一种基于电话终端的宽窄带自适应方法

邓勇

摘要：恶劣的线路环境是电话通信的最大障碍，迫切需要安全可靠、适应性强的电话终端，为用户提供稳定优质的呼叫连接服务。通过对语音通信网络宽窄带切换的研究，设计了一种支持宽窄带自适应的电话终端实现方案。在呼叫控制中心采用号码绑定机制，保证宽窄双线接入网络，利用链路实时检测和网络质量分析，为语音呼叫的链路选择提供依据，最大程度地保证语音通话服务的可靠性，有效解决了单一网络线路不稳定的问题，对方案的可用性进行测试评估。

关键词：公共交换电话网络；IP多媒体子系统；语音通信；宽带；窄带；自适应

中图分类号：TN915.08文献标志码：A文章编号：1008-1739（2023）04-60-4

0引言

今天，随着互联网的普及和电话通信技术的快速发展，传统的公共交换电话网络（Public Switched Telephone Network，PSTN）窄带网络正在向以IP多媒体系统（IP Multimedia Subsystem，IMS）为代表的宽带网络转型[1]，呼叫终端也正由单一的双绞线接入模式，逐步发展为标准的宽带接入模式。然而，由于PSTN等窄带通信技术具备稳定、可靠的性能特征，在某些电话通信领域仍然发挥着不可替代的作用。

比如，电话服务质量通常是根据服务供应商的网络鲁棒程度来测量。其中，服务可用性是重要的指数之一。PSTN的可用性指数可以达到99.999%，事实上可能更多。而目前的宽带网络，由于共享链路的特性，决定了这种基于包的技术将在语音流中引入延时，基于IP的语音传输（Voice over Internet Protocol，VoIP）语音传输和语音压缩技术的结合，同样不可避免地带来语音质量的降低，从而导致其服务可用性指数可能降到“四个九”或者“三个九”。另外，包括对供电系统的依赖程度、可靠性和稳定性等要素，与传统的PSTN窄带网络相比，都要有所降低[2]。

近年来，在电话通信网络领域，国内外的研究方向主要集中于2个方面：一是提升宽带网络的交换能力，为用户提供高质量、有服务质量（Quality of Service，QoS）保证的网络性能[3]；二是发展智能终端技术，满足用户不同场景的应用需求。然而，对于可靠性要求较高的电话通信系统，提出一种支持宽窄带双线接入的电话终端，解决单一网络线路不稳定的问题，为用户提供稳定的语音呼叫连接服务，在该领域内研究较少。本文的第1节介绍了影响电话通信安全的主要障碍；第2节设计了一种支持宽、窄带自适应的呼叫终端，重点描述终端的软硬件实现方案，以及宽窄带自适应的关键流程；第3节制定了测试方案，对设备可用性进行测试评估；最后一节对全文进行总结。

1问题描述

在对可靠性要求较高的电话通信系统中，恶劣的线路环境是电话通信安全的最大障碍。典型如军事通信环境，部分地区仅存在窄带网络，部分地区仅存在宽带网络，部分地区窄带、宽带网络并存，但性能却不稳定。基于电话终端的宽、窄带自适应技术主要解决以下问题：

①解决电话终端的适应性问题，确保电话终端设备在宽、窄带线路二者具备其一的情况下接入电话通信网络，防止单一的通信线路意外中断，话机终端无法接入网络的情况。

②在宽、窄带同时具备接入网络的前提下，呼叫终端可以根据线路实时情况，选择当前稳定可靠的链路发起呼叫连接，为用户提供最优质的通话服务体验。

③减少用户桌面的话机数量，降低部署成本，提高使用效率。

2总体设计

本文提出了一种基于电话终端的宽、窄带自适应方案。在物理接口上，电话终端提供以太网接口、F接口2种形式。在呼叫控制中心，通过号码绑定机制，将宽带号码、窄带号码进行绑定，保证呼叫终端能够双线接入电话通信网络。电话终端内部，通过链路实时检测技术，掌握宽、窄带链路当前的网络质量，择优选取最优质的通信链路发起呼叫连接，为用户提供稳定、可靠的电话呼叫服务。

2.1硬件设计

电话终端硬件由接口单元、音频单元、适配单元和主处理器单元组成，硬件设计如图1所示。

主处理器单元是电话终端的控制中心[4]，支持宽、窄带双信令协议栈，主要实现宽窄带链路的实时检测与状态管理、语音芯片控制与媒体业务处理、电话管理和呼叫控制等功能。适配单元通过媒体独立接口（Media Independent Interface，MII）与处理器单元相连，通过外部存储器控制器（External Memory Controller，EXMC）接口与接口单元相连，是实时语音调度的中心，主要完成宽、窄带媒体的适配和语音业务的实时处理，以及环路信令的识别与检测、实时语音的排序与补偿等功能。接口单元由以太网接口模块、F接口模块和FPGA组成，主要完成以太网与F接口接入、宽窄带业务数据处理、窄带数据串并转换和时钟提取等功能。音频单元采用专用语音芯片实现话音采集、线性转换和播放功能，对外挂接手柄、免提等部件。

2.2軟件设计

根据设备硬件架构，电话终端软件主要由主处理器软件、适配单元软件组成，软件模块设计框图如图2所示。

步骤⑤：将网络损伤仪配置为5%的随机丢包率和延时，利用语音质量分析仪测量A、D、E区的通话语音质量。

步骤⑥：将网络恢复原状，E区的自适应终端手动配置为双线接入的窄带工作模式。

步骤⑦：在B区的位置4、C区的位置5和E区的位置6部署网络损伤仪。在网络下行方向，利用网络损伤仪配置3%的随机误码，模拟窄带链路性能下降的情况，利用语音质量分析仪测量B、C、E区语音通话的MOS值。

步骤⑧：将网络损伤仪配置为5%的随机误码，利用语音质量分析仪测量B、C、E区的通话语音质量。

3.2测试结果分析

通过步骤①～②可以发现，自适应终端在宽、窄带线路二者具备其一的情况下，均可正常接入语音通信网络，环境适应性更强；而且能够有效减少用户桌面的话机类型，提高使用效率。

通过步骤③可以发现，在网络状况良好的情况下，自适应终端与通用宽、窄带终端的语音质量基本相当，不影响用户的实际体验。

在步骤④～⑤中，支持宽带接入的A、D、E区终端，在不同丢包率的情况下语音质量MOS值如表1所示。可以发现A区、D区随着网络性能的下降，通话质量下降明显，E区自适应终端在丢包率为3%时，自动切换为窄带工作模式，语音质量基本保持不变。

在步骤⑦～⑧中，支持窄带链路的B、C、E区终端，在不同误码率的情况下语音质量MOS值如表2所示。可以发现B区、C区随着误码率的增大，通话质量同样下降明显，E区自适应终端在误码率为3%时，自动切换为宽带工作模式，语音质量基本保持不变。

综上可知，在网络状态良好的情况下，宽窄带自适应终端的用户体验基本与通用终端保持一致；但在网络状况下降的情况下，自适应终端的双线接入模式，能够提供更优质的通话服务，其表现明显优于通用终端。

4结束语

本文提出一种基于电话终端的宽窄带自适应方法，能够根据网络实时状况，自动选择更优链路完成呼叫连接，为用户提供稳定、优质的语音服务。环境适应性强、降低部署成本的效果明顯。经过测试评估，本方法可以满足高可靠电话通信系统的使用需求，并达到实用的程度。

参考文献

[1]张鹤鸣，陈南洋.一种基于IPSec实现SIP通信安全的方法[J].通信技术，2018，51（5）：1175-1178.

[2]黄金城，张雅恒，项慧慧，等.基于4G LTE的应急通信网络[J].软件工程与应用，2020，9（4）：326-335.

[3]罗威，赵金城，宋江.基于锚节点可靠路由的IMS电话呼叫分拣方法[J].计算机系统应用，2020，29（7）：117-122.

[4]岳晓果，田艳霞.基于人工智能的电话机自动检测平台设计与实现[J].数据通信，2020（6）：5-9.

[5]张鹤鸣，邓军.一种低成本语音识别解决方案[J].通信技术， 2019，52（12）： 2893-2896.

[6]辛建国，刘洪波，王浩.VoLTE语音质量（MOS）提升研究[J].山东通信技术，2021，41（1）： 40-45.