一種支持EM信令的中繼網(wǎng)關(guān)設(shè)計與實現(xiàn)

張華琳，沈廣茂，高璽璟

(河北遠東通信系統(tǒng)工程有限公司，河北石家莊050002)

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一種支持EM信令的中繼網(wǎng)關(guān)設(shè)計與實現(xiàn)

張華琳，沈廣茂，高璽璟

(河北遠東通信系統(tǒng)工程有限公司，河北石家莊050002)

摘要:雖然IP電話網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅速，但在相當長的一段時間里，PSTN與VoIP互為補充又相互競爭的存在著，傳統(tǒng)電話交換網(wǎng)與IP網(wǎng)絡(luò)的融合互通正是網(wǎng)關(guān)要解決的問題。針對企業(yè)專網(wǎng)通信中的EM信令接入到IP網(wǎng)絡(luò)的問題，設(shè)計實現(xiàn)了支持EM信令的中繼網(wǎng)關(guān)。進行了EM信令中繼網(wǎng)關(guān)的功能模塊分解，描述了EM信令的呼入流程和呼出流程，突破了EM信令網(wǎng)關(guān)設(shè)計中協(xié)議適配和冗余處理2項關(guān)鍵技術(shù)。支持EM信令的中繼網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)了專網(wǎng)中EM中繼到NGN網(wǎng)絡(luò)的平滑接入，并可以擴充支持多種模擬協(xié)議，滿足專網(wǎng)的使用要求。

關(guān)鍵詞:中繼網(wǎng)關(guān); EM信令; PSTN; VoIP

0引言

以軟交換體系結(jié)構(gòu)建立下一代通信網(wǎng)絡(luò)( NGN)框架，其功能涵蓋NGN中的4個功能層面:接入層、媒體層、控制層和業(yè)務(wù)層[1]。

位于接入層的媒體網(wǎng)關(guān)在其中扮演重要的角色，任何業(yè)務(wù)都需要媒體網(wǎng)關(guān)在媒體網(wǎng)關(guān)控制器的控制下實現(xiàn)。現(xiàn)行的通信網(wǎng)絡(luò)通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備接入到IP網(wǎng)，從而實現(xiàn)全網(wǎng)的融合。網(wǎng)關(guān)的作用就是完成2個異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的信息和信令的相互轉(zhuǎn)換，從而使一個網(wǎng)絡(luò)的信息能夠在另一個網(wǎng)絡(luò)中傳輸[2]。

軟交換架構(gòu)下的中繼網(wǎng)關(guān)是媒體網(wǎng)關(guān)的一種，它是跨接在PSTN和軟交換網(wǎng)絡(luò)之間的功能實體，主要在軟交換設(shè)備的控制下，實現(xiàn)TDM語音與分組語音之間媒體流格式的轉(zhuǎn)換[3，4]。

軟交換系統(tǒng)在行業(yè)專網(wǎng)中的應(yīng)用日益廣泛，在專網(wǎng)通信中，尤其是電力行業(yè)，大規(guī)模部署的是電路交換機，除使用DSS1數(shù)字中繼外，還廣泛使用了EM模擬中繼。采用軟交換技術(shù)之后，由于中繼網(wǎng)關(guān)設(shè)備無法提供EM信令的接入，導(dǎo)致原有組網(wǎng)設(shè)備不能與軟交換系統(tǒng)設(shè)備互聯(lián)互通。為了實現(xiàn)專網(wǎng)中模擬中繼平滑過渡接入到新的NGN網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)計實現(xiàn)了支持EM信令的中繼網(wǎng)關(guān)。

1總體設(shè)計

NGN網(wǎng)絡(luò)中的中繼網(wǎng)關(guān)媒體控制采用H．248協(xié)議和軟交換設(shè)備互通，實現(xiàn)語音的編解碼;信令控制采用SCTP傳輸協(xié)議、IUA信令和軟交換設(shè)備互通，實現(xiàn)呼叫信令的傳輸;采用EM信令與電路交換網(wǎng)連接，實現(xiàn)語音及信令的傳輸[5]。

1．1模塊劃分

EM中繼網(wǎng)關(guān)包括以下幾個功能模塊:呼叫控制模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、EM信令接入模塊、媒體資源管理模塊、Q．931協(xié)議處理模塊、IUA協(xié)議處理模塊、SCTP協(xié)議處理模塊和H．248協(xié)議處理模塊，各個功能模塊之間的關(guān)系如圖1所示，所有的功能模塊運行在一個主控處理器上[6]。

圖1功能模塊連接

1．2模塊功能

呼叫控制模塊用于對號碼進行分析，選擇路由方向，向資源管理模塊申請中繼組資源;資源管理模塊用于確定空閑的中繼端口，并通知呼叫控制模塊;數(shù)據(jù)庫模塊用于將中繼網(wǎng)關(guān)設(shè)備硬盤上的配置數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)存中，供其他模塊進行讀取; EM信令接入模塊用于將外部數(shù)字程控交換機的信令轉(zhuǎn)換成中繼網(wǎng)關(guān)設(shè)備的內(nèi)部統(tǒng)一消息，并發(fā)送到呼叫控制模塊;媒體資源管理模塊用于根據(jù)H．248協(xié)議處理模塊的請求，分配媒體資源，并將分配的媒體資源信息發(fā)送到H．248協(xié)議處理模塊; Q．931協(xié)議處理模塊用于根據(jù)呼叫控制模塊的統(tǒng)一內(nèi)部消息，生成Q．931協(xié)議，將Q．931協(xié)議發(fā)送到IUA協(xié)議處理模塊; IUA協(xié)議處理模塊用于將Q．931協(xié)議處理模塊發(fā)送的Q．931協(xié)議數(shù)據(jù)發(fā)送到SCTP協(xié)議處理模塊，將SCTP協(xié)議處理模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)進行處理，并發(fā)送到Q．931協(xié)議處理模塊; SCTP協(xié)議處理模塊用于將IUA協(xié)議處理模塊發(fā)送消息發(fā)送到外部的軟交換設(shè)備，將外部軟交換設(shè)備發(fā)來的消息轉(zhuǎn)發(fā)到IUA協(xié)議處理模塊; H．248協(xié)議處理模塊，用于根據(jù)外部軟交換設(shè)備發(fā)送的消息創(chuàng)建上下文和向媒體資源管理模塊申請媒體資源，并產(chǎn)生回復(fù)消息發(fā)送到外部軟交換設(shè)備。

2 EM中繼網(wǎng)關(guān)信令流程

2．1出局呼叫信令流程

圖2出局呼叫信令流程

EM中繼出局呼叫信令流程如圖2所示。EM信令接入模塊收到外部數(shù)字程控交換機的EM信令后，向呼叫控制模塊發(fā)送統(tǒng)一內(nèi)部消息，統(tǒng)一內(nèi)部消息中攜帶被叫號碼;呼叫控制模塊對被叫號碼進行路由分析，根據(jù)數(shù)據(jù)庫配置，確定IUA中繼組，并向資源管理模塊申請IUA中繼組資源;資源管理模塊根據(jù)數(shù)據(jù)庫配置的分配算法，從IUA中繼組中分配一個EM端口，并將此EM端口回復(fù)給呼叫控制模塊;呼叫控制模塊根據(jù)被叫號碼、IUA中繼組資源等信息構(gòu)造統(tǒng)一內(nèi)部消息，將統(tǒng)一內(nèi)部消息發(fā)送到Q．931協(xié)議處理模塊; Q．931協(xié)議處理模塊根據(jù)統(tǒng)一內(nèi)部消息生成Q．931協(xié)議中的SETUP消息，將SETUP消息發(fā)送到IUA協(xié)議處理模塊; IUA協(xié)議處理模塊根據(jù)SETUP消息中的信令端口得到IUA協(xié)議處理模塊的接口號，然后選擇應(yīng)用服務(wù)器，再根據(jù)應(yīng)用服務(wù)器的負荷分擔算法確定應(yīng)用服務(wù)器進程，然后生成IUA協(xié)議消息，將IUA協(xié)議消息發(fā)送到SCTP協(xié)議處理模塊; SCTP協(xié)議處理模塊選擇相應(yīng)的IP地址，將IUA協(xié)議消息發(fā)送到外部軟交換設(shè)備; SCTP協(xié)議處理模塊收到外部軟交換設(shè)備的PROCEEDING和ALERTING消息后，將PROCEEDING和ALERTING消息發(fā)送到IUA協(xié)議處理模塊; IUA協(xié)議處理模塊將PROCEEDING和ALERTING消息發(fā)送到Q．931協(xié)議處理模塊; Q．931協(xié)議處理模塊將Q．931消息翻譯成統(tǒng)一內(nèi)部消息，發(fā)送到呼叫控制模塊; SCTP協(xié)議處理模塊收到外部軟交換設(shè)備的CONNECT消息后，將CONNECT消息發(fā)送到IUA協(xié)議處理模塊; IUA協(xié)議處理模塊根據(jù)CONNECT消息中的接口號得到信令端口，并將IUA消息中的Q．931消息發(fā)送到Q．931協(xié)議處理模塊; Q．931協(xié)議處理模塊將Q．931消息翻譯成統(tǒng)一內(nèi)部消息，將統(tǒng)一內(nèi)部消息發(fā)送到呼叫控制模塊[7]。

2．2入局呼叫信令流程

入局呼叫信令流程如圖3所示。SCTP協(xié)議處理模塊收到外部軟交換設(shè)備的SETUP消息后，將SETUP消息發(fā)送到IUA協(xié)議處理模塊; IUA協(xié)議處理模塊根據(jù)SETUP消息中的接口號得到信令端口，并將IUA消息中的Q．931消息發(fā)送到Q．931協(xié)議處理模塊; Q．931協(xié)議處理模塊將Q．931消息翻譯成統(tǒng)一內(nèi)部消息，將統(tǒng)一內(nèi)部消息發(fā)送到呼叫控制模塊;呼叫控制模塊對被叫號碼進行路由分析，根據(jù)數(shù)據(jù)庫配置，確定EM中繼組，并向資源管理模塊申請EM中繼組資源;資源管理模塊根據(jù)數(shù)據(jù)庫配置的分配算法，從EM中繼組中分配一個EM端口，并將此EM端口回復(fù)給呼叫控制模塊;呼叫控制模塊根據(jù)被叫號碼、EM中繼組資源等信息構(gòu)造統(tǒng)一內(nèi)部消息，將統(tǒng)一內(nèi)部消息發(fā)送到EM信令接入模塊; EM信令接入模塊將被叫號碼發(fā)送到外部的數(shù)字程控交換機; EM信令接入模塊收到外部的數(shù)字程控交換機的EM應(yīng)答信令后，向呼叫控制模塊發(fā)送統(tǒng)一內(nèi)部消息，其中包含應(yīng)答指示;呼叫控制模塊根據(jù)應(yīng)答指示構(gòu)造統(tǒng)一內(nèi)部消息，將統(tǒng)一內(nèi)部消息發(fā)送到Q．931協(xié)議處理模塊; Q．931協(xié)議處理模塊根據(jù)統(tǒng)一內(nèi)部消息生成Q．931協(xié)議中的CONNECT消息，將CONNECT消息發(fā)送到IUA協(xié)議處理模塊; IUA協(xié)議處理模塊根據(jù)CONNECT消息中的信令端口得到IUA協(xié)議處理模塊的接口號，然后選擇應(yīng)用服務(wù)器，再根據(jù)應(yīng)用服務(wù)器的負荷分擔算法確定應(yīng)用服務(wù)器進程，然后生成IUA協(xié)議消息，將IUA協(xié)議消息發(fā)送到SCTP協(xié)議處理模塊; SCTP協(xié)議處理模塊選擇相應(yīng)的IP地址，將IUA協(xié)議消息發(fā)送到外部的軟交換設(shè)備[7]。

圖3入局呼叫信令流程

3關(guān)鍵技術(shù)

3．1協(xié)議適配

支持EM信令的中繼網(wǎng)關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)是多協(xié)議適配技術(shù)。首先將電路交換網(wǎng)的專用模擬信令與ISDN信令進行匯接;然后利用PRI協(xié)議與IUA協(xié)議的相似性，將PSTN側(cè)的數(shù)字信令與IUA適配，這樣將模擬信令與IUA信令的適配過程，分解成EM信令與PRI信令的匯接，以及PRI信令到IUA信令的適配，實現(xiàn)EM模擬信令到IUA信令的傳送[8]。

3．1．1協(xié)議互通

IUA與Q．931的原語示意圖如圖4所示。

圖4 IUA與Q．931的原語示意

網(wǎng)關(guān)對SCN側(cè)發(fā)送的信令與IUA向軟交換設(shè)備發(fā)送的信令一致，都是INDICATION和CONFIRM，NIF功能如下[4]:

①將從SCN側(cè)收到的Q．921用戶消息通過IP網(wǎng)絡(luò)傳送到ASP;

②將從IP側(cè)收到的Q．921用戶消息通過E1傳送到SCN;

③支持Q．921/Q．931的邊界原語: DL-ESTABLISH、DL-RELEASE、DL-DATA和DL-UNIT DATA。

3．1．2 D通道與AS ASP的對應(yīng)關(guān)系

D通道與AS、ASP的對應(yīng)關(guān)系如圖5所示。

圖5 D通道與AS、ASP的對應(yīng)關(guān)系

由圖5可知，D通道一個中繼組( PRI)可以包含多個E1，多個中繼組可以屬于一個AS，這個AS中可以有一個ASP，也可以有多個ASP，配置為負荷分擔方式，或配置為主備用方式。

中繼網(wǎng)關(guān)的控制程序，將模擬EM信令轉(zhuǎn)成PRI信令，然后再根據(jù)D端口得到AS，再根據(jù)AS的負載模式選擇ASP。

3．1．3層管理

中繼網(wǎng)關(guān)的層管理主要包括配置管理和狀態(tài)一致性管理。在配置管理方面，一共設(shè)計了4張數(shù)據(jù)配置表，需要完成SCTP參數(shù)配置、IUA協(xié)議棧參數(shù)配置、ASP參數(shù)配置和AS參數(shù)配置，以及數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性檢查，維護和實時更新;狀態(tài)一致性管理保證了軟交換側(cè)和PSTN側(cè)的中繼/電路的信令和媒體狀態(tài)一致性，通過維護命令實現(xiàn)信令和媒體狀態(tài)的可見、可控、可查。

3．2冗余處理

為實現(xiàn)中繼網(wǎng)關(guān)的高可用性，系統(tǒng)采用1 +1熱備份的架構(gòu)。當主邊設(shè)備出問題時，備邊設(shè)備可以在非常短的時間內(nèi)接替故障設(shè)備恢復(fù)工作[9]。

3．2．1 SCTP冗余

SCTP協(xié)議棧既負責高層IUA連接的維護，也負責保證數(shù)據(jù)的可靠傳送，包括重發(fā)數(shù)據(jù)。SCTP冗余首先保證鏈接關(guān)系冗余，即主備邊同時建立鏈接，但是只有主邊鏈路上有數(shù)據(jù)發(fā)送;同時SCTP冗余還負責將IUA中繼使用的數(shù)據(jù)實時同步到備邊，保證備邊接管主邊工作，IUA中繼上已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)的呼叫能繼續(xù)正常通話。

3．2．2數(shù)據(jù)冗余

數(shù)據(jù)冗余不是簡單的數(shù)據(jù)拷貝[10]。中繼網(wǎng)關(guān)的備邊切換為主邊后，新主邊要遍歷其內(nèi)部的中繼狀態(tài)映射表，逐一檢測所述中繼狀態(tài)映射表中的通道標識，在遍歷中繼狀態(tài)映射表過程中，首先判斷通道標識是否合法，然后根據(jù)通道狀態(tài)機，將進入穩(wěn)態(tài)呼叫狀態(tài)機的通道標注，然后向這些標記通道發(fā)送消息令通道初始化。同時為減少主備之間冗余的數(shù)據(jù)量，設(shè)計中采用只對穩(wěn)態(tài)呼叫進行冗余，非穩(wěn)態(tài)呼叫進行清除。通過呼叫鏈表檢查，清除非穩(wěn)態(tài)呼叫的數(shù)據(jù)，才能保證系統(tǒng)長時間穩(wěn)定運行;冗余管理實現(xiàn)了協(xié)議棧數(shù)據(jù)冗余，冗余時機分2種情況，一種是定時將穩(wěn)定的通信鏈路狀態(tài)和數(shù)據(jù)進行冗余;另一種是在激活邊收到系統(tǒng)切換命令時，層管理控制軟件調(diào)用協(xié)議棧內(nèi)部函數(shù)，返回此時協(xié)議棧需要冗余的數(shù)據(jù)，并發(fā)給備用邊，然后等待備用邊回送確認消息，收到確認消息后層管理軟件通知系統(tǒng)進行

切換[11]。

4中繼網(wǎng)關(guān)應(yīng)用

EM信令的中繼網(wǎng)關(guān)在電力系統(tǒng)中可把傳統(tǒng)PBX的用戶電話、調(diào)度臺等外圍終端設(shè)備接入到軟交換網(wǎng)絡(luò)。

實際應(yīng)用中，EM信令中繼網(wǎng)關(guān)可以和用戶接入網(wǎng)關(guān)合二為一形成綜合媒體網(wǎng)關(guān)，靈活配置成TDM/IP混合的組網(wǎng)方式。EM信令中繼網(wǎng)關(guān)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用方式如圖6所示。

圖6 EM信令中繼網(wǎng)關(guān)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

電路交換設(shè)備接入到軟交換系統(tǒng)中，調(diào)度臺用戶既有方式調(diào)度PSTN網(wǎng)的用戶，同時可以通過EM中繼調(diào)度軟交換系統(tǒng)的中SIP用戶和IAD用戶。EM信令中繼網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)了2個異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的通信，確保調(diào)度指揮準確和及時地開展[12]。

5結(jié)束語

EM信令中繼網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)了傳統(tǒng)電路交換網(wǎng)與IP網(wǎng)之間的信令互通，連接承載，媒體互通，滿足專網(wǎng)市場尤其是電力行業(yè)對語音通信網(wǎng)建設(shè)改造的要求。EM信令中繼網(wǎng)關(guān)的關(guān)鍵部件和板卡實現(xiàn)了1 +1備份，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性;同時，EM信令網(wǎng)關(guān)的模塊化設(shè)計，將信令接口模塊和呼叫控制模塊分開，便于實現(xiàn)多種模擬信令的擴充。EM信令中繼網(wǎng)關(guān)的呼叫建立時間、呼叫接通率、長時間保持率和PSQM/PESQ等指標經(jīng)測試全部滿足或優(yōu)于媒體網(wǎng)關(guān)設(shè)備技術(shù)標準要求，并已在電力和軌道交通等多個領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，取得了良好效果。

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Design and Implementation of Trunk Gateway Supporting EM Signaling

ZHANG Hua-lin，SHEN Guang-mao，GAO Xi-jing

( Hebei Far-east Communication System Engineering Co．，Ltd．Shijiazhuang Hebei 050002，China)

Abstract:Although the IP telephone network is developing rapidly，but for a long period of time，PSTN and VOIP are complementary and competitive each other．The fusion and intercommunication of traditional telephone exchange network and IP network communication can be implemented by the gateway．Aiming at access of EM signaling in enterprise private network communication to IP network，the trunk gateway supporting EM signaling is designed and implemented．The functional modules of EM signaling trunk gateway are introduced，the EM signaling inbound flow and outbound flow are described，and the two key technologies of protocol adaptation and redundancy processing in EM signaling gateway design are implemented．The trunk gateway supporting EM signaling can be used to implement smooth access from EM trunk in private network to NGN network，can be extended to support multiple simulated agreement and meet the application requirement of private network．

Key words:trunk gateway; EM signaling; PSTN;VOIP

作者簡介:張華琳( 1976—)，女，高級工程師，主要研究方向:通信系統(tǒng)與信息技術(shù)。沈廣茂( 1977—)，男，高級工程師，主要研究方向:通信系統(tǒng)、信號處理。

收稿日期:2015-09-11

中圖分類號:TN919

文獻標識碼:A

文章編號:1003-3114( 2016) 01-89-5