基于SIP協(xié)議的模擬電臺語(yǔ)音通信系統設計

作者/ 牟健 何波賢 岳明 王巖 92724部隊(山東 青島 266108)

摘要：為了提高模擬電臺訓練系統的仿真程度，在模擬電臺語(yǔ)音通信系統中以計算機網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)為核心，構建一種基于SIP協(xié)議的語(yǔ)音通信技術(shù)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗測試，在多部電臺模擬器之間相互構建語(yǔ)音組網(wǎng)通信時(shí)延小于200ms，音質(zhì)清晰，能夠清楚分辨出發(fā)話(huà)人的語(yǔ)音特征，滿(mǎn)足了設計的要求。

引言

　　當前大部分模擬電臺訓練系統基于電臺界面的操作，對語(yǔ)音通信交互及組網(wǎng)的構建存在一定的缺陷，隨著(zhù)計算機技術(shù)及仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，以局域網(wǎng)為依托，利用計算機技術(shù)，基于SIP協(xié)議的多線(xiàn)程即時(shí)語(yǔ)音通信技術(shù)，構建模擬仿真電臺一對一、一對多、多對多的即時(shí)語(yǔ)音通信組網(wǎng)效果，以適應當前開(kāi)展多元化、現代化的仿真模擬訓練需求。

　　SIP協(xié)議是一種網(wǎng)絡(luò )電話(huà)協(xié)議，可以在局域網(wǎng)絡(luò )中即時(shí)構建一對一、一對多、多對多參與者之間的語(yǔ)音交互通信。由于SIP協(xié)議開(kāi)源、簡(jiǎn)單、快捷、靈活、擴展性強等特點(diǎn)，當前國內外企業(yè)研制出很多基于SIP協(xié)議的視頻語(yǔ)音會(huì )議解決方案及網(wǎng)絡(luò )電話(huà)設備，極大地推進(jìn)了SIP協(xié)議技術(shù)的發(fā)展。

1 SIP協(xié)議

　　SIP(Session Initiation Protocol)是一個(gè)基于IP應用層控制協(xié)議，繼承了互聯(lián)網(wǎng)通信一些設計理念，它高效、穩定、簡(jiǎn)單、擴展方便而又不缺乏靈活性，可以在幾分鐘之內構建出一個(gè)可以在多系統平臺運行的服務(wù)器和客戶(hù)端。主要功能是以服務(wù)器為中心，即時(shí)建立、調整、撤消客戶(hù)端的呼叫與會(huì )話(huà)，同時(shí)可進(jìn)行用戶(hù)定位、用戶(hù)交換、呼叫建立、處理等，構建完整的語(yǔ)音通信網(wǎng)絡(luò )系統。

　　SIP協(xié)議采用了C/S模式，包括SIP代理客戶(hù)端和SIP服務(wù)器。其中，代理客戶(hù)端是一個(gè)交互的系統接口，又分為負責發(fā)起SIP呼叫請求的用戶(hù)代理客戶(hù)端和負責對呼叫請求做出響應的用戶(hù)代理服務(wù)器。而SIP服務(wù)器主要包括注冊、代理、位置、重定向服務(wù)器，它們之間可以共存于一個(gè)設備當中，也可以分布在整個(gè)物理實(shí)體中，SIP服務(wù)器并不依賴(lài)硬件系統，完全是基于軟件實(shí)現的文本協(xié)議，主要負責接收和處理用戶(hù)端請求、注冊、鑒權、認證、處理呼叫相關(guān)信令的網(wǎng)絡(luò )等服務(wù)。

　　SIP作為一個(gè)開(kāi)源的協(xié)議棧，編碼方式是采用擴展的BNF范式來(lái)規定的，不是一個(gè)垂直集成的通訊系統，本身不提供服務(wù)，往往與實(shí)時(shí)數據傳輸協(xié)議(RTP)、實(shí)時(shí)流協(xié)議(RSTP)、媒體網(wǎng)關(guān)控制協(xié)議、會(huì )話(huà)描述協(xié)議(SDP)等協(xié)同合作，來(lái)實(shí)現不同的網(wǎng)絡(luò )通信服務(wù)，構造完整的多媒體網(wǎng)絡(luò )通信架構。同時(shí)，SIP的技術(shù)核心是采用了標準C語(yǔ)言編寫(xiě)開(kāi)源的OSIP協(xié)議棧，并可在VC6.0編譯器中運行，并為語(yǔ)音通信提供了一些解析消息的API和事物處理狀態(tài)機。

2 設計思路

　　SIP協(xié)議的語(yǔ)音通信模塊設計的目的是把分布在計算機局域網(wǎng)內的半實(shí)物電臺模擬器實(shí)時(shí)構建語(yǔ)音通信網(wǎng)，該語(yǔ)音通信網(wǎng)絡(luò )的設計主要采用模塊設計，各模塊之間松耦合且相對獨立，主要的模塊包括：SIP注冊模塊、語(yǔ)音處理模塊、實(shí)時(shí)語(yǔ)音傳輸模塊、SIP消息處理模塊。模塊的總體框圖如圖1所示。其中，SIP注冊是認證各電臺模擬訓練器子系統組網(wǎng)的狀態(tài);語(yǔ)音處理模塊包括語(yǔ)音采集、播放、編碼和解碼過(guò)程;實(shí)時(shí)語(yǔ)音傳輸主要包括SIP線(xiàn)程、發(fā)送線(xiàn)程、接收線(xiàn)程和網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)反饋線(xiàn)程;SIP信息處理主要記錄各模擬電臺通信組網(wǎng)狀態(tài)，發(fā)起或拆除語(yǔ)音系統組網(wǎng)以及相對應的消息處理，實(shí)時(shí)調整處于不同組別電臺模擬訓練器的組網(wǎng)連接狀態(tài)。

3 模塊具體實(shí)現

3.1 SIP注冊

　　SIP服務(wù)器設置在主控計算機上，主控計算機IP地址設置為：168.192.1.1，端口為：5060;每一臺電臺模擬器在系統中充當SIP客戶(hù)端，設置的IP地址為：168.192.1.(2-12)，端口為5061-5071。根據C/S模式把主控SIP服務(wù)器、電臺模擬器進(jìn)行組網(wǎng)連接，如圖5所示，并依次分配IP、端口地址、用戶(hù)名字，以及設定的密碼。此系統第一次使用時(shí)，需要取得服務(wù)器的注冊認證，否則無(wú)法進(jìn)行組網(wǎng)通信，SIP的注冊過(guò)程如圖2所示。

　　第一步，首次啟動(dòng)語(yǔ)音通信時(shí)，SIP客戶(hù)端先通過(guò)局域網(wǎng)向安裝在主控計算機上的SIP服務(wù)器發(fā)起REGISTER注冊申請;

　　第二步，SIP服務(wù)器對SIP客戶(hù)端進(jìn)行查詢(xún)并認證該客戶(hù)的信息，確保這名客戶(hù)信息是一個(gè)新的用戶(hù)，服務(wù)器對該用戶(hù)返回401 Unauthorized質(zhì)詢(xún)信息及所需的安全認證令牌;

　　第三步，用戶(hù)根據服務(wù)器的提示，輸入相應的標識及用戶(hù)信息，再次向服務(wù)器發(fā)出REGISTER消息請求;

　　第四步，服務(wù)器收到請求后，檢查用戶(hù)信息的正確性，質(zhì)詢(xún)信息驗證用戶(hù)的合法性，若是用戶(hù)信息錯誤，返回失敗，若是戶(hù)信息合法，把用戶(hù)信息保存到數據庫當中，最后返回成功的相應消息200 OK。

3.2 語(yǔ)音處理模塊

　　當客戶(hù)端完成注冊驗證之后，由主控計算機選擇相應的電臺模擬訓練器進(jìn)行組網(wǎng)，構建SIP語(yǔ)音會(huì )議通信系統。語(yǔ)音的采集是由模擬電臺訓練器終端負責語(yǔ)音采集，語(yǔ)音處理的流程如圖3所示，首先判斷手咪的PTT按鍵是否觸發(fā)，若是沒(méi)有被觸發(fā)，該電臺模擬訓練器處于接收語(yǔ)音狀態(tài)，即時(shí)對語(yǔ)音信息進(jìn)行解碼及播放;若是被觸發(fā)，該電臺模擬訓練器進(jìn)行語(yǔ)音采集，初始化語(yǔ)音存儲的數據結構，調用錄音設備，并根據電臺設定的電磁干擾類(lèi)型的強度，對語(yǔ)音信息進(jìn)行編碼，當保存數據的緩沖區滿(mǎn)時(shí)，對語(yǔ)音數據進(jìn)行打包，并發(fā)送到會(huì )議系統中進(jìn)行組播。

3.3 語(yǔ)音傳輸模塊

　　語(yǔ)音傳輸模塊包括SIP線(xiàn)程、發(fā)送線(xiàn)程、接收線(xiàn)程和網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)反饋線(xiàn)程四個(gè)線(xiàn)程，為了滿(mǎn)足建立多線(xiàn)程的C/S模型和嚴格的異常處理機制，局域網(wǎng)中采用UDP協(xié)議進(jìn)行傳輸。UDP協(xié)議傳輸是一種單向的傳輸方式，事前不必與對方進(jìn)行連接，直接發(fā)送數據，例如微信，不用擔心對方是否在線(xiàn)，都可以向對方發(fā)送數據，不僅可以實(shí)現一對多點(diǎn)的數據廣播，還可以進(jìn)行用戶(hù)分組通信，具有通信效率高，占用網(wǎng)絡(luò )資源少等特點(diǎn)。然而UDP協(xié)議存在的缺點(diǎn)是存在數據的丟包現象，不能完全確保對方接收到完整的數據包。為了解決這種問(wèn)題，采用了三個(gè)UDP控件，如圖4所示，MUUDP1負責SIP線(xiàn)程及網(wǎng)絡(luò )轉狀態(tài)反饋線(xiàn)程，MUUDP2負責語(yǔ)音發(fā)送線(xiàn)程，MUUDP3負責語(yǔ)音接收線(xiàn)程，這樣可以有效地解決傳輸信息存在的丟包現象。

3.4 SIP信息處理模塊

　　當主控在進(jìn)行組網(wǎng)語(yǔ)音通信時(shí)，根據當前所有電臺模擬器設置的工作參數進(jìn)行組網(wǎng)，在主控服務(wù)器中生成模擬器會(huì )話(huà)會(huì )議號，例如根據1號、5號、8號電臺模擬器設置的工作參數一致，建立組網(wǎng)號186001， 1、5、8號電臺模擬器就可以在構建的網(wǎng)絡(luò )內進(jìn)行語(yǔ)音交互通信。組網(wǎng)的過(guò)程一般包括創(chuàng )建組網(wǎng)、加入組網(wǎng)、退出組網(wǎng)、結束組網(wǎng)等步驟。

　　創(chuàng )建組網(wǎng)方式采用即時(shí)會(huì )議的形式進(jìn)行，首先主控服務(wù)器對每臺電臺模擬訓練器工作參數進(jìn)行周期掃描，并進(jìn)行匹配對比，若發(fā)現電臺的工作參數有相同的組合，則即時(shí)生成新的會(huì )議號進(jìn)行組網(wǎng)。

　　加入組網(wǎng)方式采用Call—In方式，當建立組網(wǎng)完成之后，主控利用即時(shí)消息的方式向具有相同工作參數的電臺模擬器終端發(fā)送相對應的會(huì )議號，各電臺模擬器終端根據接收到的會(huì )議號，向主控發(fā)送INVITE消息，請求加入相對應的會(huì )議號，具體的流程如圖5所示。首先主控SIP服務(wù)器根據創(chuàng )建的會(huì )議號向模擬器客戶(hù)端提出邀請INVITE消息，帶有新的協(xié)商信息;然后模擬器客戶(hù)端回復200 OK,并將協(xié)商后的信息帶回;最后服務(wù)器發(fā)送ACK給模擬器客戶(hù)端進(jìn)行答復，成功邀請新的成員加入組網(wǎng)，即時(shí)可進(jìn)行語(yǔ)音通信。

　　退出組網(wǎng)模式是基于電臺模擬器工作參數的改變，當某電臺的工作參數發(fā)生改變時(shí)，該電臺模擬器需要向主控服務(wù)器發(fā)送BYE消息進(jìn)行申請退出當前會(huì )議號，服務(wù)器接收到BYE請求后，對該模擬器語(yǔ)音通信鏈路進(jìn)行切斷。

　　當系統內所有模擬器的工作參數不相同或退出組網(wǎng)模擬時(shí)，組網(wǎng)結束，主控服務(wù)器會(huì )向所有模擬器終端發(fā)送BYE請求，中斷所有的組網(wǎng)。

4 系統測試

　　電臺模擬器訓練系統主要有主控計算機、局域網(wǎng)、電臺模擬訓練器組成，如圖6所示。其中把SIP的注冊服務(wù)器、代理服務(wù)器、位置服務(wù)器及重定向服務(wù)器安裝在一臺主控計算上，每一臺電臺模擬訓練器都是基于A(yíng)RM11的嵌入式SIP客戶(hù)終端，以局域網(wǎng)技術(shù)為依托，構建電臺模擬訓練系統強大的語(yǔ)音交互網(wǎng)。在模擬電臺通信過(guò)程中，主控計算機周期掃描模擬電臺訓練器的工作參數，用模擬器工作參數相同的組合構建實(shí)時(shí)的語(yǔ)音通信網(wǎng)，經(jīng)過(guò)測試，通信延時(shí)小于200ms，音質(zhì)清晰，能夠清楚分辨出發(fā)話(huà)人的語(yǔ)音特征，滿(mǎn)足了設計的要求。

5 結論

　　本文基于局域網(wǎng)通信技術(shù)，利用SIP協(xié)議，構建了電臺模擬訓練系統的語(yǔ)音通信系統，并在VC6.0平臺上編譯通過(guò)，實(shí)現了多臺電臺模擬訓練器之間的組網(wǎng)語(yǔ)音通信，通信效果良好，對電臺模擬器的語(yǔ)音仿真訓練具有很強的實(shí)際參考價(jià)值。

參考文獻：

　　[1]GNU Organization Stabs[Z]. 2004-10. http://sources.redhat.com/gdb/onlinedocs/stabs.html.

　　[2]魏春城.SIP協(xié)議的特點(diǎn)及應用[J].電信科學(xué),2002, 18(9):64-66.

　　[3]楊俊智.基于IP的可視電話(huà)中H.263+編碼器的實(shí)現及其優(yōu)化[D].浙江大學(xué)，2003.

　　[4] Wind River Systems Inc. Tornado API Guide 1.0.1[Z].Alameda,CA,2002.

本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第1期第56頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。