（信号与信息处理专业论文）pstn媒体网关的硬件研制及其支持软件的开发.pdf

摘要 摘要 作为传统p s t n 网络和i p 网络融合的重要设备，p s t n 媒体 网关是保证p s t n 网络融入n g n 体系、实现“三网融合”目标 的关键技术之一。因此，研究p s t n 媒体网关技术有着十分重要 的现实意义。 基于对媒体网关功能特点的分析研究，本文给出了p s t n 媒 体网关的设计方案。p s t n 媒体网关采用p c 机加板卡的灵活实现 方式。媒体网关软件采用模块化的构建方案，分为p s t n 接口模 块、驱动程序模块、a p i 接口模块、流媒体处理模块以及管理和 配置模块。这种设计方案的采用可以使整个媒体网关的结构趋于 合理灵活。论文首先介绍了p s t n 媒体网关的硬件部分语音 卡的实现原理。然后，具体描述了p s t n 媒体网关软件部分的实 现。由于采用了层次结构和模块化思想，网关软件有效地实现了 既定功能。在处理p s t n 侧多路语音时，采用了双缓冲和多线程 技术，从而可以实现多路语音数据的实时并行处理。语音信号处 理是p s t n 媒体网关的重要功能之一，结合定点d s p 软件丌发的 特点，我们在p s t n 媒体网关中实现了d t m f 信号的生成和检测、 音频信号的生成以及c a l l e r d 信号的检测等信号处理功能。 总之，在实验室既有技术的基础上，本研究实现了p s t n 媒 体网关的主要功能。这些工作为后续p s t n 媒体网关应用系统的 丌发提供了良好的基础。 【关键字】p s t n ，媒体网关，d s p ，语音卡 a b s t r a c t a b s t r a c t a sa ni m p o r t a i l te n t i t yc o 衄e c t i n gp s t nn e t 、v o r ka n di pn e m o r k ， p s t nm e d i ag a t e w a yi so n eo ft h ek e yd e v i c e sw h i c he n a b l ep s t n n e t w o f kt oe v o l v ei n t on g na n dr e a l i z et h e2 0 a lo ft h r e en e t 、v o f k s c o n v e r g e n c e t h e r e f o r e ，r e s e a r c ho np s t nm e d i ag a t e w a vi so f 盯e a t i 1 】1 p o r t a n c e b a s e do na n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d 矗l n c t i o n so fm e d i a g a t e w a y t h ep a p e rp r o p o s e sad e s i g no fp s t nm e d i ag a t e w a y p s t n m e d i ag a t e w a yi si m p l e m e m e di naw a yo fp e r s o n a lc o m p u t e ra n d v o i c ec a r d ，a n dt h em e d i ag a t e w a ys o f t w a r ei s c o m p o s e di na m o d u l e - b a s e df r a m e w o r k w h i c hi n c l u d e sp s t ni n t e r f a c em o d u l e d r i v e rm o d u l e ，a p im o d u l e ，m e d i as 拄e a mp r o c e s s i n gm o d u l ea n d a d m i n i s t r a t i o n & c o n n g u r a t i o nm o d u l e t h ea d o p t e d 疔锄e w o r k m a k e st h ew h 0 1 es t r u c t u r eo f m e d i ag a t e w a yr e a s o n a b l ea n dn e x i b l e f i r s t l y t h ep a p e ri n t m d u c e st 1 1 ei m p l e n l e l l t a t i o no fv o i c ec a r d ，w h i c h i sam a i nh a r d w a r ec o m p o n e n ti np s t nm e d i ag a t e w a ms e c o n d l v s o r w a r ed e s i 趴o fp s t nm e d i ag a t e w a ，i sd e s c r i b e d a sar e s u l to f h i b e r a r c h ya 1 1 dm o d u l a r i z a t i o nu s e di nm ed e s i g n g a t e w a ys o f h a r e e f r e c t i v e l y r e a l i z e dt h ed e s i r e dc t i o n s i no r d e rt o p r o c e s s m u l t i c h a n n e lv o i c ed a t a ，w ea d o p tp i n g _ p o n gb u f 绝ra n dm u l t i t h r e a d t e c h n i q u e ，w h i c he i l a b l er e a l t i m ea n dp a r a l l e lp m c e s s i n g s p e e c h s i g n a lp m c e s s i n gi so n eo fm a i nf u n c t i o n so fp s 耶nm e d i ag a t e w a v u n d e rt h ed e v e l 叩m e n tr e q u i r e m e n ti nf i x e d p o i n td s p ，w er e a l i z e d s u c hs i g l l a lp r o c e s s i n gf u n c i i o n sa sd t m fs i 盟a l g e n e r a t i o na n d d e t e c t i o n ，a u d i os i 趴“g e n e r a t i o na n dc a l l e r dd e t e c t i o n i naw o r d ，w eh a v er e a l i z e dm em a i nm n c t i o n so fp s t nm e d i a g a t e w a yb a s e do nt h ec u r r e n tr e s e a r c hl e v e lo fo u r1 a b o r a t o r y a 1 l t h e s ew o r ki sh e l p f u lf o rt 1 1 em t u r ed c v e l o p m e n to fa p p l i c a t i o n s y s t 锄o f p s t nm e d i a 譬a t e w a m 【k e yw o r d s 】 p s t n ，m e d i ag a t e w a y ，d s p ，v j i c ec a r d 独创性声明 y8 7 9 s 3 6 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：值塑登 日期：d 移年月驴日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京交通大学有关保留、使用 学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的 复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存论文。论文中所有创新和成果 归北京交通大学计算机与信息技术学院所有。未 经许可，任何单位和个人不得拷贝。版权所有， 违者必究。 本人签名：堡澍 日期：d 6 年3 月事日 综述 1 综述 1 。1 论文选题的背景与意义 近年来，我国电信网络发展迅速，取得了巨大的成绩，综合通 信能力明显增强。但是，随着产业界的融合趋势，电话网、计算机 网、有线电视网趋于融合。网络负荷在不断增大，业务需求也趋于 多样化。这样，营商必须提供越来越多的多媒体业务才+ 能吸引住用 户，而这些新型的多样性业务，是目前p s t n 、p l m n 网络所难以 提供的。与此同时，飞速发展的数据网已经对p s n q 、p l m n 业务 形成分流，并将逐渐成为承载话音业务的基石。运营商已经积累了 丰富的v 0 i p 运营经验，但v o i p 只满足分组话音的基本需求，缺 乏丰富的业务功能。在这一发展背景下，基于软交换技术的下一代 网络( n g n ) 应运而生。 l 。1 1 ln g n 综述 n g n ( n e x tg 饥e r a t i o nn e t w o r k ) 是一个非常广泛的概念，它 是电信史上的里程碑，标志着新一代电信网络时代的到来。从广 义上讲，n g n 是一种目标网络，它表征了种具有宽带化、光纤 化、大容量、包交换( 分组交换) 、数据化、层次化、呼叫与承载 分离、快速丌发业务、集中部署业务等特征的理想网络。n g n 系 统可以向用户提供p s t n 语音业务、无线话音业务、基础数据业 北京交通人学硕十学位论文 务、多媒体数据业务等。目前，n g n 主要是从传统的以电路交换 为主的p s t n 网络逐渐向包交换网络过渡，它承载了原有 p s t n p l m s 网络的所有业务，同时把大量的数据传输卸载到i p 网络中以减轻p s t n p l m s 网络的重荷。传统的p s t n 网络是基 于t d m 的，它能提供的是6 4 k b i “s 固定速率的业务，业务和控制 是由交换机来完成的。这种技术虽然话音有优良的品质，但新业 务的提供需要较长的周期，在竞争同益激烈的市场面前显得力不 从心。n g n 正是从这一点出发，显示了其蓬勃的生命力忆 1 1 1 1 n g n 网络的特点 n g n 网络是可以提供包括语音、数据和多媒体等各种业务的综 合丌放的网络构架，有三大特征。 ( 1 ) 采用丌放的网络构架体系，其特点如下； 将传统交换机的功能模块分离成为独立的网络部件，各个部 件可以按照相应的功能划分，各自独立发展。 部件问的协议接口基于相应的标准。部件化使得原有的电信 网络逐步走向丌放，运营商可以根据业务的需要自由组合各 部分的功能产品来组建网络。部件间协议接口的标准化可以 实现各种异构网的互通。 ( 2 ) n g n 网络是业务驱动的网络，其功能特点是： 业务与呼叫控制分离。 呼叫与承载分离。 分离的目标是使业务真正独立于网络，灵活有效地实现业务 的提供。用户可以自行配置和定义自己的业务特征，不必关心承 载业务的网络形式以及终端类型，使得业务和应用的提供有较大 的灵活性。 ( 3 ) n g n 网络是基于统一协议的分组网络。 现有的信息网络，无论是电信网、计算机网还是有线电视网 都不可能从其中某一网络为基础平台来生长信息基础设施。但近 几年随着i p 的发展，才使人们真正认识到电信网络、计算机网络 以及有线电视网将最终汇集为统一的口网络，即人们通常所说的 “三网”融合。i p 协议使得各种以i p 为基础的业务都能在不同 的网上实现互通，首次具有了统一的为三大网络都能接受的通信 协议，从技术上为国家信息基础设施( n i i ) 奠定了最坚实的基础。 话音网络与数掘网络的融合必将成为网络发展的趋势 2 1 。 1 1 1 2 n g n 网络结构 n g n 网络在功能上可以分为如下四层如图1 1 所示 图l 一1n g n 网络分层结构图 北京交通火学硕十学位论文 接入层主要解决业务接入问题，这种接入可以是一个完整的 业务网络，如p s t n 、g s m 等，也可以是一些有线或无线的 接入网络，如局域网、a d s l 、h f c 、p o n 、c a b l e m o d e m 、 l m d s 等。接入技术发展很快，主要的问题是提高带宽。 媒体层主要处理由接入层送来的媒体，完成媒体类型的转换 和传送，还包括一些网管和统计功能。这一层硬件实体主要 是媒体网关和核心网络，根掘核心网、边缘网的网络划分模 式，媒体网关处于边缘网，作为用户和网络的接口，在控制 层软交换的控制下完成编码、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 功能。 控制层是n g n 中最重要的一层，主要是完成信令的处理，包 括信令网关、软交换等设备。信令网关完成传统网络信令( 如 p s t n 小o 7 信令) 与软交换所能处理的n g n 标准信令之间的 转换功能。软交换是n g n 的核心，负责处理各种呼叫控制信 令，保证它们的互通，并控制媒体网关完成呼叫的接续，还 要提供标准化的a p i 接口，使运营商可以自由的选择独立于 设备供应商的第三方软件丌发商，提供更具个性化和竞争力 的增值业务，为兼容现有网络，软交换还应该提供与当前智 能网s c p 的接口。 网络业务层处理业务逻辑，其功能包括i n 业务逻辑、认证、 授权、记帐功能( a a a ) 和地址解析，并且通过使用基于标 准的协议和a p i 束发展业务应用，其中的组成部件有智能网、 业务生成环境、应用服务器以及t m n 等。 4 1 1 1 3 n g n 核心构件软交换 软交换是n g n 的控制功能实体，为n g n 提供具有实时性要 求的业务的呼叫控制和连接控制功能，是n g n 呼叫与控制的核 心。 简单地看，软交换是实现传统程控交换机的“呼叫控制”功能的 实体，但传统的“呼叫控制”功能是和业务结合在一起的，不同的业 务所需要的呼叫控制功能不同，这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。相信未来的软交换应该是尽可能简单 的，智能控制功能则尽可能移至外部或应用层。 软交换主要完成以下功能2 1 。 ( 1 ) 媒体网关接入功能该功能可以认为是一种适配功能，它可 以连接各种媒体网关，如p s t n i s d ni p 中继媒体网关，a t 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。同时还可以直接与h 3 2 3 终端和s i p 客户端终端进行连 接，提供相应的业务。 ( 2 ) 呼q 控制功能呼叫控制功能是软交换的重要功能之一，它 为基本呼叫的建立、维持和释放提供控制功能，包括呼叫处理、连 接控制、智能呼叫触发检出和资源控制等，可以说是整个网络的灵 魂。 ( 3 ) 业务提供功能由于软交换在网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 i 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 北京交通人学硕士学何论文 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 口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 i p 协议是i e 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0 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 i p 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 i p 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 i p 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 ) 计费功能应具有采集详细话单的功能。 1 1 2 p s t n 向n g n 的演进 传统电信网络p s t n 经过几十年的发展，已经在全球范围内构 筑了一个安全、稳定、强大、丰富的通信网络。p s t n 网络综合了 各种接入技术，信令技术，传输技术，以及上层丰富多彩的业务应 用，但主要还是语言业务。一些非语言的业务，比如传真、拨号上 网等业务，也是建立在语言。业务的基础上的。随着通信事业的发展， 数据及多媒体业务的增长及其迅速，超过语音业务是大势所趋。 n g n 网络正是为了满足通信未来发展要求而应运而生的，它是面 向下业务的综合丌放的网络。 虽然大家的共识是，n g n 是网络发展的未来，但对占运营商收 入的8 0 的语音业务来说，目前还没有找到一个比t d m 技术更好、 性价比更高的解决方案。目前电信市场发展面临的主要问题是：如 何对待已经进行了巨额投资的传统p s t n ，如何改造p s t n 以适应同 益增加的数据业务量；如何使p s t n 低成本地向基于分组的网络结 构演进，实现p s t n 与新建数掘网的融合等。可以预见。p s t n 网络 和n g n 网络将在一个长期的时问内共存，p s t n 网络并不会消失， 而是逐步平滑演进到n g n 网络，新一代的软交换必须满足这一要 求。它能够灵活、有效地使现有的p s t n 与分组交换网实现互通， 将p s t n 逐步地向i p 网络演进。实现p s t n 和n g n 的融合；电路网顺 利平滑地向分组网过渡，节省运营成本和投资；创造具有竞争性的 新特性和新业务，获得新的收入渠道【3 】o 对于p s t n 与n g n 的融合，分析n g n 与p s t n 网络在组网 方式、业务、信令承载以及媒体流编码格式等方面存在的根本差 异，考虑它们之间的互通需求，必然会涉及到如下几方面：网络 承载连接的互通、应用控制信令的互通以及媒体格式的互通。为 了满足这些互通需求，媒体网关是必不可少的一个关键设备。因 此，媒体网关技术的研究有着重要意义，这也是本论文选题的意 义所在。 北京交通人学硕士学位论文 1 2 论文的所做工作和主要内容 1 2 1 论文的主要工作 ( 1 ) 研究当前p s t n 媒体网关的实现方法。考虑媒体网关应 用的灵活性和成本因素，我们提出p c 机加板卡的实现方案。 ( 2 ) 设计p s t n 媒体网关软件的模块化结构，并且实现p s t n 接口、驱动程序、a p i 接口、流媒体处理以及管理和配置各 模块的功能；其中，重点是p s t n 接口模块的实现。 ( 3 ) 设计并实现语音卡四路外线和主机的全双工语音通信。 ( 4 ) 丌发语音卡d s p 软件，实现d t m f 信号的检测和生成、 及p s t n 相关音频信号的产生。 ( 5 ) 采用非相干解调方法，实现c a l l e r i d 信号的实时检测。 1 2 2 论文主要内容 论文的前三章依次介绍了p s t n 媒体网关的研究背景，如 综述n g n 系统、p s t n 向n g n 的演进；媒体网关的相关知 识，如媒体定义、分类和功能等等；本课题中网关开发所涉 及的主要技术。而p s t n 媒体网关的具体实现主要集中在第 四章进行论述。该章从硬件和软件的两大部分介绍了网关实 现的基本原理。 媒体网关 2 。媒体网关 媒体网关在n g n 中扮演着重要的角色，如果说软交换是n g n 的“神经”，应用层是n g n 的“大脑”，那么媒体网关就是n g n 的“四 肢”任何业务都需要媒体网关在软交换的控制下实现。 2 1 媒体网关的定义 i e t f 在r f c 2 7 1 9 中描述了网关的总体模型，将网关的特征分 为三个功能实体：信令网关( 5 g ) 功能、媒体网关控制( m g c ) 功能和 媒体网关( m g ) 功能。而网关功能在逻辑上是分离的，可以分布在 不同的设备中，如图2 1 所示。 图2 1 网关功能实体 其中，媒体网关功能的主要目的是将一个网络中的媒体流转 9 北京交通火学硕士学位论文 换为另一种网络中的媒体流，传输层和应用层都需要进行这种转 换。在物理上，媒体网关功能一方面是p s t n 电路的终端，另一方 面也是i p 网络路由器连接的终端。 国际软交换协会( i s c ) 提出的软交换参考体系结构中对媒体 网关功能做了如下描述：媒体网关( m g f ) 是接入到i p 网络的一个 端点、网络中继或几个端点的集合，它是分组网络和外部网络 ( p s t n 、移动网络等) 之间的接口设备。例如，它可以是i p 网络和 电路网络之间、两个分组网络( 如i p 到3 g a t m ) 之间的网关。媒 体网关的主要作用是将媒体从一种传输格式转换为另种传输格 式，最常见的是将电路媒体格式转换为分组媒体格式，a t m 分组 格式转换为i p 分组格式，或者将模拟i s d n 电路格式转换为分 组格式( 在用户驻地媒体网关中) 。 2 2 媒体网关的分类 媒体网关负责媒体的传输，包括将电路交换的语音信号转换为 分组交换包，反之亦然。媒体网关和处于汇聚层的路由器和交换机 共同完成语音信号在网络中的传输。媒体网关的主要传输协议为 r t p u d p ，主要控制协议为m g c p 和h 2 4 8 m e g a c o 。 媒体网关分三种类型：用户驻地网关( r g ) 、接入网关( a g ) 和中继网关( t g ) 【2 。 用户驻地媒体网关能将模拟电话连接到i p 路由器。一般来说， 用户驻地媒体网关支持的用户数目较少，且位露离用户较近，引入 用户驻地媒体网关的目的是为了扩大i p 网络的使用，它包括综合接 ；2 i l 体网荧 入设备( i a d ) 和媒体终端适配器( 婀a ) 。i a d 和m t a 都能够在单一的宽 带连接上支持语音和数据业务的传送，二者的主要区别在于宽带连 接的类型不同。m t a 通过混合光纤同轴网络的分组传输连接到网络， 而i a d 通过d s l ，t 1 和d s 3 或者其它标准的宽带设备连接到网络。通 常讲，m t a 的汇聚层为i p ，而i a d 的汇聚层为a t m 。 接入媒体网关负责各种用户或接入网的综合接人，如直接将 p s t n r s d n 用户、e t h e r n 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。 中继媒体网关将长途交换机连接到i p 路由器。中继媒体网关 应有s s 7 信令接口，并且能够管理大量的连接( i p 侧的r t p 流和 p s t n 侧的6 4 k b i t s 链路) 。中继媒体网关的用途是由i p 网络来 替代p s t n 的长途中继链路，即电话到电话的呼叫。在发送方向将 来自p s t n 的电路交换语音转换为分组语音，接收方向进行相反的 处理。中继网关可以位于中心交换局内或者位于电信代理点( p o p ) 上，在全配置的系统中能够支持多达几十力个呼叫。 2 3 媒体网关的功能 ( 1 ) 用户或网络接人功能 媒体网关负责各种用户或各种接入网络的综合接入，如普通电 话用户、i s d n 用户、a d s l 接入、以太网用户接入或p s t n i s d n 网络 接入、v 5 接入和3 g 网络接入等。媒体网关设备是用户或用户网络接 入核心媒体层的“接口网关”。具体来说，媒体网关能够和各种接入 北京交通大学硕十学位论文 网络、各种用户进行互操作。网关设备应具有d t m f 检测和生成功能。 对于模拟线用户，媒体网关应能够识别出用户摘机、拨号和挂机等 事件，检测出用户占线、久振无应答等状态，并将用户事件和用户 状态向软交换报告。 ( 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i 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，i p 则是目前应用广泛的第3 层技 术。 ( 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。当采用a t m 接入时，应该支持a a l l 、 a a l 2 、a a l 5 媒体适配类型。当网络侧是i p 接口时，网关应该支 持r t p r t c p 封装功能。对于语音信号的编解码功能，网关应该支 持g ，7 1 l 、g 7 2 9 、g 7 2 3 1 算法。媒体网关必须设有输入缓冲， 以消除时延抖动对通话质量的影响，而且缓冲区大小能够根据网 络状况动态调整。 ；c ! | l 体网关 ( 4 ) 受控操作功能 媒体网关受软交换的控制，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。在软交换设备控制下，媒体网关应向用户发送各种音 信号，如拨号音、振铃音、回铃音等。能根据软交换的指示向用户 播放提示音。在软交换的控制下，媒体网关设备必须对其自身相关 资源进行申请、预约、占用、释放等操作的功能。相关资源包括用 户侧用户电路或中继电路接口资源、分组网络侧接口资源以及信号 或媒体流相关处理资源( 如d t m f 资源、m o d e m 资源、语音压缩资源 等) 等。当媒体网关设备资源的状态发生变化时( 如发生故障、故 障恢复或因管理行为而执行的状态改变或资源不可用) ，媒体网关 设备要向软交换进行汇报。媒体网关和软交换之浏的特殊关系决 定了它们之间控制协议的重要性，m g c p 和h 2 4 8 就是软交换和媒体 网关之间的控制协议。m g c p 由i e t f 定义，实现相对简单，早期应用 比较多，但目前的趋势则是转向了由i t u t 定义的h 2 4 8 标准( 可以 说h2 4 8 是i e t f 与i t u t 结合的标准，i e t f 中叫m e g a c o ) 。 ( 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。 a ) 设备相关的统计信息，如：资源占用情况、成功的呼叫连 接次数、失败的呼叫连接次数。 b ) 端口相关的统计信息，如：中继端口的占用情况、i p 端 口的带宽使用情况、a t m 端口的连接、带宽等资源使用 北京交通人学硕士学位论文 情况、端口相应媒体流的统计信息。 c 】连接或终结点相关的统计信息，如：发送的r t p 包数、 接收的r t p 包数、丢失的包数、平均时延、发送的a t m 信元数和a a l 数、接收的a t m 信元数和a a l 数、a t m 信元丢失率和误差率。 2 4 媒体网关在软交换中的应用 通过媒体网关、信令网关和媒体网关控制器的不同组合，现 有的通信网络( 包括p s t n ，p l m n ，i p 网络和有线电视网) 都可以接 入到核心骨干网( a t m 或i p 网络) 中。根据媒体网关的分类，其应 用也可基本归纳为三类：接人应用、中继应用和驻地用户应用【4 】。 ( 1 ) 接入应用。接入网关通过v 5 g r 3 0 3 i s d n 协议和接入网完成 信令的交互。对于v 5 或者i s d n 接口，接入网关终结其物理连接，并 将其通过s i g t r a n 协议( v 5 u a 或i u a ) 传送到m g 对于g r 3 0 3 和a g 终端 信令，将其转换为适当的m g c p 或h 2 4 8 m e g a c o 事件传送到m g c 。对 来自接入网的语音媒体流进行分组和码型转换后，以r t p 消息格式 发送到t g ( 中继网关) ，t g 再将分组化的语音媒体流转换为电路语音 后通过电路交换物理中继发送到p s t n 。 无线接入网络( r a n ) 也可通过无线接入媒体网关接入到核心 网络。 ( 2 ) 中继应用。中继媒体网关替代汇接局中继交换，软交换替 代传统的p s t n 的四类汇接交换机，信令网关进行基于s s 7 的信令协 议和基于s i g t r a n 的i p 信令协议之间的转换和传输。中继媒体网关 d 媒体网关 则在m g c 的控制下完成p s t n 到i p 再到p s t n 中继汇接媒体( 语音) 连 接。 ( 3 ) 驻地用户应用。此应用根据接入的不同，可分为以下三种 方式。 p o t s 电话连接 p o t s 电话首先连接到住户网关( r g ) ，r g 完成用户环路消息并通 过m g c p 或h 2 4 8 m e g a c o 协议将控制消息传送到m g c ，m g c 在信令网 关( s g ) 的帮助下实现和p s t n 的呼叫连接。最后，r g 将模拟语音媒体 流数字化、分组化( r t p 格式) 后传送到中继网关进入p s t n 网络。 电缆接入网络 位于用户边的电缆调制解调器有一个嵌入式的多媒体终端适 配器( m t a ) ，m t a 连接p o t s 电话和任何基于以太网的设备，完成a g r g 的功能。m t a 也可以和电缆调制解调器分离，但需要通过以太网相 互连接。m t a 终端来自去往p o t s 电话的用户环路信令，并且通过 c m t s 和m g c 进行信令交互( 利用n c s 或s i p 协议，其中网络控制信令协 议n c s 是m g c p 的修f 协议) ：m g c 通过信令网关和p s t n 进行信令交互。 另外，m t a 也终结来自p o t s 电话的模拟语音，将其数字化后，通过 c m c m t s 电缆网络，携带在r t p 消息中发送到对方的中继网关。此时， m g c 通过t g c p 协议( m g c p 的修正协议) 控制t g 。为了能够和分组传输 ( p a c k e t c a b l e ) 系统完全兼容，m g c 必须通过c 0 p s 协议和c m t s 进行信 令交互。为了保证电缆网络的q o s ，m g c 可以通过动态q o s ( d q o s ) 和 c o p s 协议与c m t s 通信。 d s l 和i a d 接入网络 位于用户边的综合接入设备( i a d ，又叫接入网关住户网关 北京交通大学硕士学能论文 异步用户环路终端单元) 连接p o t s 电话或任何以太网设备，完成 用户环路信令功能，通过d s l a m ，m g c ，m g c p 和h 2 4 8 m e g a c o 协议进行信令交互。m g c 通过信令网关和p s t n 进行信令交互。另 外，i a d 也完成来自p o t s 电话的语音媒体流的数字化和分组化， 并将其通过d s l a m 以r t p 消息格式传送到对方的中继网关。 2 5 媒体网关涉及的协议 媒体网关负责将各种用户或网络综合接入到核心网络，由于 各种用户的接入方式多种多样，接入到核心网络的方式也有多种， 媒体网关对多种媒体的处理方式也各有不同( 即使对同一种媒体 也有多种处理方法) ，同时软交换控制媒体网关采用的协议也有 多种，因此可以把媒体网关主要涉及的协议分成5 类：用户接入 协议、核心网接入协议、控制层( 软交换、网关) 接口协议、媒 体处理协议、管理和统计协议。 ( 1 ) 控制层接口协议 目前主要媒体网关控制协议有两种：m g c p 和h 2 4 8 m e g a c o 。它 们都是主从连接控制协议，允许控制器( 媒体网关控制器、呼叫代 理、软交换和关守) 建立或者拆卸媒体网关上的电路或者分组端口 问的媒体连接。 m g c p 协议模型定义了两种实体：端点( e n d p o i n t ) 实体和连接 ( c 。n n e c t i o n ) 实体。其中，端点是媒体网关上的一种逻辑实体，可 以是物理链路( 如一条t l 中继线) ，也可以是操作在物理链路上的虚 拟链路，而连接实体联系着两个端点实体( 这两个端点既可以位于 6 媒体网关 同一网关内，也可以位于不同的网关内) 。连接在端点处被管理， 并可以聚合成呼叫。另外，连接由网关创建，每个连接均由一个惟 一的标识符与之联系。 h 2 4 8 m e g a c o 协议模型也定义了两种实体：终结点 ( t e r m i n a t i o n ) 和关联域( c o n t e x t ) 。其中，终结点是媒体网关中的 一种逻辑实体，能够发起、接收并控制媒体流。它可以是物理的， 也可以是易逝的，这取决于终结点是永久的还是临时的。关联域表 示一组终结点的连接，一个关联域可以连接一个或多个终结点。一 个典型的h 2 4 8 m e g a c o 呼叫包含两种终结点，一个是物理的( 如 p s t n 中继线) ，另一个是易逝的( 如r t p 流终端) ，二者由一个关联域 联系起来。且每一个关联域都由一个独一无二的关联域i d 表征，因 此一个关联域就是一个呼叫的所有终结点的集合。 虽然h 2 4 8 m e g a c o 和m g c p 都是媒体网关控制协议，但二者 的协议模型、定义、性能、可扩展性以及对应用的支持等多个方 面还存在很多不同。h 2 4 8 m e g a c o 在很多方面都要优于m g c p ，它 在涵盖m g c p 优势的基础上又增添了很多优良特性，从而大大增强 了媒体网关的功能。这不但使生产厂商在产品设计中有更多的选 择，也允许运营商提供更多的增值服务，因此h 2 4 8 m e g a c o 将是 媒体网关控制协议发展的必然趋势。 ( 2 ) 用户接入协议 n g n 的重要特点之一就是综合业务接入能力，媒体网关必须 提供多种方式的用户接入，包括：i s d n 用户接入( b r i 、p r j ) 、 v 5 用户接入、模拟z 接口用户接入、集中的语音数字中继接入。 v 5 2 、v 5 u a 协议 北京交通人学硕士学位论文 对于v 5 2 信令，媒体网关通过v 5 u a ( v 5 2 用户适配协议) 方式将v 5 2 信令消息传送给软交换设备。 d s s l 、砌a 协议 i s d n 的p r i 接口是p s t n 接入中继媒体网关设备的方式之 一，它由i t u ti 4 1 2 建议为用户一网络接口规定的一种i s d n 接 口结构，用来满足大量通信需求的用户。当p s t n 通过i s d n p r 油r i 接口接入中继媒体网关时，网关设备就要支持i s d n p r i b r i 信令。 e 1 t l 语音数字中继接口是中继媒体网关与公用电话网相连的方式 之一，中继媒体网关设备通过数字中继线与公用电话网上的程控 交换机相连，以e 1 t 1 为单位，e 1 的速率为2 0 4 8 k b i 讹，t l 速率 为1 5 4 4 k b i t s 。媒体网关负责从e 1 t 1 的话音时隙中解复用出数字 话音信号，进行话音编码。 f 3 1 核心网接入协议 a t m 和口 在媒体网关中，a t m 和i p 之唰的争论主要集中在两者承载话 音和视频的能力上，口是h l t e m e t 协议，本质是无连接的基于包 的交换，传统的i p 对q o s 没有足够的保证，是一种“尽力而为” 的机制，相比之下，a 1 m 采用定长信元、面向连接的机制，提供 完善的q o s 保证和流量控制机制，a t m 对各种业务的承载有着 不可替代的优势。在pq o s 机制没有完善以前，在核心网采 用m p l s 技术，在n g n 中，a t m 和i p 还将共存一段相当长的 时间，在对语音的支持上，a t m 具有明显的优势。但随着口q o s 媒体网关 保证机制的最后解决，i p 最终会成为下一代核心网络的承载标 准。 综合接入媒体网关、小区或企业用媒体网关由于容量小，配 置灵活，因此一般都采用口协议接入核心网。中继媒体网关主要 采用a t m 或口协议。当采用a t m 协议时，支持呼叫连接有三 种基本类型：永久虚电路( p v c ) 、交换式虚电路( s v c ) 、软永久 虚电路( s o r p v c ) ；支持三种a t m 媒体适配类型：a a l l 、a a l 2 、 a a l 5 。 r s v p 和d i f r s e r t p 用于一般多媒体通信( 语音图像传真) 信号的打包，它 虽然能够为收发双方提供q o s 的监测能力，但本身不能提供保证 服务质量的手段。要解决n g n 网络的服务质量问题，还必须采 用其它技术来确保通信的q o s 。目前所提出的解决方案受到广泛 关注的有两种，一是根据通信需要提前为呼叫准备足够的带宽的 资源预留技术，主要采用的是i e t f 提出的资源预留协议( r s v p ) ； 二是根据不同性质数据流的服务需求，为其提供不同的处理措施， 就是业务区分技术( d i 凰e ) 。这两种技术都适用于媒体网关。 ( 4 ) 媒体处理协议 媒体编码协议 媒体流的映射功能是媒体网关的基本功能，出于用户接入和 核心媒体之间的网络传送机制的不一致性，需要将一种媒体流映 射成另一种网络要求的媒体流格式。对于中继媒体网关，从用户 接入( p s t n 网) 的一般是数字化的语音信号，映射到核心分组 网时需要打包转换成分组语音流，采用的编码协议有g 7 1 1 、 北京交通大学硕士学位论文 g 7 2 9 、g 7 2 3 1 等等。对于综合接入媒体网关，需要将用户的模 拟语音、图像信号转换成分组的媒体流，采用的语音编码协议有 q 7 1 1 、g 7 2 9 、g 7 2 3 1 等等，图像编码协议有h ，2 6 l 、h 2 6 3 、h 2 6 3 + 等。 r t p 协议 r t p 协议是由i e t f 的a v t ( a u d i o d e ot r a n s m i s s i o n ) 小组 丌发的，1 9 9 6 年成为r f c e 式文档，为i p 网上语音、图像、仿 真数据等多种需实时传输的媒体数据提供点到点和点到多点的端 到端的传输功能。r 1 p 协议实际上包含两个相关的协议，r t p 协 议( r f c l 8 8 9 ) 和r t c p 协议( r f c l 8 9 0 ) 。前者用于传送实时的 数据。r t p 本身不提供任何保证实时传送数据和服务质量的能力， 而是通过提供负荷类型提示、序列号、时戳、数掘源标示等信息， 在收端根据这些信息来重新恢复正确的数据。r t c p 协议是用来 提供r t p 数据传输质量的反馈，同时可以在会议业务中传送与会 者信息。 ( 5 ) 网络管理协议 媒体网关作为n g n 网络中一个元素，应该接受网管中心的集 中统一管理。目前网络使用最多的网管接口协议是s n m p 。s n m p 坍议是为采用t c p i p 协议的网络设计的管理协议，其目的是建立 管理主机和被管主机之间的联系，并保证这两实体间的管理数据 的安全。 媒体网关 2 6 媒体网关的一种参考体系结构 媒体网关体系结构被设计为一种集成的单元，能够提供接入 硬件和d s p 固件的外部接口，也支持配置、控制和管理功能。通 过建立一个能够将架构的d s p 信令驱动映射到平台a p i 硬件的简 化适配层，媒体网关体系结构就能够和不同的硬件平台进行接口。 另外，媒体网关体系结构的扩展也极其容易，通过丌发特定的a p i 和端点控制器，就可以支持新的软件包。 图2 2 描述了媒体网关的一种体系结构【“，它主要可分为以 下四个模块： 图2 2 媒体网关体系结构 ( 1 ) h 2 4 8 m e g a c o 协议器 管理媒体网关和网络中的单个或多个媒体网关控制器之间的 关联，包括注册、注销、故障和切换管理； 管理媒体网关和每个媒体网关控制器( 该媒体网关已经注册 这个m g c 中) 之间的事务交易，包括事务交易的创建、删除、 北京交通大学硕士学位论文 传送顺序、可靠传输和命令执行。 ( 2 ) 资源管理器 管理媒体资源( 如终端、编解码器、语音提示服务器等) 包括 资源的预留、释放、供给、维护和状态上报( 至m g c ) 。 ( 3 ) 媒体流处理器 执行各种媒