基于标准SIP协议的全数字化广播系统在轨道车辆中应用的研究

李志，李培远，鹿晨皓

中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东青岛，266031

0 引言

轨道车辆广播系统作为列车面向乘客服务的核心系统，对系统的稳定性、互换性、一致性、扩展性等具有较高的要求。轨道车辆系统架构总线主要有RS485总线+模拟音频总线、CAN总线+模拟音频总线、MVB总线+以太网总线、以太网总线+模拟音频总线。模拟音频总线存在不易扩展、同时易受干扰等问题，目前在轨道车辆中数字化广播系统逐渐取代模拟广播系统，并在轨道车辆中得到大量应用，但目前数字化广播实现方式多样，多采用私有通信协议，存在音质效果差、产品不具备互换性、标准化低等缺点。

针对以上在轨道车辆广播系统中存在的问题，现提出基于标准SIP协议的全数字化广播系统。SIP是由IETF制定的多媒体通信协议，它是一个基于文本的应用层控制协议，用于创建、修改和释放一个或多个参与者的会话。SIP是一种源于互联网的IP语音会话控制协议，具有灵活、易于实现、便于扩展等特点[1]。SIP协议是一种开放性多媒体通信协议，非常适用在轨道车辆上用来进行车内广播对讲通信，满足广播对讲音视频通信高质量、高可靠性要求，同时可解决多家广播系统的互换性、标准化问题，为轨道车辆广播系统各产品互换性、标准化提供有效解决方案。

本文对基于标准SIP协议广播系统的特点、SIP协议及业务逻辑、车地通信链路及软件流程进行了介绍，该系统的研制及应用将进一步提高国内轨道车辆系统的智能化、标准化水平，为后续同类产品或系统深入研究提供设计参考。

1 车载广播系统

1.1 车载广播组成与功能

车辆车载广播系统完成车内广播、对讲及车地通信功能，实现列车对乘客的语音服务，主要包含广播主机、客室分机、广播控制盒、乘客报警器、客室扬声器、司机室扬声器、噪检设备。车载广播系统功能有OCC远程广播、全列人工广播、手动紧急广播、全列自动广播、司机对讲、司乘紧急对讲、乘客车地对讲[2-3]。

1.2 车载广播系统架构

广播系统骨干网采用数字化千兆以太网+模拟音频总线架构，千兆骨干网具有链路冗余功能，广播主机头尾车各部署一台并互为冗余，为保证广播系统可靠性，全列部署冗余音频模拟总线，在全列车数字总线故障时可实时切换至模拟音频的广播，确保司机可以发起全列人工广播，提高列车在紧急情况下的适应能力。基于SIP协议的广播系统拓扑图如图1所示。

图1 基于SIP 协议的广播系统拓扑图

各SIP终端在广播系统各产品部署如下所示：

（1）广播控制盒内置标准SIP协议的编解码模块，用于司机发起全列广播以及接听紧急对讲等；

（2）系统控制器内置标准SIP协议服务器，用于全列车广播对讲系统各项功能调度、逻辑调度；

（3）车厢控制器内置标准SIP协议解码模块以及功放模块，用于广播对讲解码及功率放大、扬声器驱动；

（4）报警器内置标准SIP协议编解码模块，用于乘客发起紧急报警对讲；

（5）扬声器用于广播语音播放。

2 标准SIP协议

2.1 标准SIP协议特点

SIP是一个应用层的信令控制协议，SIP协议独立于传输层，SIP的数据报协议采用UDP传输，控制协议采用TCP传输，SIP协议支持视频和语音，SIP协议具有灵活、标准化、可扩展特点，是典型的Client/Sever协议，适用并符合列车广播系统业务需求，支持列车司机对讲、司乘紧急对讲、车地紧急对讲、全列广播、单车广播等业务。

2.2 标准SIP协议类型

SIP消息分两种：请求消息和响应消息。请求消息是SIP客户端为了激活特定操作而发给服务器端的消息。

常用的SIP请求消息如下。

（1）INVITE：表示主叫用户发起会话请求，邀请其他用户加入一个会话。

（2）ACK：客户端向服务器端证实它已经收到了对INVITE请求的最终响应。

（3）PRACK：表示对响应消息的确认请求消息。

（4）BYE：表示终止一个已经建立的呼叫。

（5）CANCEL：表示在收到对请求的最终响应之前取消该请求，对于已完成的请求则无影响。

（6）REGISTER：表示客户端向SIP服务器端注册列在字段中的地址信息。

（7）OPTIONS：表示查询被叫的相关信息和功能。

常用的SIP响应消息如下。

（1）100试呼叫

（2）180振铃

（3）181呼叫正在前转

（4）200成功响应

（5）302临时迁移

（6）400错误请求

（7）401未授权

（8）403禁止

（9）404用户不存在

（10）408请求超时

（11）480暂时无人接听

（12）486线路忙

（13）504服务器超时

（14）600全忙

2.3 广播系统SIP ID及IP分配

SIP协议服务器使用SIP ID来管理各SIP终端，SIP终端使用SIP号码向SIP协议服务器进行注册。SIP终端IP地址及SIP ID对应关系如表1所示。广播系统SIP ID及IP分配如图2所示。

表1 SIP 终端IP 地址及SIP ID 对应关系

图2 广播系统SIP ID 及IP 分配

3 数据流逻辑业务处理

3.1 人工广播

人工广播情况下，司机通过广播控制盒发起广播请求，SIP协议服务器转发此请求给到各客室SIP终端，广播控制盒与客室SIP终端数字语音通道建立，司机数字广播语音持续发送到各客室SIP终端，客室SIP终端实现数字语音的解码、放大，驱动扬声器进行语音播放（图3）。

图3 人工广播业务逻辑

3.2 全自动广播

全自动广播情况下，SIP协议服务器接收列车网络系统的报站信号，SIP协议服务器与各客室SIP终端建立数字语音通道，SIP协议服务器读取其自身存储语音文件并将此数字语音发送到各客室SIP终端，客室SIP终端实现数字语音的解码、放大，驱动扬声器进行语音播放（图4）。

图4 全自动广播业务逻辑

3.3 司机对讲

司机对讲情况下，司机通过广播控制盒发起司机对讲请求，SIP协议服务器转发此请求到对端广播控制盒，双方语音通道建立，司机数字对讲语音持续发送到对端广播控制盒，实现数字语音的解码、放大，驱动司机本地扬声器进行语音播放（图5）。若因SIP协议服务器故障导致司机对讲失败，司机可通过列车另一端的SIP协议服务器实现司机对讲功能。

图5 司机对讲业务逻辑

3.4 司乘对讲

司乘对讲情况下，乘客通过紧急报警器发起乘客对讲请求，SIP协议服务器转发此请求到广播控制盒，司乘双方语音通道建立，司机数字对讲语音持续发送到乘客端紧急报警器，乘客端数字对讲语音持续发送到司机端广播控制盒，双方语音通过解码、放大，驱动本地扬声器进行语音播放、对讲（图6）。

图6 司乘对讲业务逻辑

4 SIP车地远程广播

车载广播系统与地面OCC具有相关接口，确保来自OCC的数字音频信息能够传达到列车广播系统。进行OCC广播时，地面OCC站台通过列车车地通路与车载广播系统建立连接，OCC音频经过广播通信系统被传达到列车客室扬声器及司机室扬声器。地面SIP终端通过SIP消息注册到车载SIP协议服务器，车载SIP协议服务器统一对车载和地面SIP终端进行管理，当需要进行OCC广播时，地面SIP终端进行呼叫即可，此时即可接通地面SIP终端对车载客室SIP终端的语音通路，实现SIP车地远程广播（图7）。

图7 SIP 车地远程广播业务逻辑

5 SIP服务软件流程

5.1 SIP广播系统软件架构

SIP服务软件架构如图8所示。

图8 SIP 服务软件架构

5.2 SIP通信请求和响应消息数据流

SIP服务信令交互逻辑如图9所示。

6 结语

SIP全数字化广播系统已在国内外轨道列车项目逐步投入使用，目前运行结果表明系统整体表现良好，可实现广播产品的全数字化运营及车地远程广播，为轨道车辆提供了数字化、标准化的解决方案，提升了服务质量，简化、降低了运营及维保复杂度。