Ｎｏ．５ Ｏｃｔ．．２０１１ 微处理机 第５期 ２０１１年１Ｏ月 ＭＩＣＲＯＰＲＯＣＥＳＳＯＲＳ 一种移动无线自组网即时语音通信系统的实现鼍 李现涛，郭迭伟，李杨 （西北工业大学，西安７１０１２９） 摘 要：近年来，移动无线自组织网络迅速发展，在该平台上实时语音通信的需求也日益显现。 在ｌｉｎｕｘ平台下，利用ＶＯＩＰ和ＲＴＰ等技术实现了无线移动自组织网络的多跳即时语音通信系统。 并通过上网本组成的硬件实验平台进行了移动实验，在低速移动条件下的实时语音通信效果ＭＯＳ 评分在３．５以上，能够满足即时语音通信的需求。 关键词：移动无线自组织网络；ＩＰ语音；实时传输协议；实时语音通信 ＤＯＩ编码：１０．３９６９／ｊ。ｉｓｓｎ。１００２—２２７９．２０１１．０５．０１１ 中图分类号：ＴＰ３９３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—２２７９（２０１１）０５—００３８—０３ Ａｎ Ｉ ｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｏｂｉｌｅ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ａｄ ＨＯｃ Ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ Ｖｏｉｃｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ＬＩ Ｘｉａｎ—ｔａｏ，ＧＵＯ Ｄａ—ｗｅｉ，ＬＩ Ｙａｎｇ （Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１０１２９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｏｂｉｌｅ Ａｄ Ｈｏｃ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｑｕｉｃｋｌｙ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｒｅｃｅｎｔｌｙ，ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｖｏｉｃｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｉｓ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ ｓｈｏｗｎ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｇｉｖｅｓ ｏｕｔ ａ ｗａｙ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ—ｈｏｐ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｖｏｉｃｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＶＯＩＰ，ＲＴＰ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｍｏｂｉｌｅ ｔｅｓｔｓ，ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｓｈｏｗｎ ａ ｇｏｏｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｓｅｎｔｅｎｃｅｄ ｔｏ ｂｅ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ３．５ ｂｙ ＭＯＳ ｓｔａｎｄａｒｄ ｕｎｄｅｒ ｌｏｗ ｓｐｅｅｄ ｍｏｂｉｌｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｕｌｄ ｓｕｐｐｏｒｔ ｉｎｓｔａｎｔ ｖｏｉｃｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＭＡＮＥＴ；ＶＯＩＰ；ＲＴＰ；Ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｖｏｉｃｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ １ 引 言 近年来，移动自组织网络（ＭＡＮＥＴ）迅速发展，为 紧急灾难救援、军事战地网络等需要在没有或不便于 利用现有网络基础设施快速部署多点无线通信网络 的条件下，提供了一种灵活有效的解决方案。移动自 音延迟和语音质量。 从技术层面上讲，通话的实时性和语音质量主 要取决于语音数据包的传输延迟和抖动。因此降低 网络的传输延迟和减少语音抖动是保证语音通信实 时性的关键技术。然而，由于ＭＡＮＥＴ具有区别于 传统无线网络的许多特性，所以在此基础上实时语 音通信的实现也遭遇到了诸多难题。 首先，ＭＡＮＥＴ网络没有固定的基础设施进行数 据转发，并且节点具有一定的移动性，不能保证可靠 稳定的传输链路，这就使得网络中传输延迟难以得 组网因其组网迅速，各个通信终端灵活机动，同时能 提供一定的通信覆盖范围，给人们带来了诸多便利。 也是未来移动通信的发展趋势。然而，由于ＭＡＮＥＴ 具有区别于普通传统无线网络的诸多特点，使得 ＭＡＮＥＴ实时语音通信依然面临许多技术难题。 在ＭＡＮＥＴ基础上，综合利用ＶＯＩＰ Ｊ、ＲＴＰ／ 到保障；其次，无线网络中带宽资源有限，这使得网 络中出现拥塞的可能性大大增加，所以必须在保证 通话音质的前提下尽量减少语音数据量；由于无线 ＲＴＣＰ 、ＱＴ、ｌｉｎｕｘ线程等多种技术提供了一种基于 ＭＡＮＥＴ的即时语音通信系统的工程实现。 链路的不稳定和低带宽特性致使时常出现网络拥塞 的状况，严重影响了传输的实时性。 ２ ＭＡＮＥＴ中即时语音通信的关键技术 实时语音通信技术最关键的指标就是通信的语 因此在无线移动网络中，降低网络传输的延时 和减少数据占用带宽是实现即时语音通信的关键。 崇基金项目：西北工业大学研究生创业种子基金（Ｚ２０１００６６） 作者简介：李现涛（１９８６一），男，山东潍坊人，硕士研究生，主研方向：无线白组网网络路由协议，嵌入式ｌｉｎｕｘ。 收稿１３期：２０１０—１０—２２ ５期 李现涛等：一种移动无线自组网即时语音通信系统的实现 。３９・ ３ 设计实现 方案，算法性能指标如表１所示。 在现有的实时语音网络通信领域中，ＶＯＩＰ作为 一个成熟的解决方案，囊括了语音压缩编码、数字音 频分组转发、回声消除、应用层信令控制协议等技 术，并已经得到广泛应用。通话双方首先利用信令 协议找到对方并建立会话，之后将各自的话音通过 ＣＯＤＥＣ转换为数字信号，经过回声消除、压缩编码 和防抖缓冲等处理后，成为ＩＰ包形式的数字音频流 向对方传输，实现双方的实时语音通信 Ｊ。ＶＯＩＰ的 基本通信框架如图１所示。 ●＿－＿＿＿＿＿＿＿—— ＿］ＯＤＥＣ ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿—＿ １．———Ｉ． 译码 编码 ．＿— ＣＯＤＥＣ １ 字音 Ｉ．一 丽Ｉ 丽 缓冲 Ｉ网络 Ｐ 缓两 Ｉ冲 丽 音频 诗馨 消除 卜＼ 消除 音频 设备 话令 冷协议＞／ 处理 处理． 图１ ＶＯＩＰ框架 设计实现的系统建立在ＶＯＩＰ技术的框架之 上，为了达到更高的实时性，系统采用了多线程的设 计思想。将核心的通信部分分成三个线程：数据采 集线程，数据发送线程和数据接收播放线程。数据 采集线程主要完成声卡中的数据采集；发送线程负 责数据的发送和网络传输；接收播放线程主要是接 收网络中的数据并进行解码播放。系统设计框图如 图２所示。 ３．１数据采集和数据的编码压缩 在数据采集线程中，系统设计采用了ＡＬＳＡ接 口库对声卡进行操作，将声卡硬件缓冲区中的数据 读人软件应用缓冲区。数据采集完成后将数据进行 编码压缩存入发送缓冲区中，等待发送线程的调用。 由于是实时应用，因此发送缓冲区不能设置过大。 一般设置成可存储ｌＯＯｍｓ一５００ｍｓ的数据大小。本 系统中设置缓冲区的大小为３００ｍｓ数据大小。 选取适当的数据压缩编码算法是降低网络中的 数据量，减少网络拥塞，提高语音实时性的重要手 段。目前针对语音有很多编解码压缩标准，在选择 时，考虑到重建语音质量、算法时延、编码速率、算法 复杂度等技术指标，同时，结合系统自身带宽资源有 限的特点，采用ＩＴｕ—ｕ制定的Ｇ．７１１、Ｇ．７２１和Ｇ． ７２９Ａ三种编解码压缩标准共存的语音压缩编解码 生接建立Ｊ厂 部分 Ｉ 一 通信部分一厂ｌ ．． 图２即时语音通信设计框架图 表１ ＩＴＵ—Ｕ语音数据压缩算法性能比较 对比表１性能可知，Ｇ．７１１和Ｇ．７２１编码速率 都不低，在系统带宽资源紧缺又必须实时传输语音 信息时，必须有一种低码率，同时语音质量良好的编 解码压缩标准。Ｇ．７２９Ａ算法无论是同上面两种算 法还是与ＩＴＵ—Ｕ建议外的编解码压缩算法相比， 在低码率，语音质量、时延和复杂度上都具有一定的 优势。此外，Ｇ．７２９Ａ提供了对语音帧丢失和分组 丢失的隐藏处理机制，适合于无线移动通信网络。 因此本系统设计中采用了Ｇ７２９Ａ编码压缩算法。 ３．２数据发送控制和抖动缓冲技术 在数据发送线程中，发送数据包的大小和发送 速率是系统中至关重要的参数，严重制约着系统的 性能。经过实验，系统中数据包的大小设置为１０２４ 字节大小。此外，自适应 调节发送速率是降低网 络中的数据拥塞发生概率、提高系统性能的重要手 段。本系统设计中采用了ＲＴＰ／ＲＴＣＰ协议。利用 与数据包相同的传输机制向会话中所有成员周期性 发送控制包，通过反馈消息源节点获取数据传输质 量的反馈，并通过这种反馈调节源节点的发送速率。 ・４０・ 微处理机 该协议对系统的性能提高明显。此外，该反馈对系 移动场景．低速场景采用的是人步行携带上网本进行 统以后扩展自适应编码有直接作用，有利于后续的 移动实验。场景中共有五个节点，节点１与节点５为 功能扩展和性能改善。 实时通话的双方，在通话过程中５从位置Ａ逐渐移动 播放语音时，为了防止抖动，通常采用抖动缓冲 到Ｅ。场景如图４所示。高速场景采用的是车载实 技术 Ｊ。即在接收方设定一个缓冲池，语音包到达 验，场景如图５所示，源和目的节点分别为节点Ｓ和 时首先进入缓冲池暂存，系统以稳定平滑的速率将 Ｄ。目的节点Ｄ在长为２ｋｍ的道路上从Ａ点到Ｂ点 语音包从缓冲池中取出、解压、播放给受话者。本系 以２０ｋｍ／ｈ到４０ｋｍ／ｈ的速度往返行驶测试过程中， 统在数据接收播放线程中采用了双缓冲技术。在接 节点４．６、８、９、１０作为中继节点不断进行切换。 收到数据以后将数据解码后暂时缓存到一个较小的 表２实验参数表 缓冲区中，在数据达到缓冲区的３／４时进行播放。 指标 参数 该数据缓冲技术降低了语音的抖动和不连续性，对 操作系统 Ｕｂｕｎｔｕ一８．１０ 提高语音质量有明显效果。 路由协议 Ｏｌｓｒｄ一０．５．６ ３．３路由协议选取 无线网卡 ＥＤＩＭＡＸＥＷ一７３１８ｇ 声卡采样率 ８（）００ 语音数据的网络传输延迟是实时语音最大的障 声卡量化位数 １６ 碍，也是ＭＡＮＥＴ中最为棘手的问题。而在ＭＡＮＥＴ 声道数 ２ 中的网络传输性能很大程度上决定于运行在该网络 语音数据编码 Ｇ．７２９Ａ 中的路由协议。因此ＭＡＮＥＴ路由协议 的选取直 硬件平台 海信上网本 接影响着系统实时性能的好坏。当前的ＭＡＮＥＴ路 由协议按照路由路径的搜索主要分为主动式和被动 式两种。其中，ＯＬＳＲ 足主动路由的代表，也是近 几年研究的热点，被认为更适合用来支持高实时性 要求的应用；被动路由协议中最著名的是ＡＯＤＶ ， 该协议开销较小，适合带宽较低的网络。下图是在 ＮＳ２下仿真在不同的发送数据速率下的网络传输延 一 迟。比较ＡＯＤＶ和ＯＬＳＲ在不同发送速率下的传输 延迟如图３所示。 图４低速实验场景图示 口 Ｓ ａ 图３ ＡＯＤＶ和ＯＬＳＲ在不同数据发送速率下的传输延迟 图３可以看出，ＯＬＳＲ协议的传输延迟要明显 。 ｑ ７ 低于ＡＯＤＶ，所以系统中采用ＯＬＳＲ做为路由层协 图５高速实验场景图示 议支持。 实验主要测试该系统的实时性和语音质量。为 ４实验 了不影响通话双方感官的实时性能，ＩＴＵ对通话的 实时性给出的建议指标如表３所示。 为了测试系统的各项性能指标，采用了以上网 表３语音通信中延迟对听感的影响 本为移动节点组成的移动实验平台进行实物实验。 语音延迟／ｍｓ 小于１５０ １５０～４００ 大于４ＯＯ 实验参数如表２所示。 听感影响 良好的沟通效果沟通效果下降无法正常沟通 实物实验采用了两种场景：低速移动场景和高速 （下转第４９页） ５期 陈伟等：直升机仿真模拟训练软件系统设计实现 ・４９・ 持在新航线上飞行。 负值，直升机低头；后拉杆时，俯仰角从负值变为正 可以看到直升机按照设定的航线飞行，飞越航 值，直升机抬头；当右压杆时，倾斜角从０变为正值， 程点后向新航线调整的响应过程合理、快速，证明了 直升机右倾；左压杆时，直升机左倾；当蹬左脚蹬时， 导航控制律的正确性。 航向角从０变为负值，直升机向左转弯；当蹬右脚蹬 ５．３驾驶训练 时，直升机向右转弯。整个响应过程与飞机的特性 驾驶员通过操纵台与驾驶杆驾驶直升机飞行， 相符，实现了在给定飞行状态点上模拟驾驶直升机 在速度３４ｍ／ｓ、高度３ｋｉｎ的飞行状态点上进行模拟 的功能。 训练。按下操纵台上的“俯仰”、“倾斜”和“航向” 按钮，接通三轴稳定状态，然后依次执行前推、后拉 ６结束语 驾驶杆，右压、左压驾驶杆，蹬右脚蹬、蹬左脚蹬动 介绍了直升机仿真模拟训练系统软件的设计实 作。相应直升机的飞行姿态角和航向角响应曲线如 现方法。通过对直升机控制律进行数字仿真检验， 图５所示 对导航控制过程和驾驶操纵过程的模拟，验证了系 统的功能。实际运行效果表明，系统达到了仿真和 模拟训练的基本设计要求。所设计的仿真模拟训练 软件系统，提供了一个虚拟的直升机驾驶平台，为直 升机控制律的验证、飞行品质检验和飞行员的地面 模拟训练创造了有利条件。 参考文献： ［１］ 杨丽，李光耀．城市仿真应用工具一Ｖｅｇａ软件教程 ；一 葶； ［Ｍ］．上海：同济大学出版社，２００７：１７９—２５７． 啊＿∞日■■■■■■■目目■■目日ｇ目∞目 ［２］ 易兆平，卢京潮，周志久．基于Ｖｅｇａ的直升机视景仿真 技术研究与实现［Ｊ］．计算机测量与控制，２００９，１７ （２）：３９６—３９８． ［３］王乘，周均清．Ｃｒｅａｔｏｒ可视化仿真建模技术［Ｍ］．武 汉：华中科技大学出版社，２００５：２１９—２３５． ［４］ 任哲．ＭＦＣ Ｗｉｎｄｏｗｓ应用程序设计［Ｍ］．北京：清华大 学出版社，２００４：３９—７７． 图５直升机的姿态角和航向角响应曲线 ［５］ 周鸣扬．ＧＤＩ＋程序设计实例［Ｍ］．北京：中国水利水 从图中可以看到，当前推杆时，俯仰角从０变为 电出版社，２００４：３１—５０． （上接第４０页） ２０１０（４）：４０． 语音质量是指重建语音的可懂度、自然度和清晰度， ［２］ 黄晓武．实时传输、控制协议（ＲＴＰ ＲＴＣＰ）分析［Ｊ］．福 即在语音回放过程中保证语音信号与音源处采集时 建电脑，２００３（１１）：７５． ［３］ 李振宇，李思敏．一种移动Ａｄ ｈｏｅ网络中实时语音通 保持相同的相位，能够清晰的听清语音内容。对此， 信方案的研究［Ｊ］．电子测量与仪器学报，２００９（５）： 通常用称为ＭＯＳ（平均评判得分，Ｍｅａｎ Ｏｐｉｎｉｏｎ ４Ｏ一４５． Ｓｃｏｒｅ）的主观尺度来衡量。 ［４］ 韩传久，刘亚军．ＩＰ网络的实时分组音频回放自适应 ５实验结果 算法［Ｊ］．桂林电子工业学院学报，２０００，２０（４）：２４— ２８． 在低速场景下测得的语音数据平均延时（包括 ［５］林世洪，王洪，郝建英．Ｉｎｔｅｍｅｔ环境下实时语音通信中 数据处理延时和网络传输延时）约为１３０ｍｓ，ＭＯＳ 的缓冲策略［Ｊ］．铁路计算机应用，２００３，１２（２）：４Ｏ一 ４２． 测试语音质量在４．０以上。高速移动场景中，由于 ［６］ 张鹏，崔勇．移动自组织网络路由选择算法研究进展 链路的稳定性降低，网络的传输延迟增加，平均延时 ［Ｊ］．计算机科学，２０１０（１）：１０—２２． 在１６０ｍｓ左右，ＭＯＳ测试的语音质量在３．８以上， ［７］Ｃｌａｕｓｅｎ Ｔ，Ｊａｃｑｕｅｔ Ｐ，Ａｄｊｉｈ Ｃ，ｅｔ ａ１．Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｌｉｎｋ ｓｔａｔｅ 能够满足实时语音通信的需求。 ｒｏｕｔｉｎｇ ｐｒｏｔｏｃｏｌ（ＯＬＳＲ）［Ｐ］．２００３． 参考文献： ［８］ Ｃ．Ｐｅｒｋｉｎｓ Ｅ Ｂ Ａ Ｓ．Ａｄ ｈｏｅ Ｏｎ—Ｄｅｍａｎｄ Ｄｉｓｔａｎｃｅ ［１］ 李扬．ＶｏＩＰ应用原理及识别技术研究［Ｊ］．民营科技， Ｖｅｃｔｏｒ（ＡＯＤＶ）Ｒｏｕｔｉｎｇ［Ｐ］．２００３．