馬文學(xué),付志兵,敦科翔

(河北遠(yuǎn)東哈里斯通信有限公司,河北石家莊050200)

0 引言

調(diào)度通信系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)和業(yè)務(wù)活動(dòng)中指揮調(diào)度的專用通信系統(tǒng),與一般的通信系統(tǒng)相比更注重通信的可靠性和會(huì)話模式的多樣性,廣泛應(yīng)用于電力、煤炭、石油和軌道交通等領(lǐng)域。隨著各行業(yè)內(nèi)市場(chǎng)的不斷變化以及通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展,用戶對(duì)業(yè)務(wù)的需求已不僅僅局限于基本的語音業(yè)務(wù)和低速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),而是期待更高效更全面更靈活的通信調(diào)度平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)更快的響應(yīng)、更靈活的調(diào)度、更強(qiáng)大的功能和更綜合的融合業(yè)務(wù)應(yīng)用。在這種背景下,軟交換調(diào)度系統(tǒng)憑借其開放式的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、靈活的網(wǎng)絡(luò)部署和業(yè)務(wù)接入等諸多優(yōu)點(diǎn)成為調(diào)度通信領(lǐng)域內(nèi)研究的熱點(diǎn)。

1 系統(tǒng)原理和組成

下一代網(wǎng)絡(luò)(Next Generation Network,NGN)是一個(gè)基于IP的全新通信網(wǎng)絡(luò),可以承載語音、數(shù)據(jù)和多媒體等多類業(yè)務(wù)。它是建立在單一的包交換網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之上,應(yīng)用軟交換技術(shù)、各種應(yīng)用服務(wù)器及媒體網(wǎng)關(guān)技術(shù)等建立起來的一種分布式的、電信級(jí)的、端到端的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)。同時(shí),NGN提供了一個(gè)開放式的體系架構(gòu),便于新業(yè)務(wù)的快速開發(fā)和部署。

軟交換調(diào)度系統(tǒng)采用NGN的分布式結(jié)構(gòu),主要包含軟調(diào)度交換機(jī)、調(diào)度臺(tái)、各類網(wǎng)關(guān)、IP智能終端、錄音服務(wù)器(Recording Server,AS)、運(yùn)營(yíng)支撐系統(tǒng)(Operation Support System,OSS)和媒體服務(wù)器(Media Server,MS)等,通過網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)與公共交換電話網(wǎng)絡(luò)(Public Switched Telephone Network,PSTN)和信令系統(tǒng)#7(Signaling System#7,SS7)網(wǎng)絡(luò)的互通,系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 軟交換調(diào)度系統(tǒng)

軟調(diào)度交換機(jī)是系統(tǒng)中的核心控制設(shè)備,負(fù)責(zé)完成呼叫處理、協(xié)議適配、業(yè)務(wù)提供、系統(tǒng)互通以及計(jì)費(fèi)管理等功能。調(diào)度臺(tái)是調(diào)度人員的操作臺(tái),可根據(jù)需要選擇注冊(cè)到軟交換/電路交換機(jī)上。運(yùn)營(yíng)支撐系統(tǒng)提供企業(yè)日常的運(yùn)營(yíng)支持,包括用戶管理系統(tǒng)、在線計(jì)費(fèi)系統(tǒng)和軟交換調(diào)度系統(tǒng)及其終端等的管理。媒體服務(wù)器提供實(shí)時(shí)媒體處理功能,主要包括:語音編碼轉(zhuǎn)換、播放通知音、DTMF檢測(cè)、語音會(huì)議橋接、自動(dòng)語音識(shí)別、語音—文本轉(zhuǎn)換和視頻會(huì)議等。錄音服務(wù)器主要是實(shí)現(xiàn)按需或全部錄音來記錄事件處理中的所有關(guān)鍵步驟,為日后的工作提供檢驗(yàn)依據(jù)。其他設(shè)備由于不是軟交換調(diào)度系統(tǒng)所必需,在此不再贅述。

2 設(shè)計(jì)方案

軟調(diào)度交換機(jī)是系統(tǒng)的核心設(shè)備,調(diào)度臺(tái)是最普遍也是最重要的調(diào)度終端,因此,二者的設(shè)計(jì)方案是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的核心,下面對(duì)其分別介紹。

2.1 軟調(diào)度交換機(jī)子系統(tǒng)

軟交換技術(shù)發(fā)展至今,日趨成熟和完善,軟調(diào)度交換機(jī)子系統(tǒng)充分借鑒和吸收了前人的技術(shù)經(jīng)驗(yàn),基于成熟的軟交換系統(tǒng)軟件架構(gòu)[1]進(jìn)行設(shè)計(jì)。

軟調(diào)度交換機(jī)子系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖2所示,包含以下5個(gè)子系統(tǒng)。

圖2 軟調(diào)度交換機(jī)系統(tǒng)

2.1.1 協(xié)議接入和適配子系統(tǒng)

協(xié)議接入和適配子系統(tǒng)主要完成對(duì)各種終端協(xié)議、中繼協(xié)議的接入和適配工作。其中協(xié)議適配子系統(tǒng)將各協(xié)議棧解析的消息轉(zhuǎn)換為軟交換機(jī)內(nèi)部統(tǒng)一消息,同時(shí)將通用呼叫和資源控制子系統(tǒng)下達(dá)的控制指令轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的協(xié)議信令,交給對(duì)應(yīng)的協(xié)議棧打包發(fā)送。

2.1.2 通用呼叫和資源控制子系統(tǒng)

通用呼叫和資源控制子系統(tǒng)完成對(duì)呼叫的處理和控制,并在呼叫事件符合應(yīng)用業(yè)務(wù)所設(shè)定的觸發(fā)點(diǎn)時(shí),激活上層的應(yīng)用業(yè)務(wù)來對(duì)呼叫進(jìn)行控制。

2.1.3 業(yè)務(wù)提供及業(yè)務(wù)適配子系統(tǒng)

業(yè)務(wù)提供及業(yè)務(wù)適配子系統(tǒng)的功能是在保證業(yè)務(wù)層與控制層分離的前提下為軟交換機(jī)提供相關(guān)的業(yè)務(wù),并負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)間交互關(guān)系的處理。因?yàn)檎{(diào)度業(yè)務(wù)種類繁多且流程復(fù)雜,所以使用內(nèi)嵌式的業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)方式以及靜態(tài)的業(yè)務(wù)交換管理方法,犧牲一定的靈活性和擴(kuò)展性,最大限度地保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和實(shí)時(shí)性,具體的技術(shù)實(shí)現(xiàn)下文將會(huì)重點(diǎn)介紹。

2.1.4 高可用和管理子系統(tǒng)

負(fù)責(zé)整個(gè)軟交換機(jī)系統(tǒng)的熱冗余備份功能的實(shí)現(xiàn)以及軟交換內(nèi)部各模塊或子系統(tǒng)間的消息交換和人機(jī)交互。

2.1.5 公共服務(wù)子系統(tǒng)

公共服務(wù)子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)屏蔽操作系統(tǒng)的差異性,并為操作系統(tǒng)之上的應(yīng)用提供各種基本功能的二次封裝,便于特殊情況下的系統(tǒng)移植。

2.2 調(diào)度臺(tái)子系統(tǒng)

為了提高開發(fā)效率并保持產(chǎn)品的兼容性,調(diào)度臺(tái)子系統(tǒng)在原有的IP調(diào)度臺(tái)系統(tǒng)上進(jìn)行二次開發(fā),修改和添加了部分模塊,調(diào)度臺(tái)子系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 調(diào)度臺(tái)子系統(tǒng)

調(diào)度臺(tái)子系統(tǒng)包含呼叫和資源控制、SIP接入與適配、媒體接入與適配3個(gè)模塊,下面分別介紹。

2.2.1 呼叫和資源控制模塊

該模塊是整個(gè)調(diào)度臺(tái)子系統(tǒng)的核心,又可以細(xì)分為呼叫控制、鏈路管理和進(jìn)程監(jiān)控等多個(gè)子模塊,主要功能是根據(jù)用戶的操作發(fā)起相應(yīng)的呼叫請(qǐng)求,并處理來自交換機(jī)的呼叫請(qǐng)求,同時(shí)為調(diào)度臺(tái)提供各種調(diào)度業(yè)務(wù)的支持,該模塊大部分繼承于原有IP調(diào)度臺(tái),由于篇幅限制,不再做詳細(xì)介紹。

2.2.2 SIP接入與適配模塊

該模塊通過完成會(huì)話初始協(xié)議(Session Initiation Protocol,SIP)消息的接收解包、打包發(fā)送以及SIP消息與調(diào)度臺(tái)內(nèi)部消息的映射工作,來實(shí)現(xiàn)調(diào)度臺(tái)與軟交換調(diào)度機(jī)的對(duì)接,同時(shí)實(shí)現(xiàn)媒體格式的協(xié)商一級(jí)對(duì)各種媒體流傳輸?shù)膯?dòng)和停止的控制。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,在某商用協(xié)議棧之上,通過修改和調(diào)用封裝層函數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)SIP消息(包括擴(kuò)展的私有消息)的處理。

2.2.3 媒體接入與適配模塊

完成調(diào)度臺(tái)與其他實(shí)體的媒體連接,并完成各種媒體格式的編解碼。視頻會(huì)議的圖像混屏和混音功能由媒體服務(wù)器實(shí)現(xiàn),調(diào)度臺(tái)只實(shí)現(xiàn)單路圖像和單路音頻的編解碼工作,支持H.263、H.264兩種視頻編解碼格式和G.711A,G.711U,G.729A三種音頻編解碼格式。視頻編碼器采用多線程設(shè)計(jì),一個(gè)編碼線程將收到的每幀圖像進(jìn)行編碼,并將編碼后的碼流數(shù)據(jù)保存到編碼緩沖區(qū);另一個(gè)發(fā)送線程則定時(shí)的從編碼緩沖區(qū)中取出不超過指定的包長(zhǎng)大小數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)塊打上相應(yīng)的H.263或H.264的包頭(如果是最后一包要打上mark標(biāo)識(shí),以利于在接收端解碼時(shí)區(qū)分)并通知RTP按照RTP的報(bào)文要求分別打包發(fā)送。編碼器的設(shè)計(jì)與視頻編碼器類似。

3 關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

3.1 關(guān)鍵技術(shù)

3.1.1 調(diào)度信令的承載

這里調(diào)度信令指的是調(diào)度終端與軟交換平臺(tái)之間傳遞業(yè)務(wù)管理和呼叫控制指令的消息,屬于用戶信令的范疇。其中很多信令都是調(diào)度系統(tǒng)所特有,并且不同行業(yè)的調(diào)度系統(tǒng)所支持的調(diào)度信令也大不相同,因此,軟交換調(diào)度系統(tǒng)選擇的承載協(xié)議除了能夠提供調(diào)度系統(tǒng)所必需的實(shí)時(shí)性和可靠性保障外,同時(shí)還要求具備一定的靈活性和易于擴(kuò)展性。

目前,應(yīng)用最廣泛的IP終端信令控制協(xié)議當(dāng)屬H.323協(xié)議和SIP協(xié)議,盡管H.323協(xié)議提出較早,相對(duì)比較成熟,但SIP作為一種分散式的協(xié)議,語法簡(jiǎn)單、擴(kuò)展靈活,將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的復(fù)雜性推向網(wǎng)絡(luò)邊緣,更適用于像調(diào)度臺(tái)這類的定制業(yè)務(wù)比較多的智能用戶終端。

軟交換調(diào)度系統(tǒng)除了使用SIP提供的6種基本的方法[2]來控制一般會(huì)話,還利用 INFO和MESSAGE擴(kuò)展方法分別在其對(duì)應(yīng)的消息體中攜帶與呼叫有關(guān)和與呼叫無關(guān)的控制消息,同時(shí)對(duì)消息頭域的進(jìn)行擴(kuò)展,用來專門傳遞帶有特殊呼叫標(biāo)示的內(nèi)容,如預(yù)置會(huì)議、靈活會(huì)議和席位強(qiáng)插等。

3.1.2 業(yè)務(wù)交互管理

業(yè)務(wù)交互是指部署在同一網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的2個(gè)或多個(gè)業(yè)務(wù)特征的相互影響和干擾。

由于軟交換調(diào)度系統(tǒng)以內(nèi)嵌式的方式提供調(diào)度業(yè)務(wù),開發(fā)者完全了解各業(yè)務(wù)邏輯細(xì)節(jié),滿足靜態(tài)方法的基本要求,同時(shí)基于業(yè)務(wù)特征重組和模糊判斷的動(dòng)態(tài)方法,不能滿足調(diào)度業(yè)務(wù)交互處理所注重的穩(wěn)定、可靠、快速的要求,因此,系統(tǒng)業(yè)務(wù)交互處理最終采用了靜態(tài)的方法。

業(yè)務(wù)提供及業(yè)務(wù)適配子系統(tǒng)中的業(yè)務(wù)邏輯管理模塊(SLB)采用了業(yè)務(wù)依賴函數(shù)矩陣、業(yè)務(wù)沖突函數(shù)矩陣和業(yè)務(wù)間相互調(diào)用處理函數(shù)矩陣3個(gè)矩陣來處理3類業(yè)務(wù)交互[3]。所有業(yè)務(wù)ID按照橫和縱的關(guān)系被設(shè)置成一個(gè)二維矩陣,矩陣的每一個(gè)元素對(duì)應(yīng)一個(gè)函數(shù),該函數(shù)用來處理橫、縱對(duì)應(yīng)的2個(gè)業(yè)務(wù)間的依賴或沖突關(guān)系,如果2個(gè)業(yè)務(wù)之間不存在任何關(guān)系,則令該函數(shù)做do-nothing處理。業(yè)務(wù)間相互調(diào)用處理函數(shù)矩陣是一個(gè)三維函數(shù)矩陣,其第1維是業(yè)務(wù)ID列表,第2維是上下文ID列表,第3維是業(yè)務(wù)相互調(diào)事件值列表。

當(dāng)有業(yè)務(wù)觸發(fā)消息上報(bào)到SLB時(shí),SLB首先獲取當(dāng)前分機(jī)欲觸發(fā)的業(yè)務(wù)ID和所有該分機(jī)正在運(yùn)行的業(yè)務(wù)ID,然后依次進(jìn)行業(yè)務(wù)的依賴和沖突關(guān)系檢查,只有通過了檢查,系統(tǒng)才進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯處理,在當(dāng)前業(yè)務(wù)結(jié)束時(shí),如果需要調(diào)用另一個(gè)業(yè)務(wù),則進(jìn)行業(yè)務(wù)間相互調(diào)用檢查處理。

3.1.3 視頻編解碼技術(shù)

視頻編解碼技術(shù)是視頻調(diào)度中的關(guān)鍵技術(shù)之一。采集到的原始視頻信號(hào)是模擬信號(hào),數(shù)據(jù)量大,通過壓縮、編碼可以節(jié)約數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間,降低傳輸帶寬,為在現(xiàn)有通信信道上實(shí)現(xiàn)多種業(yè)務(wù)的并行傳輸提供了可能。對(duì)于傳統(tǒng)視頻格式的編解碼技術(shù)已經(jīng)比較成熟,這里只討論最新的基于H.264/AVS的視頻編碼技術(shù)。

為了提高壓縮率、增強(qiáng)穩(wěn)定性,基于H.264/AVS的視頻編碼技術(shù)在很多方面做了改進(jìn),采用了很多新的編碼技術(shù),如多參考幀預(yù)測(cè)、多尺寸編碼塊模式、1/4像素精度運(yùn)動(dòng)矢量、整數(shù)變換量化、基于內(nèi)容的熵編碼、新型幀內(nèi)預(yù)測(cè)和去除方塊效應(yīng)的濾波器等。然而H.264所具有高壓縮率同時(shí)也造成了計(jì)算復(fù)雜度的提升[4],以計(jì)算各種預(yù)測(cè)模式下宏塊的率失真開銷的率失真優(yōu)化技術(shù)(rate-distortion optimization,RDO)為例,RDO技術(shù)需要通過式(1)和式(3)來計(jì)算率失真代價(jià)函數(shù)RDcost。

式中,QP為宏塊的量化參數(shù);λm為拉格朗日乘子;SSD(·)為原始的亮度塊s和重建塊c之間的誤差平方和;R(·)為利用所選擇的模式m進(jìn)行編碼的比特?cái)?shù)。要完成一個(gè)宏塊的幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式判定,必須進(jìn)行4×(9×16+4)=592次代價(jià)計(jì)算,因此有必要進(jìn)行一定的優(yōu)化甚至簡(jiǎn)化。

視頻的編解碼模塊借鑒了基于JM10.2參考模型的某開源編解碼器,在其基礎(chǔ)之上做了一定的修改來達(dá)到提高壓縮速率,保證視頻實(shí)時(shí)流暢的目的,具體如下:

①在運(yùn)動(dòng)估計(jì)方面,關(guān)閉非對(duì)稱交叉多六邊形網(wǎng)格(UMH)和窮盡搜索(ESA)等低效方式,運(yùn)動(dòng)搜索矢量只選擇比較常見的鉆石形和六邊形;

②在碼率控制方面,采用一級(jí)編碼方式來代替專門針對(duì)降低碼率提出的二次編碼方式;

③在圖像輸入量化方面,禁止使用用戶自定義量化矩陣,減少循環(huán)跳轉(zhuǎn)和矩陣求逆運(yùn)算的復(fù)雜度。

在不同分辨率、不同紋理、不同運(yùn)動(dòng)程度及附帶場(chǎng)景切換的測(cè)試表明:修改后的H.264編解碼模塊達(dá)到了保證壓縮質(zhì)量,提高壓縮速率的目的。

3.2 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

軟交換調(diào)度系統(tǒng)采用了包括上面提到的3項(xiàng)技術(shù)方案在內(nèi)的一系列的技術(shù)改進(jìn)和創(chuàng)新來提升用戶體驗(yàn)(User Experience,UE)并保障調(diào)度通信系統(tǒng)所關(guān)注的可靠性和功能完備性。

另外,軟交換調(diào)度系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)還體現(xiàn)在多業(yè)務(wù)能力、融合性和開放性上。

3.2.1 多業(yè)務(wù)能力

保留了現(xiàn)有調(diào)度通信的所有業(yè)務(wù)和接口,可以無縫對(duì)接各種網(wǎng)絡(luò)資源及終端用戶,實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)調(diào)度流程與作業(yè)的進(jìn)行,基于軟交換技術(shù),引入語音、視頻媒體通信手段,通過開放式接口,為當(dāng)前業(yè)務(wù)提供多媒體的調(diào)度決策信息收集和多媒體的調(diào)度指令下達(dá),確保調(diào)度指揮準(zhǔn)確、及時(shí)地展開。

3.2.2 融合性

軟交換調(diào)度系統(tǒng)是一個(gè)快速部署的系統(tǒng),充分利用IP網(wǎng)絡(luò)的靈活性,以疊加而非替代的方式提供多媒體的調(diào)度通信方式,使得各種通信資源可以充分得以保留和利用。

3.2.3 開放性

軟交換調(diào)度系統(tǒng)支持各種時(shí)分復(fù)用(TDM)接口的終端接入,支持各種TDM中繼的設(shè)備互聯(lián),采用了主流的SIP協(xié)議,在NGN中可以支持眾多的多媒體終端接入。

4 結(jié)束語

上述軟交換調(diào)度系統(tǒng)已應(yīng)用于實(shí)際開發(fā)項(xiàng)目中,接入功能強(qiáng),實(shí)現(xiàn)了各種調(diào)度功能并且可以很好地兼容當(dāng)前的各種網(wǎng)絡(luò),完全滿足當(dāng)前調(diào)度領(lǐng)域的需求。但軟交換調(diào)度系統(tǒng)仍存在不少問題,例如,如果引進(jìn)第三方業(yè)務(wù),則有必要使用動(dòng)態(tài)方法來實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)交互處理,如何保證可靠性和穩(wěn)定性是關(guān)鍵;視頻編解碼技術(shù)有待進(jìn)一步的完善等等,總之軟交換調(diào)度系統(tǒng)仍然具備很大的改進(jìn)空間。

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