下一代媒體網(wǎng)關系統(tǒng)架構及實現(xiàn)

　　1、VoIP簡介

　　1.1　VoIP主要應用協(xié)議

　　隨著用戶規(guī)模的擴大以及用戶對業(yè)務需求的增長，網(wǎng)關在規(guī)模上要不斷擴大。集中型的網(wǎng)關結構在可擴展性、安全性以及組網(wǎng)的靈活性方面的不足日益顯露出來。因此，將業(yè)務、控制和信令分離的概念被提了出來，即將IP電話網(wǎng)關分離成三部分：信令網(wǎng)關（SG）、媒體網(wǎng)關（MG）和媒體網(wǎng)關控制器（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電話系統(tǒng)目前有H.323和SIP兩套協(xié)議，它們都對IP電話系統(tǒng)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個主要部件構筑基于網(wǎng)絡的通信系統(tǒng)：終端、網(wǎng)關、網(wǎng)守和多點控制單元。SIP是由 IETF工作組于1997年提出的，有用戶代理和網(wǎng)絡服務器兩個主要的結構元素。

　　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，也有不同之處。

　　（1）相似點

　　SIP的UA等價于一個H.323的終端，SIP服務器則等價于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)務非常相似。

　　（2）不同點

　　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，易于擴展，容易實現(xiàn)，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，H.323更為嚴格。

　　（3）SIP的優(yōu)勢

　　SIP容易擴展面向字符，而且容易實現(xiàn)，是下一代網(wǎng)絡的主要協(xié)議。

　　2、媒體網(wǎng)關控制協(xié)議

　　2.1　媒體網(wǎng)關控制協(xié)議簡介

　　VoIP網(wǎng)關分為媒體網(wǎng)關和媒體網(wǎng)關控制器兩部分，SIP和H.323都不能處理MG和MGC之間的通信，由此產生了媒體網(wǎng)關控制協(xié)議?，F(xiàn)有的媒體網(wǎng)關控制協(xié)議主要有MGCP和H.248/MeGaCo協(xié)議。MGCP是軟交換、媒體網(wǎng)關和信令網(wǎng)關的關鍵協(xié)議。MGCP不涉及IP電話的體系結構，只涉及網(wǎng)關分解問題。MGCP的側重點是簡單性、可靠性。H.248/MeGaCo協(xié)議是MGCP的進一步開發(fā)，它的設計思想是把智能工作集中在服務器上，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)關類型更廣，網(wǎng)關規(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MGCP的進一步開發(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)務方面更為方便，尤其是對多媒體呼叫的支持。MGCP 只支持UDP無法保證信令傳輸質量，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量。因此，H.248與MGCP相比具有很大的優(yōu)勢，是媒體網(wǎng)關控制協(xié)議未來主要的協(xié)議。由H.248和SIP構成的下一代網(wǎng)絡系統(tǒng)結構如圖1所示。

                                         圖1　下一代網(wǎng)絡系統(tǒng)結構

　　3、媒體網(wǎng)關的通信過程和實現(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請求來發(fā)起一個對話。對話的發(fā)起過程如下：

　　m=audio 1234 RTP/AVP 0 96

　　a=rtpmap:96 G726/4

　　SDP協(xié)議主要用于完成對視頻或者音頻會話的描述。SDP文件包含在SIP消息之中。c關鍵字描述網(wǎng)絡地址，m關鍵字描述視頻/音頻信息端口號，rtpmap關鍵字描述編碼格式等。媒體的傳輸是通過RTP（Realtime Transport Protocol，實時傳輸協(xié)議）來實現(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)絡通話流程如圖2所示。在PSTN通信過程中，A交換機首先通過發(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B交換機通過A交換機對主叫用戶發(fā)送回鈴音，B交換機向被叫用戶振鈴。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，雙方用戶開始通話。通話結束后主叫用戶先掛機，A交換機 發(fā)出CLF前向釋放信號通知B，B收到后拆線并發(fā)出RLG釋放監(jiān)護信號通知A 交換機。

                        圖2　PSTN通話流程

　　3.3　媒體網(wǎng)關的組成和實現(xiàn)

　　下一代媒體網(wǎng)關系統(tǒng)主要由媒體網(wǎng)關、媒體網(wǎng)關控制器和信令網(wǎng)關組成，實現(xiàn)了功能上的分解。為了適應不同的網(wǎng)絡，本文主要介紹了媒體網(wǎng)關的實現(xiàn)方法，其中媒體網(wǎng)關的主要作用是實現(xiàn)模擬信號由電路交換轉換成數(shù)字信號PCM編碼，并進行G.711或者G.723等格式編碼。為了實現(xiàn)媒體網(wǎng)關，整個系統(tǒng)由3部分組成，包括基于ARM架構的嵌入式系統(tǒng)（uClinux）、語音信號轉換芯片（TLC320AD50）和定點數(shù)字信號處理器（TMS320VC54xx），如圖3所示。

                                 圖3　下一代網(wǎng)絡媒體網(wǎng)關的組成

　　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音，通過AD50把模擬信號轉換成數(shù)字信號，然后由DSP對提取的數(shù)字信號PCM編碼后的語音信號進行μ律或者A律壓縮，最后可以通過主處理器來進行G.723和G.729等編碼格式的轉換。對IP網(wǎng)的語音信號傳輸， uClinux操作系統(tǒng)同時必須支持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，各種碼流格式的轉換通過移植ffmpeg程序來實現(xiàn)。為了驗證系統(tǒng)的可行性，采取了通過麥克風輸入電路的方法進行了實現(xiàn)，DSP通過CSS調試，uClinux通過終端調試，由麥克風采集的模擬信號經(jīng)過AD50轉換為PCM編碼再通過DSP轉變成μ律或者A律編碼。最后由uClinux主處理器來對μ律編碼進行格式轉換添加RTP頭，由H.248進行與媒體網(wǎng)關控制器的交換，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丟包率情況，驗證了方法的可行性。

　　為了真正做到網(wǎng)絡融合，支持不同網(wǎng)絡（例如2G網(wǎng)絡、3G網(wǎng)絡和PSTN等）的系統(tǒng)接口和編碼情況，媒體網(wǎng)關添加了不同的網(wǎng)絡接口。ARM主處理器支持ATM和IP等不同的接口，同時因為2G網(wǎng)絡支持AMR-WB、ARM-NB等不同的語音信號，在主處理器中也必須添加相應的編碼模塊，來對碼流格式進行轉換。

　　媒體網(wǎng)關系統(tǒng)在不同網(wǎng)絡中的位置情況如圖4所示。作為多個網(wǎng)絡的連接點，媒體網(wǎng)關起到了至關重要的轉換和連接作用。

                          圖4　媒體網(wǎng)關系統(tǒng)連接的各種網(wǎng)絡

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

　　信令網(wǎng)關的作用是完成兩個不同網(wǎng)絡之間用于控制的信息的相互轉換，以實現(xiàn)一個網(wǎng)絡中的控制信息能夠在另一個網(wǎng)絡中延續(xù)傳輸。信令網(wǎng)關是在兩個網(wǎng)絡的邊界接收和發(fā)送信令的代理，是兩個網(wǎng)絡間的信令關口，對信令消息進行翻譯、中繼或做終結處理。信令網(wǎng)關可以獨立設置，也可以與其他網(wǎng)關綜合設置，來處理與接入線路或中繼線路有關的信令，媒體網(wǎng)關控制器作為實現(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

　　下一代媒體網(wǎng)關系統(tǒng)主要由媒體網(wǎng)關、信令網(wǎng)關、媒體網(wǎng)關控制器組成。本文重點介紹了下一代網(wǎng)絡的媒體網(wǎng)關的各功能構成、組成模塊、軟件接口、硬件實現(xiàn)以及如何設計下一代媒體網(wǎng)關系統(tǒng)。分析了媒體網(wǎng)關系統(tǒng)用到的幾個協(xié)議以及這些協(xié)議之間的異同，并對這些協(xié)議的發(fā)展趨勢進行了展望。詳細地描述了媒體網(wǎng)關系統(tǒng)的各個組成部分及功能。下一代媒體網(wǎng)關系統(tǒng)對于下一代網(wǎng)絡和PSTN的融合有著重要的意義，可以實現(xiàn)PSTN與互聯(lián)網(wǎng)的互通，實現(xiàn)視頻通話等下一代網(wǎng)絡業(yè)務，對網(wǎng)絡融合有著深遠的影響。