基于家庭基站分布式PBX的系統架構與設計

劉功民

摘要：現有IP-PBX均基于有線網絡構建而無法滿足用戶對移動通信的需求，并且大都采用集中式控制而增加其系統癱瘓的風險。因此，該文提出一種基于家庭基站技術的分布式PBX系統即FD-PBX，依托家庭基站使其具備移動通信能力，基于Asterisk和SoC構建具有小容量的呼叫控制和交換功能的FAP使其兼具分布式系統的優點。

關鍵詞：家庭基站；PBX；Asterisk；SoC；分布式系統

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）01-0089-02

數據通信需求的推動、IP技術的發展，同時伴隨著VoIP（Voice over Internet Protocol，基于因特網的語音通信，俗稱IP電話或因特網電話或IP語音）技術的成熟，各種IP-PBX（VoIP based Private Branch Exchange，基于IP語音的用戶級交換機）系統層出不窮[1-3]。通常，IP-PBX系統中均設置核心部件CM（Call Manager，呼叫管理器）實現對所有IP電話的呼叫管理和控制；由于基于VoIP，以太網電話機和Soft phone[3]即軟電話能直接接入該系統。然而仔細分析不難發現，依托IP使其具備了強大的數據通信乃至視頻通信功能，但是仍然沒有擺脫線纜的束縛，移動通信更是無從談起；同時，CM屬于集中式控制方式，一旦其出現故障，整個系統將處于癱瘓狀態。另一方面，近年飛蜂窩Femtocell（又叫家庭基站）以其低功耗、高吞吐率以及通過有線寬帶網絡回程等優勢被廣泛接納，在寬帶移動通信領域，已成為解決室內深度覆蓋的首選技術[4]。家庭基站典型應用系統的結構如圖1所示，由圖可知，家庭基站通常部署在用戶家中，屬用戶私有。用戶設備如手機、筆記本電腦等通過FAP（Femto Access Point，家庭基站接入點）實現無線連接，FAP通過用戶家里的寬帶線路如DSL（Digital Subscriber Line，數字用戶線）、FTTH（Fiber To The Home，光纖入戶）等作為其回程鏈路并最終接入到移動CN（Core Network，核心網）。此時用戶設備所進行的移動通信承載在廉價且高普及率的Internet上，移動核心網主要提供其呼叫管理和控制功能，這與PBX有相通之處。因此，若進一步將移動核心網的呼叫管理和控制功能下移到家庭基站的FAP中，則FAP完全成為了用戶家中一個獨立私有的“移動通信網絡”。因此，本文給出一種基于家庭基站技術實現的分布式PBX系統即FD-PBX（Femtocell based Distributed PBX，基于家庭基站分布式PBX）。

1 FD-PBX系統架構與功能

FD-PBX系統的總體架構及典型應用場景如圖2所示。由圖可知，FD-PBX系統基于家庭基站技術，采用FMC（Fixed Mobile Convergence，固定與移動融合）思路和分布式系統架構，依托Ethernet、DSL、FTTH等固定寬帶技術實現Internet的接入，同時充分利用PLMN（Public Land Mobile Network，公共陸地移動網絡）的特點和優勢，最終實現企業PBX功能的移動化且將其應用延伸到企業以外的所有區域。

分析圖2可知，由于能無縫兼容到原有的IP-PBX系統，使得FD-PBX系統幾乎實現了現行所有方式的通信。業務類型包括語音、數據乃至視頻，通信終端涉及普通固定電話機（包括在企業內部使用的和在家居區域使用的兩種）、IP電話機、基于PC的Soft phone以及PDA（Personal Digital Assistant，個人數字助理）、手機等移動終端設備，通信發生的范圍包括企業內部、企業分支機構、家居生活區、PLMN覆蓋區以及PSTN（Public Switched Telephone Network，公共交換電話網絡）等區域內部或區域之間。

2 FD-PBX設計

根據前述分析可知，FD-PBX系統功能的實現主要集中在FAP上，下面的闡述主要圍繞FAP展開。

FAP其實就是一個集成了傳統基站所有功能的小型基站，如TD-SCDMA（Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access，時分同步碼分多址接入）系統中FAP的原理如圖3所示。由圖可知，FAP的原有部件已經對移動語音的射頻、基帶以及無線資源管理等進行了處理，因此只需要在FAP中增加呼叫接續、號碼翻譯、路由選擇以及IP交換等原屬于MSC（Mobile Switching Center，移動交換中心）的功能，而MSC的鑒權和加密、移動性管理等需要HLR（Home Location Register，歸屬位置寄存器）、VLR（Visitor Location Register，訪問位置寄存器）、AUC（Authentication Centre，鑒權中心）和EIR（Equipment Identity Register，設備識別寄存器）配合才能完成的其他功能仍然依托其CN中的相應功能實體實現。據此思路設計的FAP，其硬件結構如圖4所示。

圖4中，除了SSIC（Soft Switch Integrated Circuit，軟交換集成電路）及與其配套的SDRAM（Synchronous Dynamic Random Access Memory，同步動態隨機存儲器）和Flash Memory之外，包括各RFIC（Radio Frequency Integrated Circuit，射頻集成電路）、Router（路由器）等在內的其余模塊都是傳統FAP的功能模塊，在FD-PBX系統中，沒有改動其硬件，限于篇幅不做闡述。SSIC是FAP中實現FD-PBX系統功能的核心部件，硬件上可采用OpenWRT等SoC（System on Chip，系統級芯片）芯片實現，鑒于相關的文獻和工業應用均已有解決方案[1]，本文不再重復。然后在SSIC中運行Asterisk以使FAP具有呼叫控制功能和IP交換能力。同樣的，Asterisk的應用已有很多成功案例[1]，限于篇幅不做闡述。endprint

3 結束語

基于固定寬帶回傳的家庭基站技術極大地減輕了移動回程網（backhaul）的負擔，從而使得其倍受移動運營商青睞；而基于家庭基站技術的分布式PBX系統FD-PBX，通過將呼叫控制和交換功能分散到設置在用戶側的FAP中，無疑將進一步減輕移動核心網的壓力。同時，FD-PBX的推廣和應用，使移動運營商的業務進一步拓展到傳統PBX領域，將進一步鞏固其市場占有率和企業競爭力。最后，FD-PBX系統結合OpenVPN（Open Virtual Private Network，開源虛擬專用網絡）技術之后，為組建常用聯系人之間的家用級PBX提供了可能，將進一步增加FD-PBX系統的用戶接納度。因此，基于家庭基站技術的分布式PBX系統FD-PBX，從技術、市場到用戶接納層面均具有較好的可行性。

參考文獻：

[1] Spyros Apostolakos， ApostolosMeliones， George Lykakis， et al.Design， Implementation and Validation of an Open Source IP-PBX/VoIP Gateway Multi-Core SoC[J]. International Journal of Parallel Programming， 2010， 38（3-4）：288-302.

[2] Jianfeng Zhu， Zhuang Li， Yuchun Ma. Realization of Extended Functions of SIP-Based IP-PBX[C]. Proceedings Second International Workshop on Education Technology and Computer Science （ETCS 2010）， 2010： 488-490.

[3] Sonaskar S， Giripunje S. Voice Over Intranet Based Private Branch Exchange System Design[C].2011 3rd International Conference on Electronics Computer Technology （ICECT 2011）， 2011， 6：91-287.

[4] Vikram Chandrasekhar， Jeffrey G Andrews.Femtocell Networks： A Survey[J]. IEEE Communications Magazine， 2008，46（9）：59-67.endprint