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【摘要】 随着移动卫星通信和地面移动通信的发展，融合两种通信网络，成为移动通信网络的重要研究方向。在“天通一号”移动卫星通信网络和地面移动通信网络的话音业务融合中，需要解决移动卫星通信网络中电路域话音与地面移动通信网络中VoIP话音相互融合的问题。本文提出了一种利用网关实现卫星通信电路域话音与VoIP相互融合的方式，并以开源软件Asterisk、卫通模块为基础，在嵌入式Linux平台上，完成了卫星通信电路域话音与VOIP融合的实例。
【关键词】 电路域话音 VoIP Asterisk 星地融合
Abstract： With the development of mobile satellite communication and terrestrial mobile communication， the integration of the two communication networks has become an important research direction on mobile communication networks. In the convergence of voice service of “Tiantong-1” mobile satellite communication network and terrestrial mobile communication network， it is necessary to solve the problem of the fusion of circuit domain voice in mobile satellite communication network and VoIP voice in terrestrial mobile communication network. This paper presents a way to realize the fusion of satellite communication circuit voice and VoIP by using the gateway， and based on the open source software Asterisk and satellite communication modules， an example of the fusion of satellite communication circuit domain voice and VOIP is completed on the embedded Linux platform.
Key words：Circuit domain voice; VoIP; Asterisk; Converged satellite and terrestrial network
引言
卫星通信是以人造地球卫星转发无线电波为基础建立的通信技术，它的典型特征是跨视距、覆盖广、不受地理环境限制，易于实现全球无缝覆盖，是全球通信网络的重要组成部分。从1984年成功发射第一颗试验通信卫星开始，经过几十年的独立自主发展，我国卫星通信事业取得一定成绩，目前发展的重点是高通量卫星通信系统和卫星移动通信系統。2017年4月，随着首颗高通量卫星“中星16号”的成功发射，标志着我国卫星通信进入高速时代[1];2016年8月，首颗移动通信卫星“天通一号”01星成功发射，标志着我国卫星通信进入移动通信时代[2]。
在卫星通信发展的同时，地面移动通信的发展更加迅猛，经历了2G、3G、4G，到目前5G商用。从以话音业务为主的2G网络，到以数据业务为主的4G、5G网络，并向高速率、大数据、多媒体业务方向不断演进，人类已经进入互联网的时代，网络已然成为了人们生活、工作中不可缺少的东西，移动通信网络已经发展为全IP的通信网络。
随着移动卫星通信和地面移动通信的发展，融合两种通信网络，取长补短，共同构造全球无缝覆盖的天地一体化综合通信网，成为移动通信网络的重要研究方向。由于天通一号01星的话音业务采用电路域话音模式[3]，而地面移动通信网络采用VoIP（全称为Voice over Internet Protocol）技术提供语音业务，因此，采用电路域话音的卫星通信网络与地面移动通信系统的融合，需要解决VoIP与电路域话音融合的问题。本文提出了一种利用网关实现卫星通信电路域话音与VoIP相互融合的方式，并以Asterisk为基础，完成了卫星通信电路域话音与VoIP融合的实例。
一、卫星电路域话音与VoIP融合实现方法
因为卫星电路域话音与VoIP在体制上的差别，融合的唯一方法是进行网络之间的相互转换，即在网络的交界处设置网关，进行信令和媒体流之间的相互转换，从而实现业务层面的相互融合。
分析通信各方用户所属网络的组合方式，可以列出三种应用组合：VoIP用户之间、卫星用户之间、以及VoIP用户与卫星用户之间，其中涉及网络融合的应用场合包括：以卫星网络为中继的VoIP用户之间、以及VoIP用户与卫星用户之间两种情况。
如图1所示，VoIP用户（VoIP终端）与卫星用户（卫星终端）之间通过网关实现相互通信，此时网关需要完成不同网络之间的信令和媒体流的转换。鉴于卫星网络的独立性，网关一般采用用户终端方式接入卫星网络，采用代理服务器的方式接入VoIP网络，即在卫星网络中，网关扮演卫星终端角色，而在VoIP网络中扮演代理服务器角色。当VoIP用户作为主叫时，卫星用户可以映射为VoIP网络中的虚拟用户;当卫星用户作为主叫时，VoIP用户可以映射为卫星网电话的一个分机。 如图2所示，分属两地的VoIP网络A和网络B通过卫星中继形成一个统一的VoIP网络，网络中的语音用户均通过VoIP网络接入，每个VoIP网络与卫星通信网络之间的交界处均设置网关，网关之间的信令通过卫星网络的数据通道传输，语音数据流通过卫星电路域话音通道传输。
卫星电路域话音通道的使用具有独占、分时的特点，即通过呼叫方式建立后，通道资源被通信双方独占，直至释放链路。
综合两种应用场景，网关需要完成的基本功能包括：
1）VoIP信令和电路域话音信令之间的相互转换;
2）VoIP媒体流和电路域话音码流之间的相互转换;
3）VoIP代理服务器之间的中继信令;
4）卫星网络作为VoIP网络中继时，电路域话音通道的建立、释放等过程。
其中前两个功能适用于VoIP用户与卫星用户之间通信的场景，后两个功能适用于以卫星网络为中继的VoIP用户之间通信的场景，并且4）中话音通道的建立、释放可以利用1）、2）的结果。
二、卫星电路域话音与VoIP融合的设计实例
2.1使用Asterisk构建VoIP网络
Asterisk是一个主要运行Linux平台上的开源电话平台，是目前世界上最成功的专用交换机（PBX），也是在电信行业被公认的技术[4]。
Asterisk的强大之处在于它的可定制性，以及对标准的严格遵从，除了基本的VoIP话音功能，Asterisk 还支持传真、语音邮件、会议、呼叫队列和代理、IVR（Interactive Voice Response）、音乐保留等应用功能[4]。
Asterisk采用模块化方式进行设计，通过各种可加载模块，Asterisk可以配置多种功能或资源[4]。Asterisk的主要模块类型有：应用（Applications）、桥接（Bridging modules）、呼叫细节记录CDR（Call detail recording）、通道事件记录CEL（Channel event logging）、通道驱动（Channel drivers）、编解码器（Codec translators）、格式解释（Format interpreters）、拨号策划功能（Dialplan functions）、PBX、资源（Resource）、插件（Addons）、测试（Test）等模块[4]。
在Asterisk系統中，所有进出系统的信息都会通过某种通道进行传输，Asterisk的Dialplan以类似的方式处理所有通道[4]。这意味着，通道模块实现不同通道特有的信息传输细节，并采用统一的抽象接口与Dialplan进行交互。本文应用实例就是利用Asterisk的这种能力，通过增加通道模块，扩展了卫星电路域话音功能。
2.2使用卫星通信模块接入卫星通信网络
本文研究目标卫星网络为“天通一号”移动卫星通信网络，其主要的优势体现在终端的小型化、手机化，便于携带。目前有多家公司提供接入卫星网络的卫通模块，模块集成基带芯片、射频芯片、功放、电源管理及外围芯片等，提供语音和数据业务功能。
以华力创通的卫通模块为例，模块提供的语音业务接口包括传输信令的UART接口、和传输话音码流的PCM接口。其中UART接口传输的信令遵循《07.005 XX系统用于移动地球站（MES）的AT命令》标准，默认传输速率为1Mbps;PCM接口可配置为主模式和从模式，同步时钟可配置为8KHz、16KHz、24KHz、32KHz或48KHz，位时钟可配置为128KHz、200KHz、256KHz或400KHz，数据固定为16bit的A律线性编码格式，默认配置为从模式、128KHz位时钟，8KHz同步时钟，数据宽度为16bit。卫通模块PCM时序图如图3所示。
2.3 VoIP网关设计
媒体网关的功能是实现VoIP网络中的RTP流与电路域网络中的PCM码流之间的相互转换和映射。在VoIP网络中，媒体网关通过临时UDP端口与VoIP的RTP流建立一一对应关系，同时，通过临时UDP端口传输PCM码流，从而实现RTP码流与PCM码流之间的映射和转换。
信令网关的基本功能是实现VoIP网络中SIP信令与电路域网络中AT指令集之间的相互转换。由于SIP指令和AT指令均能完成电话的呼叫接续过程，因此，电话的呼叫接续过程可以作为两种信令之间进行转换的媒介。从前面描述的应用场景可知，网关需要具备链接各个独立的VoIP网络组成统一VoIP网络的能力，因此信令网关具备SIP信令代理服务的功能。
在本实例中，通过增加一个新的通道模块来实现媒体网关和信令网关。实际设计中，为了简化安装、维护难度，模块拆分为Asterisk侧和PCM侧两部分，分别命名为chan_ssip模块和satproxy模块。chan_ssip模块设计为Asterisk的通道模块，由Asterisk进行管理;satproxy模块设计成为一个linux的so库，由应用程序调用。chan_ssip模块和satproxy模块之间通过UDP通信进行交互，交互协议基于SIP协议，经过适当删减和部分修改，从而满足实际应用需求，为叙述方便，本文中简称为SSIP协议。
2.3.1 chan_ssip模块
作为网关的PBX侧单元，chan_ssip模块完成PBX与SSIP协议之间的相互转换，功能图如图4所示。
chan_ssip模块与PBX核心（Asterisk CORE）交互通过注册的PBX接口函数实现，chan_ssip模块与satproxy模块之间的交互遵循SSIP协议，SSIP协议的信令传输通过UDP端口进行。
PBX接口函数封装在结构ast_channel_tech中，相应的结构定义如图5所示。 其中ssip_request_call，ssip_call，ssip_hangup，ssip_answer，ssip_read，ssip_write，ssip_indicate，ssip_fixup为PBX接口函数，由PBX调用，完成话音通信的信令交互以及PCM流的传输。
2.3.2 satproxy模块
作为网关的PCM侧单元，satproxy模块完成SSIP信令与AT指令、以及UDP码流与PCM码流之间的相互转换，功能图如图6所示。
satproxy模块中的信令处理包括SSIP信令与AT指令之间的相互转换、以及本地网关与中继网关之间的交互两部分。在以卫星网络为中继的VoIP用户之间通信的应用场景下，各VoIP网络中的网关需要使用SSIP协议传输中继信息。在SSIP信令与AT指令之间的转换实例中，定义原语CHAN_METHOD_CALL、CHAN_METHOD_BYE、CHAN_METHOD_CONN、CHAN_METHOD_BUSY、HAN_METHOD_NOANS、CHAN_METHOD_NOCAR，其中CHAN_METHOD_CALL、CHAN_METHOD_BYE为“呼叫”、“挂机”两种命令，CHAN_METHOD_CONN、CHAN_METHOD_BUSY、HAN_METHOD_NOANS、CHAN_METHOD_NOCAR为呼叫过程中的“已连接”、“线路忙”、“无应答”、“连接失败”等四种响应。
satproxy模块中UDP码流与PCM码流之间的转换，与配置的硬件电路相关。本实例中，利用ALSA声卡可以传输PCM码流的能力，完成UDP与PCM码流之间的转换。其中关键的具体操作为底层驱动的修改，一般情况下，声卡的硬件信号时序遵循I2S规范，因此需要修改ALSA的底层驱动，来适配PCM码流所需的时序，本实例中，核心CPU采用了TI公司的处理器，其音频处理单元为McASP，可以方便的从I2S时序转换为PCM时序。
三、结束语
随着移动卫星通信和地面移动通信的发展，融合两种通信网络，取长补短，共同构造全球无缝覆盖的天地一体化综合通信网，成为移动通信网络的重要研究方向。针对“天通一号”与地面网络的业务融合问题，特别是卫星电路域话音与VoIP相互融合的问题，本文提出了一种利用网关进行话音业务融合的方法，并以开源软件Asterisk、卫通模块为基础，在嵌入式Linux平台上，研制出了实现话音业务融合的网关，在依托“天通一号”进行地面组网的应用场景中，具有一定的实际价值。除了话音业务的融合外，星地融合还包括数据的融合，未来我们考虑研制一种综合网关，实现“天通一号”卫星网络与地面数据网络的话音、数据业务的融合。
参 考 文 献
[1]卫宣. 我国首颗高通量通信卫星中星16号成功发射卫星通信进入高速时代.人民邮电报-中国信息产业网.2017-04-14
[2]高菲， 南勇. 天通一號01星开启中国移动卫星终端手机化时代[J]. 卫星应用， 2016年08期： 第73页
[3]汪春霆， 李宁， 翟立君， 卢宁宁. 卫星通信与地面5G的融合初探（一）[J]. 卫星与网络， 2018年09期
[4] Leif Madsen， Jim Van Meggelen， Russell Bryant. Asterisk：The Definitive Guide，Third Edition[M/OL]. O’Reilly， 2011. http：//www.asteriskdocs.org/en/3rd_Edition/asterisk-book-html/asterisk-book.html
【关键词】 电路域话音 VoIP Asterisk 星地融合
Abstract： With the development of mobile satellite communication and terrestrial mobile communication， the integration of the two communication networks has become an important research direction on mobile communication networks. In the convergence of voice service of “Tiantong-1” mobile satellite communication network and terrestrial mobile communication network， it is necessary to solve the problem of the fusion of circuit domain voice in mobile satellite communication network and VoIP voice in terrestrial mobile communication network. This paper presents a way to realize the fusion of satellite communication circuit voice and VoIP by using the gateway， and based on the open source software Asterisk and satellite communication modules， an example of the fusion of satellite communication circuit domain voice and VOIP is completed on the embedded Linux platform.
Key words：Circuit domain voice; VoIP; Asterisk; Converged satellite and terrestrial network
引言
卫星通信是以人造地球卫星转发无线电波为基础建立的通信技术，它的典型特征是跨视距、覆盖广、不受地理环境限制，易于实现全球无缝覆盖，是全球通信网络的重要组成部分。从1984年成功发射第一颗试验通信卫星开始，经过几十年的独立自主发展，我国卫星通信事业取得一定成绩，目前发展的重点是高通量卫星通信系统和卫星移动通信系統。2017年4月，随着首颗高通量卫星“中星16号”的成功发射，标志着我国卫星通信进入高速时代[1];2016年8月，首颗移动通信卫星“天通一号”01星成功发射，标志着我国卫星通信进入移动通信时代[2]。
在卫星通信发展的同时，地面移动通信的发展更加迅猛，经历了2G、3G、4G，到目前5G商用。从以话音业务为主的2G网络，到以数据业务为主的4G、5G网络，并向高速率、大数据、多媒体业务方向不断演进，人类已经进入互联网的时代，网络已然成为了人们生活、工作中不可缺少的东西，移动通信网络已经发展为全IP的通信网络。
随着移动卫星通信和地面移动通信的发展，融合两种通信网络，取长补短，共同构造全球无缝覆盖的天地一体化综合通信网，成为移动通信网络的重要研究方向。由于天通一号01星的话音业务采用电路域话音模式[3]，而地面移动通信网络采用VoIP（全称为Voice over Internet Protocol）技术提供语音业务，因此，采用电路域话音的卫星通信网络与地面移动通信系统的融合，需要解决VoIP与电路域话音融合的问题。本文提出了一种利用网关实现卫星通信电路域话音与VoIP相互融合的方式，并以Asterisk为基础，完成了卫星通信电路域话音与VoIP融合的实例。
一、卫星电路域话音与VoIP融合实现方法
因为卫星电路域话音与VoIP在体制上的差别，融合的唯一方法是进行网络之间的相互转换，即在网络的交界处设置网关，进行信令和媒体流之间的相互转换，从而实现业务层面的相互融合。
分析通信各方用户所属网络的组合方式，可以列出三种应用组合：VoIP用户之间、卫星用户之间、以及VoIP用户与卫星用户之间，其中涉及网络融合的应用场合包括：以卫星网络为中继的VoIP用户之间、以及VoIP用户与卫星用户之间两种情况。
如图1所示，VoIP用户（VoIP终端）与卫星用户（卫星终端）之间通过网关实现相互通信，此时网关需要完成不同网络之间的信令和媒体流的转换。鉴于卫星网络的独立性，网关一般采用用户终端方式接入卫星网络，采用代理服务器的方式接入VoIP网络，即在卫星网络中，网关扮演卫星终端角色，而在VoIP网络中扮演代理服务器角色。当VoIP用户作为主叫时，卫星用户可以映射为VoIP网络中的虚拟用户;当卫星用户作为主叫时，VoIP用户可以映射为卫星网电话的一个分机。 如图2所示，分属两地的VoIP网络A和网络B通过卫星中继形成一个统一的VoIP网络，网络中的语音用户均通过VoIP网络接入，每个VoIP网络与卫星通信网络之间的交界处均设置网关，网关之间的信令通过卫星网络的数据通道传输，语音数据流通过卫星电路域话音通道传输。
卫星电路域话音通道的使用具有独占、分时的特点，即通过呼叫方式建立后，通道资源被通信双方独占，直至释放链路。
综合两种应用场景，网关需要完成的基本功能包括：
1）VoIP信令和电路域话音信令之间的相互转换;
2）VoIP媒体流和电路域话音码流之间的相互转换;
3）VoIP代理服务器之间的中继信令;
4）卫星网络作为VoIP网络中继时，电路域话音通道的建立、释放等过程。
其中前两个功能适用于VoIP用户与卫星用户之间通信的场景，后两个功能适用于以卫星网络为中继的VoIP用户之间通信的场景，并且4）中话音通道的建立、释放可以利用1）、2）的结果。
二、卫星电路域话音与VoIP融合的设计实例
2.1使用Asterisk构建VoIP网络
Asterisk是一个主要运行Linux平台上的开源电话平台，是目前世界上最成功的专用交换机（PBX），也是在电信行业被公认的技术[4]。
Asterisk的强大之处在于它的可定制性，以及对标准的严格遵从，除了基本的VoIP话音功能，Asterisk 还支持传真、语音邮件、会议、呼叫队列和代理、IVR（Interactive Voice Response）、音乐保留等应用功能[4]。
Asterisk采用模块化方式进行设计，通过各种可加载模块，Asterisk可以配置多种功能或资源[4]。Asterisk的主要模块类型有：应用（Applications）、桥接（Bridging modules）、呼叫细节记录CDR（Call detail recording）、通道事件记录CEL（Channel event logging）、通道驱动（Channel drivers）、编解码器（Codec translators）、格式解释（Format interpreters）、拨号策划功能（Dialplan functions）、PBX、资源（Resource）、插件（Addons）、测试（Test）等模块[4]。
在Asterisk系統中，所有进出系统的信息都会通过某种通道进行传输，Asterisk的Dialplan以类似的方式处理所有通道[4]。这意味着，通道模块实现不同通道特有的信息传输细节，并采用统一的抽象接口与Dialplan进行交互。本文应用实例就是利用Asterisk的这种能力，通过增加通道模块，扩展了卫星电路域话音功能。
2.2使用卫星通信模块接入卫星通信网络
本文研究目标卫星网络为“天通一号”移动卫星通信网络，其主要的优势体现在终端的小型化、手机化，便于携带。目前有多家公司提供接入卫星网络的卫通模块，模块集成基带芯片、射频芯片、功放、电源管理及外围芯片等，提供语音和数据业务功能。
以华力创通的卫通模块为例，模块提供的语音业务接口包括传输信令的UART接口、和传输话音码流的PCM接口。其中UART接口传输的信令遵循《07.005 XX系统用于移动地球站（MES）的AT命令》标准，默认传输速率为1Mbps;PCM接口可配置为主模式和从模式，同步时钟可配置为8KHz、16KHz、24KHz、32KHz或48KHz，位时钟可配置为128KHz、200KHz、256KHz或400KHz，数据固定为16bit的A律线性编码格式，默认配置为从模式、128KHz位时钟，8KHz同步时钟，数据宽度为16bit。卫通模块PCM时序图如图3所示。
2.3 VoIP网关设计
媒体网关的功能是实现VoIP网络中的RTP流与电路域网络中的PCM码流之间的相互转换和映射。在VoIP网络中，媒体网关通过临时UDP端口与VoIP的RTP流建立一一对应关系，同时，通过临时UDP端口传输PCM码流，从而实现RTP码流与PCM码流之间的映射和转换。
信令网关的基本功能是实现VoIP网络中SIP信令与电路域网络中AT指令集之间的相互转换。由于SIP指令和AT指令均能完成电话的呼叫接续过程，因此，电话的呼叫接续过程可以作为两种信令之间进行转换的媒介。从前面描述的应用场景可知，网关需要具备链接各个独立的VoIP网络组成统一VoIP网络的能力，因此信令网关具备SIP信令代理服务的功能。
在本实例中，通过增加一个新的通道模块来实现媒体网关和信令网关。实际设计中，为了简化安装、维护难度，模块拆分为Asterisk侧和PCM侧两部分，分别命名为chan_ssip模块和satproxy模块。chan_ssip模块设计为Asterisk的通道模块，由Asterisk进行管理;satproxy模块设计成为一个linux的so库，由应用程序调用。chan_ssip模块和satproxy模块之间通过UDP通信进行交互，交互协议基于SIP协议，经过适当删减和部分修改，从而满足实际应用需求，为叙述方便，本文中简称为SSIP协议。
2.3.1 chan_ssip模块
作为网关的PBX侧单元，chan_ssip模块完成PBX与SSIP协议之间的相互转换，功能图如图4所示。
chan_ssip模块与PBX核心（Asterisk CORE）交互通过注册的PBX接口函数实现，chan_ssip模块与satproxy模块之间的交互遵循SSIP协议，SSIP协议的信令传输通过UDP端口进行。
PBX接口函数封装在结构ast_channel_tech中，相应的结构定义如图5所示。 其中ssip_request_call，ssip_call，ssip_hangup，ssip_answer，ssip_read，ssip_write，ssip_indicate，ssip_fixup为PBX接口函数，由PBX调用，完成话音通信的信令交互以及PCM流的传输。
2.3.2 satproxy模块
作为网关的PCM侧单元，satproxy模块完成SSIP信令与AT指令、以及UDP码流与PCM码流之间的相互转换，功能图如图6所示。
satproxy模块中的信令处理包括SSIP信令与AT指令之间的相互转换、以及本地网关与中继网关之间的交互两部分。在以卫星网络为中继的VoIP用户之间通信的应用场景下，各VoIP网络中的网关需要使用SSIP协议传输中继信息。在SSIP信令与AT指令之间的转换实例中，定义原语CHAN_METHOD_CALL、CHAN_METHOD_BYE、CHAN_METHOD_CONN、CHAN_METHOD_BUSY、HAN_METHOD_NOANS、CHAN_METHOD_NOCAR，其中CHAN_METHOD_CALL、CHAN_METHOD_BYE为“呼叫”、“挂机”两种命令，CHAN_METHOD_CONN、CHAN_METHOD_BUSY、HAN_METHOD_NOANS、CHAN_METHOD_NOCAR为呼叫过程中的“已连接”、“线路忙”、“无应答”、“连接失败”等四种响应。
satproxy模块中UDP码流与PCM码流之间的转换，与配置的硬件电路相关。本实例中，利用ALSA声卡可以传输PCM码流的能力，完成UDP与PCM码流之间的转换。其中关键的具体操作为底层驱动的修改，一般情况下，声卡的硬件信号时序遵循I2S规范，因此需要修改ALSA的底层驱动，来适配PCM码流所需的时序，本实例中，核心CPU采用了TI公司的处理器，其音频处理单元为McASP，可以方便的从I2S时序转换为PCM时序。
三、结束语
随着移动卫星通信和地面移动通信的发展，融合两种通信网络，取长补短，共同构造全球无缝覆盖的天地一体化综合通信网，成为移动通信网络的重要研究方向。针对“天通一号”与地面网络的业务融合问题，特别是卫星电路域话音与VoIP相互融合的问题，本文提出了一种利用网关进行话音业务融合的方法，并以开源软件Asterisk、卫通模块为基础，在嵌入式Linux平台上，研制出了实现话音业务融合的网关，在依托“天通一号”进行地面组网的应用场景中，具有一定的实际价值。除了话音业务的融合外，星地融合还包括数据的融合，未来我们考虑研制一种综合网关，实现“天通一号”卫星网络与地面数据网络的话音、数据业务的融合。
参 考 文 献
[1]卫宣. 我国首颗高通量通信卫星中星16号成功发射卫星通信进入高速时代.人民邮电报-中国信息产业网.2017-04-14
[2]高菲， 南勇. 天通一號01星开启中国移动卫星终端手机化时代[J]. 卫星应用， 2016年08期： 第73页
[3]汪春霆， 李宁， 翟立君， 卢宁宁. 卫星通信与地面5G的融合初探（一）[J]. 卫星与网络， 2018年09期
[4] Leif Madsen， Jim Van Meggelen， Russell Bryant. Asterisk：The Definitive Guide，Third Edition[M/OL]. O’Reilly， 2011. http：//www.asteriskdocs.org/en/3rd_Edition/asterisk-book-html/asterisk-book.html