王金輝

(河北遠(yuǎn)東哈里斯通信有限公司，河北石家莊050200)

0 引言

基于IP網(wǎng)絡(luò)的軟交換技術(shù)正在逐步取代電路交換技術(shù)，成為公眾交換電話網(wǎng)/公眾陸地移動電話網(wǎng)(Public Switched Telephone Network/Public Land Mobile Network，PSTN/PLMN)的主流技術(shù)。軟交換系統(tǒng)在運營商的核心控制網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)得到大規(guī)模的部署，在其他行業(yè)(如電力系統(tǒng)、銀行系統(tǒng)等)也逐漸開始應(yīng)用。和基于電路交換技術(shù)的程控數(shù)字交換機相比，軟交換系統(tǒng)由不同設(shè)備實現(xiàn)呼叫控制、終端接入等功能，各種設(shè)備之間使用標(biāo)準(zhǔn)的接口或協(xié)議，這樣，軟交換系統(tǒng)就提供了開放的功能及業(yè)務(wù)擴展能力。在此基礎(chǔ)上，各種增值業(yè)務(wù)(如視頻業(yè)務(wù)、統(tǒng)一通信業(yè)務(wù)等)也可以得到快速地發(fā)展。

1 軟交換

軟交換是下一代網(wǎng)絡(luò)(Next Generation Network，NGN)的控制功能實體，為NGN具有實時性要求的業(yè)務(wù)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。簡單地看，軟交換是實現(xiàn)傳統(tǒng)程控交換機的“呼叫控制”功能的實體，設(shè)計思想是:呼叫和承載分離、業(yè)務(wù)和呼叫分離。

軟交換設(shè)備是多種邏輯功能實體的集合，提供綜合業(yè)務(wù)的呼叫控制、連接以及部分業(yè)務(wù)功能，是軟交換網(wǎng)絡(luò)中語音/視頻/數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)呼叫、控制和業(yè)務(wù)提供的核心設(shè)備，也是目前電路交換網(wǎng)向分組網(wǎng)演進的主要設(shè)備之一。軟交換各實體之間通過標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議進行連接和通信［1］。

軟交換體系結(jié)構(gòu)分4層:應(yīng)用層、控制層、傳輸層和接入層。

應(yīng)用層設(shè)備包括各種業(yè)務(wù)服務(wù)器，如計費服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器和網(wǎng)管服務(wù)器等，這些服務(wù)器控制軟交換核心實現(xiàn)各種業(yè)務(wù)功能，如會議、統(tǒng)一通信和號碼簿等。

控制層設(shè)備包括軟交換設(shè)備，也稱作媒體網(wǎng)關(guān)控制器(Media Gateway Controller，MGC)，是整個軟交換系統(tǒng)的控制核心。

傳輸層指的是IP網(wǎng)絡(luò)層，包括萬維網(wǎng)及各行業(yè)自建的專用數(shù)據(jù)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)。

接入層設(shè)備包括:中繼網(wǎng)關(guān)(Trunk Gateway，TG)、信令網(wǎng)關(guān) (Signal Gateway，SG)、接入網(wǎng)關(guān)(Access Gateway，MG)和各種IP終端。

TG:位于NGN的邊緣接入層，連接PSTN和NGN網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)IP包轉(zhuǎn)時分復(fù)用模式(TDM)的功能［2］。

SG:用于完成與PSTN/PLMN電話交換機的信令連接，將電話交換機采用的基于TDM電路的7號信令信息轉(zhuǎn)換為IP包。

AG:用于直接將普通電話用戶接入到 NGN網(wǎng)絡(luò)。

軟交換系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 H.248協(xié)議

由圖1可知，媒體網(wǎng)關(guān)(Media Gateway，MG)在軟交換體系結(jié)構(gòu)中位于接入層。軟交換設(shè)備通過媒體網(wǎng)關(guān)控制協(xié)議(Media Gateway Control Protocol，MEGACO)/H.248協(xié)議控制網(wǎng)關(guān)進行各種動作(如控制接入網(wǎng)關(guān)檢測終端的摘機、掛機、拍叉簧、撥號和向終端發(fā)送各種信號音等;控制中繼網(wǎng)關(guān)進行媒體流的轉(zhuǎn)換等)。MEGACO是Internet工程任務(wù)組(Internet Engineering Task Force)制定的標(biāo)準(zhǔn)，H.248是國 際 電 信 聯(lián) 盟標(biāo)準(zhǔn)化部門(International TelecommunicationUnion－Telecommunication Standardization)制定的標(biāo)準(zhǔn)。H.248和MECACO在協(xié)議文本上相同，只是在協(xié)議消息傳輸語法上有所區(qū)別，H.248采用 ASN.1語法格式(ITU －T X.680 1997)，MEGACO采用ABNF語法格式(RFC2234)。

Megaco/H.248通過一系列命令處理終端(Termination)、上下文(Context)、事件(Event)以及信號(Signal)等。

Add命令負(fù)責(zé)添加 Termination到 Context。Context中的第一個Termination上的Add命令可以用于創(chuàng)建一個 Context［3］。

Modify命令用于更改Termination的屬性、事件和信號。

Subtract命令用于斷開Context中的Termination連接，并返回加入 Context的關(guān)于 Termination的統(tǒng)計值。Context中最后一個Termination上的Subtract命令用以刪除Context。

Move命令自動將Termination移動到其他context。

AuditValue命令用以返回 Termination的屬性、事件、信號和統(tǒng)計值的當(dāng)前狀態(tài)。

AuditCapabilities命令返回媒體網(wǎng)關(guān)所支持的關(guān)于 Termination屬性、事件及信號等的所有可能值。

Notify命令允許媒體網(wǎng)關(guān)通知媒體網(wǎng)關(guān)控制器關(guān)于媒體網(wǎng)關(guān)中發(fā)生的事件。

ServiceChange命令允許媒體網(wǎng)關(guān)通告媒體網(wǎng)關(guān)控制器一個或一組 Termination將退出服務(wù)或返回到服務(wù)。此外MG利用ServiceChange命令通告MGC(注冊)它的可用性，并通告MGC它將或已重啟。MGC可能通過向MG發(fā)送ServiceChange命令而通告 MG其移交過程。MGC還可能使用 ServiceChange命令通知MG將一個或一組Termination加入或退出服務(wù)。

Notify命令(MG通過該命令通知MGC關(guān)于MGC所關(guān)心的某事件已經(jīng)發(fā)生)由 MG發(fā)送到達 MGC。ServiceChange命令可以由MG發(fā)送到MGC，也可以由MGC發(fā)送到MG。其余命令則是由MGC發(fā)送到MG。

3 網(wǎng)關(guān)

接入媒體網(wǎng)關(guān)用于為各類用戶提供多種類型的業(yè)務(wù)接入［4］。中繼媒體網(wǎng)關(guān)位于電路交換網(wǎng)和IP分組網(wǎng)絡(luò)之間，用來終結(jié)大量的數(shù)字電路［5］。

接入網(wǎng)關(guān)、中繼網(wǎng)關(guān)都由硬件、軟件組成。接入網(wǎng)關(guān)的硬件負(fù)責(zé)檢測終端的摘機、掛機、拍叉簧、撥號、向終端發(fā)送各種信號音、對媒體流進行格式轉(zhuǎn)換。中繼網(wǎng)關(guān)的功能除對DSS1消息進行適配外，也要對媒體流進行格式轉(zhuǎn)換。所以接入網(wǎng)關(guān)、中繼網(wǎng)關(guān)的功能及軟硬件組成基本一致。

3.1 硬件結(jié)構(gòu)

網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)

公共控制板:網(wǎng)關(guān)的核心硬件，由中央處理器、內(nèi)存、硬盤和網(wǎng)卡等設(shè)備組成，運行軟件系統(tǒng)，通過總線和其他外圍板卡進行通信，接收板卡發(fā)送的數(shù)據(jù)、控制板卡的動作。為了提高網(wǎng)關(guān)設(shè)備的穩(wěn)定性，公共控制板可冗余配置，使用熱備份方式，一旦主用控制板出現(xiàn)故障，備用控制板可以馬上接管服務(wù)。

模擬接入板:用于接入模擬終端。模擬接入板通過背板總線使用音頻線和模擬終端連接，為模擬終端提供電壓、檢測終端的摘機、掛機事件，并可以檢測終端所撥數(shù)字，以及向終端播放撥號音、忙音等各種信號音。

數(shù)字中繼板:用于和PSTN通過E1進行互聯(lián)，互聯(lián)信令一般采用綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(Integrated Services Digital Network，ISDN)信令或中國 7號信令(Signalling System No.7，SS7)。使用 ISDN 信令時，一般采用集群速率接口(Primary Rate Access，PRA)。使用SS7信令時，一般采用ISDN用戶部分(ISDN User Part，ISUP)協(xié)議。

媒體處理板:用于將媒體流在脈沖編碼調(diào)制(Pulse Code Modulation，PCM)格式和實時傳輸協(xié)議(Real Time Transfer，RTP)格式之間進行轉(zhuǎn)換。媒體處理板由嵌入式處理器、高性能數(shù)字信號處理(Digital Signal Processing，RTP)組成。嵌入式處理器完成和公共控制板的通信、對DSP的控制，DSP完成語音的編解碼。

外網(wǎng)控制板:用于在公共控制板和外網(wǎng)機架之間建立通信通道。一般的通信設(shè)備是由多個機架或機框組成，便于用戶端口需求的擴展。

網(wǎng)絡(luò)交換板:用于媒體網(wǎng)關(guān)和軟交換設(shè)備及其他IP網(wǎng)元(網(wǎng)關(guān)、終端)之間通信。媒體網(wǎng)關(guān)和軟交換設(shè)備的控制協(xié)議必須承載在IP網(wǎng)絡(luò)之上，而語音流的傳輸也必須依賴于IP網(wǎng)絡(luò)。

3.2 軟件結(jié)構(gòu)

網(wǎng)關(guān)的軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟件結(jié)構(gòu)

呼叫控制模塊:網(wǎng)關(guān)的核心控制軟件，運行于公共控制板上，處理模擬終端的各種事件(摘機、掛機和撥號)，并根據(jù)軟交換設(shè)備的命令指示模擬接入板對終端播放各種信號音。對終端的事件處理后，將事件映射成H.248協(xié)議模塊的內(nèi)部消息，并發(fā)送到H.248協(xié)議模塊。在呼叫建立過程中，根據(jù)終端所處的呼叫階段，對收到的消息(接入模塊、H.248協(xié)議模塊)進行不同的處理。如果網(wǎng)關(guān)配置為冗余系統(tǒng)，則主、備呼叫控制模塊之間定時發(fā)送心跳消息，一旦備用模收不到主用模塊的響應(yīng)，則立即遷移至主用狀態(tài)。

H.248協(xié)議模塊:網(wǎng)關(guān)的協(xié)議處理模塊，由H.248協(xié)議棧部分、協(xié)議棧管理部分、網(wǎng)關(guān)管理部分組成、媒體控制部分。H.248協(xié)議棧部分負(fù)責(zé)對呼叫控制模塊的消息進行編碼，對軟交換設(shè)備的消息進行解碼。協(xié)議棧管理部分負(fù)責(zé)對協(xié)議棧進行初始化、配置和維護等管理工作。網(wǎng)關(guān)管理部分則完成資源的狀態(tài)管理，包括:注冊、心跳和雙歸屬等功能。媒體控制部分完成根據(jù)軟交換設(shè)備的命令申請媒體資源、變更媒體模式。

媒體資源管理模塊:媒體處理板管理模塊，包括資源分配、資源維護和資源統(tǒng)計等。媒體網(wǎng)關(guān)可配置多塊媒體處理板，此模塊根據(jù)預(yù)先配置的資源分配算法(負(fù)荷分擔(dān)等)分配媒體端口，并控制DSP創(chuàng)建RTP、激活RTP和變更媒體流的模式。同時對通話過程中的丟包率、發(fā)送及接收的RTP個數(shù)等進行統(tǒng)計，并上報到軟交換設(shè)備。軟交換設(shè)備根據(jù)統(tǒng)計情況決定是否采用相應(yīng)的處理措施，如當(dāng)丟包率比較高時，表明網(wǎng)絡(luò)狀況可能不太好，此時應(yīng)對呼叫進行限制。

網(wǎng)絡(luò)管理模塊:管理網(wǎng)關(guān)和軟交換設(shè)備之間的通信通道、在網(wǎng)關(guān)和軟交換設(shè)備之間收發(fā)協(xié)議數(shù)據(jù)。H.248協(xié)議模塊啟動后，通知網(wǎng)絡(luò)管理模塊建立用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議(User Datagram Protocol，UDP)監(jiān)聽端口。

以上各模塊以任務(wù)形式存在，通過郵箱機制進行通信。

3.3 注冊

網(wǎng)關(guān)啟動時，必須向軟交換設(shè)備進行注冊，通知軟交換設(shè)備網(wǎng)關(guān)上資源的狀態(tài)。MG可以使用ServiceChange命令向MGC報告一個終結(jié)點或一組終結(jié)點將要退出服務(wù)或者剛剛返回服務(wù)［6］。

網(wǎng)關(guān)注冊流程如圖4所示。

①網(wǎng)關(guān)啟動，網(wǎng)關(guān)管理部分判斷是主用機架還是備用機架。如果是主用機架，則通知協(xié)議棧管理部分向軟交換設(shè)備進行整體注冊。

②協(xié)議棧管理部分調(diào)用協(xié)議棧進行Ser-viceChange消息的編碼，ServiceChange中的TerminationId為Root，Method為 Restart。編碼完成后，通過網(wǎng)絡(luò)管理模塊將注冊消息發(fā)送到軟交換設(shè)備;

③網(wǎng)絡(luò)管理模塊收到軟交換設(shè)備的Reply消息后，發(fā)送到協(xié)議棧模塊;

④協(xié)議棧管理部分調(diào)用協(xié)議棧進行消息解碼，并通知網(wǎng)關(guān)管理部分。網(wǎng)關(guān)管理部分則通知相關(guān)模塊注冊已成功。

圖4 注冊流程

3.4 呼叫建立

呼叫流程如圖5所示。

圖5 呼叫流程

①模擬接入模塊檢測到終端摘機，上報到呼叫控制模塊;

②呼叫控制模塊建立呼叫包，并將摘機消息發(fā)送到協(xié)議模塊;

③協(xié)議模塊對摘機消息進行映射和編碼，編碼完成后發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)管理模塊。網(wǎng)絡(luò)管理模塊將摘機消息發(fā)送到軟交換設(shè)備;

④網(wǎng)絡(luò)管理模塊收到軟交換下發(fā)Modify消息(指示網(wǎng)關(guān)向終端送撥號音，并檢測撥號，消息中包括數(shù)字位圖)后，將Modify消息發(fā)送到協(xié)議模塊;

⑤協(xié)議模塊對Modify消息進行解碼，將消息映射成內(nèi)部消息并發(fā)送到呼叫控制模塊;

⑥呼叫控制模塊向接入模塊發(fā)送消息，指示接入模塊向終端播放撥號音;

⑦接入模塊收集號碼后，上報到呼叫控制模塊;

⑧呼叫控制模塊按照數(shù)字位圖進行號碼比較，并將比較結(jié)果發(fā)送到協(xié)議模塊;

⑨協(xié)議模塊進行編碼，映射成Notify消息，并通過網(wǎng)絡(luò)管理模塊上報到軟交換;

⑩網(wǎng)絡(luò)管理模塊收到軟交換下發(fā)Modify消息(指示網(wǎng)關(guān)向終端送回鈴音)后，將Modify消息發(fā)送到協(xié)議模塊;

?同步驟⑤;

?呼叫控制模塊向接入模塊發(fā)送消息，指示接入模塊向終端播放回鈴音;

?網(wǎng)絡(luò)管理模塊收到軟交換下發(fā)Add消息(申請媒體資源)后，將Add消息發(fā)送到協(xié)議模塊;

?協(xié)議模塊向資源管理模塊發(fā)送消息，申請媒體資源，并將結(jié)果上報到軟交換;

?網(wǎng)絡(luò)管理模塊收到軟交換下發(fā)Modify消息(指示網(wǎng)關(guān)向終端停送回鈴音)后，將Modify消息發(fā)送到協(xié)議模塊;

?同步驟⑤

?呼叫控制模塊向接入模塊發(fā)送消息，指示接入模塊停止向終端播放回鈴音;

?網(wǎng)絡(luò)管理模塊收到軟交換下發(fā)Modify消息(將媒體模式修改為“收發(fā)”)后，將Modify消息發(fā)送到協(xié)議模塊;

?協(xié)議模塊向資源管理模塊發(fā)送消息。

至此，通話建立。

4 結(jié)束語

基于以上分析，通過研究硬件和軟件結(jié)構(gòu)，參考軟交換體系的組成原理，并對H.248協(xié)議進行深入分析，經(jīng)過多次論證和試驗，完成了H.248協(xié)議在媒體網(wǎng)關(guān)的實現(xiàn)。在實際應(yīng)用中，通過大話務(wù)量測試(使用呼叫模擬器、測試儀表等工具)，并針對H.248協(xié)議進行具體細(xì)節(jié)地測試，驗證了網(wǎng)關(guān)完全實現(xiàn)了設(shè)計思想。

［1］YD/T 1434－2006軟交換設(shè)備總體技術(shù)要求［S］，2006.

［2］陳少軍.軟交換系統(tǒng)七號信令設(shè)計［J］.無線電通信術(shù)，2012，38(2):17 －19.

［3］YD 1292－2003－I.基于 H.248的媒體網(wǎng)關(guān)控制協(xié)議技術(shù)要求［S］，2003.

［4］YD/T 1243.2－2002媒體網(wǎng)關(guān)設(shè)備技術(shù)要求—綜合接入媒體網(wǎng)關(guān)［S］，2002.

［5］YD1243.1－2002媒體網(wǎng)關(guān)設(shè)備技術(shù)要求——IP中繼媒體網(wǎng)關(guān)［S］，2002.

［6］中國電信 H.248協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)［S］，2003.