基于家庭基站分布式PBX的系统架构与设计

刘功民

摘要：现有IP-PBX均基于有线网络构建而无法满足用户对移动通信的需求，并且大都采用集中式控制而增加其系统瘫痪的风险。因此，该文提出一种基于家庭基站技术的分布式PBX系统即FD-PBX，依托家庭基站使其具备移动通信能力，基于Asterisk和SoC构建具有小容量的呼叫控制和交换功能的FAP使其兼具分布式系统的优点。

关键词：家庭基站；PBX；Asterisk；SoC；分布式系统

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）01-0089-02

数据通信需求的推动、IP技术的发展，同时伴随着VoIP（Voice over Internet Protocol，基于因特网的语音通信，俗称IP电话或因特网电话或IP语音）技术的成熟，各种IP-PBX（VoIP based Private Branch Exchange，基于IP语音的用户级交换机）系统层出不穷[1-3]。通常，IP-PBX系统中均设置核心部件CM（Call Manager，呼叫管理器）实现对所有IP电话的呼叫管理和控制；由于基于VoIP，以太网电话机和Soft phone[3]即软电话能直接接入该系统。然而仔细分析不难发现，依托IP使其具备了强大的数据通信乃至视频通信功能，但是仍然没有摆脱线缆的束缚，移动通信更是无从谈起；同时，CM属于集中式控制方式，一旦其出现故障，整个系统将处于瘫痪状态。另一方面，近年飞蜂窝Femtocell（又叫家庭基站）以其低功耗、高吞吐率以及通过有线宽带网络回程等优势被广泛接纳，在宽带移动通信领域，已成为解决室内深度覆盖的首选技术[4]。家庭基站典型应用系统的结構如图1所示，由图可知，家庭基站通常部署在用户家中，属用户私有。用户设备如手机、笔记本电脑等通过FAP（Femto Access Point，家庭基站接入点）实现无线连接，FAP通过用户家里的宽带线路如DSL（Digital Subscriber Line，数字用户线）、FTTH（Fiber To The Home，光纤入户）等作为其回程链路并最终接入到移动CN（Core Network，核心网）。此时用户设备所进行的移动通信承载在廉价且高普及率的Internet上，移动核心网主要提供其呼叫管理和控制功能，这与PBX有相通之处。因此，若进一步将移动核心网的呼叫管理和控制功能下移到家庭基站的FAP中，则FAP完全成为了用户家中一个独立私有的“移动通信网络”。因此，本文给出一种基于家庭基站技术实现的分布式PBX系统即FD-PBX（Femtocell based Distributed PBX，基于家庭基站分布式PBX）。

1 FD-PBX系统架构与功能

FD-PBX系统的总体架构及典型应用场景如图2所示。由图可知，FD-PBX系统基于家庭基站技术，采用FMC（Fixed Mobile Convergence，固定与移动融合）思路和分布式系统架构，依托Ethernet、DSL、FTTH等固定宽带技术实现Internet的接入，同时充分利用PLMN（Public Land Mobile Network，公共陆地移动网络）的特点和优势，最终实现企业PBX功能的移动化且将其应用延伸到企业以外的所有区域。

分析图2可知，由于能无缝兼容到原有的IP-PBX系统，使得FD-PBX系统几乎实现了现行所有方式的通信。业务类型包括语音、数据乃至视频，通信终端涉及普通固定电话机（包括在企业内部使用的和在家居区域使用的两种）、IP电话机、基于PC的Soft phone以及PDA（Personal Digital Assistant，个人数字助理）、手机等移动终端设备，通信发生的范围包括企业内部、企业分支机构、家居生活区、PLMN覆盖区以及PSTN（Public Switched Telephone Network，公共交换电话网络）等区域内部或区域之间。

2 FD-PBX设计

根据前述分析可知，FD-PBX系统功能的实现主要集中在FAP上，下面的阐述主要围绕FAP展开。

FAP其实就是一个集成了传统基站所有功能的小型基站，如TD-SCDMA（Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access，时分同步码分多址接入）系统中FAP的原理如图3所示。由图可知，FAP的原有部件已经对移动语音的射频、基带以及无线资源管理等进行了处理，因此只需要在FAP中增加呼叫接续、号码翻译、路由选择以及IP交换等原属于MSC（Mobile Switching Center，移动交换中心）的功能，而MSC的鉴权和加密、移动性管理等需要HLR（Home Location Register，归属位置寄存器）、VLR（Visitor Location Register，访问位置寄存器）、AUC（Authentication Centre，鉴权中心）和EIR（Equipment Identity Register，设备识别寄存器）配合才能完成的其他功能仍然依托其CN中的相应功能实体实现。据此思路设计的FAP，其硬件结构如图4所示。

图4中，除了SSIC（Soft Switch Integrated Circuit，软交换集成电路）及与其配套的SDRAM（Synchronous Dynamic Random Access Memory，同步动态随机存储器）和Flash Memory之外，包括各RFIC（Radio Frequency Integrated Circuit，射频集成电路）、Router（路由器）等在内的其余模块都是传统FAP的功能模块，在FD-PBX系统中，没有改动其硬件，限于篇幅不做阐述。SSIC是FAP中实现FD-PBX系统功能的核心部件，硬件上可采用OpenWRT等SoC（System on Chip，系统级芯片）芯片实现，鉴于相关的文献和工业应用均已有解决方案[1]，本文不再重复。然后在SSIC中运行Asterisk以使FAP具有呼叫控制功能和IP交换能力。同样的，Asterisk的应用已有很多成功案例[1]，限于篇幅不做阐述。endprint

3 结束语

基于固定宽带回传的家庭基站技术极大地减轻了移动回程网（backhaul）的负担，从而使得其倍受移动运营商青睐；而基于家庭基站技术的分布式PBX系统FD-PBX，通过将呼叫控制和交换功能分散到设置在用户侧的FAP中，无疑将进一步减轻移动核心网的压力。同时，FD-PBX的推广和应用，使移动运营商的业务进一步拓展到传统PBX领域，将进一步巩固其市场占有率和企业竞争力。最后，FD-PBX系统结合OpenVPN（Open Virtual Private Network，开源虚拟专用网络）技术之后，为组建常用联系人之间的家用级PBX提供了可能，将进一步增加FD-PBX系统的用户接纳度。因此，基于家庭基站技术的分布式PBX系統FD-PBX，从技术、市场到用户接纳层面均具有较好的可行性。

参考文献：

[1] Spyros Apostolakos， ApostolosMeliones， George Lykakis， et al.Design， Implementation and Validation of an Open Source IP-PBX/VoIP Gateway Multi-Core SoC[J]. International Journal of Parallel Programming， 2010， 38（3-4）：288-302.

[2] Jianfeng Zhu， Zhuang Li， Yuchun Ma. Realization of Extended Functions of SIP-Based IP-PBX[C]. Proceedings Second International Workshop on Education Technology and Computer Science （ETCS 2010）， 2010： 488-490.

[3] Sonaskar S， Giripunje S. Voice Over Intranet Based Private Branch Exchange System Design[C].2011 3rd International Conference on Electronics Computer Technology （ICECT 2011）， 2011， 6：91-287.

[4] Vikram Chandrasekhar， Jeffrey G Andrews.Femtocell Networks： A Survey[J]. IEEE Communications Magazine， 2008，46（9）：59-67.endprint