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摘要：该文提出一种基于软交换技术的报警接入网关的设计方案。以TMS320VC5402和EMP240T100C5N为核心设计了硬件电路，制定了报警接入网关的呼叫控制协议WMGCP，采用分层结构的思想在DSP平台上进行了实现。通过该报警接入网关，能够将企业内部的安全报警系统与基于企业内部局域网的VoIP通信系统对接起来，实现了报警音通过网络电话终端进行播放。
关键词：软交换技术；网络电话；报警接入网关；媒体网关控制协议；安全报警系统
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)31-0000-0c
Design and Implementation of Alarm Access Gateway Based on Soft-switch
WU Qi-yan, MIAO Chang-yun, WU Zhi-gang
(School of Electronics and Information Engineering, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China)
Abstract: Based on the advantages of Soft-switch, a kind of alarm access gateway was designed. TMS320VC5402 and EPM240T100C5N as the core were adopted to design the hardware circuit. WMGCP was developed as call control protocol between alarm access gateway and MGC and implemented on DSP platform and using the ideological of stratified structure. The security alarm system in Enterprise Internal can connect with the LAN-based VoIP Communication System through alarm access gateway. It can also achieve the alarm sound to play through the network phone terminal。
Key words: soft-switch; VoIP; alarm access gateway; MGCP; security alarm system
目前，我国很多企业内部出现了计算机网络、电话通信网、程控调度系统、计算机监控系统、视频监控系统和安全报警系统等多种网络或系统独立运行的局面。各种系统的相互独立运行不但需要企业支付大量的设备费、线路费以及维护、维修费，而且大量的布线给系统的维护带来了不便，对周围的环境也带来了一定的影响，最为主要的是，由于多种系统的并存，一旦出现紧急情况，不便于相关人员及时的进行处理，使企业出现混乱的局面。
随着科学技术的进步，计算机网络、电话通信网以及视频监控系统已经融合在一起，组合成了一种基于企业内部局域网的VoIP通信系统。同时，中继媒体网关的出现，使得公共电话交换网（PSTN）与企业内部VoIP的语音通信成为可能。该通信系统如图1所示。
图1 企业内部通信系统
企业内部通信系统是基于局域以太网，能够充分利用企业内部丰富的带宽资源，并且通话质量好，已经能够和PSTN电话网进行语音通信。但是，它不能与企业内部已经建立的安全报警系统相融合，出现了两种系统并存的局面。因此，需要研制一个报警接入网关，将安全报警系统与企业内部的VoIP系统融合在一起。本文现提出一种采用软交换技术的报警接入网关方案，能够实现企业内部的VoIP系统与安全报警系统的对接，结束企业内部VoIP系统和安全报警系统相互独立的局面。
1 报警接入网关的设计方案
报警接入网关采用了软交换的技术思想，由报警音编码模块、控制模块以及以太网接口模块组成。报警音编码模块主要对由语音报警终端产生的报警音进行编码。控制模块主要实现呼叫控制以及报警音数据的实时传输。其中，呼叫控制采用的是优化的MGCP（媒体网关控制协议）协议，报警数据的实时传输采用的是RTP/RTCP、UDP/IP协议。以太网接口模块负责将报警音的数据包送入企业内部通信系统，使得报警音能通过网络电话终端进行播放[1]。报警接入网关的设计方案如图2所示。
图2 报警接入网关的设计方案
2 报警接入网关的硬件设计
报警接入网关的硬件电路主要由DSP、逻辑控制电路、存储器、以太网接口电路、PCM编码电路以及其它的外围电路组成。其硬件结构如图3所示。
图3 报警接入网关的硬件结构图
2.1 主控制模块
主控制模块采用的是TI公司C5000 DSP平台中的TMS320VC5402。它采用哈佛体系结构、流水线技术以及独立的硬件乘法器，操作速度最高为100MIPS，主要用于实现系统控制和报警音数据传送。其内部有16K的SRAM，一部分用于引导自FLASH的程序的运行，一部分用于堆栈、存放中断向量、DSP中DMA模块所需的数据和少量常用变量[2][3][4]。
2.2 逻辑控制模块
逻辑控制模块采用的是EPM240T100C5N芯片，主要完成以下功能：生成PCM编码电路和DSP的多功能缓冲串口（McBSP）的PCM编解码所需的2MHz及8KHz的时钟信号；根据DSP的控制总线、地址总线逻辑产生FLASH、SRAM、以太网接口模块的片选和读/写控制信号；缓存摘挂机信号，供DSP读取。
2.3 存储器模块
存储器包括静态数据存储器SRAM和非易失性数据存储器FLASH。SRAM采用256K字的IS61LV25616，用于存放程序运行所需的暂时性数据；FLASH模块256K字的SST39VF400A，用于存放程序。
2.4 以太网接口和PCM编码模块
以太网接口模块包含了以太网接口芯片DM9000Ａ、网络指示灯、网络变压器和RJ45接口等，用于与呼叫控制器间传送控制信令和与网络电话终端间传送语音数据。
PCM编码模块采用的是MC145480芯片。主要用来对报警音进行编码，供DSP的McBSP读取[5]。
3 报警接入网关的软件设计及通信协议的实现
报警接入网关的软件设计主要包括底层硬件驱动程序、TCP/IP协议栈、呼叫控制协议、媒体传输程序。如图4所示。
图4 系统软件层次结构图
3.1 底层硬件驱动程序
底层硬件驱动程序主要由网片驱动程序、PCM编解码、DMA驱动等组成。主要完成对相关控制寄存器的初始化。
3.2 TCP/IP协议栈
TCP/IP协议栈是基于TMS320VC5402实现的，包括ARP、IP、UDP协议等，完成呼叫控制数据的收发。
3.3 呼叫控制协议
呼叫控制协议采用的是WMGCP协议，即优化的MGCP协议，主要完成呼叫的建立和释放。该协议是本系统的核心协议，封装在UPD协议中。同时，它必须保证呼叫的控制数据可靠的达到网络电话终端、中级媒体网关以及报警接入网关。采用的方法是：每发送一个呼叫控制分组消息，必须得到对端的应答；定时重发，超时判定呼叫失败。
该呼叫控制协议采用分层设计，与RFC2705 中定义的分层结构略有不同，按照系统中呼叫控制消息的实际处理过程将层次分为：传输适配层、编解码层、事务层和应用层API[6][7]。它们在垂直方向上有明显的上下层关系，实现自上而下的调用。分层结构如图5所示。
图5 呼叫控制协议分层结构
3.3.1 传输适配层
传输适配层调用UDP套接字发送呼叫控制数据，或者从UDP层接收呼叫控制数据。呼叫控制协议端口和MGCP 协议端口默认值相同，一般为2427/2727。
3.3.2 编、解码层
编、解码层用于实现呼叫控制消息的构建和解析。呼叫控制消息的构建是指将事务层提供的呼叫控制事务结构格式按照需要生成起始行、头域和消息体等有用信息，并将这些信息转换成呼叫控制消息格式。呼叫控制协议消息的解析是指将呼叫控制消息解码为呼叫控制协议事务结构，提供给呼叫控制事务层。
3.3.3 事务层
事务层负责创建和取消事务，处理各种呼叫控制命令和响应，维护事务状态机。呼叫控制协议和MGCP协议相同，是事务型协议，采用事务号来标识和定位每个命令消息。呼叫控制协议提供6种命令消息，分别是:通知请求命令（RQNT）,创建连接命令（CRCX），删除连接命令（DLCX）,修改连接命令（MDCX），通知命令（NTFY），重启命令（RSIP），其中RQNT, CRCX, DLCX, MDCX 4种命令可以由MGC发起，CRCX、NTFY、 RSIP3种命令可以由报警接入网关发起；同时，呼叫控制协议提供响应消息，通过响应消息的响应码可以对收到的命令进行正确响应或者错误响应[8][9][10]。
3.3.4 应用层API
应用层API向呼叫控制任务提供各种会话的控制API，用于完成摘机、应答、挂断、保持等事件引发的呼叫控制处理。
3.4 媒体传输程序
媒体传输程序主要负责媒体流的传输，确保报警音数据能实时的传送到网络电话终端。
3.5 WMGCP协议的实现
在报警接入网关中，WMGCP协议主要通过注册函数Login( )、响应函数Respond( )、呼叫连接函数Call_rev()以及摘挂机函数Off_On_Hook()来实现。Login( )用于报警接入网关向MGC注册，以检验本机IP是否合法，由定时器中断引起的定时注册也是通过该函数，定时时间为4分钟，即除了上电注册和更改设置注册外，报警接入网关每4分钟向MGC注册一次以确保网络连接正常。Respond( )用于报警接入网关向MGC发送本机状态和对MGC通知请求的执行情况。Off_On_Hook()用以报警接入网关向MGC发送语音报警终端的摘挂机情况。Call_rev()最为重要，该函数负责执行MGC向报警接入网网关发来的CRCX命令、MDCX命令、DLCX命令和执行MGC发来的响应要求。
4 基于WMGCP协议的报警实现过程
基于WMGCP协议的报警实现过程分为报警音和接入控制信号（摘机信号）的产生和报警音的传送两部分。
报警音和接入控制信号（摘挂机信号）的产生的过程如图6所示。
图6 报警音和接入控制信号的产生
报警音的传送分为报警语音数据的传送和报警接入网关与全部的网络电话终端的接续。报警音数据的传送是在接续完成后，通过局域计算机网络直接传送的。报警接入网关与全部的网络电话终端的接续如图7所示。
图7 报警音的传送过程
5 结论
本文在研究软交换技术、语音处理技术以及DSP技术的基础上，提出了报警接入网关的设计方案。该报警接入网关，能够实现报警音通过网络电话的语音终端进行播放，彻底结束了企业内部多网相互独立并存的局面，具有成本低、操作简单、易维护、可靠性强等特点，有广阔的应用前景。
参考文献：
[1] 贾亚黎.基于软交换的VoIP媒体网关设计的研究[D].武汉:华中科技大学,2007.
[2] 戴明桢,周建江.TM S320C54X DSP 结构、原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2001.
[3] Texas Instruments Incorporated.TMS320C54x系列DSP的CPU与外设[M].北京:清华大学出版社,2007.
[4] Texas Instruments.TMS320C000 optimizing compiler[s].v6.1.Literature Number: SPRU187O,May 2008.
[5] TMS320C54x DSP Reference Set Volume 1 :CPU and Peripherals[s].Texas Instrument Inc,1999.
[6] Andreasen F,Foster B:Media Gateway Control Protocol Version 1.0[S].RFC 3435,2003.
[7] Internet Engineering Task Force. RFC 3261.SIP: Session Initiation Protocol[S].2002.
[8] M.Arango,A.Dugan,I,Elliott.,etc. Media Gateway Control Protocol(MGCP) Version 1.0[s]:RFC 2705,October 1999.
[9] ITU-T Recommendation. H.323: Packet-based multimedia communications systems[S].2003,7.
[10] Mani S K,BalaManikyaPrasad P,Kamesh M,et,al.DSP subsystem for multiparty conferencing in VoIP[C].Bangalore:IMSAA,2009,12:1-6.
收稿日期：2011-08-30
基金项目：天津市信息化发展计划项目（082045012）
作者简介：伍启炎（1986-），男，湖北黄冈武穴人，硕士，主要研究方向为现代通信网络；苗长云（1962-），男，山东阳谷人，博士，教授，主要研究领域为现代通信网络与系统；武志刚（1966-），男，辽宁阜新人，学士，高级工程师，主要研究领域为现代通信网络。
关键词：软交换技术；网络电话；报警接入网关；媒体网关控制协议；安全报警系统
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)31-0000-0c
Design and Implementation of Alarm Access Gateway Based on Soft-switch
WU Qi-yan, MIAO Chang-yun, WU Zhi-gang
(School of Electronics and Information Engineering, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China)
Abstract: Based on the advantages of Soft-switch, a kind of alarm access gateway was designed. TMS320VC5402 and EPM240T100C5N as the core were adopted to design the hardware circuit. WMGCP was developed as call control protocol between alarm access gateway and MGC and implemented on DSP platform and using the ideological of stratified structure. The security alarm system in Enterprise Internal can connect with the LAN-based VoIP Communication System through alarm access gateway. It can also achieve the alarm sound to play through the network phone terminal。
Key words: soft-switch; VoIP; alarm access gateway; MGCP; security alarm system
目前，我国很多企业内部出现了计算机网络、电话通信网、程控调度系统、计算机监控系统、视频监控系统和安全报警系统等多种网络或系统独立运行的局面。各种系统的相互独立运行不但需要企业支付大量的设备费、线路费以及维护、维修费，而且大量的布线给系统的维护带来了不便，对周围的环境也带来了一定的影响，最为主要的是，由于多种系统的并存，一旦出现紧急情况，不便于相关人员及时的进行处理，使企业出现混乱的局面。
随着科学技术的进步，计算机网络、电话通信网以及视频监控系统已经融合在一起，组合成了一种基于企业内部局域网的VoIP通信系统。同时，中继媒体网关的出现，使得公共电话交换网（PSTN）与企业内部VoIP的语音通信成为可能。该通信系统如图1所示。
图1 企业内部通信系统
企业内部通信系统是基于局域以太网，能够充分利用企业内部丰富的带宽资源，并且通话质量好，已经能够和PSTN电话网进行语音通信。但是，它不能与企业内部已经建立的安全报警系统相融合，出现了两种系统并存的局面。因此，需要研制一个报警接入网关，将安全报警系统与企业内部的VoIP系统融合在一起。本文现提出一种采用软交换技术的报警接入网关方案，能够实现企业内部的VoIP系统与安全报警系统的对接，结束企业内部VoIP系统和安全报警系统相互独立的局面。
1 报警接入网关的设计方案
报警接入网关采用了软交换的技术思想，由报警音编码模块、控制模块以及以太网接口模块组成。报警音编码模块主要对由语音报警终端产生的报警音进行编码。控制模块主要实现呼叫控制以及报警音数据的实时传输。其中，呼叫控制采用的是优化的MGCP（媒体网关控制协议）协议，报警数据的实时传输采用的是RTP/RTCP、UDP/IP协议。以太网接口模块负责将报警音的数据包送入企业内部通信系统，使得报警音能通过网络电话终端进行播放[1]。报警接入网关的设计方案如图2所示。
图2 报警接入网关的设计方案
2 报警接入网关的硬件设计
报警接入网关的硬件电路主要由DSP、逻辑控制电路、存储器、以太网接口电路、PCM编码电路以及其它的外围电路组成。其硬件结构如图3所示。
图3 报警接入网关的硬件结构图
2.1 主控制模块
主控制模块采用的是TI公司C5000 DSP平台中的TMS320VC5402。它采用哈佛体系结构、流水线技术以及独立的硬件乘法器，操作速度最高为100MIPS，主要用于实现系统控制和报警音数据传送。其内部有16K的SRAM，一部分用于引导自FLASH的程序的运行，一部分用于堆栈、存放中断向量、DSP中DMA模块所需的数据和少量常用变量[2][3][4]。
2.2 逻辑控制模块
逻辑控制模块采用的是EPM240T100C5N芯片，主要完成以下功能：生成PCM编码电路和DSP的多功能缓冲串口（McBSP）的PCM编解码所需的2MHz及8KHz的时钟信号；根据DSP的控制总线、地址总线逻辑产生FLASH、SRAM、以太网接口模块的片选和读/写控制信号；缓存摘挂机信号，供DSP读取。
2.3 存储器模块
存储器包括静态数据存储器SRAM和非易失性数据存储器FLASH。SRAM采用256K字的IS61LV25616，用于存放程序运行所需的暂时性数据；FLASH模块256K字的SST39VF400A，用于存放程序。
2.4 以太网接口和PCM编码模块
以太网接口模块包含了以太网接口芯片DM9000Ａ、网络指示灯、网络变压器和RJ45接口等，用于与呼叫控制器间传送控制信令和与网络电话终端间传送语音数据。
PCM编码模块采用的是MC145480芯片。主要用来对报警音进行编码，供DSP的McBSP读取[5]。
3 报警接入网关的软件设计及通信协议的实现
报警接入网关的软件设计主要包括底层硬件驱动程序、TCP/IP协议栈、呼叫控制协议、媒体传输程序。如图4所示。
图4 系统软件层次结构图
3.1 底层硬件驱动程序
底层硬件驱动程序主要由网片驱动程序、PCM编解码、DMA驱动等组成。主要完成对相关控制寄存器的初始化。
3.2 TCP/IP协议栈
TCP/IP协议栈是基于TMS320VC5402实现的，包括ARP、IP、UDP协议等，完成呼叫控制数据的收发。
3.3 呼叫控制协议
呼叫控制协议采用的是WMGCP协议，即优化的MGCP协议，主要完成呼叫的建立和释放。该协议是本系统的核心协议，封装在UPD协议中。同时，它必须保证呼叫的控制数据可靠的达到网络电话终端、中级媒体网关以及报警接入网关。采用的方法是：每发送一个呼叫控制分组消息，必须得到对端的应答；定时重发，超时判定呼叫失败。
该呼叫控制协议采用分层设计，与RFC2705 中定义的分层结构略有不同，按照系统中呼叫控制消息的实际处理过程将层次分为：传输适配层、编解码层、事务层和应用层API[6][7]。它们在垂直方向上有明显的上下层关系，实现自上而下的调用。分层结构如图5所示。
图5 呼叫控制协议分层结构
3.3.1 传输适配层
传输适配层调用UDP套接字发送呼叫控制数据，或者从UDP层接收呼叫控制数据。呼叫控制协议端口和MGCP 协议端口默认值相同，一般为2427/2727。
3.3.2 编、解码层
编、解码层用于实现呼叫控制消息的构建和解析。呼叫控制消息的构建是指将事务层提供的呼叫控制事务结构格式按照需要生成起始行、头域和消息体等有用信息，并将这些信息转换成呼叫控制消息格式。呼叫控制协议消息的解析是指将呼叫控制消息解码为呼叫控制协议事务结构，提供给呼叫控制事务层。
3.3.3 事务层
事务层负责创建和取消事务，处理各种呼叫控制命令和响应，维护事务状态机。呼叫控制协议和MGCP协议相同，是事务型协议，采用事务号来标识和定位每个命令消息。呼叫控制协议提供6种命令消息，分别是:通知请求命令（RQNT）,创建连接命令（CRCX），删除连接命令（DLCX）,修改连接命令（MDCX），通知命令（NTFY），重启命令（RSIP），其中RQNT, CRCX, DLCX, MDCX 4种命令可以由MGC发起，CRCX、NTFY、 RSIP3种命令可以由报警接入网关发起；同时，呼叫控制协议提供响应消息，通过响应消息的响应码可以对收到的命令进行正确响应或者错误响应[8][9][10]。
3.3.4 应用层API
应用层API向呼叫控制任务提供各种会话的控制API，用于完成摘机、应答、挂断、保持等事件引发的呼叫控制处理。
3.4 媒体传输程序
媒体传输程序主要负责媒体流的传输，确保报警音数据能实时的传送到网络电话终端。
3.5 WMGCP协议的实现
在报警接入网关中，WMGCP协议主要通过注册函数Login( )、响应函数Respond( )、呼叫连接函数Call_rev()以及摘挂机函数Off_On_Hook()来实现。Login( )用于报警接入网关向MGC注册，以检验本机IP是否合法，由定时器中断引起的定时注册也是通过该函数，定时时间为4分钟，即除了上电注册和更改设置注册外，报警接入网关每4分钟向MGC注册一次以确保网络连接正常。Respond( )用于报警接入网关向MGC发送本机状态和对MGC通知请求的执行情况。Off_On_Hook()用以报警接入网关向MGC发送语音报警终端的摘挂机情况。Call_rev()最为重要，该函数负责执行MGC向报警接入网网关发来的CRCX命令、MDCX命令、DLCX命令和执行MGC发来的响应要求。
4 基于WMGCP协议的报警实现过程
基于WMGCP协议的报警实现过程分为报警音和接入控制信号（摘机信号）的产生和报警音的传送两部分。
报警音和接入控制信号（摘挂机信号）的产生的过程如图6所示。
图6 报警音和接入控制信号的产生
报警音的传送分为报警语音数据的传送和报警接入网关与全部的网络电话终端的接续。报警音数据的传送是在接续完成后，通过局域计算机网络直接传送的。报警接入网关与全部的网络电话终端的接续如图7所示。
图7 报警音的传送过程
5 结论
本文在研究软交换技术、语音处理技术以及DSP技术的基础上，提出了报警接入网关的设计方案。该报警接入网关，能够实现报警音通过网络电话的语音终端进行播放，彻底结束了企业内部多网相互独立并存的局面，具有成本低、操作简单、易维护、可靠性强等特点，有广阔的应用前景。
参考文献：
[1] 贾亚黎.基于软交换的VoIP媒体网关设计的研究[D].武汉:华中科技大学,2007.
[2] 戴明桢,周建江.TM S320C54X DSP 结构、原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2001.
[3] Texas Instruments Incorporated.TMS320C54x系列DSP的CPU与外设[M].北京:清华大学出版社,2007.
[4] Texas Instruments.TMS320C000 optimizing compiler[s].v6.1.Literature Number: SPRU187O,May 2008.
[5] TMS320C54x DSP Reference Set Volume 1 :CPU and Peripherals[s].Texas Instrument Inc,1999.
[6] Andreasen F,Foster B:Media Gateway Control Protocol Version 1.0[S].RFC 3435,2003.
[7] Internet Engineering Task Force. RFC 3261.SIP: Session Initiation Protocol[S].2002.
[8] M.Arango,A.Dugan,I,Elliott.,etc. Media Gateway Control Protocol(MGCP) Version 1.0[s]:RFC 2705,October 1999.
[9] ITU-T Recommendation. H.323: Packet-based multimedia communications systems[S].2003,7.
[10] Mani S K,BalaManikyaPrasad P,Kamesh M,et,al.DSP subsystem for multiparty conferencing in VoIP[C].Bangalore:IMSAA,2009,12:1-6.
收稿日期：2011-08-30
基金项目：天津市信息化发展计划项目（082045012）
作者简介：伍启炎（1986-），男，湖北黄冈武穴人，硕士，主要研究方向为现代通信网络；苗长云（1962-），男，山东阳谷人，博士，教授，主要研究领域为现代通信网络与系统；武志刚（1966-），男，辽宁阜新人，学士，高级工程师，主要研究领域为现代通信网络。