基于SIP協(xié)議的模擬電臺(tái)語(yǔ)音通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作者/ 牟健 何波賢 岳明 王巖 92724部隊(duì)(山東 青島 266108)

摘要：為了提高模擬電臺(tái)訓(xùn)練系統(tǒng)的仿真程度，在模擬電臺(tái)語(yǔ)音通信系統(tǒng)中以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為核心，構(gòu)建一種基于SIP協(xié)議的語(yǔ)音通信技術(shù)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在多部電臺(tái)模擬器之間相互構(gòu)建語(yǔ)音組網(wǎng)通信時(shí)延小于200ms，音質(zhì)清晰，能夠清楚分辨出發(fā)話人的語(yǔ)音特征，滿足了設(shè)計(jì)的要求。

引言

　　當(dāng)前大部分模擬電臺(tái)訓(xùn)練系統(tǒng)基于電臺(tái)界面的操作，對(duì)語(yǔ)音通信交互及組網(wǎng)的構(gòu)建存在一定的缺陷，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，以局域網(wǎng)為依托，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，基于SIP協(xié)議的多線程即時(shí)語(yǔ)音通信技術(shù)，構(gòu)建模擬仿真電臺(tái)一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)多的即時(shí)語(yǔ)音通信組網(wǎng)效果，以適應(yīng)當(dāng)前開(kāi)展多元化、現(xiàn)代化的仿真模擬訓(xùn)練需求。

　　SIP協(xié)議是一種網(wǎng)絡(luò)電話協(xié)議，可以在局域網(wǎng)絡(luò)中即時(shí)構(gòu)建一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)多參與者之間的語(yǔ)音交互通信。由于SIP協(xié)議開(kāi)源、簡(jiǎn)單、快捷、靈活、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外企業(yè)研制出很多基于SIP協(xié)議的視頻語(yǔ)音會(huì)議解決方案及網(wǎng)絡(luò)電話設(shè)備，極大地推進(jìn)了SIP協(xié)議技術(shù)的發(fā)展。

1 SIP協(xié)議

　　SIP(Session Initiation Protocol)是一個(gè)基于IP應(yīng)用層控制協(xié)議，繼承了互聯(lián)網(wǎng)通信一些設(shè)計(jì)理念，它高效、穩(wěn)定、簡(jiǎn)單、擴(kuò)展方便而又不缺乏靈活性，可以在幾分鐘之內(nèi)構(gòu)建出一個(gè)可以在多系統(tǒng)平臺(tái)運(yùn)行的服務(wù)器和客戶(hù)端。主要功能是以服務(wù)器為中心，即時(shí)建立、調(diào)整、撤消客戶(hù)端的呼叫與會(huì)話，同時(shí)可進(jìn)行用戶(hù)定位、用戶(hù)交換、呼叫建立、處理等，構(gòu)建完整的語(yǔ)音通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

　　SIP協(xié)議采用了C/S模式，包括SIP代理客戶(hù)端和SIP服務(wù)器。其中，代理客戶(hù)端是一個(gè)交互的系統(tǒng)接口，又分為負(fù)責(zé)發(fā)起SIP呼叫請(qǐng)求的用戶(hù)代理客戶(hù)端和負(fù)責(zé)對(duì)呼叫請(qǐng)求做出響應(yīng)的用戶(hù)代理服務(wù)器。而SIP服務(wù)器主要包括注冊(cè)、代理、位置、重定向服務(wù)器，它們之間可以共存于一個(gè)設(shè)備當(dāng)中，也可以分布在整個(gè)物理實(shí)體中，SIP服務(wù)器并不依賴(lài)硬件系統(tǒng)，完全是基于軟件實(shí)現(xiàn)的文本協(xié)議，主要負(fù)責(zé)接收和處理用戶(hù)端請(qǐng)求、注冊(cè)、鑒權(quán)、認(rèn)證、處理呼叫相關(guān)信令的網(wǎng)絡(luò)等服務(wù)。

　　SIP作為一個(gè)開(kāi)源的協(xié)議棧，編碼方式是采用擴(kuò)展的BNF范式來(lái)規(guī)定的，不是一個(gè)垂直集成的通訊系統(tǒng)，本身不提供服務(wù)，往往與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議(RTP)、實(shí)時(shí)流協(xié)議(RSTP)、媒體網(wǎng)關(guān)控制協(xié)議、會(huì)話描述協(xié)議(SDP)等協(xié)同合作，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)，構(gòu)造完整的多媒體網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)。同時(shí)，SIP的技術(shù)核心是采用了標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言編寫(xiě)開(kāi)源的OSIP協(xié)議棧，并可在VC6.0編譯器中運(yùn)行，并為語(yǔ)音通信提供了一些解析消息的API和事物處理狀態(tài)機(jī)。

2 設(shè)計(jì)思路

　　SIP協(xié)議的語(yǔ)音通信模塊設(shè)計(jì)的目的是把分布在計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)內(nèi)的半實(shí)物電臺(tái)模擬器實(shí)時(shí)構(gòu)建語(yǔ)音通信網(wǎng)，該語(yǔ)音通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)主要采用模塊設(shè)計(jì)，各模塊之間松耦合且相對(duì)獨(dú)立，主要的模塊包括：SIP注冊(cè)模塊、語(yǔ)音處理模塊、實(shí)時(shí)語(yǔ)音傳輸模塊、SIP消息處理模塊。模塊的總體框圖如圖1所示。其中，SIP注冊(cè)是認(rèn)證各電臺(tái)模擬訓(xùn)練器子系統(tǒng)組網(wǎng)的狀態(tài);語(yǔ)音處理模塊包括語(yǔ)音采集、播放、編碼和解碼過(guò)程;實(shí)時(shí)語(yǔ)音傳輸主要包括SIP線程、發(fā)送線程、接收線程和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)反饋線程;SIP信息處理主要記錄各模擬電臺(tái)通信組網(wǎng)狀態(tài)，發(fā)起或拆除語(yǔ)音系統(tǒng)組網(wǎng)以及相對(duì)應(yīng)的消息處理，實(shí)時(shí)調(diào)整處于不同組別電臺(tái)模擬訓(xùn)練器的組網(wǎng)連接狀態(tài)。

3 模塊具體實(shí)現(xiàn)

3.1 SIP注冊(cè)

　　SIP服務(wù)器設(shè)置在主控計(jì)算機(jī)上，主控計(jì)算機(jī)IP地址設(shè)置為：168.192.1.1，端口為：5060;每一臺(tái)電臺(tái)模擬器在系統(tǒng)中充當(dāng)SIP客戶(hù)端，設(shè)置的IP地址為：168.192.1.(2-12)，端口為5061-5071。根據(jù)C/S模式把主控SIP服務(wù)器、電臺(tái)模擬器進(jìn)行組網(wǎng)連接，如圖5所示，并依次分配IP、端口地址、用戶(hù)名字，以及設(shè)定的密碼。此系統(tǒng)第一次使用時(shí)，需要取得服務(wù)器的注冊(cè)認(rèn)證，否則無(wú)法進(jìn)行組網(wǎng)通信，SIP的注冊(cè)過(guò)程如圖2所示。

　　第一步，首次啟動(dòng)語(yǔ)音通信時(shí)，SIP客戶(hù)端先通過(guò)局域網(wǎng)向安裝在主控計(jì)算機(jī)上的SIP服務(wù)器發(fā)起REGISTER注冊(cè)申請(qǐng);

　　第二步，SIP服務(wù)器對(duì)SIP客戶(hù)端進(jìn)行查詢(xún)并認(rèn)證該客戶(hù)的信息，確保這名客戶(hù)信息是一個(gè)新的用戶(hù)，服務(wù)器對(duì)該用戶(hù)返回401 Unauthorized質(zhì)詢(xún)信息及所需的安全認(rèn)證令牌;

　　第三步，用戶(hù)根據(jù)服務(wù)器的提示，輸入相應(yīng)的標(biāo)識(shí)及用戶(hù)信息，再次向服務(wù)器發(fā)出REGISTER消息請(qǐng)求;

　　第四步，服務(wù)器收到請(qǐng)求后，檢查用戶(hù)信息的正確性，質(zhì)詢(xún)信息驗(yàn)證用戶(hù)的合法性，若是用戶(hù)信息錯(cuò)誤，返回失敗，若是戶(hù)信息合法，把用戶(hù)信息保存到數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中，最后返回成功的相應(yīng)消息200 OK。

3.2 語(yǔ)音處理模塊

　　當(dāng)客戶(hù)端完成注冊(cè)驗(yàn)證之后，由主控計(jì)算機(jī)選擇相應(yīng)的電臺(tái)模擬訓(xùn)練器進(jìn)行組網(wǎng)，構(gòu)建SIP語(yǔ)音會(huì)議通信系統(tǒng)。語(yǔ)音的采集是由模擬電臺(tái)訓(xùn)練器終端負(fù)責(zé)語(yǔ)音采集，語(yǔ)音處理的流程如圖3所示，首先判斷手咪的PTT按鍵是否觸發(fā)，若是沒(méi)有被觸發(fā)，該電臺(tái)模擬訓(xùn)練器處于接收語(yǔ)音狀態(tài)，即時(shí)對(duì)語(yǔ)音信息進(jìn)行解碼及播放;若是被觸發(fā)，該電臺(tái)模擬訓(xùn)練器進(jìn)行語(yǔ)音采集，初始化語(yǔ)音存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，調(diào)用錄音設(shè)備，并根據(jù)電臺(tái)設(shè)定的電磁干擾類(lèi)型的強(qiáng)度，對(duì)語(yǔ)音信息進(jìn)行編碼，當(dāng)保存數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)滿時(shí)，對(duì)語(yǔ)音數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，并發(fā)送到會(huì)議系統(tǒng)中進(jìn)行組播。

3.3 語(yǔ)音傳輸模塊

　　語(yǔ)音傳輸模塊包括SIP線程、發(fā)送線程、接收線程和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)反饋線程四個(gè)線程，為了滿足建立多線程的C/S模型和嚴(yán)格的異常處理機(jī)制，局域網(wǎng)中采用UDP協(xié)議進(jìn)行傳輸。UDP協(xié)議傳輸是一種單向的傳輸方式，事前不必與對(duì)方進(jìn)行連接，直接發(fā)送數(shù)據(jù)，例如微信，不用擔(dān)心對(duì)方是否在線，都可以向?qū)Ψ桨l(fā)送數(shù)據(jù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)一對(duì)多點(diǎn)的數(shù)據(jù)廣播，還可以進(jìn)行用戶(hù)分組通信，具有通信效率高，占用網(wǎng)絡(luò)資源少等特點(diǎn)。然而UDP協(xié)議存在的缺點(diǎn)是存在數(shù)據(jù)的丟包現(xiàn)象，不能完全確保對(duì)方接收到完整的數(shù)據(jù)包。為了解決這種問(wèn)題，采用了三個(gè)UDP控件，如圖4所示，MUUDP1負(fù)責(zé)SIP線程及網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)狀態(tài)反饋線程，MUUDP2負(fù)責(zé)語(yǔ)音發(fā)送線程，MUUDP3負(fù)責(zé)語(yǔ)音接收線程，這樣可以有效地解決傳輸信息存在的丟包現(xiàn)象。

3.4 SIP信息處理模塊

　　當(dāng)主控在進(jìn)行組網(wǎng)語(yǔ)音通信時(shí)，根據(jù)當(dāng)前所有電臺(tái)模擬器設(shè)置的工作參數(shù)進(jìn)行組網(wǎng)，在主控服務(wù)器中生成模擬器會(huì)話會(huì)議號(hào)，例如根據(jù)1號(hào)、5號(hào)、8號(hào)電臺(tái)模擬器設(shè)置的工作參數(shù)一致，建立組網(wǎng)號(hào)186001， 1、5、8號(hào)電臺(tái)模擬器就可以在構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行語(yǔ)音交互通信。組網(wǎng)的過(guò)程一般包括創(chuàng)建組網(wǎng)、加入組網(wǎng)、退出組網(wǎng)、結(jié)束組網(wǎng)等步驟。

　　創(chuàng)建組網(wǎng)方式采用即時(shí)會(huì)議的形式進(jìn)行，首先主控服務(wù)器對(duì)每臺(tái)電臺(tái)模擬訓(xùn)練器工作參數(shù)進(jìn)行周期掃描，并進(jìn)行匹配對(duì)比，若發(fā)現(xiàn)電臺(tái)的工作參數(shù)有相同的組合，則即時(shí)生成新的會(huì)議號(hào)進(jìn)行組網(wǎng)。

　　加入組網(wǎng)方式采用Call—In方式，當(dāng)建立組網(wǎng)完成之后，主控利用即時(shí)消息的方式向具有相同工作參數(shù)的電臺(tái)模擬器終端發(fā)送相對(duì)應(yīng)的會(huì)議號(hào)，各電臺(tái)模擬器終端根據(jù)接收到的會(huì)議號(hào)，向主控發(fā)送INVITE消息，請(qǐng)求加入相對(duì)應(yīng)的會(huì)議號(hào)，具體的流程如圖5所示。首先主控SIP服務(wù)器根據(jù)創(chuàng)建的會(huì)議號(hào)向模擬器客戶(hù)端提出邀請(qǐng)INVITE消息，帶有新的協(xié)商信息;然后模擬器客戶(hù)端回復(fù)200 OK,并將協(xié)商后的信息帶回;最后服務(wù)器發(fā)送ACK給模擬器客戶(hù)端進(jìn)行答復(fù)，成功邀請(qǐng)新的成員加入組網(wǎng)，即時(shí)可進(jìn)行語(yǔ)音通信。

　　退出組網(wǎng)模式是基于電臺(tái)模擬器工作參數(shù)的改變，當(dāng)某電臺(tái)的工作參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，該電臺(tái)模擬器需要向主控服務(wù)器發(fā)送BYE消息進(jìn)行申請(qǐng)退出當(dāng)前會(huì)議號(hào)，服務(wù)器接收到BYE請(qǐng)求后，對(duì)該模擬器語(yǔ)音通信鏈路進(jìn)行切斷。

　　當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)所有模擬器的工作參數(shù)不相同或退出組網(wǎng)模擬時(shí)，組網(wǎng)結(jié)束，主控服務(wù)器會(huì)向所有模擬器終端發(fā)送BYE請(qǐng)求，中斷所有的組網(wǎng)。

4 系統(tǒng)測(cè)試

　　電臺(tái)模擬器訓(xùn)練系統(tǒng)主要有主控計(jì)算機(jī)、局域網(wǎng)、電臺(tái)模擬訓(xùn)練器組成，如圖6所示。其中把SIP的注冊(cè)服務(wù)器、代理服務(wù)器、位置服務(wù)器及重定向服務(wù)器安裝在一臺(tái)主控計(jì)算上，每一臺(tái)電臺(tái)模擬訓(xùn)練器都是基于ARM11的嵌入式SIP客戶(hù)終端，以局域網(wǎng)技術(shù)為依托，構(gòu)建電臺(tái)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)強(qiáng)大的語(yǔ)音交互網(wǎng)。在模擬電臺(tái)通信過(guò)程中，主控計(jì)算機(jī)周期掃描模擬電臺(tái)訓(xùn)練器的工作參數(shù)，用模擬器工作參數(shù)相同的組合構(gòu)建實(shí)時(shí)的語(yǔ)音通信網(wǎng)，經(jīng)過(guò)測(cè)試，通信延時(shí)小于200ms，音質(zhì)清晰，能夠清楚分辨出發(fā)話人的語(yǔ)音特征，滿足了設(shè)計(jì)的要求。

5 結(jié)論

　　本文基于局域網(wǎng)通信技術(shù)，利用SIP協(xié)議，構(gòu)建了電臺(tái)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的語(yǔ)音通信系統(tǒng)，并在VC6.0平臺(tái)上編譯通過(guò)，實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)電臺(tái)模擬訓(xùn)練器之間的組網(wǎng)語(yǔ)音通信，通信效果良好，對(duì)電臺(tái)模擬器的語(yǔ)音仿真訓(xùn)練具有很強(qiáng)的實(shí)際參考價(jià)值。

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本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第1期第56頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。