下一代媒體網關系統架構及實現

　　1、VoIP簡介

　　1.1　VoIP主要應用協議

　　隨著用戶規模的擴大以及用戶對業務需求的增長，網關在規模上要不斷擴大。集中型的網關結構在可擴展性、安全性以及組網的靈活性方面的不足日益顯露出來。因此，將業務、控制和信令分離的概念被提了出來，即將IP電話網關分離成三部分：信令網關（SG）、媒體網關（MG）和媒體網關控制器（MGC）。SG負責處理信令消息，將其終結、翻譯或中繼；MG負責處理媒體流，將媒體流從窄帶網打包送到IP網或者從IP網接收后解包并送給窄帶網； MGC負責MG資源的注冊、管理以及呼叫控制。在這種分布式網關體系結構中，MG和MGC之間采用H.248協議，SG和MGC之間采用SIGTRAN協議。

　　IP電話系統目前有H.323和SIP兩套協議，它們都對IP電話系統信令提出了完整的解決方案，并對呼叫的連接都具有建立、管理和撤銷能力。 H.323是ITU-T第16工作組的建議，它由一組協議構成，定義了4個主要部件構筑基于網絡的通信系統：終端、網關、網守和多點控制單元。SIP是由 IETF工作組于1997年提出的，有用戶代理和網絡服務器兩個主要的結構元素。

　　1.2　H.323與SIP的比較

　　作為目前IP電話系統的兩套協議，H.323與SIP存在相似點，也有不同之處。

　　（1）相似點

　　SIP的UA等價于一個H.323的終端，SIP服務器則等價于H.323的網守，而SIP類似于H.323的RAS和Q.931協議。此外，H.323和SIP的功能和業務非常相似。

　　（2）不同點

　　H.323和SIP主要的不同在于呼叫信令和控制采取不同的方式，SIP是面向字節的，易于擴展，容易實現，但安全性差；而H.323是面向比特的，復雜不容易擴展。對于補充業務，H.323更為嚴格。

　　（3）SIP的優勢

　　SIP容易擴展面向字符，而且容易實現，是下一代網絡的主要協議。

　　2、媒體網關控制協議

　　2.1　媒體網關控制協議簡介

　　VoIP網關分為媒體網關和媒體網關控制器兩部分，SIP和H.323都不能處理MG和MGC之間的通信，由此產生了媒體網關控制協議。現有的媒體網關控制協議主要有MGCP和H.248/MeGaCo協議。MGCP是軟交換、媒體網關和信令網關的關鍵協議。MGCP不涉及IP電話的體系結構，只涉及網關分解問題。MGCP的側重點是簡單性、可靠性。H.248/MeGaCo協議是MGCP的進一步開發，它的設計思想是把智能工作集中在服務器上，既能容納面向連接的媒體（如TDM和ATM），又能容納面向非連接的媒體（如IP），因此該協議選用的媒體網關類型更廣，網關規模有更大隨意性。

　　2.2　MGCP與H.248/MeGaGo協議的比較

　　H248/MeGaCo協議是對MGCP的進一步開發，因此具有更大的靈活性。MGCP與H248/MeGaCo協議在功能方面相似，但 H248/MeGaCo有Context、Termination、Move等概念使其在支持增值業務方面更為方便，尤其是對多媒體呼叫的支持。MGCP 只支持UDP無法保證信令傳輸質量，而H.248/MeGaCo協議既支持TCP又支持UDP，可以保證信令的傳輸質量。因此，H.248與MGCP相比具有很大的優勢，是媒體網關控制協議未來主要的協議。由H.248和SIP構成的下一代網絡系統結構如圖1所示。

                                         圖1　下一代網絡系統結構

　　3、媒體網關的通信過程和實現

　　3.1　互聯網中的通信過程

　　互聯網中的下一代通信信令主要由SIP來完成，用戶通過INVITE請求來發起一個對話。對話的發起過程如下：

　　m=audio 1234 RTP/AVP 0 96

　　a=rtpmap:96 G726/4

　　SDP協議主要用于完成對視頻或者音頻會話的描述。SDP文件包含在SIP消息之中。c關鍵字描述網絡地址，m關鍵字描述視頻/音頻信息端口號，rtpmap關鍵字描述編碼格式等。媒體的傳輸是通過RTP（Realtime Transport Protocol，實時傳輸協議）來實現的，并通過RTCP來控制傳輸速率等問題。

　　3.2　PSTN中的通信過程

　　PSTN電話通過No.7信令來建立連接過程，通常采用G.711的PCM編碼格式傳輸，傳輸速率64 kbit/s。PSTN網絡通話流程如圖2所示。在PSTN通信過程中，A交換機首先通過發出IAM發起呼叫，其中包括被叫號碼。B交換機確定被叫空閑后發出ACM地址全信號通知A，此時B交換機通過A交換機對主叫用戶發送回鈴音，B交換機向被叫用戶振鈴。被叫摘機后，B交換機發ANC計費應答信號通知 A，振鈴和回鈴停止，雙方用戶開始通話。通話結束后主叫用戶先掛機，A交換機 發出CLF前向釋放信號通知B，B收到后拆線并發出RLG釋放監護信號通知A 交換機。

                        圖2　PSTN通話流程

　　3.3　媒體網關的組成和實現

　　下一代媒體網關系統主要由媒體網關、媒體網關控制器和信令網關組成，實現了功能上的分解。為了適應不同的網絡，本文主要介紹了媒體網關的實現方法，其中媒體網關的主要作用是實現模擬信號由電路交換轉換成數字信號PCM編碼，并進行G.711或者G.723等格式編碼。為了實現媒體網關，整個系統由3部分組成，包括基于ARM架構的嵌入式系統（uClinux）、語音信號轉換芯片（TLC320AD50）和定點數字信號處理器（TMS320VC54xx），如圖3所示。

                                 圖3　下一代網絡媒體網關的組成

　　其中，AD50芯片的TDM接口負責從電路交換的信號中提取模擬信號的語音，通過AD50把模擬信號轉換成數字信號，然后由DSP對提取的數字信號PCM編碼后的語音信號進行μ律或者A律壓縮，最后可以通過主處理器來進行G.723和G.729等編碼格式的轉換。對IP網的語音信號傳輸， uClinux操作系統同時必須支持RTP協議棧，這可以通過移植開源的基于C語言的ORTP庫來實現，而H.248協議棧則是自己來完成的，各種碼流格式的轉換通過移植ffmpeg程序來實現。為了驗證系統的可行性，采取了通過麥克風輸入電路的方法進行了實現，DSP通過CSS調試，uClinux通過終端調試，由麥克風采集的模擬信號經過AD50轉換為PCM編碼再通過DSP轉變成μ律或者A律編碼。最后由uClinux主處理器來對μ律編碼進行格式轉換添加RTP頭，由H.248進行與媒體網關控制器的交換，交換完成后發包給PC機，最后由PC機用ethereal抓包。對比發包方和收包方的可證實丟包率情況，驗證了方法的可行性。

　　為了真正做到網絡融合，支持不同網絡（例如2G網絡、3G網絡和PSTN等）的系統接口和編碼情況，媒體網關添加了不同的網絡接口。ARM主處理器支持ATM和IP等不同的接口，同時因為2G網絡支持AMR-WB、ARM-NB等不同的語音信號，在主處理器中也必須添加相應的編碼模塊，來對碼流格式進行轉換。

　　媒體網關系統在不同網絡中的位置情況如圖4所示。作為多個網絡的連接點，媒體網關起到了至關重要的轉換和連接作用。

                          圖4　媒體網關系統連接的各種網絡

　　3.4　下一代信令網關和媒體網關控制器的主要功能

　　信令網關的作用是完成兩個不同網絡之間用于控制的信息的相互轉換，以實現一個網絡中的控制信息能夠在另一個網絡中延續傳輸。信令網關是在兩個網絡的邊界接收和發送信令的代理，是兩個網絡間的信令關口，對信令消息進行翻譯、中繼或做終結處理。信令網關可以獨立設置，也可以與其他網關綜合設置，來處理與接入線路或中繼線路有關的信令，媒體網關控制器作為實現呼叫控制的核心，它根據接收到的信令控制媒體網關連接的建立和釋放等。其主要功能是為基本呼叫的建立、維持和釋放提供控制功能，包括呼叫處理、連接控制、智能呼叫觸發檢測和資源控制等。此外，MGC還應當具有業務提供功能、協議功能、互通功能、資源管理功能、計費功能以及No.7信令功能等。

　　4、結束語

　　下一代媒體網關系統主要由媒體網關、信令網關、媒體網關控制器組成。本文重點介紹了下一代網絡的媒體網關的各功能構成、組成模塊、軟件接口、硬件實現以及如何設計下一代媒體網關系統。分析了媒體網關系統用到的幾個協議以及這些協議之間的異同，并對這些協議的發展趨勢進行了展望。詳細地描述了媒體網關系統的各個組成部分及功能。下一代媒體網關系統對于下一代網絡和PSTN的融合有著重要的意義，可以實現PSTN與互聯網的互通，實現視頻通話等下一代網絡業務，對網絡融合有著深遠的影響。