基于SIP的VoIP-GSM网关研究

2019-11-03 09:05:24

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供稿：网友

刘庆　郭云霞　陈慧南

南京邮电学院计算机科学与技术系

　　摘要本文讨论了基于Sip的VoIP系统与GSM移动通信系统的互通问题，其中包括信令互通和媒体互通。SIP（session Initiation PRotocol，会话发启协议）是IETF提出的IP电话的信令标准。与ITU-T提出的H.323相比，SIP信令协议比较简单灵活、易于扩展，因此得到越来越多的重视。在现有GSM网络的基础上，如何实现与采用SIP的Internet电话系统的互通，是一个具有现实意义的重要问题。

　　关键词 GSM SIP VoIP MGCP

1 引言

　　随着Internet的不断普及，实时多媒体通信已经成为网络发展的一个趋势和热点。传统的PSTN已经远远不能满足人们对语音、图像以及数据的要求。Internet技术的不断发展以及语音、图像压缩技术的进步使得这种需要变为可能。

　　VoIP（Voice over IP）是一种通过Internet传送语音信号的技术，目前已经有ITU-T提出的H.323标准以及IETF提出的SIP标准。H.323标准包括H.225呼叫控制信令和RAS信令、H.245媒体控制信令、H.450补充业务信令；SIP标准包括呼叫控制扩展和SDP媒体描述规范。二者实现的信令控制功能基本相同。但H.323采用ASN.1和PER（Packet Encoding Rules，分组编码规则）的二进制描述，比较复杂，而SIP类似于HTTP和RTSP（Real Time Stream Protocol，实时流协议），消息报文均用文本描述，有更好的功能扩充性，比较简单[1]。

　　考虑到在语音业务中，移动用户占据了很大一部分。因此，如何实现VoIP系统与无线通信网络特别是第二代移动通信系统GSM（Global System for Mobile）的互连是一个很重要的问题。

2 GSM网络的交换信令

　　GSM系统支持泛欧漫游和多厂商环境，除了A-bis接口外，GSM的接口协议是统一的。GSM系统各接口采用的分层协议结构是符合开放系统互连（OSI）参考模型的。分层的目的是允许隔离各组信令协议功能。GSM信令协议按照接口可分为无线接口信令、基站接入信令和网络接口信令。

2.1 无线接口（Um）信令

　　无线接口信令包括三个功能子层：RM（无线资源管理），MM（移动性管理），CM（连接管理）。RM的作用是对无线信道进行分配、释放、切换处理、无线链路性能监视和控制。MM定义了移动用户位置更新、周期更新、鉴权、开机接入、关机退出、TMSI的附着/分配以及重新分配和设备识别等过程。CM负责呼叫建立和呼叫释放，包括补充业务和SMS的控制。由于有MM子层的屏蔽，CM子层已感觉不到用户的移动性，包括去话建立、来话建立、呼叫中改变传输模式、MM连接中断后重建和DTMF传送等信令过程[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接口信令主要定义了业务管理过程。业务管理过程透明传送绝大部分的无线接口信令消息，并对BTS的物理和逻辑设备进行管理。基站接入信令包括三个应用实体。

　　（1）BSSMAP（BSS Management application Part，BSS管理应用部分）：用于MSC和BSS交换管理信息，对BSS进行资源管理、调度、监测、切换控制等。

　　（2）DTAP（Direct Transfer Application Part，直接传送应用部分）：用于透明传送MSC和MS之间的消息，这些消息主要是连接管理和移动性管理协议消息。RM协议消息终结于BSS，不再发往MSC。

　　（3）BSSOMAP（BSS Operation Maintenance Application Part，BSS操作维护应用部分)：用于MSC和BSS之间交换维护管理信息。

2.3 网络接口信令

　　网络接口包括B~G，其信令协议是MAP（Mobile Application Part，移动应用部分)，它是7号信令系统的一种应用层协议，由SCCP（Signalling Connection Control Part，信令连接控制部分）和TCAP（Transaction Capability Application Part，事务处理应用部分）支持。其主要功能是支持移动用户漫游、切换和网络的安全保密、实现全球联网。MAP协议定义了以下信令过程：位置登记和删除、补充业务处理、呼叫建立过程中检索用户参数、切换、用户管理、操作和维护、位置登记器的故障恢复、IMEI的管理、用户鉴权、网络安全功能的管理。

3 基于SIP的VoIP系统

3.1 SIP的体系结构

　　SIP是由IETF提出的多媒体通信协议，它是一种基于文本的应用层信令协议，它在参与会话的一方或多方中创建，修改和终止会话。SIP支持的会话包括因特网电话，分布式多媒体，多媒体会议等。包含以下实体：UA（用户代理）、Proxy Server(代理服务器) 、Register Server(注册服务器) 、Redirect Server(重定向服务器)。SIP是基于HTTP的请求/应答交互模型，每一次交互由一个请求和至少一个应答组成。SIP支持以下功能：呼叫建立、呼叫处理、用户能力交换、用户定位、用户可用性判定[3]。

3.2 SIP呼叫信令过程

　　首先，主叫SIP用户获得被叫用户的地址，其形式为用户名@域名，然后通过DNS过程将被叫用户地址转化为IP地址，启动SIP呼叫信令过程：

　　第一步：主叫方用户代理向被叫放送INVITE请求。

　　第二步：主叫代理服务器根据被叫地址，利用定位技术，查找到被叫代理服务器，并向其转发INVITE请求。

　　第三步：被叫代理服务器向被叫用户代理发出INVITE请求。

　　第四步：用户应答，被叫沿原路返回200 OK消息。

　　第五步：主叫沿原路径回送ACK消息。

　　第六步：通话开始。

4 GSM-SIP网关解决方案

　　GSM移动通信系统基于传统的电路交换，而Internet电话采用的是基于IP数据报的分组交换，交换方式的不同决定了两者不能直接互通，而必须借助于网关设备。而SIP与PSTN（Public Switched Telephone Network，公用电话交换网）的互通已有相应规范SIP-T。在SIP与GSM的互连互通问题上，一种比较简单的做法是利用PSTN作为媒介，所有的呼叫经过GSM/PSTN网关和PSTN/Internet网关处理，从而完成呼叫接续。

这种方法实现起来比较简单，原有的设备无需做出改动。缺点是会带来“三角路由问题”，增加了呼叫时延，效率比较低。另一种方法是在GSM系统和SIP系统之间配置GSM-SIP网关。GSM-SIP网关必须兼具MSC和SIP UA（SIP User Agent，SIP用户代理）的功能，在Internet一侧，它发送和接受SIP信令消息；而在GSM系统一侧，它处理GSM的呼叫信令消息。为了实现这两个不同网络系统之间的互连互通，GSM-SIP网关首先必须能正确理解GSM呼叫信令和SIP消息并作出相应的翻译。例如，当SIP UA发出目的地为GSM网络终端MS（Mobile Station，移动台）的INVITE消息时，SIP Proxy Server（SIP代理服务器）根据该消息的字段信息进行消息路由，转发至下一跳的SIP Proxy Server。当路由至GSM-SIP网关时，该网关必须分析该消息各个字段的信息并重新生成GSM呼叫信令，从而完成呼叫的接续。表1给出了GSM呼叫信令和SIP消息之间的映射。

4.1 物理配置

　　GSM-SIP网关位于GSM网的GMSC（Gateway Mobile Switching Centre，网关移动交换中心）上，可以作为交换机的IWF（Interworking Function）模块与MSC位于同一设备之上，即移动交换中心兼具GSM-SIP网关的功能。也可以与MSC分离而成为一台独立的物理设备。如图2所示。

4.2 GSM-SIP的信令互通

　　GSM-SIP的互通根据呼叫方和被叫方的位置可以分为以下三种情况：MS为呼叫方，Internet电话用户为被叫方；Internet电话用户为呼叫方，MS为被叫方；呼叫方和被叫方均为MS，MS之间通过Internet转接。

4.2.1 MS呼叫Internet电话用户

　　首先MS发出CALL SETUP消息，该消息经A接口的DTAP和A-bis接口TM（业务管理实体）的透明转接后传送到MSC处。MSC分析该消息报文并从中提取被叫方号码。在SIP中，被叫方号码是用SIP URL表示的。SIP URL的一般结构为SIP:用户名:口令@主机:端口:传送参数。根据被叫方号码，便可以判断出该被叫用户为Internet电话用户，继而由MSC将该消息转发至GSM-SIP网关。由网关设备最终完成CALL SETUP消息至SIP INVITE消息的翻译[5]。

4.2.2 Internet电话用户呼叫MS

　　SIP UA发出INVITE消息，其中消息报文的To字段为被叫MS的MSISDN（Mobile Station Interna -tional ISDN Number，移动台国际ISDN号码）。SIP PROXY收到INVITE消息后，根据MSISDN向MS所属的HLR询问MS当前的位置信息，相应的信令消息为SS7 MAP的MAP_SEND_ROUTING_INFORMATION。如果该用户已漫游到外地，则通过MAP_PROVIDE_ROAMING_NUMBER向所在的VLR请求MSRN（Mobile Station Roaming Number，移动台漫游号）。将MSRN作为检索参数在用户数据库中查找相应的GSM-SIP网关的SIP地址后，SIP PROXY将INVITE消息转发到该网关。由网关将SIP INVITE消息翻译成GSM CALL SETUP信令，从而完成Internet电话用户到MS的呼叫建立。

4.2.3 MS之间通过Internet转接

　　该情况下呼叫接续过程可分解为MS至Internet和Internet至MS两个过程，此时的Internet只是起着转接网的作用，虽然会带来效率上以及服务质量上的问题，但是可以降低GSM用户通话费率，仍然具有很大的市场前景。

4.3 GSM-SIP的媒体互通

　　其中的控制协议为IETF提出的MGCP（Media Gateway Control Protocol，媒体网关控制协议），它是在综合SGCP（Simple Gateway Control Protocol，简单网关控制协议）和IPDC（Internet Protocol Device Control，IP设备控制）协议的基础上形成的，供网关控制器控制网关使用。MGCP的主要构件为MG（Media Gateway，媒体网关）和MGC（Media Gateway Controller，媒体网关控制器）。MG的作用主要是对MGC发出的命令做出响应或者是在有事件发生时通知MGC，并对语音信号进行媒体适配。而MGC负责向MG发出合适的命令，例如通知MG某一个端点的Off Hook/On Hook的事件[1]。

5 结束语

　　本文讨论了基于SIP的VoIP系统与GSM移动通信系统的互通问题，着重分析了呼叫处理的信令过程，提出了二者信令的映射关系。

参考文献

[1] 糜正琨 . IP网络电话技术 . 北京：人民邮电出版社，2000

[2] 糜正琨，陈锡生 . 现代电信交换 . 北京：北京邮电大学出版社，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

　　刘庆，男，南京邮电学院计算机科学与技术系计算机软件与理论专业硕士研究生。2001年毕业于南京邮电学院通信工程系。目前的主要研究方向为人机交互及通信系统软件模拟。

　　郭云霞，女，南京邮电学院计算机科学与技术系计算机应用专业硕士研究生。2001年毕业于南京邮电学院通信工程系。主要研究方向为网间互连和通信网。

　　陈慧南，女，南京邮电学院计算机科学与技术系教授，硕士生导师。目前研究网络环境下的应用系统开发、集成及支持技术、工作流技术与Internet/Intranet技术、分布对象技术、代理技术相结合的计算机支持的协同工作（CSCW）支撑工具与环境、人机交互技术、形式化模型技术。

----《中国数据通信》