下一代媒体网关系统架构及实现

1、VoIP简介

　　1.1　VoIP主要应用协议

　　随着用户规模的扩大以及用户对业务需求的增长，网关在规模上要不断扩大。集中型的网关结构在可扩展性、安全性以及组网的灵活性方面的不足日益显露出来。因此，将业务、控制和信令分离的概念被提了出来，即将IP电话网关分离成三部分：信令网关（SG）、媒体网关（MG）和媒体网关控制器（MGC）。SG负责处理信令消息，将其终结、翻译或中继；MG负责处理媒体流，将媒体流从窄带网打包送到IP网或者从IP网接收后解包并送给窄带网； MGC负责MG资源的注册、管理以及呼叫控制。在这种分布式网关体系结构中，MG和MGC之间采用H.248协议，SG和MGC之间采用SIGTRAN协议。

　　IP电话系统目前有H.323和SIP两套协议，它们都对IP电话系统信令提出了完整的解决方案，并对呼叫的连接都具有建立、管理和撤销能力。 H.323是ITU-T第16工作组的建议，它由一组协议构成，定义了4个主要部件构筑基于网络的通信系统：终端、网关、网守和多点控制单元。SIP是由 IETF工作组于1997年提出的，有用户代理和网络服务器两个主要的结构元素。

　　1.2　H.323与SIP的比较

　　作为目前IP电话系统的两套协议，H.323与SIP存在相似点，也有不同之处。

　　（1）相似点

　　SIP的UA等价于一个H.323的终端，SIP服务器则等价于H.323的网守，而SIP类似于H.323的RAS和Q.931协议。此外，H.323和SIP的功能和业务非常相似。

　　（2）不同点

　　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是面向字节的，易于扩展，容易实现，但安全性差；而H.323是面向比特的，复杂不容易扩展。对于补充业务，H.323更为严格。

　　（3）SIP的优势

　　SIP容易扩展面向字符，而且容易实现，是下一代网络的主要协议。

　　2、媒体网关控制协议

　　2.1　媒体网关控制协议简介

　　VoIP网关分为媒体网关和媒体网关控制器两部分，SIP和H.323都不能处理MG和MGC之间的通信，由此产生了媒体网关控制协议。现有的媒体网关控制协议主要有MGCP和H.248/MeGaCo协议。MGCP是软交换、媒体网关和信令网关的关键协议。MGCP不涉及IP电话的体系结构，只涉及网关分解问题。MGCP的侧重点是简单性、可靠性。H.248/MeGaCo协议是MGCP的进一步开发，它的设计思想是把智能工作集中在服务器上，既能容纳面向连接的媒体（如TDM和ATM），又能容纳面向非连接的媒体（如IP），因此该协议选用的媒体网关类型更广，网关规模有更大随意性。

　　2.2　MGCP与H.248/MeGaGo协议的比较

　　H248/MeGaCo协议是对MGCP的进一步开发，因此具有更大的灵活性。MGCP与H248/MeGaCo协议在功能方面相似，但 H248/MeGaCo有Context、Termination、Move等概念使其在支持增值业务方面更为方便，尤其是对多媒体呼叫的支持。MGCP 只支持UDP无法保证信令传输质量，而H.248/MeGaCo协议既支持TCP又支持UDP，可以保证信令的传输质量。因此，H.248与MGCP相比具有很大的优势，是媒体网关控制协议未来主要的协议。由H.248和SIP构成的下一代网络系统结构如图1所示。



图1　下一代网络系统结构

　　3、媒体网关的通信过程和实现

　　3.1　互联网中的通信过程

　　互联网中的下一代通信信令主要由SIP来完成，用户通过INVITE请求来发起一个对话。对话的发起过程如下：

　　

　　m=audio 1234 RTP/AVP 0 96

　　a=rtpmap:96 G726/4

　　SDP协议主要用于完成对视频或者音频会话的描述。SDP文件包含在SIP消息之中。c关键字描述网络地址，m关键字描述视频/音频信息端口号，rtpmap关键字描述编码格式等。媒体的传输是通过RTP（Realtime Transport Protocol，实时传输协议）来实现的，并通过RTCP来控制传输速率等问题。

　　3.2　PSTN中的通信过程

　　PSTN电话通过No.7信令来建立连接过程，通常采用G.711的PCM编码格式传输，传输速率64 kbit/s。PSTN网络通话流程如图2所示。在PSTN通信过程中，A交换机首先通过发出IAM发起呼叫，其中包括被叫号码。B交换机确定被叫空闲后发出ACM地址全信号通知A，此时B交换机通过A交换机对主叫用户发送回铃音，B交换机向被叫用户振铃。被叫摘机后，B交换机发ANC计费应答信号通知 A，振铃和回铃停止，双方用户开始通话。通话结束后主叫用户先挂机，A交换机 发出CLF前向释放信号通知B，B收到后拆线并发出RLG释放监护信号通知A 交换机。



图2　PSTN通话流程

　　3.3　媒体网关的组成和实现

　　下一代媒体网关系统主要由媒体网关、媒体网关控制器和信令网关组成，实现了功能上的分解。为了适应不同的网络，本文主要介绍了媒体网关的实现方法，其中媒体网关的主要作用是实现模拟信号由电路交换转换成数字信号PCM编码，并进行G.711或者G.723等格式编码。为了实现媒体网关，整个系统由3部分组成，包括基于ARM架构的嵌入式系统（uClinux）、语音信号转换芯片（TLC320AD50）和定点数字信号处理器（TMS320VC54xx），如图3所示。



图3　下一代网络媒体网关的组成

　　其中，AD50芯片的TDM接口负责从电路交换的信号中提取模拟信号的语音，通过AD50把模拟信号转换成数字信号，然后由DSP对提取的数字信号PCM编码后的语音信号进行μ律或者A律压缩，最后可以通过主处理器来进行G.723和G.729等编码格式的转换。对IP网的语音信号传输， uClinux操作系统同时必须支持RTP协议栈，这可以通过移植开源的基于C语言的ORTP库来实现，而H.248协议栈则是自己来完成的，各种码流格式的转换通过移植ffmpeg程序来实现。为了验证系统的可行性，采取了通过麦克风输入电路的方法进行了实现，DSP通过CSS调试，uClinux通过终端调试，由麦克风采集的模拟信号经过AD50转换为PCM编码再通过DSP转变成μ律或者A律编码。最后由uClinux主处理器来对μ律编码进行格式转换添加RTP头，由H.248进行与媒体网关控制器的交换，交换完成后发包给PC机，最后由PC机用ethereal抓包。对比发包方和收包方的可证实丢包率情况，验证了方法的可行性。

　　为了真正做到网络融合，支持不同网络（例如2G网络、3G网络和PSTN等）的系统接口和编码情况，媒体网关添加了不同的网络接口。ARM主处理器支持ATM和IP等不同的接口，同时因为2G网络支持AMR-WB、ARM-NB等不同的语音信号，在主处理器中也必须添加相应的编码模块，来对码流格式进行转换。

　　媒体网关系统在不同网络中的位置情况如图4所示。作为多个网络的连接点，媒体网关起到了至关重要的转换和连接作用。



图4　媒体网关系统连接的各种网络

　　3.4　下一代信令网关和媒体网关控制器的主要功能

　　信令网关的作用是完成两个不同网络之间用于控制的信息的相互转换，以实现一个网络中的控制信息能够在另一个网络中延续传输。信令网关是在两个网络的边界接收和发送信令的代理，是两个网络间的信令关口，对信令消息进行翻译、中继或做终结处理。信令网关可以独立设置，也可以与其他网关综合设置，来处理与接入线路或中继线路有关的信令，媒体网关控制器作为实现呼叫控制的核心，它根据接收到的信令控制媒体网关连接的建立和释放等。其主要功能是为基本呼叫的建立、维持和释放提供控制功能，包括呼叫处理、连接控制、智能呼叫触发检测和资源控制等。此外，MGC还应当具有业务提供功能、协议功能、互通功能、资源管理功能、计费功能以及No.7信令功能等。

　　4、结束语

　　下一代媒体网关系统主要由媒体网关、信令网关、媒体网关控制器组成。本文重点介绍了下一代网络的媒体网关的各功能构成、组成模块、软件接口、硬件实现以及如何设计下一代媒体网关系统。分析了媒体网关系统用到的几个协议以及这些协议之间的异同，并对这些协议的发展趋势进行了展望。详细地描述了媒体网关系统的各个组成部分及功能。下一代媒体网关系统对于下一代网络和PSTN的融合有着重要的意义，可以实现PSTN与互联网的互通，实现视频通话等下一代网络业务，对网络融合有着深远的影响。