2.4GHz数字电话网信令传输策略及实现

2019-11-03 09:08:37

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供稿：网友

常建刚孙勇谋王绍棣

（南京邮电学院计算机科学与技术系南京210003）　　摘要 2.4GHz数字无绳电话网通信环境恶劣，信令传输的可靠性尤为重要。提出可靠的信令传输策略，并在时分双工的链路上实现。

　　关键词信令传输时分双工 ARQ

1 引言

　　2.4GHz数字无绳电话网是有线电话网的无线延伸。2.4GHz频段是世界通用的ISM（Industry Science Medicine）频段，无需授权使用，且具有相当的覆盖范围和墙体穿透能力。数字扩频和加密技术增强了通信的稳定性和保密性。内部通话、呼叫转移、三方通话等，便利、实惠的网络功能使其在SOHO（Small Office and Home Office）有着广泛的应用前景。无绳电话网也是当前崛起的短距离无线通信的典型一例，是向最终实现移动网络和个人通信迈出的成功一步。

　　但无线通信误码率高、可用性差，并且有切换和连接中断等问题；2.4GHz频段作为公用频段更易受到干扰，因而信令传输的可靠性尤为重要。本文根据无绳电话网信令在特定应用中的特点，借鉴有线局域网协议，从多方面采取策略保证信令传输的可靠性，并在时分双工的链路上实现。

2 2.4GHz无绳电话网的网络拓扑和协议栈

　　无绳电话网是有基础构架的无线网络。座机通过电话线连接外部有线电话网，也是手机的AP（access Point）；同时它也是无中心网络，即各站点（包括手机和座机）可通过无线方式独立地相互通信, 而无需经过交换局或本地交换设备。

　　无线电话网通信分为两个阶段：呼叫阶段和通话阶段。呼叫时，链路是单向的，信令沿共享信道广播到其他各站点。通话阶段，两点之间建立双向连接，形成点到点的通信方式，不存在网络路由问题，从OSI模型角度，通信协议栈主要由应用层、数据链路层和物理层构成。

　　整个网络是通过随入信令实现控制的，控制信息在链路层打包。

　　帧同步序列（PR）：使接收方更好地处理多径传播引起的码间干扰。

　　网络标志（NID）：区分两个无绳电话网的标志，相互通信的双方必须具有相同的网络标志，否则无法正确接收。

　　帧类型（FT）：分为三种帧类型，即ABF (Acqusition Burst Frame)、EBF(Empty Burst Frame)、DBF (Data Burst Frame)。ABF和EBF用于建立通信链接，而DBF用于传输数据。

　　信令（COMM）：发送给通信对方的控制命令和数据，以及网内的广播、多播、单播的控制。

　　数据（DATA）：处理过的语音数据或填充信息。信令和数据都包含奇偶校验信息。

3 通信链路的建立和维护

　　无绳电话网中各站点（包括座机和手机）均有三种工作模式：主模式（Master Mode）、从模式（Slave Mode）、监听模式（Listening Mode）。主模式的站点通过发送ABF发起通信，其他站点处在监听模式时，只接收不发送。当转为从模式，则予以响应，和主站点建立通信链路。各站点采用时分双工的方式在半双工的链路上仿真全双工通信。每个帧期，通信一方处于空闲或接收状态，每个发送帧或接收帧末，都有一定的时隙。在时隙期，系统一方面要切换射频（RF，Radio Frequency）的发送或接收频率；另一方面要处理来自应用层和MAC层的状态信息和控制信令。当然，通信链路的畅通是传输信令和语音数据的前提。

3.1 通信链路的建立

　　通信链路的建立首先由处于主模式的站点通过发送ABF发起，其他的工作站收到后，若从监听模式转换为从模式，则发送ABF响应。接着主站发送EBF，从站响应EBF，从而在通信站点之间建立双向连接。3.2 通信链路的维护

　　无线链路断链的可能性比较大。断链的处理措施必不可少：

　　（1）当链路断开，一方无法接收到正确的数据帧（DBF）时，并不是马上开始重新建立连接，而是设置粘连计数器（Sticky Count）。当错误帧数不大于粘连计数器的设定值时，继续发送DBF；当超过设定值时，主模式站点重新发送ABF,请求再次建立连接。

　　（2）在规定的时间内没有建立连接，则双方分别按一定的规律切换到新的信道上，工作模式不改变。

　　（3）在规定的时间内还没有建立连接，则主模式切换到从模式、从模式切换到主模式再次发起建链。最终，或者成功建链或者放弃建链。

4 2.4GHz无绳电话网的信令传输

　　信令控制着各站点响铃、来电、接通外线等功能的实现，负责网中正常的通信。呼叫过程和通话过程都要有信令的传输，情况却不相同。

4.1 呼叫阶段的信令传输

　　呼叫阶段，主站向本网内的其他站点广播或多播呼叫信令。由于其他站点都处在监听模式并不响应，即通信链路是单向的。

　　呼叫信令实时性强，因而要放宽接收的限制。为扩大容错性，采用模糊匹配的方法，即把接收到的信令和本地信令真值按比特匹配。若错误的比特数小于容错门限，则认为接收到的是正确的信令，否则判定为无效信令。为提高到达的可靠性，采用重复广播的方式。设定信令的生存期TTL（Time To Live）为Ｎ（Ｎ≥2），即主站把同一信令发送Ｎ次。每发送一次，就将TTL减1，直到TTL为0。当然，信令重复发送也会使接收方接收到重复的、冗余的信令。

4.2 通话阶段信令的传输

　　由于信令的数据量小，通信状态下的信令交互采取简化的停止等待协议和ARQ（Automaktic Repeat reQuest）机制。当接收方判别接收到的信令正确时，只是简单地回复响应帧ACK，省去序列的确认。信令的接收分为单字节和双字节两种情况。单字节信令在信令域中存放重复的两个。接收方比较此两个字节，若相等则认为接收正确；否则，认为是非法信令。对于双字节信令，接收方把第一次接收的保存，并和第二次接收的信令相比较。若相等，则认为接收正确；否则，认为是非法信令。

　　信令传输有两种异常情况：一是如果接收方未正确收到信令，则不响应ACK，那么发送方会重发信令。为防止无限次重发，设定信令的生存期TTL。超过TTL，发送方就放弃发送，交给应用层处理；另一种是如果发送方未正确接收到ACK，那么发送方也会重发信令，造成信令的重复接收。

　　不论呼叫阶段或通话阶段，接收方都有可能收到重复的信令。我们把信令分为两类处理。

　　（1）信令是单纯控制信令，不携带数据。由于应用层在不同的状态下所要接收的信令是不同的有限集合，并且在某一应用状态收到此类信令必然跳转到另一应用状态，接收信令集也相应随之改变。因此，应用层若发现所接收的此类信令不在本状态对应的信令集合内，则沉默消除（Silent Discard）即可。例如当接收方已在非响铃状态接收到响铃信令RING_ON，就进入响铃状态。此时RING_ON已不在响铃状态下的信令接收集中。若继续收到RING_ON就消除它。

　　（2）信令不是单纯控制信令，携带有数据。发送站为每个数据打上标签。当接收方已收到标签为X的数据，其期望接收数据的标签为X+1；若收到的数据标签不为X+1（可能和上次的数据重复或要接收的数据已丢失），则将数据沉默消除。

5 信令传输协议的实现

　　无绳电话的信令控制系统是其嵌入式操作系统的一部分，本文由于MCU的要求，用汇编语言实现。由于采用时分双工的机制，因而在发送帧末和接收帧末各有不同的信令处理操作，在发送帧末时隙发送广播命令。在接收帧末的时隙处理广播接收和通话时的信令传输，此时关键的处理在于下一发送帧要发送的信令是取决于本接收帧所接收的信令。

6 结束语

　　2.4GHz数字扩频无绳电话局域网正悄然兴起，但短距离无线通信的恶劣通信环境却使信令的可靠传输成为难点。本文根据无绳电话在特定的状态下，所接收的信令有限、无重复等特点，参照有线网络的传输协议，从应用层和链路层采取多种机制来保证信令的可靠性传输。开发的产品在应用中证明，采用上述策略建立的无绳电话网，信令传输具有相当的可靠性。当然，从各种无线网络到最终实现个人通信还有很多难题有待解决。

----《中国数据通信》