（通信与信息系统专业论文）基于软交换的煤矿多业务语音调度系统的研究与实现.pdf

论文题目：基于软交换的煤矿多业务语晋调度系统的研冤与买现 专业：通信与信息系统 硕士生：田丰( 签名) 仁遨 指导教师：韩晓冰 ( 签名) 习免施触 摘要 生产调度指挥透信系统是煤矿安全生产管理中的重要手段之一。随着n g n 网络的 成熟，实现煤矿企业安全生产中的语音、视频和数据等多业务在统一p 承载网中传输、 控制和管理是未来煤矿安全生产调度发展的趋势。本文为了实现基于v o l p 的语音调度 功能，提高语音调度通信的可靠性、灵活性和业务扩展性，研究并开发了基于软交换的 煤矿多业务语音调度系统。 通过对煤矿安全生产中多业务需求的分析，结合软交换体系结构，提出了基于软交 换的煤矿多业务系统模型，并分析了多业务系统功能。在基于软交换的煤矿多业务系统 模型基础上，对煤矿语音调度系统进行了设计和开发。首先，分析和设计了注册服务器 和代理服务器，设计了语音调度系统结构、系统功能模块和语音通信系统结构。其次， 分析了s i p 协议在语音调度通信中的实现过程。最后，使用v i s u a lc + + 和s q ls e r v e r2 0 0 0 开发环境，基于w i n d o w ss o c k e t ，采用分层模块化的软件开发结构，实现对语音调度系 统软件的编程开发，设计和实现了呼叫模块、定时器模块和语音通信模块等公共模块。 在此基础上开发并实现了煤矿多业务语音调度系统的基本语音单呼叫、组群呼叫、强拆 强插、语音监听等核心调度功能模块。同时，为煤矿安全生产中的视频和数据业务的融 合提供了标准的a p i 接口。 在实验室搭建了语音调度系统的测试平台，对系统功能进行了验证，并使用e t h e r e a l 协议数据包跟踪工具对通信信令进行了抓包分析。测试结果表明系统完成了基于多业务 平台下的语音调度的基本功能，满足未来煤矿安全生产对语音调度系统的需求。 关键词：软交换；多业务；语音调度；s i p 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no fc o a lm i n em u l t i - s e r v i c ev o i c e s c h e d u l i n gs y s t e mb a s e do ns o f ts w i t c h s p e c i a l t y ；c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n a m e：t i a nf e n g i n s t r u c t o r ：h a nx i a o - b i n g ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e a b s t r a c t t h ep r o d u c t i o nc o m m a n da n ds c h e d u l i n gc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi so n eo fi m p o r t a n t m e a n sd u r i n gc o a lm i n es a f e t yp r o d u c t i o na n dm a n a g e m e n t w i t ht h em a t u r i t yo fn g n n e t w o r k ，i ti saf u t u r ed e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fs a f e t yp r o d u c t i o na n ds c h e d u l i n gt oa c h i e v e t h ev o i c e ，v i d e o ，d a t aa n do t h e rm u l t i s e r v i c ec a nb et r a n s m i t t e d ，c o n t r o l l e da n dm a n a g e db y t h eu n i f i e di pl o a db e a r i n gn e t w o r ki nt h ec o a lm i n ee n t e r p r i s e f o rr e a l i z i n gt h ev o i c e s c h e d u l i n gf u n c t i o nb a s e do nv o i pa n di m p r o v i n gt h er e l i a b i l i t y , f l e x i b i l i t ya n ds e r v i c e e x t e n s i o no fv o i c es c h e d u l i n gc o m m u n i c a t i o n ，o n ec o a lm i n em u l t i s e r v i c ev o i c es c h e d u l i n g s y s t e mi ss t u d i e da n dd e v e l o p e db a s e do ns o f ts w i t c h t h r o u g ht h ea n a l y s i sf o rm u l t i - s e r v i c ed e m a n di nt h ec o a lm i n es a f e t yp r o d u c t i o n , c o n s i d e r i n gt h es t r u c t u r eo fs o f ts w i t c hs y s t e m ，t h em o d e lo fc o a lm i n em u l t i s e r v i c es y s t e m b a s e do ns o f ts w i t c hi sd e v e l o p e d ，a n dt h ef u n c t i o no fm u l t i - s e r v i c es y s t e mi sa n a l y z e d i nt h e b a s eo fc o a lm i n em u l t i - s e r v i c es y s t e mb a s e do ns o f ts w i t c h ，t h ec o a ln l i n em u l t i s e r v i c e v o i c es c h e d u l i n gs y s t e mi sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d f i r s t l y ，t h er e g i s t r a t i o ns e r v e ra n dt h e p r o x ys e r v e ra r ea n a l y z e da n dd e s i g n e d t h es t r u c t u r eo fv o i c es c h e d u l i n gs y s t e m , t h e f u n c t i o nm o d e la n dt h ev o i c ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ma r ed e s i g n e d s e c o n d l y ，t h er e a l i z a t i o n p r o c e s so fs i pp r o t o c o li nt h ev o i c ec o m m u n i c a t i o ni ss p e c i f i e d f i n a l l y , u n d e rt h eo p e r a t i o n e n v i r o n m e n to fv i s u a lc + + a n ds q ls e r v e r2 0 0 0 ，i nv i e wo fw i n d o w ss o c k e t ，b yt h e h i e r a r c h i c a lm o d u l es o f to p e r a t i o ns t r u c t u r e ，t h ep r o g r a m m i n go fv o i c es c h e d u l i n gs y s t e mi s a c h i e v e d ，a n dt h ec a l lm o d u l e ，t i m e rm o d u l e ，v o i c ec o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n do t h e rp u b l i c m o d u l e sa r ed e s i g n e da n dr e a l i z e d b a s i cs i n g l ec a l l ，g r o u pc a l l ，d i s m a n t l i n ga n di n s e r t i n g r a n d o m l y , v o i c em o n i t o r i n ga n do t h e rc o r es c h e d u l i n gm o d u l e sa r ed e v e l o p e da n da c h i e v e di n t h ec o a lm i n em u l t i - s e r v i c ev o i c es c h e d u l i n gs y s t e m a tt h es a m et i m e ，as t a n d a r da p i i n t e r f a c ei sp r o v i d e df o rt h ei n t e g r a t i o no fv i d e oa n dd a t as e r v i c e si nt h ec o a lm i n es a f e t y p r o d u c t i o n t h et e s tp l a t f o r mo fv o i c es c h e d u l i n gs y s t e mi sb u i l ti nt h el a b o r a t o r yt oc o n f i r mt h e s y s t e mf u n c t i o n ，a n dt h ec o m m u n i c a t i o ns i g n a l i sc a p t u r e da n da n a l y z e db yt h ee t h e r e a l p r o t o c o lp a c k e tt r a c k i n gt 0 0 1 t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ev o i c es c h e d u l i n gb a s i sf u n c t i o ni s c o m p l e t e du n d e rt h em u l t i s e r v i c e sp l a t f o r m ，w h i c hc a nm e e tt h ed e m a n do fv o i c es c h e d u l i n g s y s t e mi nt h ef u t u r ec o a lm i n es a f ep r o d u c t i o n k e y w o r d s ：s o f ts w i t c hm u l t i - s e r v i c ev o i c es c h e d u l i n gs i p t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 妻料技太学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：指导教师签名 勿号年 月加日 1 绪论 1 绪论 1 1 课题背景 目前煤炭行业信息化整体水平不高，煤矿安全事故不断发生，其中的一个重要原因 是煤矿企业安全生产信息手段落后，矿井安全监测、监控体系不健全。煤炭行业通信专 网现有的网络已经具备相当的规模，在企业所在地的通信市场具有一定的影响力，拥有 相当数量的用户群，随着用户数量的增加，原有的网络已经不能满足煤矿安全生产管理 的实际需要。煤炭专用通信网由矿区地面通信系统和煤矿井下调度通信系统两大部分组 成。近几年来地面通信得到迅猛发展，无论是传输设备，还是交换设备，容量逐年增大， 技术不断更新，逐步实现了数字化、程控化，通信的可靠性和稳定性也逐渐提高；地面 通信网正在向集语音、图象和数据传输“三合一 的综合信息网方向发展。但是，煤矿 井下调度通信由于受通信设备技术跟进缓慢和特殊环境条件的制约，还存在许多问题。 随着煤炭企业业务的不断扩大和数据业务的高速发展，当前煤炭企业网络建设和服务的 重点逐渐转向为语音、视频和数据等综合业务提供统一的传输平台，过去单一的、没有 传输层面的、集中型的网络模式已不适应形势的发展。软交换作为下一代网络的发展方 向，不但实现了网络的融合，更重要的是实现了多业务的融合，具有充分的优越性。由 于软交换体系采用分层的体系架构，各层之间通过标准接口进行互连。使得每一层功能 之间相互独立、互不影响的。软交换体系还支持多处理机系统，可以灵活配置以支持不 同网络的特定需求，满足煤矿安全生产多业务应用的需求。软交换技术是在i p 网络基 础上提供业务控制能力。它的关键特点是采用开放式体系结构，将综合业务与呼叫控制 分离，呼叫控制与承载分离，因而具有良好的结构扩展性，为系统提供了标准的、全开 放的应用平台。 传统的煤矿通信网是为安全生产、调度、指挥服务而建设的。随着历年来的建设， 各局通信网己初步形成了具有数字程控交换机、光纤、数字微波等多种通信方式并存以 及拥有众多通信站点和上千用户的规模。然而，由于定位不同及建设资金的缺乏，各矿 务局的通信网普遍建设得相对分散，从而造成网络业务有限、结构单一、接入方式简单 等问题；通信网络正在运行的许多设备在设计和技术上已经十分落后，运行可靠性逐步 降低，在很大程度上影响了通信和生产的安全运行。随着社会交流的方方面面日益转向 知识经济模式，矿区用户也逐渐要求通信网络提供以话音、数据、图像为基础的多层面、 多样化、智能化的综合业务和功能。而目前各矿务局通信网业务功能很少，加上由于网 上设备类型、技术层次相差较大，通过升级、改造可在小范围增加部分业务功能，但要 在全网实现多数据业务却困难重重且风险太大。随着我国煤炭系统近几年来经济效益的 西安科技大学硕士学位论文 好转以及矿区环境的不断改善，作为其重要组成部分的通信网也需要不断发展，为了满 足矿区不断加快的现代化建设和管理的要求，提高矿区通信的整体水平，积极采用i p 技术和新设备继续完善和扩建通信网已是十分紧迫的任务。 煤矿安全生产中各业务( 语音、数据和视频) 分别采用各自的接入平台和控制系统， 相互不兼容，缺乏统一的承载平台，各系统信号数字化后利用软交换技术能够实现各网 络间互通互用，使各终端用户更灵活的使用各种业务。对建立完善的煤矿企业综合业务 应用平台，提高矿井现代化安全生产与管理具有重要的社会意义和实用价值。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究概况 国外2 0 世纪末期以来，在新技术革命的带动下，煤矿开采和加工利用技术迅速发 展。先进采煤国家积极应用机电一体化和自动化技术，研制开发了大功率、高性能的开采 技术装备，广泛应用计算机技术，实现了矿井生产过程自动化、矿井的高产高效和集约 化生产。为适应这种高度集中化生产模式和煤矿生产集团化管理模式，先进采煤国家研 制开发了矿井自动化监测控制系统，主要生产环节已基本实现自动化检测监控。全矿井 综合自动化监测监控系统集语言、数据、图像于一体，兼容各种专用监控系统功能的综 合监控网络系统，将监测、控制、通信功能合成一网，并发展灵活、方便的无线接入技术。 监控系统覆盖全矿井各生产环节，包括现场监测控制层、生产与安全集中控制监视层、 信息管理层三个层次，通过各种矿用控制器、传感器、通讯终端、摄像仪等实现了对综 采工作面和矿井运输、通风、排水等设备和矿井瓦斯、煤尘等安全参数的自动化监测和 控制。目前国外比较典型的监测系统如下l l j 。 1 ) 英国m i n o s 监测系统。m i n o s 监测系统是英国有代表性的先进的监测系统， 他能对井下环境进行连续监测，包括： 低浓度瓦斯：用b m l 瓦斯检测器，测量范围o 3 c h 4 ； 高浓度瓦斯：用b m 2 h 瓦斯检测器，测量范围0 一1 0 0 c h 4 ； 瓦斯抽放系统的负压； 风速：用b a 2 ，b a 4 ，b a 5 风速检测器，测量范围0 - 2 m s 、0 5 m s 、o 1 0 m s ； 风压； 烟雾及粉尘。 2 ) 德国t f 2 0 0 瓦斯监测系统。t f 2 0 0 系统是y f 2 4 系统的更新产品，功能扩大， 传输通道由2 4 个增加到5 2 个。其技术特点如下： 主要传感器：高浓度瓦斯、低浓度瓦斯、c o 、风速等传感器。 中心站：系统容量为1 7 6 个模拟量，3 5 2 个开关量；主要设备为计算机、打印机、 2 1 绪论 记录仪、模拟盘。 传输系统：传输方式为调频，5 2 个信息通道；传输距离为1 8 - 4 2 k r m 调换方式 v f 变换，卢5 1 5 h z 。 分站：容量为4 、8 、1 6 个传感器组；供电方式为1 0 2 4 v 。 3 ) 美国s c a d a 监测系统。是集中监测系统，分为标准型和扩展性两种。 国外在不断完善煤矿安全的跟踪预测的基础上，开展了研究瓦斯突出的动态预测技 术和突出危险区域预测技术 2 1 。俄罗斯建立了区域预测预报专家系统。德国研发的“超越 现实”是一种高安全性的通讯技术，可以完全改变井下矿工的工作方式。矿工通过“数字 眼镜”( 检测机器故障的装置) 查看出现故障的机器。电脑会给出非常详细的、有动画 演示的维修步骤。矿工不需要亲自去检查机器，完全由电脑来检查并处理数据。在新近 研发的井下新技术中，特别引人注目的是一种“井下w l a n 无线局域网系统”。这种技 术利用安装在矿工头盔上的摄像头传送地下煤矿实时图像，并通过手机、耳麦等移动通 讯设备，借助微型电脑进行数据传输等。专家可以借助矿工头盔上的摄像头传送的实时 图片进行观察与诊断，并通过耳麦指导操作。提高了矿工工作效率也降低了危险概率。 波兰和法国对煤层突出危险进行了分级，实现了科学管理。 1 2 2 国内研究概况 目前，我国煤矿安全生产监测的网络化程度不高，井下安全信息不能及时传到井上 生产控制中心，各种监测系统独立运行，数据不能共享，没有统一的传输平台，导致煤 矿事故频发。现有的煤矿安全生产监测系统大多是通过有线网络建立的，随着煤矿开采 的日益变化，煤矿井下的物理结构也在不停地改变着，原先设计好的有线网络传输系统 很难做到完全的监测覆盖，重新建立新的有线网络系统，在成本上，人力上，扩展性等 方面都不符合实际情况的发展。因此，建立一套灵活，可靠，实时性好，扩展性强的井 下多种业务接入平台迫在眉睫。i p 承载网络在数字化矿山通信系统中还没有全面普及， 有的矿井仍然使用纵横制交换机，甚至有的用交换机代替生产调度机，很多煤矿从地面 到井下，从主要生产环节到辅助环节安装有几台甚至十几台小交换机( 程控、共电、磁 石等制式并存) ，他们各自独立，成为信息孤岛，系统间联系十分不畅，通信效率低， 非常不利于生产和指挥，也不利于各生产环节的互相联系，给正常生产经营造成较大影 响。当遇到矿井突发事故势必造成生产调度指挥人员不能实现“强插、“强拆 严重后 果。由于通信网络不畅、非常不利于事故的抢险，极易造成事故损失的扩大。 从上世纪9 0 年代开始，煤炭专网经过多年的努力工作，取得了长足的发展，使煤 炭专网的实力日益扩大，已经形成了规模【3 1 1 4 1 5 1 。具体表现在： 网络布局上：具有点多面广的特点。几乎涵盖了所有采煤省( 区、市) 。5 3 的矿 区与公网实现了全自动联网。各矿区专网具有快速扩张能力和向矿区周边外延能力，为建 3 西安科技大学硕士学位论文 立全国性的电信网点打下了良好的基础。由于通信不是煤矿的主导产业，长期以来，无 论经济效益好的煤矿还是经济效益差的煤矿，对通信的投入都明显不足，综合分析语音 通信调度存在以下几个主要问题。 通信设备相对落后，容量不足，可靠性差 数字程控交换机在煤矿行政通信系统中还没有全面普及，有的矿井仍然使用纵横制 交换机，甚至有的用生产调度通信交换机代替行政交换机。 传输系统落后，通话质量差，不适应与外界的联系 目前大部分矿井的行政通信交换机与矿务局总机或电信公网采用n o 1 信令组网， 有的矿井甚至仍采用环路中继组网，局间中继少、接续速度慢，音质音量差，很难保证 煤矿对外联系的畅通。 组网模式不合理 很多煤矿从地面到井下，从主要生产环节到辅助环节安装有几台甚至十几台小交换 机( 程控、共电、磁石等制式并存) ，他们各自独立，成为信息孤岛，系统问联系十分 不畅，通信效率低，非常不利于生产和指挥，也不利于员工在生产环节中的互相联系， 给正常生产经营造成较大影响。 通信业务单一 受计划经济的影响，有些煤矿的通信网建设只把能够实现话音通信作为主要内容， 基本没有从电信运营的角度进行网络设计，系统不能进行增值业务的开发、开放，网络 市场化经营的基础薄弱。 不适应抢险的需要 当遇到矿井突发事故，由于通信网络不畅、通信手段单一、网络承受能力差，往往 造成领导层信息不通、指挥不灵、数字不准，非常不利于事故的抢险，极易造成事故损 失的扩大。另外，煤炭通信系统还没有与主业( 煤炭生产) 实现真正的分离，还没有实 现市场化经营，不符合国企改革精神。 总体看来，当前我国煤矿行业信息化水平仍然较低，信息技术应用不平衡，煤矿监 测系统还停留在集散式监测水平上，仍以主从式体系结构、时分制通讯为主流技术。这 些监测系统虽对改善我国煤矿安全生产状况起到了积极作用，但现有煤矿监测技术的体 系结构、通讯方式等，与煤矿现代化生产的需要之间存在较大差距，主要表现在：监测 系统体系结构亟待升级，安全和生产动态信息的传输缺乏高速、可靠的系统平台；没有 统一的技术标准和通信协议，生产、安全监控和各类灾害监测子系统之间不能互联互通， 数据、语音、图像不能有效集成，系统开放性和兼容性不强。因此为了达到方便管理， 保证系统运行稳定的目的，必须选择一个开放的通信平台，将各种不同类型的设备的通 信统一到这个标准通信平台之上，基于i p 的井下多业务平台应运而生。 国际、国内煤矿企业专业安全生产调度通信网应用的主要现状为： 4 1 绪论 国际、国内上尚无大型网络的组网和运营经验。传统电信网经过长期的运营积累， 在网络组织方面已经具有相当成熟的经验；而基于软交换的n g n 网络组织目前国内外 尚无成熟的经验，是采用基于软交换的全平面结构，还是采用分区域选路结构等，在技 术和实践方面都有待进一步的探索。 协议尚未做到兼容性，标准还在发展之中。不同厂家在技术标准的选用及协议的 兼容性方面还难以做到相互兼容。b i c c 协议、s i p t 协议和h 2 4 8 协议也在发展之中， 协议的选项需要确定。 a p i 没有成熟的产品。基于开放的业务平台，采用标准的a p i 接口为网络运营商 提供新业务开创了未来美好的前景，但是相应的产品仍在探索和研发之中。 网络安全和网络q o s 问题。目前业界还没有一个非常完善的方法来解决网络安全 性的问题，只能通过要求t g 、软交换等网络设备应具备一定的反入侵能力以增强系统 的安全性，用户账号、密码等用户数据的安全则只能采用加密的方式解决。在网络q o s 方面，t f 组织已经提出了多种服务模型和机制来满足q o s 的需求，其中比较著名的 有综合业务模型、区分业务模型、m p l s 技术、流量工程等，具体这些方案如何组合使 用、可行性如何、效果如何，有待研究。 1 3 研究意义 目前大多数煤矿企业的数据网和通信网是两套不同的系统，企业内部之间数据业务 通过i p 专网进行传输、话音业务通过公共电话网( p s t n ) 实现互通，两套系统之间缺 乏关联，由此造成了隔离的网络、分离的系统、割裂的应用，同时专线费用、通话费用、 管理维护成本相应增加造成企业资源的浪费，不能实现多业务的应用。i p 语音通信技术 相对于传统的v o i p 技术而言有着无可比拟的优势和特征，为煤矿企业统一信息平台提 供支持： 为数字化矿山提供丰富的m 融合业务 v o i p 是一种通过分组交换i p 数据网络拨打电话的语音通信技术，主要实现一条以 低成本传输语音业务的捷径，这种技术给企业带来的最大好处是可以节约长途话费。口 语音通信则不同，它不仅可以节省通话成本，更大的优势在于向企业提供多种新特性， 如语音留言、统一消息、多方会议等i p 融合业务。 实现煤炭企业语音、视频、数据多种业务的融合 传统的v o i p 技术只能通过i p 网实现长途旁路通话功能，在视频、数据业务功能方 面存在着一定的局限性，而i p 承载技术不仅可以实现基于i p 数据网的长途旁路功能外， 还可基于i p 网实现多方的语音、视频、数据会议，满足企业日常办公对电话会议、视 频会议和数据协同通信业务的需求。 实现不同矿区、不同用户的不同业务需求 5 西安科技大学硕士学位论文 i p 通信系统是一套全方位、标准、开放的系统，可针对不同矿区、不同用户对不同 业务的需求提出不同的解决方案。i p 语音系统除了可提供基本i p 通话功能外，还可根 据用户对不同业务的需求，如语音留言、统一消息、多方会议、协同工作，添加不同的 业务服务器，整套系统具备良好的扩展性和开放型；其次i p 通信系统可提供全网的号 码漫游和丰富的呼叫业务功能，方便快捷的即可实现用户工作环境的切换，做到真正的 移动办公。 简化煤矿企业安全生产管理，降低维护成本 i p 通信系统与传统的t d m 时分复用方式下的语音系统相比，它简化了初期系统投 资成本，节省了t d m 布线投资，通过一套布线系统即可完成煤矿企业数据、语音业务 流量的畅通，从而增加企业经济收入；其次一套布线也有利于减轻维护部门的运作成本。 与煤矿企业业务系统的融合，提高整个企业的运作效率 i p 语音通信系统最大的优势在于可以和煤矿企业的各个业务系统( 如：e r p 、c r m 、 o a 、m i s 、e m a i l 等) 进行结合，实现企业业务流程的整合，从而保证企业高效运作， 提高企业的核心竞争力。 针对目前煤炭企业话音与数据网络是分离的现状，建设一个安全、稳定易于管理、 适度超前的基于软交换的通信系统，可以实现煤矿企业的语音、视频、数据多业务的融 合，简化煤矿企业的管理，降低成本，提高整个企业的运作效率。采用软交换技术体系 不仅可以满足煤炭企业正常生产的要求，而且结合煤矿企业安全生产和信息化检索的需 求，能够提供语音、视频和数据一体化的信息平台，解决煤矿井下技术和多业务融合的 困难，能够实现井下生产自动化，并提供出现紧急情况时的综合调度手段。 1 4 课题主要研究工作及论文的组织 针对我国煤矿安全生产的现状以及我国煤矿企业信息化发展的趋势，本课题重点研 究了基于软交换的煤矿多业务语音调度系统，结合煤矿安全生产的现状以及井下安全生 产多业务的特点提出了多业务平台的模型；根据目前井下安全生产监测监控系统的需 求，对平台的核心架构进行了研究；基于软交换的煤矿多业务模型之上，设计并实现煤 矿多业务语音调度系统，并搭建测试平台验证了系统的功能和可行性。 本课题中本人所完成的主要工作有： 1 ) 通过对软交换技术体系的研究和煤矿多业务发展需求分析，建立基于软交换的 煤矿多业务模型，并分析其功能。 2 ) 在基于软交换煤矿多业务系统模型之上，设计了煤矿多业务语音调度系统中的 各个功能模块。 3 ) 采用v c + + 完成了基于s i p 协议的煤矿多业务语音调度系统的功能实现，其主要 功能有基本的语音单呼叫、组群呼叫、强拆、监听和强插等功能。 6 1 绪论 4 ) 构建了系统软、硬件测试平台，对开发的基于软交换的煤矿多业务语音调度系 统功能进行了验证性测试，并利用e t h e r e a l 协议数据包跟踪工具对语音通信过程进行了 数据包的抓包分析。 论文结构如下： 第一章绪论。本章介绍了课题的研究背景和意义以及煤矿多业务系统在国内外的 发展情况，最后讲述了论文研究的目的和意义，以及文章的主要内容和结构安排。 第二章系统主要技术和协议分析。本章主要介绍了软交换的功能、技术特点、网 络结构以及s i p 和m g c p 协议。 第三章基于软交换的煤矿多业务系统模型建立及功能分析。本章分析了煤矿安全 生产的多业务需求，在此基础上提出了基于软交换的煤矿多业务平台的模型，分析了其 系统功能结构。 第四章基于软交换的的煤矿多业务语音调度系统设计，是本论文核心之一。本章 提出了基于软交换的煤矿多业务语音调度系统结构，设计了其功能模块。 第五章基于软交换的煤矿多业务语音调度系统的功能实现，是本论文中最核心的 部分。完成了语音调度系统中各个单呼叫、组群呼、强拆、强插等功能，并对其搭建了 测试的平台，验证其系统的功能。 7 西安科技大学硕士学位论文 2 系统主要技术和协议分析 软交换技术在煤矿多业务平台中能够起到重要的作用，其能够集成煤矿安全生产管 理过程中的各种语音、视频和数据等多业务于一体。软交换是通过将业务与呼叫控制分 离、呼叫控制与承载分离的方式来向用户提供电信级业务的技术体系。目前，软交换的 业务丌发能力已经从简单电话业务和智能网业务扩充，发展成为具有多媒体业务能力 的、能够根据需求定制的以应用驱动的软交换系统。软交换位于网络分层中的呼叫控制 层，与网关交互接收处理呼叫，指示网关完成呼叫。软交换主要处理实时业务，包含语 音、视频和多媒体业务。主要任务是在各点建立关系，可以是简单的呼叫，也可以是复 杂的处理，通常提供一些补充业务，相当于传统交换机的呼叫控制和基本业务提供【i 扪。 2 1 软交换技术 软交换的概念是由b e l l 实验室1 9 9 7 年最先提出的。软交换广义上讲是一种基于软交 换技术的网络架构【9 1 1 1 0 】【1 1 1 1 1 5 1 ，也就是依据“n g n 能分层的网络体系。从狭义上讲，软 交换特指“n g n 体系中的控制层，软交换是一个软件，用于提供呼叫控制等功能。国 际上软交换的基本定义是：“软交换是一种支持开放标准的软件系统，能够基于开放的 计算平台完成分布式的通信控制功能，并具有传统的t d m 电路交换机的业务功能。 软交换网络的主要构成实体是各种软、硬件的网络组件。软交换实现了一个基于软 件的交换平台，用程序实现传统交换机的控制、接续和业务处理等功能，各实体间通过 标准的协议连接和通信，便于更快地实现各类复杂的协议及更方便地提供业务。软交换 也可定义为一组a p i ( 应用程序接口) ，它桥接了i p 网络和s c n 和p s t n ，将它们连接起来， 能够处理各种分组协议和信令，使得i p 网络能够承载和传送各种多媒体数据。作为控制 层功能实体的软交换为“n g n 提供具有实时性要求的基本呼叫控制和连接控制功能。 我国信息产业部对软交换的定义【l o 】是：“软交换是网络演进及下一代分组网络的核心设 备之一，它独立于传送网络，主要完成呼叫控制、资源分配、协议处理、路由、认证、 计费等功能，同时可以向用户提供现有电路交换机所能提供的所有业务，并向第三方提 供可编程能力 。软交换是“n g n 的核心，是s c n 与i p 网的协调中心，通过对各种媒 体网关的控制实现不同网络之间的业务层融合。 2 1 1 软交换的功能 软交换是下一代网络的控制功能实体，为下一代网络提供具有实时性要求的业务的 呼叫控制和连接控制功能，是下一代网络呼叫与控制的核心。简单地看，软交换所完成 的功能相当于原有交换机所提供的功能。软交换是实现传统程控交换机的“呼叫控制 8 2 系统主要技术和协议分析 功能的实体，但传统的“呼叫控制 功能是和业务结合在一起的，不同的业务所需要的 呼叫控制功能不同，而软交换则是与业务无关的，这要求软交换提供的呼叫控制功能是 各种业务的基本呼叫控制1 1 2 1 。 具体而言，软交换主要完成以下功能： 媒体网关控制功能 该功能可以认为是一种适配功能，它可以连接各种媒体网关，如p s n 叭s d n 中继媒 体网关、a t m 中继媒体网关、用户媒体网关、无线媒体网关、数据媒体网关等，完成 h 2 4 8 协议功能。同时还可以直接与h 3 2 3 终端和s i p 客户终端进行连接，提供相应业务。 呼叫控制功能 呼叫控制功能是软交换的重要功能之一，它完成基本呼叫的建立、维持和释放提供 控制功能，包括呼叫处理、翻译和选路、连接控制、智能呼叫触发检出和资源控制等， 可以说软交换是整个n g n 网络的灵魂。 业务交换功能 所谓业务交换功能就是识别智能网呼叫，并把它上报给业务控制功能s c f ( s e r v i c e c o n t r o lf u n c t i o n ) ，最终由s c f 控制整个呼叫，从而保证软交换网络内的用户享用现有智 能业务。s c f 的主要功能是提供对智能业务进行逻辑控制的业务逻辑，处理与业务有关 的行为。业务交换功能与呼叫控制功能相结合提供了呼叫控制功能和业务控制功能之间 进行通信所要求的一组功能，它主要包括：业务控制触发的识别以及与s c f 间的通信、 管理呼叫控制功能和s c f 之间的信令、按要求修改呼u q 连接处理功能、在s c f 控制下处 理智能网业务请求、业务交互作用管理。 业务提供功能 网络发展的根本目的是提供业务。下一代网络是业务驱动的网络，软交换的引入主 要是提供控制功能，而应用服务器则是下一代网络业务支撑环境的主体，也是业务提供、 开发和管理的核心，从这个角度来看，下一代网络是以软交换设备和应用服务器为核心 的网络。软交换的业务提供功能应主要体现在可以与第三方合作，提供多种增值业务和 智能业务。这样不仅增加了服务的种类，而且加快了服务应用的速度。 信令互通功能 软交换为n g n 的控制中心，软交换可以通过一定的协议与外部实体如媒体网关、应 用服务器、s c p 、媒体服务器、多媒体服务器、策略服务器、信令网关、其它软交换进 行交互，n g n 系统内部各实体协同运作来完成各种复杂业务。 操作维护功能 操作维护系统是软交换设备中负责系统的管理和操作维护的部分，是用户使用、配 置、管理、监视软交换设备的工具集合。软交换应可以支持s n m p ( s i m p l en e t w o r k m a n a g e m e mp r o t o c 0 1 ) 协议配置、脱机在线配置、远程配置、提供数据备份功能、提供 9 西安科技大学硕士学位论文 命令行和图形界面两种方式对整机数据进行配置、提供数据升级功能等。 计费功能 软交换具有根据计费对象进行计费和信息采集的功能，并负责将采集信息送往计费 中心。对智能业务的计费，主要是s c p ( s e r v i c ec o n t r o lp o i n t ) 决定是否计费、计费类别 及计费相关信息，但记录由软交换生成。当呼叫结束后，软交换将详细计费信息送往计 费中心，将与分摊相关的信息送至r j s c p ， 扫s c p 送往s m p ( s e r v i c em a g e m e n tp o i n t ) ，再送 到结算中心，由结算中心进行分摊。在软交换中应有计费类别与具体的费率值的对应表。 2 1 2 软交换技术特点 软交换它是一个网络解决方案，其定义了网元之间的标准接口。它是一个分布式和 集中式相结合的解决方案，采用分层的体系结构，与网络的垂直分割相适配，支持网络 演进新技术的引入【1 3 】。其主要特点有： 开放性。各网络组件间均采用标准协议，因此各组件间既能独立发展又能有机组 合，实现互连互通。 高效灵活。软交换体系结构的最大优势在于将应用层、控制层与核心网络分开， 有利于快速、有效、灵活地引入新业务，大大缩短业务开发周期。利用该体系架构，用 户可以非常灵活地享受所提供的业务和应用。 多用户。软交换设计思想迎合了三网合一的大趋势。模拟、数字、数据、m 用户 等都可共享软变换提供的业务。 强大的业务功能。软交换利用标准的全开放应用平台提供新业务和定制业务，以 满足用户的综合业务需求。 灵活的网络方案。可采用分布、集中等多种组网方案。 2 1 3 软交换的网络体系结构 国际软交换联盟i s c 提出基于软交换技术的网络分层结构4 个层面组成【1 2 】【1 4 】。如图 2 1 所示。 1 ) 接入层 接入层包括各种接入网关、中继网关、无线接入网关、智能终端以及与处理媒体有 关的媒体服务器和多点处理器( m p ) 。各类网关和智能终端主要实现媒体流格式的转换和 传送，实现语音分组在分组网的承载和传输。媒体资源服务器用于向用户提供丰富的信 号音以及多方会话功能。m p 是基于h 3 2 3 的视频会议系统中实现混音和视频混合等多媒 体会议媒体处理功能的设备，该设备用于向n g n 网络内的h 3 2 3 视频终端提供视频会议 业务。 1 0 2 系统主要技术和协议分析 业务层 控制层 传输层 接入层 p a r i ，a y 应用服务器应用服务器 s c f 媒体服务器 核心软交换设备 ii 核心软交换设备 ( 核心传输网络c p 网， 二 信令网关 中继网关无线接入网关接入网关智能终端 图2 1 基于软交换的网络分层结构 2 ) 传输层 基于i p 分组交互技术，负责将软交换网络内包括信令流和媒体流在内的所有信息从 源端到目的地端的传递。另外，传输层还负责带内信令和直接方式信令的物理终接，并 将其转送至控制层。 3 ) 控制层 控制层是n g n 网络的核心，主要包括软交换设备、信令网关和多点处理器。软交换 设备是呼叫控制的核心，主要完成呼叫连接的建立和释放，以及媒体网关接入功能、媒 体网关资源管理、带宽管理、选路、信令互通和安全管理等功能。信令网关则实现将传 统n o 7 信令网信令适配成i p 网传送的s i g t r a n 信令的功能。m c 是基于h 3 2 3 的视频会议 系统中实现会议控制和管理功能的实体。 4 ) 业务层 业务层提供n g n 网络业务的控制、逻辑和执行。主要包括应用服务器、第三方应用 接口和业务生成环境s c f 等。该业务层通过开放的业务层接口向用户提供传统智能网业 务、多样化的第三方业务和增值业务，同时该层面还提供认证、计费、网管功能。基于 软交换技术的混合网络采用分层、开放的体系结构，使上层业务与底层的异构网络无关， 体现了业务驱动的理念，为实现多网融合和灵活的业务提供创造了条件。 2 2 软交换网络协议 2 2 1s i p 协议 会话发起协议( s e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c o l ，s i p ) 由i n t e m e t i 作组i e t p 提出并主持研究 的一个在i p 网络上进行多媒体通信的应用层控制协议。根据i e t fr f c 3 2 6 1 的定义，s i p 协议是一种新型的用于信令、在线状态和即时消息通信的协议。它可以用来在i n t e m e t 西安科技大学硕士学位论文 上建立、修改、和终止多媒体会话( 或者会议) 。s i p 也可以邀请参与者参加已经存在的 会话，比如多方会议。媒体可以在一个已经存在的会话中方便的增加( 或者删除) 。s i p 显示的支持名字映射和重定向服务，这个用于支持个人移动业务一用户可以使用一个唯 一的外部标志而不用关系他们的实际网络地点【1 6 l 【1 7 1 。 s i p 协议是信令协议，而非承载协议。s i p 在建立和维持终止多媒体会话协议上，支 持5 个方面的功能： 定位终端：s i p 通过注册让其他终端知道自己的位置、监听端口、自己的u r i 等 信息。 呼叫终端：s i p 电话可以利用s i p 消息发起其他s i p 电话、p s t n 固网电话。 交换媒体信息：在会话之前，交换媒体信息，检查媒体和媒体的参数。 建立会话：建立会话参数在呼叫方和被叫方。 会话管理：包括发送和终止会话，修改会话参数，激活服务等等。 s i p 是分层结构协议。其逻辑层次结构如图2 2 所示。 t r a n s a c t i o nu s e rl a y e r ( 事务用户层) t r a n s a c t i o nl a y e r ( 事务层) t r a n s p o r tl a y e r ( 传输层) s i ps y n t a xa n de n c o d i n gl a y e r ( i 吾法和编解码层) 图2 2s i p 协议分层结构 s i p 协议的最底层为语法和编解码层。s i p 消息使用a b n f 语法进行描