一种基于VoIP技术的半双工无线话音通信系统

2017-05-27郑磊

中国新通信 2017年9期

郑磊

【摘要】随着计算机网络技术以及电信基础网络的快速发展，VoIP技术的应用研究逐渐渗透到各个行业领域，如在电话、手机和普通四线话音设备等不同话音通信系统之间互联互通等典型应用研究，已取得了一些成果，但针对传统的军、民用地空视距半双工话音通信系统应用VoIP技术的研究相对较少。本文针对上述不足，设计并实现了一套基于VoIP技术的话音通信系统，将传统半双工电台终端接入IP网络，实现话音及信令的IP网络实时传输，支持总机对通信系统的远程控制及话音通信，可满足远程控制中心人员的远程值守，极大的扩展了的通信可达范围，具有较高的理论与实际应用价值。

【关键词】 VoIP 半双工电台远程控制远程值守

一、概述

随着IP网络的高速发展，在高效率传输数据业务的IP网络上传送话音、传真甚至视频业务已经成为必然。国内外的各大电信运营商都积极投入到VoIP技术的研发中，一方面加快了IP网络的建设，另一方面针对各种VoIP业务应用终端的开发也取得了较快的发展。

国内传统的半双工无线话音通信系统在VoIP技术应用上相对滞后，因其受既有通信体制限制，状态控制信号与语音信号均为模拟信号变量，使用专用模拟电路实现话音信号与状态控制信号接口转换，使用被覆线及中继装置实现话音及信令的远距离传输。其典型应用场景为：地面控制中心通过专用话音转换设备和话音专线与通信站建立固定话音通道，地面控制中心按照专线连接关系，使用特定通信链路进行地空话音通信。为实现地面话音长距离传输，以及适配特定的通信设备接口，需要研制專用话音传输转换设备和建立专用的通信专线，懂导致系统成本高、使用不灵活且可扩展能力不足。本文针对上述不足，设计了一种基于VoIP技术的话音通信系统，具有交联关系简单、造价低、兼容性好、布置简单且灵活多用等特点。

二、VoIP技术简介

2.1概述

VoIP（Voice over Internet Protocol）基本原理为：首先在发送端，使用语音压缩算法对原始语音数据进行压缩、编码，使用实时传输协议/实时传输控制协议RTP/RTCP对压缩数据进行处理，并使用UDP/TCP等方式将语音数据分组打包并通过IP网络进行传送。最后接收端将收到语音数据包按时间顺序进行串接处理，并将语音数据进行解码以及解压缩处理，恢复出原始语音信号，从而实现通过IP网进行实时语音通信的目的。

传统电话网是以电路交换的方式传输话音信号，所要求的话音传输固定带宽为64kbit/s。而VoIP技术是建立在IP网络上的分组化、数字化传输技术，它利用目前Internet和全球IP互联的环境，实现数字业务、话音及视频在Internet上廉价传输。

2.2 VoIP相关技术特点

作为实时业务，VoIP对时序、时延等有严格要求，为保证话务质量，主要的关键技术涉及控制信令技术、媒体编码技术、实时传输技术、QOS保障技术、网络传输技术等。[1]

2.2.1控制信令技术

信令技术的主要功能是保证语音质量和电话呼叫的顺利实现。当前被广泛接受的VoIP控制信令体系包括国际电信联盟（International Telecommunications Union， ITU）的H.323系列和因特网工程任务组（Internet Engineering Task Force，IETF）的会话初始化协议（Session Initiation Protocol，SIP）。

1、H.323。H.323标准是ITU-T制定的IP 网络上进行音频、视频和数据等多媒体信息通信的协议标准，它的主要功能是为局域网、广域网、企业内部网和互联网上的多媒体通信提供技术基础支持。它在各种设备之间、上层应用之间和供应商之间进行交互操作。另外，它支持组播、带宽管理和多点功能，不受操作系统、网络结构和硬件平台的束缚，能支持不同功能节点之间的会议，灵活性强。

2、SIP。SIP 协议是一个会话层的信令控制协议。它只提供建立、维护及结束进程信息的功能，没有媒体控制功能。SIP提供的建立和结束会话的功能有用户定位、用户能力、用户可用性、呼叫建立和呼叫处理。只要通过这五种SIP功能就可以完成一次会话。

2.2.2媒体编码技术

媒体编码技术是VoIP技术能够实施的重要保证，其在节省网络带宽的同时，又能保证突发传输、链路产生误码和网络抖动时的语音仍具有很强的健壮性。目前VoIP通信使用由国际电信联盟ITU建议的应用于低速率多媒体服务中语音信号的压缩编码算法技术，常见的有G.723.1，G.729、G.729. A 等。G.723.1有两种速率：5.3kbps 和 6.3kbps，其话音质量好，是目前已标准化的最低速率的话音编码算法。G.729采用的是8kbps的CELP压缩技术的语音编码算法，G.729.A主要是在G.729基础上降低了运算复杂度。[2]

2.2.3实时传输技术

实时传输技术主要采用的是实时传输协议RTP。RTP主要包括两个部分，分别是数据和控制。其中，后者被称作实时传输控制协议RTCP。RTP在分组中提供了三项内容：一个序列号，允许接收端将进入的分组按照正确的方式排列，同时检测出丢失的分组；二是一个时间戳，允许接收方按媒体流中正确的时间播放正确的分组；三是一系列源标识符，这一功能是使对方知道知道数据的来源。

2.2.4 QOS保障技术

VoIP作为一种实时应用，对服务质量QOS要求很高，它在延迟和抖动的控制、分组丢失等方面的作用将影响网络提供更高优先服务的能力。目前广泛采用的提高QOS的方法有资源预留协议（Resource Reservation Protocol， RSVP）以及进行服务质量监控的实时传输控制协议。RSVP具有减少时延的作用，它要求每台设备在参与VoIP 业务时都必须预留必要的资源空间来保障业务质量；抖动问题一般是在接收端增加抖动缓冲区来解决的。前向纠错法（Forward Error Correction，FEC）用来解决分组丢失问题。

2.2.5网络传输技术

网络传输技术主要有传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP，另外还包括网关互联技术、网络管理技术、安全认证和计费技术、路由选择技术等。在实际应用中，可采用UDP或者TCP与RTP相结合的方式传输语音数据，确保语音数据实时稳定地传输。此外，采用RTP协议将多路话音插入话音数据段中，可有效解决VoIP话音分组开销大的问题，提高语音传输效率。

三、系统方案

3.1系统架构

本文所设计的基于VoIP技术的半双工无线话音通信系统，使用接口适配装置实现半双工电台接入IP网络，其语音信号机状态控制信号均转换为IP 数据，能够采用现有已广泛部署应用的IP网络实现半双工电台的话音信号和状态控制信号在网络上传送。系统框图如图 1所示，其主要由远程基站、IP网络、远程控制中心三部分构成。其中，各部分设备组成及主要功能描述如下：

远程基站：主要由半双工电台终端、电台适配器及状态控制处理器组成，完成地面有线话音与对空无线话音之间的转接，同时接受远程控制中心的远程监控；

IP网络：依托广泛部署的电信运营IP网络，在远程基站与远程控制中心间传输IP话音包以及状态控制数据等；

远程控制中心：主要由虚通道建链及网络传输组件、远程控制界面及监控服务器构成，完成对远程基站的监控以及音频信号的发送与接收。

系统工作原理描述如下：

接收过程：半双工电台终端通过外部天线接收无线信号，经处理后经模拟线路输出给电台适配器，电台适配器负责话音数据的IP化转换，同时状态控制处理器同步处理状态控制数据，将这些数据分别传送到IP网络上，通过IP寻址方法定位到远程控制中心相应的控制台。控制台接收信号后会经过相同的方法将状态控制信号或话音信号发送到相应的席位供操作员收听，同时在电台控制端显示话音来电信息等状态数据。

发射过程：远程控制中心操作员通过电台控制端调整半双工电台的工作参数与通信对象匹配，并建立通道连接，通过PC机音频输入设备完成话音输入及发射状态控制。PC机上驻留的音频处理软件完成模拟话音以及控制信令的IP化转换，将这些数据分别传送到IP网络上，通过IP寻址方法定位到远程基站，远程基站内部的电台适配器完成IP话音及发射信令的模拟转换，送半双工电台终端发射，同时状态控制处理器负责电台工作状态的监控并通过IP网络将状态数据上报远程控制台。

3.2功能组件设计

系统功能组件主要包括：半双工电台终端VoIP接口组件、虚通道建链及网络传输组件、远程控制界面及服务器等。

3.2.1半雙工电台VoIP接口组件设计

半双工电台VoIP接口组件负责把传统的半双工话音通信电台转换为一个IP终端接入到IP网络。

半双工电台的信号分为低码率编码的状态控制信号，以及占用固定带宽的模拟话音信号。由于IP网络传输的是数字信号，因此必须经过话音适配器将模拟信号变为数字信号。另外，半双工电台的状态控制接口与网络接口不匹配，因此状态控制信号必须经过状态控制处理器才能实现通信。

1）电台适配器

电台适配器是网络接口与普通模拟话音接口间的桥梁，其工作原理如图 2所示，主要包括：

接收状态：负责接收半双工电台的模拟话音信号，经采样、AD后转换为数字信号，再采用G.723.1标准的语音压缩算法完成话音压缩处理，然后按TCP/IP协议及RTP/RTCP协议标准封装成RTP话音包，通过网络接口将话音信号发送到IP网络上。

发送状态：话音数据从IP网络接口到半双工电台音频接口的处理是相逆过程，且在该过程中，进行语音状态检测，以此产生半双工电台终端无线发射所需的PTT信号。本系统采用的语音状态检测算法选取短时能量和短时过零率作为检测算法的参数，属于时域的检测方法。通过该检测算法，能够有效剔除静音片段，避免引起长时间PTT有效的现象。[3]

2）状态控制器

状态控制处理器主要完成网络接口与半双工电台终端接口之间的控制状态信号接口转换。状态控制处理器原理见图4所示。

状态控制处理器主要是通过软件编程，实现半双工电台接口与IP分组之间的通信。控制状态信号经过IP网络，传送到控制状态处理器，其将接收到的信号处理后转发给半双工电台接口，完成网络接口与半双工电台接口的通信。状态控制处理器软件编程主要涉及到网络套接字和串口通信。

3.2.2虚通道建链及网络传输模块

1）虚通道建链设计

本系统是基于IP网络对半双工电台终端控制，不是通过传统模式的固定点到点线路，没有固有的话音通道。在进行话音传输前，需要使用VoIP的信令控制技术，通过IP网络在远程控制中心的送话器与远程基站的电台间建立虚拟通道。

远程控制中心人员通过远程控制界面进行拨号，拨号建链过程可使用得控制信令有H.323和SIP两种协议，与H.323相比，SIP仅作为初始化呼叫控制，而不传输媒体数据，其造成的附加传输代价不大；SIP的URL（地址）甚至可以嵌入到Web页或其他超文本链路中，用户只需用鼠标一点即可发出一个呼叫，此外SIP还有建立呼叫快，支持传送电话号码的特点，便于灵活部署。因此，本系统选择SIP协议作为虚通道建链控制信令。[4]

在建链操作之前，按照SIP协议标准规定，需要对半双工电台分配唯一确定的电话号码，并且电话号码与IP地址的映射具有唯一性确定性。本系统编码规则是：电话号码=基站+设备机号，来完成对电话号码与IP地址的映射。远程控制中心人员拨打号码，就能与相应的半双工电台终端建立呼叫。呼叫建立成功后，就能对半双工电台进行控制，或与之进行话音传输。

2）网络传输

IP电话网络传输技术主要涉及到TCP/IP协议。UDP和TCP属于TCP/IP概念模型中的传输层范畴。主要作用：一是为其上层应用层提供传输服务标准，二是提高下层网络层的服务质量。虽然同为传输层协议，但UDP和TCP却又很大差异。UDP是用户数据报协议，TCP为传输控制协议，后者比前者复杂很多，但同样也是当前网络采用的主流协议。

UDP更适合音频数据的传输，TCP需要等待接收端的应答，使话音数据不能及时的发送给接收端，会造成难以避免的延时和数据的无法接收。

本系统仍旧采用TCP作为网络传输的协议，主要原因包含以下几个方便：

1.UDP传输数据时，如要遇到网络堵塞，会将数据报丢失，并对丢失的数据报没有重发机制；

2.使用UDP作为网络传输层时，接收端通常是无序的，但TCP拥有编号机制可以将数据重新组合；

3.对状态控制信号来说，TCP协议最为合适。使用TCP传输状态控制信心，能确保其传输的正确性；

4.UDP对时间延迟有很强的敏感性，却对传输中产生的错误具有一定容忍度。本系统设计预期为可用于安全监控，需要时刻监听用户认定的重要信息，不能容忍一点差错，更不能将数据包丢失。同时，在当前宽带已成为上网主流的环境下，网络质量较好，不容易出现网络堵塞情况。综上，在可以容忍一定延时的情况下，可使用TCP协议。

3.2.3远程控制界面

远程控制界面软件部署在远程控制中心的PC机上，通过对人机交互界面的操作，完成对半双工电台的参数控制调整及与其之间的话音通信。

远程PC机提供图形化人际交换界面，界面示意图见图4所示，可对远程控制中心设备及远程基站提供实时监视。操作人员通过对控制界面的操作，实现半双工电台的工作参数进行调整，显示实时显示当前半双工电台的工作状态。同时，通过远程PC机控制界面，可以与半双工电台终端建立呼叫并与之话音通信。另外，用户能够根据通信占用情况，有目标的对半双工电台终端进行通信。