一种支持EM信令的中继网关设计与实现

张华琳，沈广茂，高玺璟

(河北远东通信系统工程有限公司，河北石家庄050002)



一种支持EM信令的中继网关设计与实现

张华琳，沈广茂，高玺璟

(河北远东通信系统工程有限公司，河北石家庄050002)

摘要:虽然IP电话网络发展迅速，但在相当长的一段时间里，PSTN与VoIP互为补充又相互竞争的存在着，传统电话交换网与IP网络的融合互通正是网关要解决的问题。针对企业专网通信中的EM信令接入到IP网络的问题，设计实现了支持EM信令的中继网关。进行了EM信令中继网关的功能模块分解，描述了EM信令的呼入流程和呼出流程，突破了EM信令网关设计中协议适配和冗余处理2项关键技术。支持EM信令的中继网关，实现了专网中EM中继到NGN网络的平滑接入，并可以扩充支持多种模拟协议，满足专网的使用要求。

关键词:中继网关; EM信令; PSTN; VoIP

0引言

以软交换体系结构建立下一代通信网络( NGN)框架，其功能涵盖NGN中的4个功能层面:接入层、媒体层、控制层和业务层[1]。

位于接入层的媒体网关在其中扮演重要的角色，任何业务都需要媒体网关在媒体网关控制器的控制下实现。现行的通信网络通过网关设备接入到IP网，从而实现全网的融合。网关的作用就是完成2个异构网络之间的信息和信令的相互转换，从而使一个网络的信息能够在另一个网络中传输[2]。

软交换架构下的中继网关是媒体网关的一种，它是跨接在PSTN和软交换网络之间的功能实体，主要在软交换设备的控制下，实现TDM语音与分组语音之间媒体流格式的转换[3，4]。

软交换系统在行业专网中的应用日益广泛，在专网通信中，尤其是电力行业，大规模部署的是电路交换机，除使用DSS1数字中继外，还广泛使用了EM模拟中继。采用软交换技术之后，由于中继网关设备无法提供EM信令的接入，导致原有组网设备不能与软交换系统设备互联互通。为了实现专网中模拟中继平滑过渡接入到新的NGN网络中，设计实现了支持EM信令的中继网关。

1总体设计

NGN网络中的中继网关媒体控制采用H．248协议和软交换设备互通，实现语音的编解码;信令控制采用SCTP传输协议、IUA信令和软交换设备互通，实现呼叫信令的传输;采用EM信令与电路交换网连接，实现语音及信令的传输[5]。

1．1模块划分

EM中继网关包括以下几个功能模块:呼叫控制模块、数据库模块、EM信令接入模块、媒体资源管理模块、Q．931协议处理模块、IUA协议处理模块、SCTP协议处理模块和H．248协议处理模块，各个功能模块之间的关系如图1所示，所有的功能模块运行在一个主控处理器上[6]。

图1功能模块连接

1．2模块功能

呼叫控制模块用于对号码进行分析，选择路由方向，向资源管理模块申请中继组资源;资源管理模块用于确定空闲的中继端口，并通知呼叫控制模块;数据库模块用于将中继网关设备硬盘上的配置数据读入到内存中，供其他模块进行读取; EM信令接入模块用于将外部数字程控交换机的信令转换成中继网关设备的内部统一消息，并发送到呼叫控制模块;媒体资源管理模块用于根据H．248协议处理模块的请求，分配媒体资源，并将分配的媒体资源信息发送到H．248协议处理模块; Q．931协议处理模块用于根据呼叫控制模块的统一内部消息，生成Q．931协议，将Q．931协议发送到IUA协议处理模块; IUA协议处理模块用于将Q．931协议处理模块发送的Q．931协议数据发送到SCTP协议处理模块，将SCTP协议处理模块发送的数据进行处理，并发送到Q．931协议处理模块; SCTP协议处理模块用于将IUA协议处理模块发送消息发送到外部的软交换设备，将外部软交换设备发来的消息转发到IUA协议处理模块; H．248协议处理模块，用于根据外部软交换设备发送的消息创建上下文和向媒体资源管理模块申请媒体资源，并产生回复消息发送到外部软交换设备。

2 EM中继网关信令流程

2．1出局呼叫信令流程

图2出局呼叫信令流程

EM中继出局呼叫信令流程如图2所示。EM信令接入模块收到外部数字程控交换机的EM信令后，向呼叫控制模块发送统一内部消息，统一内部消息中携带被叫号码;呼叫控制模块对被叫号码进行路由分析，根据数据库配置，确定IUA中继组，并向资源管理模块申请IUA中继组资源;资源管理模块根据数据库配置的分配算法，从IUA中继组中分配一个EM端口，并将此EM端口回复给呼叫控制模块;呼叫控制模块根据被叫号码、IUA中继组资源等信息构造统一内部消息，将统一内部消息发送到Q．931协议处理模块; Q．931协议处理模块根据统一内部消息生成Q．931协议中的SETUP消息，将SETUP消息发送到IUA协议处理模块; IUA协议处理模块根据SETUP消息中的信令端口得到IUA协议处理模块的接口号，然后选择应用服务器，再根据应用服务器的负荷分担算法确定应用服务器进程，然后生成IUA协议消息，将IUA协议消息发送到SCTP协议处理模块; SCTP协议处理模块选择相应的IP地址，将IUA协议消息发送到外部软交换设备; SCTP协议处理模块收到外部软交换设备的PROCEEDING和ALERTING消息后，将PROCEEDING和ALERTING消息发送到IUA协议处理模块; IUA协议处理模块将PROCEEDING和ALERTING消息发送到Q．931协议处理模块; Q．931协议处理模块将Q．931消息翻译成统一内部消息，发送到呼叫控制模块; SCTP协议处理模块收到外部软交换设备的CONNECT消息后，将CONNECT消息发送到IUA协议处理模块; IUA协议处理模块根据CONNECT消息中的接口号得到信令端口，并将IUA消息中的Q．931消息发送到Q．931协议处理模块; Q．931协议处理模块将Q．931消息翻译成统一内部消息，将统一内部消息发送到呼叫控制模块[7]。

2．2入局呼叫信令流程

入局呼叫信令流程如图3所示。SCTP协议处理模块收到外部软交换设备的SETUP消息后，将SETUP消息发送到IUA协议处理模块; IUA协议处理模块根据SETUP消息中的接口号得到信令端口，并将IUA消息中的Q．931消息发送到Q．931协议处理模块; Q．931协议处理模块将Q．931消息翻译成统一内部消息，将统一内部消息发送到呼叫控制模块;呼叫控制模块对被叫号码进行路由分析，根据数据库配置，确定EM中继组，并向资源管理模块申请EM中继组资源;资源管理模块根据数据库配置的分配算法，从EM中继组中分配一个EM端口，并将此EM端口回复给呼叫控制模块;呼叫控制模块根据被叫号码、EM中继组资源等信息构造统一内部消息，将统一内部消息发送到EM信令接入模块; EM信令接入模块将被叫号码发送到外部的数字程控交换机; EM信令接入模块收到外部的数字程控交换机的EM应答信令后，向呼叫控制模块发送统一内部消息，其中包含应答指示;呼叫控制模块根据应答指示构造统一内部消息，将统一内部消息发送到Q．931协议处理模块; Q．931协议处理模块根据统一内部消息生成Q．931协议中的CONNECT消息，将CONNECT消息发送到IUA协议处理模块; IUA协议处理模块根据CONNECT消息中的信令端口得到IUA协议处理模块的接口号，然后选择应用服务器，再根据应用服务器的负荷分担算法确定应用服务器进程，然后生成IUA协议消息，将IUA协议消息发送到SCTP协议处理模块; SCTP协议处理模块选择相应的IP地址，将IUA协议消息发送到外部的软交换设备[7]。

图3入局呼叫信令流程

3关键技术

3．1协议适配

支持EM信令的中继网关的关键技术是多协议适配技术。首先将电路交换网的专用模拟信令与ISDN信令进行汇接;然后利用PRI协议与IUA协议的相似性，将PSTN侧的数字信令与IUA适配，这样将模拟信令与IUA信令的适配过程，分解成EM信令与PRI信令的汇接，以及PRI信令到IUA信令的适配，实现EM模拟信令到IUA信令的传送[8]。

3．1．1协议互通

IUA与Q．931的原语示意图如图4所示。

图4 IUA与Q．931的原语示意

网关对SCN侧发送的信令与IUA向软交换设备发送的信令一致，都是INDICATION和CONFIRM，NIF功能如下[4]:

①将从SCN侧收到的Q．921用户消息通过IP网络传送到ASP;

②将从IP侧收到的Q．921用户消息通过E1传送到SCN;

③支持Q．921/Q．931的边界原语: DL-ESTABLISH、DL-RELEASE、DL-DATA和DL-UNIT DATA。

3．1．2 D通道与AS ASP的对应关系

D通道与AS、ASP的对应关系如图5所示。

图5 D通道与AS、ASP的对应关系

由图5可知，D通道一个中继组( PRI)可以包含多个E1，多个中继组可以属于一个AS，这个AS中可以有一个ASP，也可以有多个ASP，配置为负荷分担方式，或配置为主备用方式。

中继网关的控制程序，将模拟EM信令转成PRI信令，然后再根据D端口得到AS，再根据AS的负载模式选择ASP。

3．1．3层管理

中继网关的层管理主要包括配置管理和状态一致性管理。在配置管理方面，一共设计了4张数据配置表，需要完成SCTP参数配置、IUA协议栈参数配置、ASP参数配置和AS参数配置，以及数据表中的数据关联性检查，维护和实时更新;状态一致性管理保证了软交换侧和PSTN侧的中继/电路的信令和媒体状态一致性，通过维护命令实现信令和媒体状态的可见、可控、可查。

3．2冗余处理

为实现中继网关的高可用性，系统采用1 +1热备份的架构。当主边设备出问题时，备边设备可以在非常短的时间内接替故障设备恢复工作[9]。

3．2．1 SCTP冗余

SCTP协议栈既负责高层IUA连接的维护，也负责保证数据的可靠传送，包括重发数据。SCTP冗余首先保证链接关系冗余，即主备边同时建立链接，但是只有主边链路上有数据发送;同时SCTP冗余还负责将IUA中继使用的数据实时同步到备边，保证备边接管主边工作，IUA中继上已经处于稳定状态的呼叫能继续正常通话。

3．2．2数据冗余

数据冗余不是简单的数据拷贝[10]。中继网关的备边切换为主边后，新主边要遍历其内部的中继状态映射表，逐一检测所述中继状态映射表中的通道标识，在遍历中继状态映射表过程中，首先判断通道标识是否合法，然后根据通道状态机，将进入稳态呼叫状态机的通道标注，然后向这些标记通道发送消息令通道初始化。同时为减少主备之间冗余的数据量，设计中采用只对稳态呼叫进行冗余，非稳态呼叫进行清除。通过呼叫链表检查，清除非稳态呼叫的数据，才能保证系统长时间稳定运行;冗余管理实现了协议栈数据冗余，冗余时机分2种情况，一种是定时将稳定的通信链路状态和数据进行冗余;另一种是在激活边收到系统切换命令时，层管理控制软件调用协议栈内部函数，返回此时协议栈需要冗余的数据，并发给备用边，然后等待备用边回送确认消息，收到确认消息后层管理软件通知系统进行

切换[11]。

4中继网关应用

EM信令的中继网关在电力系统中可把传统PBX的用户电话、调度台等外围终端设备接入到软交换网络。

实际应用中，EM信令中继网关可以和用户接入网关合二为一形成综合媒体网关，灵活配置成TDM/IP混合的组网方式。EM信令中继网关在电力系统中的应用方式如图6所示。

图6 EM信令中继网关在电力系统中的应用

电路交换设备接入到软交换系统中，调度台用户既有方式调度PSTN网的用户，同时可以通过EM中继调度软交换系统的中SIP用户和IAD用户。EM信令中继网关实现了2个异构网络的通信，确保调度指挥准确和及时地开展[12]。

5结束语

EM信令中继网关实现了传统电路交换网与IP网之间的信令互通，连接承载，媒体互通，满足专网市场尤其是电力行业对语音通信网建设改造的要求。EM信令中继网关的关键部件和板卡实现了1 +1备份，提高了设备的稳定性;同时，EM信令网关的模块化设计，将信令接口模块和呼叫控制模块分开，便于实现多种模拟信令的扩充。EM信令中继网关的呼叫建立时间、呼叫接通率、长时间保持率和PSQM/PESQ等指标经测试全部满足或优于媒体网关设备技术标准要求，并已在电力和轨道交通等多个领域中广泛应用，取得了良好效果。

参考文献

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[2]黎勇．基于IXP425的中继网关设计[D]．武汉:武汉科技大学，2008:1-47．

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[4]YD/T 1243．1-2002．媒体网关设备技术要求-IP中继媒体网关[S]，2002．

[5]王朝晖，孙敬伟，王金辉．大容量综合媒体网关的设计与实现[J]．电力系统通信，2012，33( 9) :48-51．

[6]王金辉．网关设备H．248协议的实现[J]．无线电工程，2013，43( 4) :57-60．

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[10]马文学，付志兵，敦科翔．软交换调度系统设计分析[J]．无线电工程，2011，41( 7) :13-16．

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[12]刘钊远．一种IP电话环路中继网关的设计[J]．西安邮电学院学报，2005( 1) :62-65．

Design and Implementation of Trunk Gateway Supporting EM Signaling

ZHANG Hua-lin，SHEN Guang-mao，GAO Xi-jing

( Hebei Far-east Communication System Engineering Co．，Ltd．Shijiazhuang Hebei 050002，China)

Abstract:Although the IP telephone network is developing rapidly，but for a long period of time，PSTN and VOIP are complementary and competitive each other．The fusion and intercommunication of traditional telephone exchange network and IP network communication can be implemented by the gateway．Aiming at access of EM signaling in enterprise private network communication to IP network，the trunk gateway supporting EM signaling is designed and implemented．The functional modules of EM signaling trunk gateway are introduced，the EM signaling inbound flow and outbound flow are described，and the two key technologies of protocol adaptation and redundancy processing in EM signaling gateway design are implemented．The trunk gateway supporting EM signaling can be used to implement smooth access from EM trunk in private network to NGN network，can be extended to support multiple simulated agreement and meet the application requirement of private network．

Key words:trunk gateway; EM signaling; PSTN;VOIP

作者简介:张华琳( 1976—)，女，高级工程师，主要研究方向:通信系统与信息技术。沈广茂( 1977—)，男，高级工程师，主要研究方向:通信系统、信号处理。

收稿日期:2015-09-11

中图分类号:TN919

文献标识码:A

文章编号:1003-3114( 2016) 01-89-5