基于C3GA的嵌入式终端设计与研制

基于C 3 G A 的嵌入式终端设计与研制豢 许文博1 沈连丰2 许波3 东南大学移动通信国家重点实验室 南京 2 1 0 0 9 6 1 b o b 0 南 哪i l C O t q a 2 l f s h e n s e u e d u a l 3 x u b o 厕 咖 o o g n 摘要 本文基于将A dh o c 网络与蜂窝通信系统相融合的设计思想 给出了一种基于C 3 G A 并使用蓝牙组建A dh o c 网络的 嵌入式终端的设计及实现情况 文章首先阐述了所研制的嵌入式终端的功能及应用场景 接着对其硬件设计和实现做了阐 述 然后详细分析了该嵌入式终端的软件设计与实现 包括整体系统结构 应用层面的软件设计等 着重分析了路由组网部分 的设计及信令流程的实现 最后给出了功能测试与改进方法 关键词 A dh o e m 一9 C D M A 蓝牙 组罔路由 嵌入式 D e s i g na n dd e v e l o p m e n to fe m b e d d e dT e r m i n a lb a s e do nC 3 G A X uW e n b 0 1 S h e nL i a r r f e n 9 2 X uB 0 3 N a t i o n a lM o b i l eC o m m u n i c a t i o n sR e s e a r c hL a b S o u t h e a s tU n i v e r s i t y N a n j i n g2 1 0 0 9 6 C h i n a 1 b o b o 囝朗1 a i l o o g n 2 l 蚰 s 叫 e d u 血 3 x u l 3 0 n j 孕t o m 伽 A b s t r a c t B a s e d t h ed e s i g ni d e ao ft h ei n t e g r a t i o no fA dh o cn e t 帅r k sa n dc e l l u l a rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h i sp a p e rd i s c u s s e st h e d e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h ee m b e d d e dt e r m i n a lb a s e d0 1 1 G A i nw h i c hA dh o cn e t w o r k sa 弛b a s e dO nB l u e t o o t h F i r s t t h i s 阳 p e ri l l u s t r a t e st h ef u n c t i o n sa n da p p l i c a t i o ns c 目璩r i o ft h ee m b e d d e dt e a n J n a d e v e l o p e db yt h ea u t h o r s a n d 口c p a l d st h ed e s i g na n d r e a l i z a t i o no ft h eh a r d w a r e 愉 t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h es o f t w a r ea r ed i s c u s s e di 1 3d e t a i l w h i c hi n c l u d e st h ew h o l es y s t e m a t i cs t r u c t l 1 坨a n dt h es o f t w a r ed e i g na tt h ea p p l i c a t i o nl e v e l n 把d e s i g no fn e t 啪r kr o u t i n ga n dt h er e a l z a t o no fs i g n a l i n gf l o wa 聘 e a p h a s i z e d R n a u Y t h ef u n c t i o nt e s ta n di m p r o v i n gm e d x x t sa r ei n t r o d u c e d K e yw o r d s A dh o e T D S D M A B u e t o o t h n e t w o r kK a t i n g e m b e d d e d 移动自组织网络 亦称为无线A dh o c 网络 是一种不需要固定基础设施的多跳无线网络 具有无中心 自组 织 动态拓扑 无约束移动和多跳路由等特点 将其与由我国提出的 国际电联 I T U 通过的第三代移动通信系统 标准T D S 眦蜂窝系统相结合 可以为T D S C D M A 系统提供移动自组织的功能 为用户提供高速宽带接 人服务 扩展无线通信的覆盖范围 扩大蜂窝系统的容量 开拓1 3 3 一S C D M A 系统更广泛的应用 而蓝牙 B l u e t o o t h 作为一个开放的 短距离无线通信技术标准 随着技术的l e t 益成熟与芯片价格的稳步下降 带有蓝牙的便携 式设备越来越多 蓝牙设备之间互联的需求也愈来愈迫切 因此采用蓝牙组建A dH o e 网络具有很大的研究价 值 1 l C 3 G A 是 T D S C D M A 和A dh o e 网络融合 的简称 其中C 是C h i n a 的缩写 A 是A dh o c 的缩写 本文 给出了一种基于C 3 G A 并使用蓝牙组建A dh o c 网络的嵌入式终端的设计 实现方法及功能测试 l 功能与应用场景 公众蜂窝移动通信系统可以为移动终端提供实时的通信服务 但是在一些没有基站覆盖的偏远地区 用户数 量众多的大型展会和卖场等热点区域以及发生突发性灾难的情况下 采用将A dh 网络与蜂窝通信系统相结合 可以扩展整个系统的覆盖范围 提高系统的容量 基金项目 江苏省科技成果转化专项资金 B A 2 0 0 6 1 0 1 江苏省高技术研究重大项目 B E 2 0 0 5 0 0 1 4 5 6 甚于 H A 纳嵌 式终端就足采用将A dh r 网络b 蜂窝酒信系统相融合的设计思恩 在终端本身无法接 A 蜂寓州的情况F 可 使用蓝圩翊缱A d m r 嘲络 井迤过 t M 珞接 蜂窝同性A d 嗍珞内各个设备之 A c I c w M 略内设符与蜂窝阿内设备z M 能够进行实时的语音和数据传输 选择幢用藩牙来实现A d h 网珞丰爵是考虑到蓝圩支持点对点和点对多点的J 柞方式 可以通过无线连接 打式宴现终端之问的网络互联 并以A d I k 模式进行灵活地组嘲 即每个蓝牙设备稀可以在网络中实现路由 功能 从而形成蓝牙 d I k 网络 立现并终端之间灵活的 安全的 低成本的 小功耗的语音和数据通信 同时 还可 为将来实现基于l q 一S C D M A 的A dh x 网络提供理论和现实依据 但由于蓝牙的传输距离较短 因此需要在射频部分加上放大电路 从而使其传输距离增加到1 0 0 m 以上 这样 在网培节点数目鞍少且节点移动性相对较小的情况下 偿用蓝牙擅建A d 网络是一种很好的拄术选择 局 时 蓝牙工作在全球通用的24 G H zI S M 频段 与蜂窝网使用的频段不同 通过对蓝牙和蜂窝模块同增加屏蔽措 施烈及在收发端加装高性能的滤波器可以很好地碱步它们之间的干扰 从而使终端更好地工作 基于C 3 G A 的嵌 式终端可以实现语音和致据的蓝牙多眺传输与蜂窝网传辖的融台 具有较为广闻的应 用前景 其应用场景示意图如图I 所示 g f t f m 目镕 幽l 基于C 3 G A 的嵌 式终端应用场景示意圉 2 硬件设计与实现 嵌 式终端的硬件蕞统框图如同2 所示 主要由终端核心控制模块 语音缩解码模块 蓝牙收发模块 蜂窝通 信模块四部分组成 终端核心拉制模块足整个终端的运行平台 嵌 式 n u x 操作系统运行于此平台之上 嵌人式处理器选用 A l 眦l 公司的A T g l I L M 9 2 0 0 并外扩了1 6 M B 的S 1 3 R A M 和1 6 M B 的F a s h 这样的存储器配置不仅满足了藏终端 各种软件的需要 还为扩展功能留有较多的余地 语音编解码模块选择V S l 0 0 3 音频解码芯片 并通过S P I 接口和2 个通用1 0 接口与A T g l R M 9 2 0 0 连接 进 行数据和控制命令的传输 它可以把从麦克风采集到的模拟语音 经过内置的1 6 位的过采样A I M 2 编码为P C M 数据 然后进行A D P C M 压缩 并把压缩后的A D P C M 数据通过 接口发送给A 1 R M 9 2 0 0 同时 还可咀把接 收到的比特流进行解压缩 然后经过一个数字音量控制器到达 个1 8 位过采样多位D A C 解码 井通过扬声器播 放出模拟语音 蓝牙收发模块主要包括蓝牙基带处理电路和射频放大电路 通过U S B 接n 与终端核心控制模块相连 终端 杖心控制模块使用蓝牙收发模块与周围终端设备建立蓝牙A d h 叫络 蓝牙收发模块通过U S B 接口与本终端 的A T g l R M 9 2 0 0 进行数据的接收和垃送 同时在与相邻终端设备建寸的蓝牙L 2 C A P 层链路上进行数据的收发操 作 从 日实现教据的宴时转发 保证歙据在A d M 网络内不同终端之问的实时传输 蓝牙A d l 帕c 罔络接 蜂窝网培 还需要与蜂窝通信模块相结台 蜂窝通信模块主要包括T D S C D M A 攘块 和 s M 模块两个砰分 升 9 1 X 寸 应3 G 和2 G 通信标准 在2 向3 G 的过渡跗期 蜂窝通信使用双模块 能够覆盖 两代用络 更好地宴现A d l c 网络和蚌窝罔的融台接 扩大整个州珞的覆盖范围 终端控制模块分别通过两个 串行接口与1 1 3S C U M A 模块和G S M 模块相琏 进行数据和控制命夸的悻输 蚌窝通信模块还包括语音通信电 路 可以直接与语音编解码横块相连 接收和发进模拟语音 实现语音通信 4 5 7 3 软件设计与实现 图2 嵌入式终端的硬件系统框图 3 1 整体系统结构设计 嵌入式终端整体系统结构框图如图3 所示 一共分为三层 第一层即最底层是硬件设备驱动层 包括A R M L i n u x 中的一些驱动程序 主要有串口驱动程序 蓝牙驱动程序 语音模块驱动程序 T D S C D M A 模块驱动程序 G S M 模块驱动程序等 中间层为嵌入式I A n u x 操作系统中的各种文件系统和库函数等操作系统层面的软件 它支 4 5 8 T D S C D M A 应用程序 监牙配置程序 G S M 应用程序 应用程序 系统监控及应用程序 语音录播程序 I 蓝牙协议栈 l 其他应用 辨 V O 系统胁函数库 IT c P 伸协议I 嵌入式操作系统 I 栈 l 文件系统觥内核 I J R T P I ll 0 硬件设备驱动层 A R M 初始化串口驱动l 拍呀驱动语音驱动 G S M 驱动1 1 驱动其他驱动 A r 9 1 R M 9 2 0 0 硬件平台 图3 整体系统结构框图 持R a m d i s k J F S 等文件系统和T C P I P J R T P 等多种协议 最上层为应用层 包括语音录播程序 蓝牙协议栈及应 用程序 T D S C D m 应用程序 G S M 应用程序和系统监控程序等应用程序 3 2 应用层面的软件设计 针对如图1 所示的应用场景 嵌入式终端应用层面的软件结构框图如图4 所示 其中 组网路由采用按需路 由协议 3 J 主要包括邻居发现 路径发现 链路建立 链路断开 链路维护以及相应 的邻居表 信息表 路由表的维护等 L 2 巴世和B 予采用的是B l u e Z 中已实现的蓝 牙协议栈 T C P I P R T P R T C P 分别采用的是L i n u x 系统集成的协议栈和开源的 J R T P L I B 库 下面主要对组网路由的设计与实现进行详细的说明 3 3 组网路由设计 当终端有语音呼叫或数据发送需求时 检查蜂窝信号 优先接人蜂窝网进行语 其他l 层 音频应 I j 程序 应 I j 程序 R 砰熙c P 1 P 仃P B N E P 纽网 路由 1 2 c A P 音或数据传输 当本终端无法直接接入蜂窝网时 使用蓝牙组建A dh o c 网络向目图4 应用层面软件结构框图 的终端发起连接 若通过A dh o c 网络无法直接连接到目的终端而需要接入蜂窝网时 则选择距离本终端多跳连 接跳数最少且有蜂窝信号的终端作为网关设备接人蜂窝网 向目的终端发起连接 组网路由的实现流程如下 1 蜂窝检测与邻居发现 终端定期检测蜂窝信号强度并搜索周围蓝牙设备 更新网络信息表和邻居蓝牙 地址表 邻居蓝牙地址 邻居个数等 的内容 2 路径发现与链路建立 当一个节点有语音呼叫或数据发送请求时 首先检查本终端是否有蜂窝信号 若有蜂窝信号 则直接接 人蜂窝网进行语音数据传输 若本终端没有蜂窝信号 无法直接接人蜂窝网 则需要组建蓝牙A dh o c 网络向目的 终端发起连接 此时检查邻居蓝牙地址表 向各个邻居节点发送路由请求 R R E Q R o u t eR e q u e e 消息 并创建 更 新路由表 网络信息表 节点收到并解析R R E Q 消息后 首先判断其跳数是否小于N N 根据实际应用场景来设定 若跳数小于 N 即R R E Q 消息在N 跳之内到达该节点 i l J g J 断本节点是否为目的节点 若不是 则更新路由R R E O 消息的内 容 向自己的各个邻居节点发送新的R R E Q 消息 更新路由表 网络信息表 继续进行 若本节点是目的节点 则 向上一节点建立B N E P 链路 在卧I E P 链路建成之后 即收到上一节点回复的B N E P 确认帧 向上一节点发送确 认消息 A C K A c k n o w l e d g e m e n tC h a r a c t e r 并更新路由表 网络信息表 转到 若跣数等于N 即R R E Q 消息在N 跳时到达该节点 此时判断若本节点是目的节点 则向上一节点建立 B N E P 链路 在B N E P 链路建成之后 向上一节点发送A C K 消息 并更新路由表 网络信息表 转到 若本节点不 是目的节点 则R R E Q 消息不能在N 跳时到达目的节点 此时停止广播R R E Q 消息 向上一节点回复否定消息 N A K N e g a t i v eA c k n o w l e d g e m e n tC h a r a c t e r 转到 o 节点收到A C K 消息 解析出源节点 首先判断本节点是不是源节点 若不是 则根据路由表继续向上一节 点建立B N E P 链路 在B N E P 链路建成之后 更新A C K 消息并向上一节点发送新的A C K 消息 并更新路由表 网 络信息表 继续进行 若本节点是源节点 则此时已经从目的节点建立B N E P 链路至源节点 更新路由表 网络信息表 然后封装 源 目的节点的I P 地址 在源节点 目的节点之间进行语音或数据的R T P 传输 完成整个链路的建立 节点收到N A K 消息 解析出源节点 首先判断本节点是不是源节点 若不是源节点 则比较收到的N A K 个数与邻居个数M 是否相同 若不相等 继续进行 若相等 则通过该节点进行蓝牙多跳传输失败 向上一节 点发送N A K 消息 继续进行 若本节点是源节点 同样比较收到的N A K 个数与邻居个数M 是否相同 若不相等 继续进行 若N A K 个 数与邻居个数M 相等 则目的节点不在蓝牙A d h o c 网络范围内 不能直接通过蓝牙多跳进行连接 需要与蜂窝网 融合 转到 源节点根据网络信息表的内容 选择到达源节点跳数最少且有蜂窝信号的节点A 作为接入蜂窝网的网 关设备 判断其上 跳A 川是不是源节点 若A l 是源节点 则A 一1 直接向A 节点建立B N E P 链路 在B N E P 链路建成之后 即收到A i 节点回复的B N E P 确认帧 向A i 节点发送前向建链消息 F L I N F o r w a r dL i n k 并更新 路由表内容 转到 若A 卜 不是源节点 则根据A 一 对应的网络信息项得到其上一跳A z 判断A 卜2 是不是 源节点 若是 则得到源节点至网关节点的多跳路径 源节点 A i 2 一A 一l 一网关节点 A m 若A i 2 不是源节点 4 5 9 则继续判断它的上一跳节点是不是源节点 重复上述过程 直至找到源节点 同样得到多跳路径 然后按照多豌 路径 从源节点依次建立B N E P 链路直至网关节点 A i 完成B N E P 链路的建立 然后封装源 网关节点的I P 进 行语音或数据的R T P 传输 转到 网关节点 A 使用其蜂窝模块与目的终端建立连接 完成蓝牙A dh o e 网络接入蜂窝网 使源 目的终端能 够进行实时的语音或数据传输 3 链路维护 本设计主要针对蓝牙A dh o e 网络内出现异常断链的情况 如 节点掉电或离开等 进行维护 源节点定期发送网络测试p i n g 命令至目的节点 若没有收到目的节点回复的数据包 则认为链路中断 源节 点读取并调用最近一次拨号记录 进行重拨 若重拨S 次 S 根据实际应用场景来设定 每次间隔T 秒 T 略大 于可能的最大建链时间 仍无法建链 则认为源节点与目的节点之间无法通信 关闭源节点端后台p i n g 进程 并 退出链路维护进程 若重拨成功 则复位链路维护进程 4 链路断开 源节点根据网络信息表 首先判断本终端是否直接通过蜂窝网与目的终端进行连接 若是 则直接使用蜂 窝网的断链命令与目的终端断开连接 若不是 则根据路由表的内容 判断是否可以直接通过A dh o e 网络连接到 目的终端而不需要接入蜂窝网 若可以 则根据路由表 向下一节点发送断链命令 D C O M D i s e o r m e e tC o m m a n d 消息 并更新路由表内容 转到 若不能直接通过A dh o e 网络连接到目的终端 则需要选择网关节点接入蜂窝 网 此时根据路由表 向下一节点发送D C O M 消息 并更新路由表内容 转到 节点得到并解析D C O M 消息后 向其上一节点发送B N E P 断链请求 当与上一节点的B N E P 断链完成之 后 即收到上一节点回复的B N E P 断链确认帧 判断目的手机号码与本节点的手机号码是否相同 若不同 则更 新断链命令消息的内容 即更新本终端蓝牙地址和手机号 根据路由表项向其下一节点发送新的D C D M 消息 并更新路由表内容 继续进行 若相同 则本节点即为目的节点 此时断链过程完成 节点得到并解析 如M 消息后 向其上一节点发送B N E P 断链请求 当与上一节点的B N E P 断链完成之 后 判断网关蓝牙地址与本节点蓝牙地址是否相同 若不同 则更新断链命令消息的内容 根据路由表项向其下一 节点发送新的D 0 0 M 消息 并更新路由表内容 继续进行 若相同 则本节点即为网关节点 并命令蜂窝模块使 用断链命令与目的终端断开连接 完成整个断链过程 3 4 组网路由信令流程分析 针对上述组网路由设计方案 分别定义路由表项和网络信息表项如表1 表2 所示 表1 路由表项格式B 状态 源节点蓝源节点手 目的节点目的节点本地蓝 本地手累计疋地址路由蜂窝使上一跳蓝上一跳手 下一跳蓝 下一跳手 指示牙地址机号码蓝牙地址手机号码牙地址 机号码跣散指示标记用指示牙地址机号码牙地址机号码 1 6l l 61 16l ll12l6l l61 1 表2网络信患表项格式 B l 状态指示网络设备蓝牙地址 设备蜂窝状态指示上一跳蓝牙地址累计跳教 l 1 6161 在上述路径发现与链路建立过程中 当源终端通过A dh o e 网络可以直接连接到目的终端而不需要接人蜂窝 网时 即目的终端在源终端建立的蓝牙A dh o e 网络范围内时 源节点需要和目的节点通信 可以通过广播R R E Q 消息来查找相应路径 当这个R R E Q 到达目的节点时 从源节点到目的节点的路径就确定了 此时直接从目的节 点多跳建链至源节点 其信令流程如图5 所示 当目的节点不在源终端建立的蓝牙A dh o e 网络范围内时 源节点 广播R R E Q 消息无法直接到达目的节点 此时检查网络信息表选择距离源节点多跳连接跳数最少且有蜂窝信号 的终端作为网关节点接人蜂窝网 从而与目的节点建立连接 其信令流程如图6 所示 漂俗点 H 的1 了点 图5目的终端在源终端建立的A dl x x 网络范围内时路径发现与链路建立信令流程 图6目的终端不在源终端建立的A dh o c 网络范围内时路径发现与链路建立信令流程 在链路断开的过程中 同样分为以上两种情况 当目的终端在源终端建立的蓝牙A dh o c 网络范围内时 只需 从源节点开始 依次按照路由表向下一节点发送D C O M 消息 逐个断开B N E P 链路直至目的节点即可 其信令流 程如图7 所示 当目的终端不在源终端建立的蓝牙A dh o e 网络范围内时 则需从源节点开始 依次按照路由表向 下一节点发送D O O M 消息 逐个断开B N E P 链路直至网关节点 然后网关节点断开与目的节点的蜂窝连接即可 其信令流程如图8 所示 源节点 图7 目的终端在源终端建立的A dh o e 网络范 源节点 罔关节点 目的节点 尘铂 仁 纠Pl 围内时链路断开信令流程 器 二 专辛 矗弋9J 图8 目的终端不在源终端建立的A dh o c 网络范围内时链路断开信令流程 4 功能测试与改进 基于口G A 的嵌入式终端实现了上述所有功能 使蓝牙A dh o c 网络与蜂窝网的融合接人成为现实 多个 不超过7 个 终端能同时建立物理和逻辑链路 并根据上述路由算法接人蜂窝网 进行实时的语音和数据传输 经测试 当传输距离较近时 在嵌入式终端之间建立的蓝牙A dh o c 链路上 传输的语音通话质量良好清晰无失真 数据通信传输无差错 接入蜂窝网时 通信质量则会根据蜂窝网的信号强度发生变化 在蜂窝信号较强的情况下 蓝牙A dh o c 网络接入蜂窝网的语音和数据通信效果很好 当终端间距离较大时 由于蓝牙射频放大电路的自动 功率控制功能 会增大发射功率 导致模拟语音电路部分引人的电磁干扰噪声增加 从而会影响到通话效果 此问 题可以通过调整P C B 布局布线和对易受干扰电路增加屏蔽来减少和消除 这将会在下一个版本中加以调整和 改进 参考文献 1 L i z a L B i Y e e S h e k Y h K w o n g K w o k E f f i c i e n t m u l t i h o P c o n a m m i c a t i o n s i n B h e t o o t h 囊 t t a 瞳七略 J 1 E E EP x e 螂 P m s x 诎 h d x a a n dM o b i l eR a d i oC o a u m m i c a t i o n s 2 0 0 3 1 7 7 5 5 7 5 9 2 S a n f iA h u n d a g M e h m e tG o k t u r k Ap r a c t i c a la p F f c It Os c a t t e r r l t e tf o r m a t i o na n dr o u t i n go n 脚u e t 出 J P n x 蒯i n g so ft h eS e v e n t hI E E E I n t e r n a t k m a lS y m g x 葛i u m I a 珥脚N e t 1 0 r k s 2 0 0 6 2 3 2 9 3 Y o n gL i u M y t m gJ L e e T a r e kN S a a d a w i AB l u e t o o t hs t a r t s n e t r o u t es t r u c t 小f o rm u l t i h oP a dh o c 鹏融s lJ 圜旺J o u r n a l S e h e t e dA r e a si nC o m m u n i c a t i o n s 2 0 0 3 2 1 2 2 2 9 2 3 9 4 张剑 沈连丰 许波 一种基于蓝牙的A d 叼c 实用方案及其实验系统 J 东南大学学报 自然科学版 2 0 0 8 3 8 2 1 9 5 2 0 0 4 6 1 5 谷金山 沈连丰 苏红平 邱晓华蓝牙A d H 网络的路m 实现及优化 J 东南大学学报 自然科学版 2 0 0 5 3 5 4 5 0 1 5 0 5 6 袁字恒 叶芝慧 沈连丰基于蓝牙技术的家庭网络控制子网设计与研制 J 东南大学学报 自然科学版 2 0 0 6 3 6 1 1 3 1 8 7 T s u n g C h u a n H u a n g K a i Y u 铷 L i a n g c I 嗍S h i u A na d a p t i v e t a t t e l n e o r m a f o ns c h e m e i nB l u e t o o t hp e r s o n a la r e an e t w o r k s J T h e4 t hI n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nC o m p u t e ra n dI n f o r m a t i o nT e e I m l o 窖y 2 0 0 4 6 0 6 6 11 8 T h e c d o r o sS d o n i d i s P r a v i nB h e g w a t L e a n d r o sT i u l a s R i c h a r dL a M a i r e D i s t r i b u t e dt o p o l o g yc o n s