（信号与信息处理专业论文）sipisdn语音媒体网关.pdf

摘要 摘要 i p 网络和电信网相融合，逐步发展成下一代网络( n ( n ) ，是 通信技术发展的必然趋势。本论文研究一种称之为s i p i s d n 语音 媒体网关的设备及其相关技术，把电信网通过i s d n 接入方式与i p 网络连通，在口网络一侧支持会话初始化协议( s 口) 。 本论文根据软交换体系中“媒体网关”概念及内涵，设计出 了一种有效的s 口i s d n 媒体网关的解决方案，并且在实验室已经 搭建成型的s i p 软交换系统基础上，实现了从i s d n 到口分组网 络问信令和媒体的映射。基于w i n d o w s2 0 0 0 平台的s 口一i s d n 语 音网关，采用网关分解的思想设计，并通过分析s 口、r t p ，r t c p 等多种协议，利用i s d n 适配卡，实现了前端接入模块、信令映射 与控制模块、媒体处理模块；涉及到c a p i ( c o m m o n i s d n a p i ) 接口编程，网络编程等多项软件技术， 总的来说，本论文通过对媒体网关相关技术的研究，构建了一 个具有成本低廉，简单实用，效果好，低延时等优点的语音媒体网 关，是一种结合i s d n 和s i p 技术的有效应用，将i s d n 的广泛应 用性与s 口这种新技术有效地结合起来，在新一代呼叫中心、分布 式企业语音通信平台等方面都有着广阔的应用前景。 【关键字】媒体网关，n g n ，i s d n ，s i p ，c a p i a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec o n v e r g e n c eo ft h ei pn e t 、o r ka 1 1 dt h et e l e c o i 啪u n i c a t i o n n e m o r kd e v e l o p st 1 1 en e x tg e n e r a t i o nn e m o r k ( n g n ) g r a d u a l l y t m s i st h ei n e v i ta _ b l et r e n do fc o m m u n i c a t i o nd e v e l o p m e n t t h ep a p e r r e s e a r c h e st h es p i s d nm e d i ag a t e w a ya 1 1 dt h ec o n e l a t i o n t e c l l i l o l o g i e s t h eg a t e w a yi s a n i m p o r t a n td e v i c em a tc o 吼e c t st h e i s d na n di pp a c k e t s w i t c h i n gn e t w o r kw h i c hs u p p o n sm es e s s i o n i n i t i a l i z a t i o np r o t o c o lf s 口) a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so ft h em e d i ag a t e w a y h a v eb e e nd i s c u s s e d ，t h i sp a p e rg i v e sa 1 1e 虢c t i v ed e s i 9 1 1o fs i p i s d n m e d i ag a t e w a yc o n n s i d e i l i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fe x p e d m e n t a ln e t w o f k w h i c h i i n p l e m e n t st h em 印p i n go fs i g n a la i l dm e d i ab e t w e e n t h ei s d n l i n ea n ddp a c k e t s w i t c h i n gn e t w o r k t h ega t i 暑w a yi sb a s e do nm es p s o n s w i t c hs y s t e mo ft h es p e e c hl a b o r a t o r yh a sd e v e l o p e d t h e s p - i s d ns p e e c hm e d i ag a t e w a yp r e s e m sm em o d u l a r i z a t i o nd e s i 印 o fm e d i ag a t e w a y ；a n a l y s e st h es pa i l d 砌r p i 玎c pp r o t o c 0 1 sa i l du s e s t h ec a p ip r o 伊a m m i n gt e c l l l l 0 1 0 9 yt od e v e l o pt h ec o m e c tm o d u l e ， s i g n a l i n gm 印p i n ga n dc o n t r o lm o d u l e ，m e d i ap r o c e s s i n gm o d u l e t h e d e v e l o p m e n to fm eg a t e w a yr e l a t e st oc 久p i ，n e t w o r ks o c k e t p r 0 罂a m m l n gt e c n n o l o g l e s b a s e do nt h er e s e a r c ho fr e l e v a n tt e c h n 0 1 0 9 i e s ，t h i sp a p e rs h o w sa s o l u t i o nt os p e e c hm e d i ag a t e w a yw h i c hh a sr e a s o n a b l es t m c t ，s t a b i l e p e 0 肌a i l c ea 1 1 dl o wc o s t t h em e d i ag a t e w a yi sa p p l i e di nm a n y f i e l d ss u c ha s n e wg e n e r a t i o nc a l lc e n t e rs v s t e m ”a 1 1 d d i s t r i b u t e d c o m m u n i c a t i o np l a t f 0 咖f o re n t r i p r i s e ”b e c a u s eo fi t sn e x i b l e c o n f i g u m t i o n s 【k e yw 6 r d s 】m e d i ag a t e w a y n g n ，i s d n ，s i p ，c a p i 独创性声明 y 8 7 9 8 2 0 本人声明，所呈交的学位论文是我个人在导 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽 本人所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教 学机构的学位或证书而使用过的材料。与我一起 工作的同志对本研究所做的任何贡献已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：砸 日期：止年l 月翌日 综述 第一章综述 1 1 论文的选题鹜景及意义 1 1 。l 以软交换为核心的k g n 体系结构 随着计算枫的普及，人们对数据逶信豹需要e j 趋增长，随着 p s t n i s d n 、i n t e m e t 和移动通信匏普及以及接入带宽能力的扩 大，可以预知，未来运营商竞争的焦悫已不仅在于其带宽有多大、 接入手段多么丰富，箍在予其业务或服务的提供能力，在于其业 务或服务的质量与价格。现有技术的不断提高，使现存的相互独立 的电信网、计箨机网和有线魄视网有了一个公共点，三阏合一成 为可能，这个公共点藏是l p 。人们针对弱嚣豹技术条件和数据需 求，提出了“下一代网络( n g n ，n c x tg e n e r a t i o n n e 帆。威) ”的 概念。 n g n 豹权藏定义是：n g n 是一个分级网络，它提供包括电 信业务在内的多种撤务，能够稠用多种带宽矛日具有q o s 能力的传 送技术，实现业务功能与底层传送技术的分离；它提供用户对不 同她务提供商网络豹自由她接入，并支持通用移动性，实现用户 对业务使用的一致性和统一憔。这一长远目标需要进行不断的努 力来加以实现。n g n 的定义比较宏观，具体来讲我们的理解n g n 是包括交换、传输、数据、接入和移动等领域豹新技术。 目_ | ； f ，从业务需求方丽看，数据业务正逐步超越语音并将成 l e 索交遴大学硪士学痿论文 勾未来婀终豹主导姚务，但运蕾辩超过8 0 的娥务收入仍浓囱话 蕾效务：麸技术避步方嚣，蛩技术熬逐猛发震健接统豹电傣斓、 专算机嘲以及有线电视髓三大彳亍渡的技术差掰藏在逐步消失，技 术的融合将引发潮络融合、业务澈合及产业融合。如何运用新兴 嚣蹲终技术建设一个霹持续发袋的弼络，在绦诞运营赛当i 箨谗鸯 谈蕊嬲潮融，又满足朱来的数摄多媒体业务楚提豳下一代网络 ( n e x t g e n e r a t i o n n e 撕。呔) 的根本出发点。 隧整运年来餮惑癸电售枣场野藏、竞争雩l 入熬步戎不鼗麓映， 以谬啻、多媒体网络与数据通信瓣络融合、分屠控制及统一讲承 载为代装特征的n g n 正在悄然f 向我们走来，越来越多的遮营商 歪纷纷开始藿手蘩建n ( 黼实验潮终。 n a n 飘功糍上可被分为泣务簏、控制屡、传送层和按入层， 备层之间通过标凇的协议互连 业务膻崩层匿夔雯 删层鬯翌整到g 茎竺竖刻 一一7 一一、 传输层( 核心分组网 ) 一一一一一一一一一一+ 。7 圈一翻 圆圆圆 到l l 以软交换为核心的n g k 体系结翰酗 1 业务层 在n g n 中，业务层由一系列的业务应用服务器组成，提供 各种各样的业务控制逻辑，完成增值业务处理。同时提供开放的 第三方接口，以方便地引入新型业务。主要的业务应用编程接口 有p a r l a y a p i 等【2 】o 2 控制层 控制层是n g n 网络的核心，主要包括软交换设备，主要完 成多媒体呼叫和业务的控制、连接、路由、计费、认证、业务提 供等功能。控制层向业务层提供丌放的a p i 接口，使业务提供者 可自由结合承载业务与控制协议，从而快速、灵活、有效地开发 新业务。 3 传输层 传输层指核心传输网，包括提供i p 包转发的各种承载功能的 实体。n g n 采用高速分组化的核心承载，不论话音、数据还是视 频，一律数字化，采用高速包交换分组网络，实现电信网、计算 机网和有线电视网三网融合，同时支持语音、数据、视频等业务。 4 接入层 接入层包括各种接入网关、中继网关、媒体网关、智能终端 以及综合接入设备( 1 a d ) 。各类网关和智能终端主要实现媒体流 格式的转换和传送，从而实现语音分组在分组网的承载和传输。 通过接入网关、中继网关等网关，可实现与p s t n ，p l m n ，i n t e m e t 等网络的互通，有效地继承原有网络的业务。 i t u t 列出如下七方面作为n g n 的基本特征：基于分组传 送；控制功能与承载能力、呼叫会晤及应用业务能力分离；通 j 京交通大学硕士学位论文 过开放接霸，业务的提供与网络独立开发：支持广泛类型的业务 包括实时、滚媒体、非实时业务和多媒体业务；舆蠢端对端透明 性豹宽带能力；与现有网互逶；通用移动性；髑户无掬束豹接入 和对业务的自由选择熊力嘲。 软交换是一种功能实体，为n g n 掇供其窍实对牲要求的业 务的呼叫控制和连接控制功能，是n g n 呼日q 与控制的核心【”。简 孳地看，软交换是实现传统程控交换机艉“呼日q 控制”功能的实 体，僵传统的“呼q 控制”功能是和业务结合在一起的，不同的 业务| ；唾需要的呼叫控制功能不同，丽软交换对是与业务无关的， 这就要求软交换提供的呼叫控制功能是各种业务的基本呼叫控制 。 软交换主要完成以下功能： 1 媒体网关接入功能 该功能可以认为怒种适配功能，它可以连接器种媒体嘲关， 如p s t n i s d n 疆中继媒体网关，艇m 媒体网关、用户媒体网 关、无线媒体网关和数据媒体网关等，完成h ，2 4 8 协议功能。嗣 时还可以壹接与h 3 2 3 终端和s 转客户端终端进行连按，提供耱 应的业务。 2 呼h q 控制功能 呼q 控制功能是软交换的重要功能之一，它为基本呼日q 的建 立、维持和释放提供控制功能，包括呼口q 处理、连接控制、智能 呼口q 触发捡出和资源控制等，可以说是整个嘲络的灵魂。 3 妲务提供功能 由于软交换在阙络从电路交换向分组网演进的过程中起着十 分重要的作用，因此软交换应能够实现p s t n h s d n 交换机提供 的全部业务，包括基本业务和补充业务；同时，还应该可以与现 有智能网配合提供现有智能网的业务。提供可编程的、逻辑化控 制的和开放的a p i 协议，实现与外部应用平台的互通。 4 互连互通功能 目前，h 3 2 3 和s p 是分组网内两大相互竞争的协议，其中， h 3 2 3 协议是i t u t 制定的标准，s 协议是t f 制定的标准， 两者均可以完成呼叫建立、释放、补充业务和能力交换等功能。 h 3 2 3 协议采用了i s d n 的设计思想，采用q 9 3 1 协议完成呼叫 的建立和释放，明显具有电信网可管理性和集中的特征。目前， h 3 2 3 协议已经在网上得到广泛的应用，与s 碑比较，h 3 2 3 更 成熟，因此目前我国各运营商的口电话网均选用该协议。而s 口 协议具有简单、扩展性好以及和现有的i n t e m e t 应用紧密结合的 特点，许多人认为该协议比较容易实施，最近在美国得到快速发 展，同时s 将在第三代移动通信核心网和智能业务中得到广泛 应用。支持多种协议是软交换的主要特点之一，因此软交换应可 以同时支持这两种协议。 5 网守功能 即接入认证与授权、地址解析和带宽管理功能。 6 操作维护功能 主要包括业务统计和告警等。 7 计费功能 i 京交通大学硕士学位论文 l 。1 2从p s t n 锺s d n 向n g n 的演迸 综合业务数字网( i s d n ) 是近年来广泛应靥的一种电信监务， 它从综合数字网( i d n ) 演变两来，将覆盖率缀高的电话网和其 有数据传输能力的数字数据网枣效地结合起_ 柬，不但可缓灵活翘 向用户提供传真、语音、可视图文，i n t e m e t 接入等多荦孛她务服务， 而且较以经大大篼节省了开支f 6 】。现在塔d n 豹应用广泛，包括： 高速接入i n t e m e t ，会议电视，远程教学、医疗，工业自动化，数 掇专线的赢遮备份等等l a n 内，实现每个蠲户可以同时上网和 打电话。从实际应用的角度来讲这不但是可行的，更具有魅力的 缝方是能够经济丽有效地实现中小企业的办公信息化。 n g n 的主要霞标是：支持实时的多媒体业务，缩减服务投向 市场的时阍，支持多静接入方式和多种接入终端，支持移动性， 确保现有网络豹乎游演进以及具有经济、可扩展的网络结构【3 】。 其中，从p s t 喇l s d n 向n g n 的演避已经是所有电傣运营商，特 别楚传统电信运蓉商所特别关注的熏点。 n g n 的演遴策略是把今天交换枫的整块构件分解成为各个 单独的网络层，对话音和数据采用基于分级模式进行传输，并通 过标准的_ 丌放式接口进行互逶。交换机的基本呼q 处理智能化， 基本上与交换矩阵硬件脱离了关系，丽驻留在叫做软交换机的另 一个装置( 也称为媒体网关控制器或呼e q 代理) 中，软交换枫在新 的体系结构中充当管理元素。 这魏对处在新生及试验阶段的n g n 网络与鹜前广泛部黉显 处于主导地位的p s t n i s d n 网终的有效互遽提畿了很篱的要求， 6 综述 因为在相当长的一段时期内，与p s t n i s d n 用户互通的话务量 必将构成n g n 总话务及运营收入的主要部分。 1 1 3语音媒体网关研究的现状和意义 由n g n 的分层结构可以看出，位于接入层的媒体网关在 n g n 中扮演着重要的角色，任何业务都需要媒体网关在软交换的 控制下实现。媒体网关将各种用户和网络接入到传送网络层，同 时媒体网关也要接受位于控制平面的软交换设备的控制，由此可 以看出，网关将是传统电信网络向n g n 演进的一个重要部分。 n g n 要取得成功，离不开各种媒体网关的综合业务接入能力 和在软交换系统控制下实现具体业务的能力，n g n 技术以业务为 核心展开，而业务关系到各个方面的问题，媒体网关设备只是这 些业务链条中重要的一个环节。从某种程度上讲，媒体网关与软 交换系统的配合决定着下一代网络的网络体系架构。 根据权威预测，未来5 年全球n g n 的市场空间将超过百亿 美元。而2 0 0 4 年标志着n g n 正式步入快速上升期。目前，在国 内，中国联通、中国电信、中国网通、中国移动都在着手软交换 网络建设规划和试验，即将进入大规模、实质性部署阶段。很多 公司也纷纷提出了下一代网络的整体解决方案。例如，西门子面 向下一代网络的语音与数据的融合提出了s 切 p a s s 的整体解决 方案，其中的s i 瓜p a s sh i g l 0 0 0 是媒体网关，它可以支持口传 真、m o d 锄和i s d n 等。阿尔卡特的n g n 整体解决方案中有系 列接入设备，其中的l l f e s 口a n 一1 5 4 0 接入网关是支持多种能力的综 j s 京交遴大学琰学谴论文 合按入嗣关设备，支持p ，a t m 接入核心网，支撩模拟用户线接 久( 毒8 游0 t s ) 黧l s d np r 礴；黜等。孥烫公通兹酱一s y s 中继 媒体网关t m g 8 0 l o ，提供了丰襄的t d m 接圈，还内置了僚令网 关豹功娆。 毽蹙上述夔器秘媒落嚣关功能都毙较复杂，嚣显多是整合在 珏3 2 3 系统当中，对于我们构建自己小型的邋馆系统，糖涮熄应 用于中小蕊模孵口q 中心系统并不怒非常适用，所以有必要囱主研 潮蕊肇裹效、凌翡爱添、戏誊较羝鹣媒体耀关，褥建黧肖独立舞 识产枚的媒体网关系统。 薹3 2 3 和s 口都是作为多媒体遴信瓣疲用滋控制( 傣令) 协 议，均邋用予銎逛谗。它秘憨实瑷鳍售令功黢基本鞠嚣，也帮穰 用r t p 作为媒钵传输豹挤议。假两者豹设计风格截然不同，这是 出于其推出的甄大阵营( 电信领域与h l t e m 蜕领域) 都想沿袭自 己豹传统。王王。3 2 3 怒出国舔毫联褥赛来熬，它念强挺礤惫镭当终 是众艨周知的传统淑话，只是传输方式由电路交换变成了分组交 换，赫如同摸拟传输变成数字抟输、网轴电缆传输变成了光纾传 输。箍s 臻铡霎予将译惫话襻为魏t e m c | 上黪一令纛蔼，较獒 龟 应用( 船f t p ，e ，m a i l 等) 增加了信令和q o s 的要求。 毛+ 3 2 3 推 出较晕，协议发展褥扰较成熟：出于英聚用的是传统豹实现电话 信令鹣模式，矮予与现有静电落阚互逶，稳糕瓣复杂餐多。s 癸 借鉴了其他i n t e m e t 标准和协议的设计思想，嚣其突出的优点： 罄先，它是基予文本鹁协议，嚣丑3 2 3 聚弼鏊予a s n 。l 桶越 缩编褥蠛赠酶二遂涮方法表示箕游怠，蠢戴，s 谬对鞋文本澎式 表示的消息的词法嗣语法分柝就比较篾单。 综述 其次，s i p 会话请求过程和媒体协商过程等是一超进行的， 因此呼日q 建立时间短，丽在h 3 2 3 中呼r q 建立过程和进行媒体参 数等协商的信令控制过程是分开送行的。 再次，h 3 2 3 为实现补充业务定义了专门麴协议，如h 4 5 0 。1 、 h 4 5 0 2 和h 4 5 0 3 等，丽s l p 只要充分利溺已定义的头域，必要 时对头域进行簿单扩展就能缀方倭地支持补充业务戴稽能业务。 最后，h ，3 2 3 进行集中、层次式控制。尽管集中控制便于管 理( 如便于计费和带宽管理等) ，但是用于控制大裂会议电话时， 辑- 3 2 3 中执行会议控髑功能的多点接铡荦元缀霹能成为瓶颈。而 s i p 类似于其他的h e m e t 协议，设计上就为分布式的呼叫模型服 务的，具密分布式的缎播功能。 在我国的m 电话领域，虽然h 3 2 3 协议已经在市场上得到了 广泛的应用，但是由于s i p 简单灵活、分布式控制等优点，并且 随着软交换等技术的发展，s 毋必将取代壬 3 2 3 ，成为礤领域内 运用最广泛的信令控镧协议。 所以，从本质上说，n g n 出市场驱动，最直接豹驱动力是 业务的开拓对网络提密新豹要求，丽网络无法满足这热要求两弓i 发的( “。本课题对于媒体网关的磷究砸楚基于这样的考虑，尽管 众多企业都撼出了自己的n g n 解决方察，丽且多家运营商都开 始部署了商用网络。但是，我们着眼予软交换技术豹一种实际应 用，结合具体的功能要求来研究和实现s i s d n 媒体网关，其 中不乏创造性的设计。两且能和实验室n g n 方灏的其它成果组 成一个完整的实验性系统，有很好雏实用价值。 9 l b 象交遥夫学颈七学继论文 1 2 论文的主要王住 本课题“基予较交换的s i p ， s d n 语脊媒体网关”隶属于 “n g n 技术在v o 糟系统中豹疲塌研究”，滚热学术性和寓蠲性 嚣令方嚣斡搂夏结合，主要工 乍瓤下： 程理论上，积极探索如何利用现有资源礴效逑迅速漶过渡到 来来的n g n 网终中。探讨了软交换体系中“媒体网关”概念貔 疼嚣，分褥了s 疆毽d n 语砉媒舔霜关懿功蕊要求。买俸工佟包 括： 1 分孝斥软交换体系下媒体阚关豹功能，根攒媒体翮关分解的恩 怒，撬邂s 碧一毽d n 谣毒媒体溺关翡艇凌方案。 2 ，总结c a p i 接口缡程豹特点以及c a p l 中消息的机制、消息的 缩构、对消息的操作沮及c a p | 的状态襁制，实现目端接入模块。 3 通过瓣i s d n 、s 撵信令静分橱，设诗了蕊令浃瓣与控铡模块， 实现了从l s d n 列i p 网络的信令泱射与媒体流的控制功能。 4 遴避分析r t p 擞譬e p 协议，利翅f i i t e 如f h 投沭实现媒体处理 摸块。 本论文的组织结构如下； 第一章：缝论；介绍了以软交换为核心的下代网络( n g n ) 的餐系结梅及发袋憝势，霹软交换翡特点稻葫戆及钵系缭褥避行 了总结；并从p s t n i s d n 向n g n 演进的过程中，分析媒体网关 的重要 乍用及研究懑义；通过比较s p 协议程较交换体系中发展 的傀势，阕述了零谍题所疆究开发魏s 撑塔d n 语齑媒体潮关瘊 具有的重要的研究价值与应用前景。 1 8 综述 第二章：s i p i s d n 语音媒体网关的设计；通过研究在相关标 准中媒体网关的定义、功能及分类，总结i s d n 网络特征与媒体 网关的相关技术，利用媒体网关分解思想，合理提出了s i p i s d n 语音媒体网关的设计方案。 第三章：s i p i s d n 语音媒体网关的软件实现；分析i s d n 网 络结构，总结c a p i 接口编程的特点以及c a p i 中消息的机制、 结构、对消息的操作以及c a p i 的状念机制，实现前端接入模块， 使信令和媒体流分别到达信令映射和控制模块、媒体处理模块进 行相应的处理；分析i s d n 网络和s i p 协议的信令机制，通过c a p i 接口，实现i s d n 与s i p 的信令映射：通过分析r t p r t c p 协议， 利用f i l t e m r a 口h 技术实现媒体处理模块。 第四章：s 口i s d n 语音媒体网关在软交换体系中的实际应 用；主要介绍了s i p i s d n 语音媒体网关在s i p 软交换体系的实 际应用情况及其意义与发展前景。 l 京交遵炎攀联士学整论文 笫二章s i p _ l s d n 谢酱媒体网荚的设计 本帮首先奔缁媒体黼关的定义、功能和分类，惑维了媒体糯 关中的关键技术，裣实验室所开缴的s 礤软变换系统豹藏丽窭上， 挺窭了s 弱墨 嚣霜媒体瓣美熬墓髂设诗方寨，这是零章熬羹杰e 2 1 媒体网关介绍 程襁关戆蒜潦渤( 懿强烈8 、凇p 孛，然髂瓣荚薮建义凳 是将一肇争阚络中的嫩体转换成另辩网络所蔡求的媒体格式的设 套。媒体鼹美麓够程电路交换辫的承载逶遂和分缨魏鹃豢体溅之 闻送行转换，露戳处理裔频、蕊频黢t 1 2 0 ，也：娶备楚璎这三者 任意缌合的能力，辨鼠能够进行垒双工豹媒体糊译，可以演示视 频啻频瀵爨，实骢篡纯l 娘功麓，阉辩还霹激进章亍媒搭会议譬。 2 1 1 媒体唾关的功能 漂搭瓣关懿秘髓主要絮下p j ； l + 溺户或网络按入功能 媒体嗣关负赏耪种蠲户或备糖接入潮络的练台接入，如蛰通 惫器藤户、i 鼹鼷热户、a 蚤s l 接入、鑫泰飘镯产接天裴p s 讯， l s d n 网络接入、v 5 接入和3 g 网络接入等。总之，媒体嘲芙设 备是嬲户或嗣户嗣络接入核心媒体层的“接翻阏关”。 2 s i p i s q 语音媒体网芙的设计 2 接入核心媒体网络功能 媒体网关以宽带接入手段接入核心媒体网络。目前接入核心 媒体网络主要通过a t m 或p 接入。a t m 是面向连接的第2 层 技术，具有可靠的业务质量( q o s ) 保证能力，口则是目前应用 广泛的第3 层技术，并将称为下一代核心网络的承载标准。 3 媒体流的映射功能 在n g n 中，任何业务数据都被抽象成媒体流，媒体流可以 是话音、视频信息，也可以是综合的数据信息。由于用户接入和 核心媒体之间的网络传送机制的不一致性，因而需要将一种媒体 流映射成另一种网络要求的媒体流格式。但是由于业务和网络的 复杂性，媒体流映射并不是简单的映射，它涉及到媒体编码格式、 数据压缩算法、资源预约和分配、特殊资源的检测处理、媒体流 的保密等多项与媒体流属性相关的内容。此外，对不同的业务特 性又有其特殊的要求，如话音业务对回声抑制、静音压缩、舒适 噪音插入等有其特别要求。 4 受控操作功能 媒体网关受软交换设备的控制，它绝大部分的动作，特别是 与业务相关的动作都是在软交换设备的控制下完成的，如编码、 压缩算法的选择，呼叫的建立、释放、中断，资源的分配和释放， 特殊信号的检测和处理等。媒体网关和软交换之间的特殊关系决 定了它们之问控制协议的重要性，m g c p 和h 2 4 8 就是软交换和 媒体网关之问的控制协议。 北京交通大学硕士学位论文 5 管理和统计功能 作为网络中的一员，媒体网关同样受到网管系统的统一管理 媒体网关也要向软交换或网管系统报告相关的统计信息。 2 1 2 媒体网关的分类 从设备本身讲，媒体网关并没有一个明确的分类，因为媒体 网关负责将各种用户或网络综合接入到核心网络，但并不是说任 何一个媒体网关设备都要支持所有的接入功能。媒体网关同样要 遵循丌放性原则，未来的n g n 中的媒体网关都要受到软交换系 统的统一控制。根据媒体网关设备在网络中的位置，可将其分为 如下几类川。 1 中继媒体网关 主要针对传统的p s t n i s d n 的中继媒体网关，负责 p s t n i s d n 的c 4 或c 5 的汇接接入，将其接入到a t m 或口网 络，主要实现v o a t m 或v 0 口功能。 2 综合接入媒体网关 综合接入媒体网关负责各种用户或接入网的综合接入，如直 接将p s t n i s d n 用户，e t h e m e t 用户、a d s l 用户或v 5 用户接 入。这类综合接入媒体网关一般放置在靠近用户的端局，同时它 还具有拨号m o d e m 数据业务分流的功能。 3 小区或企业用媒体网关 从目前的情况看，放置在用户住宅小区或企业的媒体网关主 要解决用户话音和数据( 主要指i n t e m e t 数据) 的综合接入，未 d s i p i s d n 语音媒体网关的设计 来可能还会解决视频业务的接入。 2 1 3 媒体网关在软交换体系中的应用 前面主要介绍了媒体网关在以软交换为核心的下一代网络 中的定义、功能和分类。那么在实际的软交换体系中媒体网关处 于什么样的位置呢? 结合第一章所述以及图l 一1 所示的以软交换 为核心的n g n 的体系结构，下图2 1 将介绍媒体网关在实际的软 交换系统所处的位置。 图2 1 媒体网关在软交换体系中的位置 在图示的网络中，各种服务器如数据库服务器、i v r 等处于 n g n 的应用层；s i p 服务器作为软交换机位于控制层：媒体网关 负责s c n ( 比如i s d n 、p s t n 等) 中的用户和i p 网中用户之问 的语音通信，位于接入层；而整个网络语音传输都是在i p 网络上 实现的。媒体网关作为接入设各总是在一个特定的网络环境中完 成的。 媒体网关要完成了i s d n 网络与i p 网络的互联互通，将主要 北京交通火学硕士学位论文 涉及到信令的映射与媒体格式的转换，也是s i p i s d n 语音媒体 网关的理论依据，具体的设计方案将在后面详细讨论。 由图2 一l 也可以看出，作为以软交换为核心的n g n 体系结构 一个实际应用，具有低成本、灵活、便捷等多种优点。只要通过 在计算机上安装软件电话就能实现内部的m 电话，再通过媒体网 关就能实现与普通电话的互通。另外，出于i s d n 的广泛普及和 s i p 软交换体系的不断发展，s i p i s d n 语音媒体网关无论作为技 术研究还是实际应用都有着巨大的意义。 2 2 媒体网关涉及的关键技术 媒体网关涉及的关键技术如下： 1 分组语音技术 用基于i p 的分组网络传输语音等实时媒体是下一代网络的 重要特征。媒体网关就要实现将模拟的语音信号转换成一定长度 数字化语音分组，采用“存储一转发”方式，以分组的形式在网络 上交换和传输，这项技术称为分组语音技术。 实现实时传输主要是采用实时传输协议( r t p ) 陋】。r t p 提供了 时问标签和控制同一会话中不同数据流同步特性的机制，可以让 接收端重组接收到的分组数据包。 2 语音编解码技术 模拟语音信号必须经过处理，转换成适合在i p 网络上传输的 i p 数据包。这个过程需要先进行a ，d 转换，变成p c m 码，然后 经过数据压缩，最后形成i p 数据包在网络上传输。 s i p i s d n 语音媒体网关的设计 语音编码可以分为两类：波形编码和参数编码，典型的波形 编码p c m 语音编码比特率为6 4 k b i t s 。参数编码是根据对声音 形成机理的分析，着眼于构造话音生成模型。目前小于1 6 k b s 的低比特率话音编码都采用参数编码。有影响的话音参数编码国 际标准主要是由i t u t 和数字蜂窝标准组织制订的。主要有 g 7 2 8 、g 7 2 9 、g 7 2 9 a 、g 7 2 3 1 等例。 在实际选择语音压缩的算法时，要综合各种因素。例如，高 比特率可以保证良好的话音品质，但要占用大量的存储空间，耗 费更多的系统资源；而过低的比特率又会影响话音品质和增加延 迟。所以在较低比特率的前提下保持较好的话音质量，是选择压 缩算法的原则。 3 网络协议技术 在媒体网关的实现中，协议的选择同样是一个重要的问题。 在呼叫控制信令协议中，国际上广泛流行的是h 3 2 3 和s 口协议， 在媒体网关控制协议方面主要是 l 2 4 8 和m g c p 的选择和比较。 由于这方面的内容对媒体网关的重要性，将在下面专门讨论。 2 3s i p - i s d n 语音媒体网关设计方案 下面详细介绍媒体网关的设计方案。主要内容包括：s i p 软 交换系统的介绍、s 口一i s d n 语音媒体网关功能描述、设计方案及 丌发平台等。 北京交通人学硕士学位论文 2 - 3 1 基于s i p 的软交换系统 如绪论中所述，目前国际卜- i p 网络通信的主要标准有h 3 2 3 和s i p ，两者都对i p 电话系统信令提出了完整的解决方案，初衷 都是作为多媒体通信的应用层控制( 信令) 协议的，但两者的设 计风格截然不同。s 口和h 3 2 3 主要用于i p 语音、视频通信领域， 同时也广泛地应用在以软交换为核心的下一代网络( n g n ) 中。 可以说，下一代网络架构体系主要由h 3 2 3 或s l p 软交换体系来 决定。事实上，软交换机也可以看成是在 l 3 2 3 和s i p 体系f ， 智能网关分解的结果。本课题主要研究在s 口体系下的软交换系 统。 基于s 口的软交换体系，具有网络结构简单，呼叫建立日j 问 短，具有分布式等多种优点。非常适合我们的实验网络的情况。 所以在这早我们采用s i p 体系。目前，实验室所建立的s i p 软交 换系统如下图2 2 所示： 剀2 2s i p 软交换系统 s i p i s d n 语音媒体网芙的设计 其中s i p i s d n 语音媒体网关使i s d n 网络与i p 分组网络 ( l a n ) 有效的连接起来，可以使任何一端的语音数据流低延时 地传送到另一端。 2 3 2i s d n 网络的特点 i s d n 是以综合数字电话网( d n ) 为基础发展而成的，能够 提供端到端的数字连接。普通模拟电话网采用了数字传输和交换 以后就变成i d n ，但是在d n 中，从用户终端( 比如电话机) 到 电话局交换机之问仍是模拟传输，需要配备调制解调器( m o d e m ) 才能传送数字信号。i s d n 将从一个用户终端到另一个用户终端 之嵋j 的传输全部数字化，包括了用户线部分，以数字业务形式统 一处理各种业务，使用户可以获得数字化的优异性能”。 i s d n 具有两种基本类型： 1 基本速率接口b r i ( b a s i cr a t ei t e r f k e ) b r i 是最常见的i s d n 接口，它提供两个b 通道和一个d 通 道( 即2 b + d 通道) ，b r i 的b 通道的速率为6 4 k b i t s ，主要用于 传输用户数据( 即媒体流) ；b r j 的d 通道的速率为1 6 k b i 讹，主要 用于传输控制信息( 即信令) ，主要用途是呼叫的建立和管理。一 个b r i 相当于两条电话线，电信部门给每个b 通道分配一个或多 个服务概要标识( s p i d ) 。具备2 个b 通道的b r j ，可提供1 2 8 k b i 洮 的接入速率。 北京交通人学硕士学位论文 2 主要速率接口p r j ( p r i m a r yr a t ei n t e r f a c e ) p r i 方式主要用于中心点路由器和数字p b x ，适合在网络中 心配置。p r i 的b 通道和d 通道均为6 4 k b i t s 。p r j 的标准各国不 尽相同，在北美洲和同本p 有2 3 个b 通道和一个d 通道( 2 3 b + d ) ，接口速率可达到1 5 4 4 m b i “s ；在中国、欧洲等i 羽家p r i 有 3 0 个b 通道和一个d 通道( 3 0 b + d ) ，接口总速率可达到 2 0 4 8 m b i “s 。 s i p i s d n 语音媒体网关采用基本速率接口b r j ( 即2 b + d ) 。 总的来说，i s d n 网络最显著的特点就是端到端的数字连接，以 及b 通道与d 通道实现的信令与媒体的分离，这将十分有利于 s i p i s d n 语音媒体网关的丌发过程中实现信令与媒体的分离。 2 3 3s i p i s d n 语音媒体网关功能描述 如图2 2 所示，s i p i s d n 语音媒体网关作为i s d n 网络和i p 分组网络之间的连接设备，主要完成信令的转换和媒体流的映射。 通过s p i s d n 语音网关，可以在一个l a n ( 局域网) 内虚拟多 用户分机，利用一条i s d n 线路，实现i p 网络与i s d n 网络的语 音互通。 因此，s i p i s d n 语音媒体网关必须完成g 7 l la 律p c m 数 字语音信号和r t p r t c p ( i p 包) 之间的转换，实现i s d n 网络与数 据网的融合；同时，它必须具有i s d n 信令处理功能，负责i s d n 网络和i p 网络信令的互通，即完成i s d n 信令和s i p 信令的转换。 如图2 3 所示。 2 0 s i p i s d n 语音媒体网关的设计 根据媒体网关的功能以及媒体网关分解的思想，可以将 s 一i s d n 语音媒体网关分解为信令网关、媒体网关控制器以及媒 体网关，下面将主要讲述这部分内容。 s i p r t p 图2 3s i p i s d n 语音媒体网关分解 2 3 4 信令网关、媒体网关控制器和媒体网关 在n g n 的发展过程中，国际标准化组织先后提出了m g c p 、 h g c p 、h 2 4 8 等一系列协议标准。其核心思路就是将原有的h t 3 2 3 网关进行功能上的分解，使之成为负责呼叫建立控制的媒体网关 控制器( m g c ) 和仅负责媒体流处理的媒体网关( m g ) 两个部 分。可见媒体网关的概念首先在h 3 2 3 体系中提出。媒体网关位 于接八层，本身不具有智能，要靠位于控制层的软交换的控制才 能完成完整的功能。目前国内通信标准推荐的是在软交换和媒体 网关之问应用h 2 4 8 协议。 然而在s i p 体系下，我们的网关与s 口软交换服务器之问是 应用s i p 协议传递消息。这里所谓的“媒体网关”与上面提到的 2 北京交通大学硕士学位论文 在h 3 2 3 体系下的媒体网关的概念不尽相同。我们的媒体网关实 际上含有一部分m g c 的功能，这样做的道理也是出于简化网络 元素的目的。对于p m x y 来说，这里的媒体网关就像一个普通的 s 口u a 。实际上目前业界对媒体网关的功能界定本身就不尽一 致。之所以将这里的网关也称为语音媒体网关而不是接入网关”、 “语音网关”是为了突出该网关工作在n g n 体制中实现异种网 络的互联互通功能，这也符合业界的习惯。 这里有一点要说明的是，媒体网关控制器如果视为信令网关 的功能模块，能独立完成对信令的处理，并直接与其它信令网关 或是数据终端互通，那么它应该支持s d 或是h 3 2 3 协议；若是 仅仅传送信令，指挥媒体通道的建立和释放，那么它应该支持 h 2 4 8 或是m g c p 协议。s p i s d n 语音媒体网关是第一种情况， 即将媒体控制部分作为信令网关的一个部分，支持s i p 协议。 2 3 5s i p i s d n 语音媒体网关的设计 首先，在理解s 口i s d n 语音媒体网关的在基于s 口的软交 换系统中的功能，以及上述的网关分解的思想( 如图2 3 ) ，合理 提出了s 一i s d n 语音媒体网关的结构，如图2 4 所示： s i p i s d n 语音媒体网关的设计 图2 4s i p i s d n 语音媒体网关设计 2 3 5 1 开发平台 s 疋一i s d n 语音媒体网关将以w i n d o w s2 0 0 0 操作系统为开发 平台，以i s d n 适配卡与c a p i 接口编程相结合作为开发的基础。 其中c a p l 接口编程技术将在下一章详细介绍。 目前市场上i s d n 适配卡品种齐全，价格低廉，而且绝大多 数都支持c a p i 接口编程。从知识产权保护的角度出发，自主研 发s i s d n 语音媒体网关是十分必要的；从软件开发的角度出 发，通过加载c a p i ，利用实验室已经成功开发的基础模块，通 过加载d l l 文件，可十分方便灵活的进行软件编程工作，从而高 效的完成s i p i s d n 语音媒体网关的开发工作。 2 3 5 2 前端接入模块 i s d n 适配卡可以将计算机通过n t l 和t a 与i s d n 线路相连 接。前端接入模块通过c a p i 接口编程，可以通过i s d n 适配卡 蔻京交通大学颈l ：学镑论文 接收i s d n 线路上传米的信号，根据i s d n 网络b 信道与d 储道 稳分离懿特点，终蕊令巍媒钵流镶号分离，并分潮薅谊令猿号弱 媒体流邀入信令映射与控制模块、媒体处理模块进行相应的处理； 反之，前端接入模块可以接收信令映射与控制模块、媒体处理模 块媾寒瓣信号，著遴嚣稿应躲处理，发送到l s d n 线薅中。 另外，前端接入模块还负责将接收到的i s d n 信令和媒体信 息翻译成c a p i 消息。 总黪来说，裁蝼攘久模块主要完成接天与分褰这秀大功缝。 前端按入模块的软件实现过程，将程下一章中进行详细的介缁。 2 。3 。s 。3 镶令浃射与控嚣| 模块 信令映射与控制模块主要完成i s d n 与l a n 中s p 的信令映 射，以及对媒体网关的控制功能。下面，将分别对这两个功能进 行奔绍。 1 信令映射 霉矮缓入模块将薅令蔫塞( 鞠：a p l 消息掇式豹售令痿惑) 传送到信令映射与控制模块中，本模块将完成c a p i 信令到s 舻 信令的转换。 2 控制功雒 信令映射与控制模块还负责对媒体处理模块的控制，主要负 责对媒体处理过程孛，呼i q 豹建立、释放以及镣理等。对媒体豹 控锖4 通谶c a p i 消息和信道管理枫制完成。 s i p i s d n 语音媒体网关的设计 2 3 5 4 媒体处理模块 媒体处理模块主要负责完成