基于數據分發服務的語音通信系統的設計與實現

于 濤

(沈陽飛機設計研究所，遼寧 沈陽 110035)

對于大規模的綜合試驗環境，其組織復雜，需要在控制端對全環境的試驗人員進行指揮，提高全局控制能力。對于多任務、多團隊工作并行、工作區域不固定的情況而言，需要多節點的語音通信系統，保證任何團隊的任何成員在任何地點都可加入本團隊的通信分組，且組間通信互不干擾。語音通信系統設計為基于數據分發服務的語音通信系統。拋開傳統的音頻模擬信號，通過基于訂閱發布機制網絡技術進行語音信號的控制和傳輸，增強語音信號的傳輸準確性，降低干擾。

近年來，孫樹忠[1]完成了基于軟交換的專網語音通信系統的設計與實現；鐘斌等[2]完成了基于以太網的串行數字語音通信系統設計；李強等[3]完成了基于局域網的語音通信實驗系統的設計與應用，實現了在局域網條件下音頻的采集、編碼和快速傳輸；羅敏順等[4]完成了基于FPGA對DDS進行編程開發；呂品[5]完成了安全系統中加密解密功能和數據發布訂閱功能的聯合研究；羅鵬[6]將DDS作為網絡中間件，實現多節點分布式聯合仿真；黃亮[7]完成了RSA密碼基本運算工具的設計與實現。

將語音通信消息轉化成數字信號通過DDS網絡進行傳輸與監控，國內尚未有研究先例及工程應用，本文著重對語音通信系統的功能模塊設計進行闡述，介紹系統中的關鍵技術與工程實際應用。

在對DDS網絡進行研究的基礎上，首先對語音通信系統的信息傳輸與采集過程進行前瞻性研究，前期著重研究所開發的系統與DDS網絡的耦合性，以及嵌入式系統運行DDS數據收發程序的穩定性和硬件的兼容性，待技術研究成熟后，深入探索語音通信系統的硬件設計方案和軟件功能的實現。

本文采用DDS網絡進行試驗室語音傳輸，可極大地提高仿真網絡的利用率，通過對通信網絡進行配置，可實現以下設計需求。

① 通過發布訂閱機制實現發送端與接收端數據解耦，可實現任意節點同時發布和接收；

② 保證通信效率，降低通信延遲；

③ 通過對發布訂閱系統域進行部署，可實現同一網絡上不同組通信互不干擾；

④ 通過接口管理和通信接口庫技術，實現通信管理和記錄；

⑤ 定制通信系統的監控和統計服務。

1 系統總體方案

1.1 方案概述

語音通信系統由通信控制臺、通信終端、組網設備、公用模塊和互操作協議5部分組成。系統架構如圖1所示。

圖1 語音通信系統系統架構

1.2 系統工作流程

語音通信系統包括以下互操作流程。

① 終端認證登錄流程。用戶通過輸入數據ID，進行認證登錄。系統對終端的合法性進行認證，對合法用戶進行登錄許可與在線記錄，同時屏蔽非法用戶。

② 終端分組流程。動態對終端進行分組。

③ 終端分組對話流程。同一組內成員可隨時發起一對多的對話。

④ 終端狀態監控流程。終端信息周期上報控制臺，完成狀態監視。控制臺根據狀態信息與終端預設信息的比較結果，進行容錯處理。

⑤ 控制臺廣播流程。控制臺發起對所有在線終端的廣播對話。該功能對于終端為強制執行。

⑥ 控制臺終端對話流程。控制臺發起對單個在線終端的對話。該功能對終端強制執行。

1.3 DDS通信網絡

DDS是以數據為中心的分布式的發布/訂閱數字通信技術，能夠應用于大型分布式仿真結點間的數據通信，具有以下特征。

① 靈活且適應性強，支持自動發現新的或過期的終端應用程序；

② 低開銷；

③ 數據傳輸可靠；

④ 帶寬利用率高；

⑤ 支持一對一、一對多、多對一、多對多的通信[8]；

⑥ 可根據網絡架構靈活配置底層傳輸特性[9]。

2 通信控制臺設計

2.1 功能概述

本子系統具有如下功能。

① 對所有在線通信終端設備進行廣播；

② 完成對通信終端設備節點的動態添加、刪除、修改；

③ 動態建立、刪除、修改會話群，會話群之間通信互不干擾，每個會話群能夠動態添加、刪除通信終端節點；

④ 分類記錄、管理通信信息，并能夠將實時信息上傳至綜合數據管理平臺，支持隨時提取，播放音頻信息的功能；

⑤ 對終端節點進行監視(狀態管理)與控制(許可、禁用、禁言、開啟和關閉等)。

2.2 功能設計

通信控制臺軟件由UI模塊、認證服務模塊、業務服務模塊和數據庫模塊4個模塊以及數據總線、音頻輸入輸出、混音、AES加解密4個公用模塊組成。

(1) UI模塊。

其主要功能包括：完成畫面組織、系統應用信息的畫面顯示與刷新；完成用戶鼠標、鍵盤操作；系統監控，包括電源與網絡監視信息的采集和控制命令的發布。

(2) 認證服務模塊。

根據數據庫預存內容，對終端用戶提供認證服務。

(3) 業務服務模塊。

根據數據庫內容，向終端用戶提供綜合通信平臺互操作協議服務。

(4) 數據庫模塊。

提供建立、加載SQLite數據庫功能；提供數據庫內數據項的增刪改查服務；對數據文件進行保存、備份。

3 通信終端設計

3.1 功能概述

本子系統具有如下功能。

① 能夠完成本地音頻的提取、發送；

② 能夠接收網絡音頻數據，進行混音與播放；

③ 能夠隨時關閉、開啟設備；

④ 支持通信控制臺的監視、管理與控制功能；

⑤ 能夠通過組網設備與通信控制臺建立連接。

3.2 硬件設計

通信終端殼體采用鋁合金外殼，強度高，通過蓋板加工散熱凸臺與屏幕微處理器貼合，并于側面開排風口，利于散熱，通信終端子系統主要由主控板、電源板、顯示板、轉接板和耳麥組成，系統原理框圖如圖2所示。

圖2 通信終端原理框圖

主控板采用64位四核ARM Cortex-A53微處理器，運行嵌入式操作系統，對系統執行邏輯和音頻信號進行處理；供電板和主控板通過接插件直接扣接，將交換機輸出的48 V電信號轉成5 V直流電信號，為整個通信終端供電；顯示板和主控板通過轉接板和兩根排線完成連接，實現觸摸式操作。系統與以太網之間的數據信號通過網線直接接入主控板的RJ45網口，系統與用戶之間的語音信號通過主控板的USB接口與耳麥連接，通信終端實物如圖3所示。

圖3 通信終端實物圖

3.3 軟件設計

通信終端子系統主要完成本地音頻數據的采集和發送，網絡音頻數據的接收、混音與播放，支持會話管理服務器的監視、管理與控制功能，軟件架構如圖4所示。

圖4 通信終端軟件架構圖

各模塊的功能設計如下。

(1) 用戶UI模塊。

本模塊向用戶顯示終端設備信息、終端用戶會話信息、系統運行狀態等系統信息，除此之外，還向用戶提供終端設備參數設置、控制臺服務請求等功能。

(2) 認證服務模塊。

本模塊向控制臺提供用戶認證信息，為用戶登錄/注銷功能提供用戶信息認證結果。認證流程如圖5所示。

圖5 系統認證流程

① 終端請求認證：在用戶登錄系統階段，獲取用戶信息，向服務器發送認證請求并獲取認證結果；

② 控制臺命令認證：運行過程中接受服務器認證命令，認證通過系統繼續運行，認證失敗系統主動退出登錄狀態。

(3) 業務命令處理模塊。

本模塊負責通信終端與控制臺系統之間業務方面命令/請求消息的通信，解析并處理控制臺命令消息，打包發送終端系統對控制臺的請求。

(4) 系統狀態管理模塊。

本模塊對終端系統運行狀態進行控制管理，終端系統運行狀態分為初始狀態、空閑狀態、分組會話、服務會話和廣播會話，本模塊為終端系統各狀態提供統一狀態控制接口，響應服務器控制命令或界面操作請求，從而控制系統狀態切換，各狀態分別負責該狀態的系統功能。各狀態功能及實現的接口設計如下。

① 初始狀態：完成系統用戶界面創建，音頻設備連接監測，網絡連接監測，啟動系統狀態上報功能；

② 空閑狀態：創建系統業務通信對象，啟動控制臺命令接收處理功能；

③ 分組會話狀態：創建分組會話通信對象，進行分組會話語音交換；

④ 服務會話狀態：創建服務會話通信對象，進行服務會話語音交換；

⑤ 廣播會話命令：創建廣播會話通信對象，進行廣播會話語音交換。

(5) 系統狀態上報模塊。

本模塊向控制臺實時發送終端系統運行狀態信息。

(6) 音頻設備管理模塊。

本模塊用于管理和控制終端系統可使用的音頻設備，包括USB音頻設備、藍牙音頻設備。

4 組網設備設計

本子系統主要完成如下功能：提供物理位置與IP地址的一致性；PoE(Power over Ethernet,以太網供電)授電；異構子系統的數據適配；網絡健康監控。

組網設備用于承載整個語音通信系統數據傳輸以及終端授電，硬件由PoE交換機組成，軟件由域名參與者、數據發布模塊、數據接收模塊以及數據接收接口組成。

① 數據發布模塊。提供數據發送功能，向網絡發送用戶數據；提供數據發送服務質量(Quality of Service,QoS)管理；提供發送數據的適配。

② 數據接收模塊。提供數據接收功能，從網絡接收用戶數據；提供數據接收QoS管理；提供接收數據的適配。

③ 數據發送/接收接口。

④ 域參與者。提供自組網功能；提供QoS服務。

5 公用模塊設計

5.1 功能概述

本子系統主要功能如下：提供動態高效加密解密功能；將多路音頻信息進行軟件混音，合成單路音頻信息播放；采集音頻信息。

5.2 加密模塊

通信過程中的加密主要是采用密碼的方式，在數字通信中主要利用計算機采用加密法，改變負載信息的數碼結構。語音信息傳輸過程中的加密方式主要為RSA加密算法，RSA加密算法的來源是1978年李維斯特等提出的一種“由已知加密密鑰推導出解密密鑰在計算上是不可行的密碼體制”，RSA密碼算法的安全性是基于大整數因式分解的困難性，它的安全性同模數的長度成正比[10]，在通信終端設計中將RSA算法與計算機傳輸的數字信號相結合，將數字信息進行加密傳輸，起到防止竊聽通信數據的作用。RSA加密子模塊算法設計如下。

① 隨機選取兩個不相等的質數p和q；

② 計算p和q的乘積n=p×q；

③ 計算n的歐拉函數φ(n)=φ(p×q)=φ(p)×φ(q)；

④ 隨機選擇一個整數e，滿足1

⑤ 計算e對于φ(n)的模反元素d，即使得ed≡1(modφ(n))；

⑥ 將n和e封裝成公鑰，n和d封裝成私鑰，完成語音信息的發送加接收解密過程。

通信終端將音頻數字信號進行加密處理，之后通過DDS網絡中間件進行網絡傳輸，數據接收端將接收到的DDS網絡信息在本地進行解密處理，并最終將數字信號轉換成音頻信號進行播放。

5.3 混音模塊

本模塊將不同來源的音頻數據整合成一路音頻數據，參與混音的音頻數據幀在數據格式、采樣頻率和數據幀長度上始終保持一致。

5.4 音頻采集播放模塊

本模塊由音頻采集子模塊和音頻播放子模塊構成，提供音頻數據的采集、發送、接收、播放功能。

音頻采集子模塊提供從音頻設備采集數據和發送的功能，音頻數據采集過程可暫停、恢復和停止。

音頻播放子模塊提供從網絡接收音頻數據并使用音頻播放設備播放音頻數據的功能，音頻數據播放過程可暫停、恢復和停止。

6 互操作通信設計

6.1 功能概述

本子系統主要功能如下：支持系統工作流程中的各種操作；支持系統監控流程中的信息獲取。

6.2 互操作協議

綜合通信平臺互操作協議分為3種模式。

(1) 命令/響應。

本模式包含以下過程。

① 重新認證過程。在通信過程中管理人員會啟用/禁用用戶，無論用戶許可狀態是在禁用到啟用的變化之中或反之，均會發生重新認證過程。

② 分組過程。通信控制臺修改用戶分組信息，將會導致終端進入分組過程。終端收到分組命令后，根據分組命令內容，重新配置分組，包括重新生成密鑰，為組內成員分配音頻資源等。

③ 通信控制臺開始對話過程。通信控制臺開始用戶對話時，進入此過程。終端收到此命令，將會創建通信控制臺對話資源，進而可以與通信控制臺進行對話。

④ 通信控制臺結束對話過程。通信控制臺結束對話時，進入此過程。終端收到此命令后，將會關閉對話，并且安全釋放所有對話資源。

⑤ 通信控制開始廣播過程。通信控制臺開始廣播時，進入此過程。終端收到此命令后，將會開始接收廣播，并且創建廣播資源。

⑥ 通信控制臺結束廣播過程。通信控制臺結束廣播時，進入此過程。終端收到此命令后，將會關閉接收廣播，并且安全釋放所有資源。

(2) 請求/答復。

該模式用于以下3種場景。

① 請求認證過程。通信終端在開機登錄時或收到重新認證命令時，進入此過程。通信終端在收到認證請求的答復后，根據答復結果驅動自身狀態機工作。

② 請求分組信息過程。通信終端如果收到認證請求的答復后，答復內容為“成功”時進入此流程。通信終端在收到分組請求的答復后，根據答復內容驅動自身狀態機工作。

③ 請求對話過程。通信終端向控制臺發起對話請求時，進入此過程。通信終端在收到對話請求的答復后，根據答復內容驅動自身狀態機工作。

(3) 上報。

該模式由通信終端上報自身狀態信息，便于通信控制臺進行監控。通信控制臺收到上報信息后，根據上報狀態與本地數據庫保存狀態進行比較，決定刷新狀態或進入異常處理。

6.3 通信實例

對語音通信系統進行使用測試，測試條件及內容包含以下方面。

(1) 應用場景。

對于語音通信系統的測試采用“邊使用，邊測試”的方法，即在實際應用的條件下對系統開展可靠性和魯棒性測試。由于在大型試驗場所試驗過程中，例如飛機全系統試驗場所中，液壓試驗團隊、航電試驗團隊等不同試驗團隊同時開展工作，互不干擾，且同一試驗團隊進行不同試驗工作的物理位置和工作時間也不盡相同，因此具體應用場景應包括多人通話、多組通話、同一賬號更換通信終端登錄和長時間通話(8 h不間斷)。

使用語音通信系統進行大型試驗場所分組語音通信的典型流程如圖6所示。

圖6 語音通信系統典型使用流程

(2) 試驗環境。

實際使用條件下，將100臺語音通信系統通信終端按照使用需求分布于占地1500 m2的二層試驗場地，在系統使用過程中，試驗場地內同步開展大型數字化或半物理試驗，大量強弱電設備同時運轉。

(3) 試驗設備。

被測設備包括通信控制臺、通信終端、耳麥，參試設備為DDS網絡數據采集計算機。

(4) 試驗準備。

啟動通信控制臺并開啟通信服務，根據實際使用需求建立用戶，并根據使用場景進行用戶分組，在需要進行語音通信的通信終端上進行用戶登錄。

(5) 通信實現。

系統默認使用常規通話，即組內任何一名成員進行語音輸出，其他成員均能夠收聽到；若通過通信終端對組內成員進行呼叫，則可實現組內一對一私密通話；若通過通信終端對通信控制臺進行呼叫，則可實現與通信控制臺的音頻通話，通信控制臺此時會有彈窗提示。

(6) 試驗數據與結果。

通過DDS訂閱網絡上經過數字轉換的語音信息，對其進行監控，并統計出DDS可靠信息傳輸丟包率與誤碼率均為0。系統可根據應用需求實現組內通話、組內一對一通話和呼叫通信控制臺等功能。根據使用人員主觀感受得出結論，語音通信系統通話清晰、無雜音。

7 結束語

采用基于數據分發服務的語音通信系統設計，實現了通過控制臺的配置，語音通信終端實時采集用戶語音，將低失真率和數字語音按組、按策略實時分發并還原，使得大面積分布在各區域的試驗參試人員能夠靈活、及時、準確地溝通，為大型試驗場所實時分組溝通提供支撐。