基于IP電話的集群語音調度實驗系統設計與應用

黃小雅， 華驚宇， 徐志江， 孟利民

(浙江工業大學 信息工程學院，杭州 310023)

0 引 言

隨著通信、計算機以及互聯網技術的發展，出現了基于IP網絡的電話調度系統[1]。電話調度系統是一種指揮調度的專業通信系統，在工業生產和義務活動中得到了廣泛的應用，研究基于IP電話的集群[2]語音系統是具有非常重要意義的。近年來電話會議系統不斷推陳出新，第4代移動通信技術的普及或(Next Generation Network,NGN)的建設也推動著會話標準及技術的發展趨于成熟[3]，IP網絡傳送多媒體信息的技術再逐漸代替傳統電信業務。而IP電話調度系統的核心技術之一是信令技術，IETF[3]組織規定了SIP[4]會議系統的框架與呼叫流程，描述了SIP會議體系組織，提供基礎的模型框架，使SIP系統已經成為業界主流[5]。在IP網絡上的電話會議系統中，通常使用SIP或H.323[6]協議來進行信令控制，使用實時傳輸協議(Real-time Transport Protocol,RTP[7])協議來傳送實時的媒體流量。

本文圍繞基于IP的電話調度實驗系統，采用基于SIP的軟交換[8]設計，重點研究并描述了基于IP電話的集群語音調度技術的開發流程和框架，其中設計的組呼[9]是集群通信系統中最重要的調度業務與指揮手段，并使得開發的軟件得到實際的應用。

1 IP語音傳輸系統設計

SIP協議采用的是客戶端/服務器(Client/Service)的工作方式，在SIP網絡中主要由兩類：用戶代理(User Agent)和網絡服務器(Network Server)[10]。用戶代理是用戶端的終端系統的應用程序，是用戶端進行交互的一個實體。每個用戶代理都包含了用戶代理服務器 (UAS[11])和用戶代理客戶端(UAC)兩個部分的功能，其中UAC負責發起各類請求，而UAS負責響應對應的UAC請求。網絡服務器主要用來為用戶代理提供路由、注冊、鑒權、認證等服務，分為注冊服務器、代理服務器和重定位服務器3種。

1.1 總體架構設計

實時音頻傳輸系統包括：流媒體服務器、信令服務器、組呼服務器、數據庫該框架。流媒體服務器：主要功能是控制音頻數據RTP包的流入和流出;媒體信令服務器：主要功能是設備和用戶的接入管理;媒體分發服務器：主要功能室獲取設備端的音頻數據，并分發給組內客戶端;手持終端設備：主要功能為上傳接收音頻數據如圖1所示。

圖1 總體架構框圖

1.2 用戶會話設計

初始化系統的時候，用戶終端需要注冊[12]，用戶終端把自己的SIP URI和IP地址進行綁定后，將此信息保存在服務器中，注冊登記流程如圖2所示。

圖2 用戶注冊

用戶單元向SIP服務器發送REGISTER消息，信令服務器根據用戶發送的用戶名查找數據庫，若該用戶名存在，回復200 OK表示收到請求，并在回復消息中捎帶用戶ID和MD5加密種子，用戶單元收到200 OK回復后讀取加密種子后經算法md5(devid+seed+md5(pwd))得出注冊密碼，再次發送注冊登記請求。服務器收到此請求后進行相同的算法對注冊登記信息進行驗證、核準后將注冊成功或失敗的消息返回給用戶單元。

當SIP終端在本地注冊服務器之后，就可以發起和接受會話請求了。建立會話過程如圖3所示，首先設備A對設備B發起了INVITE請求，請求包括了媒體流格式、類型以及IP地址、端口號等信息，INVITE請求就被送到本地的SIP代理服務器。本地代理服務器收到請求后，通過查詢得到設備B的IP地址、端口號，此時代理服務器把接收到的INVITE請求轉發給設備B。

圖3 用戶建立會話

設備B接受呼叫請求后，會發回200 OK響應。當設備A從代理服務器接收到200 OK響應后便開始傳輸音頻數據給服務器。這個時候會話就成功建立了，設備A和設備B之間就可以直接傳輸媒體流等信息。在會話過程中，如果任何一方想結束會話，可直接給對方發送BYE請求，對方收到BYE請求后，若發送給對方200 OK，則本次通話結束。

1.3 設備功能呼叫設計

設備呼叫模塊有兩種設計，一種是單呼模式，另一種是組呼模式。其中組呼模式為：用戶端(DEV1)開機之后向代理服務器索取當前所在組的組呼服務器的IP、Port。利用進程間通信與組呼平臺建立Socket[13]連接，組呼內信令以及音頻數據都往組呼平臺發送，由組呼平臺對組內其他成員進行語音分發，框圖如圖4所示。組呼通信還包括搶占話語權、計時、強拉強拆[14]等功能，同時組呼通信可以選擇性的跳轉到單呼通信進行點對點對話，滿足組內通話的調度系統。

圖4 服務器組呼框圖

單呼模式為：用戶端(DEV1)與代理服務器(SIP服務器)之間是通過socket進行網絡間通信，應用層通過進程間通信，利用SIP層實現私有SIP消息的接收和發送。Sipt runk服務器負責將私有的協議消息轉換成標準的SDP協議。Asterisk是一款實現電話用戶交換機功能的自由、開源軟件，可以連接多種不同的電話終端。Asterisk服務器解析傳進來的標準SDP協議中的字段，做出判斷后反向通知到被呼叫的終端。音頻數據都由流媒體服務器進行用戶端與用戶端之間的轉發工作，框圖如圖5所示。

圖5 服務器單呼框圖

2 集群調度功能實現

為了實現語音調度系統所需要的所有業務服務，我們需要擴展SIP協議來滿足我們的需求，在這里對SIP協議的擴展主要是SIP協議的消息體以及服務器框架的改變。作為語音調度系統，調度功能是最大的優點也是最主要的功能，其中包括會議、強拆以及強拉等功能。而調度功能的實現也需要SIP的擴展來實現。經過以上的分析，可以發現這些特殊的業務本質上就是多方通話的模式。可以針對每個業務，將其分解成各個不同的子操作進行實現后，最后將這些實現好的子操作組合起來完成系統需要的特殊的業務。下面介紹具體的模塊處理流程，但是限于篇幅并不給出實際代碼。

2.1 集群語音調度系統組呼的實現

組呼是指多個用戶終端參加，可以由一人講話多人傾聽的一對多的通信方式。由調度中心設定當前組內成員，終端開機即在當前組內，可以直接與組內成員進行通話。調度員需要保持雙向的語音連接，而且調度員可以隨時講話，他說的話可以讓所有組成員都聽到，而在這個組中的其他成員每次只能有一個成員可以講話。語音調度組呼模塊處理流程如圖6所示。

圖6 組呼信令流程圖

組內設備開機后向代理服務器發送SUBSCRIBE-XML消息體，代理服務器直接查詢數據庫，回復200 OK并帶有當前組呼服務器(GRS)的端口號和IP。設備端通過對組呼服務器進行套接字Socket綁定，每隔10 s發送兩個帶有200 OK字段的RTP包進行與服務器的一個保活連接。

設備開始講話時先向組呼服務器發送帶CJSON格式的消息體來確認當前是否能拿到組內話語權。解析GRS回復消息，若為200 OK，設備開始將RTP音頻包發送給GRS，GRS進行語音分發。

2.2 集群語音調度系統單呼的實現

單呼通信就是源SIP用戶終端和目的SIP用戶終端之間實現端到端的連接，用戶終端之間可以單獨的進行多媒體信息流的傳輸。單呼通信的實現流程如圖7所示。

主叫設備(左端DEV)向代理服務器發送INVITE-XML消息，代理服務器接收INVITE消息后回復100 Trying，并且解析出必要的字段信息后，作為參數調用相關函數與MDS服務器進行交互。交互分為兩步：先打開一個端口，等待接收主叫設備發來的數據流，成功之后調用會調函數，在代理服務器中先保留端口號；再打開一個端口，等待被叫設備(右端DEV)發來的數據流，成功之后會調函數轉發INVITE消息給Siptrunk，該INVITE消息攜帶MDS地址與端口信息。

Siptrunk接收INVITE-XML消息，解析出軟交換分機號和MDS端口等必要信息，構造出標準的INVITE消息體，通過Asterisk路由，發送到Siptrunk,并轉發到被叫設備；被叫設備接收到INVITE消息后回復200 OK，代理服務器轉發200 OK給Siptrunk，Siptrunk接收到200 OK，解析出端口信息，向主叫設備發送200OK。整個呼叫過程成功。

圖7 單呼信令流程圖

2.3 調度功能單呼組呼切換模塊

上述呼叫功能已實現，設備端開機進入當前組實現組呼功能，即可與組內成員進行一對多的通話。同時本系統能支持特殊的業務，即切換到設備端與設備端之間的通信。流程如下：① 設備端向平臺獲取當前所有在線用戶的信息，界面顯示；② 用戶鎖定當前要撥打的在線用戶號碼，進行撥號連接；③ 設備端退出當前組內會話，進行端與端之間通信，即實現單呼過程(見圖8)。

圖8 獲取用戶信息信令表

2.4 調度功能組內強拉強拆模塊

強拉指的是對于已經存在的組內通信會話，其他用戶終端想要插入到這個會話當中，進行多方通信會話。強拆指的是強行掛斷某個用戶終端當前的組內通信會話。信令流程圖如圖9所示。

圖9 強拉強拆信令流程圖

首先調度臺人員點擊調度臺主界面上的強拉按鈕(USER)，服務器就會去查找要被拉進的用戶終端(DEV)是否存在，若不存在就不能進行強拉操作；如果存在調度臺可以直接向其發NOTIFY-XML消息請求來建立通話，用戶端解析出當前XML消息中的new-groupnum字段，若為協商字符串內容則為強拆模式，回復帶有200 OK的response即為成功拉取。此時用戶端會去執行組呼模流程來入組。同時代理服務器端轉發200 OK的response給調度臺，調度臺以此消息作為根據顯示拉取成功等界面字樣。這樣DEV設備就被加入到該對話中，實現強拉通信方式。強拆模式類似強拉模式，其中new-groupnum字段若為’0’，則為強拆模式，回復帶有200 OK的response即為成功拆組，此時用戶端退出當前組進入無組模式。

3 實驗測試與分析

3.1 功能驗證

在實驗室前期開發的嵌入式硬件平臺上[15]，本文作者基于C語言和Linux系統實現了SIP群組通話設備，其中單呼、組呼以及調度功能等基本上得以實現。如圖10所示，左上為主界面圖示，終端自啟動開始即進入組號為7001的群組，此時按下旁邊PTT鍵即可與組內成員進行語音通信；右上為在線用戶信息圖示，用戶可選擇被呼叫者，圖示選擇用戶名為PNDT28、號碼為9028的用戶進行通信，此時只需要按下單呼鍵即可從組內通信跳轉為單呼；左下為單呼呼叫中等待對方應答；右下為處于單呼通話中界面。

圖11為服務器后臺打印消息截圖，左上為設備單呼時向服務器端發起的INVITE請求；左下為服務器端回應請求的RESPONSE消息；右上為QT端給設備端的消息隊列消息解析結果；右下為向服務器端請求組呼會話權的CJSON格式消息。

3.2 數據測試與分析

對整個系統進行實驗測試，實驗次數均為20次，分為3G卡移動傳輸和WiFi局域網傳輸。得到的數據如表1所示，其中組呼切換單呼以及單呼接通狀態的成功率較低，推測部分原因為這里面包含了一個退出群組一個進入單呼兩個過程，每個過程都需要與服務器進行信令交互，加上3G網絡不穩定，使用移動傳輸不成功率就大大增加了。其他指標成功率均為80%以上，達到預期結果。

表1 實現單呼組呼各項功能數據

4 結 語

集群通信系統最重要、最關鍵的業務就是組呼，本方案設計的IP電話調度實驗系統采用SIP協議作為信令控制協議，遵循開放協議標準并且使用了C/S框架，給出了基于SIP協議的電話調度系統的框架，并針對這個架構進行了設計和實現，并且實現了會議、強拉強拆等重要功能的模塊，完成了預期目標。但業務制定還不完善，調度系統也還需要再進行改進來支持所有的終端，這仍然是一個重要的研究課題。

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