CN101127537B

CN101127537B - 基于蓝牙技术的多跳语音传输方法

Info

Publication number: CN101127537B
Application number: CN2007101332288A
Authority: CN
Inventors: 沈连丰; 张剑; 宋铁成; 夏玮玮; 胡静; 许波
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2007-09-30
Filing date: 2007-09-30
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2027-09-30
Also published as: CN101127537A

Abstract

基于蓝牙技术的多跳语音传输方法是一种用于拓展蓝牙应用范围的方法，属于区域性无线互联通信技术领域。本发明基于开源的蓝牙协议栈BlueZ，提出了一种分布式、无环路由、按需驱动以及承载IP的蓝牙多跳链路的实现方案，并设计了一种适于在蓝牙逻辑链路控制与适配层实现的分布式路径发现算法，同时，结合语音处理与传输技术，提出了一种在蓝牙多跳链路上实现双向语音通信的方法。本发明大大增加了蓝牙的通信距离，在有障碍物存在的情况下，可以通过增加蓝牙通信节点来解决通信障碍问题；同时，本发明增加了蓝牙承载语音的链路数目，每个蓝牙最多可支持7条激活的IP语音链路，而且可以进行语音的组播与广播；另外，由于蓝牙多跳链路能承载IP，可以与其他IP网络进行融合。

Description

基于蓝牙技术的多跳语音传输方法

技术领域

本发明是一种用于拓展蓝牙应用范围的方法，属于区域性无线互联通信技术领域。

背景技术

蓝牙是一种短距离无线通信技术，用于替代数字设备和计算机外设间的电缆连线以及实现数字设备间的无线组网。蓝牙的设计初衷是利用一种小型化、低成本和微功率的无线通信技术来构造一种个域网(Personal Area Network，PAN)，以使PAN覆盖范围内各种移动或固定设备都能实现资源共享。

为了更好地推广应用蓝牙技术，1998年爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔成立了蓝牙特别专业组(Special Interesting Group，SIG)，负责制定蓝牙规范。蓝牙设备工作在2.4GHz的工科医(Industry Science Medicine，ISM)频段，使用79频道，间隔均为1MHz；采用时分双工(Time Division Duplex，TDD)方式；调制方式为BT＝0.5的高斯频移键控(Gaussian Frequency ShiftKeying，GFSK)，调制指数为0.28~0.35；最大发射功率分为三个等级，分别是：100mW(20dBm)，2.5mW(4dBm)和1mW(0dBm)，在4~20dBm范围内要求采用功率控制，由此可见，蓝牙支持的标准通信距离为10~100米，但配置射频功率放大器可以将通信距离进一步放大。蓝牙基带提供两种物理连接：同步面向连接(Synchronous Connection Oriented，SCO)和异步无连接(AsynchronousConnection-less，ACL)。ACL适用于数据分组，SCO适用于话音分组。一个蓝牙节点最多可以支持7条激活的ACL链路或3条激活的SCO链路。另外，蓝牙技术使用跳频技术，使得蓝牙通信具有足够高的抗干扰能力。

在组网方面，蓝牙基本的组网形式是微微网(Piconet)。在一个Piconet中，只能有一个主设备，最多有7个处于活跃模式的从设备，此外还可以有最多255个处于非活跃模式的从设备。一个设备可以是某个Piconet的成员，也可以同时是多个Piconet的成员，当两个或多个Piconet相互连接通信时，就构成了散射网(Scatternet)。所有Piconet需要遵循的原则，在Scatternet中同样适用，即每个Piconet都有一个主设备和若干个处于活动或休眠的从设备，每个Piconet的跳频序列由主设备决定。通过时分的方式与周围的主设备保持同步与连接，一个蓝牙设备可以同时成为多个Piconet的从设备。当然，一个蓝牙设备可以在一个Piconet中作为主设备的同时，在另一个Piconet中作为从设备。由此可见，Scatternet的拓扑结构与网络组织都非常灵活。

为了使蓝牙设备在组网和交换信息方面具有互操作性，蓝牙SIG根据IEEE802.3/Ether-net定义了蓝牙网络封装协议(Bluetooth Network EncapsulationProtocol，BNEP)。BNEP被定义在逻辑链路控制和适配协议层(Logical LinkControl and Adaptation Protocol，L2CAP)之上，它对上层IP协议提供了类似于以太网的接口。BNEP主要实现了两种功能：一是对网络层数据包的封装；二是对两个BNEP实体间交换控制信息提供支持。BNEP定义了三种控制功能：连接建立、网络协议类型过滤、多播地址过滤。两个BNEP对等实体只有在建立了连接之后才能利用BNEP相互通信，两个设备之间只能有一条BNEP链路，建立BNEP连接的过程实际上就是一个请求，一个应答。当建立了连接之后还可以对已经建立的链路进行配置，配置网络协议类型和多播地址过滤。前者是协商在BNEP链路上可以支持那些网络层协议，后者是协商哪些多播地址可以在这条链路上使用。当通信完成后，通信双方需断开连接。本发明内容中的蓝牙多跳链路就是采用BNEP组建的。

目前，蓝牙在实际应用中存在如下限制：

①蓝牙传输距离受限。在背景技术部分已提到过，蓝牙在不外接射频功率放大器的情况下，支持的最大功率为100mW(20dBm)，其标准的传输距离为100米。在有障碍物存在的情况下，蓝牙的传输距离与传输速率都会大大下降，甚至可能无法通信。

②蓝牙承载的语音链路数目受限。理论上，每个蓝牙最多可支持3条激活的SCO语音链路。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于蓝牙技术的多跳语音传输方法以克服蓝牙在实际应用中的限制。

①通过组建蓝牙多跳链路，大大增加蓝牙的通信距离，在有障碍物存在的情况下，可以增加蓝牙通信节点来解决通信障碍问题。

②通过采用语音处理与传输技术，使得每个蓝牙最多可支持7条激活的IP语音链路。

技术方案：本发明的基于蓝牙技术的多跳语音传输方法主要包含两个内容：一是通过采用BNEP组建能承载IP的蓝牙多跳链路；二是通过采用语音处理与传输技术在蓝牙多跳链路上传输语音。

1.该方法是采用蓝牙组建多跳链路并在此多跳链路上传输语音，具体实现包括以下步骤并按所述顺序进行：

①设备初始化：包含蓝牙设备的启动与蓝牙协议栈模块的加载；

②邻居发现：利用蓝牙查询功能查找周围设备的蓝牙地址并将其保存在本地的邻居表中，同时在后台运行邻居表维护进程，对邻居表中的邻居信息进行定期更新；

③路径发现：利用蓝牙逻辑链路控制与适配层的广播功能，寻找一条从主叫方到被叫方的通信路径，并在后台运行路由表维护进程，对路由表进行定期整理与更新；

④蓝牙多跳链路建立：根据上述步骤③所发现的路径，从被叫方到主叫方建立一条能承载IP的蓝牙多跳链路，并在后台运行链路维护进程；

⑥语音通信：属于上层应用，主叫方与被叫方之间进行双向语音通信；

⑦蓝牙多跳链路断开：当主叫方或被叫方要求断开通信链路时，从主叫方到被叫方或从被叫方到主叫方，根据通信链路中各节点路由表中的路由信息依次断开连接，并终止后台运行的链路维护进程。

2.组建蓝牙多跳链路时，采用一种适于在蓝牙逻辑链路控制与适配层实现的分布式路径发现算法，该算法描述如下：

21)如果本地节点作为源节点即主叫方发起建链请求，则转至步骤22)，否则转至23)；

22)源节点将建链请求帧广播给各邻居节点，并在本地路由表中添加相应的路由项，转至23)；

23)处于等待状态，如果接收到建链请求帧，则转至24)；

24)本地节点解析接收到的建链请求帧，首先，搜索路由表，如果在路由表中已存在相应的路由项，则比较累计跳数，如果收到的建链请求帧中的累计跳数大于等于已存路由项中的累计路由，则转至26)，否则更新相应的路由项；其次，如果本地节点就是目的节点即被叫方，则转至27)；最后，如果累计跳数达到x，则转至26)，否则，转至25)；

25)本地节点将接收到的建链请求帧中的本地蓝牙地址项修改为本地的蓝牙地址，将累计跳数加1，将本地的部分邻居即不同于接收到的建链请求帧中的邻居个数累加到扩展地址个数中，将本地的部分邻居地址即不同于接收到的建链请求帧中的邻居添加在建链请求帧最后，然后，广播修改后的建链请求帧至本地的部分邻居即不同于接收到的建链请求帧中的邻居，并在路由表中添加或修改相应的路由项，转至23)；

26)丢弃该建链请求帧，转至23)；

27)路径发现完成，调用链路建立进程在后台运行，转至23)。

3.在蓝牙多跳链路上，主叫方发送语音信息或被叫方发送语音信息，具体实现包括以下步骤并按所述顺序进行：

31)语音数字化：通过模/数转化将模拟语音转化为数字语音，并进行基本的语音编码；

32)语音压缩：根据音频压缩与解压缩的标准，将输出的数字语音进行压缩；

33)语音发送：采用实时传输/实时传输控制协议实现语音发送。

4.在蓝牙多跳链路上，被叫方接收语音信息或主叫方接收语音信息，具体实现包括以下步骤并按所述顺序进行：

41)语音接收：采用实时传输/实时传输控制协议实现语音接收；

42)语音解压缩：根据音频压缩与解压缩的标准，将输出的数字语音进行解压缩；

43)语音播放：通过数/模转化，将步骤42)输出的数字语音转化为模拟语音输出。

为了实现主叫方与被叫方之间的双向语音通信，主叫方与被叫方可以分别运行两个进程(一个发送进程与一个接收进程)，如图7所示。

由于RTP/RTCP支持组播与广播功能，在蓝牙多跳链路上还可以进行语音的组播与广播。

有益效果：本发明具有以下优点：

①增加了蓝牙的通信距离，拓展了蓝牙的应用范围；

②在有障碍物存在的情况下，可以增加蓝牙通信节点来解决通信障碍问题；

③增加了蓝牙承载语音的链路数目，每个蓝牙最多可支持7条激活的IP语音链路；

④可以进行语音的组播与广播；

⑤可以与其它IP网络(如：Internet、GPRS等)进行融合。

附图说明

图1蓝牙多跳链路示意图，其中包含了多条同时进行通信的蓝牙多跳链路。

图2蓝牙节点硬件框图，其中主机与蓝牙之间采用USB线缆进行连接，也可以采用串口线缆进行连接，但从提高通信速率的角度考虑，推荐采用USB线缆进行连接。

图3蓝牙节点协议栈与上层应用程序剖面图，由图可见，在多跳通信时，上层应用程序只运行在主叫方与被叫方，中间节点只需运行网络层及其以下的协议。

图4蓝牙多跳链路的路由实现框图，主要描述了蓝牙多跳链路的路由实现，其中语音通信的实现见图7。

图5蓝牙多跳组网的帧格式定义，其中，前/后向指示为0x00时，表示前向建链请求帧，前/后向指示为0xFF时，表示后向建链帧；累计跳数定义为本地节点与源节点之间的蓝牙跳数；IP地址指示用于链路建立时蓝牙多跳链路中各节点的IP地址分配；扩展地址个数n表示本帧后续填写的邻居蓝牙地址的个数。

图6蓝牙多跳组网的路由表项格式定义，其中，有/无效指示为0x00时，表示本路由表项为可用于建链，有/无效指示为0x0F时，表示本路由表项已用于建链，有/无效指示为OxFF时，表示本路由表项为无效。

图7基于蓝牙技术的多跳语音通信流程图，主叫方与被叫方分别采用一个发送进程与一个接收进程进行语音发送与接收，从而实现双向的语音通信。

图8基于蓝牙技术的多跳语音传输的扩展应用模型，其中多条蓝牙多跳链路可以通过网关接入Internet或GPRS，从而实现蓝牙多跳网络与Internet、GPRS的融合。

具体实施方式

1.本发明所述的基于蓝牙技术的多跳语音传输方法采用以下步骤并按所述顺序进行：

③路径发现：利用蓝牙L2CAP层的广播功能，寻找一条从主叫方到被叫方的通信路径，并在后台运行路由表维护进程，对路由表进行定期整理与更新；

④蓝牙多跳链路建立：根据上述③所发现的路径，从被叫方到主叫方建立一条能承载IP的蓝牙多跳链路，并在后台运行链路维护进程，该后台进程的主要功能包含通信链路异常中断时链路的修复以及通信链路性能的优化；

2.在组建蓝牙多跳链路时，路径发现采用一种适于在蓝牙L2CAP层实现的分布式路径发现算法，该算法实现如下：

21)如果本地节点作为源节点S(即主叫方)发起建链请求，则转至22)，否则转至23)；

22)S将建链请求帧RREQ(其格式如图5所示，包含基本部分与扩展部分)广播给各邻居节点，并在本地路由表中添加相应的路由项(其格式如图6所示)，转至23)；

23)处于等待状态，如果接收到RREQ，则转至24)；

24)本地节点解析接收到的RREQ，首先，搜索路由表，如果在路由表中已存在相应的路由项，则比较累计跳数，如果收到的RREQ中的累计跳数大于等于已存路由项中的累计路由，则转至26)，否则更新相应的路由项；其次，如果本地节点就是目的节点D(即被叫方)，则转至27)；最后，如果累计跳数达到x(根据需要可修改此设置，推荐取值为5~8)，则转至26)，否则，转至25)；

25)本地节点将接收到的RREQ中的本地蓝牙地址项修改为本地的蓝牙地址，将累计跳数加1，将本地的部分邻居(即不同于接收到的RREQ中的邻居)个数累加到扩展地址个数中，将本地的部分邻居地址(即不同于接收到的RREQ中的邻居)添加在RREQ最后，广播修改后的RREQ至本地的部分邻居(即不同于接收到的RREQ中的邻居)，并在路由表中添加或修改相应的路由项，转至23)；

26)丢弃该RREQ，转至23)；

27)路径发现完成，调用链路建立进程在后台运行，转至23)。

根据上述分布式路径发现算法编写的程序采用后台服务进程的方式在各节点上运行。

3.本发明所述的蓝牙多跳链路建立后，主叫方发送语音信息或被叫方发送语音信息，包括以下步骤并按所述顺序进行：

31)语音数字化：通过A/D将模拟语音转化为数字语音，并进行基本的语音编码，如：64kbps的A/μ律脉冲编码调制(Pulse Code Modulation，PCM)、128kbps的16位线性PCM等；

32)语音压缩：根据音频压缩与解压缩的标准，如：ITU-T的G.7xx系列，将步骤31)输出的数字语音进行压缩；

33)语音发送：采用实时传输协议(Real-time Transport Protocol，RTP)/实时传输控制协议(Real-time Transport Control Protocol，RTCP)实现语音发送。

4.本发明所述的蓝牙多跳链路建立后，被叫方接收语音信息或主叫方接收语音信息，包括以下步骤并按所述顺序进行：

41)语音接收：采用RTP/RTCP实现语音接收；

42)语音解压缩：根据音频压缩与解压缩的标准，如：ITU-T的G.7xx系列，将步骤41)输出的数字语音进行解压缩；

43)语音播放：通过D/A将步骤②输出的数字语音转化为模拟语音输出。

为了实现主叫方与被叫方之间的双向语音通信，主叫方与被叫方分别运行两个进程(一个发送进程与一个接收进程)，如图7所示。

实施例1：发明人提供了一个具体例子来支持本发明的可行性。

1)软硬件配置

在本实施例中，蓝牙节点的硬件框图如图2所示。蓝牙采用的是DETA公司的DFBM-CF121模块，蓝牙芯片中烧写的是bc02的主机控制接口层(Host ControlInterface，HCI)以下的固件。主机采用的是PC，其Linux安装版本为Redhat2.4.20-8。PC上运行HCI层以上的蓝牙协议栈，采用的是开源的蓝牙协议栈BlueZ，其安装版本为bluez-libs-2.3-3、bluez-utils-2.2-3、bluez-libs-devel-2.3-3。RTP/RTCP采用的是开源的jrtplib库，其安装版本为jrtplib3.6.0。PC的声卡型号为VT8233 AC97 Audio Controller。模拟语音数字化与语音播放编程采用的是开源的OSS库，其安装版本为oss3994d-linux-x86-v24。

在蓝牙多跳链路中，各节点上运行的协议栈与上层程序剖面如图3所示。其中，基带、链路管理协议(Link Manager Protocol，LMP)与L2CAP运行在蓝牙芯片上，其它的协议与上层应用程序都运行在PC上。针对本发明，需要在PC上实现的主要是组网路由与语音通信应用程序。组网路由实现的是蓝牙多跳链路的建立、维护与断开，如图4所示，其中，链路的建立包含邻居发现、路径发现与链路建立，链路的维护包含：邻居表维护、路由表维护与链路维护。语音通信应用程序实现的是语音发送进程与语音接收进程，如图7所示，其中，语音发送进程包含模拟语音数字化、语音压缩与语音发送，语音接收进程包含语音接收、语音解压缩与数字语音播放。

在实现模拟语音数字化与数字语音播放时，在OSS库中选用的基本语音编解码为128kbps的16位线性PCM。在实现语音压缩与解压缩时，采用的是ITU-T的G.726标准中的32kbps自适应差分脉冲编码调制(Adaptive DifferentialPCM，ADPCM)。在实现语音传输时，RTP包的有效载荷大小设为256字节。

2)操作步骤

各蓝牙节点的操作步骤如下：

①主叫方A发起语音通信请求，组建了如图1所示的一条蓝牙多跳链路A-B-C-D，蓝牙节点D为被叫方，蓝牙节点A～D的IP(即PANO)分别被设置为10.0.0.24、10.0.0.1、10.0.0.1、10.0.0.25，其中，主叫方与被叫方的IP为两个连续的IP，且由主叫方在发起通信请求时从10.0.0.8～10.0.0.255的IP段中随机抽取，而中间节点的IP都采用默认IP为10.0.0.1。

②在主叫方与被叫方分别运行上层的语音通信应用程序；

③通过与PC声卡相连的麦克风与耳机，在主叫方与被叫方之间进行双向语音通信；

④主叫方或被叫方发起结束语音通信的命令，则主叫方与被叫方终止各自的语音通信应用程序；

⑤主叫方或被叫方发起链路断开的命令，则蓝牙多跳链路A-B-C-D依次断开，整个语音通信过程结束。

3)性能测试

针对上述的双向语音通信进行了主观测试，结果如下：

①人耳基本感觉不到语音的延时；

②语音音质良好；

③无背景噪声。

可见，基于蓝牙技术的多跳语音传输方法具有很好的可行性。

实施例2：发明人提供了一个应用模型来扩展本发明的应用范围。

如图8所示的是基于蓝牙技术的多跳语音传输的一个扩展应用模型，其中多条蓝牙多跳链路可以通过网关接入Internet或GPRS，从而实现蓝牙多跳链路与Internet、GPRS的融合，即蓝牙多跳链路中的末端节点可以与Internet或GPRS网络中的任意节点进行通信。由于蓝牙多跳链路提供对IP的支持，所以只要修改网关，使其接入其它的IP网络，就可以实现蓝牙多跳链路与其它IP网络的融合。

综上所述仅为本发明的两个实施例而已，并非用来限制本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所做的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims

1.一种基于蓝牙技术的多跳语音传输方法，其特征在于该方法是采用BNEP能承载IP的蓝牙多跳链路并在此多跳链路上传输语音，具体实现包括以下步骤：

④蓝牙多跳链路建立：根据上述步骤③所发现的路径，从被叫方到主叫方建立一条能承载IP的蓝牙多跳链路，组建蓝牙多跳链路时，采用一种适于在蓝牙逻辑链路控制与适配层实现的分布式路径发现算法，并在后台运行链路维护进程；

⑤语音通信：属于上层应用，主叫方与被叫方之间进行双向语音通信；

⑥蓝牙多跳链路断开：当主叫方或被叫方要求断开通信链路时，从主叫方到被叫方或从被叫方到主叫方，根据通信链路中各节点路由表中的路由信息依次断开连接，并终止后台运行的链路维护进程；

组建蓝牙多跳链路时，采用了适于在蓝牙逻辑链路控制与适配层实现的分布式路径发现算法，该算法描述如下：

a1)如果本地节点作为源节点即主叫方发起建链请求，则转至步骤a2)，否则转至a3)；

a2)源节点将建链请求帧广播给各邻居节点，并在本地路由表中添加相应的路由项，转至a3)；

a3)处于等待状态，如果接收到建链请求帧，则转至a4)；

a4)本地节点解析接收到的建链请求帧，首先，搜索路由表，如果在路由表中已存在相应的路由项，则比较累计跳数，如果收到的建链请求帧中的累计跳数大于等于已存路由项中的累计路由，则转至a6)，否则更新相应的路由项；其次，如果本地节点就是目的节点即被叫方，则转至a7)；最后，如果累计跳数达到x，则转至a6)，否则，转至a5)；其中，x根据需要可修改；

a5)本地节点将接收到的建链请求帧中的本地蓝牙地址项修改为本地的蓝牙地址，将累计跳数加1，将本地的部分邻居即不同于接收到的建链请求帧中的邻居个数累加到扩展地址个数中，将本地的部分邻居地址即不同于接收到的建链请求帧中的邻居添加在建链请求帧最后，然后，广播修改后的建链请求帧至本地的部分邻居即不同于接收到的建链请求帧中的邻居，并在路由表中添加或修改相应的路由项，转至a3)；

a6)丢弃该建链请求帧，转至a3)；

a7)路径发现完成，调用链路建立进程在后台运行，转至a3)；

在蓝牙多跳链路上，主叫方发送语音信息或被叫方发送语音信息，具体实现包括以下步骤：

b1)语音数字化：通过模/数转化将模拟语音转化为数字语音，并进行基本的语音编码；

b2)语音压缩：根据音频压缩与解压缩的标准，将输出的数字语音进行压缩；

b3)语音发送：采用实时传输/实时传输控制协议实现语音发送；

在蓝牙多跳链路上，被叫方接收语音信息或主叫方接收语音信息，具体实现包括以下步骤：

c1)语音接收：采用实时传输/实时传输控制协议实现语音接收；

c2)语音解压缩：根据音频压缩与解压缩的标准，将输出的数字语音进行解压缩；

c3)语音播放：通过数/模转化，将步骤c2)输出的数字语音转化为模拟语音输出。

2.根据权利要求1所述的基于蓝牙技术的多跳语音传输方法，其特征在于所述x的取值为5～8。