云端電話交換系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

盧智嘉，曹永偉，張 晶，劉曉東

（1.石家莊學(xué)院 機電學(xué)院，河北 石家莊 050035；2.宣大高速公路管理處，河北 張家口 075000）

0 引言

回望過往百年的歷史，通信對于人類社會進(jìn)步以及經(jīng)濟發(fā)展的重要性已經(jīng)不言而喻.為了節(jié)約有限的通信信道資源，交換機應(yīng)運而生.使用交換機可以在單一信道中復(fù)用多用戶的數(shù)據(jù)并進(jìn)行傳輸.伴隨著計算機技術(shù)的不斷進(jìn)步，程控交換機的容量及功能也不斷增多.對于用戶來說，每個用戶可以自定參數(shù)來滿足自己的需求.對于運營商來說，可以在后臺交換數(shù)據(jù)中進(jìn)行計費及流量控制等操作[1].就傳統(tǒng)意義上的時分復(fù)用（TDM）程控交換機而言，端局與用戶之間的線路使用銅纜連接，線路維護成本高昂.并且TDM交換機提供的業(yè)務(wù)已經(jīng)無法滿足現(xiàn)在日益增長的用戶需求，所以近年來，我國各大運營商不斷退網(wǎng)TDM交換機并將固話用戶遷移至IP多媒體子系統(tǒng)（IMS）中以促進(jìn)電視網(wǎng)、電信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)的三網(wǎng)融合[2].

在目前三網(wǎng)融合的潮流以及如今大數(shù)據(jù)時代的背景下，本設(shè)計使用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）、對象存儲（OSS）、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫服務(wù)（RDS）及內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（CDN）構(gòu)建了一個完整的電話交換服務(wù)器[3].該電話交換服務(wù)器可以通過一個在世界各地都有極低訪問延遲的數(shù)據(jù)庫來進(jìn)行交換規(guī)則的確認(rèn).在專業(yè)教學(xué)領(lǐng)域中，本設(shè)計可以為通信專業(yè)、電子專業(yè)以及計算機專業(yè)的學(xué)生分別提供一個完整的交換理論、電子設(shè)計自動化（EDA）理論以及大數(shù)據(jù)理論的研究平臺[4].在實際應(yīng)用中，本設(shè)計可以為用戶提供一個更加直觀、便捷的電話業(yè)務(wù)服務(wù).

1 系統(tǒng)方案的分析與確定

本系統(tǒng)接入層上使用傳統(tǒng)用戶線接口電路（SLIC）接入普通的模擬電話業(yè)務(wù)（POTS）固定電話；在承載控制層上使用FPGA進(jìn)行交換邏輯的控制；在會話控制層上，使用ESP8266與服務(wù)器的80端口進(jìn)行對接；在應(yīng)用層上，使用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行業(yè)務(wù)的分發(fā).通過構(gòu)建一個兩用戶（可擴展為多用戶）的交換模型，完成對整個電話交換服務(wù)器系統(tǒng)的設(shè)計[5].硬件方面，使用XZXM100型號SLIC用戶線接口電路結(jié)合MT8965脈沖編碼調(diào)制（PCM）編解碼器（CODEC）芯片將公共交換電話網(wǎng)絡(luò)（PSTN）電話機傳輸?shù)哪M信號采樣量化為PCM數(shù)字信號.使用FPGA對數(shù)字信號進(jìn)行存儲及轉(zhuǎn)發(fā)控制，并為MT8965芯片提供基本時序及同步時序，此外還可以生成不同通斷時間的25 Hz鈴流信號以及450 Hz的撥號音信號.使用MT8870芯片對PSTN電話機生成的雙音多頻（DTMF）撥號音進(jìn)行讀取，并使用ESP8266與遠(yuǎn)端服務(wù)器進(jìn)行鑒權(quán)，并通過鑒權(quán)結(jié)果控制交換核心對存儲的語音信號進(jìn)行交換.最后在遠(yuǎn)端服務(wù)器中，部署Linux系統(tǒng)下Nginx+MySQL+PHP網(wǎng)站服務(wù)器架構(gòu)（LNMP）環(huán)境對用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲[6].使用HTML5技術(shù)編寫用戶信息管理的前端界面[7]，用戶可以辦理通話業(yè)務(wù)、查詢通話記錄、完成賬戶充值等多項操作.該云端電話交換系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示.

圖1 云端電話交換系統(tǒng)組成示意圖

在圖1中，F(xiàn)PGA交換單元作為本地硬件交換核心，可以交換多個用戶之間的話音信號.在未來還可以通過接入網(wǎng)關(guān)（AG）接口連接至運營商網(wǎng)絡(luò).FPGA交換單元在語音交換時，會根據(jù)用戶的請求去上傳至業(yè)務(wù)服務(wù)器進(jìn)行鑒權(quán)及驗證.同時業(yè)務(wù)服務(wù)器開放了80端口供用戶進(jìn)行查詢業(yè)務(wù)、辦理業(yè)務(wù)及充值繳費等操作，并可以搭配OSS對象存儲及CDN分發(fā)網(wǎng)絡(luò)在全球范圍內(nèi)提供低延時的訪問體驗.

2 系統(tǒng)硬件核心及外圍電路

根據(jù)系統(tǒng)所確定的方案，對目標(biāo)方案所涉及到的 SLIC、PCM CODEC、DTMF 信號接收器、FPGA、無線網(wǎng)絡(luò)（WLAN）接入點和硬件供電電路等交換核心模塊及其外圍電路進(jìn)行介紹.

2.1 SLIC

SLIC主要完成用戶線與交換機之間的連接.其主要為用戶線提供饋電、過壓保護、振鈴、監(jiān)視、編解碼、2/4線轉(zhuǎn)換及測試7大功能.在本系統(tǒng)設(shè)計中，使用XZXM100模塊作為該電話交換器的SLIC.圖2為XZXM100模塊在本系統(tǒng)應(yīng)用中的連接原理圖.

圖2 XZXM100模塊連接原理圖

圖3 MT8965電路原理圖

圖4 MT8870電路原理圖

在圖2中，P1插槽作為用戶電話線的接口，F(xiàn)R RMSHK作為用戶電話機的監(jiān)控線，連接至FPGA交換單元.VIN VOUT作為用戶電話機的話音輸出及輸入接至PCM CODEC芯片.此外根據(jù)模擬電路常識，在引腳9和引腳10與PCM CODEC接線處串聯(lián)電容以消除兩芯片之間的串?dāng)_，并且在電源陽極和地之間并聯(lián)電容以消除諧波.

2.2 PCM CODEC

CODEC可分為硬件CODEC和軟件CODEC.CODEC混合了編碼器（ENCODE）和解碼器（DECODE）兩種設(shè)備的功能，可以對模擬音頻進(jìn)行編碼，并可將數(shù)字音頻進(jìn)行解碼.在本設(shè)計中，使用MT8965型PCM CODEC進(jìn)行數(shù)字信號及模擬信號的相互轉(zhuǎn)換.圖3為MT8965芯片在本系統(tǒng)設(shè)計中的原理圖.

在圖3中，Vref是基準(zhǔn)電壓芯片生成的基準(zhǔn)電壓，其值為2.5 V.并且在模擬地與數(shù)字地之間串聯(lián)0Ω電阻以隔離數(shù)字電路中的高頻諧波分量.原理圖中DSTi0及DSTo0為MT8965生成的一條PCM復(fù)用線，用于連接至FPGA交換單元.VIN及VOUT為話機的話音輸入及輸出端.此外，該PCM CODEC芯片還需要復(fù)雜的時序控制，所以該芯片的時序控制都交由FPGA來管理.

2.3 DTMF信號接收器

DTMF是電話機按鍵所產(chǎn)生的信號音.每一個按鍵都會產(chǎn)生兩種頻率的聲音疊加并送至聽筒及發(fā)送線路.遠(yuǎn)程交換機通過使用濾波器來隔離高頻音及低頻音再進(jìn)行比較得出用戶所撥打的號碼.本設(shè)計使用MT8870作為DTMF信號的接收器.

圖4為MT8870的電路原理圖.為使MT8870正常工作需在OSC1及OSC2引腳之間串聯(lián)一只3.5795MHz的晶振以使用比較法檢測傳入的DTMF信號.并在EsT引腳串聯(lián)一個300 kΩ的限流電阻接入VCC使信號被檢測到便可以直接輸出對應(yīng)二-十進(jìn)制代碼（BCD）碼至核心交換單元.此外，語音信號輸入端還需要增加一個100 nF的電容來隔離直流分量.

2.4 FPGA

FPGA是一種特殊的專用集成電路ASIC.在本設(shè)計中，F(xiàn)PGA主要為系統(tǒng)提供精確的時鐘信號，包括PCM CODEC芯片的2.048 MHz采樣時鐘及64 kHz的同步時鐘，以及生成25 Hz的鈴流、450 Hz的撥號音、1 s通3 s斷和0.35 s通0.35 s斷的定時信號，另外還包括串并轉(zhuǎn)換、話音存儲及交換控制等功能.由于不需要使用過多的邏輯控制門陣列及存儲內(nèi)存，所以使用入門級Altera Cyclone IV系列EP4CE6E22C8型號FPGA進(jìn)行編程控制.

2.5 WLAN接入點

本設(shè)計需要接入互聯(lián)網(wǎng)，所以需要使用網(wǎng)絡(luò)接入模塊進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)連接.比較有線與無線兩種接入方式，為了實際使用的方便，選擇無線方式接入互聯(lián)網(wǎng).通過比較各種無線網(wǎng)絡(luò)接入點硬件，決定使用ESP8266模塊接入互聯(lián)網(wǎng).該設(shè)備為Arduino平臺硬件，支持802.11協(xié)議的無線Wi-Fi傳輸[8].

圖5 交換核心符號圖

3 交換核心設(shè)計

交換核心為該硬件交換單元的心臟，其主要功能為協(xié)調(diào)其他原理模塊的工作狀態(tài)以完成諸如提供振鈴、饋入忙音、建立通話線路等操作.圖5為該交換核心的符號圖.

交換核心本質(zhì)上是一個狀態(tài)機，其中主要分為：等待摘機狀態(tài)、撥號狀態(tài)（有撥號音）、撥號狀態(tài)（無撥號音）、鑒權(quán)狀態(tài)、呼叫狀態(tài)、通話狀態(tài)、忙音狀態(tài).

在交換核心上電后核心開始監(jiān)視用戶線路的用戶摘掛機狀態(tài)，當(dāng)有用戶摘機后，交換核心返回?fù)芴栆舨㈤_始進(jìn)行收號工作，在收到來自該摘機用戶的DTMF的信號后停止話音線路中的撥號音傳送.當(dāng)完成3位的DTMF信號的傳入后，交換核心使用鑒權(quán)核心連接到數(shù)據(jù)庫進(jìn)行鑒權(quán)，若鑒權(quán)通過則向被叫用戶振鈴并向主叫用戶發(fā)送呼叫音；若鑒權(quán)失敗則返回忙音.當(dāng)交換核心檢測到被叫方摘機時，交換核心進(jìn)入通話狀態(tài)，控制兩用戶進(jìn)入通話狀態(tài).待有一方用戶掛機后，向另一用戶饋入忙音，并等待所有用戶掛機來完成一組通話的流程.圖6為該交換核心的工作流程圖.

該部分采用超高速集成電路（VHDL）語言描述.本核心通過控制不同狀態(tài)下的波形發(fā)生器、鈴流控制器、撥號音控制器、串并轉(zhuǎn)換器、PCM CODEC時序控制核心、隨機存儲器（RAM）等器件的工作共同完成了交換機的硬件交換功能.

鑒權(quán)核心為一枚ESP8266模塊.該模塊通過讀取當(dāng)前FPGA交換核心中狀態(tài)機的狀態(tài)，并完成收號、鑒權(quán)及鑒權(quán)結(jié)果返回.該模組運行802.11協(xié)議，支持TCP/IP，可以與遠(yuǎn)端服務(wù)器進(jìn)行HTTP請求.

該硬件系統(tǒng)鑒權(quán)原理為：ESP8266通過讀取MT8870芯片的收號結(jié)果，將讀取到的3位號碼編入請求鏈接中，并將該鏈接包裝在應(yīng)用層的HTTP報文中以GET形式與遠(yuǎn)方服務(wù)器進(jìn)行通信，待遠(yuǎn)端服務(wù)器處理請求后便會返回至本地處理結(jié)果.ESP8266通過返回的結(jié)果返回動作至FPGA交換核心.

當(dāng)服務(wù)器返回ACCESS時，表示鑒權(quán)通過，在被叫方摘機時，ESP8266會發(fā)送記錄通話請求，將主叫方與被叫方發(fā)送至服務(wù)器.在一方掛機通話結(jié)束后，發(fā)送通話結(jié)束給服務(wù)器，以使服務(wù)器進(jìn)行話費扣繳、通話時間記錄的請求.

當(dāng)服務(wù)器返回DENY時，表示鑒權(quán)失敗.交換核心根據(jù)當(dāng)前主叫方返回忙音.

圖6 交換核心工作流程圖

4 業(yè)務(wù)分發(fā)網(wǎng)絡(luò)及服務(wù)器端設(shè)計

4.1 虛擬專用服務(wù)器（VPS）

目前主要的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器有實體服務(wù)器、傳統(tǒng)虛擬主機、VPS三種.實體服務(wù)器顧名思義其服務(wù)器擁有著獨立現(xiàn)實的硬件資源及網(wǎng)絡(luò)資源，其硬件升降配置更加自由，實現(xiàn)的業(yè)務(wù)種類最為全面.但同時，其資源并不能完全利用，在訪問的低谷時段更易造成功耗的浪費.傳統(tǒng)虛擬主機是在一臺硬件服務(wù)器上利用超線程技術(shù)將一臺服務(wù)器虛擬為多臺服務(wù)器的技術(shù).

通常，多個傳統(tǒng)虛擬主機公用內(nèi)存、中央處理器（CPU）、網(wǎng)絡(luò)等資源，同一臺硬件服務(wù)器的不同虛擬主機使用同一個IP的不同端口來加以區(qū)分，這導(dǎo)致其站點隔離性非常差.而VPS則是根據(jù)現(xiàn)有CPU虛擬化技術(shù)而開發(fā)出的新一代服務(wù)器，每一個實體服務(wù)器可以分割為多個VPS，并均配置獨立公網(wǎng)IP，用戶之間是操作系統(tǒng)級的隔離，都占資源且不會被其他用戶影響.使用VPS可以減少公司企業(yè)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備機房上的投入，并且可以在不同時期根據(jù)不同要求在VPS供應(yīng)商處自由升降服務(wù)器配置以達(dá)到最優(yōu)的速度及價格比.

在本設(shè)計中，使用Aliyun公司的彈性計算服務(wù)（ECS）型VPS，其公網(wǎng)IP為：39.106.32.111.獨立使用1核處理器、2 GB內(nèi)存及1 MB帶寬.安裝Ubuntu16.04×64操作系統(tǒng)，Linux內(nèi)核版本 linuxkernel4.6.2，php版本7.1，預(yù)裝Mysql數(shù)據(jù)庫服務(wù)及Apache HTTP服務(wù).在全球各DNS中綁定域名：http://www.sakuraspirit.info.

為了保證多地域用戶并發(fā)瀏覽官網(wǎng)及管理系統(tǒng)的速度，對網(wǎng)頁中占用帶寬較大的圖片、CSS樣式表等元素使用OSS技術(shù)和CDN來進(jìn)行分布式存儲及發(fā)放.為了提高數(shù)據(jù)庫的安全等級，使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫服務(wù)（RDS）將數(shù)據(jù)庫遷移至另一臺獨立服務(wù)器，RDS也叫做云數(shù)據(jù)庫.

4.2 RDS

RDS是一種穩(wěn)定、高效、快速的在線數(shù)據(jù)庫業(yè)務(wù).由于企業(yè)場景中龐大的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)復(fù)雜性，所以使用RDS可以更好地優(yōu)化存儲服務(wù)、提高讀寫速度及分析速度，進(jìn)一步降低了企業(yè)內(nèi)部機房的配置要求.

在本設(shè)計中，使用Vultr公司的一臺512 MB內(nèi)存的VPS模擬RDS環(huán)境.其公網(wǎng)獨立IP為144.202.6.248.

4.3 OSS

OSS是一種基于離散單元的存儲方案.這些離散單元也被稱作對象.在這種服務(wù)中，容器被稱作Bucket.在每個Bucket中不會再有傳統(tǒng)存儲中的樹狀層級結(jié)構(gòu).這些對象以其擴展數(shù)據(jù)元作為特征，每個對象都將被分配一個唯一的標(biāo)識符，使得用戶或服務(wù)器可以直接檢索對象而不必知道數(shù)據(jù)的物理地址.

在云計算中，這種方式很好地解決了文件管理中所產(chǎn)生的碎片化問題，可以很好地簡化服務(wù)器端本地存儲空間，并且由于OSS存儲空間的冗余備份機制，這些文件存儲在對象存儲服務(wù)中不僅可以保證數(shù)據(jù)的可靠性，也可以結(jié)合CDN分發(fā)網(wǎng)絡(luò)完成最快的文件讀取.

4.4 CDN

CDN是將源站內(nèi)容分發(fā)至最接近資源請求用戶的節(jié)點的一項網(wǎng)絡(luò)加速技術(shù)[9].用戶可以根據(jù)地理位置就近從一個低延遲的節(jié)點上的緩存中取得目標(biāo)服務(wù)器中的數(shù)據(jù).使用這項技術(shù)并搭配OSS對象存儲服務(wù)可以使企業(yè)用戶減少對各地機房的投資，進(jìn)一步降低網(wǎng)絡(luò)運維成本.

4.5 用戶交互界面設(shè)計（HTML5+CSS3）

HTML5為HTML的第5代版本，其最為驚艷的兩點是加入了服務(wù)器推送及CSS3特性.服務(wù)器推送技術(shù)主要體現(xiàn)在Server-Sent Events和WebSockets上，有了HTML5網(wǎng)頁服務(wù)器可以遠(yuǎn)程將內(nèi)容推送至用戶.相比上一代，網(wǎng)頁不再靜態(tài).另外，HTML5中的CSS3有著更加豐富的風(fēng)格及效果，使用單一HTML便可以將視覺效果極強的網(wǎng)頁適配至各種尺寸分辨率的設(shè)備上.

通過使用HTML5及CSS3樣式表，用戶交互界面將更加絢麗多彩.并且用戶瀏覽器可以讀取CSS樣式表文件來根據(jù)自身設(shè)備分辨率來將各項組件分配至不同的頁面區(qū)域，使得網(wǎng)頁不僅可以在電腦端適應(yīng)鼠標(biāo)的操作，也可以在手機端完美適配觸屏的操作.圖7為本系統(tǒng)設(shè)計主頁.

圖7 系統(tǒng)主頁設(shè)計

5 結(jié)論

使用FPGA+ESP8266+VPS+OSS+CDN技術(shù)，成功地設(shè)計實現(xiàn)了一個完整的云端電話交換系統(tǒng).在這個交換系統(tǒng)中，電話用戶之間根據(jù)保存在云端服務(wù)器中的用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行交換規(guī)則的確立.并且對于每一個用戶都擁有自己的單獨的賬號和密碼，可以在網(wǎng)頁端進(jìn)行業(yè)務(wù)的調(diào)整更改和通話記錄的查詢.通過實際調(diào)試，成功地實現(xiàn)了一個小型的電話交換系統(tǒng)的基本功能.在未來，本設(shè)計還有很大的完善空間，諸如增加AG接口連接至目前的IMS網(wǎng)絡(luò)來跟隨當(dāng)今時代下三網(wǎng)融合的潮流.本設(shè)計可以為企業(yè)用戶提供一個更加廉價、穩(wěn)定、不間斷的云端電話業(yè)務(wù)服務(wù).