一種基于VoIP技術(shù)的半雙工無線話音通信系統(tǒng)

鄭磊

【摘要】 隨著計算機網(wǎng)絡技術(shù)以及電信基礎網(wǎng)絡的快速發(fā)展，VoIP技術(shù)的應用研究逐漸滲透到各個行業(yè)領(lǐng)域，如在電話、手機和普通四線話音設備等不同話音通信系統(tǒng)之間互聯(lián)互通等典型應用研究，已取得了一些成果，但針對傳統(tǒng)的軍、民用地空視距半雙工話音通信系統(tǒng)應用VoIP技術(shù)的研究相對較少。本文針對上述不足，設計并實現(xiàn)了一套基于VoIP技術(shù)的話音通信系統(tǒng)，將傳統(tǒng)半雙工電臺終端接入IP網(wǎng)絡，實現(xiàn)話音及信令的IP網(wǎng)絡實時傳輸，支持總機對通信系統(tǒng)的遠程控制及話音通信，可滿足遠程控制中心人員的遠程值守，極大的擴展了的通信可達范圍，具有較高的理論與實際應用價值。

【關(guān)鍵詞】 VoIP 半雙工電臺 遠程控制 遠程值守

一、概述

隨著IP網(wǎng)絡的高速發(fā)展，在高效率傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務的IP網(wǎng)絡上傳送話音、傳真甚至視頻業(yè)務已經(jīng)成為必然。國內(nèi)外的各大電信運營商都積極投入到VoIP技術(shù)的研發(fā)中，一方面加快了IP網(wǎng)絡的建設，另一方面針對各種VoIP業(yè)務應用終端的開發(fā)也取得了較快的發(fā)展。

國內(nèi)傳統(tǒng)的半雙工無線話音通信系統(tǒng)在VoIP技術(shù)應用上相對滯后，因其受既有通信體制限制，狀態(tài)控制信號與語音信號均為模擬信號變量，使用專用模擬電路實現(xiàn)話音信號與狀態(tài)控制信號接口轉(zhuǎn)換，使用被覆線及中繼裝置實現(xiàn)話音及信令的遠距離傳輸。其典型應用場景為：地面控制中心通過專用話音轉(zhuǎn)換設備和話音專線與通信站建立固定話音通道，地面控制中心按照專線連接關(guān)系，使用特定通信鏈路進行地空話音通信。為實現(xiàn)地面話音長距離傳輸，以及適配特定的通信設備接口，需要研制專用話音傳輸轉(zhuǎn)換設備和建立專用的通信專線，懂導致系統(tǒng)成本高、使用不靈活且可擴展能力不足。本文針對上述不足，設計了一種基于VoIP技術(shù)的話音通信系統(tǒng)，具有交聯(lián)關(guān)系簡單、造價低、兼容性好、布置簡單且靈活多用等特點。

二、VoIP技術(shù)簡介

2.1概述

VoIP（Voice over Internet Protocol）基本原理為：首先在發(fā)送端，使用語音壓縮算法對原始語音數(shù)據(jù)進行壓縮、編碼，使用實時傳輸協(xié)議/實時傳輸控制協(xié)議RTP/RTCP對壓縮數(shù)據(jù)進行處理，并使用UDP/TCP等方式將語音數(shù)據(jù)分組打包并通過IP網(wǎng)絡進行傳送。最后接收端將收到語音數(shù)據(jù)包按時間順序進行串接處理，并將語音數(shù)據(jù)進行解碼以及解壓縮處理，恢復出原始語音信號，從而實現(xiàn)通過IP網(wǎng)進行實時語音通信的目的。

傳統(tǒng)電話網(wǎng)是以電路交換的方式傳輸話音信號，所要求的話音傳輸固定帶寬為64kbit/s。而VoIP技術(shù)是建立在IP網(wǎng)絡上的分組化、數(shù)字化傳輸技術(shù)，它利用目前Internet和全球IP互聯(lián)的環(huán)境，實現(xiàn)數(shù)字業(yè)務、話音及視頻在Internet上廉價傳輸。

2.2 VoIP相關(guān)技術(shù)特點

作為實時業(yè)務，VoIP對時序、時延等有嚴格要求，為保證話務質(zhì)量，主要的關(guān)鍵技術(shù)涉及控制信令技術(shù)、媒體編碼技術(shù)、實時傳輸技術(shù)、QOS保障技術(shù)、網(wǎng)絡傳輸技術(shù)等。[1]

2.2.1控制信令技術(shù)

信令技術(shù)的主要功能是保證語音質(zhì)量和電話呼叫的順利實現(xiàn)。當前被廣泛接受的VoIP控制信令體系包括國際電信聯(lián)盟（International Telecommunications Union， ITU）的H.323系列和因特網(wǎng)工程任務組（Internet Engineering Task Force，IETF）的會話初始化協(xié)議（Session Initiation Protocol，SIP）。

1、H.323。H.323標準是ITU-T制定的IP 網(wǎng)絡上進行音頻、視頻和數(shù)據(jù)等多媒體信息通信的協(xié)議標準，它的主要功能是為局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)上的多媒體通信提供技術(shù)基礎支持。它在各種設備之間、上層應用之間和供應商之間進行交互操作。另外，它支持組播、帶寬管理和多點功能，不受操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和硬件平臺的束縛，能支持不同功能節(jié)點之間的會議，靈活性強。

2、SIP。SIP 協(xié)議是一個會話層的信令控制協(xié)議。它只提供建立、維護及結(jié)束進程信息的功能，沒有媒體控制功能。SIP提供的建立和結(jié)束會話的功能有用戶定位、用戶能力、用戶可用性、呼叫建立和呼叫處理。只要通過這五種SIP功能就可以完成一次會話。

2.2.2媒體編碼技術(shù)

媒體編碼技術(shù)是VoIP技術(shù)能夠?qū)嵤┑闹匾ＷC，其在節(jié)省網(wǎng)絡帶寬的同時，又能保證突發(fā)傳輸、鏈路產(chǎn)生誤碼和網(wǎng)絡抖動時的語音仍具有很強的健壯性。目前VoIP通信使用由國際電信聯(lián)盟ITU建議的應用于低速率多媒體服務中語音信號的壓縮編碼算法技術(shù)，常見的有G.723.1，G.729、G.729. A 等。G.723.1有兩種速率：5.3kbps 和 6.3kbps，其話音質(zhì)量好，是目前已標準化的最低速率的話音編碼算法。G.729采用的是8kbps的CELP壓縮技術(shù)的語音編碼算法，G.729.A主要是在G.729基礎上降低了運算復雜度。[2]

2.2.3實時傳輸技術(shù)

實時傳輸技術(shù)主要采用的是實時傳輸協(xié)議RTP。RTP主要包括兩個部分，分別是數(shù)據(jù)和控制。其中，后者被稱作實時傳輸控制協(xié)議RTCP。RTP在分組中提供了三項內(nèi)容：一個序列號，允許接收端將進入的分組按照正確的方式排列，同時檢測出丟失的分組；二是一個時間戳，允許接收方按媒體流中正確的時間播放正確的分組；三是一系列源標識符，這一功能是使對方知道知道數(shù)據(jù)的來源。

2.2.4 QOS保障技術(shù)

VoIP作為一種實時應用，對服務質(zhì)量QOS要求很高，它在延遲和抖動的控制、分組丟失等方面的作用將影響網(wǎng)絡提供更高優(yōu)先服務的能力。目前廣泛采用的提高QOS的方法有資源預留協(xié)議（Resource Reservation Protocol， RSVP）以及進行服務質(zhì)量監(jiān)控的實時傳輸控制協(xié)議。RSVP具有減少時延的作用，它要求每臺設備在參與VoIP 業(yè)務時都必須預留必要的資源空間來保障業(yè)務質(zhì)量；抖動問題一般是在接收端增加抖動緩沖區(qū)來解決的。前向糾錯法（Forward Error Correction，F(xiàn)EC）用來解決分組丟失問題。

2.2.5網(wǎng)絡傳輸技術(shù)

網(wǎng)絡傳輸技術(shù)主要有傳輸控制協(xié)議TCP和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP，另外還包括網(wǎng)關(guān)互聯(lián)技術(shù)、網(wǎng)絡管理技術(shù)、安全認證和計費技術(shù)、路由選擇技術(shù)等。在實際應用中，可采用UDP或者TCP與RTP相結(jié)合的方式傳輸語音數(shù)據(jù)，確保語音數(shù)據(jù)實時穩(wěn)定地傳輸。此外，采用RTP協(xié)議將多路話音插入話音數(shù)據(jù)段中，可有效解決VoIP話音分組開銷大的問題，提高語音傳輸效率。

三、系統(tǒng)方案

3.1系統(tǒng)架構(gòu)

本文所設計的基于VoIP技術(shù)的半雙工無線話音通信系統(tǒng)，使用接口適配裝置實現(xiàn)半雙工電臺接入IP網(wǎng)絡，其語音信號機狀態(tài)控制信號均轉(zhuǎn)換為IP 數(shù)據(jù)，能夠采用現(xiàn)有已廣泛部署應用的IP網(wǎng)絡實現(xiàn)半雙工電臺的話音信號和狀態(tài)控制信號在網(wǎng)絡上傳送。系統(tǒng)框圖如圖 1所示，其主要由遠程基站、IP網(wǎng)絡、遠程控制中心三部分構(gòu)成。其中，各部分設備組成及主要功能描述如下：

遠程基站：主要由半雙工電臺終端、電臺適配器及狀態(tài)控制處理器組成，完成地面有線話音與對空無線話音之間的轉(zhuǎn)接，同時接受遠程控制中心的遠程監(jiān)控；

IP網(wǎng)絡：依托廣泛部署的電信運營IP網(wǎng)絡，在遠程基站與遠程控制中心間傳輸IP話音包以及狀態(tài)控制數(shù)據(jù)等；

遠程控制中心：主要由虛通道建鏈及網(wǎng)絡傳輸組件、遠程控制界面及監(jiān)控服務器構(gòu)成，完成對遠程基站的監(jiān)控以及音頻信號的發(fā)送與接收。

系統(tǒng)工作原理描述如下：

接收過程：半雙工電臺終端通過外部天線接收無線信號，經(jīng)處理后經(jīng)模擬線路輸出給電臺適配器，電臺適配器負責話音數(shù)據(jù)的IP化轉(zhuǎn)換，同時狀態(tài)控制處理器同步處理狀態(tài)控制數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)分別傳送到IP網(wǎng)絡上，通過IP尋址方法定位到遠程控制中心相應的控制臺。控制臺接收信號后會經(jīng)過相同的方法將狀態(tài)控制信號或話音信號發(fā)送到相應的席位供操作員收聽，同時在電臺控制端顯示話音來電信息等狀態(tài)數(shù)據(jù)。

發(fā)射過程：遠程控制中心操作員通過電臺控制端調(diào)整半雙工電臺的工作參數(shù)與通信對象匹配，并建立通道連接，通過PC機音頻輸入設備完成話音輸入及發(fā)射狀態(tài)控制。PC機上駐留的音頻處理軟件完成模擬話音以及控制信令的IP化轉(zhuǎn)換，將這些數(shù)據(jù)分別傳送到IP網(wǎng)絡上，通過IP尋址方法定位到遠程基站，遠程基站內(nèi)部的電臺適配器完成IP話音及發(fā)射信令的模擬轉(zhuǎn)換，送半雙工電臺終端發(fā)射，同時狀態(tài)控制處理器負責電臺工作狀態(tài)的監(jiān)控并通過IP網(wǎng)絡將狀態(tài)數(shù)據(jù)上報遠程控制臺。

3.2功能組件設計

系統(tǒng)功能組件主要包括：半雙工電臺終端VoIP接口組件、虛通道建鏈及網(wǎng)絡傳輸組件、遠程控制界面及服務器等。

3.2.1半雙工電臺VoIP接口組件設計

半雙工電臺VoIP接口組件負責把傳統(tǒng)的半雙工話音通信電臺轉(zhuǎn)換為一個IP終端接入到IP網(wǎng)絡。

半雙工電臺的信號分為低碼率編碼的狀態(tài)控制信號，以及占用固定帶寬的模擬話音信號。由于IP網(wǎng)絡傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，因此必須經(jīng)過話音適配器將模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號。另外，半雙工電臺的狀態(tài)控制接口與網(wǎng)絡接口不匹配，因此狀態(tài)控制信號必須經(jīng)過狀態(tài)控制處理器才 能實現(xiàn)通信。

1）電臺適配器

電臺適配器是網(wǎng)絡接口與普通模擬話音接口間的橋梁，其工作原理如圖 2所示，主要包括：

接收狀態(tài)：負責接收半雙工電臺的模擬話音信號，經(jīng)采樣、AD后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再采用G.723.1標準的語音壓縮算法完成話音壓縮處理，然后按TCP/IP協(xié)議及RTP/RTCP協(xié)議標準封裝成RTP話音包，通過網(wǎng)絡接口將話音信號發(fā)送到IP網(wǎng)絡上。

發(fā)送狀態(tài)：話音數(shù)據(jù)從IP網(wǎng)絡接口到半雙工電臺音頻接 口的處理是相逆過程，且在該過程中，進行語音狀態(tài)檢測，以此產(chǎn)生半雙工電臺終端無線發(fā)射所需的PTT信號。本系統(tǒng)采用的語音狀態(tài)檢測算法選取短時能量和短時過零率作為檢測算法的參數(shù)，屬于時域的檢測方法。通過該檢測算法，能夠有效剔除靜音片段，避免引起長時間PTT有效的現(xiàn)象。[3]

2）狀態(tài)控制器

狀態(tài)控制處理器主要完成網(wǎng)絡接口與半雙工電臺終端接口之間的控制狀態(tài)信號接口轉(zhuǎn)換。狀態(tài)控制處理器原理見圖4所示。

狀態(tài)控制處理器主要是通過軟件編程，實現(xiàn)半雙工電臺接口與IP分組之間的通信。控制狀態(tài)信號經(jīng)過IP網(wǎng)絡，傳送到控制狀態(tài)處理器，其將接收到的信號處理后轉(zhuǎn)發(fā)給半雙工電臺接口，完成網(wǎng)絡接口與半雙工電臺接口的通信。狀態(tài)控制處理器軟件編程主要涉及到網(wǎng)絡套接字和串口通信。

3.2.2虛通道建鏈及網(wǎng)絡傳輸模塊

1）虛通道建鏈設計

本系統(tǒng)是基于IP網(wǎng)絡對半雙工電臺終端控制，不是通過傳統(tǒng)模式的固定點到點線路，沒有固有的話音通道。在進行話音傳輸前，需要使用VoIP的信令控制技術(shù)，通過IP網(wǎng)絡在遠程控制中心的送話器與遠程基站的電臺間建立虛擬通道。

遠程控制中心人員通過遠程控制界面進行撥號，撥號建鏈過程可使用得控制信令有H.323和SIP兩種協(xié)議，與H.323相比，SIP僅作為初始化呼叫控制，而不傳輸媒體數(shù)據(jù)，其造成的附加傳輸代價不大；SIP的URL（地址）甚至可以嵌入到Web頁或其他超文本鏈路中，用戶只需用鼠標一點即可發(fā)出一個呼叫，此外SIP還有建立呼叫快，支持傳送電話號碼的特點，便于靈活部署。因此，本系統(tǒng)選擇SIP協(xié)議作為虛通道建鏈控制信令。[4]

在建鏈操作之前，按照SIP協(xié)議標準規(guī)定，需要對半雙工電臺分配唯一確定的電話號碼，并且電話號碼與IP地址的映射具有唯一性確定性。本系統(tǒng)編碼規(guī)則是：電話號碼=基站+設備機號，來完成對電話號碼與IP地址的映射。遠程控制中心人員撥打號碼，就能與相應的半雙工電臺終端建立呼叫。呼叫建立成功后，就能對半雙工電臺進行控制，或與之進行話音傳輸。

2）網(wǎng)絡傳輸

IP電話網(wǎng)絡傳輸技術(shù)主要涉及到TCP/IP協(xié)議。UDP和TCP屬于TCP/IP概念模型中的傳輸層范疇。主要作用：一是為其上層應用層提供傳輸服務標準，二是提高下層網(wǎng)絡層的服務質(zhì)量。雖然同為傳輸層協(xié)議，但UDP和TCP卻又很大差異。UDP是用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議，TCP為傳輸控制協(xié)議，后者比前者復雜很多，但同樣也是當前網(wǎng)絡采用的主流協(xié)議。

UDP更適合音頻數(shù)據(jù)的傳輸，TCP需要等待接收端的應答，使話音數(shù)據(jù)不能及時的發(fā)送給接收端，會造成難以避免的延時和數(shù)據(jù)的無法接收。

本系統(tǒng)仍舊采用TCP作為網(wǎng)絡傳輸?shù)膮f(xié)議，主要原因包含以下幾個方便：

1.UDP傳輸數(shù)據(jù)時，如要遇到網(wǎng)絡堵塞，會將數(shù)據(jù)報丟失，并對丟失的數(shù)據(jù)報沒有重發(fā)機制；

2.使用UDP作為網(wǎng)絡傳輸層時，接收端通常是無序的，但TCP擁有編號機制可以將數(shù)據(jù)重新組合；

3.對狀態(tài)控制信號來說，TCP協(xié)議最為合適。使用TCP傳輸狀態(tài)控制 信心，能確保其傳輸?shù)恼_性；

4.UDP對時間延遲有很強的敏感性，卻對傳輸中產(chǎn)生的錯誤具有一定容忍度。本系統(tǒng)設計預期為可用于安全監(jiān)控，需要時刻監(jiān)聽用戶認定的重要信息，不能容忍一點差錯，更不能將數(shù)據(jù)包丟失。同時，在當前寬帶已成為上網(wǎng)主流的環(huán)境下，網(wǎng)絡質(zhì)量較好，不容易出現(xiàn)網(wǎng)絡堵塞情況。綜上，在可以容忍一定延時的情況下，可使用TCP協(xié)議。

3.2.3遠程控制界面

遠程控制界面軟件部署在遠程控制中心的PC機上，通過對人機交互界面的操作，完成對半雙工電臺的參數(shù)控制調(diào)整及與其之間的話音通信。

遠程PC機提供圖形化人際交換界面，界面示意圖見圖4所示，可對遠程控制中心設備及遠程基站提供實時監(jiān)視。操作人員通過對控制界面的操作，實現(xiàn)半雙工電臺的工作參數(shù)進行調(diào)整，顯示實時顯示當前半雙工電臺的工作狀態(tài)。同時，通過遠程PC機控制界面，可以與半雙工電臺終端建立呼叫并與之話音通信。另外，用戶能夠根據(jù)通信占用情況，有目標的對半雙工電臺終端進行通信。

遠程控制界面采用模塊化設計方法，根據(jù)功能要求主要實現(xiàn)以下幾個模塊。

呼叫控制：提供圖形化界面，用戶可以選擇指定半雙工無線站臺進行通信以及斷開通信操作；

監(jiān)視控制控制：提供圖形化界面，支持用戶對半雙工電臺終端進行參數(shù)設置，并動態(tài)顯示其當前工作參數(shù)；

媒體轉(zhuǎn)換格式：主要是實現(xiàn)模擬信號與數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，并通過IP分組網(wǎng)絡傳輸?shù)浇邮斩耍?/p>

控制監(jiān)視人機界面：對遠程控制中心與半雙工電臺終端間的通信連接情況實時監(jiān)視，并顯示當前通信鏈狀況。

四、結(jié)束語

本系統(tǒng)依托當前廣泛部署的IP網(wǎng)絡及成熟的VoIP技術(shù)，對于已經(jīng)部署的通信站，不用新研專用無線通信設備，不需要部署專線，可在原有無線通信系統(tǒng)的基礎上，通過簡單的技術(shù)改造實現(xiàn)IP網(wǎng)絡接入，降低了因新研系統(tǒng)導致的研制成本高和研制周期長等問題，技術(shù)有保障，部署及擴展相對簡單。

參 考 文 獻

[1] 高春鋼.VOIP原理和應用概述[J].科技廣場，2011（3）.

[2] 張登銀，孫精科.VoIP技術(shù)分析與系統(tǒng)設計。人民郵電出版社，2003

[3] 屈丹，王波，李弼程等. VoIP語音處理與識別.北京：國防工業(yè)出版社 2010. 5.

[4] Kundan Singh， Henning Schulzrinne. Peer-to-Peer Internet Telephony using SIP. ACM Proceeding 2005，（10）：63-68