基于SIP的动态重组服务系统的设计与实现

吴健雄

（公安部第一研究所，北京100048）

基于SIP的动态重组服务系统的设计与实现

吴健雄

（公安部第一研究所，北京100048）

基于会话初始协议SIP（Session Initiation Protocol）设计并实现警用数字集群（PDT）动态重组服务系统，提出采用SIP协议与PDT数字集群厂商通信，实现对讲机的动态重组、呼叫和发送短信等功能。通过分析、设计系统软硬件架构和系统基本功能，保证实验测试环境验证系统功能的完备性，为公安指挥调度系统实现快速、稳定的一键呼叫多个对讲机终端提供解决方案。

SIP；动态重组；数字集群；Web Service

1 背景阐述

警用数字集群系统[1]，是我国在吸收国际主流数字无线通信标准优点的基础上，结合国内实际情况，自主创新，拥有自主知识产权的数字集群通信体制。随着科技信息化的快速发展，公安通信指挥调度业务对警用数字集群通信提出了更高的要求。

在实战应用中，指挥员需实现一键呼叫，指导案发地周边警力。然而，受限于PDT数字集群窄带通信中语音信道资源的限制，采用传统单呼方式呼叫，同一基站下的多个对讲机终端极可能会出现信道资源不足而呼叫失败的情况。在实际工作中，能否将多个对讲机终端放到一个组中，直接呼叫该组号即可拉起组中所有的终端是需要思考的问题。因为这样仅占用一个语音信道，所以，动态重组业务应用应运而生了。

2 动态重组和SIP协议简介

2.1 动态重组简介

动态重组是授权网管终端或调度台利用空口信令向目标移动台临时增加通话组（动态组）的过程。对于业务应用系统，动态重组是为待呼叫的对讲机建立一个临时会话组。在空闲状态下，组管理员可通过无线方式在群组中增加或删除一个成员，增加或删除成功后，系统会证实并告知组管理员操作成功。其中一个对讲机动态重组的过程如图1所示。

图1 动态重组请求流程示意图

在警务实战应用中，动态重组呼叫功能充当着应急指挥通信的角色。比如某案件发生时，3台合一将报警警情推送到业务系统中，系统在地图上定位该警情，并圈选定位点周边警力进行动态重组呼叫，通知出警。动态重组呼叫具有精确呼叫、高可靠度和仅占用1个信道资源等优点。

2.2 SIP协议

在PDT数字集群应用业务系统中，数字集群厂商通常要求应用的各方都需要遵循一定的协议，以实现数据的互联互通，其中，H.323协议和SIP协议的应用最为广泛。H.323协议是一种标准的音视频传输协议，它提供了基于IP网络（包括Internet）的传送声音、视频和数据的基本标准，但其层次式的控制模式决定了其信令控制较为复杂，且其可拓展性较差，灵活性不高，具有一定的局限性[2]。

初始化会话协议（Session Initiation Protocol，SIP）是由互联网工程任务组（Internet Engineering Task Force，IETF）组织提出的一种开放的IP信令协议，用于实现IP网络中的信令控制以及与软交换网络的通信[3]。与H.232协议相比，SIP协议分布式体系架构和可扩展头域决定了其具有较强的业务扩展能力。另外，SIP协议应用非常灵活，主要体现在其会话内容可以是音频数据和视频数据，甚至是文本数据。SIP协议具有很多基础功能，能够满足大部分的应用业务需求。由此，在框架上简单、开放和可扩展的会话初始化协议SIP更能满足PDT数字集群动态重组服务会话控制的需要。

3 系统设计

3.1 系统架构设计

2012年，党中央、国务院做出实现国家财政性教育经费支出占国内生产总值比例达到4%的重大战略决策的同时，提出要根据教育事业发展需要，精心设计好资金使用项目，要把资金用在最需要的地方。总的原则是紧紧围绕“育人为本”这个核心和促进公平、提高质量这两大重点，多向农村地区、贫困地区、民族地区倾斜，多向农村义务教育、职业教育、学前教育倾斜，多向特殊困难学生倾斜，多向教师队伍建设倾斜，真正做到雪中送炭，把钱花在刀刃上。

本系统的框架结构是以SIP协议为核心，充分发挥SIP协议灵活性和可扩展性的特点，通过公安专网搭建服务系统，提高动态重组通话质量和系统通信效率。系统主要由动态重组服务器、注册服务器、多媒体服务器和数据服务器组成，其中，动态重组服务器与PDT厂商服务器通过安全隔离网闸或防火墙相连。基于SIP协议的PDT动态重组服务系统的架构如图2所示。

图2 基于SIP的PDT数字集群动态重组服务系统架构

3.2 系统基本功能设计

PDT数字集群动态重组服务系统的主要功能有注册登录、监听录音、动态组呼、申请和释放动态组号、动态组号管理和发送群短信。动态重组服务是本系统的关键，主要完成动态组的创建、呼叫的建立和动态组的维护，但不提供可视化界面。它采用Web Service[5]方式为用户提供动态组呼服务，采用标准SIP协议与PDT厂商通信。下面，分别详细阐述可视用户终端和动态重组服务器的功能设计。

3．2．1 可视用户终端功能设计

可视用户终端功能有：①会议呼叫功能。通过软交换服务器为多种通信设备建立会议呼叫，包括PDT数字集群对讲机、手机、固定电话和移动警务等通信设备。②动态重组呼叫功能。可对多个PDT数字集群终端发起动态重组呼叫，通过Soap请求后台建立动态重组组号，采用标准的SIP信令控制呼叫流程。③会议管理控制功能。用户在会议通话过程中对会议成员的管理，包括禁止说话、允许说话、挂断某成员、呼叫某离线成员和新人插入会议等。④发送短信功能。通过E1接口与电信运营商相连，为手机发送短信，通过Soap请求动态重组服务器群发手台短信。⑤查看播放通话录音功能。可通过账号、通话时间等信息查询对应的通话录音文件，并支持在线播放。⑥内置降噪功能数字麦克风，可用于语音现场监听和录音。⑦自动向SIP软交换服务器发送心跳包报告在线状态。

3．2．2 动态重组服务器功能设计

动态重组服务器的功能有：①动态重组建立功能。通过SIP信令与PDT厂商中控台交互，创建动态组号，并往组中添加成员，实现动态重组的建立。②采用标准SIP信令控制双向对讲，接入电信运营商网络，可以呼叫手机和固定电话。③动态组号的维护功能。这包括组号使用结束或超时删除组号并回收，查看正在使用的动态组和空闲的动态组等。④定时尝试回收组号功能。当组号删除失败或使用超时时，将定时尝试请求删除组号。⑤支持失败重试，请求PDT厂商未响应立即结束会话等功能。⑥录音功能。录音功能可以记录每一次会议的呼叫开始时间、呼叫等待时间、通话开始时间、通话时间和通话录音，并能对已记录的录音文件进行查询播放。⑦日志功能。日志功能可记录每一次与可视用户终端、电信运营商和PDT厂商的通信日志。

3.3 系统软件设计

软件系统采用Microsoft Visual Studio集成开发环境进行开发，软件设计采用模块化、层次化、标准化的设计思想。从通信层面看，系统软件架构如图3所示。TCP/UDP用于数据传输；SIP用于信令控制，它创建、修改和释放一个或多个参与者的会话；RTP/RTSP用于实时音视频通信传输；G711/AAC/MP3用于音频编解码；SDP用于会话描述；UDDCP为自定义的动态重组相关指令，使用ХML格式定义，采用SIP Message传送。

图3 基于SIP的PDT数字集群动态重组服务系统通信软件架构图

3．3．2 通信协议

SIP规定了6类状态码，其中，状态码由3位数字组成，第一个数字为响应的类型，后面2个数字为该类的进一步细分，具体见表1.在动态重组服务系统中，为细化对讲机动态重组失败原因，与PDT厂商进一步细化了通信协议，基本涵盖了所有对讲机动态重组结果返回状态，具体见表2.

4 系统测试

根据文中对整个系统软硬件环境的设计，搭建基于SIP的动态重组服务系统测试环境。其中，动态重组服务器IP地址为10.23.1.156，客户端IP地址为10.23.1.157，PDT厂商服务器IP地址为30.10.0.1.下面，对该系统进行动态重组呼叫功能性测试，测试过程中，采用Wireshark抓包工具抓包解析，以此来验证功能的完备性。

4.1 Register功能测试

注册时，客户端首先向服务器发送注册命令，服务器接收注册信息，认证其合法性后，在数据库中添加该用户信息，并最终返回200OK成功响应消息给客户端。在注册消息中，Expires字段表示该注册登记的生存期，因此，定时请求注册，保证长期在线。注册时，客户端与动态重组服务器交互的数据包如图4所示。

表1 6类状态码详情

表2 对讲机动态重组结果返回状态

图4 注册时交互抓包数据

4.2 动态重组功能测试

动态重组功能测试时，客户端先通过请求动态重组服务器中的Web Service服务建立动态组，然后动态重组服务器通过SIP message消息向PDT厂商服务器发送添加动态组请求，如果成功，将回复200OK。待动态组使用完毕后，由动态重组服务器向PDT厂商服务器发送删除动态组请求，删除成功回复200OK；删除失败，则根据失败原因状态码回复。动态重组交互数据包如图5所示，其包括添加成员到动态组中和将成员从动态组中删除。

图5 动态重组交互抓包数据

在添加或删除成员的message消息的Message Body中，cmd字段代表操作命令，add为添加成员，remove为删除成员。group字段代表组号，ms字段代表对讲机号码。

图6为请求将68020663、68020660、68020288、68020655、68020681这5个手台添加到68020962的动态组中的message消息。

图6 添加成员到动态组抓包解析

4.3 动态重组呼叫测试

图7为应用中正常的动态重组呼叫流程，即先发起动态重组请求，成功后，创建会议，并发起动态组呼，待呼叫结束后，BYE挂断，并请求删除动态组以回收组号。考虑到PDT数字集群窄带无线通信的不稳定性，在添加和删除成员时，如果失败，应重复请求，以此提高动态重组的成功率。

图7 动态重组呼叫整个流程抓包数据

5 结束语

本文设计并实现了基于SIP的PDT数字集群动态重组服务系统。从硬件架构、软件架构、协议分析3个方面对研究目标进行详细的分析和论述，并通过实验测试实现终端的注册、对讲机的动态重组、动态组呼、挂断等基本功能。该动态重组服务系统为公安指挥调度系统实现快速、稳定的一键呼叫多个对讲机终端提供了解决方案。

［1］公安部科技信息化局，杭州承联通信技术有限公司，海能达通信股份有限公司，等.GA/T 1056—2013警用数字集群（PDT）通信系统总体技术规范［S］.北京：中国标准出版社，2013.

［2］刘海鹏.SIP协议简介及其与H.323协议的比较［J］.科技创新导报，2007（1）：10.

［3］Rosenberg J，Schulzrinne H，Huitema C，et al.Session Initiation Protocol（SIP）Extension for Instant Messaging［J］.Ietf Rfc，2002，64（2）：185-194.

［4］林旺，田洪现.基于SIP协议的嵌入式VoIP语音终端实现和协议分析［J］.计算机科学，2016，43（6）：86-90.

［5］曹杨雄，谢永强，齐锦，等.一种基于Web Service的可扩展视频网关设计研究［J］.计算机技术与发展，2011，21（7）：71-76.

［6］刘天宇.基于SIP协议的集群通信系统Android客户端的开发实现［D］.南京：南京邮电大学，2016.

〔编辑：白洁〕

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10.15913/j.cnki.kjycx.2017.15.035

2095-6835（2017）15-0035-04