摘 要:RoIP是近年来新兴的一门技术,旨在解决不同频段、不同类型的对讲机、电台、集群之间的互连互通问题,对提高公共服务部门工作效率和应急指挥能力有着重要的意义;基于软交换技术的RoIP网关以32位的Mips核为硬件平台,采用了先进的VoIP技术,将语音流压缩打包成适合IP网络传输的RTP包,并利用SIP协议实现点与点或多点之间的呼叫、通话功能,方便大规模、跨地域组网,现已广泛应用于消防、公安等多个领域。
关键词:软交换; VoIP; RoIP网关; 嵌入式系统; 公共安全
中图分类号:TP316 文献标识码:A
文章编号: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
无线对讲机是通过无线载波进行语音通信的通讯工具,简单快捷、组网方便,但由于无线电波在传输时受到大气、障碍物的阻碍而衰减,特别是对讲机使用的超短波的传输受建筑物影响更大,无线通讯距离不可能太远,再有对讲机的无线发射功率及天线的限制使得无线对讲机的通讯距离更近。为了解决这个问题,传统上采用建立异频中继台的方法,这样可使原来通讯的距离由几公里增加到十几公里甚至几十公里,这样虽然在一定范围内增加了通讯距离,但对大范围的无线对讲特别是跨城市对讲来说就显得无能为力了。再加上建立异频中继台还要用专用的双工频点,这对一般用户来说是不可能做到的。
基于软交换技术的RoIP网关完成了无线对讲机与互联网(IP网络)的连接,是一种将模拟的语音通信信号数字化,并进行压缩后经IP网络交换至目的地,再将VoIP数据包其还原成语音信号经本地电台发出,从而实现RoIP语音通信的方式,彻底解决了大范围、远距离、跨城市无线对讲难题[1]。它适用于公安、军队、铁路以及其他有无线对讲业务的单位,实现远距离无线组网通信使用。
1 RoIP与软交换技术原理
软交换是下一代网络的控制功能实体,为下一代网络(NGN)具有实时性要求的业务的提供呼叫控制和连接控制功能,是下一代网络呼叫与控制的核心。软交换的基本含义就是将呼叫控制功能从媒体网关(传输层)中分离出来,通过软件实现基本呼叫控制功能,包括呼叫选路、管理控制、连接控制(建立/拆除会话)和信令互通,从而实现呼叫传输与呼叫控制的分离,为控制、交换和软件可编程功能建立分离的平面。软交换主要提供连接控制、翻译和选路、网关管理、呼叫控制、带宽管理、信令、安全性和呼叫详细记录等功能[2]。与此同时,软交换还将网络资源、网络能力封装起来,通过标准开放的业务接口和业务应用层相连,从而方便地在网络上快速提供新业务。
基于软交换的RoIP网关借鉴了VoIP技术,也是建立在IP技术基础上的分组化、数字化传输技术,其基本原理是通过语音压缩算法对话音进行压缩编码处理。然后把这些语音数据按IP等相关协议进行打包,经IP网络或Internet把数据包传输到目的地,再把这些语音数据包串起来,经过解码解压处理恢复成原来的语音信号,从而达到由IP网络传送话音的目的[3]。
2 RoIP网关系统实现
2.1 总体构成
如图1所示,网关主要由MIPS最小系统、DSP语音处理模块、FPGA逻辑控制系统以及电台接口模块组成。
图1 RoIP网关系统硬件架构示意图
2.2 MIPS微处理器系统
微处理器系统是RoIP网关的核心单元,是系统主体程序的载体,负责不同功能协议栈的正常运行和各分系统模块的管理控制。
本设计中选用的英飞凌ADM5120微处理器,基于MIPS 4Kc内核,主频可以达到175 MHz/227 MIPS,并集成了丰富的功能外设,提供SDRAM接口,6个网络交换引擎,5个10/100 Mb/s PHY,是一款极具性价比的网络处理器。系统采用2 MB FLASH作为程序与配置文件的存储空间,2×8 MB SDRAM作为程序运行空间。
2.3 DSP语音处理模块
通常的语音信号经采样编码成PCM语音流后带宽为64 Kb/s,如此高的带宽如直接接入到IP网络势必会造成网络资源的极大浪费,如并发数过多会引起网络链路的阻塞从而严重影响语音质量[4]。
DSP语音处理模块主要负责完成语音的压缩解压工作,将CODEC编码后的PCM码流经过算法处理后变成带宽极小的压缩语音码流,而语音质量却不会太大损伤。另外由于语音业务对实时性要求较高,需要对语音码流封成适合IP网络传输的RTP包,使之具有较高的网络传输优先级。
本方案中选用了英飞凌公司的PEB3342芯片,该芯片属于英飞凌ATA系列DSP,是VoIP专用的语音DSP,具备2路电话模拟语音信号输入,4路PCM信号输入输出。同时DSP内部还有DTMF 收发器、CALLID 收发器等电话信号收发模块,并支持G.711,G.723,G.729等多种压缩算法。PEB3342通过8位数据信号与主控制器相连,通过PCM接口与FPGA相连,收发音频信号。
2.4 FPGA逻辑控制系统
FPGA模块主要负责中央处理器与对讲机接口电路间的逻辑转换关系,并针对多路对讲机通道实现如下功能:
PCM语音信号复分接:RoIP网关可以同时并发两路对讲机信号,语音信号采用时分复用的PCM码流,这需要FPGA对CODEC产生的码流进行复接汇聚成一条PCM码流提供给DSP处理,两路语音信号分别占用两个64 Kb/s的时隙;相反,DSP出来的PCM码流经过FPGA分接成两路标准的PCM提供给CODEC还原成模拟语音信号。
语音激活(VOX)功能:对讲机是半双工工作方式,网关需要根据外接对讲机的状态信号判断对讲机的通话状态,但一般的对讲机并不提供相关状态信号,这就需要网关根据对讲机产生的语音信号进行判断是否处于有效接收状态。FPGA根据CODEC输入的语音值,与主控设置的灵敏度相比较,如果小于则视为噪音,大于则视为有效接收,这样防止了因噪音产生的误触发[5]。
主控信号逻辑转换:考虑到对讲机设置参数过多,通过FPGA内部程序对这些参数配置进行统一编址,由CPU进行直接读写访问,包括灵敏度参数设置、COR延时时间等,另外对对讲机的控制信号包括PTT和COR也统一进行编址访问。
2.5 电台接口模块
电台接口模块主要实现两个功能:一是对电台/对讲机的语音信号实现匹配、放大、采样、编码功能,将模拟的语音信号变成适合处理传输的数字信号,编解码芯片采用了华邦科技的W681310语音编解码芯片,采用8 kHz时钟抽样频率,形成标准的2 Mb/s基带PCM信号交给FPGA系统处理;相反由DSP系统出来的数字PCM信号经过FPGA的分接后经CODEC的D/A重新形成模拟语音信号经运放输入到对讲机设备中发送出去。
电台接口模块另一个重要的功能是对对讲机的控制和状态信号实现操作,对讲机和传统电话不同,它是一个开放式、半双工通讯系统,多个对讲机同时只能有一路处于发送状态,其他几路只能处于收听状态,这就需要根据对讲机的状态对对讲机进行有效的控制,对讲机主要的控制信号有PTT和COR两个,在对讲机端(相对对讲机网关而言),针对没有COR信号输出的手持对讲机设备,将由对讲机语音网关内部通过对语音信号的处理产生VOX信号,作为对讲机半双工通信方式的状态识别;在网络端,既可以通过对RTP数据流的处理产生VOX信号,也可以通过自定义SIP信令扩展头[6]直接传输对方COR信号。
2.6 软件系统
考虑到系统的稳定性和实时性,软件平台选用了风河公司实时操作系统VXworks[4],系统的软件部分主要分为APP,TEL,DSP,SIP,NET以及CONF等模块。各模块功能描述如下:
DSP模块:此模块主要完成对DSP芯片的驱动功能,能够为对讲交换模块提供对讲机端口的状态变化,可以根据对讲机模块的指令,对某一次通话的编解码算法进行设置。
RADIO模块:即对讲交换模块,此模块主要完成所有和对讲机接口相关的配置。根据对讲机端口的状态变化,报告给应用程序模块相应的事件,具体管理内容和DSP模块密切相关。
APP模块:此模块是系统中的中心控制模块,要协调SIP和交换模块之间的动作,此模块相当于一个电路交换中的信令控制单元,分析VoIP协议和端口状态,为VoIP协议和对讲机端口之间建立通道。
SIP模块:完成SIP协议的处理,参考SIP协议规范RFC3261[7]和RFC2543 [8],为应用提供SIP功能的接口,并且通过应用模块的回调函数报告SIP协议的处理情况。
NET模块:网络功能接口,为VoIP提供IP通道。此功能模块将利用现有成熟协议来丰富网关的功能,比如实现DHCP CLIENT,TFTP配置上传、下载和系统的动态升级。
CONF模块:此模块主要是对各模块数据进行保存和初始化读取工作。可以这样理解,用户使用CLI和WEB对系统进行动态的配置,这些配置可以通过此模块保存起来,关机后下次启动时,用户不需要重新配置设备。此模块将从FLASH中读取上次保存的信息,初始化各个模块。如果读取错误,系统将以默认方式启动。
3 结 语
根据本方案设计的RoIP网关利用VoIP原理,实现了无线电台在IP网上的有效传输,测试表明,该RoIP网关具有转换音质好,方便灵活等多方面优势,可对接不同接口的手持、电台设备,实现异频电台间的语音通讯,现已在应急行业得到了广泛的应用。
参考文献
[1]白茹,刘熹,田畅.基于IP网的地空电台语音网关设计与实现[J].军事通信技术,2009(1):7-10,31.
[2]张沙沙.基于软交换的VoIP信令协议研究与应用[D].武汉:武汉理工大学,2006.
[3]刘钦,董培生.关于军工企业信息化中VoIP技术的分析与应用[D].烟台:山东航天电子技术研究所,2006.
[4]侯赛男,游思佳,勾学荣,等.构建基于嵌入式的双重协议语音网关[C]//第一届中国高校通信类院系学术研讨会论文集.北京:电子工业出版社,2007.
[5]陈亚芳.无线语音通信降噪技术的研究与实现[D].长沙:国防科学技术大学,2005.
[6]陈银星,周利清.SIP协议在VoIP终端的设计和实现[J].现代电信科技,2006(10):11-15.
[7]RFC 3261, SIP: Session initiation protocol[S]. America: IETF, 2002.
[8]IETF RFC 2543, SIP: Session initiation protocol[S]. America: IETF, 1999.