Expressway's overall intercom based on internet protocol
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摘要: 语音对讲系统是高速公路调度指挥和收费监管的重要技术手段。通过分析高速公路收费、通信、监控三大系统的技术构成, 开发了一种基于数据网络平台的IP语音对讲系统, 系统由对讲话机和相应的客户端软件、服务器端软件组成。实际使用表明, 该系统不需要铺设专用传输链路, 很好地解决了长距离、跨级别对讲的难题。Abstract: Intercom is an important technique for expressway's management and toll control. This paper discussed the technique structure of expressway's toll, communication and surveillance system, developed a kind of intercom based on internet protocol. The intercom is consist of special interphone with serial interface, client software and server software. The practice shows that this intercom don't need to lay special transmission link, has a good performance to solve the difficult problems of long distance transmission and multicast.
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传统的语音对讲系统是在收费站设置一套对讲主机, 在各收费亭均设置一台对讲分机, 收费站到收费亭之间线路不长, 则只须从收费站向收费亭铺设铜缆, 即可实现两地之间的通话[1]。对讲控制主机与收费亭内终端设备构成一个独立封闭的有线对讲系统, 通常传输的距离要求在400 m以内。随着高速公路的建设和发展, 公路运输的管理已不能仅限于本地的管理, 更多的情况是路段全程的管理, 路网全域内的管理, 出现了诸如“片区划分”、“大站管小站”、“一站多点”等管理新模式, 要求通过内部对讲系统实现管理中心—收费站—收费亭的三级或多级调度[2], 如图 1所示。这样不仅系统架构复杂, 而且传输线路往往也较长, 所以, 传统的音频对讲系统受到了颇多的限制, 无法满足在运营管理上的要求。
为了解决长距离语音对讲的难题, 出现了借助通信系统提供的光纤, 并通过光端机来实现语音对讲功能的方法, 其优点是对传统的对讲系统有着较好的延续性[1, 3]。对讲系统在采用光纤传输时所遇到的主要技术问题, 就是对讲设备与传输设备的匹配, 目前市场上没有现成的产品解决此问题。采用光纤通过光端机方法的缺点是光纤资源利用率太低, 无法实现多级交换, 因此这项技术很难在全域内扩展应用。
针对此问题, 本文研究并设计出了在高速公路联网收费系统数据网络平台上运行的语音传输系统, 即基于IP的高速公路全程语音对讲系统。
1. IP语音对讲系统技术模型
1.1 VoIP技术
基于数据网络平台的语音传输, 首先要对语音信号进行A/D、D/A转换, 然后进行IP打包, 并压缩传输, 其原理就是VoIP[1, 4] (Voice over Internet Protocol)。VoIP也称IP电话, 由于VoIP采用了数据分组交换技术, 直接利用Internet或Intranet数据网络进行语音交换, 降低了传统业务电话交换网的维护费和通信费, 扩展了数据网络承载内容, 提高了信道利用率。
IP电话采用ITU-T H.323协议为标准。H.323是ITU的多媒体通信协议系列H.32x中的一个, 该协议提供了基于IP网络(包括Internet) 传送声音、视频和数据的基本标准。H.323作为一个协议框架, 提供了系统及组成部分的描述、呼叫方式描述以及呼叫信令程序。H.323相关的协议包括视频编码标准、音频编码标准等, 如表 1所示。
表 1 H.323协议栈Table 1. H.323 protocol stack音频 视频 终端控制和呼叫信令 数据 G.711 H.261H.263 H.225.0终端到关守信令(RAS) H.225.0呼叫信令(Q.931) H.245建立语音通道 T.126 G.722 T.127 G.723 T.124 G.728 T.125 G.729 T.122 RTP, RTCP T.123 UDP TCP 网络层(IP) 数据链路层 物理层 由于TCP使用重发机制会增加语音的传输时延, 因此采用UDP来传输语音。H.323协议规定UDP数据分组前要添加一个实时传输协议(RTP) 头。为了确保语音质量, 还要使用实时控制协议(RTCP)。语音产生的信息包是周期性的, 语音包的统计特性不同于非话音业务, 在时域内具有突发性。此外, 在数据网络的传输中, 语音和一般数据不一样, 它是一种连续播放媒体, 要求具有很严格的流量均衡和延时特性, 使其能够精确匹配于数据网络的比特流传输。
1.2 IP语音对讲系统原理
IP语音对讲的基本原理是: 由专门的硬件设备或软件将呼叫方的话音信号采样并数字化, 进行压缩打包, 经过IP网络传输到对方, 由对方的软件接收并进行解压缩, 再还原成模拟信号, 如图 2所示。语音压缩编码技术是IP语音对讲技术的基础。
语音进入网络之前首先要进行模数转换, 在不进行压缩的情况下, 通常每路语音形成64Kbps的数据流。为了适配于IP网络, 将数据流打成IP数据包, 再经过物理层进行传输。IP语音对讲完全依赖于底层的网络连接, 语音的传输主通道是广域的分组数据网络, 而不是传统的电路交换网络, 可运行于任何传输介质之上, 使用分组交换技术, 方便地实现语音信号的异地回放。
2. IP语音对讲系统结构与功能
IP语音对讲继承和延续了IP电话技术特点, 要在公路系统中得到广泛的推广, 必须解决以下三个问题: 一是语音质量应与普通电话相当; 二是呼叫和建立连接的方法要简单、方便; 三是要有统一的标准, 以解决跨平台问题。
根据现有设备和技术条件, 本文研制开发出针对高速公路联网收费系统的IP语音对讲系统, 该系统运行仅依赖于TCP/IP网络链接, 可在多种通信链路上可靠工作; 同时语音对讲系统与联网收费系统在同一数据网络平台上运行。
2.1 系统结构
采用IP语音对讲系统, 监控管理人员与收费员可以通过连接在双方计算机上的专用IP话机设备直接通话, 通话是采用全双工的方式, 就象普通的电话一样。收费员若有情况向监控室汇报, 只需按下话机设备的“请求对讲”按键, 在监控员接听后, 即可进行通话。收费亭之间属于同一级别, 不能通话。语音交互不局限于站长室/监控室与收费亭之间, 收费站与上级及其同级收费站之间的语音交流可以象PSTN电话机一样的方法使用, 甚至功能更加丰富适用。系统结构如图 3所示。
在一个站内部站长对监控室, 监控室对收费亭, 站长对收费亭都拥有监听及广播的权利。站长室与收费亭讲话时, 操作方式与监控员一样, 收费站监控室管理计算机界面如图 4所示。
收费分中心与各收费站IP语音对讲系统的操作一样。
2.2 系统功能及配置
2.2.1 收费亭内子机系统(CT100-A)
为保证收费员的通话效果和操控便利, 收费亭内的IP语音对讲分机选用国际上先进的芯片组制作成收费计算机的专用外围设备, 由此硬件实现语音的编解码过程, 并通过工控机的串行接口与后台软件互联, 实现远程通信, 如图 5所示。因此, 终端系统(CT100-A) 采用了硬件和软件相结合的方式进行协同工作, 系统功能如下。
(1) 分机为收费员配有“呼叫”键、“直讲”喇叭、“对话”手柄等操控方式, 语音通过分机直接编解码联入本机的串行端口。
(2) 可根据需要设定对收费亭的“广播”、“监听”等功能。
(3) 上级系统可直接通过数据网络通知或呼叫亭内收费员, 此时声音直接通过“直讲”喇叭播出。
(4) 收费员如要呼叫管理人员, 可按下“呼叫”键, 等待监控室内的管理人员答复响应后, 可操起“对话手柄”进行全双工的音频对话, “直讲”喇叭自动关闭。
(5) 网络间的传输均由系统软件控制执行, 分机的工作状态均在收费机CRT的提示栏中显示。
(6) 系统可选择设定G.711 (64 Kbps) 或G.723.1 (6.3 Kbps), 以适应不同的网络传输速率。
2.2.2 收费站子系统(CT100-B)
系统配有管理服务计算机、管理员操控专用IP话机。管理主机主要用作系统配置、参数设定、状态显示、功能设定、存储纪录等。管理员操控话机采用键盘与手柄的方式, 呼叫路网内各级系统用户并与之对讲, 功能描述如下。
(1) 管理主机在CRT上显示下辖各分机工作状态, 显示来电呼叫状况、话路通信状态等。
(2) 管理主机上可设定语音对讲工作组、广播工作组、语音压缩协议, 可通过鼠标或操控话机进行应答响应。
(3) 可通过管理机或话机进行拨号, 也可以直接对收费亭内“直讲”。
(4) 在管理机上可进行IP地址与号码本编码的对应设定。
(5) 可实现在同一系统中, 通过网络进行与路公司间的播叫与响应。
2.2.3 分中心(路公司) 管理系统(CT100-C)
系统负责对下辖的各收费站、收费车道进行三级管理, 也可以进一步把本域的音频数据与外域或邻域相连, CT100-C的工作模式类同于CT100-B, 但要对多个收费站(CT100-B) 管理, 差异部分为: 多组收费站点的统一管理; 登录许可管理, 通话事务纪录; 可增设与CT100-B之间的视频图像同步传输。
3. 关键技术和采用方法
3.1 语音压缩编码技术
由于数据网络主要目的是传输联网收费数据, 因此, 基于数据网络平台的音视频应用必须要尽量减少带宽的占用。在语音编码压缩和解压缩方面开发的算法, 其目的就是使用较少的带宽并产生较低的延时。
本系统采用基于ITU-T的G.723.1音频压缩标准进行语音的压缩传输, G.723.1采用线性预测的分析-综合编码算法: 基于代数码本激励线性预测(ACELP) 和多脉冲最大似然量化激励(MP-MLQ) 两种方法。本系统主要采用MP-MLQ方法, 提供6.3 Kbit/s传输速率。
语音信号经数字化后成为PCM信号, 再经过编码器后得到线性预测系数(LPC)、峰值信号、激励信号, 三者复合为一路编码信号送出。其解码过程和编码过程相反, 如图 6所示。
3.2 语音QoS
IP网络是非面向连接的, QoS (Quality of Service) 是尽力而为的, 不仅对于数据属性没有判别的能力, 无法按数据属性区别服务。而且, 目前的IP路由技术采取基于目的地址的最优数据传输通路算法, 不考虑所要传送数据的其它性能。突发性是IP业务的主要特点, 如果假设网络的资源是无限的, 那么所有的应用都可以得到所需的带宽、可以忍受的延时、零延时抖动和零分组丢失率。VoIP业务比较敏感的延时和延时抖动参数, 在传统的IP网络上只能得到尽力而为的服务质量, QoS问题是VoIP业务发展的关键所在。
为解决语音QoS问题, 采用接收端缓冲区暂存法、前向纠错(Forward Error Correction)、数字语音插空(DSI)、回音消除、IP数据流优先级控制等技术来保障语音质量。
3.3 网络自适应能力
由于IP网络的分组交换性质, 使得一次会话的双方不能仅仅是发送码流数据和被动接收码流数据, 双方要探测网络的联通情况。会话主叫方和被叫方都需要确认对方的通话状态, 以便决定是否保持当前会话。因此, IP语音对讲系统中各级节点(收费亭、监控室、收费站、分中心等) 都具有一定的“智能”, 网络意外发生时节点能够自我诊断, 自行恢复正常状态。
4. 结语
IP语音对讲系统采用基于广域数据网络IP流的控制方式, 实现了音频传输和数据传输的平台统一。通过IP语音对讲系统可以实现高速公路网多级调度管理, 实现对外场工作状况的直接把握和信息交流, 实现从结算中心、收费分中心到收费站再到收费亭的四级音频直接调用, 这对于信息传递和收费监管是非常重要的。
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表 1 H.323协议栈
Table 1. H.323 protocol stack
音频 视频 终端控制和呼叫信令 数据 G.711 H.261H.263 H.225.0终端到关守信令(RAS) H.225.0呼叫信令(Q.931) H.245建立语音通道 T.126 G.722 T.127 G.723 T.124 G.728 T.125 G.729 T.122 RTP, RTCP T.123 UDP TCP 网络层(IP) 数据链路层 物理层 
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