一种综合业务接入终端的设计和实现

吴晓晶 郑江玥

摘  要：文章提出了一种基于IP的语音、传真、数据业务的综合业务接入终端实现方案。该方案采用无阻塞电路交换叠加IP数据交换的系统架构，电路交换采用无阻塞时分接续网络，IP数据交换采用三层硬转发和基于SIP的软转发，通过支持E/M信令、中国NO.1信令和SIP信令等多种呼叫信令以及支持ITU-T G.711a、G.729、G.723.1等多种语音编码，最终实现多种业务的接入，本地128线语音用户的接入和基于IPv4 ToS和DiffServ的业务优先级服务。

关键词：电路交换;IP交换;SIP;电路仿真

中图分类号：TN915.05      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）05-0076-07

Design and Realization of an Integrated Service Access Terminal

WU Xiaojing，ZHENG Jiangyue

（Guiyang Vocational and Technical College，Guiyang  550081，China）

Abstract：This paper proposes an integrated service access terminal scheme based on IP voice，fax，data service. The scheme adopts the system architecture of non blocking circuit switching and IP data switching. The circuit switching adopts non blocking time division connection network，and the IP data exchange adopts three-layer hard forwarding and SIP based soft forwarding. By supporting E/M signaling，China No.1 signaling，SIP signaling and other call signaling，and supporting ITU-T G.711a，G.729，G.723.1 and other voice coding，it finally realizes multiple services access，local 128 line voice user access and service priority service based on IPv4 ToS and DiffServ.

Keywords：circuit switching;IP switching;SIP;circuit simulation

0  引  言

综合业务接入终端在系统架构上主要分为综合接入单元（IAD）和接入网关单元（AG），属于软交换网络中的接入层面，主要功能是将多种业务终端统一接入到IP网络之中，从而使各不同的业务IP交换网络中以以太网数据包的形式得以实现。IAD充分发挥了IP技术的各项优点，并且兼顾了原有的PSTN电路交换的业务特性，实现了传统PSTN向NGN网络的平滑过渡，为客户的业务开展和网络建设与升级提供了最为适中的方案。

1  硬件设计方案

综合业务接入终端由数字时分交换单元、图像业务处理单元、IP交换单元、维护管理单元、电路仿真单元、电源单元六大部分组成。设备采用分布式管理，单元间采用串行通信方式协调工作，硬件组成框图如图1所示。

1.1  图像业务处理单元

图像业务处理单元主要由应用处理单元、音频接口单元、视频接口单元、数据传输单元、控制单元、对外接口单元、供电单元组成，如图2所示。

各单元的主要功能为：

（1）应用处理单元：用于完成多路多协议音视频编解码、模块整体控制功能。

（2）音频接口单元：用于实现多路音频采集的功能。

（3）视频接口单元：用于实现多路视频采集的功能。

（4）数据传输单元：用于将编码数据经多功能IP交换平台传输至其他终端。

（5）控制单元：通过串口接收和处理显示控制单元发送的控制指令。

（6）对外接口单元：提供扩展存储、串口、USB接口等。

（7）供电单元：实现外部电源的接入保护、系统内部各功能单元的电源分配。

1.2  IP交换单元

IP交换单元是集VOIP、交換为一体的单元板，支持系统内的语音业务调度的功能，支持与其他IP网络交换互通。IP交换单元支持SIP，RTP协议，支持多种语音编解码，通过网络交换模块实现与系统内其他模块的数据交换，也可将IP数据与其他网络进行交换。

IP交换单元主要由CPU、语音处理DSP和网络交换芯片构成。IP交换单元功能框图如图3所示。

CPU是中央处理部分，是系统的主控制器，负责各种任务的执行，调度，对外围硬件的控制等。

CPU主要作用在于：

（1）实现嵌入式系统的稳定运行，为应用程序提供良好的支撑平台。

（2）实现协议栈的处理。支持tcp/ip、sip、rtp等各种网络协议，是语音数据能够在网络中有效地传输。

（3）完成所有与呼叫有关的资源管理、呼叫管理、业务处理等工作。

DSP主要完成语音编解码转换，将模数转换后的PCM编码的音频信号进行语音的压缩编码转换成RTP包格式的PayLoad（有效数据净荷），编码格式可以选择G.729、G.726等。编码后，将4个压缩的帧合成一个压缩语音包送入网络处理器。

本方案中DSP与CPU之间通过HPI接口连接，主要负责传送CPU与DSP之间的控制消息和网络数据包。DSP与处理器结合使用将用户接口模块转换的PCM信号加工处理成网络数据包。其主要处理内容包括：话音检测/生成、回声消除、话音压缩、话音活动检测、网络延迟、丢包、抖动处理、打包等。

网络交换芯片将经过CPU封装和打包后的音频数据，根据目的地址转发到对应的端口上，实现多个以太网用户的语音业务的接入。

1.3  数字时分交换单元

数字时分交换单元是综合业务接入终端重要组成部分，对外提供8路二线电话用户接口、8路四线模拟中继接口、4路模拟中继接口、1路E1中继接口的接入，具有语音交换、数字会议、电话调度、完成No.1信令的处理、多频互控信号（MFC）控制、接受设备网络管理等功能。它由CPU单元、数字交换矩阵单元、话音数据复分接单元、PCM编解码单元、信令处理单元、二线电话接口模块，E1中继接口模块和模拟中继接口模块共同组成。硬件框图如图4所示。

CPU单元是主要围绕芯片MPC8280构建的系统，它是基于32位RISC核的嵌入式处理器，从而为低功耗、低成本、高性能等宽范围应用提供一个单片解决方案。它具有丰富的系统与应用外设合可配置接口，可配置成SCC、SMC、Ethernet、调试口、SDRAM、FLASH、JTAG、BUS总线等多种接口应用使用。

话音数据复分接单元主要完成数字话音交换、信令发送和检测接收功能。它主要由FPGA来实现。E1接口单元传送过来的数据经过话音数据复分接单元提取和分离之后，首先进行时钟的调整，然后话音业务进入数字交换矩阵单元进行时隙交换。同理，PCM编解码单元传送过来的数据经过话音数据复分接单元，进行时钟的调整，进入数字交换矩阵单元进行时隙交换。信令处理单元采用HDLC（HighOlevel Data Link Control）协议，采用FPGA实现HDLC协议，在实现上相对成熟和灵活，可以根据系统需求配置HDLC接口，是一种开放性的实现方法。

二线电话接口电路由测试电路、过压保护电路、振铃电路、馈电电路、监视电路、2/4线变换电路和PCM编译码电路组成，接口阻抗为600 Ω。

模拟中继接口模块由测试电路、过压保护电路、环路保持电路、监视电路、2/4线变换电路和PCM编译码电路组成，接口阻抗为600 Ω。

四线模拟中继接口模块是一种程控电话交换机（PBX）常用的硬件接口，采用E&M中继信令的四线模拟中继接口实现话音、信号通道的分离，这种方式便于与其他复用方式和信号方式的传输线路进行适配。E&M接口分为二线E&M和四线E&M两种。在它上面，信息与接续信令是分开的。信令采用20 mA电流环的方式。其中，信息线可约定为AB线（两线E&M）、ABCD线（四线E&M）;信令线为E线/M线（两线E&M）、E0 E1线/M0 M1线（四线E&M）。在EM对接的过程中，要求采用相同的发号方式和信令接口方式。

1.4  电路仿真单元

电路仿真单元提供了在以太网上传输TDM业务的有效的方式，通过将TDM业务适配成IP网络中的业务类型，实现不同接口业务在以太网中的传输。电路仿真单元是在以太网交换网络中，向终端用户提供与原有电路交换相同的TDM的接口（T1，E1等）。这种处理方式对用户来说是透明无感知的，因为在使用过程中这种TDM的服务和其他标准的TDM是一样的。电路仿真单元框图如图5所示。

接口单元包含E1接口、V.35接口、RS422接口以及以太网接口。以太网接口模块主要完成接口电平的转换，工作模式和速率的自适应。RS422接口模塊和V.35接口模块主要完成接口电平转TTL电平的功能。

TSP是TDM服务处理单元，主要是在TDM域中连接两个TDM域的数据接口：TDM业务接口和CES TDM接口，两个接口传输的数据都是TDM数据。TDM服务接口所传递的业务流是直接接收来自用户或TDM网络运营商的，是最原始的TDM业务。电路仿真服务接口（CES TDM接口）所传输的数据是在两个IWF之间真正需要仿真的数据流，即经过复用或截断的TDM数据。

TSP可以以两种方式处理TDM业务：结构化仿真和非结构化仿真。对于非结构化的TDM业务，TSP会将从TDM业务接口收到的数据直接提交给CES接口。此时，在IWF之间仿真的完整的数据流，包括帧结构、包头信息。对于结构化的TDM服务，TDM服务接口从终端用户接收的业务会经过由TSP处理，再交由IWF进行仿真。一个结构化的TDM业务可以分解成一个或者多个CES流，同样的，两个或者多个结构化的TDM业务可以组合成一个CES流，这些工作都是在TSP总完成。

CES IWF是电路仿真互联功能单元，用于提供TDM服务和以太网之间的接口功能，负责为TDM业务加入可以识别的帧头，而EFT负责将CES IWF封装过的数据加上以太网帧头。以太网像传输其他所有数据一样传输这些经过封装的TDM数据。两个CES IWF之间使用点到点的以太网虚连接（EVC）进行互连。电路仿真服务在分层网络模型中是被定义在应用层的服务，它使用以太网作为两个TDM网络间的中间网络，因此CES IWF的主要是将CES应用层承载到以太网。

CES IWF负责实现所有的仿真功能，如：数据包的封装和解包（包括在数据的最后加零，以满足以太网的最短长度）、编号排序、同步、TDM信令、告警的性能监控。

ECDX是仿真电路的复用/解复用单元，这部分工作是在分组交换域中完成的，其主要功能是：根据从以太网中收到的数据包包头中的仿真电路标识符（ECID），将数据包发送到一个或多个IWF中;

为每个以太网帧都设好一个ECID，使之可以在对端有足够的信息解复用;

为每个以太网帧分配长度和类型。

通过这种方式，可以将多路的TDM业务封装到一个EVC当中，每一路业务都通过唯一的ECID进行标识。ECDX检测每一帧的ECID，并与本地分配给IWF的ECID进行比较，根据这个比对结果，ECDX可以将收到的电路仿真数据交给相应的IWF进行处理。

EFT是以太流终结单元，具有终结以太流的功能。将由之前若干各模块封装过的数据加上以太网头，送入以太网中进行传输，主要工作过程是：首先在入口端，从用户网络接收可以发送的数据，这个数据一定要满足系统的接口规范;然后加入额外的信息，可以方便地监控这些数据包;最后在出口处，使这些数据恢复成对端系统要求的数据格式。

在这里输入端的IWF接收从ECDX发过来的数据（此时已加上了Length/Type信息，通过这一域，标识这一个帧是CES数据帧），再加上源、目的MAC地址和帧的校验序列，就可以在以太网上进行传输了。输出端的EFT则是从以太网上接收数据帧，根据Length/Type信息判断是否是CES帧，如果是CES帧，则将其传给ECDX，然后再根据合适ECID将数据传给相应的IWF。

在一个仿真电路的每一个方向上都有一对CES IWF。以太网侧IWF，将TDM数据从封装成以太网帧，并将数据帧发往以太网;电路仿真侧IWF，则将TDM数据从以太网帧中提取出来，并重塑TDM业务的结构。

1.5  维护管理单元

维护管理单元支持SNMP网管协议，可远程配置维护。内置本地WEB网管，方便开局配置与后期维护。维护管理单元与数字时分交换单元、图像业务处理单元、IP交换单元互通，将各种系统、接口参数配置到综合业务接入终端中，显示综合业务接入终端各种工作状态。

1.6  电源单元

电源单元为整机各部分供电，它有二种供电方式：220 V交流供电、24 V直流供电、综合业务接入终端的各功能模块独立供电，通过电源管理对各单元供电分别进行控制，实现产品低功耗。电源单元示意图如图6所示。

电源单元的各个模块功能为：

（1）电源适配器将交流220 V变换为24 V的直流电压，给主机供电。

（2）DC/DC电源模块可以接收18 V～32 V直流输入电压，将其转换为3.3 V，+5 V，-5 V满足综合业务接入终端所有功能正常运转的需要。

（3）电源监测发现过压、过流、欠压等故障时，故障指示灯亮，提示操作人员对电源板进行维修。

（4）电源板具有防极性反接和过压保护电路、抗电磁辐射滤波电路。

2  软件设计方案

根据综合业务接入终端功能多样化的要求，综合业务接入终端软件由数字时分交换处理软件、图像业务处理软件、电路仿真处理软件和软交换处理软件组成，如图7所示。

2.1  数字时分交换处理软件

数字时分交换处理软件与维护管理部分采用串口通信。完成语音交换、数字会议、电话调度、No.1信令的处理、多频互控信号（MFC）控制、接受设备网络管理等功能。

根据综合业务接入终端话音处理软件所处的位置及其功能需要，将话音处理软件划分为：呼叫控制软件、No.1信令处理软件、维护管理软件、操作系统支持软件等组成。

操作系统支持软件负责调度运行在CPU上的各个任务，提供系统级支持。

维护管理软件主要功能为：

（1）负责任务之间消息的发送与接收。

（2）为各任务提供定时器服务。

（3）提供串行通信服务和串行通信数据转发服务，完成CPU之间的通信。

（4）管理硬件资源，根据硬件的使用情况，进行休眠、关闭和唤醒、啟动服务。

（5）为信令软件和呼叫控制软件提供硬件控制接口，包括呼叫连接建立以及硬件初始化等。

No.1信令软件完成与PSTN的No.1信令互通功能，完成线路信令的处理。线路信令主要用来监视和改变E1中继线路上的呼叫的状态和条件，主要功能包括主叫摘机占线、被叫应答、被叫挂机（后向拆线）和主叫挂机（前向拆线）四种情况的识别检测，并相应地改变线路空闲或占用的状态。记发器信令主要完成被叫号码（长途区号、局号、用户号）、主叫号码、主叫用户类别、发端业务类别以及接续控制等相关信令。记发器信令的传输一般采用互控方式（MFC）进行。一个互控周期分四个节拍。第一个节拍主叫端发送前向信号;第二个节拍被叫端收到前向信号，回送后向信号;第三个节拍主叫端收到后向信号，停发前向信号;第四个节拍被叫端收到前向信号，停发后向信号。

呼叫控制软件主要功能为：

（1）进行呼叫过程控制。

（2）进行号码分析、路由和链路选择。

（3）进行话务统计。

（4）协调并控制各信令处理软件，完成普通呼叫、会议呼叫等。

2.2  软交换处理软件

软交换处理软件是综合业务接入终端软件的重要组成部分，它完成综合业务接入终端上涉及IP数据业务的软件处理。主要包括：板级支持软件（BSP）软件、底层驱动支撑软件、TCP/IP协议栈、SIP呼叫处理软件。

各软件模块功能为：

（1）BSP软件：作为硬件与操作系统软件的隔离层，负责将硬件调用映射到操作系统的接口，对操作系统屏蔽硬件目标板的细节，使得操作系统不需要任何修改就可以运行于该目标板上。VxWorks操作系统在使用时需要根据硬件系统来编写BSP部分软件，要根据软件的功能需求来决定对VxWorks系统的剪裁。通过这些处理后，就能构造出适合本机软件需要的操作系统。

（2）底层驱动支撑软件：完成针对底层硬件输入输出接口、存储器、适配器等部件的驱动，为高层应用提供接口，包括以太网接口的驱动软件、K接口的驱动软件、A接口的驱动软件。

（3）TCP/IP協议栈：负责IP数据的询路、转发、地址解析等功能。TCP/IP协议栈是一组计算机通信协议的集合，目的是允许相互合作的计算机能够通过网络共享彼此的资源。而IP协议是其中最为核心的协议，所有的TCP、UDP、ICMP以及IGMP数据都是以IP数据报的形式传播的。

（4）SIP呼叫处理软件：该模块由两部分组成，即语音信令处理模块和语音媒体处理模块。语音信令处理模块采用SIP协议栈实现，主要负责话路控制和语音通道的管理。它根据协议栈对消息信令的解释控制打开或关闭DSP通道，改变数据传输方式。还根据系统中各种电话管理音的配置，控制DSP的生成音的断续时间，从而产生需要的拨号音、忙音等管理音。目前市面上有很多成熟的SIP信令协议栈，它与TIU、CCU以及TCP/IP网络协议栈都有接口，是语音信令的核心模块。语音媒体处理模块主要负责语音数据流的传输，主要协议为RTP/RTCP协议。

2.3  图像业务软件

图像业务处理模块软件框架由主控模块软件和应用模块软件两部分组成。主控模块软件采用开源的Linux2.6.28操作系统平台，应用模块软件包含音视频编解码软件、数据传输软件和应用控制软件。

主控模块软件运行于海思半导体公司自主研发的视频编解码专用处理器Hi3531芯片上，以开源Linux2.6.28系统为平台，在音视频SDK上开发专用应用软件。主控模块软件按层次可划分为内核空间和用户空间，内核空间包括内核和设备驱动;用户空间包含应用程序、多路多协议音视频编解码库。

应用模块软件主要由音视频编解码软件、数据传输软件和应用控制软件组成。

音视频编解码软件主要是完成多路多协议音视频采集、编码、解码和显示功能。该软件包含有编码和解码两个过程，分为音视频采集线程、编码线程、解码线程和显示线程，四个线程之间通过信号量进行消息传递。

数据传输软件主要完成编码后的多路音视频数据打包解包和传输功能。该软件包含发送和接收两个线程，发送线程按数据格式进行打包封装，根据约定的网络协议发送至目的终端;而接收线程则完成多路数据的拆包解析交给解码线程进行处理。

应用控制软件主要功能是通过串口接收和处理显示控制单元发送的控制指令。该软件接收显示控制单元发送的命令，处理后发送反馈信息，根据命令来控制音视频编解码和数据传输过程。

2.4  电路仿真处理软件

电路仿真处理软件分为成帧模块和传输模块两部分。

成帧模块完成TDM业务与以太网数据包之间的适配。适配过程中，首先保证适配后的数据包满足以太网链路上的传输要求，其次便于接收端的识别和提取，最终确保数据的有效性。上述过程可以通过两个步骤实现：以太服务层处理和匹配功能层处理。其中在匹配功能层的处理过程中，为每个TDM业务提供一个标识，用于表示业务的唯一性，当两端有多路TDM业务接入时，可以通过标识告诉对端该数据所属的TDM线路。以太服务层处理过程中，主要为TDM数据添加对应的源MAC地址、目标MAC地址，使之可以在以太网中进行传输。

传输模块完成基本的点到点、固定速率传输的TDM线路服务功能。当系统传输N*64kbps的业务，N较小时，这种业务所需要的带宽相对较小，但是如果以太网的最小带宽分配的额度为1Mbps时，这将会产生很大的无效带宽。传输模块首先对数据流进行复用，将多个E1线路封装成一个E3服务，由此产生一个点到多点，甚至是多点到多点的传输方式。传输模块通过标准的TDM对这种服务进行分插复用。最终完成在一个较大容量的以太网中，有效地传输低速语音业务。传输模块的传输服务有三种方式：非结构化的传输方式、结构化的传输方式、多点复用的传输方式。

前两种模式是主要针对点到点的连接，最后一种是多点到点或者多点到多点的模式。

非结构化的传输方式将数据看作一定速率的位流。以8bit为基本单位从TDM位流中按顺序截取分组数据包的有效载荷。对于E1电路，对应1ms的数据流，分组数据包的长度为256Byte。在此过程中，TDM业务信令被透明传输，无须信令协议转换即可TDM业务的传输。

结构化传输方式通过TDM当中定义好的时隙，通过帧同步，从数据流中提取出帧结构中的固定位（如DSl的F位），然后按照协议顺序将每个时隙的信息添加到分组的有效载荷内，后面紧接着是下一帧的同一时隙信息，以此类推。当有效的载荷填充完成后，再根据相关信息添加一个分组头，添加完成后将该分组发送到分组交换网络中。对于256Byte的E1电路，有效载荷一般包含约八帧TDM数据。

3  结果与分析

根据上述硬件和软件方案，实现了一种综合业务终端，能够支持话音、IP数据业务的接入。设备支持数字时分电路交换和软交换，实现本地传统用户与IP电话用户之间的语音和数据交换。本地电路交换采用无阻塞时分接续网络，实现全自动数字交换，本地用户数最大为128线。可以通过基于IPv4 Tos和DiffServ服务来支持IP语音业务，通过IEEE802.1P、IEEE802.1Q VLAN来保证语音优先级。语音编码方面支持多种语音编码，如G.711a、G.729、G.723.1等。网络协议方面支持TCP/IP、ICMP、ARP、HTTP、RTP/RTCP网络协议，支持网络组播协议（IGMP）。呼叫信令方面支持E/M信令、中国NO.1信令和SIP信令。

4  结  论

本文根据当前IP网络逐渐普及的现实需求出发，提出了一种多网融合的综合业务终端，该终端能够很好地实现传统话音用户与IP话音用户之间的融合，使传统话音用户无感知地接入到IP网络，有效降低传统话音过渡到IP话音所需要的基础设施成本和建设周期。

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作者简介：吴晓晶（1984—），女，汉族，广东揭阳人，讲师，本科，研究方向：电子与通信;郑江玥（1990—），女，汉族，浙江丽水人，讲师，本科，研究方向：信息技术。