（信号与信息处理专业论文）linux平台语音媒体网关.pdf

摘要 摘要 p s t n 媒体网关是下代网络( n g n ) 体系中的一个重要实体， 是融合p s t n 网络和l p 分组网络的关键设备。 本论文分析了软交换体系中“媒体网关”概念的内涵，根据实 验网络的特点，给出了一种有效的p s t n 媒体网关的设计方案，实 现了从p s t n 模拟线到i p 分组网络间媒体和信令的映射。从拥有 自主的知识产权的角度出发，采用l i n u x 作为软件系统的开发平 台。考虑到目前的硬件和软件的技术水平，论文提出了p c 机加板 卡的灵活的媒体网关设计思路，并通过对m g c p 、h 2 4 8 、s i p 、 r t p r t c p 等协议的分析，设计了媒体网关模块化的构建方案。在 此基础上，分别实现了板卡d s p 通信予模块、p c 机上p s t n 接入 模块、信令映射与控制模块、媒体处理模块的设计；定义了p c 机 和板卡间的接口命令码、l i n u x 驱动接口a p i 、控制模块内部信令 等通信接口模型：涉及到d s p 编程、l i n u x 内核驱动编程、l i n u x 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，结合实验 室搭建的软交换系统的特点，构建了一个设计科学、性能稳定并且 成本较低的语音媒体网关。该网关功能配置灵活，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 ，l i n u x ，d s p a b s t r a c t a b s t r a c t p s t nm e d i ag a t e w a yi sa ni m p o r t a n te n t i t yi nt h en e x tg e n e r a t i o n n e t w o r k a n di sa k e y d e v i c et h a tc o n n e c t st h ep s t na n d1 p p a c k e t s w i t c h i n gn e t w o r k t h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n to ft h em e d i ag a t e w a yj sd i s c u s s e d t h i s p a p e rg i v e s a ne f f e c t i v e d e s i g n o fp s t nm e d i a g a t e w a y c o n s i d e r i n g t h ec h a r a c t e r i s t i co f e x p e r i m e n t a l n e t w o r kw h i c h i m p l e m e n t st h em a p p i n go fm e d i aa n ds i g n a l b e t w e e nt h ep s t n a n a l o gl i n ea n di pp a c k e t s w i t c h i n gn e t w o r k i nv i e wo fi n d e p e n d e n t i n t e l l e c t u a l p r o p e r t v - t h es y s t e m c h o o s e sl i n u xa st h es o f t w a r e d e v e l o p m e n tp l a t f o r m a c c o r d i n g t ot h ec u r r e n th a r d w a r ea n d s o r w a r et e c h n o l o g y ，t h ep a p e rd e s i g a st h em e d i ag a t e w a yu s i n go f v o i c ec a r da n dp e r s o n a lc o m p u t e lb a s e do nt h em g c p , h 2 4 8 ，s i p a n dr t p ，r t c p , i t p r e s e n t sa m o d u l a r i z a t i o nd e s i g no fm e d i a g a t e w a y t h ed s pc o m m u n i c a t i o nm o d u l e p s t nc o n n e c t i o nm o d u l ei np c s i g n a l i n gm a p p i n g a n dc o n t r o lm o d u l e ，m e d i a p r o c e s s i n gm o d u l ea r e a l li m p l e m e n t e d a n dt h ep cb u sc o m m a n d s l i n u xd e v i c ed r i v e ra l p i a n di n n e rs i g n a lj nc o n t r o lm o d u l ea r ed e f i n e d s e v e r a lt e c h n i q u e s s u c ha sd s p a s s e m b l e r , l i n u xk e r n e lp r o g r a m m i n g ，b s ds o c k e ta r e a p p l i e d 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 o l o g y , 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 a g a t e w a yw h i c h h a sr e a s o n a b l es t r u c t s t a b i l e p e r f o r m a n c ea n 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 d i 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 y s t e m ”a n 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 o r mf o r e n t r i p r i s e ”b e c a u s e o fi t sf l e x i b l e c o n f i g u r a t i o n s 【k e yw o r d s lm e d i a g a t e w a y ，n g n ，l i n u x ，d s p i i 独创性声明 v 7 4 1 9 4 5 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。与我一起上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：鲤坠蜜 日期：如。r 年3 月，扣目 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：j 立噬 日期：j 堕年三月兰日 第一章综述 1 1l i n u x 平台语音媒体网关研究的意义 1 1 1 从p s t n 向n g n 演进 以承载控制合一及电路交换为基础的p s t n ，历经数十年的发 展演进，已在全球范围的电信运营商网络内形成了绝对优势的规模， 该网络提供的固定话音及其他电信业务也拥有着绝大部分的电信用 户及运营收入。 然而，p s t n 网络经过长期发展，如今面临许多问题。第一， 由于网络结构的限制，网上推出一项新业务，往往要在全网中增加 一套设备。这就造成了投资成本与维护成本的增加，制约了新业务 的发展，进而影响运营收益l l 】。第二，p s t n 网络传输侧s d h 的发 展，要求交换侧有高于2 m b i t s 性能的接口与之匹配。第三，t d m 须承担拨号上网的数据流，增加了p s t n 网络的负担。 业务需求和技术进步不断推动电信网络的发展与革新，从业务需 求方面看，数据业务正逐步超越语音并将成为未来网络的主导业务， 但目前运营商超过8 0 的业务收入仍来自话音业务；从技术进步方 面，i p 技术的迅猛发展使传统的电信网、计算机网以及有线电视网 三大行业的技术差别正在逐步消失，技术的融合将引发网络融合、 业务融合及产业融合。如何运用新兴的网络技术建设一个可持续发 展的网络，在保证运营商当前语音收益的同时，又满足未来的数据 北京变通大学硕十学位沦文 多媒体业务是提出下一代网络( n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ) 的根本出 发点。 随着近年来国内外电信市场开放、竞争引入的步伐不断加快， 以语音、多媒体网络与数据通信网络融合、分层控制及统一i p 承载 为代表特征的n g n 正在悄然向我们走来，越来越多的运营商正纷 纷开始着手营建n g n 实验网络。 下一代网络将具有更广阔的业务范围。其主要目标是：支持实 时的多媒体业务，缩减服务投向市场的时间，支持多种接入方式和 多种接入终端，支持移动性，确保现有网络的平滑演进以及具有经 济、可扩展的网络结构【2 j o 1 1 2n g n 的体系结构 从概念上讲，n g n 是一种规范和部署网络的概念，通过使用分 层、分面和开放接口的方式，给业务提供者和运营者提供一个平台， 借助这一平台逐步演进以生成、部署和管理新的业务。那么n g n 体系结构中如何承载多媒体业务和实现与现有网络的融合昵? 以软 交换为核心的体系结构起到了关键的作用。 如图1 1 所示，n g n 从功能上可被分为业务层、控制层、传送 层和接入层，各层之问通过标准的协议互连p j 。 综述 业务层 控制层 传送层 接入层 图1 1n g n 网络示意图 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 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开放的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 传送层 传送层指核心传送网，包括提供i p 包转发的各种承载网功能实 体。n g n 采用高速分组化核心承载，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。 3 北京交通大学硕【：学位论文 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( i 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。 l 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；通过开放 接口，业务的提供与网络独立开发；支持广泛类型的、i p 务包括实时、 流媒体、非实时业务和多媒体业务：具有端对端透明性的宽带能力； 与现有网互通；通用移动性；用户无拘束的接入和对业务的自由选 择能力忙i 。 这就对处在新生及试验阶段的n g n 网络与目前广泛部署且处 于主导地位的p s t n 网络的有效互通提出了很高的要求，因为在相 当长的一段时期内，与p s t 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 媒体网关研究的现状和意义 媒体网关位于n g n 中的接入层，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。 目前，国内外的运营企业、制造企业和研究部门在n g n 方面 已经长期投入巨大力量，做了很多有效的工作，很多公司提出了下 4 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 u r p a s s 的整体解决方案，其中的s u r p a s s h i g l 0 0 0 是媒体网关，它可以支持i p 传真、m o d e m 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 i f e s p a n 一1 5 4 0 接入网关是支持多种能力的综合接入网关设备，支持 i p a t m 接入核心网，支持模拟用户线接入( 4 8 0 p o t s ) 和i s d n p r i b r i 等。华为公司的u s y s 中继媒体网关t m g 8 0 1 0 ，提供了 丰富的t d m 接口，还内置了信令网关的功能。 上述的各种媒体网关功能都比较复杂，而且多是整合在h 3 2 3 系统当中，对于我们构建自己小型的通信系统，特别是应用于中小 规模c a l l c e n t e r 系统并不是非常适用，所以有必要自主研制简单高 效、功能灵活、成本较低的媒体网关，构建拥有独立知识产权的媒 体网关系统。 一直以来，2 0 0 4 年就被赋予了n g n 商用元年的称号。各大设 备商都不停地在游说各方，一个明显的结果是，各大运营商都在积 极地部署试商用的n g n 网络。代表着未来通信业方向的n g n 已经 得到了各大运营商的比较明朗的态度，今年将是n g n 网络商用大 规模爆发的一年。近几年来，国际国内对于n g n 的研究非常活跃。 对中国来说，n g n 是非常好的一个机遇，有可能实现跨越式发展。 所以，研究包括媒体网关技术在内的n g n 相关技术对于我国信息 化建设的发展具有重要意义，其先进性不言而喻。 从本质上说，n g n 由市场驱动，最直接的驱动力是业务豹开拓 对网络提出新的要求，而网络无法满足这些要求而引发的吼市场 驱动的最主要表现是，市场需要业务的多样化、综合化。本课题对 5 北京交通大学硕上学位论文 于媒体网关的研究正是基于这样的考虑，尽管众多企业都推出了自 己的n g n 解决方案，而且多家运营商都开始部署了商用网络。但 是，我们着眼于软交换技术的一种实际应用，结合具体的功能要求 来研究和实现基于l i n u x 平台的媒体网关，其中不乏创造性的设计。 而且能和实验室n g n 方面的其它成果组成个完整的实验性系统， 有很好的实用价值。 1 2 选择l i n u x 平台的意义 目前主流的操作系统包括w i n d o w s ，u n i x ，l i n u x 等。从拥有自 主知识产权的角度出发，我们选择了l i n u x 操作系统作为p c 机部 分软件开发平台。而且l i n u x 操作系统也有其优良特性，能够满足 媒体网关软件设计的需求。下面做一简单介绍： 1 l i n u x 系统是一套具有u n i x 全部功能的免费操作系统，包 含内核、系统工具、完整的开发环境和应用。l i n u x 内核及 多数应用程序都基于g p l ( g n u 公共许可协议) ，且具有结构 清晰、功能简洁等特点1 6 。 2 l i n u x 提供的模块机制使得内核可以裁减的很小，内核工作 效率高，对硬件要求低。 3 l i n u x 是高可靠、高稳定性的操作系统。 4 l i n u x 是一种可移植的操作系统，能够在从微型计算机到大 型计算机的任何环境中和任何平台上运行。 5 研制基于l i n u x 平台的网关，是进一步研制跌入式网关的基 础。 6 1 3 论文的主要工作 本论文兼具学术性和实用性两个方面，主要工作如下： 从理论上，探讨了软交换体系中“媒体网关”概念的内涵，分 析了p s t n 媒体网关的功能要求。考虑到目前的硬件和软件技术水 平，以成本最低和拥有自主知识产权为目标，设计了一种具体的 p s t n 媒体网关，实现了从p s t n 模拟线到i p 分组网络媒体和信令 的映射功能。具体工作包括： 1 设计了语音板卡的两个界面的通信软件，即d s p 串口侧和p c 总线侧的通信软件，实现了板卡上语音的全双工通信和多路语 音的时分复用。 2 设计并实现了l i n u x 平台下语音卡的驱动程序，以此为基础构 建了媒体网关软件的p s t n 接入模块，这是本文的主要工作。 3 在通过对m g c p 、h 2 4 8 、s i p 等协议的研究的基础上设计了信 令映射和控制模块，实现了从p s t n 到i p 网络的信令映射和媒 体流的控制功能。 4 移植了w i n d o w s 平台下的r t p 模块到l i n u x 平台，实现了i p 分组网络上语音实时传输。 本文由两大部分组成，第一部分( 第二章) 介绍p s t n 媒体网关 的原理和关键技术，提出了媒体网关的整体设计方案。第二部分( 第 三、四章) 分别介绍了媒体网关的语音卡和p c 机侧的软硬件设计。 北京交通大学颂士学位论文 第二章语音媒体网关的设计 本章首先介绍媒体网关的功能和分类，并总结了媒体网关设计 巾的关键技术。然后探讨了本文中媒体网关概念的内涵，在此基础 上的提出p s t n 媒体网关的总体设计方案，这是本章的重点。 2 1 媒体网关介绍 在相关的标准1 7 j ( 如h 2 4 8 、m g c p ) 中，媒体网关被定义为 是将一种网络中的媒体转换成另一种网络所要求的媒体格式的设 备。如媒体网关能够在电路交换网的承载通道和分组网的媒体流之 间进行转换，可以处理音频、视频或t 1 2 0 ，也具备处理这三者任 意组合的能力，并且能够进行全双工的媒体翻译，可以演示视频 音频消息，实现其他i v r 功能，同时还可以进行媒体会议等。 2 1 1 媒体网关的功能 媒体网关的功能主要如下： 】用户或网络接入功能 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。总之，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”。 2 接入核心媒体网络功能 8 语音媒体网关的设计 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( o o s ) 保证能力，l p 则是目前应用广泛的第 3 层技术f 8 l o 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1 9 1 ，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。 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。 9 北京交通大学硕士学位论文 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开 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【2 1 。 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i p 网络， 主要实现v o a t m 或v o l p 功能。 2 综合按入媒体网关 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 f l 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。 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 r r l e t 数据) 的综合接入，未来可 能还会解决视频业务的接入。 2 1 3 媒体网关的应用模式 前面介绍了在n g n 中媒体网关要完成的功能和分类。如前面 1 0 语音媒体网关的设训 所述，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。 本论文的重点是媒体网关中技术的研究和具体实现，所以论文以后 各章提到的媒体网关也是在个特定的网络环境下设计完成的。下 图显示了该媒体网关在网络中的位置。 图2 - 1 媒体网关的压用环境 在该网络中，各种服务器如m e d i as e r v e r 、i v r 等构成n g n 的应用层；s i ps o f t s w i t c h 作为软交换机位于控制层：媒体网关负 责p s t n 中接入媒体网关的模拟电话线和i p 网中u e r a g e n t 之间的 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。 这种应用模式主要利用企业内部i p 网络，通过在计算机上安 装软件电话就能实现内部的i p 电话，再配上媒体网关就能实现与 普通电话的互通。可以说这种应用模式作为n g n 体系的个具体 实现，在呼叫中心、分布式企业语音通信平台等场合都有着广阔的 应用前景。该体系应用先进的软交换技术，无论作为技术研究还是 实际应用都有着巨大的意义。 北京交通大学硕士学位论文 媒体网关完成了p s t n 网络与i p 网络的互联互通，其中涉及 媒体格式的转换、信令映射等多项技术。具体的设计方案将在后面 详细讨论。 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 ) 1 1 0 l 。r 限提供 了时间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 接收端熏组接收到的数据分组。 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l p 数据包在网络上传输。 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 i t t 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 、( 3 7 2 9 、 语音媒体网关的设计 g 7 2 9 a 、g 7 2 3 1 等【“1 。 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问，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 i p 协议，在 媒体网关控制协议方面主要是h 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f 面专门讨论。 2 3 媒体网关的设计方案 下面详细介绍媒体网关的设计方案。主要内容包括：软交换体 系的选择、软硬件平台的选择；媒体网关控制协议的选择等。 2 3 1 软交换体系结构的选择 目前国际上l 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 i p 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 i p 软交换体系来决定。事实上，正如许 北京交通大学硕士学位论文 多学者早已指出的那样，软交换机也可以看成是在h 3 2 3 和s i p 体 系下，智能网关分解的结果。 从信令协议的出发点来看，h 3 2 3 试图把i p 电话当作是众所周 知的传统电话，只是传输方式发生了改变，由电路交换变成了分组 交换。而s i p 协议侧重于将i p 电话作为i n t e r n e t 上的一个应用，较 其他应用( 如f r r p 、e m a i l 等) 增加了信令和q o s 的要求。它们支持 的业务集基本相同，也都利用r t p 作为媒体传输的协议。 从消息的编码方法来看，h 3 2 3 采用基于a s n 1 和压缩编码规 则的二进制方法表示其消息1 1 甜。而s i p 是基于文本的协议，类似于 h 1 r r p 。基于文本的编码意味着头域的含义是一目了然的，如f r o m 、 t o 、s u b j e c t 等域名| 1 3 】。这种几乎不需要复杂的文档说明的标准规 范风格，其优越性已在过去的实践中得到了充分的证明。 从会话能力的协商和调整方法来看，h 3 2 3 是采用h 2 4 5 协议 来进行能力协商的会话控制的，而s i p 的能力协商采用 s d p ( s e s s i o nd e s c r i p t i o np r o t o c 0 1 ) 进行描述，s d p 中的每一项的格 式为 = ，也比较简单。 从会话管理的方式来看，h 3 2 3 由于由多点控制单元( m c u ) 集 中执行会议控制功能，所有参加会议的端点都向m c u 发送控制消 息，m c u 可能会成为瓶颈，特别是对于具有附加特性的大型会议； 并且h 3 2 3 不支持信令的多播功能，其单搔功能限制了可扩展性， 降低了可靠性。而s i p 设计上就为分布式的呼叫模型，具有分布式 的多播功能。其多播功能不仅便于会议控制，而且简化了用户定位、 群组邀请等，并且能节约带宽。 1 4 语音媒体网关的设计 在补充业务方面，h 3 2 3 中定义了争门的协议用于补充业务， 如h 4 5 0 1 、h 4 5 0 2 和h 4 5 0 3 等。s i p 并未定义专门的协议用于 此目的，但它能很方便地支持补充业务或智能业务。只要充分利用 s i p 已定义的头域，并对s i p 进行简单的扩展，就可以实现这些业 务。 另外，h 3 2 3 中的呼叫建立过程涉及到三条信令信道：r a s 信 令信道、呼叫信令信道和h 2 4 5 控制信道。通过这三条信道的协调 才使得h 3 2 3 的呼叫得以进行，呼叫建立时间很长。在s i p 中，会 话请求过程和媒体协商过程等起进行。尽管h 3 2 3 v 2 己对呼叫建 立过程做了改进( r 1 2 4 5 控制消息可以通过用h 2 2 5 0 呼叫信道隧道 来传送) ，但较之s i p 仍是无法相比的。 图2 - 2 基于t t 3 2 3 的软交换体系结构 总之，如图2 2 表示，h 3 2 3 沿用的是传统的实现电话信令的 模式，比较成熟，已经出现了不少h 3 2 3 产品。h 3 2 3 符合通信领 1 5 北京交通大学硕士学位论文 域传统的设计思想，进行集中、层次式控制。现在s i p 协议凭借其 简单、易于扩展、便于实现等诸多优点越来越得到业界的青睐，它 正逐步成为n g n 年13 g 多媒体子系统域中的重要协议。s i p 比h 3 2 3 具有更高的功能性和增长潜力，s i p 的发展正面临着一个大好时 机，s i p 一定会代替h 3 2 3 ，这只是时间问题，因为h 3 2 3 的体系 架构并不适合未来的网络。 此外从实际出发，基于s i p 体系的网络结构简单，呼叫建立时 问短，具有分布式的呼叫模型。这些特点非常适合我们的实验网络 的情况。所以在这里我们采用s i p 体系。基于s i p 的软交换体系如 下图： 图2 - 3 基于s i p 的软交换体系结构 1 6 语音媒体刚关的设计 2 3 2 媒体网关概念的理解 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 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。媒体网关位于接入层， 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间应用 h 2 4 8 协议。 然而在s i p 体系下，我们的网关与s i ps o f l s w i t c h 之间是应用 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 r o x y 来说，这里的媒体网关就像一个普通的s i pu 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。 2 3 3 硬件平台的选择 在选择网关硬件时，需要要考虑p s t n 接口的不同类型、网关 所支持的通道数以及是否支持p s t n i p 网关所特有的特点。目前 1 7 北京交通大学硕士学位论文 的一些p s t n 接口包括：e 1r 2 m f ；t 1 e 1i s d np r i ：s s 7 ；p o t s ( 模 拟1 。我们要建立的针对中小规模用户的媒体网关与p s t n 的接口 是多路模拟电话线。 在此前提下媒体网关的实现一般有两种方式：一种是基于嵌入 式系统实现的，其好处是体积小，数据吞吐速率快，同时对技术保 护性也很好。多家公司都推出了此类产品。如果要开发嵌入式网关， 需要开发者首先要有在嵌入式和语音信号处理方面的硬件开发能 力，然后还要包括t c p i p 协议栈，s i p 协议栈等网络协议的实现。 而且从媒体网关的方案设计上，如果没有对整个软件系统构成的理 解，硬件设计也无从下手。鉴于实验室还没有此类方面足够的技术 储备，而要全面实现媒体网关对一名硕士研究生的科研论文显得太 大。所以，本人所构建的媒体网关并不是基：j 二嵌入式的而是采用 p c 加板卡结构。 采用板卡方式的媒体网关构建首先省去了硬件研发，可以将精 力放在媒体网关系统的软件设计上，降低了开发难度。而且此种方 式成本低，能针对实际需求灵活配置，并为进一步研发嵌入式网关 做技术储备1 1 4 l 。基于p c 的媒体网关构建上也有两种方案可选。一 种是利用市场上其他公司开发的语音板卡；一种是利用实验室自主 研发的语音卡。为了构建拥有自主知识产权的媒体网关，我们决定 采用实验室已有的自主研发的语音卡。在技术上，我们对自己的语 音卡性能有充分的了解，有利于解决软硬件配合中出现的问题。并 且这也降低了成本，因为市场上的语音卡一般价格比较高。 1 8 媒体网关的硬件结构与d s p 程序设计 第三章媒体网关的硬件结构与d s p 程序设计 媒体网关由p c 机加板卡组成，本章讨论整个板卡上的软硬件 实现。首先介绍板卡( 语音卡) 的基本结构，总结了与p c 机的信 令接口。然后给出了d s p 软件的通信模块设计方案，并对软件设 计的难点作了分析。 3 1 板卡硬件的结构 整个网关的硬件采用c h ( c o m p u t e rt e l e p h o n yi n t e g r a t i o n ) 体系 结构。c t l 技术是利用计算机来处理电话相关业务1 “1 。由于计算机 系统固有的低成本、高性能和随着信息产业和电子商务的蓬勃发 展，c h 相关产业更加得以迅速地发展，并大量应用于社会生活的 各个方面。这里所用的板卡是实验室自主研发的t o m 0 8 6 语音卡。 3 1 1 硬件结构框图 t o m 0 8 6 语音卡每卡可按5 条电话线，4 条外线，1 条本地电话 线。本地电话可与任一外线通话，实现监听和代答功能。 4 条外线各自有一套电路来实现其功能，这样的4 套电路均称 为电话通道，编码为c h 0 、c h l 、c h 2 和c h 3 。各通道在电路板上 的位置在图3 1 中己标明。 1 9 北京交通大学硕士学位论文 每个通道均有一个平衡电位器，用于在必要时调节通道的阻 抗平衡。平衡电位器位于每个通道的左下角。c h 0 3 分别的电位器 是w 4 、w l 、w 2 和w 3 。 图3 - 1 语音卡的硬件布局 本语音板工作时占用一个中断。可选i r q3 、4 、5 或7 ，由s w l 来决定。 整个语音板占用p c 机的8 个端口地址，起始地址有两种选择： 2 2 0 h 和2 2 8 h ，由s w 4 决定。3 - 2 短接为2 2 0 h ，1 - 2 短接为2 2 8 h 。 用户也可以定制其它地址。 使用时语音卡的4 个电话接口通过电话线连接到交换机上，可 以与远端的电话机通话，如图3 2 所示： 媒体网关的硬件结构与d s p 程序设计 日洲凰 图3 - 2 语音卡使用示意图。 根据语音卡要实现的功能，它包括四个模块：电话接口模块、 d s p 模块、控制模块以及主机接口模块。图3 3 是语音卡基本组成 模块示意图。 图3 - 3 语音卡功能模块图 本课题中采用的语音卡是实验室以前开发的产品，本人正是在 该语音卡的基础上完成了媒体网关的设计和实现。但是由于以前语 音卡一直工作在单工状态下，d s p 中的软件不能完成本课题要求 的双工功能，所以本人专注于d s p 程序中的通信子模块，提出了 新的双工模型，并完成了软件的设计。因此这里对于语音卡硬件构 成原理就不再赘述，而只提炼出通信子模块进行分析。 2 l 赭潞 北京交通大学硕十学位论文 3 1 2 与主机通信接口设计 那么，语音卡与主机如何配合工作? 它们之间都交互什么信息 呢? 这些信息又是如何被表示的昵? 语音卡与主机通信是通过i s a 总线，所有的语音数据和指令 都通过两个1 6 位的寄存器来完成。 语音卡与主机交互的指令格式定义如下： h i g h l o w 图3 - 4 指令格式 指令代码在指令字的高字节：指令参数在低字节。若一条指令 没有涉及参数则参数域不使用。 主机发给语音卡的命令主要有： 代码模式改变到参数 0 1 h检测d t m f ，忙音，拨号音无 0 2 h语音数据输入a m p + 代码，a m p 步长为 3 d b 0 4 h输出一d t m f 代码d 1 7 ：a m p ，0 x 8 0 = 0 d b 0 8 h语音数据的输出0 ：摘机，x ：x 9 5 5 。3 m s 1 0 h h a n g u p 通道 2 0 h合成代码 4 0 0 0 h听音，忙音，r b t 4 0 0 1 h摘机 媒体网关的硬件结构与d s p 程序设计 4 0 0 2 h证实音 4 0 0 3 h得到s f l a g 的内容( 当检测到 v m b 的数据满了) 4 0 0 4 h切换到当前c h 4 0 0 8 h得到s f l a g 的内容( 录音时) 4 0 1 0 h改变r 譬据( 循环到c h 2 ) 肖前c h 被循环到c h 2 4 0 2 0 h检查外线的直流极性 返回值： b o o r 不相反) b 0 1 ( 相反) 4 0 2 1 h记录外线的直流极性 7 0 x x h 改变数h 奠变换的增幅d o 7 ：0 x 8 0 = 0 d b 图3 - 5 主机发给语音卡指令 而语音卡发给主机的命令如下： 代码返同码的含义 参数 1 h响麻h t v c m d l h 同h t v c m d 2 h响麻h 1 v c m d2 h 同h 1 v c m d 4 h响应h t v c m d4 h 同h r v c m d 8 h响应h t v c m d8 h 同h c m d 1 0 h响应 r c m d l o h 同瑚r v c m d 2 0 h响应h t vc m d 2 0 b 同h 1 1 v c m d 3 h 从c h 得到信号代码代码 5 h数据输入状态 5 0 1 h ：语音头 5 0 2 h ：无浯音 6 h 指示发送d t m f 的结束d t m f 代码 北京交通大学硕士学位论文 7 h丢失h t v c m d 的错误 9 h丢失h t v c m d 的错误 a 0 0 h从主机向v m b 输出数据时v m b 的 数据缓冲区溢出 a 0 7 h0 a 0 1 h ：在s d o 模式数，模转换加 快，v m b 缓冲区没有数据。 0 a 0 3 h ：在s d 模式指示有语音。 b 0 7 h返回值： n 0 0 ( 外线不 b 0 1 ( 外线 b 0 3 h主机指令错误 图3 - 6 语音卡发给主机的指令代码 通过这些指令代码的定义，语音卡和主机就能完成所有的控制 信息( 主要是信令) 的交互。指令代码的设计原则是尽量用少的指 令码来完成所需的信令表示，这些指令代码的定义方式已经被实践 证明是简沽的和高效的。 当多路用户同时呼叫的时候，很显然，不可能为每个用户分配 一个d s p 进行响应，而是d s p 采集各路用户的状态，控制信息，然 后以时分的方式响应每个用户。如果将多路用户视为一个整体，那 么这个整体发送和接收的是并行信号，而d s p 发送和接收的是串 行信号，为了实现其问的通信，必须经过并串和串并转换。为了 解决这些问题，需要在d s p 前设计一个接口电路，用于实现模数、 并串转换和数，模、串并转换，如图3 7 所示。 媒体网关的硬件结构与d s p 程序设计 卜 多l 接 路 口 用 电 户 路 模拟信号 数字信号 图3 7 电话接口模块 如何安排各路用户信息在串行数字流中的位置? 如何将串行 数字流中的信息分配给各路用户? 为了解决并串和串并转化问 题，需要首先定义接口电路产生的串行数字流的结构。在这里，定 义了自己帧结构，如图3 _ 8 所示。 图3 - 8 帧结构图 每帧有4 个时隙，分别代表c l i o 、c h l 、c h 2 、c h 3 四个通道 的语音数据或者信令码。每2 5 6 个帧组成一个复帧，其中前2 5 5 帧都是语音数据，最后的第2 5 6 帧各个时隙存放的是信令码。如果 到了第2 5 6 帧没有任何信令，就存放通道号。通过通道号可以实现 帧同步，如果读到的通道号与循环预期的不一致，系统根据读到的 通道号作调整使软硬件再次同步起来。 这个帧结构巾没有在每帧中放置一个固定的信令时隙，这样能 j 匕京交通大学硕士学位论文 更好地利用系统资源。因为在通信过程中相对于数据传输，需要传 递的信令很少，如果在每帧都传递一个信令造成了系统软硬件资源 极大浪费。但是如果在媒体通信过程中出现错误如何解决呢? 这种 情况在语音卡与主机的通信过程中有可能出现。解决方法是用一个 硬件信号线来表示是数据还是命令。对应于d s p 的指令就是 s x f i ”】。一旦出现错误，就启用该命令，利用这个媒体帧来传递信 令。所以为了保证通信的可靠性，我们的帧结构可以灵活调整，媒 体帧在特定情况下可以用来传递信令。 3 2 软件模块的实现 整个d s p 的软件要完成语音通信，语音编解码，d t m f 检测 和产生等多项功能。本人的主要工作是在借助软件的其他模块实现 全双工的语音通信。所以下面着重介绍其中的通信子系