任定成

基于下一代網(wǎng)絡(luò)的VoIP語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

任定成

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，廣東 深圳 518055）

采用網(wǎng)絡(luò)處理器＋DSP作為語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)解決方案，基于下一代網(wǎng)絡(luò)VoIP語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)讓語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、視頻在IP網(wǎng)絡(luò)上傳送，可以有效地降低企業(yè)生產(chǎn)成本．通過(guò)對(duì)該網(wǎng)關(guān)設(shè)備的電路設(shè)計(jì)和音頻驅(qū)動(dòng)的開發(fā)，選擇小巧快速的SIP協(xié)議棧為開發(fā)對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了通話呼叫功能并通過(guò)測(cè)試．

下一代網(wǎng)絡(luò)；語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)；VoIP；SIP

隨著信息化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)電話PSTN模式已不能滿足電信用戶的需求，它不僅通話成本和建設(shè)成本高，且不易擴(kuò)充，尤其是企業(yè)用戶，為了滿足業(yè)務(wù)需求，需要搭建電話網(wǎng)、Intranet（企業(yè)內(nèi)網(wǎng)）和有線電視網(wǎng)．如何在建立單一的Intranet基礎(chǔ)上同時(shí)搭建電話網(wǎng)和有線電視網(wǎng)是業(yè)內(nèi)共同研究的課題．21世紀(jì)初，電信界提出了建立在IP電話網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上網(wǎng)關(guān)功能分解的思想，它以軟交換為核心，早期的下一代網(wǎng)絡(luò)（NGN）初現(xiàn)雛形[1]．NGN是基于TDM的PSTN語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò)和基于IP/ATM的分組網(wǎng)絡(luò)融合的產(chǎn)物，它使得在新一代網(wǎng)絡(luò)上語(yǔ)音、視頻、數(shù)據(jù)等綜合業(yè)務(wù)成為了可能[2]．VoIP網(wǎng)關(guān)技術(shù)是下一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，它將標(biāo)準(zhǔn)的語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)換成經(jīng)過(guò)壓縮的數(shù)據(jù)包后，在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)而非傳統(tǒng)的電話網(wǎng)（PSTN）上進(jìn)行傳輸，將語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、傳真及多媒體等功能融合進(jìn)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)訪問基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之中，不僅為終端用戶和服務(wù)提供者節(jié)省大量的使用及實(shí)現(xiàn)費(fèi)用，更因其提供靈活的使用、控制、可伸縮性和配置功能而易于為服務(wù)提供者和最終用戶所接受[3]．它的工作原理是把語(yǔ)音信號(hào)壓縮封裝后轉(zhuǎn)換成IP包在Internet上傳輸，再通過(guò)VoIP終端上的語(yǔ)音處理芯片把IP信號(hào)解碼轉(zhuǎn)換成語(yǔ)音信號(hào)．使傳統(tǒng)電話從單一信道獨(dú)占模式演變成多用戶共享寬帶資源，企業(yè)用戶在國(guó)際通話資費(fèi)成本大大降低．所以VoIP網(wǎng)絡(luò)電話得以快速發(fā)展，研究開發(fā)VoIP語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)有重要意義．

1 語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)及信號(hào)處理流程

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)用戶需求不同，嵌入式的VoIP語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)[4]有多種解決方案．臺(tái)灣卓群科技（Crystal Media）公司推出的CM5000處理器，它是語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)的核心處理器，語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[5]．CM5000集成了RISC主處理器、125 MHz核心DSP，2個(gè)10/100基以太網(wǎng)MAC、存儲(chǔ)器控制器和其它外設(shè)，DSP支持多個(gè)聲音壓縮模式（G.711、G.723.1、G.729A、G.729B），回音消除及多種普通電話技術(shù)．可以直接支持IP PHONE、單口、2口ATA[6]．

語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)接收從呼叫方發(fā)送過(guò)來(lái)的聲音信號(hào)，通過(guò)一系列處理（信號(hào)放大、去干擾、轉(zhuǎn)碼、編碼、壓縮、封裝、打包等），最后轉(zhuǎn)換成在數(shù)字信號(hào)（IP包）在Internet網(wǎng)上傳送，處理流程如圖2所示，語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)對(duì)從以太網(wǎng)上收到的語(yǔ)音包則采用完全相反的處理流程．

圖1 基于下一代網(wǎng)絡(luò)的語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)處理接收信號(hào)流程圖

根據(jù)三網(wǎng)融合網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)項(xiàng)目要求，在完成語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)功能的基礎(chǔ)上還需要達(dá)到與網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和有線電視連接功能，故選擇了網(wǎng)絡(luò)處理器＋DSP的網(wǎng)關(guān)這一解決方案．

1.2 語(yǔ)音信號(hào)電路設(shè)計(jì)

語(yǔ)音信號(hào)處理選擇W681388芯片，它是語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)硬件的核心部分，是華邦電子美國(guó)分公司日前推出最新開發(fā)的Pro-X系列芯片，它將單通道SLIC的功能與單通道可編程CODEC及單通道DC升壓電路控制器集成在一個(gè)芯片上[7]．

W681388利用3個(gè)晶體管分成直流和交流反饋電路，晶體管Q1和Q2為用戶環(huán)路提供電壓，晶體管Q3提供隔離，通過(guò)直流隔離電阻RVE、RTR和RVBT完成直流反饋回路，TIP和RING信號(hào)流不直接監(jiān)測(cè)，由RCE結(jié)合輸入電流正極獲取信號(hào)值，再利用該信號(hào)值來(lái)控制外部晶體管，聲音信號(hào)傳送則在交流反饋電路中．

2 語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 音頻接口驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核與機(jī)器硬件之間的接口，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?yàn)閼?yīng)用程序屏蔽掉了硬件的許多細(xì)節(jié)，在應(yīng)用程序中把硬件認(rèn)作是一個(gè)設(shè)備文件，應(yīng)用程序通過(guò)操控設(shè)備文件來(lái)支配硬件[8]．當(dāng)終端加電啟動(dòng)之后，系統(tǒng)主程序Main.c會(huì)加載VoIP語(yǔ)音的處理模塊程序，其中就包括W681388芯片驅(qū)動(dòng)．在W681388芯片驅(qū)動(dòng)程序中定義了語(yǔ)音驅(qū)動(dòng)程序的全局變量、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型、編碼寄存器和調(diào)制寄存器等．W681388芯片驅(qū)動(dòng)程序部分全局變量定義(C文件)如下：

……

typedef struct W681388_TONE {

WORD Frequency;

WORD Amplitude;

WORD OnTime;

WORD OffTime;

}S_W681388_TONE; //定義數(shù)據(jù)類型：頻率、振幅、在線、掛線

typedef struct DTMF_STRUCT_1388{

S_W681388_TONE DTMFLow;

S_W681388_TONE DTMFHigh;

}S_DTMF_STRUCT_1388; //定義DTMF低頻和高頻結(jié)構(gòu)

……

2.2SIP協(xié)議棧的開發(fā)

在VoIP語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)呼叫系統(tǒng)中，相同或不同商家的語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)設(shè)備之間要完成呼叫建立過(guò)程需要互通互聯(lián)，支持完成這一功能的是SIP協(xié)議棧，它位于語(yǔ)音軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用層[9]．目前，國(guó)內(nèi)外涉及此類的開發(fā)人員基本上都在研究SIP協(xié)議棧的開發(fā)，有許多開源代碼供技術(shù)人員參考使用，比較成熟且常用的有OPAL、VOCAL、sipX、ReSIProcate、oSIP等[10]．OPAL有發(fā)展?jié)摿?，VOCAL比較完善，sipX兼容性好，ReSIProcate較穩(wěn)定，oSIP小巧而快速．所以根據(jù)嵌入式環(huán)境開發(fā)的需要，在項(xiàng)目開發(fā)中選擇oSIP進(jìn)行研究開發(fā)．

在用開源oSIP開發(fā)時(shí)，使用C++語(yǔ)言編寫，因oSIP封裝較好，在開發(fā)過(guò)程中只需寫入回調(diào)函數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)完整的功能操作．在IP網(wǎng)絡(luò)中傳送的語(yǔ)音信號(hào)IP包要通過(guò)SIP協(xié)議棧解封，首先要獲取呼叫方封裝IP包的SIP類型，進(jìn)行比較匹配之后，再利用自有的SIP協(xié)議棧解封，處理函數(shù)如下：

class CSipBillingMeteringTime :

public CSipHeader

{

public:

CSipBillingMeteringTime(void);

～CSipBillingMeteringTime(void);

CSipBillingMeteringTime(const CStrData& data);

CStrData encode(void) const;

void encode(CStrData& data) const;

bool operator==(const CSipBillingMeteringTime& other) const;

CSipHeader* duplicate(void) const;

virtual bool compareSipHeader (CSipHeader* msg) const;

void decode(const CStrData& rseqstr);

const CStrData& getData() const { return m_data; }

private:

CStrData m_data;

};

2.3SIP協(xié)議功能測(cè)試

用SIP客戶端X-lite（192.168.10.9）向連接在網(wǎng)關(guān)的IP電話機(jī)（192.168.10.10）發(fā)送SIP協(xié)議封裝的字符串，被呼叫的IP電話的應(yīng)用程序成功將字符串接收，同時(shí)向客戶端返回一個(gè)相同內(nèi)容的字符串，通過(guò)OmniPeek抓包軟件窗口可以看到數(shù)據(jù)傳送過(guò)程，如圖3所示．

從圖3可以得到，由CM5000處理器+W681388芯片開發(fā)設(shè)計(jì)的VoIP語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)，2個(gè)客戶端之間能通SIP協(xié)議棧進(jìn)行呼叫請(qǐng)求、響應(yīng)，建立和斷開的完整呼叫過(guò)程．現(xiàn)場(chǎng)通話質(zhì)量良好，達(dá)到了預(yù)期要實(shí)現(xiàn)的功能．

圖3 SIP消息交互過(guò)程抓包圖

[1] 李鵬飛，壽航濤．軟交換網(wǎng)絡(luò)向IMS演進(jìn)方案和關(guān)鍵問題研究[J]．信息通信，2011（4）：31．

[2] 李梅生．下一代網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)鏈的探討[J]．中國(guó)科技信息，2006（7）：175．

[3] 曹玖新，張德運(yùn)．VoIP 實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究[J]．計(jì)算機(jī)工程，2000，26：498．

[4] 張朝霞，王紅玲，江玉樂．企業(yè)級(jí)VOIP網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．現(xiàn)代電子技術(shù)，2006（8）：88．

[5] VoIP CM5000 Introduction [M/CD]．Crystal Media Inc Confidential，2008．

[6] IP電話方案選擇及設(shè)計(jì)原則[EB/OL]．http://cisco. chinaitlab.com/case/784951.html. [2009-05-24].

[7] W681388 user Manual preliminary V1.4 [M/CD]．2007：13．

[8] 孫艷，葉梅，趙京偉．LINUX操作系統(tǒng)內(nèi)核關(guān)鍵技術(shù)剖析與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[C]//北京：第十屆全國(guó)核電子學(xué)與核探測(cè)技術(shù)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2001：439．

[9] Jonathab Rosenberg, Henning Schulzrinne, Gonzalo Camarillo, et al. SIP: session Initiation protocol[J]. IETF RFC 3261，2002-7：8-192．

[10] SIP 媒體會(huì)議[EB/OL]．百度百科 baike.baidu.com. [2012-12-26]．

Design and Implementation of VoIP Gateway Based on Next Generation Network

REN Dingcheng

（School of Computer Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055, China）

The paper introduces the voice, data and video transmission over IP networks by the VoIP voice gateway based on next generation network, which can effectively reduce the cost of production. With the network processor and DSP as VoIP voice gateway solution, we designed the gateway device circuit and developed audio driver. With small and fast Session Initiation Protocol stack for development, a call between two IP phone s is made, meeting the requirements of the test.

next generation network; voice gateways; VoIP; SIP

TP393.18

A

1672-0318（2014）03-0024-04

2013-10-09

*項(xiàng)目來(lái)源：廣東省科技廳計(jì)劃資助項(xiàng)目（2011B010200012）

任定成（1977-），男，江西豐城人，實(shí)驗(yàn)師，工程碩士，主要研究方向：計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全、嵌入式軟件開發(fā)．