下一代媒體網(wǎng)關(guān)系統架構及實(shí)現

　　1、VoIP簡(jiǎn)介

　　1.1　VoIP主要應用協(xié)議

　　隨著(zhù)用戶(hù)規模的擴大以及用戶(hù)對業(yè)務(wù)需求的增長(cháng)，網(wǎng)關(guān)在規模上要不斷擴大。集中型的網(wǎng)關(guān)結構在可擴展性、安全性以及組網(wǎng)的靈活性方面的不足日益顯露出來(lái)。因此，將業(yè)務(wù)、控制和信令分離的概念被提了出來(lái)，即將IP電話(huà)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負責處理信令消息，將其終結、翻譯或中繼；MG負責處理媒體流，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負責MG資源的注冊、管理以及呼叫控制。在這種分布式網(wǎng)關(guān)體系結構中，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(huà)系統目前有H.323和SIP兩套協(xié)議，它們都對IP電話(huà)系統信令提出了完整的解決方案，并對呼叫的連接都具有建立、管理和撤銷(xiāo)能力。 H.323是ITU-T第16工作組的建議，它由一組協(xié)議構成，定義了4個(gè)主要部件構筑基于網(wǎng)絡(luò )的通信系統：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(hù)代理和網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器兩個(gè)主要的結構元素。

　　1.2　H.323與SIP的比較

　　作為目前IP電話(huà)系統的兩套協(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(lèi)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是面向字節的，易于擴展，容易實(shí)現，但安全性差；而H.323是面向比特的，復雜不容易擴展。對于補充業(yè)務(wù)，H.323更為嚴格。

　　（3）SIP的優(yōu)勢

　　SIP容易擴展面向字符，而且容易實(shí)現，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(jiǎn)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(huà)的體系結構，只涉及網(wǎng)關(guān)分解問(wèn)題。MGCP的側重點(diǎn)是簡(jiǎn)單性、可靠性。H.248/MeGaCo協(xié)議是MGCP的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，它的設計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(lèi)型更廣，網(wǎng)關(guān)規模有更大隨意性。

　　2.2　MGCP與H.248/MeGaGo協(xié)議的比較

　　H248/MeGaCo協(xié)議是對MGCP的進(jìn)一步開(kāi)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，尤其是對多媒體呼叫的支持。MGCP 只支持UDP無(wú)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，是媒體網(wǎng)關(guān)控制協(xié)議未來(lái)主要的協(xié)議。由H.248和SIP構成的下一代網(wǎng)絡(luò )系統結構如圖1所示。

                                         圖1　下一代網(wǎng)絡(luò )系統結構

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

　　3.1　互聯(lián)網(wǎng)中的通信過(guò)程

　　互聯(lián)網(wǎng)中的下一代通信信令主要由SIP來(lái)完成，用戶(hù)通過(guò)INVITE請求來(lái)發(fā)起一個(gè)對話(huà)。對話(huà)的發(fā)起過(guò)程如下：

　　m=audio 1234 RTP/AVP 0 96

　　a=rtpmap:96 G726/4

　　SDP協(xié)議主要用于完成對視頻或者音頻會(huì )話(huà)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，rtpmap關(guān)鍵字描述編碼格式等。媒體的傳輸是通過(guò)RTP（Realtime Transport Protocol，實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議）來(lái)實(shí)現的，并通過(guò)RTCP來(lái)控制傳輸速率等問(wèn)題。

　　3.2　PSTN中的通信過(guò)程

　　PSTN電話(huà)通過(guò)No.7信令來(lái)建立連接過(guò)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(huà)流程如圖2所示。在PSTN通信過(guò)程中，A交換機首先通過(guò)發(fā)出IAM發(fā)起呼叫，其中包括被叫號碼。B交換機確定被叫空閑后發(fā)出ACM地址全信號通知A，此時(shí)B交換機通過(guò)A交換機對主叫用戶(hù)發(fā)送回鈴音，B交換機向被叫用戶(hù)振鈴。被叫摘機后，B交換機發(fā)ANC計費應答信號通知 A，振鈴和回鈴停止，雙方用戶(hù)開(kāi)始通話(huà)。通話(huà)結束后主叫用戶(hù)先掛機，A交換機 發(fā)出CLF前向釋放信號通知B，B收到后拆線(xiàn)并發(fā)出RLG釋放監護信號通知A 交換機。

                        圖2　PSTN通話(huà)流程

　　3.3　媒體網(wǎng)關(guān)的組成和實(shí)現

　　下一代媒體網(wǎng)關(guān)系統主要由媒體網(wǎng)關(guān)、媒體網(wǎng)關(guān)控制器和信令網(wǎng)關(guān)組成，實(shí)現了功能上的分解。為了適應不同的網(wǎng)絡(luò )，本文主要介紹了媒體網(wǎng)關(guān)的實(shí)現方法，其中媒體網(wǎng)關(guān)的主要作用是實(shí)現模擬信號由電路交換轉換成數字信號PCM編碼，并進(jìn)行G.711或者G.723等格式編碼。為了實(shí)現媒體網(wǎng)關(guān)，整個(gè)系統由3部分組成，包括基于A(yíng)RM架構的嵌入式系統（uClinux）、語(yǔ)音信號轉換芯片（TLC320AD50）和定點(diǎn)數字信號處理器（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接口負責從電路交換的信號中提取模擬信號的語(yǔ)音，通過(guò)AD50把模擬信號轉換成數字信號，然后由DSP對提取的數字信號PCM編碼后的語(yǔ)音信號進(jìn)行μ律或者A律壓縮，最后可以通過(guò)主處理器來(lái)進(jìn)行G.723和G.729等編碼格式的轉換。對IP網(wǎng)的語(yǔ)音信號傳輸， uClinux操作系統同時(shí)必須支持RTP協(xié)議棧，這可以通過(guò)移植開(kāi)源的基于C語(yǔ)言的ORTP庫來(lái)實(shí)現，而H.248協(xié)議棧則是自己來(lái)完成的，各種碼流格式的轉換通過(guò)移植ffmpeg程序來(lái)實(shí)現。為了驗證系統的可行性，采取了通過(guò)麥克風(fēng)輸入電路的方法進(jìn)行了實(shí)現，DSP通過(guò)CSS調試，uClinux通過(guò)終端調試，由麥克風(fēng)采集的模擬信號經(jīng)過(guò)AD50轉換為PCM編碼再通過(guò)DSP轉變成μ律或者A律編碼。最后由uClinux主處理器來(lái)對μ律編碼進(jìn)行格式轉換添加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，最后由PC機用ethereal抓包。對比發(fā)包方和收包方的可證實(shí)丟包率情況，驗證了方法的可行性。

　　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)因為2G網(wǎng)絡(luò )支持AMR-WB、ARM-NB等不同的語(yǔ)音信號，在主處理器中也必須添加相應的編碼模塊，來(lái)對碼流格式進(jìn)行轉換。

　　媒體網(wǎng)關(guān)系統在不同網(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)重要的轉換和連接作用。

                          圖4　媒體網(wǎng)關(guān)系統連接的各種網(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換，以實(shí)現一個(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，對信令消息進(jìn)行翻譯、中繼或做終結處理。信令網(wǎng)關(guān)可以獨立設置，也可以與其他網(wǎng)關(guān)綜合設置，來(lái)處理與接入線(xiàn)路或中繼線(xiàn)路有關(guān)的信令，媒體網(wǎng)關(guān)控制器作為實(shí)現呼叫控制的核心，它根據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)檢測和資源控制等。此外，MGC還應當具有業(yè)務(wù)提供功能、協(xié)議功能、互通功能、資源管理功能、計費功能以及No.7信令功能等。

　　4、結束語(yǔ)

　　下一代媒體網(wǎng)關(guān)系統主要由媒體網(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)的各功能構成、組成模塊、軟件接口、硬件實(shí)現以及如何設計下一代媒體網(wǎng)關(guān)系統。分析了媒體網(wǎng)關(guān)系統用到的幾個(gè)協(xié)議以及這些協(xié)議之間的異同，并對這些協(xié)議的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。詳細地描述了媒體網(wǎng)關(guān)系統的各個(gè)組成部分及功能。下一代媒體網(wǎng)關(guān)系統對于下一代網(wǎng)絡(luò )和PSTN的融合有著(zhù)重要的意義，可以實(shí)現PSTN與互聯(lián)網(wǎng)的互通，實(shí)現視頻通話(huà)等下一代網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)，對網(wǎng)絡(luò )融合有著(zhù)深遠的影響。