基于軟交換技術(shù)的RoIP網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要:RoIP是近年來新興的一門技術(shù)，旨在解決不同頻段、不同類型的對講機(jī)、電臺、集群之間的互連互通問題，對提高公共服務(wù)部門工作效率和應(yīng)急指揮能力有著重要的意義;基于軟交換技術(shù)的RoIP網(wǎng)關(guān)以32位的Mips核為硬件平臺，采用了先進(jìn)的VoIP技術(shù)，將語音流壓縮打包成適合IP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)腞TP包，并利用SIP協(xié)議實(shí)現(xiàn)點(diǎn)與點(diǎn)或多點(diǎn)之間的呼叫、通話功能，方便大規(guī)模、跨地域組網(wǎng)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于消防、公安等多個(gè)領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞:軟交換; VoIP; RoIP網(wǎng)關(guān); 嵌入式系統(tǒng); 公共安全

中圖分類號:TP316 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)09-0072-03

Design and Implementation of RoIP Gateway Based on Softswitch Technology

WANG Gu

(No.38 Research Institute of CETC， Hefei 230088， China)

Abstract: RoIP is an emerging technology， whose aim is to achieve the interconnection between interphones， radio stations and trunks in different types and frequency bands. It has great significance to increase work efficiency and strengthen emergency commanding capability of public service departments. A softswitch-based RoIP gateway takes 32 bit Mips core as its hardware platform， and packages the voice speech compression into RTP packet for IP network transmission by using the advanced VoIP technology. The softswitch-based ROIP gateway achieved pear-to-multi-peer calling and talking functions by SIP protocol. It was suitable for large-scale and cross-boundary networking. RoIP gateway has been widely used in the fields of fire control and public security.

Keywords: softswitch; VoIP; RoIP gateway; embedded system; public security

0 引 言

無線對講機(jī)是通過無線載波進(jìn)行語音通信的通訊工具，簡單快捷、組網(wǎng)方便，但由于無線電波在傳輸時(shí)受到大氣、障礙物的阻礙而衰減，特別是對講機(jī)使用的超短波的傳輸受建筑物影響更大，無線通訊距離不可能太遠(yuǎn)，再有對講機(jī)的無線發(fā)射功率及天線的限制使得無線對講機(jī)的通訊距離更近。為了解決這個(gè)問題，傳統(tǒng)上采用建立異頻中繼臺的方法，這樣可使原來通訊的距離由幾公里增加到十幾公里甚至幾十公里，這樣雖然在一定范圍內(nèi)增加了通訊距離，但對大范圍的無線對講特別是跨城市對講來說就顯得無能為力了。再加上建立異頻中繼臺還要用專用的雙工頻點(diǎn)，這對一般用戶來說是不可能做到的。

基于軟交換技術(shù)的RoIP網(wǎng)關(guān)完成了無線對講機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)(IP網(wǎng)絡(luò))的連接，是一種將模擬的語音通信信號數(shù)字化，并進(jìn)行壓縮后經(jīng)IP網(wǎng)絡(luò)交換至目的地，再將VoIP數(shù)據(jù)包其還原成語音信號經(jīng)本地電臺發(fā)出，從而實(shí)現(xiàn)RoIP語音通信的方式，徹底解決了大范圍、遠(yuǎn)距離、跨城市無線對講難題[1]。它適用于公安、軍隊(duì)、鐵路以及其他有無線對講業(yè)務(wù)的單位，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無線組網(wǎng)通信使用。

1 RoIP與軟交換技術(shù)原理

軟交換是下一代網(wǎng)絡(luò)的控制功能實(shí)體，為下一代網(wǎng)絡(luò)(NGN)具有實(shí)時(shí)性要求的業(yè)務(wù)的提供呼叫控制和連接控制功能，是下一代網(wǎng)絡(luò)呼叫與控制的核心。軟交換的基本含義就是將呼叫控制功能從媒體網(wǎng)關(guān)(傳輸層)中分離出來，通過軟件實(shí)現(xiàn)基本呼叫控制功能，包括呼叫選路、管理控制、連接控制(建立/拆除會話)和信令互通，從而實(shí)現(xiàn)呼叫傳輸與呼叫控制的分離，為控制、交換和軟件可編程功能建立分離的平面。軟交換主要提供連接控制、翻譯和選路、網(wǎng)關(guān)管理、呼叫控制、帶寬管理、信令、安全性和呼叫詳細(xì)記錄等功能[2]。與此同時(shí)，軟交換還將網(wǎng)絡(luò)資源、網(wǎng)絡(luò)能力封裝起來，通過標(biāo)準(zhǔn)開放的業(yè)務(wù)接口和業(yè)務(wù)應(yīng)用層相連，從而方便地在網(wǎng)絡(luò)上快速提供新業(yè)務(wù)。

基于軟交換的RoIP網(wǎng)關(guān)借鑒了VoIP技術(shù)，也是建立在IP技術(shù)基礎(chǔ)上的分組化、數(shù)字化傳輸技術(shù)，其基本原理是通過語音壓縮算法對話音進(jìn)行壓縮編碼處理。然后把這些語音數(shù)據(jù)按IP等相關(guān)協(xié)議進(jìn)行打包，經(jīng)IP網(wǎng)絡(luò)或Internet把數(shù)據(jù)包傳輸?shù)侥康牡兀侔堰@些語音數(shù)據(jù)包串起來，經(jīng)過解碼解壓處理恢復(fù)成原來的語音信號，從而達(dá)到由IP網(wǎng)絡(luò)傳送話音的目的[3]。

2 RoIP網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 總體構(gòu)成

如圖1所示，網(wǎng)關(guān)主要由MIPS最小系統(tǒng)、DSP語音處理模塊、FPGA邏輯控制系統(tǒng)以及電臺接口模塊組成。

圖1 RoIP網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)硬件架構(gòu)示意圖

2.2 MIPS微處理器系統(tǒng)

微處理器系統(tǒng)是RoIP網(wǎng)關(guān)的核心單元，是系統(tǒng)主體程序的載體，負(fù)責(zé)不同功能協(xié)議棧的正常運(yùn)行和各分系統(tǒng)模塊的管理控制。

本設(shè)計(jì)中選用的英飛凌ADM5120微處理器，基于MIPS 4Kc內(nèi)核，主頻可以達(dá)到175 MHz/227 MIPS，并集成了豐富的功能外設(shè)，提供SDRAM接口，6個(gè)網(wǎng)絡(luò)交換引擎，5個(gè)10/100 Mb/s PHY，是一款極具性價(jià)比的網(wǎng)絡(luò)處理器。系統(tǒng)采用2 MB FLASH作為程序與配置文件的存儲空間，2×8 MB SDRAM作為程序運(yùn)行空間。

2.3 DSP語音處理模塊

通常的語音信號經(jīng)采樣編碼成PCM語音流后帶寬為64 Kb/s，如此高的帶寬如直接接入到IP網(wǎng)絡(luò)勢必會造成網(wǎng)絡(luò)資源的極大浪費(fèi)，如并發(fā)數(shù)過多會引起網(wǎng)絡(luò)鏈路的阻塞從而嚴(yán)重影響語音質(zhì)量[4]。

DSP語音處理模塊主要負(fù)責(zé)完成語音的壓縮解壓工作，將CODEC編碼后的PCM碼流經(jīng)過算法處理后變成帶寬極小的壓縮語音碼流，而語音質(zhì)量卻不會太大損傷。另外由于語音業(yè)務(wù)對實(shí)時(shí)性要求較高，需要對語音碼流封成適合IP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)腞TP包，使之具有較高的網(wǎng)絡(luò)傳輸優(yōu)先級。

本方案中選用了英飛凌公司的PEB3342芯片，該芯片屬于英飛凌ATA系列DSP，是VoIP專用的語音DSP，具備2路電話模擬語音信號輸入，4路PCM信號輸入輸出。同時(shí)DSP內(nèi)部還有DTMF 收發(fā)器、CALLID 收發(fā)器等電話信號收發(fā)模塊，并支持G.711，G.723，G.729等多種壓縮算法。PEB3342通過8位數(shù)據(jù)信號與主控制器相連，通過PCM接口與FPGA相連，收發(fā)音頻信號。

2.4 FPGA邏輯控制系統(tǒng)

FPGA模塊主要負(fù)責(zé)中央處理器與對講機(jī)接口電路間的邏輯轉(zhuǎn)換關(guān)系，并針對多路對講機(jī)通道實(shí)現(xiàn)如下功能:

PCM語音信號復(fù)分接:RoIP網(wǎng)關(guān)可以同時(shí)并發(fā)兩路對講機(jī)信號，語音信號采用時(shí)分復(fù)用的PCM碼流，這需要FPGA對CODEC產(chǎn)生的碼流進(jìn)行復(fù)接匯聚成一條PCM碼流提供給DSP處理，兩路語音信號分別占用兩個(gè)64 Kb/s的時(shí)隙;相反，DSP出來的PCM碼流經(jīng)過FPGA分接成兩路標(biāo)準(zhǔn)的PCM提供給CODEC還原成模擬語音信號。

語音激活(VOX)功能:對講機(jī)是半雙工工作方式，網(wǎng)關(guān)需要根據(jù)外接對講機(jī)的狀態(tài)信號判斷對講機(jī)的通話狀態(tài)，但一般的對講機(jī)并不提供相關(guān)狀態(tài)信號，這就需要網(wǎng)關(guān)根據(jù)對講機(jī)產(chǎn)生的語音信號進(jìn)行判斷是否處于有效接收狀態(tài)。FPGA根據(jù)CODEC輸入的語音值，與主控設(shè)置的靈敏度相比較，如果小于則視為噪音，大于則視為有效接收，這樣防止了因噪音產(chǎn)生的誤觸發(fā)[5]。

主控信號邏輯轉(zhuǎn)換:考慮到對講機(jī)設(shè)置參數(shù)過多，通過FPGA內(nèi)部程序?qū)@些參數(shù)配置進(jìn)行統(tǒng)一編址，由CPU進(jìn)行直接讀寫訪問，包括靈敏度參數(shù)設(shè)置、COR延時(shí)時(shí)間等，另外對對講機(jī)的控制信號包括PTT和COR也統(tǒng)一進(jìn)行編址訪問。

2.5 電臺接口模塊

電臺接口模塊主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能:一是對電臺/對講機(jī)的語音信號實(shí)現(xiàn)匹配、放大、采樣、編碼功能，將模擬的語音信號變成適合處理傳輸?shù)臄?shù)字信號，編解碼芯片采用了華邦科技的W681310語音編解碼芯片，采用8 kHz時(shí)鐘抽樣頻率，形成標(biāo)準(zhǔn)的2 Mb/s基帶PCM信號交給FPGA系統(tǒng)處理;相反由DSP系統(tǒng)出來的數(shù)字PCM信號經(jīng)過FPGA的分接后經(jīng)CODEC的D/A重新形成模擬語音信號經(jīng)運(yùn)放輸入到對講機(jī)設(shè)備中發(fā)送出去。

電臺接口模塊另一個(gè)重要的功能是對對講機(jī)的控制和狀態(tài)信號實(shí)現(xiàn)操作，對講機(jī)和傳統(tǒng)電話不同，它是一個(gè)開放式、半雙工通訊系統(tǒng)，多個(gè)對講機(jī)同時(shí)只能有一路處于發(fā)送狀態(tài)，其他幾路只能處于收聽狀態(tài)，這就需要根據(jù)對講機(jī)的狀態(tài)對對講機(jī)進(jìn)行有效的控制，對講機(jī)主要的控制信號有PTT和COR兩個(gè)，在對講機(jī)端(相對對講機(jī)網(wǎng)關(guān)而言)，針對沒有COR信號輸出的手持對講機(jī)設(shè)備，將由對講機(jī)語音網(wǎng)關(guān)內(nèi)部通過對語音信號的處理產(chǎn)生VOX信號，作為對講機(jī)半雙工通信方式的狀態(tài)識別;在網(wǎng)絡(luò)端，既可以通過對RTP數(shù)據(jù)流的處理產(chǎn)生VOX信號，也可以通過自定義SIP信令擴(kuò)展頭[6]直接傳輸對方COR信號。

2.6 軟件系統(tǒng)

考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，軟件平臺選用了風(fēng)河公司實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VXworks[4]，系統(tǒng)的軟件部分主要分為APP，TEL，DSP，SIP，NET以及CONF等模塊。各模塊功能描述如下:

DSP模塊:此模塊主要完成對DSP芯片的驅(qū)動功能，能夠?yàn)閷χv交換模塊提供對講機(jī)端口的狀態(tài)變化，可以根據(jù)對講機(jī)模塊的指令，對某一次通話的編解碼算法進(jìn)行設(shè)置。

RADIO模塊:即對講交換模塊，此模塊主要完成所有和對講機(jī)接口相關(guān)的配置。根據(jù)對講機(jī)端口的狀態(tài)變化，報(bào)告給應(yīng)用程序模塊相應(yīng)的事件，具體管理內(nèi)容和DSP模塊密切相關(guān)。

APP模塊:此模塊是系統(tǒng)中的中心控制模塊，要協(xié)調(diào)SIP和交換模塊之間的動作，此模塊相當(dāng)于一個(gè)電路交換中的信令控制單元，分析VoIP協(xié)議和端口狀態(tài)，為VoIP協(xié)議和對講機(jī)端口之間建立通道。

SIP模塊:完成SIP協(xié)議的處理，參考SIP協(xié)議規(guī)范RFC3261[7]和RFC2543 [8]，為應(yīng)用提供SIP功能的接口，并且通過應(yīng)用模塊的回調(diào)函數(shù)報(bào)告SIP協(xié)議的處理情況。

NET模塊:網(wǎng)絡(luò)功能接口，為VoIP提供IP通道。此功能模塊將利用現(xiàn)有成熟協(xié)議來豐富網(wǎng)關(guān)的功能，比如實(shí)現(xiàn)DHCP CLIENT，TFTP配置上傳、下載和系統(tǒng)的動態(tài)升級。

CONF模塊:此模塊主要是對各模塊數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和初始化讀取工作。可以這樣理解，用戶使用CLI和WEB對系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)的配置，這些配置可以通過此模塊保存起來，關(guān)機(jī)后下次啟動時(shí)，用戶不需要重新配置設(shè)備。此模塊將從FLASH中讀取上次保存的信息，初始化各個(gè)模塊。如果讀取錯誤，系統(tǒng)將以默認(rèn)方式啟動。

3 結(jié) 語

根據(jù)本方案設(shè)計(jì)的RoIP網(wǎng)關(guān)利用VoIP原理，實(shí)現(xiàn)了無線電臺在IP網(wǎng)上的有效傳輸，測試表明，該RoIP網(wǎng)關(guān)具有轉(zhuǎn)換音質(zhì)好，方便靈活等多方面優(yōu)勢，可對接不同接口的手持、電臺設(shè)備，實(shí)現(xiàn)異頻電臺間的語音通訊，現(xiàn)已在應(yīng)急行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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[7]RFC 3261， SIP: Session initiation protocol[S]. America: IETF， 2002.

[8]IETF RFC 2543， SIP: Session initiation protocol[S]. America: IETF， 1999.