电话网关，解 决了 ip 电话仅限于 pc 之间使用的问题，使得 pctophone、phonetopc 和 phonetophone 通过 internet 打电话能够成为现实，至此 ip 电话开始进入商业化 应用阶段3 4。 从技术角度来看，ip 电话的发展，迄今为止大致可以划分为以下 3 个阶段： 使用 pc 多媒体计算机作为通话终端； 基于网关，使用普通电话机作为通话终端； 在不同 ip 电话产品之间实现互联互通。 由于 ip 电话本身的特性，其所承担的业务主要是长途，因此在全球 ip 电话市场 中， 国际 ip 电话市场将比国内 ip 电话市场份额要大得多。传统电话用户在不必更新 原有话机以及不改变原有拨号习惯的条件下，即可通过连接 pstn 和 internet 的电话 网关服务器拨打 ip 电话，那么长途尤其是国际长途通话可节省大量费用。 今天的技术已经可以做到：每天平均每条语音中继线的通话量仅占 12kb/s， 为 64kb/s 广域网带宽的 3。这与以前的技术相比已大不一样,以前，一路传统语音 要占 64kbit/s。实际上这也正是 ip 电话为什么比传统电话省钱的原因5。 根据资料显示，我国的电话用户每天净增 7 万户，用户总数已突破 1 亿户，全 国电话普及率为平均每百人 11 部。其中，城市达到平均每户 1 部电话，农村基本实 现村村通电话。丰富的用户资源为 ip 电话业务的发展提供了雄厚的基础。预计我国 3 今后 5 年电信市场增长率仍高于 106。由此可见，我国长途电话有着巨大的市场 空间，同时也为 ip 电话的发展提供了巨大的市场资源。中国是一个拥有众多电话用 户的大国，庞大的电信市场对电信运营者有着极大的吸引力。现代社会电话交流是 人们沟通联系的主要方式，公众对廉价通信的需求也十分迫切，由此可见，ip 电话 在中国的发展前景十分广阔。 国外的 voip 应用已初具规模，提供 voip 业务的服务商 isp 有很多，比较有名 的有 msn、skype、vonage 等。其中芬兰的 skype 全球 voip 用户达到数百万；美 国最大的voip运营商vonage为几十万的用户提供phone to phone的语音服务， 这一数字还在成几何增涨中；国内也有 tencent，铁通 redvip 等提供 pctopc 的 voip 业务。 2006 春开始，微软日本分部，位于东京的软银及其电信附属公司将提供一种打 包服务，其中将包括网络电话，电子邮件和因特网接入服务。微软正在开发可以拨 打并管理网络电话的软件以与 skype 进行竞争。软银是日本第二大宽带服务提供商， 目前在日本已通过它的 “yahoo!bb” 网络接入服务提供面向消费者的网络电话服务。 voip 技术以其价格优势迅速发展，也从一个侧面反映了该技术的确大大削减企业和 个人的通讯费用。 1.2.2 wlan 技术优势与发展现状 无线局域网通信技术自诞生起就以其灵活移动性对有线网技术做补充，在布线 地理环境恶劣、改线工程量大、待建网珞中的各节点不可移动等场合，铺设有线网 络难度大、费用高。相较而言，wlan 便利得多，它利用电磁波在空气中传输数据， 只需要提供热点，无需线缆介质。 无线局域网的组成包括无线网络接口卡和无线接入点ap。 无线网络接口卡把pc 机或其他设备与无线网络连接起来；接入点就是无线网络的一个无线基站，将多个 无线接入站聚合到有线的网络上。ieee 802.11 是应用得最多的无线局域网标准，它 支持无线电波以及红外线。 相较有线网而言，wlan 具有如下明显的优势： 1.可靠：抗干扰能力强，具有理想的接收灵敏度，全向天线能够提供强大的、可 4 靠的无线通信传输。 2.降低成本：使用 wlan 可以避免安装线缆的高成本费用、租用线路的月租费 用、设备移动需要增加的相关费用等。 3.灵活：由于没有线缆的限制，用户可以随心所欲地增加工作站或重新配置工作 站。因此非常适合移动办公用户的需要，具有广阔市场前景。目前它已经从传统的 医疗保健、库存控制和管理服务等特殊行业向更多行业拓展开去，甚至开始进入家 庭以及教育机构等领域。 4.移动性：wlan 设置允许用户在任何时间、任何地点访问网络数据不需要指 定明确的访问地点，因此用户可以在网络中漫游。 5.吞吐量高：wlan 可以实现 54mb/s 的数据传输速率，这个数字高于 tl 和 e1 线路的速率；wlan 的安装工作非常简捷，不需要施工许可证，不需要布线或开挖 沟槽。 6.覆盖范围广： 以 802.11b 为例， 它的有效覆盖半径则可达 100 米以上， 对家庭、 企业等小范围移动完全够用。 7.传输速率快：还是以 802.11b 为例，它的传输速度可以达到 11mb/s，符合个人 和社会信息化的需求。 8.网络组建简便：一般架设无线网络的基本配备就是无线网卡及一台 ap，如此 便能以无线的模式，配合既有的有线架构来分享网络资源，架设费用和复杂程序远 远低于传统的有线网络。如果只是几台电脑的对等网，也可不要 ap，只需要每台电 脑配备无线网卡。有了 ap，就像一般有线网络的集线器一般，无线工作站可以快速 且轻易地与网络相连。特别是对于宽带的使用，wlan 更显优势，有线宽带网络连 接到用户后，连接到一个 ap，然后在电脑中安装一块无线网卡即可。一个 ap 已经 足够普通的家庭使用，而且该用户的邻里得到授权后，无需增加端口，也能以共享 的方式上网。 wlan 也有它的弱点，它的数据传输速率以及网络安全是被关注得最多的，可 以说 wlan 的发展史，就是提高数据传输速率以及提高网络安全技术不断前进的 发展史7。 5 现使用最为广泛的 wifi 专指 ieee 802.11b 无线标准，工作在 2.4ghz 频段，最 高传输率能够达到 11 mb/s，具有部署方便、通信可靠、抗干扰能力强、成本低、 灵活性好、移动性强、高吞吐量等优点。 由于 wlan 在空气中通过电波传输数据，相对于有线网络，更容易出现数据被 窃听等安全问题。随着 wlan 的广泛应用，安全问题日益显露。目前使用最多的 wpa 技术主要通过 3 点来保障网络安全:（1）服务设备标志 ssid，是相邻无线接入 设备（ap）区分的标志，无线接入用户必须设定 ssid 才能和 ap 通信；（2）限定 媒体接入 mac 地址，可以达到网络私有的目的；（3）有线对等保密 wep，用于无 线通信的加密算法，它能加密通信中的每个信息包。 1.2.3 voip 与 wlan 结合的移动 ip 电话 随着 voip 技术的蓬勃发展，越来越多的企业和个人，感受到这种低费用服务的 便捷和种种优势。人们已经不满足于仅仅在特定的场合使用该服务，而是希望能够 像 gsm 手机一样“移动”起来，随时随地享用 voip 服务。与此同时，wlan 技术 的灵活优势也已充分体现出来，它突破线缆的限制，使得通话中的人可以不受地理 位置的限制，随时随地流畅沟通。由此可见，两种技术结合起来为人们提供更便捷 与优惠的服务，已经成了一种必然的趋势。 voip 结合 wlan 实现可移动的 ip 电话技术称作 vowlan， 该系统充分结合了 两种先进技术的优点，使得网络构建更容易，语音通话更低廉。voip 技术得以突破 重重限制，在机场、酒吧、学校、工厂、高山甚至沙漠等，只要配置了 wlan 的热 点地区，用户都可以使用 wlan 来完成数据，语音等各种业务，与传统移动电话网 相比较，voip 节省话费的价格优势非常明显。 isp 作为 voip 网络服务提供商，首先把这个想法付诸实践。美国最大的 voip 运营商 vonage 为几十万的用户提供 phonetophone 的纯 voip 电话服务，而且这 一数字还在不断增涨中。vonage 与 utstarcom 公司合作推出 wifi 手机 f1000， gsm/wifi 双模手机 r600 等等， 已经上市并且拥有固定的用户群。 该产品性能稳定， 通话质量高，界面美观，操作方便与传统手机相似，获得了广泛的好评，具有很强 的市场竞争力。 6 目前许多设备商已有采用此技术的产品上市，比如 wifi 单模手机，gsm/wifi 双模手机，一些比较高端的智能手机也集成了 wifi 功能。 voip 技术因其显著价格优势而蓬勃发展，假如 voip 业务大量商用化，将会导 致庞大的语音包占据网络带宽，造成网络拥塞状况严重，这是运营商们不愿意看到 的，国内目前为止也还没有出现提供 voip 服务的 isp。 在无 isp 前提下， 使用企业内部网进行企业内部 wlan 实现移动 voip， 不占用 运营商带宽，不够成对公共网的网络状况威胁，因此在方案上来讲是可行的。 国内多数企业的长话方案大多采用长话直拨或 ip 电话两种模式，企业分公司之 间的语音通信，企业人员外出与各分公司的语音通信占据了企业总话费开支的绝大 部分。对于已经建立了企业内部网络的企业来说，如果可以利用内部网络实现语音 通信，无疑可以节省一大笔费用8。 多数已经接入到 internet 的企业有可靠的带宽保障，为实现因特网的语音技术 voip 方案提供了基础。企业内部 voip 网络的构建，其实质是把 pstn 网与企业内 部 lan 连接起来，实现成本最低通话。由于建网成本较低，而利用 ip 网络传输话 音，可与数据网共享带宽，利用带宽利用率。由于 internet 费用与地域无关，网络费 用总支出固定不变，利用 voip 实现语音通信，节省了原来需要通过 pstn 网的电话 费用。 众多设备商，包括华为，思科等公司已经有 voip 语音网关产品量产，并提供了 一套完整的建立企业 voip 的方案包括 h.323 语音网关，支持 e1、e通过 h.323 协议，网关的接入控制，提供对 h.323 终端的登记，认证 鉴权，状态管理；支持资源预留协议 rsvp，提供流量控制策略；支持 dns，提供 网守的定位服务；支持 glp，提供网关的寻址功能:网守和网守之间通讯采用 30 h.32335。 路由器：配置用户 ip 地址，管理 ip 包分发，选择最佳路由通话路线。 voip 语音网关：internet 网与 pstn 网络中继设备，有 rj45 及 rj11 接口，具 有网络服务器功能，为所有登陆客户端之间的 peer to peer 语音通讯提供桥接作用； 语音网关功能，能将 internet 的语音数据与 pstn 语音互转。 本区关键设备为 voip 语音网关，本章研究建立在 isp 提供 ip 电话服务的基础 上，对于其设计实现不做讨论，而就其网络服务器配置做简要介绍。现有 voip 网关 产品配置较为方便，可以通过 web-site 的形式用户登陆设置，它可以设计的功能很 多，包括：设置用户名（user name）和密码（pass word）控制登陆用户权限，进行 用户分组，限制登录范围；实时显示用户的联网状况，如未联网，活动，通话中等 状态；统计通话时长完成计时等。 下表 4.1、4.2 简单显示了 isp 网络管理配置，实际操作为通过 web 网页形式， 这些配置会在后续章节的效果演示中用到，文字有阴影代表相应项目被选中： 表 4.1 isp 网络管理配置-设定用户 isp 网络管理配置 设定用户 用户组 用户名 用户号码 密码 用户状态 dafault test1 111111 111111 网络管理 test2 222222 222222 表 4.2 isp 网络管理配置-查看用户状态 isp 网络管理配置 设定用户 用户 状态 计时（秒） 用户状态 jingle 活动 网络管理 test1 通话中 256 test2 （未连接） 传统 pstn 网： 本区在整个移动 ip 电话系统，无需发生任何改变。在传统 pstn 网中无论是通 过微波连接基站接入的移动电话还是通过电缆形式接入的普通电话，结构和通话方 31 式，以及用户操作习惯不用发生任何变化。这也是本系统与以前系统兼容的优势之 一。 热点覆盖区 wlan 网： 移动 ip 电话终端：可以是连接到 internet 的 pc，可以是 voip 专用 wifi 手机、 配置了 wifi 功能的智能手机，pda 设备，也可以是通过调制解调器连接到 internet 的普通电话或 gsm 手机等。 接入点 ap：是传统的有线网与无线局域网络之间的桥梁，也是一种网关设备， 可以内含频宽分享、 无线网络、 防火墙、 入侵侦测等功能36。 ap 是通话终端与 internet 连接的关键设备，它可以配置路由，为了安全，ap 有 ssid 标识，也可以设置密码 key，防止非法用户连接。任何一台装有无线网卡的 pc 均可透过 ap 去分享有线局 域网络甚至广域网络的资源,其工作原理相当于一个内置无线发射器的集线器或者是 路由， 而无线网卡则是负责接收由 ap 所发射信号的客户端设备。 下表 4.3 简单显示了 ap 配置，实际操作也为 web 网页形式，这些配置也会在 后续章节的效果演示中用到，文字有阴影代表相应项目被选中： 表 4.3 接入点 ap 配置标识符 ssid 及设置路由 ap 网络管理配置 网关设定 192.168.1.1 ssid ap ssid key ap key 由系统网络拓扑图以及以上各分区功能介绍，可以大致了解移动 ip 电话的基本 通话流程，如下： 1.wlan 网用户通过终端设备连接 ap 连入 internet，网守 gk 进行地址翻译并 返回呼叫设备 ip 地址，如果不是同一网守内的两个用户，则本地网守请求上级网守 进行地址查找；如果不是连入 internet 的终端，则通过 voip 语音网关进行 pstn 呼 叫。 2.由 pstn 网终端发起的呼叫，首先将呼叫号码送入 voip 语音网关，网关向网 32 守发出查询信息，网守根据呼叫号码找到被叫网关，经过地址翻译寻址以及最佳路 由选择，即选择连接话费最低网关，到 wlan 网区域的被叫终端，建立呼叫联接。 以上从系统构成与设备功能上分析了移动 ip 电话系统，从网络结构上，以 osi 网络分层为模型进行分析，voip 语音技术是工作在 ip 层之上的，而 wlan 是针对 物理层和数据链路层协议，在 llc 以上各层是与有线网一致的37，对上层透明，图 4.2 为移动 ip 电话系统网络分层结构： h.225.0h.245t.120 g.7xx h.26x rtp rtcpras tcpudp ip层层 wlan csma/ca mac层层 wlan 控制控制 802.11e 802.11i 物理层 数据音频视频音 物理层 数据音频视频音/视频控制视频控制 图 4.2 vowlan 网络分层结构 物理层：ieee 802.11 作用于物理层，完成与有线网的连接。 mac 层：基于 ieee 802.11b 标准，采用 csma/ca 接入机制为基本接入方式， 完成无线媒介的接入过程，负责 ip 包的传送、管理和控制。 传输层：voip 的传输是建立在 ip 层之上，使用 udp 进行传输。 会话层以上：语音信号使用实时传输/实时传输控制协议 rtp/rtcp 进行封装， 控制 rtp的通信过程， 形成会话层的可靠传输； 语音的编解码可以使用g.723、 g.729、 g.721 等方法；视频传输的视频压缩解压采用 h.26x 协议完成； h.323 系列协议采 用 h.245 协议建立 tcp 交互过程完成 voip 设备网关之间的握手通信过程； h.225 协 议完成控制通道建立的过程；ras 完成 voip 网关和网守之间协商通信的过程。 4.2 移动 ip 电话终端 wifi 手机实现 33 4.1 节方案中基本网络结构与传统的电话网以及有线网相比，系统关键设备为： 实现 wlan 通话的 wifi 手机终端以及完成 pstn 网与 internet 两网连接数据互通的 voip语音网关。 其中voip语音网关由isp 实现， 本节不做详细介绍， 主要介绍 wlan 网区 wifi 手机终端设计实现。 4.2.1 系统硬件模型 wifi 手机终端是通话双方用户设备，完成用户到 ap 以及 isp 的鉴权连接。负 责模拟语音信号到 wlan 网的打包传输以及收包接收过程，采集来自话筒的模拟语 音信号，并打包传送到 ap；以及接受 ap 传输到的信号，通过听筒播出。 wifi 手机终端的基本模型38： 压缩编码压缩编码 1 1 量化抽样量化抽样 键盘 显示器 键盘 显示器 话筒 听筒 话筒 听筒 dsp（数字信 号处理芯片） （数字信 号处理芯片） wlan gsm/cdma mcu mcu2 回声消除回声消除 图 4.3 wifi 手机终端模型 键盘：用户输入设备，接收用户消息，发送用户指令到人机交互界面。包括左 右功能键，上下左右方向键，绿键红键功能键，3*4 数字及键。每一个按键在系统设 计里都有对应的事件与消息处理机制，其中功能键区分“长按”与“短按”，数字 键相对而言比较简单，只用处理“按下”事件。 显示器为主要输出设备：完成界面信息的显示，给用户以相应提示，为用户获 取信息的最主要渠道。 话筒（麦克）和听筒为语音 i/o 设备：完成语音信号的输入与输出，它们采集到 的信号都送给 dsp 接收处理。 数字信号处理芯片 dsp：计算与处理单元，功能实现上完成语音的进出操作处 34 理以及用户显示界面的操作。当传送话音时，负责完成对语音信号采样量化，进行 编码压缩，并且利用回声抵消等处理技术提高语音通话质量，然后打包送给 mcu； 当接收话音时则反之完成相应工作。 媒体控制单元 mcu： 完成 wlan 的 mac 层和物理层的构建过程， 同时在此之 上构建 ip 协议栈和上层的有关协议。 然后 h.323/sip 等 voip 协议则建立在这些协议 栈的基础之上，实现 voip 在 wlan 上的传输和握手交互过程。 如果是 wifi/gsm 双模终端，还需要结合 gsm/gprs 功能，另外附加上完成 gsm/gprs 的网络交互功能的 mcu 模块。在 wlan 系统和 gsm/gprs 系统之间 协商通信完成 wlan 接入或 gsm/gprs 的网络接入方式的选择。 wifi 手机终端是专为 voip 设计的， 在 wlan 中实现 ip 通话不需要通过语音网 关；而普通设备如传统电话等，需要通过 voip 网关才可以实现通话。由于笔者主要 负责软件实现，硬件部分只做简要介绍，而着重讲述软件实现。 4.2.2 系统软件实现分析 wifi 手机终端软件实现的功能主要为： 1.发送和接收用户消息，并通过显示器提示，话筒、听筒等设备输入输出； 2.完成用户对 ap,isp 等服务信息的互通； 3.完成用户记录信息在 flash 内存中的读取操作； 4.接收用户操作信息，并根据指令进行相应的动作，即状态机实现； 5. 提供友好的图形操作界面，对使用者的操作响应及时、正确； 4.2.2.1 软件结构层次 通过对软件功能的需求分析，可以设计基本软件结构框架，如图 4.4 所示： 图 4.4 软件系统结构 35 从框图可见，软件系统有清晰的分层结构，每一层运用其下层封装的接口来完 成更具体的功能。 最底层为硬件层，其上一层为最简单的依赖硬件的操作系统功能，然后是一些 具体的驱动，比如图形设备接口 gdi（graphics device interface）驱动, timer 驱动, keyboard 驱动等等。 硬件驱动层上为一些抽象层，作用是把相关功能进行封装，便于上一层调用实 现更具体的功能， 这些抽象层包括： 操作系统抽象层 oal （operating abstract layer） ， 可以理解为操作系统接口封装，主要是任务调度、消息机制以及中断等；图形抽象 层 gal （graphics abstract layer），为显示画点画线等基本操作的封装；界面抽象 层 ial（interface abstract layer），为显示基本功能的封装。 窗口管理器（windows manage）负责调度窗口序列的显示，当前窗口与其它活 动窗口的互操作；通常情况下，一个窗口表现即为一个矩形区域，它完成显示输出 以及接受用户输入的工作，是 i/o 的外在可见的表现。 同一时刻，可以有许多窗口共用一个显示屏，但是只能有一个“当前窗口”。 也就是说，只能是当前窗口能够接收用户的输入操作，当前窗口通常以高亮形式显 现。用户可以通过鼠标，键盘或者其他任何输入设备与当前窗口以及窗口所包含的 应用进行互操作。 由于窗口为数众多，如果把每一个窗口的元素组成以及成员关系都存到数据库 里面，无疑是一项庞大复杂的工程。因此，窗口组成和分层架构可以参考状态机的 机制。即抽象出若干个主要的窗口，一般为一级窗口，在一级窗口的基础上衍生相 应的子窗口，这些子窗口相对于主窗口，只有一些小的改动，只需要把这些改动， 及其相应的状态跳转存入数据库即可具体关系可见图 4.5： 根窗口 一级窗口一级窗口一级窗口 子窗口子窗口子窗口子窗口子窗口子窗口 图 4.5 窗口管理机制 36 消息管理器（message manage）负责消息队列的管理，系统使用消息机制传递 输入处理到窗口处理器，消息可设置优先级，其中，中断具有最高优先级。消息和 事件是密不可分的，一般情况下，任何事件都会触发消息。消息分为系统消息和应 用消息，消息管理机制如图 4.6 所示。 外部设备 窗口管理器桌面消息队列 消息 循环 窗口回调 窗口回调 图 4.6 消息管理机制 系统消息：任何的输入事件都会发出系统消息，比如当用户进行键盘输入，移 动鼠标，光标位置变化，点击滚动条等等；当外部应用涉及到改变系统时，系统也 会发出相应的消息，比如当用户调整字体大小或者窗口大小的时候。 应用消息：外部应用可以通过发出消息来改变相应窗口的应用任务，或者是与 其他应用的窗口进行通讯等等。这些消息都是可以预先定义的。 通常消息情况下，消息有四个参数。一个 窗口句柄用来指定接收该消息的窗口, 系统用它来找出应该由哪一个窗口处理器接受该消息， 一个 消息标识符用来标识 该消息在消息队列种的序列号, 还有两个消息自身属性参数为消息自带参数， 用来传 递实现具体功能。 时钟机制：时间机制与整个系统正常运行息息相关，其中，超时值（time-out） 是一个很关键的概念。通常情况下，计时器时间过去一个超时值，系统会通知与这 个时间相关的窗口在消息队列里面获取消息。 输入法管理器（ime manager）：通过键盘进行的输入会首先送到输入法管理器 进行处理，然后再送到相应的消息对应窗口，与字库读取一起完成的界面字符显示。 字，图，以及封装的控件完成界面显示功能，而对这些基本元素的调度、管理则完 成了界面间跳转的逻辑。 37 控件，对话框：控件是对基本写字，画图操作又进行的一层封装。可以认为它 是对于具有同样操作和任务的事件进行的一个归类。好的控件分类可以使界面组织 简单易实现。对话框可以认为是一个或多个控件的集合体。 最上层为应用层，一般表现为桌面管理（desktop manage）。通过 gui 对控件、 对话框、以及对基本元素的操作、调度的封装，应用层调用这些封装接口，以实现 具体的功能。 4.2.2.2 任务调度与消息机制 嵌入式实时操作系统，任务是单线程序列指令形成的一个无限循环，实时检测 是否有任务需要处理，在系统使用中用函数表示如下。 void task(void) while（1） 处于挂起态，等待资源； if（资源合法） 资源处理； else 出错处理 利用实时内核开发嵌入式多任务系统程序，要根据明确的设计目的确认系统功 能，将系统功能合理的分解成不同的任务；并根据任务相对于其它任务的重要性确 定其优先级39。多个任务彼此独立运行，具有独立的私有堆栈空间，在被其它进程 抢占时能够保持任务执行线程的上下文。 由此可见任务的优先级确立相当重要，根据系统功能分级确立为： 1.初始化（开机与复位）任务，以备紧急情况的重启； 2.新来电任务，无论什么任务正在进行，应提示用户有来电； 38 3.新来短信、邮件； 4.“红键”，即右软键；“翻盖”事件；一般为出错退出； 5.系统计时信息，如备忘录等； 6.一般按键，用户输入信息的互动任务，包括输入编辑信息、游戏中等； 7.消耗时间较长的任务，如收邮件，可以让其它任务在前台先执行； 8.各种同步检错和调整任务，可以在后台执行。 任务是消息的具体表现形式，消息又是由事件触发的。以人机界面 mmi（man machine interface）消息机制为例，mmi 发送消息给协议栈管理器 pm（protocol manager），pm 以队列的形式管理消息，按照预定的优先级顺序处理相应的消息。 4.2.2.3 状态机与逻辑结构设计 系统任务之间的通信为事件消息队列机制，这些任务之间的跳转关机则是 由有限状态机预先设置好，并且按照可以预见的情况执行的。 状态机的可以描述为一个有向图形， 由一组节点和一组相应的转移函数组成40。 状态机通过响应一系列事件而运行。每个事件都在属于当前 节点的转移函数的控制 范围内，其中函数的范围是节点的一个子集。函数返回下一个节点。这些节点中至 少有一个必须是终态，当到达终态，状态机停止。 状态机由一组状态集组成，相应的每一个起始状态有：一组输入符号集、一个 映射输入符号和当前状态到下一状态的转换函数。当输入符号串，模型随即进入起 始状态。它要改变到新的状态，依赖于转换函数，具体实现机制见下图 4.7： 是否指定起始状态 ？ 是否指定事件？ 是否符合转移条件 ？ 目标状态 是 是 是 否 否 否 等待 图 4.7 状态机实现机制 39 在有限状态机中，会有许多变量，例如，状态机有很多与动作转换或状态关联 的动作，多重起始状态，或者指定符号和状态的多个转换，指派给接收状态的一个 或多个状态，等等。 本方案应用程序的控制流程由外部发生的事件来驱动，事件在应用程序之外生 成。具体需要执行的代码取决于接收到的事件，或者它相对于其他事件的抵达时间。 所以，控制流程既不能是顺序的，也不能是事先设定好的，因为它要依赖于外部事 件，只能通过构建状态表的机制，列举所有可能来实现。 终端的模块设计即找出主要状态，在主要状态的框架下，列举出需要进行单独 构建对话框的状态，然后用逻辑结构表明状态间的跳转机制。即由状态跳转逻 辑组成的集合状态机来实现系统应用。 确定有限状态机的主要状态，在此基础上确定每一个主要状态可能接收的全部 事件，以及时间发生之后即将跳转的下一个状态，根据设计方案构建真值表。即为 该起始状态下所有事件及目标状态可能性的逻辑总集41。 所有状态集，以及由组成它的每一个状态的对应真值表代表的逻辑结构，所组 成的总体，构成整个状态机的实现。 4.2.2.4 构成对话框的控件元素 基于状态机的机制实现系统的逻辑功能，而对话框则与状态一一对应，实现相 应的界面显示功能。状态与对话框唯一映射的有限对，以及状态跳转机制，构成了 整个 mmi 交互显示的流程。对话框的构成元素，可以抽象成以下几大类，分别如图 4.8.14.8.4 所示： 组 短消息短消息 新信息 确定返回确定返回 收件箱 发件箱 草稿箱 组 草稿箱草稿箱 草稿1草稿1 选择选择返回 草稿2 草稿3 返回 草稿2 草稿3 组 测试编辑信息测试编辑信息 选项返回 编写消息 选项返回 编写消息 组 草稿箱满， 替换？ 确定 返回 草稿箱 确定 返回 草稿箱 图 4.8.1 菜单 图 4.8.2 列表 图 4.8.3 编辑框 图 4.8.4 弹出框 40 标题 title：如图中最上方模块“编写消息”，“草稿箱”等； 图片 icon：在对话框的构建中用来标识不同条目；调用资源库中的图片，通过 确定坐标位置来显示； 标签 label：各可编辑文本框，通过确定文本框坐标，调用相应文本字符串方式 显示； 左右软键 softkey：手机功能键，如上图“确定”，“返回”等；软键是接收用 户事件最多的部件，按下软键会有相应的消息相应完成指定功能； 编辑框 field：可以进行字符输入，如可以编辑用户信息，包括电话号码，短消 息，备忘录等等； 弹出框 messagebox: 用以进行各种提示操作，由于弹出框无状态变化，因此它 的显示是在初始状态对话框基础上弹出的，并不进行特定的状态设计。用户有按键 进行确认或者弹出框计时已到就会自动消失。 介绍两种用的最多的对话框： 菜单 menu：如上图“文本信息”，可以按相应快捷键进入下一级菜单。 列表 picklist：如上图“收件箱”，每页最多显示 6 个条目，关键参数包括 list 总共条目数，当前页起始条目序号，便于显示指定的 6 个条目。 4.3 模块设计实现 4.2 节介绍了终端设备的实现机制，本节以逻辑结构相对比较简单的短消息模块 为例，详细介绍该机制的设计流程与实现。 4.3.1 模块划分与功能需求 从主菜单进入文本信息模块，第二级菜单共有 6 项，是第一步可以确定的 6 个 主要状态，分别为编写新消息，收件箱，发件箱，草稿箱，设置，内存状态，短消 息的子模块构成如图 4.