基于SIP协议航管内部通信系统的设计*

郑 秋 俞 剑

(中国电子科技集团公司第二十八研究所 南京 210007)



基于SIP协议航管内部通信系统的设计*

郑 秋 俞 剑

(中国电子科技集团公司第二十八研究所 南京 210007)

论文介绍了航管内部通信系统的特点,会话初始协议SIP(Session Initialization Protocol)协议的功能特性,给出了基于SIP协议航管中心内部通信系统的设备组成,陈述了整个内部通信系统的系统架构和主机的软件架构,内部通信系统工程实现的关键技术,最后对航管内部通信进行了小结。

SIP协议; 无线中继网关; 媒体网关; 内部通信

Class Number TP302.1

1 引言

目前,以市场主流产品FREQUENTIES公司为代表的航管内部通信系统,基于电路交换机制实现操作席位与甚高频电台、公共电话网之间的交互,系统已投运多年,系统运行稳定,较好地满足了管制人员的语音通信需求,但是该系统的不足也较为明显:

1) 部署的灵活性:传统系统采用基于电路的硬交换体制,在部署和增加新的设备时,需要进行繁琐的规划和布线工作,部署方式复杂、不灵活,难以适应航管内部通信系统设备扩容、升级的便捷性需要。

2) 运行的可靠性:虽然传统系统采用双冗余方式确保整个系统连续工作的可靠性,但是在电路交换机制中,网络单个节点或链路的故障会使整个系统的可靠性下降,对故障链路的瞬时恢复尚无有效的方法。

3) 系统的互通性:出于提高空中交通管制有效性的需要,不同区域的内话系统之间,以及内话系统与其它航管相关系统(如雷达情报、气象信息等)之间的互联互通成为可能,传统的电路交换机制下,异构系统之间的互联互通难度较大,难以便捷地满足上述需要。

4) 技术发展趋势的顺应性:随着信息通信技术的发展,以基于IP协议的分组交换机制取代电路交换机制已成为不可逆转的发展趋势,电路交换技术相关核心设备、模块的生产将逐渐减少,对传统内话系统的维护与升级工作是不可回避的问题。

分组交换技术顺应信息通信技术的发展趋势,基于IP协议的承载和传输方式使各系统、设备之间基于统一接口进行交互成为可能,基于分组交换技术构建VCS(Voice Control System)系统可有效提高系统部署的灵活性,并满足系统互通的便捷性需求,同时,在网络链路发生故障时,分组交换中数据传输路径的可选特性为故障瞬时恢复提供了可能,大大提高了系统的整体可靠性,因此基于VoIP技术实现航管内部通信成为业界诸多公司共同的选择,FREQUENTIES和TOPEX公司基于IP的内部通信系统已成功研制,开发国内基于SIP协议的航管内部通信系统既是市场需要,也是技术发展的必然产物。

2 SIP协议的主要特点

SIP协议是由因特网任务工程组(IETF)提出的,其设计思想参照了Internet标准和协议,风格简练、开放,并兼容其他协议。SIP协议是一种工作在IP分层模型应用层上的信令协议,用来解决IP网络的信令控制,建立、修改和终止多方参与的视频进程,IP电话或多媒体分发等。SIP协议基于文本编码,采用UTF-8字符集,主要功能特点如下:

1) 描述和功能分离:SIP协议作为会话建立的一部分,将会话建立和描述分开,为用户提供连接、定位服务。描述和功能分离使得SIP协议存在本质上的互操作性和灵活性,既可以与SDP(Session Description Protocol)共同建立会话,也可以与其他会话描述协议结合来建立会话。

2) 端到端协议:IETF认为端到端协议能更好地提供端到端服务,SIP协议作为一种高级协议,既可将智能定位于端系统,也可定位于用户代理。

3) 互操作性:SIP协议作为一个全局协议,其协商机制保证了网络中SIP用户具备互操作性。

4) 创建服务平台:SIP协议利用INTERNET组件提供网络服务和多媒体服务,将智能定位于端系统,不依赖网络存储状态信息,适合创建服务平台。

SIP按照功能可以划分为实体、事务和消息格式三部分,其中SIP实体包括用户代理(User Agent)、注册服务器(Register Server)、代理服务器(Proxy Server)和重定向服务器(Redirect Server)。SIP事务主要包括SIP应答、SIP请求。而SIP协议的消息格式,该协议是一个基于文本的协议,具有极高的灵活性和良好的可扩展性,且便于阅读调试。SIP仅包含六种请求方法,六类回应码以及37种消息部首,不同请求有不同之处,在每种SIP请求中都包含有一个方法(Method)字段,用来表示请求的目的。六种请求对应的方法字段分别是:邀请(INVITE)、确认(ACK)、可选项(OPTIONS)、再见(BYE)、取消(CANCEL)和注册(REGISTER)。通过与其它协议(通常是会话描述协议(SDP))结合使用,SIP可以提供丰富的应用业务[1]。从编码方式上看,SIP协议采用文本格式,简单直接,便于调试,开发人员可以直接修改文本消息,跟踪和分析消息的传递。SIP的消息格式由请求行、标题头、空行和信息体组成,其中消息体是可选项,某些请求可以不需要消息体。SIP应答消息格式包括状态行、几个标题头、空行和消息体,与请求消息类似,消息体是可选的,状态行与请求行类似,也有三个元素:协议版本号、状态码和原因短语,状态码是从100～699分为六组不同类的整数,采用原因短语主要为了方便阅读[2]。响应消息格式的状态码如表1所示。

表1 响应消息格式状态码的分类

3 基于SIP协议航管内部通信的系统组成

基于SIP协议的宽带IP网络航管内部通信系统,其系统组成如图1所示。基于SIP协议的航管内部通信系统由VCS主机、监控管理终端、媒体中继网关、无线中继网关、普通电话、管制员操作席位、语音记录仪等设备组成,各终端设备通过IP网络交换设备交互。

图1 航管内部通信系统的组成

基于SIP的航管内部通信系统通过分组承载网相互连接组成完整的通信系统。系统内各设备通过IP接口接入分组承载网络,系统通过无线中继网关实现对传统无线电台的IP化控制,通过媒体中继网关实现内部普通电话的接入,通过ATS(Air Traffic System)中继网关、媒体中继网关实现与ATS系统终端、PSTN、ISDN等外部网络终端的接入,同时,系统支持通过外部IP网络与远程站点互联互通。

因为航管内部通信系统对系统的可靠性要求特别高,对系统的要求是热备份(主一备一),确保系统其中一套出现问题时,备份系统能够进行热切换,保证系统连续可靠运行。分组承载网络由两个并行运行的分组传输网组成,两个网络独立运行,传输相同的数据。VCS主机内有两个并行运行的处理单元,两个单元独立运行,管制席位、IP接口的无线电台、各类中继网关等设备和VCS主机内的各处理单元同时接入上述两个网络,接收和输出相同的数据,由各设备的外围处理组件和VCS主机内部处理单元决定数据的最终取用。网络交换设备与内话系统内各设备的连接关系示意如图2所示。

图2 网络交换设备与内部通信系统终端设备连接关系图

系统中根据通信指挥调度的需要,可以配置不同类型的多媒体通信终端,在终端能实现传统调度系统中通用的功能,譬如内线一键通、外线一键通、优先强拆和强插、会议等功能。对于要求高的用户可以配置专用的可视智能触摸屏调度终端,一般的用户可以配置具有网络接口的IP电话机。连接在IP宽带网络的计算机终端可以安装调度台软件,从而实现调度台的功能。VCS主机服务器的主要功能是为调度员提供视频流,数字记录系统是对多媒体通信调度系统的话音流和视频流进行记录,必要时可对数据流进行记录。

4 内部通信系统架构及主机架构

4.1 内部通信系统架构

基于SIP协议的内部通信系统架构如图3所示,系统包括接入层、传输层、控制层和应用层四个层次[3],各层功能如下所述:

· 接入层:负责各类终端、电台、管制席位等设备和PSTN、ATS等外部系统终端的接入,其中,非IP类的终端通过无线中继网关、媒体网关、ATS中继网关等设备接入传输层网络;具备IP接入功能的终端直接通过IP协议接入传输层网络。

· 传输层:负责会话控制、语音等数据的传输。基于分组传输网技术构建环网,提供高可靠、实时性强的数据传输通道。

· 控制层:负责整个系统的呼叫与控制,提供接入控制、连接控制、协议处理等功能,基于SIP协议实现系统相关各终端之间的呼叫处理、控制,同时通过RTP协议实现语音数据的传输[4]。

· 应用层:提供电话调度、电话薄、电话会议等与语音通信相关的应用功能。其中,系统采用双冗余的架构方式,以提高整个系统的连续运行可靠性。在传输层,系统基于两个并行运行的分组传输环网构建一个双平面的承载网络平台,两个网络相互独立,并行运行,传输相同的数据;接入层各终端同时接入两个网络,向网络输出相同的数据,并同时接收两个网络传输来的数据,由终端的外围处理组件决定最终数据的取用;在控制层和应用层,系统通过两个并行运行的处理单元处理相同的呼叫请求与交换控制,并向两个网络输出相同的数据。

图3 基于SIP协议内部通信系统架构

4.2 系统主机的软件架构

在整个内部通信系统中,VCS处在核心的地位,一般VCS由两台高可靠性的企业服务器组成,各席位终端和中继网关与通过IP网络与其连接,其软件架构[5]如图4所示。

包括程序主线程模块,网络通信处理模块,RTP/RTCP(实时数据传输协议和实时流协议)协议栈模块,由SIP协议栈、媒体网关控制协议栈、SIP注册服务器、SIP代理服务器模块和媒体网关控制组成的软交换控制模块,由电话会议服务器、呼叫控制和电台呼叫控制组成的应用服务模块,以及由监测管理配置、日志和数据库访问等子模块组成的基础支撑模块。

图4 VCS的软件总体架构

各核心模块的功能如下所述:

1) 程序主线程模块:软件的中心处理单元,负责管理、控制和协调系统其它模块的运行,响应各模块的输入信息,根据输入信息调用相关模块进行处理;

2) 网络通信处理模块:在网络上接收和发送数据。接收数据时,同时接收多个网络接口收到的数据,依据既定配置选择符合条件的IP包进行处理,直接丢弃不符合条件的IP包,将接收的IP包解包恢复后上传给程序主线程模块;发送数据时,该模块对主线程模块下传的数据进行IP封包后,在多个网络接口上同时发送。

3) 软交换控制单元:根据电话会议、呼叫控制和电台呼叫控制等应用服务模块输出的呼叫控制信息控制系统中的IP终端、中继网关等软交换终端。其中,SIP协议栈、SIP注册服务器、代理服务器模块控制支持SIP协议的IP终端,媒体网关控制协议栈和媒体网关控制协议负责控制非IP终端[6]。

4) RTP/RTCP协议栈模块:支持电话会议应用,负责提供音频数据的实时传输与控制功能。

5) 应用服务模块:提供基于软交换的应用服务,本系统中包括电话会议、呼叫控制和甚高频电台呼叫控制三类应用服务。响应呼叫发起端的呼叫请求,向目的端发送连接请求,并转发请求响应,实现系统的呼叫控制流程。

6) 基础支撑模块:负责维护系统运行的保障功能,包括监测、管理和配置、日志记录和数据库访问三大模块,实时监测并上传系统主机运行状态,同步记录系统主机的操作和运行日志[7]。

4.3 系统主要完成的功能

1) 地面指挥调度功能

(1)调度员一键到位,能够智能迂回呼叫;

(2)通信录存储、检束和呼叫用户的状态显示;

(3)调度员与使用专用调度台和装有调度软件的计算机终端的用户双向可视对话;

(4)调度员可以强拆和强插调度用户的通话,进行可视电话会议;

(5)调度员可直接在调度台上进行通信调度系统的音视频查询;

(6)远程设置调度台的数据。

2) 地空指挥调度功能

(1)无线信道选择。支持在管制席位上选择和修改VHF电台的工作频率、并支持将相应电台设置为关闭、静噪、监听和收发四个状态;

(2)无线接收、发送。席位操作人员通过操作TX和RX键实现无线信道的占用,并通过无线信道发送和接收空中的声音;

(3)无线信道监听。管制人员通过管制席位监听多个无线信道的声音;

(4)静噪功能。电台接收到音频输入时,在对应席位上显示提示信号;

(5)PTT(Push to Talk)优先级。操作席位支持多个PTT开关,支持各开关优先级的设置,且支持高优先级PTT开关对低级别开关的屏蔽。

5 工程实现的关键技术

5.1 终端的SIP协议支持

SIP协议是一个应用层的信令控制协议,用于创建、修改以及释放一个或多个参与者的会话,这些会话可以好似如INTERNET多媒体会议、IP电话或多媒体分发。会话的参与者可通过组播(Multicast)、网状单播(Unicast)或者两者的混合体进行通信。在通信终端上需要在功能上提供SIP协议支持的所有要求,并提供相应的扩展功能要求,使终端能适应各种会话控制和媒体通信情形[8]。

5.2 音视频通信QOS保障

视频通信在SIP会话过程中,通过对话协商控制视频流的传输和视频的编解码格式,其中的媒体格式协商用到一个SDP协议来控制。会话描述协议(SDP)是一个用来描述多媒体会话的应用层协议,是基于文本的。在描述会话时,主叫方和被叫方表示他们各自的接收能力、媒体格式、接收地址、端口。在QOS方面,SDP描述了会话的媒体类型、带宽信息、编码参数等,但是一些属性仍然没有描述,如CPU处理能力、内存大小等,视频通信需要终端提供各种视频编解码的支持,传输要实时进行,还有一些功能性能要求如音频的失真和延时等,只有对这些功能要求满足,音视频通信的质量才能得以保障。

5.3 多种音视频的编解码的支持

通信终端把模拟音频信号按照G.711或G.729编码后,按照SIP协议打包发到IP网络,能够显示本地图像和远端图像,支持CIF、4CIF解像度,支持H.263、H.264,还有支持MPEG等格式。SIP终端需要根据不同的通信终端的编码格式,自适应调整成相应的音视频编码格式[9]。

6 结语

基于SIP协议的航管多媒体指挥调度内部通信系统,是一个能够同时提供音频、视频和数据的多媒体通信系统,音频包括地地话音和地空话音,整个通信系统构建在宽带IP网络之上,并且符合国内YD/T通信行业通用标准和民航业内有关标准,能够提供目前传统调度系统所提供的一切功能,并且是可视的,能完全满足现代调度系统对多媒体业务的需求,且能与传统调度系统和甚高频电台互联,实现远程的视频采集、处理、传输和监控[10]。整个调度系统是分布式的,部署不受地理位置的限制。系统能支持Web浏览器的远程设备维护和管理。软交换的概念和技术是伴随宽带IP技术的发展一起成长和成熟的,支持多业务融合的下一代网络,基于SIP协议高可靠性的航管内部通信系统具有广阔的市场前景,在其他行业也可以推广使用。

[1] Rosenberg et.al.(RF3261).June,2002.

[2] 黄育平,黄威.协议SIP在软交换中应用的研究[J].通信技术,2012(7):45-47.

[3] 漆峰.基于SIP协议的多媒体会议系统关键技术研究[D].重庆:重庆大学,2012:5-8.

[4] 化子洋.SIP协议栈的设计与实现[D].北京:北京邮电大学,2012:2-3.

[5] 韩可玉,任安西.基于SIP的统一通信端系统设计[J].软件导刊,2013(6):90-92.

[6] 赵明.基于SIP的军事车载VOIP语音终端软件的设计与实现[J].火力与指挥控制,2014(7):113-119.

[7] 李杨,熊淑华,李梦涵,等.基于SIP协议的实时通信系统的研究与实现[J].计算机技术与发展,2014(4):53-56.

[8] 吕瑞,熊飞,赵子岩,等.基于软交换和MCU的一体化调度系统研究[J].信息技术,2014(5):94-97.

[9] 张远宏.基于SIP协议的IMS多媒体终端设计[D].广州:华南理工大学,2012:2-5.

[10] 朱宝华.基于SIP协议的远程视频监控系统的设计[J].吉林工程技术学院学报,2013(11):85-86.

Design of ATS’s Dispatching Communication System Based on SIP Protocol

ZHENG Qiu YU Jian

(The 28thResearch Institute of China Electronics Group Corporation, Nanjing 210007)

The characteristics of ATS’s dispatching communication system based on SIP and the function of SIP protocol are introdced in this paper. The scheme of dispatching communication system and VCS soft architecture is presented. The key realization technology of dispatching communication is conducted. Finally, application of dispatching communication system is summarized.

SIP protocol, wireless relay gateway, media gateway, dispatch communication

2014年12月5日,

2015年1月13日

郑秋,男,硕士,高级工程师,研究方向:指挥所通信专用设备及通信总体技术。俞剑,男,高级工程师,研究方向:信息系统总体技术和信号处理技术。

TP302.1

10.3969/j.issn1672-9730.2015.06.018