載人航天WiFi頭戴的設計與實現

董彧燾，邵 瑩，黃建青

（上海航天電子技術研究所，上海201109）

載人航天WiFi頭戴的設計與實現

董彧燾，邵 瑩，黃建青

（上海航天電子技術研究所，上海201109）

空間站無線局域網是空間站通信網絡的重要組成部分。WiFi頭戴是基于空間站無線局域網進行話音通信的一個重要應用，不僅可以為艙內航天員提供便捷的無線話音通信服務，還可以為航天員的出艙活動提供無線話音通信服務。研究和分析了空間站無線WiFi組網和應用的技術可行性，提出了一種適合于空間站使用的WiFi頭戴的設計與實現方案。該方案采用現有的專用集成芯片，技術上支持802.11n標準，性能指標先進，可以滿足空間站無線話音通信的使用要求。

載人航天；空間站；WiFi；話音通信；頭戴

1 引言

我國的載人航天已經完成了“三步走”戰略的前兩步，即發射載人飛船、實現出艙活動和空間交會對接。目前正開始轉入到戰略的第三步階段，即空間站的建設和運營［1］。目前在軌運行的國際空間站是世界上投入資金最大、參與國家最多、建造周期最長、技術水平最高、應用范圍最廣的大型載人航天器。國際空間站主要由美國、俄羅斯、歐盟等多個國家的實驗艙組成，雖然它的通信系統在當時采用了最合適的FDDI技術，但并沒有更多考慮信息技術的飛速發展和空間站長期運營中應用功能的升級和擴展，導致國際空間站的局域網無法升級，從而也限制了空間站上應用的不斷升級。從這個角度看，當時國際空間站的通信網絡設計思想顯得有些保守［2-3］。

以太網技術是地面最重要也是最成熟的局域網組網技術，隨著技術的突飛猛進，其應用范圍也已經從最早的局域網擴展到更廣領域的城域網，以太網的業務帶寬也擴展到了萬兆水平［4］。為了實現和地面互聯網的有效連接，以及應用成熟的以太網組網技術和設備，我國空間站通信網絡已經開展以太網組網技術的研究和論證。將來我國空間站會建立一個和地面一樣高速安全的、采用以太網組網技術的局域網，并能和地面網絡有效的連接在一起。這樣不僅有利于航天員在空間站開展各項科學試驗活動，也有利于豐富航天員的業余生活。航天員將來在空間站可以方便地接入互聯網，及時獲取最新的各類資訊［5］。

空間站通信網絡主要包括空間站本地有線局域網、空間站本地無線局域網、天地鏈路網絡、地面局域網［6］。空間站無線局域網是空間站通信網絡的重要組成部分，可以提供話音、圖像、視頻、有效載荷數據等多業務數據的實時可靠傳輸。基于空間站無線局域網的話音通信是一個無線通信技術的重要應用。WiFi頭戴是無線話音通信的終端設備，可以使航天員擺脫以往固定話音通信的限制，從而享有更自由便捷的溝通方式。相比于有線局域網，無線局域網只要有無線信號覆蓋就可以接入網絡，可以在很多不適合布線的場合提供通信服務。NASA有相關無線WiFi研究的報道，但還沒有通過WiFi實現話音通信的相關研究報道，因此通過WiFi頭戴實現航天員的無線話音通信具有一定的創新性，WiFi頭戴的設計與實現具有良好的應用前景和重要的工程意義。

2 空間站WiFi組網技術可行性分析

WiFi（Wireless Fidelity）實質上是一種商業認證，具有WiFi認證的產品符合IEEE 802.11系列無線網絡規范。該系列規范已被統稱為WiFi標準，也是目前應用最為廣泛的無線局域網標準，一般工作在2.4 GHz頻段或5 GHz頻段。表1介紹了WiFi標準的演進過程和核心技術。

表1 W iFi標準演進過程Table 1 W iFi standard evolution

WiFi的技術優勢主要體現在以下幾個方面［7］：

1）組網便捷。由于WiFi技術是一種無線技術，所以組網時就免去了布線工作，只需一個或多個無線AP（接入點），就可以滿足一定范圍的聯網需求。節省了組網成本，縮短了組網時間。

2）無線電波覆蓋范圍較廣。802.11n信號覆蓋半徑可達300 m左右，可以滿足較大覆蓋范圍的聯網需求。

3）投資經濟。缺乏靈活性是有線網絡的固有缺點。在規劃有線網絡的時候，需要提前考慮到以后的發展需求，這就會導致大量的超前投資，進而出現線路利用率低的情況。而無線局域網可以隨著用戶數的增加而逐步擴展，一旦用戶數量增加，只需增加無線AP，不需要重新布線，與有線網絡相比節約了很多網絡建設成本。

4）傳輸速度快。現在主流WiFi標準的傳輸速度基本能夠滿足絕大多數應用網絡帶寬的需求。最新的802.11ac支持的傳輸速率可達1 Gbps。

5）業務可集成。WiFi技術在OSI參考模型的數據鏈路層上與以太網完全一致，所以可以利用已有的有線接入資源，迅速部署無線網絡，形成無縫覆蓋。

由于WiFi技術是無線局域網最主流的技術，地面應用已經非常廣泛。主流的芯片廠商如TI，Broadcom，Qualcomm Atheros，Marvell等都推出了WiFi芯片，其中既包括終端的芯片解決方案，也包括AP的解決方案。支持的標準包括802.11a/ b/g/n等系列標準。

目前市場上WiFi應用的主流標準是支持MIMO和OFDM的802.11n標準，最高傳輸速率可以達到300 Mbps以上［8］。基于802.11ac的芯片也已開始出現，最快可以達到千兆以上的傳輸速率，為將來更多的大數據應用提供了技術保障。因此，空間站無線組網采用WiFi技術是最佳選擇。從芯片選型上看，WiFi有充分的選擇余地。從標準上看，IEEE 802.11是公開標準，而且是不斷向前演進的主流標準，將來也基本可以保證技術上的先進性。

由于采用WiFi技術的無線通信主要在空間站艙內使用，所處環境中的噪聲和電磁干擾相對艙外空間帶電粒子、原子氧、微流星體、空間碎片、紫外輻照等共同作用形成的電磁干擾相對較小。因此艙內基于WiFi技術的應用所受空間站環境的影響并不大，如果WiFi頭戴出現工作異常，可以采用復位的方法快速重新啟動工作。

3 WiFi頭戴應用場景

空間站WiFi頭戴主要為航天員提供話音通信服務，根據空間站WiFi信號覆蓋方式可以把應用場景分為兩大類，即艙內WiFi話音通信和艙外WiFi話音通信。艙內的WiFi通信主要為艙內的航天員提供WiFi話音通信服務，航天員可以和艙內的其他航天員或地面人員進行話音通信。艙外的WiFi通信主要為航天員的出艙活動提供話音通信服務。

根據WiFi話音通信的具體應用場景，WiFi頭戴可以提供以下幾種常用功能：

1）WiFi頭戴之間的話音通信：WiFi頭戴之間可以相互通信，航天員和航天員之間通過佩戴WiFi頭戴就可以進行呼叫和接聽，而不像有線頭戴那樣，航天員要先走到固定的位置去佩戴有線頭戴。在我國空間站的規劃上，將有1個核心艙和2個實驗艙，不同艙內的航天員之間有時需要協調和交流［1］。通過佩戴WiFi頭戴，航天員在任何位置都可以與其他航天員進行方便快捷的通信。如圖1所示，實驗艙A和實驗艙B的兩個WiFi頭戴之間通過無線網絡建立起通信鏈路，相應的話音信息流數據就可以在該鏈路上進行傳輸從而達到話音通信的目的。另外還包括航天員的出艙通信，比如將來空間站的在軌維修，航天員要走出空間站，到達故障現場，帶上WiFi頭戴就可以很便捷地和艙內航天員進行通信。

圖1 W iFi頭戴之間通信示意圖Fig.1 Illustration of communication between two W iFiheadsets

圖2 W iFi頭戴無縫切換示意圖Fig.2 Illustration of seam less sw itch ofW iFi headset

2）WiFi頭戴和有線頭戴之間的通信：目前神舟飛船和天宮一號目標飛行器上的航天員還是使用有線頭戴。有線頭戴技術成熟，性能穩定可靠。在將來一段時期內，無線頭戴還無法完全取代有線頭戴，有線頭戴仍然還是可靠的主要話音通信工具。因此，WiFi頭戴仍然要和有線頭戴之間進行話音通信。

3）WiFi頭戴和地面之間的通信（任務話、專用話）：空間站上的話音通信還包括和地面之間的通信，主要有兩種業務類型：一類是任務話，一類是專用話。任務話主要是地面站指揮人員和航天員之間的通話，優先級較高；專用話主要用于航天員和地面人員如家人或醫療保健人員的通話。

4）WiFi頭戴加入多方會議電話：多名航天員和地面人員之間或航天員之間的電話會議是一個常見的話音業務場景。由于航天員本身是移動的，通過WiFi頭戴就能接入會議電話，對航天員來說將是很方便的一個應用。

5）WiFi頭戴話音切換（艙與艙之間、艙內和艙外之間）：在WiFi頭戴的無線話音通信中有一個重要的應用場景，即無線話音通信的無縫切換，航天員要在移動的過程中保持話音通信的連續性。如圖2所示，在WiFi頭戴從實驗艙A往實驗艙B移動的過程中，實驗艙A的WiFi信號會越來越弱，而實驗艙B的信號會越來越強，在實驗艙A的信號強度降低到一定的閾值時，會觸發WiFi頭戴斷開和實驗艙A中AP的連接，并重新連接到實驗艙B中的AP。

4 系統設計方案

通過前面的分析，WiFi頭戴在空間站的話音通信方面具有廣泛的應用前景，在技術上相對傳統的有線頭戴有明顯的優勢，可以讓航天員暢享自由的無線話音通信服務。

圖3 話音通信系統示意圖Fig.3 Illustration of voice communication system

在空間站的話音通信系統中，話音處理器是核心，如圖3所示。話音處理器提供天地間、艙內外雙向話音通信服務，完成天地間傳輸話音的編解碼、加解密及話音混音分配等功能，同時對網絡話音終端進行集中管理，接收各個話音終端的狀態數據、話音數據，為每個話音終端分配混音資源，將處理后話音送給相應終端進行播放，實現話音的網絡傳輸。

WiFi頭戴是話音通信系統中的話音終端設備，主要負責話音的采集和播放。從話音頭戴的結構上來看，WiFi頭戴可以繼承有線頭戴的物理結構及其他所有的聲學特性，只是需要在頭戴上嵌入一個具有WiFi收發功能的模塊。從系統設計來看，整個WiFi頭戴設備主要包括以下4個模塊，即送受話器、話音編解碼模塊、WiFi收發模塊和主控模塊，如圖4所示。

圖4 W iFi頭戴模塊示意圖Fig.4 Illustration of W iFi headsetm odules

其中話音編解碼模塊主要負責16 bit/32 kHz PCM話音原碼與模擬話音信號間的轉換。可以選用內部集成模數轉換器（ADC）和數模轉換器（DAC）的話音編解碼芯片。從受話器采樣的話音數據經過模數轉換并通過數字音頻接口傳輸給主控模塊的微處理器。同時也接收從微控制器發過來的數字話音數據并送給送話器進行播放。

主控模塊是整個系統的控制中心，主要負責對話音編解碼芯片的配置，設置話音編解碼器相關的配置參數，如話音采樣的精度和話音采樣的采樣率，還有對從話音編解碼模塊來的數字話音數據的處理和轉發。另外還要負責WiFi收發模塊芯片的控制，其中有涉及WiFi通信參數的配置，以及主機接口的管理，以及對從WiFi收發模塊來的數字話音數據的處理和轉發。

WiFi收發模塊主要負責對數字話音數據的無線收發處理，以及對802.11協議的支持，主要是802.11 MAC/PHY協議的實現，還有對安全加密等功能的支持。從微控制器接收到的數字話音數據要經過802.11協議處理并通過天線發送出去。同樣也要從天線接收到的數字話音數據解調出來并進行相應的處理并送給主控模塊的微控制器。

5 硬件設計方案

WiFi頭戴的硬件設計主要包括圖3中提到的話音編解碼模塊、主控模塊和WiFi收發模塊的設計。下面就分別介紹這幾個模塊的硬件設計。

5.1 話音編解碼模塊

話音編解碼模塊主要采用TI公司的話音編解碼芯片TLV320AIC23B-Q1，該芯片可以擴展到工業級溫度范圍，支持多種數字音頻接口，支持多種控制接口，可以方便地與微控制器或DSP配合工作。芯片上電后由微控制器或DSP通過控制接口寫入控制字后即可工作。

該芯片是一個高性能立體聲音頻編解碼器，內置的ADC和DAC采用過采樣數字插值濾波器的sigma-delta技術。采樣精度支持16位，20位，24位，32位。采樣速率支持的范圍是從8 kHz到 96 kHz［9］。由于話音處理器要求的話音采樣規格是16 bit/32 kHz，上述芯片可以滿足話音處理器的需求。

該芯片支持多種數字音頻接口，如Right-justified模式、Left-justified模式、I2S模式、DSP模式。本設計方案采用其中的I2S模式，其時序控制圖如圖5所示［9］。

圖5 I2S時序控制示意圖Fig.5 Illustration of I2S tim ing control

圖6 2線時序控制示意圖Fig.6 Illustration of 2-w ire tim ing control

該芯片的控制接口支持以下兩種模式：SPI模式，2線模式。本設計方案中采用2線模式，一根時鐘線，一根數據線，其時序控制圖如圖6所示［9］。

5.2 主控模塊

主控模塊主要采用Marvell公司的微處理器芯片88MC200，這是一款集成32位ARM Cortex-M3高性能處理器的微控制器。其自帶軟件可編程的時鐘，最高可達200 MHz，另外片內還自帶512 kB內存，1MB串行Flash，自帶片上DC-DC轉換器。該芯片也供豐富的IO接口，支持以下常用接口：I2C，SSP，SDIO，UART，SPI，GPIO等。其中同步串行協議接口SSP可以兼容I2S接口，用來在話音編解碼模塊和主控模塊之間傳輸數字話音數據［10］。

其中，安全數字輸入輸出接口SDIO（Secure Digital Input Output）是主控模塊和W iFi收發模塊的接口。它的優點是傳輸速度快、兼容性好及可擴展性強，是目前應用十分廣泛的一種外部擴展接口［11］。如圖7所示，圖中SDIO-CLK為時鐘信號，由主機控制器提供。SDIO-CMD為1位雙向命令總線，用于命令和響應信號的傳輸。SDIO-DATA為4位雙向數據總線，用于數據的傳輸［10］。

圖7 SDIO接口示意圖Fig.7 Illustration of SDIO inter face

5.3 WiFi收發模塊

WiFi收發模塊主要采用Marvell的WiFi芯片88W8787，該芯片是支持IEEE 802.11n標準的雙頻段片上系統芯片，同時支持2.4 GHz和5 GHz頻段，同時后向兼容802.11a/b/g標準。支持高速率的數據傳輸，最高可達100 Mbps以上，完全可以滿足上述話音傳輸帶寬的要求［12］。

該芯片功能強大，內置一個兼容ARM V5的一個微處理器，支持的時鐘頻率最高可達160 MHz，內置用于收發數據緩沖的存儲器，支持的主機接口包括SDIO，且SDIO接口的最高傳輸速率可達50 Mbps［12］。

綜觀整個硬件設計方案，可以看出該方案整體性能指標突出，支持主流802.11n標準。不僅完全滿足目前無線話音通信的要求，而且可以考慮數據通信方面的應用。缺點是選用的WiFi芯片目前只能達到工業級的標準，后續最好需要相應的宇航級國產化芯片。

6 軟件設計方案

整個軟件系統是一個嵌入式實時系統，Marvell提供相關的軟件開發包。整個軟件開發包主要包括以下幾個部分：

1）核心實時軟件模塊

免費的實時操作系統，TCP/IP協議棧軟件，MarvellWLAN驅動和固件，接口驅動等，數字話音數據傳輸相應的接口主要是微控制器和話音編解碼器的控制接口以及數字音頻接口，以及微控制器和WiFi芯片的SDIO接口。

2）中間件模塊

WLAN連接管理，配置數據管理，網絡配置管理，固件實時更新等功能。

3）傳輸層安全模塊

該模塊主要是支持一些常用的安全功能，主要包括數據的加解密，報文的鑒權等。

4）應用程序框架

應用程序框架主要是提供一個通用的狀態機框架，AP和WiFi站點連接的常用信令流程通過狀態機來實現。

5）WiFi固件

WiFi固件由Marvell提供，固件實現WiFi芯片的所有功能。該固件存儲在主控芯片的Flash中。

整個WiFi軟件工作的流程是系統上電后，主控芯片會從Flash中讀出WiFi固件，然后通過SDIO接口下載到WiFi芯片中。一旦下載成功，WiFi模塊就處于工作狀態，可以通過應用程序來控制收發話音數據。整個軟件流程如圖8所示。

7 結論

通信網絡是空間站上一項重要的信息基礎設施，承擔著話音、圖像、多媒體業務數據和科學試驗數據的傳輸任務。空間站無線局域網是空間站通信網絡的重要組成部分，WiFi頭戴將是基于無線局域網的一項重要應用。提出了一種WiFi頭戴的設計和實現方案，硬件方案主要采用現有的ASIC專用集成芯片，其中包括微處理器芯片、WiFi收發芯片和話音編解碼芯片，軟件方案主要基于WiFi SDK開發。可以實現支持802.11n標準的適合于空間站航天員使用的WiFi頭戴。

圖8 軟件流程示意圖Fig.8 Illustration of software procedure

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Design and Imp lementation of W iFi Headset in M anned Spaceflight

DONG Yutao，SHAO Ying，HUANG Jianqing
（Shanghai Institute of Aerospace Electronic Technology，Shanghai201109，China）

Space station wireless local area network is an important part of the space station network.WiFi headset is an important application of voice communication over space station wireless local area network，which can provide convenient wireless voice communication for IVA and EVA astronauts.Technical feasibility of wireless networking and application was studied，and a design scheme ofwireless headset for space station usewas proposed.The scheme adopted the current ASIC chip complied to 802.11n specification with advanced capabilities，which can satisfy the requirements of space station wireless voice communication.

manned spaceflight；space station；WiFi；voice communication；headset

V444.3+9

A

1674-5825（2014）04-0341-07

2013-07-07；

2014-06-27

董彧燾（1977-），男，博士，工程師，研究方向為無線通信。E-mail：sjtudyt@163.com