一種綜合業務接入終端的設計和實現

吳曉晶 鄭江玥

摘? 要：文章提出了一種基于IP的語音、傳真、數據業務的綜合業務接入終端實現方案。該方案采用無阻塞電路交換疊加IP數據交換的系統架構，電路交換采用無阻塞時分接續網絡，IP數據交換采用三層硬轉發和基于SIP的軟轉發，通過支持E/M信令、中國NO.1信令和SIP信令等多種呼叫信令以及支持ITU-T G.711a、G.729、G.723.1等多種語音編碼，最終實現多種業務的接入，本地128線語音用戶的接入和基于IPv4 ToS和DiffServ的業務優先級服務。

關鍵詞：電路交換;IP交換;SIP;電路仿真

中圖分類號：TN915.05 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）05-0076-07

Design and Realization of an Integrated Service Access Terminal

WU Xiaojing，ZHENG Jiangyue

（Guiyang Vocational and Technical College，Guiyang? 550081，China）

Abstract：This paper proposes an integrated service access terminal scheme based on IP voice，fax，data service. The scheme adopts the system architecture of non blocking circuit switching and IP data switching. The circuit switching adopts non blocking time division connection network，and the IP data exchange adopts three-layer hard forwarding and SIP based soft forwarding. By supporting E/M signaling，China No.1 signaling，SIP signaling and other call signaling，and supporting ITU-T G.711a，G.729，G.723.1 and other voice coding，it finally realizes multiple services access，local 128 line voice user access and service priority service based on IPv4 ToS and DiffServ.

Keywords：circuit switching;IP switching;SIP;circuit simulation

0? 引? 言

綜合業務接入終端在系統架構上主要分為綜合接入單元（IAD）和接入網關單元（AG），屬于軟交換網絡中的接入層面，主要功能是將多種業務終端統一接入到IP網絡之中，從而使各不同的業務IP交換網絡中以以太網數據包的形式得以實現。IAD充分發揮了IP技術的各項優點，并且兼顧了原有的PSTN電路交換的業務特性，實現了傳統PSTN向NGN網絡的平滑過渡，為客戶的業務開展和網絡建設與升級提供了最為適中的方案。

1? 硬件設計方案

綜合業務接入終端由數字時分交換單元、圖像業務處理單元、IP交換單元、維護管理單元、電路仿真單元、電源單元六大部分組成。設備采用分布式管理，單元間采用串行通信方式協調工作，硬件組成框圖如圖1所示。

1.1? 圖像業務處理單元

圖像業務處理單元主要由應用處理單元、音頻接口單元、視頻接口單元、數據傳輸單元、控制單元、對外接口單元、供電單元組成，如圖2所示。

各單元的主要功能為：

（1）應用處理單元：用于完成多路多協議音視頻編解碼、模塊整體控制功能。

（2）音頻接口單元：用于實現多路音頻采集的功能。

（3）視頻接口單元：用于實現多路視頻采集的功能。

（4）數據傳輸單元：用于將編碼數據經多功能IP交換平臺傳輸至其他終端。

（5）控制單元：通過串口接收和處理顯示控制單元發送的控制指令。

（6）對外接口單元：提供擴展存儲、串口、USB接口等。

（7）供電單元：實現外部電源的接入保護、系統內部各功能單元的電源分配。

1.2? IP交換單元

IP交換單元是集VOIP、交換為一體的單元板，支持系統內的語音業務調度的功能，支持與其他IP網絡交換互通。IP交換單元支持SIP，RTP協議，支持多種語音編解碼，通過網絡交換模塊實現與系統內其他模塊的數據交換，也可將IP數據與其他網絡進行交換。

IP交換單元主要由CPU、語音處理DSP和網絡交換芯片構成。IP交換單元功能框圖如圖3所示。

CPU是中央處理部分，是系統的主控制器，負責各種任務的執行，調度，對外圍硬件的控制等。

CPU主要作用在于：

（1）實現嵌入式系統的穩定運行，為應用程序提供良好的支撐平臺。

（2）實現協議棧的處理。支持tcp/ip、sip、rtp等各種網絡協議，是語音數據能夠在網絡中有效地傳輸。

（3）完成所有與呼叫有關的資源管理、呼叫管理、業務處理等工作。

DSP主要完成語音編解碼轉換，將模數轉換后的PCM編碼的音頻信號進行語音的壓縮編碼轉換成RTP包格式的PayLoad（有效數據凈荷），編碼格式可以選擇G.729、G.726等。編碼后，將4個壓縮的幀合成一個壓縮語音包送入網絡處理器。

本方案中DSP與CPU之間通過HPI接口連接，主要負責傳送CPU與DSP之間的控制消息和網絡數據包。DSP與處理器結合使用將用戶接口模塊轉換的PCM信號加工處理成網絡數據包。其主要處理內容包括：話音檢測/生成、回聲消除、話音壓縮、話音活動檢測、網絡延遲、丟包、抖動處理、打包等。

網絡交換芯片將經過CPU封裝和打包后的音頻數據，根據目的地址轉發到對應的端口上，實現多個以太網用戶的語音業務的接入。

1.3? 數字時分交換單元

數字時分交換單元是綜合業務接入終端重要組成部分，對外提供8路二線電話用戶接口、8路四線模擬中繼接口、4路模擬中繼接口、1路E1中繼接口的接入，具有語音交換、數字會議、電話調度、完成No.1信令的處理、多頻互控信號（MFC）控制、接受設備網絡管理等功能。它由CPU單元、數字交換矩陣單元、話音數據復分接單元、PCM編解碼單元、信令處理單元、二線電話接口模塊，E1中繼接口模塊和模擬中繼接口模塊共同組成。硬件框圖如圖4所示。

CPU單元是主要圍繞芯片MPC8280構建的系統，它是基于32位RISC核的嵌入式處理器，從而為低功耗、低成本、高性能等寬范圍應用提供一個單片解決方案。它具有豐富的系統與應用外設合可配置接口，可配置成SCC、SMC、Ethernet、調試口、SDRAM、FLASH、JTAG、BUS總線等多種接口應用使用。

話音數據復分接單元主要完成數字話音交換、信令發送和檢測接收功能。它主要由FPGA來實現。E1接口單元傳送過來的數據經過話音數據復分接單元提取和分離之后，首先進行時鐘的調整，然后話音業務進入數字交換矩陣單元進行時隙交換。同理，PCM編解碼單元傳送過來的數據經過話音數據復分接單元，進行時鐘的調整，進入數字交換矩陣單元進行時隙交換。信令處理單元采用HDLC（HighOlevel Data Link Control）協議，采用FPGA實現HDLC協議，在實現上相對成熟和靈活，可以根據系統需求配置HDLC接口，是一種開放性的實現方法。

二線電話接口電路由測試電路、過壓保護電路、振鈴電路、饋電電路、監視電路、2/4線變換電路和PCM編譯碼電路組成，接口阻抗為600 Ω。

模擬中繼接口模塊由測試電路、過壓保護電路、環路保持電路、監視電路、2/4線變換電路和PCM編譯碼電路組成，接口阻抗為600 Ω。

四線模擬中繼接口模塊是一種程控電話交換機（PBX）常用的硬件接口，采用E&M中繼信令的四線模擬中繼接口實現話音、信號通道的分離，這種方式便于與其他復用方式和信號方式的傳輸線路進行適配。E&M接口分為二線E&M和四線E&M兩種。在它上面，信息與接續信令是分開的。信令采用20 mA電流環的方式。其中，信息線可約定為AB線（兩線E&M）、ABCD線（四線E&M）;信令線為E線/M線（兩線E&M）、E0 E1線/M0 M1線（四線E&M）。在EM對接的過程中，要求采用相同的發號方式和信令接口方式。

1.4? 電路仿真單元

電路仿真單元提供了在以太網上傳輸TDM業務的有效的方式，通過將TDM業務適配成IP網絡中的業務類型，實現不同接口業務在以太網中的傳輸。電路仿真單元是在以太網交換網絡中，向終端用戶提供與原有電路交換相同的TDM的接口（T1，E1等）。這種處理方式對用戶來說是透明無感知的，因為在使用過程中這種TDM的服務和其他標準的TDM是一樣的。電路仿真單元框圖如圖5所示。

接口單元包含E1接口、V.35接口、RS422接口以及以太網接口。以太網接口模塊主要完成接口電平的轉換，工作模式和速率的自適應。RS422接口模塊和V.35接口模塊主要完成接口電平轉TTL電平的功能。

TSP是TDM服務處理單元，主要是在TDM域中連接兩個TDM域的數據接口：TDM業務接口和CES TDM接口，兩個接口傳輸的數據都是TDM數據。TDM服務接口所傳遞的業務流是直接接收來自用戶或TDM網絡運營商的，是最原始的TDM業務。電路仿真服務接口（CES TDM接口）所傳輸的數據是在兩個IWF之間真正需要仿真的數據流，即經過復用或截斷的TDM數據。

TSP可以以兩種方式處理TDM業務：結構化仿真和非結構化仿真。對于非結構化的TDM業務，TSP會將從TDM業務接口收到的數據直接提交給CES接口。此時，在IWF之間仿真的完整的數據流，包括幀結構、包頭信息。對于結構化的TDM服務，TDM服務接口從終端用戶接收的業務會經過由TSP處理，再交由IWF進行仿真。一個結構化的TDM業務可以分解成一個或者多個CES流，同樣的，兩個或者多個結構化的TDM業務可以組合成一個CES流，這些工作都是在TSP總完成。

CES IWF是電路仿真互聯功能單元，用于提供TDM服務和以太網之間的接口功能，負責為TDM業務加入可以識別的幀頭，而EFT負責將CES IWF封裝過的數據加上以太網幀頭。以太網像傳輸其他所有數據一樣傳輸這些經過封裝的TDM數據。兩個CES IWF之間使用點到點的以太網虛連接（EVC）進行互連。電路仿真服務在分層網絡模型中是被定義在應用層的服務，它使用以太網作為兩個TDM網絡間的中間網絡，因此CES IWF的主要是將CES應用層承載到以太網。

CES IWF負責實現所有的仿真功能，如：數據包的封裝和解包（包括在數據的最后加零，以滿足以太網的最短長度）、編號排序、同步、TDM信令、告警的性能監控。

ECDX是仿真電路的復用/解復用單元，這部分工作是在分組交換域中完成的，其主要功能是：根據從以太網中收到的數據包包頭中的仿真電路標識符（ECID），將數據包發送到一個或多個IWF中;

為每個以太網幀都設好一個ECID，使之可以在對端有足夠的信息解復用;

為每個以太網幀分配長度和類型。

通過這種方式，可以將多路的TDM業務封裝到一個EVC當中，每一路業務都通過唯一的ECID進行標識。ECDX檢測每一幀的ECID，并與本地分配給IWF的ECID進行比較，根據這個比對結果，ECDX可以將收到的電路仿真數據交給相應的IWF進行處理。

EFT是以太流終結單元，具有終結以太流的功能。將由之前若干各模塊封裝過的數據加上以太網頭，送入以太網中進行傳輸，主要工作過程是：首先在入口端，從用戶網絡接收可以發送的數據，這個數據一定要滿足系統的接口規范;然后加入額外的信息，可以方便地監控這些數據包;最后在出口處，使這些數據恢復成對端系統要求的數據格式。

在這里輸入端的IWF接收從ECDX發過來的數據（此時已加上了Length/Type信息，通過這一域，標識這一個幀是CES數據幀），再加上源、目的MAC地址和幀的校驗序列，就可以在以太網上進行傳輸了。輸出端的EFT則是從以太網上接收數據幀，根據Length/Type信息判斷是否是CES幀，如果是CES幀，則將其傳給ECDX，然后再根據合適ECID將數據傳給相應的IWF。

在一個仿真電路的每一個方向上都有一對CES IWF。以太網側IWF，將TDM數據從封裝成以太網幀，并將數據幀發往以太網;電路仿真側IWF，則將TDM數據從以太網幀中提取出來，并重塑TDM業務的結構。

1.5? 維護管理單元

維護管理單元支持SNMP網管協議，可遠程配置維護。內置本地WEB網管，方便開局配置與后期維護。維護管理單元與數字時分交換單元、圖像業務處理單元、IP交換單元互通，將各種系統、接口參數配置到綜合業務接入終端中，顯示綜合業務接入終端各種工作狀態。

1.6? 電源單元

電源單元為整機各部分供電，它有二種供電方式：220 V交流供電、24 V直流供電、綜合業務接入終端的各功能模塊獨立供電，通過電源管理對各單元供電分別進行控制，實現產品低功耗。電源單元示意圖如圖6所示。

電源單元的各個模塊功能為：

（1）電源適配器將交流220 V變換為24 V的直流電壓，給主機供電。

（2）DC/DC電源模塊可以接收18 V～32 V直流輸入電壓，將其轉換為3.3 V，+5 V，-5 V滿足綜合業務接入終端所有功能正常運轉的需要。

（3）電源監測發現過壓、過流、欠壓等故障時，故障指示燈亮，提示操作人員對電源板進行維修。

（4）電源板具有防極性反接和過壓保護電路、抗電磁輻射濾波電路。

2? 軟件設計方案

根據綜合業務接入終端功能多樣化的要求，綜合業務接入終端軟件由數字時分交換處理軟件、圖像業務處理軟件、電路仿真處理軟件和軟交換處理軟件組成，如圖7所示。

2.1? 數字時分交換處理軟件

數字時分交換處理軟件與維護管理部分采用串口通信。完成語音交換、數字會議、電話調度、No.1信令的處理、多頻互控信號（MFC）控制、接受設備網絡管理等功能。

根據綜合業務接入終端話音處理軟件所處的位置及其功能需要，將話音處理軟件劃分為：呼叫控制軟件、No.1信令處理軟件、維護管理軟件、操作系統支持軟件等組成。

操作系統支持軟件負責調度運行在CPU上的各個任務，提供系統級支持。

維護管理軟件主要功能為：

（1）負責任務之間消息的發送與接收。

（2）為各任務提供定時器服務。

（3）提供串行通信服務和串行通信數據轉發服務，完成CPU之間的通信。

（4）管理硬件資源，根據硬件的使用情況，進行休眠、關閉和喚醒、啟動服務。

（5）為信令軟件和呼叫控制軟件提供硬件控制接口，包括呼叫連接建立以及硬件初始化等。

No.1信令軟件完成與PSTN的No.1信令互通功能，完成線路信令的處理。線路信令主要用來監視和改變E1中繼線路上的呼叫的狀態和條件，主要功能包括主叫摘機占線、被叫應答、被叫掛機（后向拆線）和主叫掛機（前向拆線）四種情況的識別檢測，并相應地改變線路空閑或占用的狀態。記發器信令主要完成被叫號碼（長途區號、局號、用戶號）、主叫號碼、主叫用戶類別、發端業務類別以及接續控制等相關信令。記發器信令的傳輸一般采用互控方式（MFC）進行。一個互控周期分四個節拍。第一個節拍主叫端發送前向信號;第二個節拍被叫端收到前向信號，回送后向信號;第三個節拍主叫端收到后向信號，停發前向信號;第四個節拍被叫端收到前向信號，停發后向信號。

呼叫控制軟件主要功能為：

（1）進行呼叫過程控制。

（2）進行號碼分析、路由和鏈路選擇。

（3）進行話務統計。

（4）協調并控制各信令處理軟件，完成普通呼叫、會議呼叫等。

2.2? 軟交換處理軟件

軟交換處理軟件是綜合業務接入終端軟件的重要組成部分，它完成綜合業務接入終端上涉及IP數據業務的軟件處理。主要包括：板級支持軟件（BSP）軟件、底層驅動支撐軟件、TCP/IP協議棧、SIP呼叫處理軟件。

各軟件模塊功能為：

（1）BSP軟件：作為硬件與操作系統軟件的隔離層，負責將硬件調用映射到操作系統的接口，對操作系統屏蔽硬件目標板的細節，使得操作系統不需要任何修改就可以運行于該目標板上。VxWorks操作系統在使用時需要根據硬件系統來編寫BSP部分軟件，要根據軟件的功能需求來決定對VxWorks系統的剪裁。通過這些處理后，就能構造出適合本機軟件需要的操作系統。

（2）底層驅動支撐軟件：完成針對底層硬件輸入輸出接口、存儲器、適配器等部件的驅動，為高層應用提供接口，包括以太網接口的驅動軟件、K接口的驅動軟件、A接口的驅動軟件。

（3）TCP/IP協議棧：負責IP數據的詢路、轉發、地址解析等功能。TCP/IP協議棧是一組計算機通信協議的集合，目的是允許相互合作的計算機能夠通過網絡共享彼此的資源。而IP協議是其中最為核心的協議，所有的TCP、UDP、ICMP以及IGMP數據都是以IP數據報的形式傳播的。

（4）SIP呼叫處理軟件：該模塊由兩部分組成，即語音信令處理模塊和語音媒體處理模塊。語音信令處理模塊采用SIP協議棧實現，主要負責話路控制和語音通道的管理。它根據協議棧對消息信令的解釋控制打開或關閉DSP通道，改變數據傳輸方式。還根據系統中各種電話管理音的配置，控制DSP的生成音的斷續時間，從而產生需要的撥號音、忙音等管理音。目前市面上有很多成熟的SIP信令協議棧，它與TIU、CCU以及TCP/IP網絡協議棧都有接口，是語音信令的核心模塊。語音媒體處理模塊主要負責語音數據流的傳輸，主要協議為RTP/RTCP協議。

2.3? 圖像業務軟件

圖像業務處理模塊軟件框架由主控模塊軟件和應用模塊軟件兩部分組成。主控模塊軟件采用開源的Linux2.6.28操作系統平臺，應用模塊軟件包含音視頻編解碼軟件、數據傳輸軟件和應用控制軟件。

主控模塊軟件運行于海思半導體公司自主研發的視頻編解碼專用處理器Hi3531芯片上，以開源Linux2.6.28系統為平臺，在音視頻SDK上開發專用應用軟件。主控模塊軟件按層次可劃分為內核空間和用戶空間，內核空間包括內核和設備驅動;用戶空間包含應用程序、多路多協議音視頻編解碼庫。

應用模塊軟件主要由音視頻編解碼軟件、數據傳輸軟件和應用控制軟件組成。

音視頻編解碼軟件主要是完成多路多協議音視頻采集、編碼、解碼和顯示功能。該軟件包含有編碼和解碼兩個過程，分為音視頻采集線程、編碼線程、解碼線程和顯示線程，四個線程之間通過信號量進行消息傳遞。

數據傳輸軟件主要完成編碼后的多路音視頻數據打包解包和傳輸功能。該軟件包含發送和接收兩個線程，發送線程按數據格式進行打包封裝，根據約定的網絡協議發送至目的終端;而接收線程則完成多路數據的拆包解析交給解碼線程進行處理。

應用控制軟件主要功能是通過串口接收和處理顯示控制單元發送的控制指令。該軟件接收顯示控制單元發送的命令，處理后發送反饋信息，根據命令來控制音視頻編解碼和數據傳輸過程。

2.4? 電路仿真處理軟件

電路仿真處理軟件分為成幀模塊和傳輸模塊兩部分。

成幀模塊完成TDM業務與以太網數據包之間的適配。適配過程中，首先保證適配后的數據包滿足以太網鏈路上的傳輸要求，其次便于接收端的識別和提取，最終確保數據的有效性。上述過程可以通過兩個步驟實現：以太服務層處理和匹配功能層處理。其中在匹配功能層的處理過程中，為每個TDM業務提供一個標識，用于表示業務的唯一性，當兩端有多路TDM業務接入時，可以通過標識告訴對端該數據所屬的TDM線路。以太服務層處理過程中，主要為TDM數據添加對應的源MAC地址、目標MAC地址，使之可以在以太網中進行傳輸。

傳輸模塊完成基本的點到點、固定速率傳輸的TDM線路服務功能。當系統傳輸N*64kbps的業務，N較小時，這種業務所需要的帶寬相對較小，但是如果以太網的最小帶寬分配的額度為1Mbps時，這將會產生很大的無效帶寬。傳輸模塊首先對數據流進行復用，將多個E1線路封裝成一個E3服務，由此產生一個點到多點，甚至是多點到多點的傳輸方式。傳輸模塊通過標準的TDM對這種服務進行分插復用。最終完成在一個較大容量的以太網中，有效地傳輸低速語音業務。傳輸模塊的傳輸服務有三種方式：非結構化的傳輸方式、結構化的傳輸方式、多點復用的傳輸方式。

前兩種模式是主要針對點到點的連接，最后一種是多點到點或者多點到多點的模式。

非結構化的傳輸方式將數據看作一定速率的位流。以8bit為基本單位從TDM位流中按順序截取分組數據包的有效載荷。對于E1電路，對應1ms的數據流，分組數據包的長度為256Byte。在此過程中，TDM業務信令被透明傳輸，無須信令協議轉換即可TDM業務的傳輸。

結構化傳輸方式通過TDM當中定義好的時隙，通過幀同步，從數據流中提取出幀結構中的固定位（如DSl的F位），然后按照協議順序將每個時隙的信息添加到分組的有效載荷內，后面緊接著是下一幀的同一時隙信息，以此類推。當有效的載荷填充完成后，再根據相關信息添加一個分組頭，添加完成后將該分組發送到分組交換網絡中。對于256Byte的E1電路，有效載荷一般包含約八幀TDM數據。

3? 結果與分析

根據上述硬件和軟件方案，實現了一種綜合業務終端，能夠支持話音、IP數據業務的接入。設備支持數字時分電路交換和軟交換，實現本地傳統用戶與IP電話用戶之間的語音和數據交換。本地電路交換采用無阻塞時分接續網絡，實現全自動數字交換，本地用戶數最大為128線。可以通過基于IPv4 Tos和DiffServ服務來支持IP語音業務，通過IEEE802.1P、IEEE802.1Q VLAN來保證語音優先級。語音編碼方面支持多種語音編碼，如G.711a、G.729、G.723.1等。網絡協議方面支持TCP/IP、ICMP、ARP、HTTP、RTP/RTCP網絡協議，支持網絡組播協議（IGMP）。呼叫信令方面支持E/M信令、中國NO.1信令和SIP信令。

4? 結? 論

本文根據當前IP網絡逐漸普及的現實需求出發，提出了一種多網融合的綜合業務終端，該終端能夠很好地實現傳統話音用戶與IP話音用戶之間的融合，使傳統話音用戶無感知地接入到IP網絡，有效降低傳統話音過渡到IP話音所需要的基礎設施成本和建設周期。

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作者簡介：吳曉晶（1984—），女，漢族，廣東揭陽人，講師，本科，研究方向：電子與通信;鄭江玥（1990—），女，漢族，浙江麗水人，講師，本科，研究方向：信息技術。