基于SIP协议的半双工VHF话音通信远程接入系统*

(中国西南电子技术研究所，成都 610036)

1 引 言

VHF话音通信具有机动、灵活、方便、快捷等特点，在很多场合，例如反恐、救灾、军事行动等，有着广泛的应用。但是，由于VHF频段无线通信是视距通信，为了保持机动平台与地面系统之间的通信不间断，就必须解决VHF话音通信的远距离接入控制和组网应用问题。相关应用领域专家针对这一问题已经开展了大量的研究工作，提出了基于电话网络的接入方案；但是，由于传统电话网络固有的成本高、灵活性差等缺点，导致此类基于传统电话网的VHF话音通信接入方案无法推广应用。

另一方面，IP网络技术的飞速发展带动了各种应用向IP 技术的靠拢，一个典型的应用就是VOIP业务[1-2]。VOIP 与传统的电话网相比，由于统一采用IP 技术，话音和数据传输在同一线路上采用统计复用技术实现，从而提高了线路带宽资源的利用率，具有成本低、灵活性高、生产率及效率高等优点。目前，VOIP技术受到越来越多研究机构的关注，在军事及公共安全等应用领域开展了大量的研究工作[3-6]。针对传统通信系统基于统一的IP网络的融合应用，也取得了一定的研究成果，例如电话、手机、普通四线话音设备等不同话音通信系统之间的互联互通和统一调度[3]，但针对VHF话音通信的IP网融合应用技术的研究较少。

本文结合VHF频段无线通信特点及业务范围，基于VOIP技术现状，提出了一种适用于VHF话音通信的地面IP网络融合应用方法，从而为VHF话音通信的应用范围扩展提出了新的思路，为解决半双工VHF话音通信融入下一代通信网络应用的问题提供了一种设计参考。

2 VOIP协议

在基于IP的多媒体通信领域，起主导地位的包括两大体系：一是ITU-U体系，制定了H.323[7](基于包交换的多媒体通信系统建议) 标准；另一个则是由IETF推荐的基于SIP(会话初始化协议)[8]的多媒体业务解决方案。

H.323沿用的是传统的电话信令和协议[7]，而SIP 借鉴了其它因特网的标准和协议的设计思想，在风格上遵循因特网一贯坚持的简练、开放、兼容和扩展等原则，比较简单且易于实现[8]。从技术发展的角度看，由于SIP天生的技术优势，在克服当前一些技术难题后，SIP 的应用前景将更加明朗。

根据上述分析，VHF话音通信远程接入系统中，在有线侧选择SIP协议设计。在SIP 协议中有两个主要的组成部分需要设计实现[8]：用户代理(UA)和网络服务器。用户代理又分为发起SIP 请求的用户代理客户端(UAC) 和响应这种请求的用户代理服务器(UAS) 。网络服务器分为重定向服务器、代理服务器、注册服务器。通常的SIP呼叫操作涉及到1个SIP 用户代理客户机发起请求，1个SIP代理服务器作为终端用户的位置发现代理，并且存在1个用户代理服务器接收这个呼叫。

3 接入系统设计

3.1 系统架构设计

VHF话音通信远程接入系统中需要实现SIP用户代理和SIP服务器组件，包括VHF电台远程桌面控制软件(地面系统)、VHF电台接入控制设备(地面通信站点)和SIP服务器组件(地面控制中心)3个部分。地面系统、地面通信站点和地面控制中心由高速互连的地面IP网络连接，可以实时传输话音及控制信息，保证地面网络及地空无线通信的连通性。基于SIP协议的VHF话音通信远程接入系统的体系架构如图1所示。

图1 VHF话音通信远程接入系统体系架构

构建VHF话音通信远程接入系统后，地面系统用户可以通过地面IP网与互联的地面通信站点内的接入控制设备互通话音，并通过VHF话音通信远程桌面控制软件实现对通信站点内VHF话音通信的控制和参数设置。接入控制设备通过音频接口和控制接口与VHF话音通信相连，实现与空中移动平台之间的无线话音通信。

VHF话音通信远程接入系统中，接入控制设备在有线侧的功能相当于SIP用户代理，在无线侧相当于传统的VHF话音电台控制设备。远程桌面控制软件在SIP系统中的功能相当于SIP用户代理，并扩展实现对VHF话音电台的远程控制功能。接入控制设备和远程桌面控制软件是VHF话音电台远程接入系统中的两个核心部件。本文以下部分将给出这两个部件的建议性设计。

3.2 接入控制设备设计

接入控制设备主要完成电台控制命令和话音的处理和格式转换，它通过电台音频接口电路与电台音频口连接；为控制半双工电台收发切换，使用PTT接口电路与电台的PTT相连，并通过电台控制接口实现对电台的控制和工作状态监视功能。电台控制信息和话音信息分别完成控制命令处理转换和媒体格式转换后，统一采用实时传输协议(RTP)传输到地面IP网络中。接入控制设备的原理框图如图2所示。

图2 接入控制设备原理框图

接入控制设备软件部分采用模块化的设计思想，各个模块实现独立功能，为以后的功能扩展和在其它项目中的移植打下良好的基础。它主要分为以下几个模块：

(1)话音处理模块：该模块在独立的高性能数字信号处理器(DSP) 芯片上运行，主要实现话音的编码/解码、静音检测、回音抵消等功能；

(2)媒体格式转换模块：该模块主要处理话音分组，完成网络话音数据分组的预处理、格式转换及压缩处理；

(3)控制监视处理模块：该模块根据电台控制接口要求，完成电台控制命令、状态信息的处理、格式转换及实时传送，支持远程桌面控制软件对电台的控制和工作状态监视；

(4)呼叫处理模块：该模块实现SIP 信令标准定义的呼叫处理流程，接收地面系统呼叫处理，支持在分组网上建立会话通信；

(5)网络接口模块：该模块实现基于实时传输协议(RTP)的网络接口能力，实现多媒体信息、SIP 信令，以及对本站点电台远程监控信息的实时传输。

接入控制设备启动后，先向SIP注册服务器进行登记注册，随后即处于呼叫等待状态。当远程桌面控制软件发起呼叫时，接入控制设备SIP用户代理服务器发送2XX/OK应答，呼叫建立，可以开始正常的话音通信过程。

正常话音通信过程中，接入控制设备需要将话音电台侧的模拟话音抽样量化为PCM数字话音，然后经过SIP协议支持的G.711或G.729等话音编码后发送到远程桌面控制软件SIP用户代理，并将从有线侧接收到的话音编码进行解码处理后送话音电台。

半双工VHF话音通信与全双工SIP系统之间的互通控制是由接入控制设备利用静音检测技术实现的，即VHF话音电台的收/发状态是由有线侧是否讲话来控制的。若有线侧开始讲话，经过话音处理模块检测到话音起始点，通过PTT接口电路将VHF话音电台PTT 置于有效电平，使其工作于发射状态。当有线侧讲话告一段落，话音检测电路检测到话音的截止点，通过PTT接口电路将VHF话音电台PTT 置于无效，此时VHF话音电台工作于接收状态，等待通话机动平台的回话。如此反复，直至通话结束。

在地面系统远程桌面控制软件挂机后，接入控制设备网络接口模块进行相应的挂机信令处理后，又返回呼叫等待状态，准备接收网络上任意地面系统发起的新的呼叫。

3.3 远程桌面控制软件设计

远程桌面控制软件部署在地面系统控制计算机中，提供图形化用户使用界面，支持对不同地面通信站点工作状态和占用情况的监视。用户可根据通话机动平台的位置和工作参数，选择合适的地面通信站点及VHF话音电台，由远程桌面控制软件自动完成拨号处理过程，并可以通过远程桌面控制软件实现对目标通信站点VHF话音电台的参数设置和控制。远程桌面控制软件实现对控制命令和媒体格式的处理转换，统一由网络接口模块采用实时传输协议传输到地面IP网络中。

远程桌面控制软件采用模块化的设计思想，各个模块实现独立功能。根据功能使用需求，远程桌面控制软件主要分为以下几个模块实现：

(1)话音接口模块：该模块主要完成与话筒、听筒的接口，实现话音信息的输入、输出及编/解码功能；

(2)媒体格式转换模块：该模块主要处理话音分组，完成网络话音数据分组的预处理、格式转换及压缩处理；

(3)呼叫控制人机界面：提供图形化用户接口，支持用户选择使用的地面通信站点及VHF话音电台，并支持呼叫处理参数的设置；

(4)呼叫处理模块：该模块实现SIP 信令标准定义的呼叫处理流程，根据用户输入信息完成呼叫处理过程，实现与选择地面站点之间的会话通信；

(5)控制监视人机界面：提供图形化用户接口，实现对网络上互联的地面站点配置VHF话音电台的状态监视，并支持用户对选定VHF话音电台的参数设置和控制；

(6)控制监视处理模块：该模块根据用户的输入信息，完成对远端电台的控制命令的生成和格式封装，并接收远端电台的工作状态报告信息，完成格式转换后送控制监视人机界面；

(7)网络接口模块：该模块实现SIP 信令标准定义的呼叫处理，支持在分组网上建立会话通信，并提供基于实时传输协议(RTP)的控制命令接口，支持对电台的远程配置及维护。

远程桌面控制软件启动后，先向SIP注册服务器进行登记注册，随后即处于呼叫等待状态。当用户通过呼叫控制人机界面发起呼叫时，呼叫处理模块自动完成Request-URI转换，并向其发送INVITE/会话邀请，当接收到目标站点接入控制设备的2XX/OK应答后，向呼叫控制人机界面报告呼叫建立，可以开始正常的话音通信过程。

在通话机动平台离开使用的地面通信站点的通信覆盖范围时，地面系统用户可以通过人机界面控制断开与使用地面站点的SIP连接，并根据通话机动平台的位置信息和任务机动趋势，选择下一个地面通信站点，重复呼叫处理过程，完成越区切换过程，从而为机动平台提供远距离、不间断的话音通信服务。

4 结束语

本文在对VOIP技术及其实用性进行研究的基础上，给出了基于SIP协议的VHF话音通信远程接入系统的架构设计及关键设备的建议性设计。基于商用SIP服务器及桌面电话软件，结合某型号VHF话音电台，对上述设计思路进行的仿真演示结果表明，系统引入的时延及语音质量均能很好地满足使用需求，从而为VHF话音通信依托地面IP网络的功能扩展提供了事实依据。

由于VHF频段无线通信是视距通信，当机动平台从一个地面通信站点的通信覆盖范围移动到另外一个地面通信站点的通信覆盖范围时，必然存在越区切换问题。在下一步的工作中，将结合工程应用，对基于SIP协议的VHF话音通信远程接入系统的性能优化和越区切换算法开展进一步的研究。

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[7] ITU-T Recommendation H.323 V2，Packet based multimedia communications systems [S].

[8] RFC 3261，SIP：Session Initiation Protocol[S].