軟交換調度系統設計分析

馬文學,付志兵,敦科翔

(河北遠東哈里斯通信有限公司,河北石家莊050200)

0 引言

調度通信系統是工業生產和業務活動中指揮調度的專用通信系統,與一般的通信系統相比更注重通信的可靠性和會話模式的多樣性,廣泛應用于電力、煤炭、石油和軌道交通等領域。隨著各行業內市場的不斷變化以及通信技術、計算機技術和互聯網技術的飛速發展,用戶對業務的需求已不僅僅局限于基本的語音業務和低速的數據業務,而是期待更高效更全面更靈活的通信調度平臺來實現更快的響應、更靈活的調度、更強大的功能和更綜合的融合業務應用。在這種背景下,軟交換調度系統憑借其開放式的網絡架構、靈活的網絡部署和業務接入等諸多優點成為調度通信領域內研究的熱點。

1 系統原理和組成

下一代網絡(Next Generation Network,NGN)是一個基于IP的全新通信網絡,可以承載語音、數據和多媒體等多類業務。它是建立在單一的包交換網絡基礎之上,應用軟交換技術、各種應用服務器及媒體網關技術等建立起來的一種分布式的、電信級的、端到端的統一網絡。同時,NGN提供了一個開放式的體系架構,便于新業務的快速開發和部署。

軟交換調度系統采用NGN的分布式結構,主要包含軟調度交換機、調度臺、各類網關、IP智能終端、錄音服務器(Recording Server,AS)、運營支撐系統(Operation Support System,OSS)和媒體服務器(Media Server,MS)等,通過網關實現與公共交換電話網絡(Public Switched Telephone Network,PSTN)和信令系統#7(Signaling System#7,SS7)網絡的互通,系統框圖如圖1所示。

圖1 軟交換調度系統

軟調度交換機是系統中的核心控制設備,負責完成呼叫處理、協議適配、業務提供、系統互通以及計費管理等功能。調度臺是調度人員的操作臺,可根據需要選擇注冊到軟交換/電路交換機上。運營支撐系統提供企業日常的運營支持,包括用戶管理系統、在線計費系統和軟交換調度系統及其終端等的管理。媒體服務器提供實時媒體處理功能,主要包括:語音編碼轉換、播放通知音、DTMF檢測、語音會議橋接、自動語音識別、語音—文本轉換和視頻會議等。錄音服務器主要是實現按需或全部錄音來記錄事件處理中的所有關鍵步驟,為日后的工作提供檢驗依據。其他設備由于不是軟交換調度系統所必需,在此不再贅述。

2 設計方案

軟調度交換機是系統的核心設備,調度臺是最普遍也是最重要的調度終端,因此,二者的設計方案是整個系統設計方案的核心,下面對其分別介紹。

2.1 軟調度交換機子系統

軟交換技術發展至今,日趨成熟和完善,軟調度交換機子系統充分借鑒和吸收了前人的技術經驗,基于成熟的軟交換系統軟件架構[1]進行設計。

軟調度交換機子系統的系統框圖如圖2所示,包含以下5個子系統。

圖2 軟調度交換機系統

2.1.1 協議接入和適配子系統

協議接入和適配子系統主要完成對各種終端協議、中繼協議的接入和適配工作。其中協議適配子系統將各協議棧解析的消息轉換為軟交換機內部統一消息,同時將通用呼叫和資源控制子系統下達的控制指令轉化為相應的協議信令,交給對應的協議棧打包發送。

2.1.2 通用呼叫和資源控制子系統

通用呼叫和資源控制子系統完成對呼叫的處理和控制,并在呼叫事件符合應用業務所設定的觸發點時,激活上層的應用業務來對呼叫進行控制。

2.1.3 業務提供及業務適配子系統

業務提供及業務適配子系統的功能是在保證業務層與控制層分離的前提下為軟交換機提供相關的業務,并負責業務間交互關系的處理。因為調度業務種類繁多且流程復雜,所以使用內嵌式的業務實現方式以及靜態的業務交換管理方法,犧牲一定的靈活性和擴展性,最大限度地保障系統的穩定性、可靠性和實時性,具體的技術實現下文將會重點介紹。

2.1.4 高可用和管理子系統

負責整個軟交換機系統的熱冗余備份功能的實現以及軟交換內部各模塊或子系統間的消息交換和人機交互。

2.1.5 公共服務子系統

公共服務子系統主要負責屏蔽操作系統的差異性,并為操作系統之上的應用提供各種基本功能的二次封裝,便于特殊情況下的系統移植。

2.2 調度臺子系統

為了提高開發效率并保持產品的兼容性,調度臺子系統在原有的IP調度臺系統上進行二次開發,修改和添加了部分模塊,調度臺子系統框圖如圖3所示。

圖3 調度臺子系統

調度臺子系統包含呼叫和資源控制、SIP接入與適配、媒體接入與適配3個模塊,下面分別介紹。

2.2.1 呼叫和資源控制模塊

該模塊是整個調度臺子系統的核心,又可以細分為呼叫控制、鏈路管理和進程監控等多個子模塊,主要功能是根據用戶的操作發起相應的呼叫請求,并處理來自交換機的呼叫請求,同時為調度臺提供各種調度業務的支持,該模塊大部分繼承于原有IP調度臺,由于篇幅限制,不再做詳細介紹。

2.2.2 SIP接入與適配模塊

該模塊通過完成會話初始協議(Session Initiation Protocol,SIP)消息的接收解包、打包發送以及SIP消息與調度臺內部消息的映射工作,來實現調度臺與軟交換調度機的對接,同時實現媒體格式的協商一級對各種媒體流傳輸的啟動和停止的控制。為了保證系統的穩定性和可靠性,在某商用協議棧之上,通過修改和調用封裝層函數,實現對SIP消息(包括擴展的私有消息)的處理。

2.2.3 媒體接入與適配模塊

完成調度臺與其他實體的媒體連接,并完成各種媒體格式的編解碼。視頻會議的圖像混屏和混音功能由媒體服務器實現,調度臺只實現單路圖像和單路音頻的編解碼工作,支持H.263、H.264兩種視頻編解碼格式和G.711A,G.711U,G.729A三種音頻編解碼格式。視頻編碼器采用多線程設計,一個編碼線程將收到的每幀圖像進行編碼,并將編碼后的碼流數據保存到編碼緩沖區;另一個發送線程則定時的從編碼緩沖區中取出不超過指定的包長大小數據,將數據塊打上相應的H.263或H.264的包頭(如果是最后一包要打上mark標識,以利于在接收端解碼時區分)并通知RTP按照RTP的報文要求分別打包發送。編碼器的設計與視頻編碼器類似。

3 關鍵技術及系統優勢

3.1 關鍵技術

3.1.1 調度信令的承載

這里調度信令指的是調度終端與軟交換平臺之間傳遞業務管理和呼叫控制指令的消息,屬于用戶信令的范疇。其中很多信令都是調度系統所特有,并且不同行業的調度系統所支持的調度信令也大不相同,因此,軟交換調度系統選擇的承載協議除了能夠提供調度系統所必需的實時性和可靠性保障外,同時還要求具備一定的靈活性和易于擴展性。

目前,應用最廣泛的IP終端信令控制協議當屬H.323協議和SIP協議,盡管H.323協議提出較早,相對比較成熟,但SIP作為一種分散式的協議,語法簡單、擴展靈活,將網絡設備的復雜性推向網絡邊緣,更適用于像調度臺這類的定制業務比較多的智能用戶終端。

軟交換調度系統除了使用SIP提供的6種基本的方法[2]來控制一般會話,還利用 INFO和MESSAGE擴展方法分別在其對應的消息體中攜帶與呼叫有關和與呼叫無關的控制消息,同時對消息頭域的進行擴展,用來專門傳遞帶有特殊呼叫標示的內容,如預置會議、靈活會議和席位強插等。

3.1.2 業務交互管理

業務交互是指部署在同一網絡環境中的2個或多個業務特征的相互影響和干擾。

由于軟交換調度系統以內嵌式的方式提供調度業務,開發者完全了解各業務邏輯細節,滿足靜態方法的基本要求,同時基于業務特征重組和模糊判斷的動態方法,不能滿足調度業務交互處理所注重的穩定、可靠、快速的要求,因此,系統業務交互處理最終采用了靜態的方法。

業務提供及業務適配子系統中的業務邏輯管理模塊(SLB)采用了業務依賴函數矩陣、業務沖突函數矩陣和業務間相互調用處理函數矩陣3個矩陣來處理3類業務交互[3]。所有業務ID按照橫和縱的關系被設置成一個二維矩陣,矩陣的每一個元素對應一個函數,該函數用來處理橫、縱對應的2個業務間的依賴或沖突關系,如果2個業務之間不存在任何關系,則令該函數做do-nothing處理。業務間相互調用處理函數矩陣是一個三維函數矩陣,其第1維是業務ID列表,第2維是上下文ID列表,第3維是業務相互調事件值列表。

當有業務觸發消息上報到SLB時,SLB首先獲取當前分機欲觸發的業務ID和所有該分機正在運行的業務ID,然后依次進行業務的依賴和沖突關系檢查,只有通過了檢查,系統才進行業務邏輯處理,在當前業務結束時,如果需要調用另一個業務,則進行業務間相互調用檢查處理。

3.1.3 視頻編解碼技術

視頻編解碼技術是視頻調度中的關鍵技術之一。采集到的原始視頻信號是模擬信號,數據量大,通過壓縮、編碼可以節約數據的存儲空間,降低傳輸帶寬,為在現有通信信道上實現多種業務的并行傳輸提供了可能。對于傳統視頻格式的編解碼技術已經比較成熟,這里只討論最新的基于H.264/AVS的視頻編碼技術。

為了提高壓縮率、增強穩定性,基于H.264/AVS的視頻編碼技術在很多方面做了改進,采用了很多新的編碼技術,如多參考幀預測、多尺寸編碼塊模式、1/4像素精度運動矢量、整數變換量化、基于內容的熵編碼、新型幀內預測和去除方塊效應的濾波器等。然而H.264所具有高壓縮率同時也造成了計算復雜度的提升[4],以計算各種預測模式下宏塊的率失真開銷的率失真優化技術(rate-distortion optimization,RDO)為例,RDO技術需要通過式(1)和式(3)來計算率失真代價函數RDcost。

式中,QP為宏塊的量化參數;λm為拉格朗日乘子;SSD(·)為原始的亮度塊s和重建塊c之間的誤差平方和;R(·)為利用所選擇的模式m進行編碼的比特數。要完成一個宏塊的幀內預測模式判定,必須進行4×(9×16+4)=592次代價計算,因此有必要進行一定的優化甚至簡化。

視頻的編解碼模塊借鑒了基于JM10.2參考模型的某開源編解碼器,在其基礎之上做了一定的修改來達到提高壓縮速率,保證視頻實時流暢的目的,具體如下:

①在運動估計方面,關閉非對稱交叉多六邊形網格(UMH)和窮盡搜索(ESA)等低效方式,運動搜索矢量只選擇比較常見的鉆石形和六邊形;

②在碼率控制方面,采用一級編碼方式來代替專門針對降低碼率提出的二次編碼方式;

③在圖像輸入量化方面,禁止使用用戶自定義量化矩陣,減少循環跳轉和矩陣求逆運算的復雜度。

在不同分辨率、不同紋理、不同運動程度及附帶場景切換的測試表明:修改后的H.264編解碼模塊達到了保證壓縮質量,提高壓縮速率的目的。

3.2 系統優勢

軟交換調度系統采用了包括上面提到的3項技術方案在內的一系列的技術改進和創新來提升用戶體驗(User Experience,UE)并保障調度通信系統所關注的可靠性和功能完備性。

另外,軟交換調度系統的優勢還體現在多業務能力、融合性和開放性上。

3.2.1 多業務能力

保留了現有調度通信的所有業務和接口,可以無縫對接各種網絡資源及終端用戶,實現各項調度流程與作業的進行,基于軟交換技術,引入語音、視頻媒體通信手段,通過開放式接口,為當前業務提供多媒體的調度決策信息收集和多媒體的調度指令下達,確保調度指揮準確、及時地展開。

3.2.2 融合性

軟交換調度系統是一個快速部署的系統,充分利用IP網絡的靈活性,以疊加而非替代的方式提供多媒體的調度通信方式,使得各種通信資源可以充分得以保留和利用。

3.2.3 開放性

軟交換調度系統支持各種時分復用(TDM)接口的終端接入,支持各種TDM中繼的設備互聯,采用了主流的SIP協議,在NGN中可以支持眾多的多媒體終端接入。

4 結束語

上述軟交換調度系統已應用于實際開發項目中,接入功能強,實現了各種調度功能并且可以很好地兼容當前的各種網絡,完全滿足當前調度領域的需求。但軟交換調度系統仍存在不少問題,例如,如果引進第三方業務,則有必要使用動態方法來實現業務交互處理,如何保證可靠性和穩定性是關鍵;視頻編解碼技術有待進一步的完善等等,總之軟交換調度系統仍然具備很大的改進空間。

[1]張建中.軟交換系統軟件架構設計與實現[J].無線電工程,2010,40(6):8-10.

[2]黃永峰,李建慶.下一代網絡核心控制協議:SIP及其應用[M].北京:人民郵電出版社,2009.

[3]林 青.一種電信間業務交互處理的算法[J].計算機與網絡,2009,30(9):45-47.

[4]云 靜.H.264視頻編碼的關鍵技術分析及復雜度研究測試[J].計算機與現代化,2010(6):51-54.