通信综合实训系统的设计与实现*

阴法明 ，包永强，石 雷

(1.南京信息职业技术学院，南京 210046;2.南京工程学院通信工程学院，南京 211167;3.华为技术有限公司，广东 深圳 518129)

目前通信技术发展日新月异，电信设备繁多而且更新换代较快，实训设备的采购和升级对于高等院校以及各大公司的员工培训来说是一笔不小的费用支出，因此具有广阔的市场前景。面向实际岗位技能的培养的实验(训)系统一般有以下要求:①实训项目的实用性。要根据受培训人员未来的工作岗位出发来制定，使他们经过实践，不仅能验证相关的理论知识，还能学习到实际岗位需要的技能，经过简单的培训即可从事相关岗位工作。②实训设备的合理性。为了更好的培养学员的应用能力，实训系统采用产业链中在网的设备和技术，确保技术不落伍，设备不过时。③实训系统的低成本。在科学技术飞速发展的今天，实训设备必须不断更新才能满足教学要求，这对于高等院校等培训单位来讲是一个不小的负担，所以实训系统低成本显得非常重要。

本文根据以上问题提出一种面向高等院校以及通信类大公司的通信专业技能的实训系统设计方案，该系统全部采用现网设备，可开展丰富的实训项目，而且成本较低。

1 通信综合实训系统

本系统涵盖了现代电信网络的主要节点，包括程控交换、软交换、光纤传输、接入网、移动通信等节点，每个节点可以独立运行，也可以通过承载网与其他节点联网组成小型通信网络。

1.1 程控交换实验模块

程控交换机的基本结构框图如图1所示。

控制部分包括中央处理器(CPU)、存储器和输入/输出设备;话路部分由交换网络、出/入中继器、用户电路等组成;交换网络可以是各种接线器(如纵横接线器、编码接线器等)，也可以是电子形状矩阵(电子接线器)。交换网络可以是模拟空分的，也可以是数字时分的，并由CPU 发送控制命令驱动;出中继器和入中继器是和中继线相连的接口电路(中继线用于互联交换机)，传输交换机之间的各种通信信号，也可以监视局间通话话路的状态。

图1 程控交换机的基本结构框图

用户电路是每个用户独用的设备，包括用户状态的监视和与用户有关的功能。在电子交换机，尤其在数字交换机中，加强了用户电路的功能。图1中所示的话路部分包括交换网络、中继器、用户电路以及信号设备，且都受控制部分的中央处理器控制。所以说程控交换机实质上是数字电子计算机控制的电话交换机。

1.2 接入技术实验模块

无源光网络(PON)技术是为了支持点到多点应用发展起来的光纤接入技术，EPON 是基于以太网的无源光网络。EPON 系统可以实现的网络结构包括光纤到户/办公室(FTTH/FTTO)、光纤到大楼/路边(FTTB/FTTC)和光纤到交接箱(FTTCab)等。

EPON 采用单纤波分复用技术(下行1 490 nm，上行1 310 nm)，下行数据流采用广播技术，上行数据流采用TDMA 技术。OLT至ONU 间只需一根光纤，局端至用户端传输距离可达20 km。EPON 具有同时传输语音、IP 数据和视频广播的能力，其中语音和IP数据采用IEEE802.3 以太网帧格式进行传输，OLT 下行PON 口可提供最大带宽为1 000 Mbit/s，通过扩展第3个波长(通常为1 550 nm)还可实现视频广播传输业务。

EPON 系统包括局端设备(包括:光线路终端OLT(Optical Line Terminal)、无源光分配网络ODN(Optical Distribute Network))和用户端设备(包括:光网络单元ONU(Optical Network Unit)、光网络终端ONT(Optical Network Terminal))。

OLT 提供语音、数据、视频业务网路的互联接口，并实现网络管理的主要功能。ONU/ONT 负责向终端用户提供所需的业务接口。ODN 负责连通OLT 与所属的ONU，为OLT 与ONU 之间提供光传输手段，其主要功能是完成光信号功率的分配。ODN 由用户光缆、无源光分路器、光交接设备、光分纤设备和光缆接头及用户终端盒组成。

用户光缆按用途分为主干光缆、配线光缆、室外用户引入光缆、室内用户引入光缆。主干光缆OLT 到光交接设备之间的光缆;配线光缆 从光交设备到各光分纤设备之间的光缆;用户引入光缆从光分纤设备到用户终端盒的光缆;无源光分路器

从一根光纤中分出若干条光路的设备;光交接设备 用于光缆间交接配线设备;光分纤设备 用于光缆分纤的设备;光缆用户终端盒 用于用户引入光缆终端的设备。

图2 ODN 通用物理配置模型

1.3 光纤通信模块

所谓光纤通信，就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信之目的。要使光波成为携带信息的载体，必须在发射端对其进行调制，而在接收端把信息从光波中检测出来(解调)。依目前技术水平，大部分采用强度调制与直接检测方式(IM-DD)。典型的数字光纤通信系统方框图如图3所示。

图3 数字光纤通信系统

从图3 可以看出，数字光纤通信系统基本上由光发射机、光纤与光接收机组成。在发射端，电端机把模拟信息(如话音)进行模/数转换，用转换后的数字信号去调制发射机中的光源器件(一般是半导体激光器LD)，则光源器件就会发出携带信息的光波。如当数字信号为“1”时，光源器件发射一个“传号”光脉冲;当数字信号为“0”时，光源器件发射一个“空号”(不发光)。光波经光纤传输后到达接收端。在接收端，光接收机把数字信号从光波中检测出来送给电端机，而电端机再进行数/模转换，恢复成原来的模拟信息。就这样完成了一次通信的全过程。

目前电信网中的大容量骨干传输网普遍采用以SDH为代表的光通信网络。它的优点在于频带宽，通信容量大;损耗低，中继距离长;抗电磁干扰;无串音干扰，保密性好;光纤线径细、重量轻、柔软;光纤的原材料资源丰富，用光纤可节约金属材料等。

1.4 软交换实验模块

随着互联网技术的飞速发展，通信网的发展呈现出宽带化、IP 化、移动化的发展趋势。各种接入网、移动网、帧中继网、数据网等新型网络的发展促使呼叫控制与承载连接进一步分离，并对所有媒体流提供统一的传送平台。NGN 提出将网络功能从纵向分成业务层、控制层、传送层和接入层4 层，控制层的核心功能实体就是软交换。

软交换技术区别于传统电信网的“硬”交换或PSTN(Public Switched Telephone Network:公共交换电话网)，是基于包交换网络(主要指IP 网)，以软件来实现交换与呼叫控制管理的一门新的电信网络技术，它是NGN 的核心。我国信息产业部电信传输研究所对软交换的定义是:“软交换是网络演进以及下一代分组网络的核心设备之一，它独立于传输网络，主要完成呼叫控制、资源分配、协议处理、路由、认证、计费等主要功能，同时还可以向用户提供现有电路交换机所能提供的所有业务，并向第3 方提供可编程能力。”

IPPBX 电话交换机系统实现计算机网与电话交换机的功能合一，将会在二十一世纪的通信业中起着重要的作用。IPPBX 网络系统内各电话终端采用IP 方式进行数据通信，不仅能进行通话，还能实现文本、数据、图像的传输，将电话网和计算机网统一成一个整体，实现局域网内的电子办公。如图4所示，IPPBX 支持各种模拟终端和数字终端，并能够方便地实现话务台和网管等功能。

图4 IPPXB 系统概述图

1.5 IPPBX 系统组成

本实训系统设计的IPPBX 系统主要由4个部分组成:①PBX 智能软件部分;②模拟站网关;③模拟中继网关;④数字中继网关，如图5所示。

图5 IPPBX 系统组成

1.6 移动通信实验模块

移动通信系统主要有蜂窝系统(GSM)，集群系统，AdHoc 网络系统，卫星通信系统，分组无线网，无绳电话系统，无线电传呼系统等。

蜂窝系统是覆盖范围最广的陆地公用移动通信系统。在蜂窝系统中，覆盖区域一般被划分为类似蜂窝的多个小区。每个小区内设置固定的基站，为用户提供接入和信息转发服务。移动用户之间以及移动用户和非移动用户之间的通信均需通过基站进行。基站则一般通过有线线路连接到主要由交换机构成的骨干交换网络。蜂窝系统是一种有连接网络，一旦一个信道被分配给某个用户，通常此信道可一直被此用户使用。蜂窝系统一般用于语音通信。

移动通信系统是目前应用最为广泛的通信体制，移动通信系统是由3个部分组成，分别为移动台、基站子系统(BSS)和网络子系统(NSS)，如图6所示。移动台(MS)就是移动用户设备部分，功能实体可分为以下2个主要部分:①移动终端，就是通常所说的“手机”，它可以完成话音编码、信道编码/译码、信息加密/解密、信息调制/解调、信息发送/接收等。②用户识别卡(SIM)，就是用户“身份卡”，存有认证用户所需要的所有信息，并能执行一些与安全保密有关的重要信息处理，防止非法用户进入网络。

图6 移动通信网络系统的组成

基站子系统(BSS)在一定的无线覆盖区域内由MSC 控制，与MS 进行通信的系统设备，它主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。功能实体可分为以下2个主要部分:①基站控制器(BSC)，具有对一个或多个BTS 进行控制的功能，它主要负责无线网络资源的管理、小区配置数据管理、功率控制、定位和切换等。②基站收发信机(BTS)，无线接口设备，它完全由BSC 控制，主要负责无线传输，完成无线与有线的转换、无线分集、编码调制、无线信道加密、跳频等。

网络子系统(NSS)负责管理GSM 移动用户之间的通信以及移动用户与其它网络(如有限电话网)之间的通信。NSS 由多个功能实体构成:①移动交换中心(MSC)，是系统的核心，是对它所在覆盖区内移动台进行控制和完成话路交换的功能实体，也是移动通信系统与其它公用通信网之间的接口。②访问位置寄存器(VLR)，是一个数据库，是储存MSC为了处理所管辖区域内来访MS 的来话、去话呼叫所需检索的信息，比如用户号码、所处位置、向用户提供的服务等。③归属位置寄存器(HLR)，也是一个数据库，是储存管理部门用于移动用户管理的数据，是GSM 系统的中央数据库，存储并管理移动用户号码、用户类别、访问能力及漫游时的信息等。④鉴权中心(AUC)，用于产生用户鉴权、加密所需三参数(随机号码RAND、符合响应SRES、密钥Kc)的功能实体，用于对移动用户鉴权并对通信的业务数据进行加密等。⑤移动设备识别寄存器(EIR)，也是一个数据库，用于储存移动台设备参数的，用于识别网络中的设备是合法设备还是禁用的非法设备。⑥操作维护中心(OMC)，负责对网络进行监控，如设备自检、报警、故障诊断、话务量的统计及各种网络参数的收集、分析等。

2 实训项目

本综合实训系统，秉承“从工作岗位出发，以职业能力为核心”的原则，可以开发众多的实训项目。实训项目可以分为两大类，各模块内部的实训和模块之间互联互通的实训。实训的安排遵循“从局部到整体，从硬件到软件，从易到难”的原则。先学习各个模块的理论技能，最后实现模块的互联实训，每一个模块先进行硬件和组网的实训，然后开展网管配置，循序渐进由易到难开展实训。

以程控交换模块为例，首先安排“程控电话组网与设备安装”实训，包括电话组网的原理与设计，交换机设备的安装，双绞线的卡线与水晶头制作等内容。通过这个实训，让学员从整体上认识电话网的组成，掌握硬件的原理与安装方法。

然后安排“网管联机与程控基本配置”，让学员了解网管的基本操作和程控交换基本业务的配置方法，通过实训，学员对网管有了基本的了解，并能配置实现本局电话的放号与互通。

再通过“中继配置”实训，让学员进阶掌握E1中继业务的配置方法，实现局间通话功能。

最后，通过“典型故障处理与调试”使得学员在前面实训的基础上，进一步增强分析和解决故障的能力。

各模块学完之后，开展程控交换与软交换、移动通信模块的互通实训，使学员对电信网整体的通信流程有较深刻的体会。部分典型的实训项目如表1所示。

表1 典型实训项目

3 综合实验典型示例

本系统可根据需求开发多个难度不同的实训项目，下面以软交换和移动通信两个模块的对接为例来介绍典型的实训过程。本实训通过软交换侧和移动通信侧的配置，利用SIP 协议中继对接，实现所属终端之间的呼叫。软交换地址IP 地址是192.168.1.111，移动通信设备是192.168.100.100。主要实训步骤如下:

(1)准备工作 软交换侧的SIP 话机能够正常注册，并能打通本局的电话;移动通信侧的手机能够打通本侧的其它手机;双方已经通过光纤通信平台连接，并能够ping 通对方。

(2)软交换侧中继对接配置 配置对端的IP地址，SIP 端口号，语音压缩算法等。

(3)软交换侧号码分析配置 使得本局话机拨打对端号码时，通过第2 步配置的SIP 中继出局，并能处理对端的入中继呼叫。

(4)移动通信侧中继配置 增加中继，并配置出中继和入中继的参数，建立了一个名为“111－peer”的类型为“type”的中继。

(5)移动通信侧路由配置 首先建立一个新的路由“111－dial－2xxx”，添加拨号模式“2XXX”，并选择第4步配置的中继“SIP/111－peer”，则移动侧拨打2 开头的号码时，会通过中继“SIP/111－peer”到达对方。

(6)电话拨打测试，并进行SIP 信令跟踪分析。

总的来说，本文提出的通信综合实训系统具有以下特点:

(1)低成本，易建设 本方案没有采用大型电信设备，全部采用市场上应用较广的企业用的小型设备，虽然成本较低、结构简单，但是功能全面，系统建设难度低、周期短。

(2)功能丰富，易升级 本方案包含五大实训模块，可以提供丰富的实训项目。模块之间既互联互通又相互独立，每个模块都可以根据技术发展单独升级，不影响其他模块。

(3)技术新颖，可扩展 本方案不仅包含EPON、软交换等新技术，还可以方便的扩展数据、3G 等通信模块。

4 结束语

本文提出了一个通信综合实训系统设计方案，该方案设计的实训系统以较低的成本、简单的架构提供了丰富的实训资源，五大模块互联互通真实模拟了电信网的实际结构，能很好的满足大中专院校以及通信类大公司的专业技能的实训需要。

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