一種基于VoIP技術的半雙工無線話音通信系統

鄭磊

【摘要】 隨著計算機網絡技術以及電信基礎網絡的快速發展，VoIP技術的應用研究逐漸滲透到各個行業領域，如在電話、手機和普通四線話音設備等不同話音通信系統之間互聯互通等典型應用研究，已取得了一些成果，但針對傳統的軍、民用地空視距半雙工話音通信系統應用VoIP技術的研究相對較少。本文針對上述不足，設計并實現了一套基于VoIP技術的話音通信系統，將傳統半雙工電臺終端接入IP網絡，實現話音及信令的IP網絡實時傳輸，支持總機對通信系統的遠程控制及話音通信，可滿足遠程控制中心人員的遠程值守，極大的擴展了的通信可達范圍，具有較高的理論與實際應用價值。

【關鍵詞】 VoIP 半雙工電臺 遠程控制 遠程值守

一、概述

隨著IP網絡的高速發展，在高效率傳輸數據業務的IP網絡上傳送話音、傳真甚至視頻業務已經成為必然。國內外的各大電信運營商都積極投入到VoIP技術的研發中，一方面加快了IP網絡的建設，另一方面針對各種VoIP業務應用終端的開發也取得了較快的發展。

國內傳統的半雙工無線話音通信系統在VoIP技術應用上相對滯后，因其受既有通信體制限制，狀態控制信號與語音信號均為模擬信號變量，使用專用模擬電路實現話音信號與狀態控制信號接口轉換，使用被覆線及中繼裝置實現話音及信令的遠距離傳輸。其典型應用場景為：地面控制中心通過專用話音轉換設備和話音專線與通信站建立固定話音通道，地面控制中心按照專線連接關系，使用特定通信鏈路進行地空話音通信。為實現地面話音長距離傳輸，以及適配特定的通信設備接口，需要研制專用話音傳輸轉換設備和建立專用的通信專線，懂導致系統成本高、使用不靈活且可擴展能力不足。本文針對上述不足，設計了一種基于VoIP技術的話音通信系統，具有交聯關系簡單、造價低、兼容性好、布置簡單且靈活多用等特點。

二、VoIP技術簡介

2.1概述

VoIP（Voice over Internet Protocol）基本原理為：首先在發送端，使用語音壓縮算法對原始語音數據進行壓縮、編碼，使用實時傳輸協議/實時傳輸控制協議RTP/RTCP對壓縮數據進行處理，并使用UDP/TCP等方式將語音數據分組打包并通過IP網絡進行傳送。最后接收端將收到語音數據包按時間順序進行串接處理，并將語音數據進行解碼以及解壓縮處理，恢復出原始語音信號，從而實現通過IP網進行實時語音通信的目的。

傳統電話網是以電路交換的方式傳輸話音信號，所要求的話音傳輸固定帶寬為64kbit/s。而VoIP技術是建立在IP網絡上的分組化、數字化傳輸技術，它利用目前Internet和全球IP互聯的環境，實現數字業務、話音及視頻在Internet上廉價傳輸。

2.2 VoIP相關技術特點

作為實時業務，VoIP對時序、時延等有嚴格要求，為保證話務質量，主要的關鍵技術涉及控制信令技術、媒體編碼技術、實時傳輸技術、QOS保障技術、網絡傳輸技術等。[1]

2.2.1控制信令技術

信令技術的主要功能是保證語音質量和電話呼叫的順利實現。當前被廣泛接受的VoIP控制信令體系包括國際電信聯盟（International Telecommunications Union， ITU）的H.323系列和因特網工程任務組（Internet Engineering Task Force，IETF）的會話初始化協議（Session Initiation Protocol，SIP）。

1、H.323。H.323標準是ITU-T制定的IP 網絡上進行音頻、視頻和數據等多媒體信息通信的協議標準，它的主要功能是為局域網、廣域網、企業內部網和互聯網上的多媒體通信提供技術基礎支持。它在各種設備之間、上層應用之間和供應商之間進行交互操作。另外，它支持組播、帶寬管理和多點功能，不受操作系統、網絡結構和硬件平臺的束縛，能支持不同功能節點之間的會議，靈活性強。

2、SIP。SIP 協議是一個會話層的信令控制協議。它只提供建立、維護及結束進程信息的功能，沒有媒體控制功能。SIP提供的建立和結束會話的功能有用戶定位、用戶能力、用戶可用性、呼叫建立和呼叫處理。只要通過這五種SIP功能就可以完成一次會話。

2.2.2媒體編碼技術

媒體編碼技術是VoIP技術能夠實施的重要保證，其在節省網絡帶寬的同時，又能保證突發傳輸、鏈路產生誤碼和網絡抖動時的語音仍具有很強的健壯性。目前VoIP通信使用由國際電信聯盟ITU建議的應用于低速率多媒體服務中語音信號的壓縮編碼算法技術，常見的有G.723.1，G.729、G.729. A 等。G.723.1有兩種速率：5.3kbps 和 6.3kbps，其話音質量好，是目前已標準化的最低速率的話音編碼算法。G.729采用的是8kbps的CELP壓縮技術的語音編碼算法，G.729.A主要是在G.729基礎上降低了運算復雜度。[2]

2.2.3實時傳輸技術

實時傳輸技術主要采用的是實時傳輸協議RTP。RTP主要包括兩個部分，分別是數據和控制。其中，后者被稱作實時傳輸控制協議RTCP。RTP在分組中提供了三項內容：一個序列號，允許接收端將進入的分組按照正確的方式排列，同時檢測出丟失的分組；二是一個時間戳，允許接收方按媒體流中正確的時間播放正確的分組；三是一系列源標識符，這一功能是使對方知道知道數據的來源。

2.2.4 QOS保障技術

VoIP作為一種實時應用，對服務質量QOS要求很高，它在延遲和抖動的控制、分組丟失等方面的作用將影響網絡提供更高優先服務的能力。目前廣泛采用的提高QOS的方法有資源預留協議（Resource Reservation Protocol， RSVP）以及進行服務質量監控的實時傳輸控制協議。RSVP具有減少時延的作用，它要求每臺設備在參與VoIP 業務時都必須預留必要的資源空間來保障業務質量；抖動問題一般是在接收端增加抖動緩沖區來解決的。前向糾錯法（Forward Error Correction，FEC）用來解決分組丟失問題。

2.2.5網絡傳輸技術

網絡傳輸技術主要有傳輸控制協議TCP和用戶數據報協議UDP，另外還包括網關互聯技術、網絡管理技術、安全認證和計費技術、路由選擇技術等。在實際應用中，可采用UDP或者TCP與RTP相結合的方式傳輸語音數據，確保語音數據實時穩定地傳輸。此外，采用RTP協議將多路話音插入話音數據段中，可有效解決VoIP話音分組開銷大的問題，提高語音傳輸效率。

三、系統方案

3.1系統架構

本文所設計的基于VoIP技術的半雙工無線話音通信系統，使用接口適配裝置實現半雙工電臺接入IP網絡，其語音信號機狀態控制信號均轉換為IP 數據，能夠采用現有已廣泛部署應用的IP網絡實現半雙工電臺的話音信號和狀態控制信號在網絡上傳送。系統框圖如圖 1所示，其主要由遠程基站、IP網絡、遠程控制中心三部分構成。其中，各部分設備組成及主要功能描述如下：

遠程基站：主要由半雙工電臺終端、電臺適配器及狀態控制處理器組成，完成地面有線話音與對空無線話音之間的轉接，同時接受遠程控制中心的遠程監控；

IP網絡：依托廣泛部署的電信運營IP網絡，在遠程基站與遠程控制中心間傳輸IP話音包以及狀態控制數據等；

遠程控制中心：主要由虛通道建鏈及網絡傳輸組件、遠程控制界面及監控服務器構成，完成對遠程基站的監控以及音頻信號的發送與接收。

系統工作原理描述如下：

接收過程：半雙工電臺終端通過外部天線接收無線信號，經處理后經模擬線路輸出給電臺適配器，電臺適配器負責話音數據的IP化轉換，同時狀態控制處理器同步處理狀態控制數據，將這些數據分別傳送到IP網絡上，通過IP尋址方法定位到遠程控制中心相應的控制臺。控制臺接收信號后會經過相同的方法將狀態控制信號或話音信號發送到相應的席位供操作員收聽，同時在電臺控制端顯示話音來電信息等狀態數據。

發射過程：遠程控制中心操作員通過電臺控制端調整半雙工電臺的工作參數與通信對象匹配，并建立通道連接，通過PC機音頻輸入設備完成話音輸入及發射狀態控制。PC機上駐留的音頻處理軟件完成模擬話音以及控制信令的IP化轉換，將這些數據分別傳送到IP網絡上，通過IP尋址方法定位到遠程基站，遠程基站內部的電臺適配器完成IP話音及發射信令的模擬轉換，送半雙工電臺終端發射，同時狀態控制處理器負責電臺工作狀態的監控并通過IP網絡將狀態數據上報遠程控制臺。

3.2功能組件設計

系統功能組件主要包括：半雙工電臺終端VoIP接口組件、虛通道建鏈及網絡傳輸組件、遠程控制界面及服務器等。

3.2.1半雙工電臺VoIP接口組件設計

半雙工電臺VoIP接口組件負責把傳統的半雙工話音通信電臺轉換為一個IP終端接入到IP網絡。

半雙工電臺的信號分為低碼率編碼的狀態控制信號，以及占用固定帶寬的模擬話音信號。由于IP網絡傳輸的是數字信號，因此必須經過話音適配器將模擬信號變為數字信號。另外，半雙工電臺的狀態控制接口與網絡接口不匹配，因此狀態控制信號必須經過狀態控制處理器才 能實現通信。

1）電臺適配器

電臺適配器是網絡接口與普通模擬話音接口間的橋梁，其工作原理如圖 2所示，主要包括：

接收狀態：負責接收半雙工電臺的模擬話音信號，經采樣、AD后轉換為數字信號，再采用G.723.1標準的語音壓縮算法完成話音壓縮處理，然后按TCP/IP協議及RTP/RTCP協議標準封裝成RTP話音包，通過網絡接口將話音信號發送到IP網絡上。

發送狀態：話音數據從IP網絡接口到半雙工電臺音頻接 口的處理是相逆過程，且在該過程中，進行語音狀態檢測，以此產生半雙工電臺終端無線發射所需的PTT信號。本系統采用的語音狀態檢測算法選取短時能量和短時過零率作為檢測算法的參數，屬于時域的檢測方法。通過該檢測算法，能夠有效剔除靜音片段，避免引起長時間PTT有效的現象。[3]

2）狀態控制器

狀態控制處理器主要完成網絡接口與半雙工電臺終端接口之間的控制狀態信號接口轉換。狀態控制處理器原理見圖4所示。

狀態控制處理器主要是通過軟件編程，實現半雙工電臺接口與IP分組之間的通信。控制狀態信號經過IP網絡，傳送到控制狀態處理器，其將接收到的信號處理后轉發給半雙工電臺接口，完成網絡接口與半雙工電臺接口的通信。狀態控制處理器軟件編程主要涉及到網絡套接字和串口通信。

3.2.2虛通道建鏈及網絡傳輸模塊

1）虛通道建鏈設計

本系統是基于IP網絡對半雙工電臺終端控制，不是通過傳統模式的固定點到點線路，沒有固有的話音通道。在進行話音傳輸前，需要使用VoIP的信令控制技術，通過IP網絡在遠程控制中心的送話器與遠程基站的電臺間建立虛擬通道。

遠程控制中心人員通過遠程控制界面進行撥號，撥號建鏈過程可使用得控制信令有H.323和SIP兩種協議，與H.323相比，SIP僅作為初始化呼叫控制，而不傳輸媒體數據，其造成的附加傳輸代價不大；SIP的URL（地址）甚至可以嵌入到Web頁或其他超文本鏈路中，用戶只需用鼠標一點即可發出一個呼叫，此外SIP還有建立呼叫快，支持傳送電話號碼的特點，便于靈活部署。因此，本系統選擇SIP協議作為虛通道建鏈控制信令。[4]

在建鏈操作之前，按照SIP協議標準規定，需要對半雙工電臺分配唯一確定的電話號碼，并且電話號碼與IP地址的映射具有唯一性確定性。本系統編碼規則是：電話號碼=基站+設備機號，來完成對電話號碼與IP地址的映射。遠程控制中心人員撥打號碼，就能與相應的半雙工電臺終端建立呼叫。呼叫建立成功后，就能對半雙工電臺進行控制，或與之進行話音傳輸。

2）網絡傳輸

IP電話網絡傳輸技術主要涉及到TCP/IP協議。UDP和TCP屬于TCP/IP概念模型中的傳輸層范疇。主要作用：一是為其上層應用層提供傳輸服務標準，二是提高下層網絡層的服務質量。雖然同為傳輸層協議，但UDP和TCP卻又很大差異。UDP是用戶數據報協議，TCP為傳輸控制協議，后者比前者復雜很多，但同樣也是當前網絡采用的主流協議。

UDP更適合音頻數據的傳輸，TCP需要等待接收端的應答，使話音數據不能及時的發送給接收端，會造成難以避免的延時和數據的無法接收。

本系統仍舊采用TCP作為網絡傳輸的協議，主要原因包含以下幾個方便：

1.UDP傳輸數據時，如要遇到網絡堵塞，會將數據報丟失，并對丟失的數據報沒有重發機制；

2.使用UDP作為網絡傳輸層時，接收端通常是無序的，但TCP擁有編號機制可以將數據重新組合；

3.對狀態控制信號來說，TCP協議最為合適。使用TCP傳輸狀態控制 信心，能確保其傳輸的正確性；

4.UDP對時間延遲有很強的敏感性，卻對傳輸中產生的錯誤具有一定容忍度。本系統設計預期為可用于安全監控，需要時刻監聽用戶認定的重要信息，不能容忍一點差錯，更不能將數據包丟失。同時，在當前寬帶已成為上網主流的環境下，網絡質量較好，不容易出現網絡堵塞情況。綜上，在可以容忍一定延時的情況下，可使用TCP協議。

3.2.3遠程控制界面

遠程控制界面軟件部署在遠程控制中心的PC機上，通過對人機交互界面的操作，完成對半雙工電臺的參數控制調整及與其之間的話音通信。

遠程PC機提供圖形化人際交換界面，界面示意圖見圖4所示，可對遠程控制中心設備及遠程基站提供實時監視。操作人員通過對控制界面的操作，實現半雙工電臺的工作參數進行調整，顯示實時顯示當前半雙工電臺的工作狀態。同時，通過遠程PC機控制界面，可以與半雙工電臺終端建立呼叫并與之話音通信。另外，用戶能夠根據通信占用情況，有目標的對半雙工電臺終端進行通信。

遠程控制界面采用模塊化設計方法，根據功能要求主要實現以下幾個模塊。

呼叫控制：提供圖形化界面，用戶可以選擇指定半雙工無線站臺進行通信以及斷開通信操作；

監視控制控制：提供圖形化界面，支持用戶對半雙工電臺終端進行參數設置，并動態顯示其當前工作參數；

媒體轉換格式：主要是實現模擬信號與數字信號的轉換，并通過IP分組網絡傳輸到接收端；

控制監視人機界面：對遠程控制中心與半雙工電臺終端間的通信連接情況實時監視，并顯示當前通信鏈狀況。

四、結束語

本系統依托當前廣泛部署的IP網絡及成熟的VoIP技術，對于已經部署的通信站，不用新研專用無線通信設備，不需要部署專線，可在原有無線通信系統的基礎上，通過簡單的技術改造實現IP網絡接入，降低了因新研系統導致的研制成本高和研制周期長等問題，技術有保障，部署及擴展相對簡單。

參 考 文 獻

[1] 高春鋼.VOIP原理和應用概述[J].科技廣場，2011（3）.

[2] 張登銀，孫精科.VoIP技術分析與系統設計。人民郵電出版社，2003

[3] 屈丹，王波，李弼程等. VoIP語音處理與識別.北京：國防工業出版社 2010. 5.

[4] Kundan Singh， Henning Schulzrinne. Peer-to-Peer Internet Telephony using SIP. ACM Proceeding 2005，（10）：63-68