通信綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)*

陰法明 ，包永強(qiáng)，石 雷

(1.南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京 210046;2.南京工程學(xué)院通信工程學(xué)院，南京 211167;3.華為技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518129)

目前通信技術(shù)發(fā)展日新月異，電信設(shè)備繁多而且更新?lián)Q代較快，實(shí)訓(xùn)設(shè)備的采購和升級對于高等院校以及各大公司的員工培訓(xùn)來說是一筆不小的費(fèi)用支出，因此具有廣闊的市場前景。面向?qū)嶋H崗位技能的培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)(訓(xùn))系統(tǒng)一般有以下要求:①實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的實(shí)用性。要根據(jù)受培訓(xùn)人員未來的工作崗位出發(fā)來制定，使他們經(jīng)過實(shí)踐，不僅能驗(yàn)證相關(guān)的理論知識，還能學(xué)習(xí)到實(shí)際崗位需要的技能，經(jīng)過簡單的培訓(xùn)即可從事相關(guān)崗位工作。②實(shí)訓(xùn)設(shè)備的合理性。為了更好的培養(yǎng)學(xué)員的應(yīng)用能力，實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)采用產(chǎn)業(yè)鏈中在網(wǎng)的設(shè)備和技術(shù)，確保技術(shù)不落伍，設(shè)備不過時。③實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的低成本。在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，實(shí)訓(xùn)設(shè)備必須不斷更新才能滿足教學(xué)要求，這對于高等院校等培訓(xùn)單位來講是一個不小的負(fù)擔(dān)，所以實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)低成本顯得非常重要。

本文根據(jù)以上問題提出一種面向高等院校以及通信類大公司的通信專業(yè)技能的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計方案，該系統(tǒng)全部采用現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備，可開展豐富的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，而且成本較低。

1 通信綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

本系統(tǒng)涵蓋了現(xiàn)代電信網(wǎng)絡(luò)的主要節(jié)點(diǎn)，包括程控交換、軟交換、光纖傳輸、接入網(wǎng)、移動通信等節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以通過承載網(wǎng)與其他節(jié)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)組成小型通信網(wǎng)絡(luò)。

1.1 程控交換實(shí)驗(yàn)?zāi)K

程控交換機(jī)的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

控制部分包括中央處理器(CPU)、存儲器和輸入/輸出設(shè)備;話路部分由交換網(wǎng)絡(luò)、出/入中繼器、用戶電路等組成;交換網(wǎng)絡(luò)可以是各種接線器(如縱橫接線器、編碼接線器等)，也可以是電子形狀矩陣(電子接線器)。交換網(wǎng)絡(luò)可以是模擬空分的，也可以是數(shù)字時分的，并由CPU 發(fā)送控制命令驅(qū)動;出中繼器和入中繼器是和中繼線相連的接口電路(中繼線用于互聯(lián)交換機(jī))，傳輸交換機(jī)之間的各種通信信號，也可以監(jiān)視局間通話話路的狀態(tài)。

圖1 程控交換機(jī)的基本結(jié)構(gòu)框圖

用戶電路是每個用戶獨(dú)用的設(shè)備，包括用戶狀態(tài)的監(jiān)視和與用戶有關(guān)的功能。在電子交換機(jī)，尤其在數(shù)字交換機(jī)中，加強(qiáng)了用戶電路的功能。圖1中所示的話路部分包括交換網(wǎng)絡(luò)、中繼器、用戶電路以及信號設(shè)備，且都受控制部分的中央處理器控制。所以說程控交換機(jī)實(shí)質(zhì)上是數(shù)字電子計算機(jī)控制的電話交換機(jī)。

1.2 接入技術(shù)實(shí)驗(yàn)?zāi)K

無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)技術(shù)是為了支持點(diǎn)到多點(diǎn)應(yīng)用發(fā)展起來的光纖接入技術(shù)，EPON 是基于以太網(wǎng)的無源光網(wǎng)絡(luò)。EPON 系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括光纖到戶/辦公室(FTTH/FTTO)、光纖到大樓/路邊(FTTB/FTTC)和光纖到交接箱(FTTCab)等。

EPON 采用單纖波分復(fù)用技術(shù)(下行1 490 nm，上行1 310 nm)，下行數(shù)據(jù)流采用廣播技術(shù)，上行數(shù)據(jù)流采用TDMA 技術(shù)。OLT至ONU 間只需一根光纖，局端至用戶端傳輸距離可達(dá)20 km。EPON 具有同時傳輸語音、IP 數(shù)據(jù)和視頻廣播的能力，其中語音和IP數(shù)據(jù)采用IEEE802.3 以太網(wǎng)幀格式進(jìn)行傳輸，OLT 下行PON 口可提供最大帶寬為1 000 Mbit/s，通過擴(kuò)展第3個波長(通常為1 550 nm)還可實(shí)現(xiàn)視頻廣播傳輸業(yè)務(wù)。

EPON 系統(tǒng)包括局端設(shè)備(包括:光線路終端OLT(Optical Line Terminal)、無源光分配網(wǎng)絡(luò)ODN(Optical Distribute Network))和用戶端設(shè)備(包括:光網(wǎng)絡(luò)單元ONU(Optical Network Unit)、光網(wǎng)絡(luò)終端ONT(Optical Network Terminal))。

OLT 提供語音、數(shù)據(jù)、視頻業(yè)務(wù)網(wǎng)路的互聯(lián)接口，并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理的主要功能。ONU/ONT 負(fù)責(zé)向終端用戶提供所需的業(yè)務(wù)接口。ODN 負(fù)責(zé)連通OLT 與所屬的ONU，為OLT 與ONU 之間提供光傳輸手段，其主要功能是完成光信號功率的分配。ODN 由用戶光纜、無源光分路器、光交接設(shè)備、光分纖設(shè)備和光纜接頭及用戶終端盒組成。

用戶光纜按用途分為主干光纜、配線光纜、室外用戶引入光纜、室內(nèi)用戶引入光纜。主干光纜OLT 到光交接設(shè)備之間的光纜;配線光纜 從光交設(shè)備到各光分纖設(shè)備之間的光纜;用戶引入光纜從光分纖設(shè)備到用戶終端盒的光纜;無源光分路器

從一根光纖中分出若干條光路的設(shè)備;光交接設(shè)備 用于光纜間交接配線設(shè)備;光分纖設(shè)備 用于光纜分纖的設(shè)備;光纜用戶終端盒 用于用戶引入光纜終端的設(shè)備。

圖2 ODN 通用物理配置模型

1.3 光纖通信模塊

所謂光纖通信，就是利用光纖來傳輸攜帶信息的光波以達(dá)到通信之目的。要使光波成為攜帶信息的載體，必須在發(fā)射端對其進(jìn)行調(diào)制，而在接收端把信息從光波中檢測出來(解調(diào))。依目前技術(shù)水平，大部分采用強(qiáng)度調(diào)制與直接檢測方式(IM-DD)。典型的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)方框圖如圖3所示。

圖3 數(shù)字光纖通信系統(tǒng)

從圖3 可以看出，數(shù)字光纖通信系統(tǒng)基本上由光發(fā)射機(jī)、光纖與光接收機(jī)組成。在發(fā)射端，電端機(jī)把模擬信息(如話音)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，用轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號去調(diào)制發(fā)射機(jī)中的光源器件(一般是半導(dǎo)體激光器LD)，則光源器件就會發(fā)出攜帶信息的光波。如當(dāng)數(shù)字信號為“1”時，光源器件發(fā)射一個“傳號”光脈沖;當(dāng)數(shù)字信號為“0”時，光源器件發(fā)射一個“空號”(不發(fā)光)。光波經(jīng)光纖傳輸后到達(dá)接收端。在接收端，光接收機(jī)把數(shù)字信號從光波中檢測出來送給電端機(jī)，而電端機(jī)再進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換，恢復(fù)成原來的模擬信息。就這樣完成了一次通信的全過程。

目前電信網(wǎng)中的大容量骨干傳輸網(wǎng)普遍采用以SDH為代表的光通信網(wǎng)絡(luò)。它的優(yōu)點(diǎn)在于頻帶寬，通信容量大;損耗低，中繼距離長;抗電磁干擾;無串音干擾，保密性好;光纖線徑細(xì)、重量輕、柔軟;光纖的原材料資源豐富，用光纖可節(jié)約金屬材料等。

1.4 軟交換實(shí)驗(yàn)?zāi)K

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，通信網(wǎng)的發(fā)展呈現(xiàn)出寬帶化、IP 化、移動化的發(fā)展趨勢。各種接入網(wǎng)、移動網(wǎng)、幀中繼網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)等新型網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展促使呼叫控制與承載連接進(jìn)一步分離，并對所有媒體流提供統(tǒng)一的傳送平臺。NGN 提出將網(wǎng)絡(luò)功能從縱向分成業(yè)務(wù)層、控制層、傳送層和接入層4 層，控制層的核心功能實(shí)體就是軟交換。

軟交換技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)電信網(wǎng)的“硬”交換或PSTN(Public Switched Telephone Network:公共交換電話網(wǎng))，是基于包交換網(wǎng)絡(luò)(主要指IP 網(wǎng))，以軟件來實(shí)現(xiàn)交換與呼叫控制管理的一門新的電信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是NGN 的核心。我國信息產(chǎn)業(yè)部電信傳輸研究所對軟交換的定義是:“軟交換是網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)以及下一代分組網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備之一，它獨(dú)立于傳輸網(wǎng)絡(luò)，主要完成呼叫控制、資源分配、協(xié)議處理、路由、認(rèn)證、計費(fèi)等主要功能，同時還可以向用戶提供現(xiàn)有電路交換機(jī)所能提供的所有業(yè)務(wù)，并向第3 方提供可編程能力?！?/p>

IPPBX 電話交換機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)計算機(jī)網(wǎng)與電話交換機(jī)的功能合一，將會在二十一世紀(jì)的通信業(yè)中起著重要的作用。IPPBX 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)各電話終端采用IP 方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，不僅能進(jìn)行通話，還能實(shí)現(xiàn)文本、數(shù)據(jù)、圖像的傳輸，將電話網(wǎng)和計算機(jī)網(wǎng)統(tǒng)一成一個整體，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)的電子辦公。如圖4所示，IPPBX 支持各種模擬終端和數(shù)字終端，并能夠方便地實(shí)現(xiàn)話務(wù)臺和網(wǎng)管等功能。

圖4 IPPXB 系統(tǒng)概述圖

1.5 IPPBX 系統(tǒng)組成

本實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計的IPPBX 系統(tǒng)主要由4個部分組成:①PBX 智能軟件部分;②模擬站網(wǎng)關(guān);③模擬中繼網(wǎng)關(guān);④數(shù)字中繼網(wǎng)關(guān)，如圖5所示。

圖5 IPPBX 系統(tǒng)組成

1.6 移動通信實(shí)驗(yàn)?zāi)K

移動通信系統(tǒng)主要有蜂窩系統(tǒng)(GSM)，集群系統(tǒng)，AdHoc 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，衛(wèi)星通信系統(tǒng)，分組無線網(wǎng)，無繩電話系統(tǒng)，無線電傳呼系統(tǒng)等。

蜂窩系統(tǒng)是覆蓋范圍最廣的陸地公用移動通信系統(tǒng)。在蜂窩系統(tǒng)中，覆蓋區(qū)域一般被劃分為類似蜂窩的多個小區(qū)。每個小區(qū)內(nèi)設(shè)置固定的基站，為用戶提供接入和信息轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)。移動用戶之間以及移動用戶和非移動用戶之間的通信均需通過基站進(jìn)行?；緞t一般通過有線線路連接到主要由交換機(jī)構(gòu)成的骨干交換網(wǎng)絡(luò)。蜂窩系統(tǒng)是一種有連接網(wǎng)絡(luò)，一旦一個信道被分配給某個用戶，通常此信道可一直被此用戶使用。蜂窩系統(tǒng)一般用于語音通信。

移動通信系統(tǒng)是目前應(yīng)用最為廣泛的通信體制，移動通信系統(tǒng)是由3個部分組成，分別為移動臺、基站子系統(tǒng)(BSS)和網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)(NSS)，如圖6所示。移動臺(MS)就是移動用戶設(shè)備部分，功能實(shí)體可分為以下2個主要部分:①移動終端，就是通常所說的“手機(jī)”，它可以完成話音編碼、信道編碼/譯碼、信息加密/解密、信息調(diào)制/解調(diào)、信息發(fā)送/接收等。②用戶識別卡(SIM)，就是用戶“身份卡”，存有認(rèn)證用戶所需要的所有信息，并能執(zhí)行一些與安全保密有關(guān)的重要信息處理，防止非法用戶進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。

圖6 移動通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組成

基站子系統(tǒng)(BSS)在一定的無線覆蓋區(qū)域內(nèi)由MSC 控制，與MS 進(jìn)行通信的系統(tǒng)設(shè)備，它主要負(fù)責(zé)完成無線發(fā)送接收和無線資源管理等功能。功能實(shí)體可分為以下2個主要部分:①基站控制器(BSC)，具有對一個或多個BTS 進(jìn)行控制的功能，它主要負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)資源的管理、小區(qū)配置數(shù)據(jù)管理、功率控制、定位和切換等。②基站收發(fā)信機(jī)(BTS)，無線接口設(shè)備，它完全由BSC 控制，主要負(fù)責(zé)無線傳輸，完成無線與有線的轉(zhuǎn)換、無線分集、編碼調(diào)制、無線信道加密、跳頻等。

網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)(NSS)負(fù)責(zé)管理GSM 移動用戶之間的通信以及移動用戶與其它網(wǎng)絡(luò)(如有限電話網(wǎng))之間的通信。NSS 由多個功能實(shí)體構(gòu)成:①移動交換中心(MSC)，是系統(tǒng)的核心，是對它所在覆蓋區(qū)內(nèi)移動臺進(jìn)行控制和完成話路交換的功能實(shí)體，也是移動通信系統(tǒng)與其它公用通信網(wǎng)之間的接口。②訪問位置寄存器(VLR)，是一個數(shù)據(jù)庫，是儲存MSC為了處理所管轄區(qū)域內(nèi)來訪MS 的來話、去話呼叫所需檢索的信息，比如用戶號碼、所處位置、向用戶提供的服務(wù)等。③歸屬位置寄存器(HLR)，也是一個數(shù)據(jù)庫，是儲存管理部門用于移動用戶管理的數(shù)據(jù)，是GSM 系統(tǒng)的中央數(shù)據(jù)庫，存儲并管理移動用戶號碼、用戶類別、訪問能力及漫游時的信息等。④鑒權(quán)中心(AUC)，用于產(chǎn)生用戶鑒權(quán)、加密所需三參數(shù)(隨機(jī)號碼RAND、符合響應(yīng)SRES、密鑰Kc)的功能實(shí)體，用于對移動用戶鑒權(quán)并對通信的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密等。⑤移動設(shè)備識別寄存器(EIR)，也是一個數(shù)據(jù)庫，用于儲存移動臺設(shè)備參數(shù)的，用于識別網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備是合法設(shè)備還是禁用的非法設(shè)備。⑥操作維護(hù)中心(OMC)，負(fù)責(zé)對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控，如設(shè)備自檢、報警、故障診斷、話務(wù)量的統(tǒng)計及各種網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的收集、分析等。

2 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目

本綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，秉承“從工作崗位出發(fā)，以職業(yè)能力為核心”的原則，可以開發(fā)眾多的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目可以分為兩大類，各模塊內(nèi)部的實(shí)訓(xùn)和模塊之間互聯(lián)互通的實(shí)訓(xùn)。實(shí)訓(xùn)的安排遵循“從局部到整體，從硬件到軟件，從易到難”的原則。先學(xué)習(xí)各個模塊的理論技能，最后實(shí)現(xiàn)模塊的互聯(lián)實(shí)訓(xùn)，每一個模塊先進(jìn)行硬件和組網(wǎng)的實(shí)訓(xùn)，然后開展網(wǎng)管配置，循序漸進(jìn)由易到難開展實(shí)訓(xùn)。

以程控交換模塊為例，首先安排“程控電話組網(wǎng)與設(shè)備安裝”實(shí)訓(xùn)，包括電話組網(wǎng)的原理與設(shè)計，交換機(jī)設(shè)備的安裝，雙絞線的卡線與水晶頭制作等內(nèi)容。通過這個實(shí)訓(xùn)，讓學(xué)員從整體上認(rèn)識電話網(wǎng)的組成，掌握硬件的原理與安裝方法。

然后安排“網(wǎng)管聯(lián)機(jī)與程控基本配置”，讓學(xué)員了解網(wǎng)管的基本操作和程控交換基本業(yè)務(wù)的配置方法，通過實(shí)訓(xùn)，學(xué)員對網(wǎng)管有了基本的了解，并能配置實(shí)現(xiàn)本局電話的放號與互通。

再通過“中繼配置”實(shí)訓(xùn)，讓學(xué)員進(jìn)階掌握E1中繼業(yè)務(wù)的配置方法，實(shí)現(xiàn)局間通話功能。

最后，通過“典型故障處理與調(diào)試”使得學(xué)員在前面實(shí)訓(xùn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增強(qiáng)分析和解決故障的能力。

各模塊學(xué)完之后，開展程控交換與軟交換、移動通信模塊的互通實(shí)訓(xùn)，使學(xué)員對電信網(wǎng)整體的通信流程有較深刻的體會。部分典型的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目如表1所示。

表1 典型實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目

3 綜合實(shí)驗(yàn)典型示例

本系統(tǒng)可根據(jù)需求開發(fā)多個難度不同的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，下面以軟交換和移動通信兩個模塊的對接為例來介紹典型的實(shí)訓(xùn)過程。本實(shí)訓(xùn)通過軟交換側(cè)和移動通信側(cè)的配置，利用SIP 協(xié)議中繼對接，實(shí)現(xiàn)所屬終端之間的呼叫。軟交換地址IP 地址是192.168.1.111，移動通信設(shè)備是192.168.100.100。主要實(shí)訓(xùn)步驟如下:

(1)準(zhǔn)備工作 軟交換側(cè)的SIP 話機(jī)能夠正常注冊，并能打通本局的電話;移動通信側(cè)的手機(jī)能夠打通本側(cè)的其它手機(jī);雙方已經(jīng)通過光纖通信平臺連接，并能夠ping 通對方。

(2)軟交換側(cè)中繼對接配置 配置對端的IP地址，SIP 端口號，語音壓縮算法等。

(3)軟交換側(cè)號碼分析配置 使得本局話機(jī)撥打?qū)Χ颂柎a時，通過第2 步配置的SIP 中繼出局，并能處理對端的入中繼呼叫。

(4)移動通信側(cè)中繼配置 增加中繼，并配置出中繼和入中繼的參數(shù)，建立了一個名為“111－peer”的類型為“type”的中繼。

(5)移動通信側(cè)路由配置 首先建立一個新的路由“111－dial－2xxx”，添加撥號模式“2XXX”，并選擇第4步配置的中繼“SIP/111－peer”，則移動側(cè)撥打2 開頭的號碼時，會通過中繼“SIP/111－peer”到達(dá)對方。

(6)電話撥打測試，并進(jìn)行SIP 信令跟蹤分析。

總的來說，本文提出的通信綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):

(1)低成本，易建設(shè) 本方案沒有采用大型電信設(shè)備，全部采用市場上應(yīng)用較廣的企業(yè)用的小型設(shè)備，雖然成本較低、結(jié)構(gòu)簡單，但是功能全面，系統(tǒng)建設(shè)難度低、周期短。

(2)功能豐富，易升級 本方案包含五大實(shí)訓(xùn)模塊，可以提供豐富的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。模塊之間既互聯(lián)互通又相互獨(dú)立，每個模塊都可以根據(jù)技術(shù)發(fā)展單獨(dú)升級，不影響其他模塊。

(3)技術(shù)新穎，可擴(kuò)展 本方案不僅包含EPON、軟交換等新技術(shù)，還可以方便的擴(kuò)展數(shù)據(jù)、3G 等通信模塊。

4 結(jié)束語

本文提出了一個通信綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計方案，該方案設(shè)計的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)以較低的成本、簡單的架構(gòu)提供了豐富的實(shí)訓(xùn)資源，五大模塊互聯(lián)互通真實(shí)模擬了電信網(wǎng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)，能很好的滿足大中專院校以及通信類大公司的專業(yè)技能的實(shí)訓(xùn)需要。

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