基于軟交換的個人監控通信

摘要：網絡的融合及終端智能化程度的提高，為個人監控通信的實現提供了條件。借助于M2M技術，軟交換網絡可以為個人監控通信提供理想的實現平臺。基于軟交換的網絡架構和實現原理，個人監控通信系統可分為網絡側和用戶側兩部分。網絡側設備包括軟交換機、現場業務中心等，位于核心控制層和業務層；用戶側設備包括監控設備、現場設備、網關和現場控制平臺，位于接入層和現場設備層。通過基于軟交換的個人監控通信系統可以實現家庭自動化、公共服務、資源調度、安全監測以及社群互助等多種人機通信業務。隨著機器智能的提高和網絡的融合，將來個人監控還會不斷完善和發展，極有可能成為未來通信的主流業務之一。

關鍵詞：軟交換；個人監控；現場消息代理；設備描述；富通信

Abstract: The convergence of networks and enhancement in terminal intelligence have provided conditions for the realization of personal monitoring communications. With M2M technology， Softswitch-based networks can provide an ideal platform to realize personal monitoring communications. Based on the network architecture and implementation principles of Softswitch， a personal monitoring communication system can be divided into the network side， which includes the Softswitch and field service center at the core control layer and service layer， and the user side which includes the monitoring device， field device， gateway and field console at the access layer and field device layer. Through a Softswitch-based personal monitoring communications system， we can realize many man-to-machine communication services such as home automation， public services， resources arrangement， security monitoring，and community services. With the continuous enhancement in machine intelligence and network convergence， personal monitoring systems will improve and develop constantly and may be expected to become one of the mainstream services in future communications.

Key words:Softswitch; personal monitoring and control; field message agent; device description; rich communication

現代通信和信息技術正朝著寬帶化、無線化和智能化不斷演變，這種演變給人們的生活和工作帶來前所未有的方便和快捷，使人與人之間的信息交流變得更加暢通和豐富多彩。隨著互聯網向IPv6過渡，移動通信網絡向3G甚至4G過渡，現在正處在一個通信和信息網絡更新換代并走向融合的關鍵時期，以軟交換為核心的NGN將逐步替代傳統的電話交換網絡，并為信息互聯網、通信網及電視廣播網的融合(三網合一)提供統一的智能網絡平臺。

以往的技術側重于諸如計算機等信息設備的互聯和人與人之間的通信，并且朝著各自獨立的方向進行演變，發展成為目前以互聯網為代表的信息網絡和用于人與人溝通的固定或移動通信網絡。伴隨著網絡技術的融合與創新，大量不同用途的設備與人共處在同一個網絡之中，特別在一些自動化程度較高的環境，不同設備之間需要互聯互通、協同工作，自然產生了M2M(即人與機器或機器與機器間)直接通信的需求。另一方面，隨著IC產業的不斷發展，系統集成度越來越高，更多的終端尤其是消費電子設備已具備嵌入式計算能力，終端的智能化使得終端間直接通信成為可能。有研究表明，未來用于人對人通信的終端可能僅占整個終端市場的1/3，而更大數量的通信是基于M2M的通信業務。

1 M2M技術

M2M技術的目標就是使所有機器設備都具備連網和通信能力，其核心理念就是“網絡一切”(Network Everything)。有別于人與人之間的通信，M2M通信本質上是面向機器的，主要存在以下3種方式：

·人對機器(Man to Machine)，主要是完成用戶向機器的發送調節參數、控制指令，并由機器解釋執行，通常和第二種方式配合，實現遙控或遠程監控等功能。

·機器對人(Machine to Man)，該類型業務主要是指機器向用戶主動上報通知消息或播放媒體流，如遠程監視、監聽、測量、故障報警等等。

·機器對機器(Machine to Machine)：該類型的業務主要用于機器間自動化通信與數據交換，如自動測量與控制、數據采集與傳輸、狀態跟蹤等。

無論哪一種M2M通信應用，都涉及到4個重要的技術部分：機器、通信網絡、網關和現場消息代理，如圖1所示。

1.1 機器

實現M2M通信的第一步就是要讓機器具備“聽/說”的智能，使機器擁有信息感知、加工、處理和通信的能力。

機器分兩種，一種為具備通信、聯網能力的智能設備，另外一種是原有的大量處于信息孤島的“啞”設備。對于后者，需要進行改造或者添加輔助設備，如采集數據的I/O設備、調制解調器、無線收發裝置等，使其具備通信和聯網的能力。不論是智能設備還是“啞”設備，參與M2M通信的機器一般應包括如下部件：

·傳感器，負責監測區域內信息的采集與數據轉換；

·處理器，機器的“大腦”，是整個設備自動化操作的控制中心，存儲和處理傳感器采集的數據，并控制執行機構的動作；

·執行機構，充當機器的“手臂”，執行處理器的指令，完成對現場設備的控制，如繼電器的離合，各類監測參數的設置、控制等；

·通信模塊，負責與網關或其他機器的通信和聯網，交換控制消息和收發采集數據。

1.2 通信網絡

通信網絡在整個M2M技術框架中處于核心地位，負責在機器間或人與機器之間傳送音頻、視頻以及控制、測量等數據信息。

M2M通信網絡分兩部分，一部分是用于M2M遠程異地通信的傳輸網絡，可以是公眾網絡，如公共交換電話網/綜合業務數字網、公眾陸地移動網(PLMN)、廣電網、Internet以及融合的NGN等，也可以是通過數字分組網(DDN)、幀中繼等租用線路構筑的企業信息網絡。另一部分是由各類機器組成的網絡，典型的通信聯網技術有以太網技術和應用于工業自動化領域的各類現場總線技術^[1]。另外，在一些不易布線或不適合重新布線的環境下，也可利用已有線路如電力線、電話線或無線方式來進行組網。由于現場環境復雜，應用也千差萬別，有時光靠一種技術不足以滿足需求，需要多種技術并用，協同構筑現場網絡，如表1所示。

1.3 網關

網關是M2M系統中的“翻譯員”，負責將機器組成的現場網絡接入公眾網或其他遠程傳輸網，實現包括橋接/路由、協議轉換、地址管理和轉換以及防火墻、虛擬專用網(VPN)連接、QoS管理、編解碼等在內的各項功能。

按照集成功能的不同，M2M網關分為專用型和綜合型兩種類型：

專用型網關是指在現場網絡中為實現某一類M2M業務而設置的與外部網絡互聯的設備。例如，在家庭或辦公環境中，具有路由功能的ADSL調制解調器、支持VoIP的綜合接入設備(IAD)、機頂盒等都可看作是專用型網關。在工業自動化領域，連接企業信息網絡和現場總線控制網絡的各類現場網關也屬于專用型網關。

綜合型網關則是集成接入、業務、控制及管理等功能于一體的智能設備，不僅負責實現M2M業務與外部網絡互聯互通，而且在現場網絡中還充當控制中心的作用。目前應用在家庭網絡中，實現集成語音、視頻和數據(或控制)的三重播放(Triple-Play)業務網關是比較典型的綜合型網關。

在許多M2M應用環境，由于大量“啞”設備的存在，需要網關兼做這些設備的智能代理，負責與其他機器的通信、聯網，并對這些設備進行控制和管理。可以預見，綜合型、智能化將是未來M2M網關發展趨勢。

1.4 現場消息代理

現場消息代理是M2M系統的核心控制部件，可分為現場代理和消息代理^[2]兩個功能模塊。現場代理負責發現、更新、存儲和發布現場網絡中機器的設備描述信息，維持機器的即時狀態，并實現對機器的認證、訪問控制、安全等策略管理。消息代理負責機器間消息的存儲轉發及會話控制管理，完成M2M消息交互通道及相關媒體傳輸通道建立、修改和釋放。

M2M通信業務分為會話型和消息型兩類，會話型包括監聽、監視、測量等實時監測類業務，具有時間持久性。消息型包括檢索、控制、故障告警、設備狀態上報及定時測量類業務，屬于瞬時性業務。作為M2M通信的控制中心，現場消息代理需要這為兩類業務的實現采取不同的處理機制。

對于僅發生在現場網絡內的M2M通信，現場消息代理可以與網關或現場控制平臺合設，負責本地M2M消息的分發及完成消息交互控制。

對于遠程M2M通信，現場消息代理可以作為一個獨立的設備架設在公眾網絡，也可以與公眾網絡中的原有的事務控制服務器如智能網控制設備、呼叫代理或即時通信服務器等合設。

2 軟交換中的個人監控通信

軟交換的最大優勢在于實現了網絡和業務的融合，可以向用戶提供全新的基于多種媒體形式、多種內容和能力的“富通信功能”(Rich Communication)。

作為富通信的一種延伸，將M2M技術引入軟交換，可以使大量的智能終端或設備成為軟交換網絡的直接用戶，具有巨大的市場潛力和應用前景。目前比較現實的應用就是個人監控通信，即借助于軟交換的業務能力，面向大眾用戶提供諸如個人遠程監視、控制、告警、測量等多種人機通信業務。

2.1 邏輯實體與消息定義

一般地，個人監控通信應該具備以下幾個邏輯實體：

消息代理，位于核心控制設備，負責監控類消息的路由、分發及交互控制。

現場代理，位于業務控制設備或核心控制設備，負責現場控制域內各機器測量信息、設備描述信息及訪問控制信息的存儲、分發與管理。

機器代理，位于監控設備、現場設備、網關或現場控制平臺，負責上傳/下載設備描述信息，發起/接收控制指令和測量及狀態等信息，是各類監控消息的起點或終點。

各個實體依據網絡規劃，部署在不同的物理設備中，構成個人監控通信網絡的主體。實體間通過消息交互實現特定的監控業務。各邏輯實體組成關系如圖2所示。

按照個人監控通信的特點，監控消息分為查詢、訂閱/通知、控制以及上傳/下載等幾類消息，并定義了3種消息交互模型：

查詢模型，如圖3所示采用“拉(PULL)”模式，由查詢者發起，向機器代理或現場代理請求傳遞各類監測信息及控制參數，適用于對設備狀態及測量信息的查詢和設備描述信息及訪問規則的下載。查詢者可以是機器代理，也可以是現場代理。

通知模型，如圖4所示采用“推(PUSH)”模式，由機器代理觸發，經現場代理向訂閱者傳遞監測信息或控制參數，適用于各類告警通知及定時測量任務。該模型的實現分為兩個過程，一個是訂閱過程，由訂閱者按照預先設定的條件定制機器代理所提供的各類信息；另一個是通知過程，當設備狀態及測量信息或設備的描述信息更新時，機器代理向現場代理發出通知消息，并由現場代理向各個訂閱者進行分發^[3]。訂閱者可以是機器代理，也可以是現場代理。

控制模型如圖5所示，由命令者發起，并接受現場代理的安全及訪問控制，終結于機器代理，適用于對設備的遠程控制和參數調節。命令者只能是機器代理。

2.2 設備描述技術

個人監控通信系統作為一個開放的系統，允許不同用途、不同廠商設備的接入，這樣系統的可擴展性和不同設備間的互操作性就顯得尤為重要。在工業控制領域，設備描述技術以及組態方法被廣泛使用，用于增強系統的靈活性、可擴展性和設備的互操作能力，作為應用的延伸，這類技術同樣可以應用到個人監控通信系統中，解決其所面臨的問題。

設備描述是對現場設備的一種明確的、無歧義、結構化的文本描述，在個人監控通信中，也包括對現場控制平臺或網關設備進行描述。設備描述可以看作是設備的驅動程序，通過它，使用者可以獲得被控設備所具備的現場執行能力、測量參數、控制參數、通道定義以及據此生成的界面描述、語音提示、通信格式等等。

設備描述是分層定義的，如圖6所示。第一層為基本參數描述，定義所有設備都必須有的公共屬性參數，如設備標識、設備名稱、類型、版本、生產廠商等；第二層為設備資源描述，定義設備的資源描述參數，如通道資源、通信協議等；第三層為功能描述，定義表征設備功能的各種參數，如命令操作碼、響應碼、參數類型、量程、上下限以及功能說明等。

為描述各種設備特征，定義了簡單型、結構型和數組型3種設備參數。簡單型是最基本的參數結構，包括參數標識、類型、上下限等，當使用兩個或兩個以上的簡單型參數定義一個設備特征時，就構成了結構型參數。

設備描述由設備描述語言(DDL)實現，并由特定的設備描述解釋器來解釋執行。個人監控通信采用可擴展性標記語言(XML)為設備描述語言來實現設備描述。XML是一種標準的結構化網絡標記語言，它采用文檔類型定義(DTD)或模式(Schemas)來定義XML文件結構；使用可擴展性式樣語言(XSL)來規范文件內容在各種載體上的顯示；使用可擴展鏈接語言(XLL)處理XML文件的鏈接關系。XML的這種豐富、靈活的自我描述方法可以充分滿足個人監控通信的設備描述需求。

2.3 實現原理

面向業務融合的軟交換網絡，由于采用的是業務、控制和承載分層的架構體系，為個人監控通信提供了理想的實現平臺，網絡架構如圖7所示。

與其他通信系統一樣，用于個人監控通信的設備可劃分為網絡側和用戶側兩部分。網絡側設備包括軟交換機、現場業務中心等，位于網絡的核心控制層和業務層；用戶側設備包括監控設備、現場設備、網關和現場控制平臺，位于網絡的接入層和現場設備層。

現場設備層是個人監控通信網絡所特有的，主要實現現場設備的控制、管理及組網功能。這現場設備層中，現場控制平臺是最重要的網絡實體，負責接入現場設備，并對其進行控制和管理，實現機器代理功能。在具有多個現場設備的環境下，依據應用場景、現場環境和資源組建現場網絡。

現場網絡可以采用不同的技術來實現，例如基于現場總線技術的現場總線網絡、無線局域網絡以及基于ZigBee技術的無線傳感器網絡等等。

控制層中的軟交換機，是整個網絡的核心設備，具備強大的信令消息處理能力。實際上，軟交換中的會話控制模型也就是個人監控通信中消息代理所要實現的模型，利用其實現個人監控通信的各類消息交互與事務控制。現場業務中心位于業務層中，與軟交換機交互，實現現場代理功能。現場業務中心是可選部件，現場代理功能也可借助其他業務提供服務器，如即時消息/呈現服務器(IMPS)來實現。

在個人監控通信中，獲取現場設備的描述信息是最為關鍵的一步。設備描述信息位于現場設備中，在機器上電時，發出注冊消息通告給網關或現場控制平臺，并通過遠程網絡上報給現場業務中心。對于“啞”設備，可以直接在網關或現場控制平臺為其定制設備描述信息。

異地用戶通過監控設備下載位于現場業務中心的設備描述信息，來獲取對遠程設備的控制與監測能力。設備描述信息也可以采用訂閱的方式，由現場代理自動通知用戶所使用的監控設備，及時進行信息更新。

當獲取到設備的描述信息后，用戶就可以對遠端的現場設備發出對方能正確識別的監測或控制指令，進入個人監控通信過程，如圖8所示。這個過程一般分為如下幾步：

·用戶通過監控設備向現場設備發出監控指令，指令經由機器代理依據設備描述信息進行編碼、封裝后被發送至軟交換。

·軟交換機中的消息代理對監控消息進行分析，并向現場業務處理中心查詢現場設備的訪問規則及安全策略。

·執行現場設備的策略，這個策略也可能是網關或現場控制平臺的策略，然后軟交換機將消息轉發至現場設備所屬的網關/現場控制平臺。

·網關/現場控制平臺對軟交換機發來的消息進行解碼，根據設備通道、命令操作碼、參數值等，向相應的現場設備分發監控指令。

·網關/現場控制平臺通過軟交換機向用戶報告指令執行情況，返回響應碼、測量值等。

·如果是實時監測過程，監控設備與現場監控平臺還需在軟交換機的控制下，建立起實時信息流(文本、音頻、視頻或其他數據流)通道。

對于通知模式下的個人監控通信，用戶需要先在現場業務中心進行登記，通過訪問及安全控制后，訂閱現場設備的某些狀態或測量信息。在整個訂閱期間，現場設備會通過現場業務中心向所有訂閱用戶主動提供狀態或測量信息。用戶可以延長訂閱時間，也可在訂閱期未滿的情況下取消訂閱。

3 應用分析

個人監控通信作為面向大眾用戶提供的一種人機通信業務，是對人與人之間個人通信的有益補充，在家庭自動化、公共服務、資源調度、安全監測及社群互助等領域具有廣闊的應用前景。

·家庭自動化是個人監控通信最主要的應用領域。在一個智能家居系統中，家庭各類設備(包括信息設備，通信設備，家電設備，安防設備及水、電、氣、熱表等)實現內部聯網，并通過家庭網關接入遠程網絡，通過遠程或本地的監控設備，實現家庭自動化業務^[4]。這些業務包括：

·家電控制與監測，如空調、冰箱溫度的調節與控制，窗簾的開合，電視和錄像設備的控制，燈光控制等等。

·家庭安全防護，包括視頻監控、防火、防盜、防氣體泄漏的報警、監測與控制等。

·三表抄送，包括水表、電表、燃氣表及其他家庭計量設備中數據的自動讀取與遠程抄送。

現在中國剛剛批準的兩項涉及家庭網絡的標準，一個是信息技術資源共享協同服務標準(IGRS)^[5]，主要針對的是家庭信息設備，為這些設備間的智能互聯、資源共享與協同服務定義了協議標準和應用框架。另一個是數字電視接收設備與家庭網絡平臺接口標準(e家佳)^[6-9]，針對家庭各種電器、照明設備、安防設備及基礎設施，定義了家庭網絡的體系結構、主網與子網協議及自動控制標準。這兩個標準，尤其是后者，為個人監控通信在家庭自動化的應用提供了可靠的參考模型。

在公共服務行業，人們需要對一些服務信息進行及時了解。傳統情況下，人們通過電話咨詢或上網查詢的方式來獲取信息，往往一些關鍵的信息不能查詢或者信息已經過時，比如火車站列車到站情況、航班情況、票務情況、商場商品及價格信息等等。如果能將提供這些信息的Web系統納入到個人監控域，用戶根據需要訂閱相關信息，并在更新的時候及時得到通知，會使信息的準確性和時效性大大提高。比如，用戶可以訂閱某日某次列車的票務和站務信息，及時獲知每日票務情況，并全程跟蹤當日列車在各站的到站時刻，預知到達本站的時刻以及是否晚點，為出行做出參考。個人監控通信也可應用在音、視頻內容傳送領域，例如醫院、學校課堂、培訓中心、運動會場、慶典禮堂等等。在這些現場架設音、視頻服務器，通過內容傳送網絡(CDN)技術，向所有訂閱者或服務成員實時傳送圖像、音頻、視頻等多媒體信息，提供遠程醫療、家庭看護、遠程同步教育、實況轉播等業務。

實際上，作為一個開放的系統，個人監控系統中的每個用戶既可以是業務的消費者，也可以是業務的提供者。尤其是當個人設備大量接入監控網絡時，這種開放性所體現出來的優勢將更加明顯。用戶可以在一個好友列表或虛擬社群中，構建自己的遠程互助網絡，享受諸如緊急救助、遠程設備維修、遠程拍攝與實時傳送等業務，實現“人人為我，我為人人”的美好愿景。

4 結束語

隨著以軟交換為核心的NGN向寬帶化、智能化及無線移動化方向的不斷演進，網絡會逐漸融合，以語音為主的通信時代即將終結，多媒體、多能力和多種內容的富通信會成為主流^[10]。而且，終端的智能化程度越來越高，計算機、通信及消費電子(3C)融合也成為可能，人們不再滿足于人與人之間的通信，人與機器間的直接通信將成為新的交流形式。

現階段，作為人機通信的一種典型業務，面向大眾用戶的個人監控還處于起步階段，目前還停留在私網或封閉的系統中，如智能小區，監控業務僅限于本社區，不具備遠程能力；再如汽車防盜監控系統，雖然使用了移動網這類公眾網絡，具有遠程通信能力，但它屬于一個專用的系統，實現成本太高，不具備推廣價值。國內外各大組織機構已經制訂了若干項關于監控類通信業務的協議和標準，這為個人監控通信的規模發展和應用提供了有力的保障。隨著機器智能的提高和網絡的融合，個人監控會得到不斷完善和發展，極有可能成為未來通信的主流業務。

5 參考文獻

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[10] ALESSO H P， SMITH C F. 智能無線網[M]. 吳東升，等譯. 北京:清華大學出版社， 2004.

收稿日期：2005-12-27

作 者 簡 介

廖碧成，重慶郵電大學碩士畢業。工作于中國電信集團重慶市電信有限公司，長期從事通信與信息處理、多媒體通信與信息服務等專業的研究。現為重慶市信息化領導小組專家咨詢組成員，重慶郵電大學特聘教授、碩士生導師。