CN104158569B - 一种基于蓝牙协议使用acl链路承载的语音通信方法 - Google Patents

Abstract

一种基于蓝牙协议使用ACL链路承载的语音通信方法属于短距离无线通信领域，其特征在于，把多达八个支持蓝牙协议的数字电子设备组成一个微微网，一个主叫方和其余被叫方基于ACL链路建立基于RFCOMM协议的信令通道和基于L2CAP协议的语音通道，同时提出了一种语音数据包的调度方法，根据被丢弃语音数据包的帧号来判断该语音数据包在包发送时间间隔上的实际偏移，再予以回填，可以有效减少由于ACL链路底层重传所造成的语音延时，而且组网方式灵活，扩展性好。

Description

一种基于蓝牙协议使用ACL链路承载的语音通信方法

技术领域

本发明涉及一种基于蓝牙技术使用ACL链路承载的语音通信方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

蓝牙是一种短距无线通信的技术规范，它最初的目标是取代现有的掌上电脑、移动电话等各种数字设备上的有线电缆连接。在制定蓝牙规范之初，就建立了统一全球的目标，向全球公开发布，工作频段为全球统一开放的2.4GHz工业、科学和医学(Industrial，Scientificand Medical，ISM)频段。从目前的应用来看，由于蓝牙体积小、功率低，其应用已不局限于计算机外设，几乎可以被集成到任何数字设备之中，特别是那些对数据传输速率要求不高的移动设备和便携设备。

蓝牙技术的特点可归纳为如下几点：

1、全球范围适用：蓝牙工作在2.4GHz的ISM频段，全球大多数国家ISM频段的范围是2.4～2.4835GHz，使用该频段无需向各国的无线电资源管理部门申请许可证。

2、同时可传输语音和数据：蓝牙采用电路交换和分组交换技术，支持异步数据信道、三路语音信道以及异步数据与同步语音同时传输的信道。每个语音信道数据速率为64kbit/s，语音信号编码采用脉冲编码调制(PCM)或连续可变斜率增量调制(CVSD)方法。当采用非对称信道传输数据时，速率最高为721kbit/s，反向为57.6kbit/s；当采用对称信道传输数据时，速率最高为342.6kbit/s。蓝牙有两种链路类型：异步无连接(AsynchronousConnection-Less，ACL)链路和同步面向连接(Synchronous Connection-Oriented，SCO)链路。

3、可以建立临时性的对等连接(Ad-hoc Connection)：根据蓝牙设备在网络中的角色，可分为主设备(Master)与从设备(Slave)。主设备是组网连接主动发起连接请求的蓝牙设备，几个蓝牙设备连接成一个微微网(Piconet)时，其中只有一个主设备，其余的均为从设备。微微网是蓝牙最基本的一种网络形式，最简单的微微网是一个主设备和一个从设备组成的点对点的通信连接。通过时分复用技术，一个蓝牙设备便可以同时与几个不同的微微网保持同步，具体来说，就是该设备按照一定的时间顺序参与不同的微微网，即某一时刻参与某一微微网，而下一时刻参与另一个微微网。

4、具有很好的抗干扰能力：工作在ISM频段的无线电设备有很多种，如家用微波炉、无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)和HomeRF等产品，为了很好地抵抗来自这些设备的干扰，蓝牙采用了跳频(Frequency Hopping)方式来扩展频谱(Spread Spectrum)，将2.402～2.48GHz频段分成79个频点，相邻频点间隔1MHz。蓝牙设备在某个频点发送数据之后，再跳到另一个频点发送，而频点的排列顺序则是伪随机的，每秒钟频率改变1600次，每个频率持续625μs。

5、蓝牙模块体积很小、便于集成：由于个人移动设备的体积较小，嵌入其内部的蓝牙模块体积就应该更小，如爱立信公司的蓝牙模块ROK101008的外形尺寸仅为32.8mm×16.8mm×2.95mm。

6、低功耗：蓝牙设备在通信连接(Connection)状态下，有四种工作模式——激活(Active)模式、呼吸(Sniff)模式、保持(Hold)模式和休眠(Park)模式。Active模式是正常的工作状态，另外三种模式是为了节能所规定的低功耗模式。

7、开放的接口标准：SIG为了推广蓝牙技术的使用，将蓝牙的技术标准全部公开，全世界范围内的任何单位和个人都可以进行蓝牙产品的开发，只要最终通过SIG的蓝牙产品兼容性测试，就可以推向市场。

8、成本低：随着市场需求的扩大，各个供应商纷纷推出自己的蓝牙芯片和模块，蓝牙产品价格飞速下降。

现有的蓝牙技术在传输语音时，传统上都是基于SCO链路的。SCO链路用保留带宽进行同步通信(电路交换)，即两台设备在LMP层利用保留时隙在物理信道上周期传送数据包。这种类型的链接主要用于传送SCO包(语音数据)。SCO包不包括CRC码，且不进行重传。主要支持传输有时间限制的信息，例如声音。仅仅在ACL链接已经建立之后，才可以建立SCO链接。

ACL链路通常用于传输分组数据。主设备对每一个从设备建立一个ACL链路，ACL数据包仅可利用SCO数据包未使用的时隙来进行传输，ACL数据包的时隙长度可以是1，3，或者是5个时隙，发向或来自某一特定从设备的所有ACL数据包总会得到应答，来自于主设备的广播ACL数据包不会被应答，但为了可靠它会进行数次传输。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于蓝牙技术使用ACL链路承载的语音通信方法，该方法通过在ACL链路上建立并配置信令通道和语音通道，达到能够灵活控制语音通信的目的。该方法可以同时支持7个从设备，也可以通过级联网络支持更多从设备。针对ACL链路底层的重传特性，本发明提出一种语音数据包的调度方法，可以有效的减少由于ACL链路底层重传所造成的语音延时。

本发明的特征在于，是在若干个支持蓝牙协议的设备组成的微微网Piconet中实现的，各设备相互之间在异步无连接ACL链路上建立信令与语音的无线连接，在所述若干个支持蓝牙协议的设备中，主动发出连接请求的所述设备称主设备，只有一个，其余设备称从设备，最多为七个，主设备和各从设备之间依次按以下步骤实现使用ACL链路承载的语音通信；

步骤(1)，微微网Piconet初始化，在各所述设备中设有：

基于串行仿真协议RFCOMM的信令通道控制模块，负责信令数据传输管理；

基于逻辑链路控制和适配协议L2CAP的语音通道控制模块，负责语音数据传输管理；

基于链路管理协议LMP的链路管理模块；

一帧语音数据包的长度为140Byte；

一帧语音数据包发送间隔T＝200ms，或另行配置；

流量整形模块，输入是单一的或者已分析好的语音数据包，经过整形处理后把语音数据流解码为连续的语音流，进行D/A转换得到语音，经放音器播放；

步骤(2)，主叫方和被叫方依次按以下步骤进行语音通信：

步骤(2.1)，所述各设备开启蓝牙功能并设为蓝牙可见；

步骤(2.2)，各设备相互建立基于ACL链路的信令通道，并按当前网络容量配置各自信令通道；

步骤(2.3)，各设备相互建立基于ACL链路的语音通道，通过信令通道配置语音通道；

步骤(2.4)，各设备执行服务发现协议，扫描周边蓝牙设备并进入监听模式；

步骤(2.5)，主叫方执行以下步骤：

步骤(2.5.1)，作为主叫方的设备通过信令通道通知各被叫方，请求开始语音通信；

步骤(2.5.2)，各被叫方通过信令通道答复主叫方，确认开始语音通信；

步骤(2.5.3)，主叫方按语音数据单元发送间隔t把话筒采集到的语音模拟信号进行A/D转换，经语音编码后得到一个语音数据单元，在收集k个语音数据单元后，组成一个语音数据包，分配一个帧号写入包头中，k为有限正整数，k≥1；

步骤(2.5.4)，主叫方以一帧语音数据包发送时间间隔T＝k·t发送语音数据包，在t_N＝N·T时刻发送设定的第N帧语音数据包，其中N为正整数；

步骤(2.5.5)，若步骤(2.5.4)发送成功，则在t_N+1时刻发送第N+1帧语音数据包；

步骤(2.5.6)，若步骤(2.5.4)发送失败，则在t_N+1时刻发送第N帧和第N+1帧两者合一的语音数据包，其中第N+1帧语音数据包为所述的前面第N帧语音数据包发送间隔T内被丢弃的语音数据包；

步骤(2.5.7)，主叫方请求结束语音通信，被叫方予以确认；

步骤(2.6)，被叫方执行以下步骤：

步骤(2.6.1)，被叫方逐个判断收到的一个语音数据包是单独一个语音数据包还是步骤(2.5.6)所述的两者合一的语音数据包：

若为单独一个语音数据包，则直接送至流量整形模块；

若为所述的两者合一的语音数据包，则执行步骤(2.6.2)；

步骤(2.6.2)，流量整形模块根据收到的所述两者合一的语音数据包和帧号来判断该两者合一的语音数据包在第N帧和第N+1帧发送时间间隔上的实际偏移，对丢失的语音数据包在发送时间间隔上进行回填；

步骤(2.6.3)，把步骤(2.6.2)得到的两者合一的语音数据包送语音解码器解码后得到连续的语音流，进行D/A转换后输出。

利用本发明中的蓝牙语音通信方法，在通信过程中语音的传输是在基于ACL链路的信令通道控制下，通过基于ACL链路的语音通道传输的，所以可以充分利用蓝牙协议中ACL链路的特性，将从设备的数量扩展到多达7个，从而可以实现蓝牙语音广播的功能。ACL链路支持非对称速率传输，通过信令通道的灵活配置，可以达到在不同的网络环境下有不同的语音传输特性的目的，用户可以通过自己的定义来使用各种控制信息，实现特定的通信系统。针对ACL链路底层会由于重传导致语音时延，本发明设计了一种语音数据包的调度方法，结合流量整形模块，可以在发生通道阻塞时减少语音的时延。另一方面，本发明不需要修改现有的蓝牙底层协议，只需要开发相应的软件即可，无需任何硬件开销，非常实用。

综上所述本发明与现有技术相比具有下述优点：

利用本方法基于ACL链路建立的语音通信系统，相比传统的基于SCO链路的语音通信系统，具有更加高效的语音通信方式，特别是支持与多达7个从节点同时传输语音数据，可以充分利用信道容量。

利用本方法建立的语音通信系统具有组网方式灵活，扩展性好的特点。

利用本方法可以有效减轻由于ACL链路底层重传所带来的语音延迟。

附图说明

图1是主、从设备间连接关系的示意图。

图2是主、从设备间进行语音通信的流程图。

图3是主叫方进行语音通信的流程图。

图4是主叫方发送语音数据以及被叫方接收语音数据的示意图。

图5是基于本方法的一种系统模型示意图。

下面本发明人给出本发明具体实施方式并结合附图对本发明做进一步描述：

具体实施方式

实施例1：发明人提供一种主设备通过蓝牙连接一个从设备，基于ACL链路进行语音通信的方法。

在本方法中，主从设备连接关系如图1所示；射频层、基带层、LMP(Link ManagerProtocol，链路管理协议)和L2CAP(Logical Link Control and Adaption Protocol，逻辑链路控制和适配协议)是蓝牙协议OSI(Open System Interconnection，开放式系统互联模型)第1、2层；RFCOMM(串行仿真协议)是蓝牙对TS07.10标准的适配层，实现对串行接口的仿真；SDP(Service Discovery Protocol)是蓝牙业务发现协议；语音通道控制是负责语音数据传输管理的实体；信令通道控制是负责信令数据传输管理的实体。

主从设备间进行话音通信的过程如图2所示：主设备开机后即启动监听，等待从设备接入。当从设备需要和主设备进行语音通信时，会主动查询主设备，得到主设备的地址(BD_ADDR)和其他信息；根据得到的信息，从设备向主设备发起建立ACL连接，主设备接受此请求。根据蓝牙协议，主动发起连接的设备即为主设备，为此需要进行主从设备的角色交换。这一步的目的是为了确保主设备接下来可以继续进入监听状态，等待其他从设备的接入。主设备和从设备建立并配置信令通道，之后在信令通道配置语音信道，成功之后即可在语音信道传输语音数据。信令通道基于RFCOMM(串行仿真协议)，语音通道基于L2CAP(逻辑链路控制和适配协议)，二者都是基于ACL链路的。当从设备需要退出语音通信时，可以在信令通道上向主设备发送请求来结束通信。

在图3主叫方进行的话音通信流程图中：信令通道和语音通道建立以后，主从双方即可进行语音通信，发送语音的一方称为主叫方，接收话音的一方称为被叫方。主叫方在信令通道发送消息给被叫方，请求开始语音通信，被叫方同样在信令通道回应，确认开始语音通信。主叫方固定每隔T时刻发送一次语音数据包，在t_N＝N·T时刻发送第N帧语音数据包。如果在随后的T时间内发送成功，则在t_N+1时刻发送第N+1帧语音数据包。如果第N帧语音数据包发送失败，则在t_N+1时刻发送第N帧和第N+1帧二合一的语音数据包。采用AMR语音编码方式，一帧语音数据包的长度是140Byte，通常T取200ms，这个数值也可以配置。主叫方或被叫方需要结束语音通信时，在信令通道上向对端发送请求结束语音通信的请求，对端发送确认结束语音通信的消息，于是双方关闭语音通道和信令通道。

主叫方发送语音数据的过程如图4所示：每隔t时间(通常为20ms)通过话筒对模拟语音进行一次采集，经过A/D芯片进行模数转换，然后再经过语音编码器(通常为AMR语音编码器)进行编码，得到语音数据单元，每k个(k通常取值为10，可以配置)语音数据单元组成一个语音数据包，分配帧号后写入包头。主叫方每隔T＝k·t时间通过语音信道发送一次语音数据包。如果第N帧语音数据包在T时间内发送失败，则在t_N+1时刻发送第N帧和第N+1帧二合一的语音数据包。二合一数据包的包头会有描述包内有几个语音数据包的信息。

被叫方接收到一个语音数据包后，根据包头信息判断是否需要分拆为多个语音数据包。分离出语音数据之后送入流量整形模块进行整形处理。流量整形模块的功能是对乱序接收的语音数据进行平稳化处理，避免语音的忽快忽慢。流量整形模块定时将语音数据流解码为连续的语音流之后，进行D/A转换得到语音，然后送入耳机或者喇叭等放音单元进行播放。

在图5所示的基于本方法的一种可能的系统模型中：系统由一个主设备和多达7个从设备组成，主设备可以与任一个从设备进行语音通信，也可以同时向所有从设备广播语音数据。

Claims (1)

1.一种基于蓝牙协议并使用ACL链路承载的语音通信方法，其特征在于，是在若干个支持蓝牙协议的设备组成的微微网Piconet中实现的，各设备相互之间在ACL链路上建立信令与语音的无线连接，在所述若干个支持蓝牙协议的设备中，主动发出连接请求的所述设备称主设备，只有一个，其余设备称从设备，最多为七个，主设备和各从设备之间依次按以下步骤实现使用异步无连接ACL链路承载的语音通信；

步骤(1)，微微网Piconet初始化，在各所述设备中设有：

基于串行仿真协议RFCOMM的信令通道控制模块，负责信令数据传输管理；

基于逻辑链路控制和适配协议L2CAP的语音通道控制模块，负责语音数据传输管理；

基于链路管理协议LMP的链路管理模块；

一帧语音数据包的长度为140Byte；

一帧语音数据包发送间隔T＝200ms，或另行配置；

流量整形模块，输入是单一的或者已分析好的语音数据包，经过整形处理后把语音数据流解码为连续的语音流，进行D/A转换得到语音，经放音器播放；

步骤(2)，主叫方和被叫方依次按以下步骤进行语音通信：

步骤(2.1)，所述各设备开启蓝牙功能并设为蓝牙可见；

步骤(2.2)，各设备相互建立基于ACL链路的信令通道，并按当前网络容量配置各自信令通道；

步骤(2.3)，各设备相互建立基于ACL链路的语音通道，通过信令通道配置语音通道；

步骤(2.4)，各设备执行服务发现协议，扫描周边蓝牙设备并进入监听模式；

步骤(2.5)，主叫方执行以下步骤：

步骤(2.5.1)，作为主叫方的设备通过信令通道通知各被叫方，请求开始语音通信；

步骤(2.5.2)，各被叫方通过信令通道答复主叫方，确认开始语音通信；

步骤(2.5.3)，主叫方按语音数据单元发送间隔t把话筒采集到的语音模拟信号进行A/D转换，经语音编码后得到一个语音数据单元，在收集k个语音数据单元后，组成一个语音数据包，分配一个帧号写入包头中，k为有限正整数，k≥1；

步骤(2.5.4)，主叫方以一帧语音数据包发送时间间隔T＝k·t发送语音数据包，在t_N＝N·T时刻发送设定的第N帧语音数据包，其中N为正整数；

步骤(2.5.5)，若步骤(2.5.4)发送成功，则在t_N+1时刻发送第N+1帧语音数据包；

步骤(2.5.6)，若步骤(2.5.4)发送失败，则在t_N+1时刻发送第N帧和第N+1帧两者合一的语音数据包，其中第N+1帧语音数据包为所述的前面第N帧语音数据包发送间隔T内被丢弃的语音数据包；

步骤(2.5.7)，主叫方请求结束语音通信，被叫方予以确认；

步骤(2.6)，被叫方执行以下步骤：

步骤(2.6.1)，被叫方逐个判断收到的一个语音数据包是单独一个语音数据包还是步骤(2.5.6)所述的两者合一的语音数据包：

若为单独一个语音数据包，则直接送至流量整形模块；

若为所述的两者合一的语音数据包，则执行步骤(2.6.2)；

步骤(2.6.2)，流量整形模块根据收到的所述两者合一的语音数据包和帧号来判断该两者合一的语音数据包在第N帧和第N+1帧发送时间间隔上的实际偏移，对丢失的语音数据包在发送时间间隔上进行回填；

步骤(2.6.3)，把步骤(2.6.2)得到的两者合一的语音数据包送语音解码器解码后得到连续的语音流，进行D/A转换后输出。