载人航天WiFi头戴的设计与实现

董彧焘，邵 莹，黄建青

（上海航天电子技术研究所，上海201109）

载人航天WiFi头戴的设计与实现

董彧焘，邵 莹，黄建青

（上海航天电子技术研究所，上海201109）

空间站无线局域网是空间站通信网络的重要组成部分。WiFi头戴是基于空间站无线局域网进行话音通信的一个重要应用，不仅可以为舱内航天员提供便捷的无线话音通信服务，还可以为航天员的出舱活动提供无线话音通信服务。研究和分析了空间站无线WiFi组网和应用的技术可行性，提出了一种适合于空间站使用的WiFi头戴的设计与实现方案。该方案采用现有的专用集成芯片，技术上支持802.11n标准，性能指标先进，可以满足空间站无线话音通信的使用要求。

载人航天；空间站；WiFi；话音通信；头戴

1 引言

我国的载人航天已经完成了“三步走”战略的前两步，即发射载人飞船、实现出舱活动和空间交会对接。目前正开始转入到战略的第三步阶段，即空间站的建设和运营［1］。目前在轨运行的国际空间站是世界上投入资金最大、参与国家最多、建造周期最长、技术水平最高、应用范围最广的大型载人航天器。国际空间站主要由美国、俄罗斯、欧盟等多个国家的实验舱组成，虽然它的通信系统在当时采用了最合适的FDDI技术，但并没有更多考虑信息技术的飞速发展和空间站长期运营中应用功能的升级和扩展，导致国际空间站的局域网无法升级，从而也限制了空间站上应用的不断升级。从这个角度看，当时国际空间站的通信网络设计思想显得有些保守［2-3］。

以太网技术是地面最重要也是最成熟的局域网组网技术，随着技术的突飞猛进，其应用范围也已经从最早的局域网扩展到更广领域的城域网，以太网的业务带宽也扩展到了万兆水平［4］。为了实现和地面互联网的有效连接，以及应用成熟的以太网组网技术和设备，我国空间站通信网络已经开展以太网组网技术的研究和论证。将来我国空间站会建立一个和地面一样高速安全的、采用以太网组网技术的局域网，并能和地面网络有效的连接在一起。这样不仅有利于航天员在空间站开展各项科学试验活动，也有利于丰富航天员的业余生活。航天员将来在空间站可以方便地接入互联网，及时获取最新的各类资讯［5］。

空间站通信网络主要包括空间站本地有线局域网、空间站本地无线局域网、天地链路网络、地面局域网［6］。空间站无线局域网是空间站通信网络的重要组成部分，可以提供话音、图像、视频、有效载荷数据等多业务数据的实时可靠传输。基于空间站无线局域网的话音通信是一个无线通信技术的重要应用。WiFi头戴是无线话音通信的终端设备，可以使航天员摆脱以往固定话音通信的限制，从而享有更自由便捷的沟通方式。相比于有线局域网，无线局域网只要有无线信号覆盖就可以接入网络，可以在很多不适合布线的场合提供通信服务。NASA有相关无线WiFi研究的报道，但还没有通过WiFi实现话音通信的相关研究报道，因此通过WiFi头戴实现航天员的无线话音通信具有一定的创新性，WiFi头戴的设计与实现具有良好的应用前景和重要的工程意义。

2 空间站WiFi组网技术可行性分析

WiFi（Wireless Fidelity）实质上是一种商业认证，具有WiFi认证的产品符合IEEE 802.11系列无线网络规范。该系列规范已被统称为WiFi标准，也是目前应用最为广泛的无线局域网标准，一般工作在2.4 GHz频段或5 GHz频段。表1介绍了WiFi标准的演进过程和核心技术。

表1 W iFi标准演进过程Table 1 W iFi standard evolution

WiFi的技术优势主要体现在以下几个方面［7］：

1）组网便捷。由于WiFi技术是一种无线技术，所以组网时就免去了布线工作，只需一个或多个无线AP（接入点），就可以满足一定范围的联网需求。节省了组网成本，缩短了组网时间。

2）无线电波覆盖范围较广。802.11n信号覆盖半径可达300 m左右，可以满足较大覆盖范围的联网需求。

3）投资经济。缺乏灵活性是有线网络的固有缺点。在规划有线网络的时候，需要提前考虑到以后的发展需求，这就会导致大量的超前投资，进而出现线路利用率低的情况。而无线局域网可以随着用户数的增加而逐步扩展，一旦用户数量增加，只需增加无线AP，不需要重新布线，与有线网络相比节约了很多网络建设成本。

4）传输速度快。现在主流WiFi标准的传输速度基本能够满足绝大多数应用网络带宽的需求。最新的802.11ac支持的传输速率可达1 Gbps。

5）业务可集成。WiFi技术在OSI参考模型的数据链路层上与以太网完全一致，所以可以利用已有的有线接入资源，迅速部署无线网络，形成无缝覆盖。

由于WiFi技术是无线局域网最主流的技术，地面应用已经非常广泛。主流的芯片厂商如TI，Broadcom，Qualcomm Atheros，Marvell等都推出了WiFi芯片，其中既包括终端的芯片解决方案，也包括AP的解决方案。支持的标准包括802.11a/ b/g/n等系列标准。

目前市场上WiFi应用的主流标准是支持MIMO和OFDM的802.11n标准，最高传输速率可以达到300 Mbps以上［8］。基于802.11ac的芯片也已开始出现，最快可以达到千兆以上的传输速率，为将来更多的大数据应用提供了技术保障。因此，空间站无线组网采用WiFi技术是最佳选择。从芯片选型上看，WiFi有充分的选择余地。从标准上看，IEEE 802.11是公开标准，而且是不断向前演进的主流标准，将来也基本可以保证技术上的先进性。

由于采用WiFi技术的无线通信主要在空间站舱内使用，所处环境中的噪声和电磁干扰相对舱外空间带电粒子、原子氧、微流星体、空间碎片、紫外辐照等共同作用形成的电磁干扰相对较小。因此舱内基于WiFi技术的应用所受空间站环境的影响并不大，如果WiFi头戴出现工作异常，可以采用复位的方法快速重新启动工作。

3 WiFi头戴应用场景

空间站WiFi头戴主要为航天员提供话音通信服务，根据空间站WiFi信号覆盖方式可以把应用场景分为两大类，即舱内WiFi话音通信和舱外WiFi话音通信。舱内的WiFi通信主要为舱内的航天员提供WiFi话音通信服务，航天员可以和舱内的其他航天员或地面人员进行话音通信。舱外的WiFi通信主要为航天员的出舱活动提供话音通信服务。

根据WiFi话音通信的具体应用场景，WiFi头戴可以提供以下几种常用功能：

1）WiFi头戴之间的话音通信：WiFi头戴之间可以相互通信，航天员和航天员之间通过佩戴WiFi头戴就可以进行呼叫和接听，而不像有线头戴那样，航天员要先走到固定的位置去佩戴有线头戴。在我国空间站的规划上，将有1个核心舱和2个实验舱，不同舱内的航天员之间有时需要协调和交流［1］。通过佩戴WiFi头戴，航天员在任何位置都可以与其他航天员进行方便快捷的通信。如图1所示，实验舱A和实验舱B的两个WiFi头戴之间通过无线网络建立起通信链路，相应的话音信息流数据就可以在该链路上进行传输从而达到话音通信的目的。另外还包括航天员的出舱通信，比如将来空间站的在轨维修，航天员要走出空间站，到达故障现场，带上WiFi头戴就可以很便捷地和舱内航天员进行通信。

图1 W iFi头戴之间通信示意图Fig.1 Illustration of communication between two W iFiheadsets

图2 W iFi头戴无缝切换示意图Fig.2 Illustration of seam less sw itch ofW iFi headset

2）WiFi头戴和有线头戴之间的通信：目前神舟飞船和天宫一号目标飞行器上的航天员还是使用有线头戴。有线头戴技术成熟，性能稳定可靠。在将来一段时期内，无线头戴还无法完全取代有线头戴，有线头戴仍然还是可靠的主要话音通信工具。因此，WiFi头戴仍然要和有线头戴之间进行话音通信。

3）WiFi头戴和地面之间的通信（任务话、专用话）：空间站上的话音通信还包括和地面之间的通信，主要有两种业务类型：一类是任务话，一类是专用话。任务话主要是地面站指挥人员和航天员之间的通话，优先级较高；专用话主要用于航天员和地面人员如家人或医疗保健人员的通话。

4）WiFi头戴加入多方会议电话：多名航天员和地面人员之间或航天员之间的电话会议是一个常见的话音业务场景。由于航天员本身是移动的，通过WiFi头戴就能接入会议电话，对航天员来说将是很方便的一个应用。

5）WiFi头戴话音切换（舱与舱之间、舱内和舱外之间）：在WiFi头戴的无线话音通信中有一个重要的应用场景，即无线话音通信的无缝切换，航天员要在移动的过程中保持话音通信的连续性。如图2所示，在WiFi头戴从实验舱A往实验舱B移动的过程中，实验舱A的WiFi信号会越来越弱，而实验舱B的信号会越来越强，在实验舱A的信号强度降低到一定的阈值时，会触发WiFi头戴断开和实验舱A中AP的连接，并重新连接到实验舱B中的AP。

4 系统设计方案

通过前面的分析，WiFi头戴在空间站的话音通信方面具有广泛的应用前景，在技术上相对传统的有线头戴有明显的优势，可以让航天员畅享自由的无线话音通信服务。

图3 话音通信系统示意图Fig.3 Illustration of voice communication system

在空间站的话音通信系统中，话音处理器是核心，如图3所示。话音处理器提供天地间、舱内外双向话音通信服务，完成天地间传输话音的编解码、加解密及话音混音分配等功能，同时对网络话音终端进行集中管理，接收各个话音终端的状态数据、话音数据，为每个话音终端分配混音资源，将处理后话音送给相应终端进行播放，实现话音的网络传输。

WiFi头戴是话音通信系统中的话音终端设备，主要负责话音的采集和播放。从话音头戴的结构上来看，WiFi头戴可以继承有线头戴的物理结构及其他所有的声学特性，只是需要在头戴上嵌入一个具有WiFi收发功能的模块。从系统设计来看，整个WiFi头戴设备主要包括以下4个模块，即送受话器、话音编解码模块、WiFi收发模块和主控模块，如图4所示。

图4 W iFi头戴模块示意图Fig.4 Illustration of W iFi headsetm odules

其中话音编解码模块主要负责16 bit/32 kHz PCM话音原码与模拟话音信号间的转换。可以选用内部集成模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）的话音编解码芯片。从受话器采样的话音数据经过模数转换并通过数字音频接口传输给主控模块的微处理器。同时也接收从微控制器发过来的数字话音数据并送给送话器进行播放。

主控模块是整个系统的控制中心，主要负责对话音编解码芯片的配置，设置话音编解码器相关的配置参数，如话音采样的精度和话音采样的采样率，还有对从话音编解码模块来的数字话音数据的处理和转发。另外还要负责WiFi收发模块芯片的控制，其中有涉及WiFi通信参数的配置，以及主机接口的管理，以及对从WiFi收发模块来的数字话音数据的处理和转发。

WiFi收发模块主要负责对数字话音数据的无线收发处理，以及对802.11协议的支持，主要是802.11 MAC/PHY协议的实现，还有对安全加密等功能的支持。从微控制器接收到的数字话音数据要经过802.11协议处理并通过天线发送出去。同样也要从天线接收到的数字话音数据解调出来并进行相应的处理并送给主控模块的微控制器。

5 硬件设计方案

WiFi头戴的硬件设计主要包括图3中提到的话音编解码模块、主控模块和WiFi收发模块的设计。下面就分别介绍这几个模块的硬件设计。

5.1 话音编解码模块

话音编解码模块主要采用TI公司的话音编解码芯片TLV320AIC23B-Q1，该芯片可以扩展到工业级温度范围，支持多种数字音频接口，支持多种控制接口，可以方便地与微控制器或DSP配合工作。芯片上电后由微控制器或DSP通过控制接口写入控制字后即可工作。

该芯片是一个高性能立体声音频编解码器，内置的ADC和DAC采用过采样数字插值滤波器的sigma-delta技术。采样精度支持16位，20位，24位，32位。采样速率支持的范围是从8 kHz到 96 kHz［9］。由于话音处理器要求的话音采样规格是16 bit/32 kHz，上述芯片可以满足话音处理器的需求。

该芯片支持多种数字音频接口，如Right-justified模式、Left-justified模式、I2S模式、DSP模式。本设计方案采用其中的I2S模式，其时序控制图如图5所示［9］。

图5 I2S时序控制示意图Fig.5 Illustration of I2S tim ing control

图6 2线时序控制示意图Fig.6 Illustration of 2-w ire tim ing control

该芯片的控制接口支持以下两种模式：SPI模式，2线模式。本设计方案中采用2线模式，一根时钟线，一根数据线，其时序控制图如图6所示［9］。

5.2 主控模块

主控模块主要采用Marvell公司的微处理器芯片88MC200，这是一款集成32位ARM Cortex-M3高性能处理器的微控制器。其自带软件可编程的时钟，最高可达200 MHz，另外片内还自带512 kB内存，1MB串行Flash，自带片上DC-DC转换器。该芯片也供丰富的IO接口，支持以下常用接口：I2C，SSP，SDIO，UART，SPI，GPIO等。其中同步串行协议接口SSP可以兼容I2S接口，用来在话音编解码模块和主控模块之间传输数字话音数据［10］。

其中，安全数字输入输出接口SDIO（Secure Digital Input Output）是主控模块和W iFi收发模块的接口。它的优点是传输速度快、兼容性好及可扩展性强，是目前应用十分广泛的一种外部扩展接口［11］。如图7所示，图中SDIO-CLK为时钟信号，由主机控制器提供。SDIO-CMD为1位双向命令总线，用于命令和响应信号的传输。SDIO-DATA为4位双向数据总线，用于数据的传输［10］。

图7 SDIO接口示意图Fig.7 Illustration of SDIO inter face

5.3 WiFi收发模块

WiFi收发模块主要采用Marvell的WiFi芯片88W8787，该芯片是支持IEEE 802.11n标准的双频段片上系统芯片，同时支持2.4 GHz和5 GHz频段，同时后向兼容802.11a/b/g标准。支持高速率的数据传输，最高可达100 Mbps以上，完全可以满足上述话音传输带宽的要求［12］。

该芯片功能强大，内置一个兼容ARM V5的一个微处理器，支持的时钟频率最高可达160 MHz，内置用于收发数据缓冲的存储器，支持的主机接口包括SDIO，且SDIO接口的最高传输速率可达50 Mbps［12］。

综观整个硬件设计方案，可以看出该方案整体性能指标突出，支持主流802.11n标准。不仅完全满足目前无线话音通信的要求，而且可以考虑数据通信方面的应用。缺点是选用的WiFi芯片目前只能达到工业级的标准，后续最好需要相应的宇航级国产化芯片。

6 软件设计方案

整个软件系统是一个嵌入式实时系统，Marvell提供相关的软件开发包。整个软件开发包主要包括以下几个部分：

1）核心实时软件模块

免费的实时操作系统，TCP/IP协议栈软件，MarvellWLAN驱动和固件，接口驱动等，数字话音数据传输相应的接口主要是微控制器和话音编解码器的控制接口以及数字音频接口，以及微控制器和WiFi芯片的SDIO接口。

2）中间件模块

WLAN连接管理，配置数据管理，网络配置管理，固件实时更新等功能。

3）传输层安全模块

该模块主要是支持一些常用的安全功能，主要包括数据的加解密，报文的鉴权等。

4）应用程序框架

应用程序框架主要是提供一个通用的状态机框架，AP和WiFi站点连接的常用信令流程通过状态机来实现。

5）WiFi固件

WiFi固件由Marvell提供，固件实现WiFi芯片的所有功能。该固件存储在主控芯片的Flash中。

整个WiFi软件工作的流程是系统上电后，主控芯片会从Flash中读出WiFi固件，然后通过SDIO接口下载到WiFi芯片中。一旦下载成功，WiFi模块就处于工作状态，可以通过应用程序来控制收发话音数据。整个软件流程如图8所示。

7 结论

通信网络是空间站上一项重要的信息基础设施，承担着话音、图像、多媒体业务数据和科学试验数据的传输任务。空间站无线局域网是空间站通信网络的重要组成部分，WiFi头戴将是基于无线局域网的一项重要应用。提出了一种WiFi头戴的设计和实现方案，硬件方案主要采用现有的ASIC专用集成芯片，其中包括微处理器芯片、WiFi收发芯片和话音编解码芯片，软件方案主要基于WiFi SDK开发。可以实现支持802.11n标准的适合于空间站航天员使用的WiFi头戴。

图8 软件流程示意图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

董彧焘（1977-），男，博士，工程师，研究方向为无线通信。E-mail：sjtudyt@163.com