下一代媒體網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)架構(gòu)及實(shí)現(xiàn)

　　1、VoIP簡介

　　1.1　VoIP主要應(yīng)用協(xié)議

　　隨著用戶規(guī)模的擴(kuò)大以及用戶對(duì)業(yè)務(wù)需求的增長，網(wǎng)關(guān)在規(guī)模上要不斷擴(kuò)大。集中型的網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)在可擴(kuò)展性、安全性以及組網(wǎng)的靈活性方面的不足日益顯露出來。因此，將業(yè)務(wù)、控制和信令分離的概念被提了出來，即將IP電話網(wǎng)關(guān)分離成三部分：信令網(wǎng)關(guān)（SG）、媒體網(wǎng)關(guān)（MG）和媒體網(wǎng)關(guān)控制器（MGC）。SG負(fù)責(zé)處理信令消息，將其終結(jié)、翻譯或中繼；MG負(fù)責(zé)處理媒體流，將媒體流從窄帶網(wǎng)打包送到IP網(wǎng)或者從IP網(wǎng)接收后解包并送給窄帶網(wǎng)； MGC負(fù)責(zé)MG資源的注冊(cè)、管理以及呼叫控制。在這種分布式網(wǎng)關(guān)體系結(jié)構(gòu)中，MG和MGC之間采用H.248協(xié)議，SG和MGC之間采用SIGTRAN協(xié)議。

　　IP電話系統(tǒng)目前有H.323和SIP兩套協(xié)議，它們都對(duì)IP電話系統(tǒng)信令提出了完整的解決方案，并對(duì)呼叫的連接都具有建立、管理和撤銷能力。 H.323是ITU-T第16工作組的建議，它由一組協(xié)議構(gòu)成，定義了4個(gè)主要部件構(gòu)筑基于網(wǎng)絡(luò)的通信系統(tǒng)：終端、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)守和多點(diǎn)控制單元。SIP是由 IETF工作組于1997年提出的，有用戶代理和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器兩個(gè)主要的結(jié)構(gòu)元素。

　　1.2　H.323與SIP的比較

　　作為目前IP電話系統(tǒng)的兩套協(xié)議，H.323與SIP存在相似點(diǎn)，也有不同之處。

　　（1）相似點(diǎn)

　　SIP的UA等價(jià)于一個(gè)H.323的終端，SIP服務(wù)器則等價(jià)于H.323的網(wǎng)守，而SIP類似于H.323的RAS和Q.931協(xié)議。此外，H.323和SIP的功能和業(yè)務(wù)非常相似。

　　（2）不同點(diǎn)

　　H.323和SIP主要的不同在于呼叫信令和控制采取不同的方式，SIP是面向字節(jié)的，易于擴(kuò)展，容易實(shí)現(xiàn)，但安全性差；而H.323是面向比特的，復(fù)雜不容易擴(kuò)展。對(duì)于補(bǔ)充業(yè)務(wù)，H.323更為嚴(yán)格。

　　（3）SIP的優(yōu)勢(shì)

　　SIP容易擴(kuò)展面向字符，而且容易實(shí)現(xiàn)，是下一代網(wǎng)絡(luò)的主要協(xié)議。

　　2、媒體網(wǎng)關(guān)控制協(xié)議

　　2.1　媒體網(wǎng)關(guān)控制協(xié)議簡介

　　VoIP網(wǎng)關(guān)分為媒體網(wǎng)關(guān)和媒體網(wǎng)關(guān)控制器兩部分，SIP和H.323都不能處理MG和MGC之間的通信，由此產(chǎn)生了媒體網(wǎng)關(guān)控制協(xié)議?，F(xiàn)有的媒體網(wǎng)關(guān)控制協(xié)議主要有MGCP和H.248/MeGaCo協(xié)議。MGCP是軟交換、媒體網(wǎng)關(guān)和信令網(wǎng)關(guān)的關(guān)鍵協(xié)議。MGCP不涉及IP電話的體系結(jié)構(gòu)，只涉及網(wǎng)關(guān)分解問題。MGCP的側(cè)重點(diǎn)是簡單性、可靠性。H.248/MeGaCo協(xié)議是MGCP的進(jìn)一步開發(fā)，它的設(shè)計(jì)思想是把智能工作集中在服務(wù)器上，既能容納面向連接的媒體（如TDM和ATM），又能容納面向非連接的媒體（如IP），因此該協(xié)議選用的媒體網(wǎng)關(guān)類型更廣，網(wǎng)關(guān)規(guī)模有更大隨意性。

　　2.2　MGCP與H.248/MeGaGo協(xié)議的比較

　　H248/MeGaCo協(xié)議是對(duì)MGCP的進(jìn)一步開發(fā)，因此具有更大的靈活性。MGCP與H248/MeGaCo協(xié)議在功能方面相似，但 H248/MeGaCo有Context、Termination、Move等概念使其在支持增值業(yè)務(wù)方面更為方便，尤其是對(duì)多媒體呼叫的支持。MGCP 只支持UDP無法保證信令傳輸質(zhì)量，而H.248/MeGaCo協(xié)議既支持TCP又支持UDP，可以保證信令的傳輸質(zhì)量。因此，H.248與MGCP相比具有很大的優(yōu)勢(shì)，是媒體網(wǎng)關(guān)控制協(xié)議未來主要的協(xié)議。由H.248和SIP構(gòu)成的下一代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

                                         圖1　下一代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　3、媒體網(wǎng)關(guān)的通信過程和實(shí)現(xiàn)

　　3.1　互聯(lián)網(wǎng)中的通信過程

　　互聯(lián)網(wǎng)中的下一代通信信令主要由SIP來完成，用戶通過INVITE請(qǐng)求來發(fā)起一個(gè)對(duì)話。對(duì)話的發(fā)起過程如下：

　　m=audio 1234 RTP/AVP 0 96

　　a=rtpmap:96 G726/4

　　SDP協(xié)議主要用于完成對(duì)視頻或者音頻會(huì)話的描述。SDP文件包含在SIP消息之中。c關(guān)鍵字描述網(wǎng)絡(luò)地址，m關(guān)鍵字描述視頻/音頻信息端口號(hào)，rtpmap關(guān)鍵字描述編碼格式等。媒體的傳輸是通過RTP（Realtime Transport Protocol，實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議）來實(shí)現(xiàn)的，并通過RTCP來控制傳輸速率等問題。

　　3.2　PSTN中的通信過程

　　PSTN電話通過No.7信令來建立連接過程，通常采用G.711的PCM編碼格式傳輸，傳輸速率64 kbit/s。PSTN網(wǎng)絡(luò)通話流程如圖2所示。在PSTN通信過程中，A交換機(jī)首先通過發(fā)出IAM發(fā)起呼叫，其中包括被叫號(hào)碼。B交換機(jī)確定被叫空閑后發(fā)出ACM地址全信號(hào)通知A，此時(shí)B交換機(jī)通過A交換機(jī)對(duì)主叫用戶發(fā)送回鈴音，B交換機(jī)向被叫用戶振鈴。被叫摘機(jī)后，B交換機(jī)發(fā)ANC計(jì)費(fèi)應(yīng)答信號(hào)通知 A，振鈴和回鈴?fù)Ｖ?，雙方用戶開始通話。通話結(jié)束后主叫用戶先掛機(jī)，A交換機(jī) 發(fā)出CLF前向釋放信號(hào)通知B，B收到后拆線并發(fā)出RLG釋放監(jiān)護(hù)信號(hào)通知A 交換機(jī)。

                        圖2　PSTN通話流程

　　3.3　媒體網(wǎng)關(guān)的組成和實(shí)現(xiàn)

　　下一代媒體網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)主要由媒體網(wǎng)關(guān)、媒體網(wǎng)關(guān)控制器和信令網(wǎng)關(guān)組成，實(shí)現(xiàn)了功能上的分解。為了適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)，本文主要介紹了媒體網(wǎng)關(guān)的實(shí)現(xiàn)方法，其中媒體網(wǎng)關(guān)的主要作用是實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)由電路交換轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)PCM編碼，并進(jìn)行G.711或者G.723等格式編碼。為了實(shí)現(xiàn)媒體網(wǎng)關(guān)，整個(gè)系統(tǒng)由3部分組成，包括基于ARM架構(gòu)的嵌入式系統(tǒng)（uClinux）、語音信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片（TLC320AD50）和定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器（TMS320VC54xx），如圖3所示。

                                 圖3　下一代網(wǎng)絡(luò)媒體網(wǎng)關(guān)的組成

　　其中，AD50芯片的TDM接口負(fù)責(zé)從電路交換的信號(hào)中提取模擬信號(hào)的語音，通過AD50把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后由DSP對(duì)提取的數(shù)字信號(hào)PCM編碼后的語音信號(hào)進(jìn)行μ律或者A律壓縮，最后可以通過主處理器來進(jìn)行G.723和G.729等編碼格式的轉(zhuǎn)換。對(duì)IP網(wǎng)的語音信號(hào)傳輸， uClinux操作系統(tǒng)同時(shí)必須支持RTP協(xié)議棧，這可以通過移植開源的基于C語言的ORTP庫來實(shí)現(xiàn)，而H.248協(xié)議棧則是自己來完成的，各種碼流格式的轉(zhuǎn)換通過移植ffmpeg程序來實(shí)現(xiàn)。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，采取了通過麥克風(fēng)輸入電路的方法進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，DSP通過CSS調(diào)試，uClinux通過終端調(diào)試，由麥克風(fēng)采集的模擬信號(hào)經(jīng)過AD50轉(zhuǎn)換為PCM編碼再通過DSP轉(zhuǎn)變成μ律或者A律編碼。最后由uClinux主處理器來對(duì)μ律編碼進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換添加RTP頭，由H.248進(jìn)行與媒體網(wǎng)關(guān)控制器的交換，交換完成后發(fā)包給PC機(jī)，最后由PC機(jī)用ethereal抓包。對(duì)比發(fā)包方和收包方的可證實(shí)丟包率情況，驗(yàn)證了方法的可行性。

　　為了真正做到網(wǎng)絡(luò)融合，支持不同網(wǎng)絡(luò)（例如2G網(wǎng)絡(luò)、3G網(wǎng)絡(luò)和PSTN等）的系統(tǒng)接口和編碼情況，媒體網(wǎng)關(guān)添加了不同的網(wǎng)絡(luò)接口。ARM主處理器支持ATM和IP等不同的接口，同時(shí)因?yàn)?G網(wǎng)絡(luò)支持AMR-WB、ARM-NB等不同的語音信號(hào)，在主處理器中也必須添加相應(yīng)的編碼模塊，來對(duì)碼流格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

　　媒體網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)在不同網(wǎng)絡(luò)中的位置情況如圖4所示。作為多個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連接點(diǎn)，媒體網(wǎng)關(guān)起到了至關(guān)重要的轉(zhuǎn)換和連接作用。

                          圖4　媒體網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)連接的各種網(wǎng)絡(luò)

　　3.4　下一代信令網(wǎng)關(guān)和媒體網(wǎng)關(guān)控制器的主要功能

　　信令網(wǎng)關(guān)的作用是完成兩個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)之間用于控制的信息的相互轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的控制信息能夠在另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中延續(xù)傳輸。信令網(wǎng)關(guān)是在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的邊界接收和發(fā)送信令的代理，是兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)間的信令關(guān)口，對(duì)信令消息進(jìn)行翻譯、中繼或做終結(jié)處理。信令網(wǎng)關(guān)可以獨(dú)立設(shè)置，也可以與其他網(wǎng)關(guān)綜合設(shè)置，來處理與接入線路或中繼線路有關(guān)的信令，媒體網(wǎng)關(guān)控制器作為實(shí)現(xiàn)呼叫控制的核心，它根據(jù)接收到的信令控制媒體網(wǎng)關(guān)連接的建立和釋放等。其主要功能是為基本呼叫的建立、維持和釋放提供控制功能，包括呼叫處理、連接控制、智能呼叫觸發(fā)檢測(cè)和資源控制等。此外，MGC還應(yīng)當(dāng)具有業(yè)務(wù)提供功能、協(xié)議功能、互通功能、資源管理功能、計(jì)費(fèi)功能以及No.7信令功能等。

　　4、結(jié)束語

　　下一代媒體網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)主要由媒體網(wǎng)關(guān)、信令網(wǎng)關(guān)、媒體網(wǎng)關(guān)控制器組成。本文重點(diǎn)介紹了下一代網(wǎng)絡(luò)的媒體網(wǎng)關(guān)的各功能構(gòu)成、組成模塊、軟件接口、硬件實(shí)現(xiàn)以及如何設(shè)計(jì)下一代媒體網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)。分析了媒體網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)用到的幾個(gè)協(xié)議以及這些協(xié)議之間的異同，并對(duì)這些協(xié)議的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。詳細(xì)地描述了媒體網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的各個(gè)組成部分及功能。下一代媒體網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)對(duì)于下一代網(wǎng)絡(luò)和PSTN的融合有著重要的意義，可以實(shí)現(xiàn)PSTN與互聯(lián)網(wǎng)的互通，實(shí)現(xiàn)視頻通話等下一代網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)融合有著深遠(yuǎn)的影響。