基于SIP的VoIP-GSM網關研究

2019-11-03 09:05:24

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供稿：網友

劉慶　郭云霞　陳慧南

南京郵電學院計算機科學與技術系

　　摘要本文討論了基于Sip的VoIP系統與GSM移動通信系統的互通問題，其中包括信令互通和媒體互通。SIP（session Initiation PRotocol，會話發啟協議）是IETF提出的IP電話的信令標準。與ITU-T提出的H.323相比，SIP信令協議比較簡單靈活、易于擴展，因此得到越來越多的重視。在現有GSM網絡的基礎上，如何實現與采用SIP的Internet電話系統的互通，是一個具有現實意義的重要問題。

　　關鍵詞 GSM SIP VoIP MGCP

1 引言

　　隨著Internet的不斷普及，實時多媒體通信已經成為網絡發展的一個趨勢和熱點。傳統的PSTN已經遠遠不能滿足人們對語音、圖像以及數據的要求。Internet技術的不斷發展以及語音、圖像壓縮技術的進步使得這種需要變為可能。

　　VoIP（Voice over IP）是一種通過Internet傳送語音信號的技術，目前已經有ITU-T提出的H.323標準以及IETF提出的SIP標準。H.323標準包括H.225呼叫控制信令和RAS信令、H.245媒體控制信令、H.450補充業務信令；SIP標準包括呼叫控制擴展和SDP媒體描述規范。二者實現的信令控制功能基本相同。但H.323采用ASN.1和PER（Packet Encoding Rules，分組編碼規則）的二進制描述，比較復雜，而SIP類似于HTTP和RTSP（Real Time Stream Protocol，實時流協議），消息報文均用文本描述，有更好的功能擴充性，比較簡單[1]。

　　考慮到在語音業務中，移動用戶占據了很大一部分。因此，如何實現VoIP系統與無線通信網絡特別是第二代移動通信系統GSM（Global System for Mobile）的互連是一個很重要的問題。

2 GSM網絡的交換信令

　　GSM系統支持泛歐漫游和多廠商環境，除了A-bis接口外，GSM的接口協議是統一的。GSM系統各接口采用的分層協議結構是符合開放系統互連（OSI）參考模型的。分層的目的是允許隔離各組信令協議功能。GSM信令協議按照接口可分為無線接口信令、基站接入信令和網絡接口信令。

2.1 無線接口（Um）信令

　　無線接口信令包括三個功能子層：RM（無線資源管理），MM（移動性管理），CM（連接管理）。RM的作用是對無線信道進行分配、釋放、切換處理、無線鏈路性能監視和控制。MM定義了移動用戶位置更新、周期更新、鑒權、開機接入、關機退出、TMSI的附著/分配以及重新分配和設備識別等過程。CM負責呼叫建立和呼叫釋放，包括補充業務和SMS的控制。由于有MM子層的屏蔽，CM子層已感覺不到用戶的移動性，包括去話建立、來話建立、呼叫中改變傳輸模式、MM連接中斷后重建和DTMF傳送等信令過程[2]。

2.2 基站接入信令

　　基站接入信令包括A-bis接口信令和A接口信令。

　　A-bis接口信令主要定義了業務管理過程。業務管理過程透明傳送絕大部分的無線接口信令消息，并對BTS的物理和邏輯設備進行管理。基站接入信令包括三個應用實體。

　?。?）BSSMAP（BSS Management application Part，BSS管理應用部分）：用于MSC和BSS交換管理信息，對BSS進行資源管理、調度、監測、切換控制等。

　　（2）DTAP（Direct Transfer Application Part，直接傳送應用部分）：用于透明傳送MSC和MS之間的消息，這些消息主要是連接管理和移動性管理協議消息。RM協議消息終結于BSS，不再發往MSC。

　　（3）BSSOMAP（BSS Operation Maintenance Application Part，BSS操作維護應用部分)：用于MSC和BSS之間交換維護管理信息。

2.3 網絡接口信令

　　網絡接口包括B~G，其信令協議是MAP（Mobile Application Part，移動應用部分)，它是7號信令系統的一種應用層協議，由SCCP（Signalling Connection Control Part，信令連接控制部分）和TCAP（Transaction Capability Application Part，事務處理應用部分）支持。其主要功能是支持移動用戶漫游、切換和網絡的安全保密、實現全球聯網。MAP協議定義了以下信令過程：位置登記和刪除、補充業務處理、呼叫建立過程中檢索用戶參數、切換、用戶管理、操作和維護、位置登記器的故障恢復、IMEI的管理、用戶鑒權、網絡安全功能的管理。

3 基于SIP的VoIP系統

3.1 SIP的體系結構

　　SIP是由IETF提出的多媒體通信協議，它是一種基于文本的應用層信令協議，它在參與會話的一方或多方中創建，修改和終止會話。SIP支持的會話包括因特網電話，分布式多媒體，多媒體會議等。包含以下實體：UA（用戶代理）、Proxy Server(代理服務器) 、Register Server(注冊服務器) 、Redirect Server(重定向服務器)。SIP是基于HTTP的請求/應答交互模型，每一次交互由一個請求和至少一個應答組成。SIP支持以下功能：呼叫建立、呼叫處理、用戶能力交換、用戶定位、用戶可用性判定[3]。

3.2 SIP呼叫信令過程

　　首先，主叫SIP用戶獲得被叫用戶的地址，其形式為用戶名@域名，然后通過DNS過程將被叫用戶地址轉化為IP地址，啟動SIP呼叫信令過程：

　　第一步：主叫方用戶代理向被叫放送INVITE請求。

　　第二步：主叫代理服務器根據被叫地址，利用定位技術，查找到被叫代理服務器，并向其轉發INVITE請求。

　　第三步：被叫代理服務器向被叫用戶代理發出INVITE請求。

　　第四步：用戶應答，被叫沿原路返回200 OK消息。

　　第五步：主叫沿原路徑回送ACK消息。

　　第六步：通話開始。

4 GSM-SIP網關解決方案

　　GSM移動通信系統基于傳統的電路交換，而Internet電話采用的是基于IP數據報的分組交換，交換方式的不同決定了兩者不能直接互通，而必須借助于網關設備。而SIP與PSTN（Public Switched Telephone Network，公用電話交換網）的互通已有相應規范SIP-T。在SIP與GSM的互連互通問題上，一種比較簡單的做法是利用PSTN作為媒介，所有的呼叫經過GSM/PSTN網關和PSTN/Internet網關處理，從而完成呼叫接續。

這種方法實現起來比較簡單，原有的設備無需做出改動。缺點是會帶來“三角路由問題”，增加了呼叫時延，效率比較低。另一種方法是在GSM系統和SIP系統之間配置GSM-SIP網關。GSM-SIP網關必須兼具MSC和SIP UA（SIP User Agent，SIP用戶代理）的功能，在Internet一側，它發送和接受SIP信令消息；而在GSM系統一側，它處理GSM的呼叫信令消息。為了實現這兩個不同網絡系統之間的互連互通，GSM-SIP網關首先必須能正確理解GSM呼叫信令和SIP消息并作出相應的翻譯。例如，當SIP UA發出目的地為GSM網絡終端MS（Mobile Station，移動臺）的INVITE消息時，SIP Proxy Server（SIP代理服務器）根據該消息的字段信息進行消息路由，轉發至下一跳的SIP Proxy Server。當路由至GSM-SIP網關時，該網關必須分析該消息各個字段的信息并重新生成GSM呼叫信令，從而完成呼叫的接續。表1給出了GSM呼叫信令和SIP消息之間的映射。

4.1 物理配置

　　GSM-SIP網關位于GSM網的GMSC（Gateway Mobile Switching Centre，網關移動交換中心）上，可以作為交換機的IWF（Interworking Function）模塊與MSC位于同一設備之上，即移動交換中心兼具GSM-SIP網關的功能。也可以與MSC分離而成為一臺獨立的物理設備。如圖2所示。

4.2 GSM-SIP的信令互通

　　GSM-SIP的互通根據呼叫方和被叫方的位置可以分為以下三種情況：MS為呼叫方，Internet電話用戶為被叫方；Internet電話用戶為呼叫方，MS為被叫方；呼叫方和被叫方均為MS，MS之間通過Internet轉接。

4.2.1 MS呼叫Internet電話用戶

　　首先MS發出CALL SETUP消息，該消息經A接口的DTAP和A-bis接口TM（業務管理實體）的透明轉接后傳送到MSC處。MSC分析該消息報文并從中提取被叫方號碼。在SIP中，被叫方號碼是用SIP URL表示的。SIP URL的一般結構為SIP:用戶名:口令@主機:端口:傳送參數。根據被叫方號碼，便可以判斷出該被叫用戶為Internet電話用戶，繼而由MSC將該消息轉發至GSM-SIP網關。由網關設備最終完成CALL SETUP消息至SIP INVITE消息的翻譯[5]。

4.2.2 Internet電話用戶呼叫MS

　　SIP UA發出INVITE消息，其中消息報文的To字段為被叫MS的MSISDN（Mobile Station Interna -tional ISDN Number，移動臺國際ISDN號碼）。SIP PROXY收到INVITE消息后，根據MSISDN向MS所屬的HLR詢問MS當前的位置信息，相應的信令消息為SS7 MAP的MAP_SEND_ROUTING_INFORMATION。如果該用戶已漫游到外地，則通過MAP_PROVIDE_ROAMING_NUMBER向所在的VLR請求MSRN（Mobile Station Roaming Number，移動臺漫游號）。將MSRN作為檢索參數在用戶數據庫中查找相應的GSM-SIP網關的SIP地址后，SIP PROXY將INVITE消息轉發到該網關。由網關將SIP INVITE消息翻譯成GSM CALL SETUP信令，從而完成Internet電話用戶到MS的呼叫建立。

4.2.3 MS之間通過Internet轉接

　　該情況下呼叫接續過程可分解為MS至Internet和Internet至MS兩個過程，此時的Internet只是起著轉接網的作用，雖然會帶來效率上以及服務質量上的問題，但是可以降低GSM用戶通話費率，仍然具有很大的市場前景。

4.3 GSM-SIP的媒體互通

　　其中的控制協議為IETF提出的MGCP（Media Gateway Control Protocol，媒體網關控制協議），它是在綜合SGCP（Simple Gateway Control Protocol，簡單網關控制協議）和IPDC（Internet Protocol Device Control，IP設備控制）協議的基礎上形成的，供網關控制器控制網關使用。MGCP的主要構件為MG（Media Gateway，媒體網關）和MGC（Media Gateway Controller，媒體網關控制器）。MG的作用主要是對MGC發出的命令做出響應或者是在有事件發生時通知MGC，并對語音信號進行媒體適配。而MGC負責向MG發出合適的命令，例如通知MG某一個端點的Off Hook/On Hook的事件[1]。

5 結束語

　　本文討論了基于SIP的VoIP系統與GSM移動通信系統的互通問題，著重分析了呼叫處理的信令過程，提出了二者信令的映射關系。

參考文獻

[1] 糜正琨 . IP網絡電話技術 . 北京：人民郵電出版社，2000

[2] 糜正琨，陳錫生 . 現代電信交換 . 北京：北京郵電大學出版社，1999

[3] Schulzrinne R H，ｅｔａｌ . SIP：Session Initiation Protocol，IETF RFC，June 2002

[4] Mobile Radio Interface Layer3 Specification（ETSI GSM04.08 version 3.14.0）

[5] http://www.comnets.uni-bremen.de

　　劉慶，男，南京郵電學院計算機科學與技術系計算機軟件與理論專業碩士研究生。2001年畢業于南京郵電學院通信工程系。目前的主要研究方向為人機交互及通信系統軟件模擬。

　　郭云霞，女，南京郵電學院計算機科學與技術系計算機應用專業碩士研究生。2001年畢業于南京郵電學院通信工程系。主要研究方向為網間互連和通信網。

　　陳慧南，女，南京郵電學院計算機科學與技術系教授，碩士生導師。目前研究網絡環境下的應用系統開發、集成及支持技術、工作流技術與Internet/Intranet技術、分布對象技術、代理技術相結合的計算機支持的協同工作（CSCW）支撐工具與環境、人機交互技術、形式化模型技術。

----《中國數據通信》