基于SIP協議的半雙工VHF話音通信遠程接入系統*

(中國西南電子技術研究所，成都 610036)

1 引 言

VHF話音通信具有機動、靈活、方便、快捷等特點，在很多場合，例如反恐、救災、軍事行動等，有著廣泛的應用。但是，由于VHF頻段無線通信是視距通信，為了保持機動平臺與地面系統之間的通信不間斷，就必須解決VHF話音通信的遠距離接入控制和組網應用問題。相關應用領域專家針對這一問題已經開展了大量的研究工作，提出了基于電話網絡的接入方案；但是，由于傳統電話網絡固有的成本高、靈活性差等缺點，導致此類基于傳統電話網的VHF話音通信接入方案無法推廣應用。

另一方面，IP網絡技術的飛速發展帶動了各種應用向IP 技術的靠攏，一個典型的應用就是VOIP業務[1-2]。VOIP 與傳統的電話網相比，由于統一采用IP 技術，話音和數據傳輸在同一線路上采用統計復用技術實現，從而提高了線路帶寬資源的利用率，具有成本低、靈活性高、生產率及效率高等優點。目前，VOIP技術受到越來越多研究機構的關注，在軍事及公共安全等應用領域開展了大量的研究工作[3-6]。針對傳統通信系統基于統一的IP網絡的融合應用，也取得了一定的研究成果，例如電話、手機、普通四線話音設備等不同話音通信系統之間的互聯互通和統一調度[3]，但針對VHF話音通信的IP網融合應用技術的研究較少。

本文結合VHF頻段無線通信特點及業務范圍，基于VOIP技術現狀，提出了一種適用于VHF話音通信的地面IP網絡融合應用方法，從而為VHF話音通信的應用范圍擴展提出了新的思路，為解決半雙工VHF話音通信融入下一代通信網絡應用的問題提供了一種設計參考。

2 VOIP協議

在基于IP的多媒體通信領域，起主導地位的包括兩大體系：一是ITU-U體系，制定了H.323[7](基于包交換的多媒體通信系統建議) 標準；另一個則是由IETF推薦的基于SIP(會話初始化協議)[8]的多媒體業務解決方案。

H.323沿用的是傳統的電話信令和協議[7]，而SIP 借鑒了其它因特網的標準和協議的設計思想，在風格上遵循因特網一貫堅持的簡練、開放、兼容和擴展等原則，比較簡單且易于實現[8]。從技術發展的角度看，由于SIP天生的技術優勢，在克服當前一些技術難題后，SIP 的應用前景將更加明朗。

根據上述分析，VHF話音通信遠程接入系統中，在有線側選擇SIP協議設計。在SIP 協議中有兩個主要的組成部分需要設計實現[8]：用戶代理(UA)和網絡服務器。用戶代理又分為發起SIP 請求的用戶代理客戶端(UAC) 和響應這種請求的用戶代理服務器(UAS) 。網絡服務器分為重定向服務器、代理服務器、注冊服務器。通常的SIP呼叫操作涉及到1個SIP 用戶代理客戶機發起請求，1個SIP代理服務器作為終端用戶的位置發現代理，并且存在1個用戶代理服務器接收這個呼叫。

3 接入系統設計

3.1 系統架構設計

VHF話音通信遠程接入系統中需要實現SIP用戶代理和SIP服務器組件，包括VHF電臺遠程桌面控制軟件(地面系統)、VHF電臺接入控制設備(地面通信站點)和SIP服務器組件(地面控制中心)3個部分。地面系統、地面通信站點和地面控制中心由高速互連的地面IP網絡連接，可以實時傳輸話音及控制信息，保證地面網絡及地空無線通信的連通性。基于SIP協議的VHF話音通信遠程接入系統的體系架構如圖1所示。

圖1 VHF話音通信遠程接入系統體系架構

構建VHF話音通信遠程接入系統后，地面系統用戶可以通過地面IP網與互聯的地面通信站點內的接入控制設備互通話音，并通過VHF話音通信遠程桌面控制軟件實現對通信站點內VHF話音通信的控制和參數設置。接入控制設備通過音頻接口和控制接口與VHF話音通信相連，實現與空中移動平臺之間的無線話音通信。

VHF話音通信遠程接入系統中，接入控制設備在有線側的功能相當于SIP用戶代理，在無線側相當于傳統的VHF話音電臺控制設備。遠程桌面控制軟件在SIP系統中的功能相當于SIP用戶代理，并擴展實現對VHF話音電臺的遠程控制功能。接入控制設備和遠程桌面控制軟件是VHF話音電臺遠程接入系統中的兩個核心部件。本文以下部分將給出這兩個部件的建議性設計。

3.2 接入控制設備設計

接入控制設備主要完成電臺控制命令和話音的處理和格式轉換，它通過電臺音頻接口電路與電臺音頻口連接；為控制半雙工電臺收發切換，使用PTT接口電路與電臺的PTT相連，并通過電臺控制接口實現對電臺的控制和工作狀態監視功能。電臺控制信息和話音信息分別完成控制命令處理轉換和媒體格式轉換后，統一采用實時傳輸協議(RTP)傳輸到地面IP網絡中。接入控制設備的原理框圖如圖2所示。

圖2 接入控制設備原理框圖

接入控制設備軟件部分采用模塊化的設計思想，各個模塊實現獨立功能，為以后的功能擴展和在其它項目中的移植打下良好的基礎。它主要分為以下幾個模塊：

(1)話音處理模塊：該模塊在獨立的高性能數字信號處理器(DSP) 芯片上運行，主要實現話音的編碼/解碼、靜音檢測、回音抵消等功能；

(2)媒體格式轉換模塊：該模塊主要處理話音分組，完成網絡話音數據分組的預處理、格式轉換及壓縮處理；

(3)控制監視處理模塊：該模塊根據電臺控制接口要求，完成電臺控制命令、狀態信息的處理、格式轉換及實時傳送，支持遠程桌面控制軟件對電臺的控制和工作狀態監視；

(4)呼叫處理模塊：該模塊實現SIP 信令標準定義的呼叫處理流程，接收地面系統呼叫處理，支持在分組網上建立會話通信；

(5)網絡接口模塊：該模塊實現基于實時傳輸協議(RTP)的網絡接口能力，實現多媒體信息、SIP 信令，以及對本站點電臺遠程監控信息的實時傳輸。

接入控制設備啟動后，先向SIP注冊服務器進行登記注冊，隨后即處于呼叫等待狀態。當遠程桌面控制軟件發起呼叫時，接入控制設備SIP用戶代理服務器發送2XX/OK應答，呼叫建立，可以開始正常的話音通信過程。

正常話音通信過程中，接入控制設備需要將話音電臺側的模擬話音抽樣量化為PCM數字話音，然后經過SIP協議支持的G.711或G.729等話音編碼后發送到遠程桌面控制軟件SIP用戶代理，并將從有線側接收到的話音編碼進行解碼處理后送話音電臺。

半雙工VHF話音通信與全雙工SIP系統之間的互通控制是由接入控制設備利用靜音檢測技術實現的，即VHF話音電臺的收/發狀態是由有線側是否講話來控制的。若有線側開始講話，經過話音處理模塊檢測到話音起始點，通過PTT接口電路將VHF話音電臺PTT 置于有效電平，使其工作于發射狀態。當有線側講話告一段落，話音檢測電路檢測到話音的截止點，通過PTT接口電路將VHF話音電臺PTT 置于無效，此時VHF話音電臺工作于接收狀態，等待通話機動平臺的回話。如此反復，直至通話結束。

在地面系統遠程桌面控制軟件掛機后，接入控制設備網絡接口模塊進行相應的掛機信令處理后，又返回呼叫等待狀態，準備接收網絡上任意地面系統發起的新的呼叫。

3.3 遠程桌面控制軟件設計

遠程桌面控制軟件部署在地面系統控制計算機中，提供圖形化用戶使用界面，支持對不同地面通信站點工作狀態和占用情況的監視。用戶可根據通話機動平臺的位置和工作參數，選擇合適的地面通信站點及VHF話音電臺，由遠程桌面控制軟件自動完成撥號處理過程，并可以通過遠程桌面控制軟件實現對目標通信站點VHF話音電臺的參數設置和控制。遠程桌面控制軟件實現對控制命令和媒體格式的處理轉換，統一由網絡接口模塊采用實時傳輸協議傳輸到地面IP網絡中。

遠程桌面控制軟件采用模塊化的設計思想，各個模塊實現獨立功能。根據功能使用需求，遠程桌面控制軟件主要分為以下幾個模塊實現：

(1)話音接口模塊：該模塊主要完成與話筒、聽筒的接口，實現話音信息的輸入、輸出及編/解碼功能；

(2)媒體格式轉換模塊：該模塊主要處理話音分組，完成網絡話音數據分組的預處理、格式轉換及壓縮處理；

(3)呼叫控制人機界面：提供圖形化用戶接口，支持用戶選擇使用的地面通信站點及VHF話音電臺，并支持呼叫處理參數的設置；

(4)呼叫處理模塊：該模塊實現SIP 信令標準定義的呼叫處理流程，根據用戶輸入信息完成呼叫處理過程，實現與選擇地面站點之間的會話通信；

(5)控制監視人機界面：提供圖形化用戶接口，實現對網絡上互聯的地面站點配置VHF話音電臺的狀態監視，并支持用戶對選定VHF話音電臺的參數設置和控制；

(6)控制監視處理模塊：該模塊根據用戶的輸入信息，完成對遠端電臺的控制命令的生成和格式封裝，并接收遠端電臺的工作狀態報告信息，完成格式轉換后送控制監視人機界面；

(7)網絡接口模塊：該模塊實現SIP 信令標準定義的呼叫處理，支持在分組網上建立會話通信，并提供基于實時傳輸協議(RTP)的控制命令接口，支持對電臺的遠程配置及維護。

遠程桌面控制軟件啟動后，先向SIP注冊服務器進行登記注冊，隨后即處于呼叫等待狀態。當用戶通過呼叫控制人機界面發起呼叫時，呼叫處理模塊自動完成Request-URI轉換，并向其發送INVITE/會話邀請，當接收到目標站點接入控制設備的2XX/OK應答后，向呼叫控制人機界面報告呼叫建立，可以開始正常的話音通信過程。

在通話機動平臺離開使用的地面通信站點的通信覆蓋范圍時，地面系統用戶可以通過人機界面控制斷開與使用地面站點的SIP連接，并根據通話機動平臺的位置信息和任務機動趨勢，選擇下一個地面通信站點，重復呼叫處理過程，完成越區切換過程，從而為機動平臺提供遠距離、不間斷的話音通信服務。

4 結束語

本文在對VOIP技術及其實用性進行研究的基礎上，給出了基于SIP協議的VHF話音通信遠程接入系統的架構設計及關鍵設備的建議性設計。基于商用SIP服務器及桌面電話軟件，結合某型號VHF話音電臺，對上述設計思路進行的仿真演示結果表明，系統引入的時延及語音質量均能很好地滿足使用需求，從而為VHF話音通信依托地面IP網絡的功能擴展提供了事實依據。

由于VHF頻段無線通信是視距通信，當機動平臺從一個地面通信站點的通信覆蓋范圍移動到另外一個地面通信站點的通信覆蓋范圍時，必然存在越區切換問題。在下一步的工作中，將結合工程應用，對基于SIP協議的VHF話音通信遠程接入系統的性能優化和越區切換算法開展進一步的研究。

參考文獻：

[1] 楊明. 基于RTP的實時語音傳輸的實現與研究[D]. 武漢：華中科技大學, 2004.

YANG Ming.The Implementation and Research of Real-Time Voice Transmission Based on RTP[D]. Wuhan：Huazhong University of Science and Technology,2004.(in Chinese)

[2] 張若思. IP電話分組話音技術分析[D]. 成都:四川大學, 2005.

ZHANG Ruo-si.An analysis about VOIP Packed Voice Technology[D].Chengdu：Sichuan University,2005.(in Chinese)

[3] 張全保,吳曉飛,趙偉.基于SIP協議的可視指揮調度系統在公安指揮中心的設計及應用[J].警察技術,2008(1)：32-34.

ZHANG Quan-bao, WU Xiao-fei, ZHAO Wei. Design and Application of Video Dispatching System Based on VOIP in Police Command Center[J]. Police Technology, 2008(1)：32-34. (in Chinese)

[4] 冷冰, 羅秋霞. 基于SIP協議的短波接入系統[J]. 信息安全與通信保密, 2007(5)：123-126.

LENG Bing, LUO Qiu-xia. HF Access System Based on SIP [J]. Information Security and Communications Privacy, 2007(5)：123-126. (in Chinese)

[5] David T, Wallace. Exploitation of existing voice over internet protocol technology for department of the navy application [D]. Monterey: Naval Postgraduate School, 2002.

[6] Rosemary Lewis.Operational benefit of implementing VOIP in a tactical environment[D].Monterey:Naval Postgraduate School,2003.

[7] ITU-T Recommendation H.323 V2，Packet based multimedia communications systems [S].

[8] RFC 3261，SIP：Session Initiation Protocol[S].