基于SIP協(xié)議的半雙工VHF話音通信遠(yuǎn)程接入系統(tǒng)*

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

1 引 言

VHF話音通信具有機(jī)動、靈活、方便、快捷等特點(diǎn)，在很多場合，例如反恐、救災(zāi)、軍事行動等，有著廣泛的應(yīng)用。但是，由于VHF頻段無線通信是視距通信，為了保持機(jī)動平臺與地面系統(tǒng)之間的通信不間斷，就必須解決VHF話音通信的遠(yuǎn)距離接入控制和組網(wǎng)應(yīng)用問題。相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)＜裔槍@一問題已經(jīng)開展了大量的研究工作，提出了基于電話網(wǎng)絡(luò)的接入方案；但是，由于傳統(tǒng)電話網(wǎng)絡(luò)固有的成本高、靈活性差等缺點(diǎn)，導(dǎo)致此類基于傳統(tǒng)電話網(wǎng)的VHF話音通信接入方案無法推廣應(yīng)用。

另一方面，IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展帶動了各種應(yīng)用向IP 技術(shù)的靠攏，一個(gè)典型的應(yīng)用就是VOIP業(yè)務(wù)[1-2]。VOIP 與傳統(tǒng)的電話網(wǎng)相比，由于統(tǒng)一采用IP 技術(shù)，話音和數(shù)據(jù)傳輸在同一線路上采用統(tǒng)計(jì)復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)，從而提高了線路帶寬資源的利用率，具有成本低、靈活性高、生產(chǎn)率及效率高等優(yōu)點(diǎn)。目前，VOIP技術(shù)受到越來越多研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注，在軍事及公共安全等應(yīng)用領(lǐng)域開展了大量的研究工作[3-6]。針對傳統(tǒng)通信系統(tǒng)基于統(tǒng)一的IP網(wǎng)絡(luò)的融合應(yīng)用，也取得了一定的研究成果，例如電話、手機(jī)、普通四線話音設(shè)備等不同話音通信系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通和統(tǒng)一調(diào)度[3]，但針對VHF話音通信的IP網(wǎng)融合應(yīng)用技術(shù)的研究較少。

本文結(jié)合VHF頻段無線通信特點(diǎn)及業(yè)務(wù)范圍，基于VOIP技術(shù)現(xiàn)狀，提出了一種適用于VHF話音通信的地面IP網(wǎng)絡(luò)融合應(yīng)用方法，從而為VHF話音通信的應(yīng)用范圍擴(kuò)展提出了新的思路，為解決半雙工VHF話音通信融入下一代通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的問題提供了一種設(shè)計(jì)參考。

2 VOIP協(xié)議

在基于IP的多媒體通信領(lǐng)域，起主導(dǎo)地位的包括兩大體系：一是ITU-U體系，制定了H.323[7](基于包交換的多媒體通信系統(tǒng)建議) 標(biāo)準(zhǔn)；另一個(gè)則是由IETF推薦的基于SIP(會話初始化協(xié)議)[8]的多媒體業(yè)務(wù)解決方案。

H.323沿用的是傳統(tǒng)的電話信令和協(xié)議[7]，而SIP 借鑒了其它因特網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議的設(shè)計(jì)思想，在風(fēng)格上遵循因特網(wǎng)一貫堅(jiān)持的簡練、開放、兼容和擴(kuò)展等原則，比較簡單且易于實(shí)現(xiàn)[8]。從技術(shù)發(fā)展的角度看，由于SIP天生的技術(shù)優(yōu)勢，在克服當(dāng)前一些技術(shù)難題后，SIP 的應(yīng)用前景將更加明朗。

根據(jù)上述分析，VHF話音通信遠(yuǎn)程接入系統(tǒng)中，在有線側(cè)選擇SIP協(xié)議設(shè)計(jì)。在SIP 協(xié)議中有兩個(gè)主要的組成部分需要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[8]：用戶代理(UA)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。用戶代理又分為發(fā)起SIP 請求的用戶代理客戶端(UAC) 和響應(yīng)這種請求的用戶代理服務(wù)器(UAS) 。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器分為重定向服務(wù)器、代理服務(wù)器、注冊服務(wù)器。通常的SIP呼叫操作涉及到1個(gè)SIP 用戶代理客戶機(jī)發(fā)起請求，1個(gè)SIP代理服務(wù)器作為終端用戶的位置發(fā)現(xiàn)代理，并且存在1個(gè)用戶代理服務(wù)器接收這個(gè)呼叫。

3 接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

VHF話音通信遠(yuǎn)程接入系統(tǒng)中需要實(shí)現(xiàn)SIP用戶代理和SIP服務(wù)器組件，包括VHF電臺遠(yuǎn)程桌面控制軟件(地面系統(tǒng))、VHF電臺接入控制設(shè)備(地面通信站點(diǎn))和SIP服務(wù)器組件(地面控制中心)3個(gè)部分。地面系統(tǒng)、地面通信站點(diǎn)和地面控制中心由高速互連的地面IP網(wǎng)絡(luò)連接，可以實(shí)時(shí)傳輸話音及控制信息，保證地面網(wǎng)絡(luò)及地空無線通信的連通性?；赟IP協(xié)議的VHF話音通信遠(yuǎn)程接入系統(tǒng)的體系架構(gòu)如圖1所示。

圖1 VHF話音通信遠(yuǎn)程接入系統(tǒng)體系架構(gòu)

構(gòu)建VHF話音通信遠(yuǎn)程接入系統(tǒng)后，地面系統(tǒng)用戶可以通過地面IP網(wǎng)與互聯(lián)的地面通信站點(diǎn)內(nèi)的接入控制設(shè)備互通話音，并通過VHF話音通信遠(yuǎn)程桌面控制軟件實(shí)現(xiàn)對通信站點(diǎn)內(nèi)VHF話音通信的控制和參數(shù)設(shè)置。接入控制設(shè)備通過音頻接口和控制接口與VHF話音通信相連，實(shí)現(xiàn)與空中移動平臺之間的無線話音通信。

VHF話音通信遠(yuǎn)程接入系統(tǒng)中，接入控制設(shè)備在有線側(cè)的功能相當(dāng)于SIP用戶代理，在無線側(cè)相當(dāng)于傳統(tǒng)的VHF話音電臺控制設(shè)備。遠(yuǎn)程桌面控制軟件在SIP系統(tǒng)中的功能相當(dāng)于SIP用戶代理，并擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)對VHF話音電臺的遠(yuǎn)程控制功能。接入控制設(shè)備和遠(yuǎn)程桌面控制軟件是VHF話音電臺遠(yuǎn)程接入系統(tǒng)中的兩個(gè)核心部件。本文以下部分將給出這兩個(gè)部件的建議性設(shè)計(jì)。

3.2 接入控制設(shè)備設(shè)計(jì)

接入控制設(shè)備主要完成電臺控制命令和話音的處理和格式轉(zhuǎn)換，它通過電臺音頻接口電路與電臺音頻口連接；為控制半雙工電臺收發(fā)切換，使用PTT接口電路與電臺的PTT相連，并通過電臺控制接口實(shí)現(xiàn)對電臺的控制和工作狀態(tài)監(jiān)視功能。電臺控制信息和話音信息分別完成控制命令處理轉(zhuǎn)換和媒體格式轉(zhuǎn)換后，統(tǒng)一采用實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議(RTP)傳輸?shù)降孛鍵P網(wǎng)絡(luò)中。接入控制設(shè)備的原理框圖如圖2所示。

圖2 接入控制設(shè)備原理框圖

接入控制設(shè)備軟件部分采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)獨(dú)立功能，為以后的功能擴(kuò)展和在其它項(xiàng)目中的移植打下良好的基礎(chǔ)。它主要分為以下幾個(gè)模塊：

(1)話音處理模塊：該模塊在獨(dú)立的高性能數(shù)字信號處理器(DSP) 芯片上運(yùn)行，主要實(shí)現(xiàn)話音的編碼/解碼、靜音檢測、回音抵消等功能；

(2)媒體格式轉(zhuǎn)換模塊：該模塊主要處理話音分組，完成網(wǎng)絡(luò)話音數(shù)據(jù)分組的預(yù)處理、格式轉(zhuǎn)換及壓縮處理；

(3)控制監(jiān)視處理模塊：該模塊根據(jù)電臺控制接口要求，完成電臺控制命令、狀態(tài)信息的處理、格式轉(zhuǎn)換及實(shí)時(shí)傳送，支持遠(yuǎn)程桌面控制軟件對電臺的控制和工作狀態(tài)監(jiān)視；

(4)呼叫處理模塊：該模塊實(shí)現(xiàn)SIP 信令標(biāo)準(zhǔn)定義的呼叫處理流程，接收地面系統(tǒng)呼叫處理，支持在分組網(wǎng)上建立會話通信；

(5)網(wǎng)絡(luò)接口模塊：該模塊實(shí)現(xiàn)基于實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議(RTP)的網(wǎng)絡(luò)接口能力，實(shí)現(xiàn)多媒體信息、SIP 信令，以及對本站點(diǎn)電臺遠(yuǎn)程監(jiān)控信息的實(shí)時(shí)傳輸。

接入控制設(shè)備啟動后，先向SIP注冊服務(wù)器進(jìn)行登記注冊，隨后即處于呼叫等待狀態(tài)。當(dāng)遠(yuǎn)程桌面控制軟件發(fā)起呼叫時(shí)，接入控制設(shè)備SIP用戶代理服務(wù)器發(fā)送2XX/OK應(yīng)答，呼叫建立，可以開始正常的話音通信過程。

正常話音通信過程中，接入控制設(shè)備需要將話音電臺側(cè)的模擬話音抽樣量化為PCM數(shù)字話音，然后經(jīng)過SIP協(xié)議支持的G.711或G.729等話音編碼后發(fā)送到遠(yuǎn)程桌面控制軟件SIP用戶代理，并將從有線側(cè)接收到的話音編碼進(jìn)行解碼處理后送話音電臺。

半雙工VHF話音通信與全雙工SIP系統(tǒng)之間的互通控制是由接入控制設(shè)備利用靜音檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，即VHF話音電臺的收/發(fā)狀態(tài)是由有線側(cè)是否講話來控制的。若有線側(cè)開始講話，經(jīng)過話音處理模塊檢測到話音起始點(diǎn)，通過PTT接口電路將VHF話音電臺PTT 置于有效電平，使其工作于發(fā)射狀態(tài)。當(dāng)有線側(cè)講話告一段落，話音檢測電路檢測到話音的截止點(diǎn)，通過PTT接口電路將VHF話音電臺PTT 置于無效，此時(shí)VHF話音電臺工作于接收狀態(tài)，等待通話機(jī)動平臺的回話。如此反復(fù)，直至通話結(jié)束。

在地面系統(tǒng)遠(yuǎn)程桌面控制軟件掛機(jī)后，接入控制設(shè)備網(wǎng)絡(luò)接口模塊進(jìn)行相應(yīng)的掛機(jī)信令處理后，又返回呼叫等待狀態(tài)，準(zhǔn)備接收網(wǎng)絡(luò)上任意地面系統(tǒng)發(fā)起的新的呼叫。

3.3 遠(yuǎn)程桌面控制軟件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程桌面控制軟件部署在地面系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)中，提供圖形化用戶使用界面，支持對不同地面通信站點(diǎn)工作狀態(tài)和占用情況的監(jiān)視。用戶可根據(jù)通話機(jī)動平臺的位置和工作參數(shù)，選擇合適的地面通信站點(diǎn)及VHF話音電臺，由遠(yuǎn)程桌面控制軟件自動完成撥號處理過程，并可以通過遠(yuǎn)程桌面控制軟件實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)通信站點(diǎn)VHF話音電臺的參數(shù)設(shè)置和控制。遠(yuǎn)程桌面控制軟件實(shí)現(xiàn)對控制命令和媒體格式的處理轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一由網(wǎng)絡(luò)接口模塊采用實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議傳輸?shù)降孛鍵P網(wǎng)絡(luò)中。

遠(yuǎn)程桌面控制軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)獨(dú)立功能。根據(jù)功能使用需求，遠(yuǎn)程桌面控制軟件主要分為以下幾個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)：

(1)話音接口模塊：該模塊主要完成與話筒、聽筒的接口，實(shí)現(xiàn)話音信息的輸入、輸出及編/解碼功能；

(2)媒體格式轉(zhuǎn)換模塊：該模塊主要處理話音分組，完成網(wǎng)絡(luò)話音數(shù)據(jù)分組的預(yù)處理、格式轉(zhuǎn)換及壓縮處理；

(3)呼叫控制人機(jī)界面：提供圖形化用戶接口，支持用戶選擇使用的地面通信站點(diǎn)及VHF話音電臺，并支持呼叫處理參數(shù)的設(shè)置；

(4)呼叫處理模塊：該模塊實(shí)現(xiàn)SIP 信令標(biāo)準(zhǔn)定義的呼叫處理流程，根據(jù)用戶輸入信息完成呼叫處理過程，實(shí)現(xiàn)與選擇地面站點(diǎn)之間的會話通信；

(5)控制監(jiān)視人機(jī)界面：提供圖形化用戶接口，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)上互聯(lián)的地面站點(diǎn)配置VHF話音電臺的狀態(tài)監(jiān)視，并支持用戶對選定VHF話音電臺的參數(shù)設(shè)置和控制；

(6)控制監(jiān)視處理模塊：該模塊根據(jù)用戶的輸入信息，完成對遠(yuǎn)端電臺的控制命令的生成和格式封裝，并接收遠(yuǎn)端電臺的工作狀態(tài)報(bào)告信息，完成格式轉(zhuǎn)換后送控制監(jiān)視人機(jī)界面；

(7)網(wǎng)絡(luò)接口模塊：該模塊實(shí)現(xiàn)SIP 信令標(biāo)準(zhǔn)定義的呼叫處理，支持在分組網(wǎng)上建立會話通信，并提供基于實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議(RTP)的控制命令接口，支持對電臺的遠(yuǎn)程配置及維護(hù)。

遠(yuǎn)程桌面控制軟件啟動后，先向SIP注冊服務(wù)器進(jìn)行登記注冊，隨后即處于呼叫等待狀態(tài)。當(dāng)用戶通過呼叫控制人機(jī)界面發(fā)起呼叫時(shí)，呼叫處理模塊自動完成Request-URI轉(zhuǎn)換，并向其發(fā)送INVITE/會話邀請，當(dāng)接收到目標(biāo)站點(diǎn)接入控制設(shè)備的2XX/OK應(yīng)答后，向呼叫控制人機(jī)界面報(bào)告呼叫建立，可以開始正常的話音通信過程。

在通話機(jī)動平臺離開使用的地面通信站點(diǎn)的通信覆蓋范圍時(shí)，地面系統(tǒng)用戶可以通過人機(jī)界面控制斷開與使用地面站點(diǎn)的SIP連接，并根據(jù)通話機(jī)動平臺的位置信息和任務(wù)機(jī)動趨勢，選擇下一個(gè)地面通信站點(diǎn)，重復(fù)呼叫處理過程，完成越區(qū)切換過程，從而為機(jī)動平臺提供遠(yuǎn)距離、不間斷的話音通信服務(wù)。

4 結(jié)束語

本文在對VOIP技術(shù)及其實(shí)用性進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，給出了基于SIP協(xié)議的VHF話音通信遠(yuǎn)程接入系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵設(shè)備的建議性設(shè)計(jì)。基于商用SIP服務(wù)器及桌面電話軟件，結(jié)合某型號VHF話音電臺，對上述設(shè)計(jì)思路進(jìn)行的仿真演示結(jié)果表明，系統(tǒng)引入的時(shí)延及語音質(zhì)量均能很好地滿足使用需求，從而為VHF話音通信依托地面IP網(wǎng)絡(luò)的功能擴(kuò)展提供了事實(shí)依據(jù)。

由于VHF頻段無線通信是視距通信，當(dāng)機(jī)動平臺從一個(gè)地面通信站點(diǎn)的通信覆蓋范圍移動到另外一個(gè)地面通信站點(diǎn)的通信覆蓋范圍時(shí)，必然存在越區(qū)切換問題。在下一步的工作中，將結(jié)合工程應(yīng)用，對基于SIP協(xié)議的VHF話音通信遠(yuǎn)程接入系統(tǒng)的性能優(yōu)化和越區(qū)切換算法開展進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊明. 基于RTP的實(shí)時(shí)語音傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)與研究[D]. 武漢：華中科技大學(xué), 2004.

YANG Ming.The Implementation and Research of Real-Time Voice Transmission Based on RTP[D]. Wuhan：Huazhong University of Science and Technology,2004.(in Chinese)

[2] 張若思. IP電話分組話音技術(shù)分析[D]. 成都:四川大學(xué), 2005.

ZHANG Ruo-si.An analysis about VOIP Packed Voice Technology[D].Chengdu：Sichuan University,2005.(in Chinese)

[3] 張全保,吳曉飛,趙偉.基于SIP協(xié)議的可視指揮調(diào)度系統(tǒng)在公安指揮中心的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].警察技術(shù),2008(1)：32-34.

ZHANG Quan-bao, WU Xiao-fei, ZHAO Wei. Design and Application of Video Dispatching System Based on VOIP in Police Command Center[J]. Police Technology, 2008(1)：32-34. (in Chinese)

[4] 冷冰, 羅秋霞. 基于SIP協(xié)議的短波接入系統(tǒng)[J]. 信息安全與通信保密, 2007(5)：123-126.

LENG Bing, LUO Qiu-xia. HF Access System Based on SIP [J]. Information Security and Communications Privacy, 2007(5)：123-126. (in Chinese)

[5] David T, Wallace. Exploitation of existing voice over internet protocol technology for department of the navy application [D]. Monterey: Naval Postgraduate School, 2002.

[6] Rosemary Lewis.Operational benefit of implementing VOIP in a tactical environment[D].Monterey:Naval Postgraduate School,2003.

[7] ITU-T Recommendation H.323 V2，Packet based multimedia communications systems [S].

[8] RFC 3261，SIP：Session Initiation Protocol[S].