在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙PSTN電話網(wǎng)關(guān)

【摘　要】　介紹了在PC機(jī)上通過外圍電路實(shí)現(xiàn)的藍(lán)牙電話網(wǎng)關(guān)的總體結(jié)構(gòu)，比較詳細(xì)地介紹了其軟硬件結(jié)構(gòu)，并對該方案的不足提出了改進(jìn)。
??? 關(guān)鍵詞：藍(lán)牙 市話網(wǎng) 網(wǎng)關(guān) 物理鏈路 邏輯鏈路
　
1　藍(lán)牙PSTN電話網(wǎng)關(guān)簡介
1．1 藍(lán)牙技術(shù)簡介
　　藍(lán)牙技術(shù)的目標(biāo)是提供一種通用的無線接口標(biāo)準(zhǔn)，用無線信道取代傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中錯(cuò)綜復(fù)雜的電纜，在藍(lán)牙設(shè)備間實(shí)現(xiàn)方便快捷、靈活、安全、低成本、低功耗的數(shù)據(jù)和話音通信。Bluetooth設(shè)備工作在2．4GHz的ISM（Industrial，Science and Medicine）頻段。在1．0版本的標(biāo)準(zhǔn)中，Bluetooth的基帶符號(hào)速率為1Mbps。Bluetooth支持64kb/s的實(shí)時(shí)語音傳輸和各種速率的數(shù)據(jù)傳輸 ，語音編碼采用對數(shù)PCM或連續(xù)可變斜率增量調(diào)制（ContinuousVariable Slope Delta Modulation，CVSD）。語音和數(shù)據(jù)可單獨(dú)或同時(shí)傳輸。當(dāng)僅傳輸語音時(shí)，Bluetooth設(shè)備最多可同時(shí)支持3路全雙工的話音通信。
1．2 藍(lán)牙電話網(wǎng)關(guān)簡介
??? 在藍(lán)牙的各種應(yīng)用中，“三合一電話”無疑是令人興奮的一種。擁有“三合一電話”的用戶 ，能夠做到：在戶內(nèi)使用只需繳納固定電話費(fèi)，在戶外就象用普通的手機(jī)一樣，在辦公室等場合下 ，能使用企業(yè)內(nèi)部的電話網(wǎng)絡(luò)而無需付費(fèi)。但是“三合一電話”要實(shí)現(xiàn)上述功能，只靠自身的藍(lán)牙功能是做不到的，它還需要藍(lán)牙電話網(wǎng)關(guān)的支持。如圖1所示，藍(lán)牙PSTN（Public Switched Telephone Network）電話網(wǎng)關(guān)為帶有藍(lán)牙電話功能的終端提供了一種與固定電話網(wǎng)連接的新的短距離接入方式。帶有藍(lán)牙電話功能的終端可以是簡單的無繩電話也可以是個(gè)人電腦中的無繩調(diào)制解調(diào)器等設(shè)備。
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　　從功能上講，藍(lán)牙PSTN網(wǎng)關(guān)主要是藍(lán)牙TCS(Telephony Control Specification)信令與PSTN信令之間的接口。它負(fù)責(zé)把接收到的由藍(lán)牙無繩終端發(fā)出的TCS信令轉(zhuǎn)換為PSTN網(wǎng)能夠識(shí)別的DTMF(Dual Tone Multi－ Frequency)信令，當(dāng)然還包括語音的傳遞。具體地說，它可以把外部PSTN網(wǎng)用戶打來的電話轉(zhuǎn)移到有效范圍內(nèi)的藍(lán)牙無繩終端上，也可以把有效范圍內(nèi)的藍(lán)牙無繩終端對PSTN網(wǎng)用戶的呼叫請求發(fā)向PSTN網(wǎng) 。
2　藍(lán)牙PSTN電話網(wǎng)關(guān)的總體設(shè)計(jì)方案
2．1　藍(lán)牙PSTN電話網(wǎng)關(guān)上的軟件
　　作為藍(lán)牙協(xié)議中規(guī)定好的一種應(yīng)用，藍(lán)牙PSTN電話網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)中的軟件棧必須符合藍(lán)牙協(xié)議中的要求，也就是要符合藍(lán)牙PSTN電話網(wǎng)關(guān)應(yīng)用模型的要求。
　　應(yīng)用模型是藍(lán)牙協(xié)議為各種應(yīng)用提供的解決方案，它由藍(lán)牙協(xié)議棧的縱向切分組成，是符合藍(lán)牙規(guī)范的各種應(yīng)用互通的基礎(chǔ)。每個(gè)應(yīng)用模型都要通過相應(yīng)的協(xié)議層的組合才能完成其功能，每個(gè)藍(lán)牙設(shè)備都支持一種或多種應(yīng)用模型。藍(lán)牙SIG定義了四個(gè)通用的應(yīng)用模型作為其他具體應(yīng)用模型的基礎(chǔ)：通用訪問模型，串口模型 ，服務(wù)發(fā)現(xiàn)模型和通用對象交換模型。一個(gè)具體的應(yīng)用通常受到與之相關(guān)的若干模型的限制 。
　　根據(jù)藍(lán)牙協(xié)議，藍(lán)牙PSTN網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用模型建立在通用訪問模型與服務(wù)發(fā)現(xiàn)模型之上。該應(yīng)用模型定義了“三合一電話”的各部分間協(xié)同工作的要求及過程。該應(yīng)用模型包括下列層：藍(lán)牙基帶、鏈路管理協(xié)議、L2CAP、服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議、電話控制信令、以及通用訪問模型。
2．2　藍(lán)牙PSTN電話網(wǎng)關(guān)上的硬件
??? PSTN電話網(wǎng)關(guān)上的硬件主要由一臺(tái)PC機(jī)、一塊愛立信EBSK（Ericsson Bluetooth Starter Kit）和電話語音接收與撥叫電路三部分組成，如圖2所示。下面分別簡單地介紹一下這三個(gè)部分的功能。
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　　藍(lán)牙EBSK模塊包括藍(lán)牙射頻電路以及基帶處理電路。該模塊提供了RS232串行口以及PCM(Pulse－Ampl itude Modulation）碼流口。各種控制信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)都通過串行口傳遞。語音信號(hào)則通過專用的PCM碼流口傳遞。PC機(jī)把藍(lán)牙模塊使用射頻電路、基帶處理電路接收到的數(shù)據(jù)通過協(xié)議棧解釋為摘機(jī)、掛機(jī)、撥號(hào)等命令并通過數(shù)據(jù)線控制電話語音接收與撥叫電路的各種操作 。PSTN市話網(wǎng)用戶線與電話語音接收與撥叫電路連接。電話語音接收與撥叫電路則把外部PSTN電話網(wǎng)的振鈴信號(hào)通過數(shù)據(jù)線傳遞給PC機(jī)，PC機(jī)再把該信號(hào)通過藍(lán)牙軟件棧打成數(shù)據(jù)包并送給藍(lán)牙模塊，由藍(lán)牙模塊發(fā)射出去。語音通路則由電話語音接收與撥叫電路的耳機(jī)、麥克風(fēng)接口經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換與PCM語音編碼器相連。所得PCM碼流直接送入藍(lán)牙模塊由其發(fā)射給語音終端。同樣，所需PCM碼流也直接由藍(lán)牙EBSK模塊提供。
3　軟件協(xié)議體系
??? 我們可以從圖3看到，藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)軟件體系包括幾個(gè)層次。他們分別是TCS，SDP（Service Discovery Pr otocol），ME（Management Entity），L2CAP（Logical Link Control and Adaptation Protocol），HCI（HostControlInterface）以及應(yīng)用層。下面將分別介紹這些層次 。
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3．1　應(yīng)用層
3．1．1　結(jié)構(gòu)定義
　　該應(yīng)用模型定義了以下兩個(gè)設(shè)備：網(wǎng)關(guān)（GW）和終端（TL）。從外部電話網(wǎng)的角度來看，網(wǎng)關(guān)是一個(gè)終端，處理各種與外部網(wǎng)絡(luò)之間的相互操作，如向外部網(wǎng)絡(luò)發(fā)送呼叫請求或接收外部網(wǎng)絡(luò)的呼叫請求。該網(wǎng)關(guān)可以是PSTN家庭網(wǎng)關(guān)、ISDN家庭網(wǎng)關(guān)、GSM網(wǎng)關(guān)、衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)以及H．323網(wǎng)關(guān) 。終端指無線用戶終端。它可以是無繩電話、蜂窩／無繩雙模電話或PC機(jī)。無繩電話應(yīng)用模型支持一個(gè)網(wǎng)關(guān)及少量終端（≤7）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
3．1．2　用戶需求
　　該應(yīng)用模型應(yīng)滿足下列需求：用TL向外部網(wǎng)絡(luò)用戶打電話；接聽由外部網(wǎng)絡(luò)用戶打來的電話 ；內(nèi)部兩TL間直接通話；使用外部網(wǎng)絡(luò)提供的輔助服務(wù)。
3．1．3　應(yīng)用模型基本原理
　　在無繩電話應(yīng)用模型中，網(wǎng)關(guān)通常是微微網(wǎng)的主機(jī)。作為主機(jī)，網(wǎng)關(guān)將控制終端的電源模式并向終端廣播信息。
　　網(wǎng)關(guān)有效范圍外的終端通過周期的呼叫信息來搜索網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)必須盡可能多地掃描呼叫以盡快發(fā)現(xiàn)進(jìn)入有效范圍的遠(yuǎn)程終端。這種方案降低了電磁污染并提供合理的進(jìn)入網(wǎng)關(guān)有效范圍時(shí)的訪問時(shí)間。當(dāng)終端成功地呼叫了網(wǎng)關(guān)后必須執(zhí)行主從切換操作，因?yàn)榫W(wǎng)關(guān)必須是主機(jī)。至此，一個(gè)面向連接的L2CAP信道或面向無連接的L2CAP信道已經(jīng)建立，并被用來在無繩電話通話期傳輸所有TCS信令。
　　處于網(wǎng)關(guān)有效范圍之內(nèi)但當(dāng)前不用的終端必須處于休眠模式。該模式下電源是打開的，在需要時(shí)能提供合理的呼叫建立時(shí)間，并允許向附屬終端（如果存在的話）廣播信息。
　　當(dāng)有電話打入或終端欲向外撥打電話時(shí)，網(wǎng)關(guān)必須進(jìn)入激活狀態(tài)。所有的TCS控制信令由L2CAP信道傳輸，而話音由SCO（SynchronousConnection－Oriented）鏈路傳輸。
　　為了安全，網(wǎng)關(guān)及終端要進(jìn)行身份認(rèn)證。為了便于在無線設(shè)備間可靠地傳輸信息，使用了WUG（Wirel ess User Group）概念。網(wǎng)關(guān)通常用作WUG主機(jī)。
　　應(yīng)用層應(yīng)當(dāng)管理三個(gè)層次上的連接，分別是：物理鏈路的連接，邏輯鏈路上的連接以及應(yīng)用連接。在協(xié)議中規(guī)定了在PSTN網(wǎng)關(guān)應(yīng)用中必須符合安全模式3或安全模式2中的一個(gè)。其中安全模式3是建立在物理鏈路上的安全機(jī)制，而安全模式2則是建立在邏輯鏈路上的安全機(jī)制。在建立邏輯鏈路之前，語音終端必須運(yùn)用SDP對周圍的藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行服務(wù)發(fā)現(xiàn)以便找到PSTN電話網(wǎng)關(guān)。在建立好邏輯鏈路后，網(wǎng)關(guān)將在邏輯鏈路上使用TCS層來與語音終端進(jìn)行一系列的信息交互，以便建立好應(yīng)用層的連接。
3．2　物理鏈路建立過程
　　我們在設(shè)計(jì)PSTN電話網(wǎng)關(guān)時(shí)選擇了安全模式3，也就是說在建立物理鏈路時(shí)進(jìn)行鑒權(quán)過程。這需要電話網(wǎng)關(guān)和語音終端在首次建立連接時(shí)在基帶進(jìn)行配對，并要求語音終端符合電話網(wǎng)關(guān)所要求的PIN碼。
　　支持多終端的網(wǎng)關(guān)必須始終是微微網(wǎng)的主機(jī)。這樣的網(wǎng)關(guān)在有終端接入時(shí)要發(fā)出主從切換請求。如果終端拒絕請求，那么網(wǎng)關(guān)將不與其建立連接。因此不接受主從切換請求的終端不能獲得任何網(wǎng)關(guān)的服務(wù)。
　　網(wǎng)關(guān)在決定把各終端置于何種電源模式時(shí)應(yīng)非常保守。也即當(dāng)一個(gè)終端不傳輸信號(hào)時(shí)，網(wǎng)關(guān)應(yīng)把它置于節(jié)電模式。推薦使用的節(jié)電模式是休眠模式。但休眠時(shí)必須選擇恰當(dāng)?shù)墓?jié)電模式參數(shù) ，以便能在300ms之內(nèi)使終端回到工作狀態(tài)。
　　當(dāng)網(wǎng)關(guān)不支持休眠模式時(shí)，就由終端來決定在無呼叫時(shí)如何處理鏈路：維持工作狀態(tài)或者釋放鏈路。鏈路被釋放后，主從兩端都應(yīng)能在需要的時(shí)候重建鏈路。在這種情況下，當(dāng)不存在有效鏈路時(shí)，主從兩端都應(yīng)處于呼叫掃描狀態(tài)。
　　如果網(wǎng)關(guān)在呼叫過程中能節(jié)電，那么它可以使用監(jiān)聽狀態(tài)。終端也能被要求進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)。
3．3 服務(wù)發(fā)現(xiàn)過程
　　在建立好物理鏈路后，就開始進(jìn)入SDP過程。下面簡單地介紹一下這個(gè)過程。
　　服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議工作于L2CAP上，使用L2CAP提供的基于連接的工作方式。它可劃分為兩個(gè)部分 ，如圖4所示。圖中服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議客戶端部分和服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議服務(wù)器端部分是在不同藍(lán)牙設(shè)備上工作的。需要請求服務(wù)的藍(lán)牙設(shè)備運(yùn)行服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議客戶端部分，提供服務(wù)的藍(lán)牙設(shè)備運(yùn)行服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議服務(wù)器端部分。一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備視其情況可同時(shí)含有服務(wù)器端部分和客戶端部分。在客戶端，客戶端應(yīng)用程序發(fā)出服務(wù)發(fā)現(xiàn)請求。在服務(wù)器端，服務(wù)器端應(yīng)用程序?qū)⑵涓黜?xiàng)服務(wù)屬性注冊到服務(wù)器中。服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議根據(jù)服務(wù)類型來尋找服務(wù)，即一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備A通過告訴另一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備B它想要找的服務(wù)類型來讓設(shè)備B將滿足要求的服務(wù)記錄返回給設(shè)備A。接著，設(shè)備A在返回的服務(wù)記錄中找出有用的信息。在藍(lán)牙PSTN電話網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用中，網(wǎng)關(guān)作為SDP中的服務(wù)器端上層的應(yīng)用，需要在初始化的時(shí)候就將協(xié)議中規(guī)定好的服務(wù)屬性注冊到SDP服務(wù)器中去。終端可以在建立邏輯鏈路之前通過SDP過程來發(fā)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)所提供的服務(wù)并與之建立邏輯鏈路。
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3．4 邏輯鏈路建立過程
　　在終端通過TCS建立與網(wǎng)關(guān)之間的應(yīng)用層面上的連接之前，應(yīng)當(dāng)先配置鏈路并建立、配置TCS－BIN過程中傳輸信號(hào)用的L2CAP連接。只有通過身份驗(yàn)證的終端才能與網(wǎng)關(guān)連接。為了避免呼叫建立以及接收廣播信息時(shí)的過長的時(shí)延，當(dāng)終端進(jìn)入網(wǎng)關(guān)的有效區(qū)間時(shí)就與網(wǎng)關(guān)建立邏輯鏈路信道，并一直維持直到失去鏈路或終端關(guān)機(jī)。邏輯鏈路連接會(huì)在使用過后空閑很長時(shí)間。
　　該應(yīng)用模型用到了面向連接的信道以及面向無連接的信道。網(wǎng)關(guān)用面向無連接的信道向各語音終端廣播信息。只有風(fēng)關(guān)可以使用無連接信道來發(fā)送信息。使用邏輯鏈路無連接信道要滿足藍(lán)牙安全性體系結(jié)構(gòu)白皮書的規(guī)定。在該應(yīng)用模型中只有語音終端可以發(fā)起建立面向連接的信道。當(dāng)與網(wǎng)關(guān)連接時(shí)，終端必須在連接請求包的PSM域中使用值0x0007（TCS－BIN－CORDLESS）。下面我們對TCS進(jìn)行簡單的介紹。
3．5 電話控制信令（TCS）及其分析
　　藍(lán)牙TCS（Telephony Control Specification）協(xié)議定義了藍(lán)牙設(shè)備之間建立語音和數(shù)據(jù)呼叫所需的呼叫控制信令，以及用于管理帶語音功能的藍(lán)牙設(shè)備的控制過程。
　　TCS協(xié)議基于ITU－TQ．931建議，采納了其中對等呼叫的部分，即在藍(lán)牙TCS設(shè)備中，僅僅區(qū)分呼叫方（發(fā)起呼叫）和呼入方（結(jié)束呼叫）。TCS協(xié)議分為三個(gè)功能塊（如圖5所示）。圖5中，CC—Call Contr ol，呼叫控制；GM—Group Management，組管理；CL—Connectionless TCS，無連接TCS。其中，呼叫控制用于建立和釋放語音或數(shù)據(jù)呼叫的控制信令；組管理指管理一組TCS設(shè)備的控制過程；無連接的TCS用于交換信令信息，該信息與當(dāng)前正在進(jìn)行的呼叫無關(guān)。
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　　TCS設(shè)備存在兩種基本操作，一種是點(diǎn)對點(diǎn)呼叫控制，另一種是點(diǎn)對多點(diǎn)呼叫控制。前者用于被呼叫方已知的情況，并且使用面向連接的L2CAP信道；后者用于不能明確確定被呼叫方的情況，如當(dāng)有外部呼叫呼入時(shí)，交換機(jī)需要通知有效范圍內(nèi)的所有TCS設(shè)備，以進(jìn)一步確定被呼叫方。點(diǎn)對多點(diǎn)控制信令只能使用面向無連接的L2CAP信道。
　　TCS設(shè)備支持同時(shí)存在多個(gè)呼叫，各呼叫實(shí)例可以用所承載的L2CAP信道的ID號(hào)加以區(qū)別。
4 測試結(jié)果及改進(jìn)方案
　　我們使用上述網(wǎng)關(guān)及手機(jī)實(shí)現(xiàn)了手機(jī)與外部PSTN網(wǎng)用戶的互通。包括相互的呼叫、接聽以及無人應(yīng)答時(shí)的處理。經(jīng)實(shí)測當(dāng)手機(jī)與網(wǎng)關(guān)間距在六米以內(nèi)時(shí)通話質(zhì)量相當(dāng)好，語音清晰無失真感 。當(dāng)間距大于六米時(shí)，語音會(huì)有抖動(dòng)。這是因?yàn)楫?dāng)距離增加時(shí)傳輸?shù)恼`碼率增加，從而導(dǎo)致了語音的斷斷續(xù)續(xù)，主觀聽覺上就覺得抖動(dòng)。這是因?yàn)樗盟{(lán)牙模塊只支持1毫瓦的發(fā)射功率，如果使用較大功率的藍(lán)牙模塊可以改善這一現(xiàn)象。
　　另外，網(wǎng)關(guān)的側(cè)音較大，這是因?yàn)閭?cè)音放大器的輸出電阻的阻值尚未調(diào)整到最佳。進(jìn)一步調(diào)整阻值有望減小側(cè)音。網(wǎng)關(guān)受外界的電磁干擾比較嚴(yán)重。這是因?yàn)檎Z音輸入部分的印刷電路走線不太合理，在下一個(gè)版本中改進(jìn)走線可以改善這一現(xiàn)象。

　

1　http：//www．bluetooth．com．BSIG，Specification of the Bluetooth System（Core），Version 1．0B．1999，12
2　http：//www．bluetooth．com．BSIG，Specification of the Bluetooth System（Profile），Versi on1．0B．1999，12