Nghiên cứu thiết kế tổng đài IP dung lượng nhỏ hỗ trợ kết nối IP-TDM

Quá trình thay thé và chuyểnđổi từng bước về công nghệ tông đài đã dẫn đến việc phải quá độ, tồn tại đồng thời cả 2 nềntảng công nghệ tổng đài TDM và chuyên mạch mềm trên cùng một hệ thố

PHẠM VĂN THÁI

NGHIÊN CUU THIET KE TONG DAI IP DUNG LƯỢNG NHỎ

HO TRG KET NOI IP-TDM

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông

Mã số: 8.52.02.08

TÓM TÁT ĐÈ ÁN TÓT NGHIỆP THẠC SĨ

Đề án tốt nghiệp được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Tiến Ban

Phản biện Ì: c0 0000200200220 21 2n nh nh vn na

Phản biện 2: e eee cent cent eens teense teats eeeteeneeenaeeeees

Dé án tốt nghiệp sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm đề án tốt nghiệp thạc sĩ tại Học

viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: gIỜ ngày thang năm

Có thể tìm hiểu đề án tốt nghiệp tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông.

MỞ ĐẦU

Sự thay đổi nhanh chóng về công nghệ mà điền hình là tổng dai IP hay chuyển mạchmềm (Softswitch) đã giúp thu hẹp đáng ké số lượng va qui mô triển khai dịch vụ điện thoại códay sử dụng công nghệ chuyên mạch kênh TDM (Time Division Multiplexing) dé thay thế bangcông nghệ chuyền mạch mềm với nhiều đặc điểm vượt trội hơn Quá trình thay thé và chuyểnđổi từng bước về công nghệ tông đài đã dẫn đến việc phải quá độ, tồn tại đồng thời cả 2 nềntảng công nghệ tổng đài TDM và chuyên mạch mềm trên cùng một hệ thống mạng, kết quả là

sự ra đời của các thiết bị có chức năng chuyên đôi kết nối 2 chiều từ trung kế IP sang trung kế

EI Thiết bị này được tích hợp đồng thời cả 2 công nghệ TDM và chuyển mạch Chuyên mạchmềm dé thực hiện chức năng bắc cầu, kết nối giữa một bên là tổng đài TDM sử dụng kết nốitrung kế E1 và một bên là Softswitch sử dụng kết nối trung kế IP Từ nhu cầu đó, em lựa chọn

đề tài “Nghiên cứu thiết kế tông đài IP dung lượng nhỏ hỗ trợ kết nối IP-TDM” làm đề tàinghiên cứu cho đề án của mình

Từ thực trạng đó, đề án tập trung nghiên cứu giải pháp thiết kế và chế tạo thiết bị tổngđài IP dung lượng nhỏ, hỗ trợ kết nối IP-TDM Giải pháp được chọn ở đây là thiết kế phầncứng TDM kết hợp bo mạch phần cứng máy tính công nghiệp, ứng dụng phần mềm mã nguồn

mở Asterisk và trình điều khiển phần cứng Asterisk của Digium (DAHDI) để xây dựng phancứng và chương trình phần mềm trong quá trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và thử nghiệmthiết bị

CHUONG 1: GIỚI THIỆU PHAN MEM TONG DAI IP MÃ

NGUON MO VA CAC UNG DUNG

1.1 Khai quat về sự phát triển, các đặc điểm, tính năng của tông đài IP ma

nguồn mở

1.1.1 Sự phát triển của tong đài IP mã nguồn mở

Tổng đài IP mã nguồn mở là một phiên bản phần mềm tông đài IP có mã nguồn mở [1],cho phép người dùng tùy chỉnh và phát triển theo từng nhu cầu cụ thể

Các dự án mã nguồn mở đầu tiên trong lĩnh vực tông đài IP xuất hiện vào cuối nhữngnăm 1990 mà trong đó nổi bật nhất là Asterisk [1,5] - một tổng đài IP mã nguồn mở đầutiên, được phát triển bởi Mark Spencer vào năm 1999

Một trong những lợi ích chính của tổng đài IP mã nguồn mở là tính linh hoạt và khả

năng tùy chỉnh cao [6].

Tổng đài IP mã nguồn mở cũng đã ảnh hưởng đến sự phát triển của các chuẩngiao thức liên quan đến việc truyền thông âm thanh và video qua mạng IP Các chuẩn

như SIP (Session Initiation Protocol) và RTP (Real-time Transport Protocol) đã trở

thành các chuẩn quan trọng trong việc kết nối và truyền tải âm thanh va video trong

môi trường IP.

Ngoài ra, sự phát triển của tong đài IP mã nguồn mở đã mở ra cánh cửa cho sự cạnh

tranh và sự đa dạng trong ngành viễn thông.

1.1.2 Đặc diém, tinh năng chính của tong đài IP mã nguồn mở

a) Đặc điểm

Tổng đài IP mã nguồn mở là một giải pháp công nghệ quan trọng cho phép các kỹ sưVoIP thay đổi cách xây dựng va quản lý hệ thống tổng đài, nó đã trở thành một giải pháphap dẫn cho các doanh nghiệp và tổ chức trong lĩnh vực viễn thông [5, 8]

- Mã nguồn mở: Tổng đài IP mã nguồn mở được xây dựng trên mã nguồn mở, giúpngười dùng có thé tùy biến và phát triển mã nguồn theo nhu cầu

- Chuyên mạch gói: Tống đài IP mã nguồn mở có khả năng chuyển mạch gói, chophép người dùng truyền tải giọng nói và dữ liệu qua mang IP

- Hỗ trợ đa nền tảng: Tổng đài IP mã nguồn mở có thé chạy trên nhiều nền tảng hệđiều hành khác nhau, bao gồm Windows, Linux và macOS.

- Tính linh hoạt: Tổng đài IP mã nguồn mở có khả năng linh hoạt trong việc cấuhình, tùy chỉnh và mở rộng dé phù hợp với nhu cầu

- Tính tiết kiệm: Tổng đài IP mã nguồn mở sử dụng các giải pháp phần mềm miễnphí hoặc giá rẻ, giúp tiết kiệm chi phi đầu tư

- Khả năng mở rộng: Tổng đài IP mã nguồn mở có khả năng mở rộng dé đáp ứng nhucầu tăng trưởng và phục vụ cho số lượng người dùng lớn

- Tính tương thích: Tổng đài IP mã nguồn mở có khả năng tương thích nhờ hỗ trợnhiều chuẩn kết nối khác nhau, bao gồm SIP, H.323, MGCP, SCCP

- Tính bảo mật: Tổng đài IP mã nguồn mở có khả năng bảo mật tốt với các tính năng

mã hóa và chứng thực như TLS, SRTP.

- Tính linh hoạt trong việc tích hợp với các thiết bi VoIP: Tổng đài IP mã nguồn mở

có khả năng tích hợp với các thiết bi VoIP như điện thoại IP, ATA và các Gateway VoIP

b) Các tính năng chính

- Định tuyến cuộc gọi dé định tuyến cuộc gọi đến các thiết bị và ứng dụng khác nhau

- Tích hợp các giao thức truyền thông đa dạng nhờ khả năng kết nối với các thiết bịkhác thông qua nhiều giao thức truyền thông [4] như SIP, IAX, MGCP, SCCP, H.323, RTP,RTCP, và nhiều giao thức khác

- Quản lý cuộc gọi như chuyên tiếp cuộc gọi, giữ cuộc gọi, hội thoại đa bên, và chia

SẺ CUỘC goi.

- Tính năng hộp thư thoại (voicemail).

- Tính năng tương tác thoại IVR Unteractive Voice Response).

- Tính năng nhắn tin tự động SMS (Short Message Service)

- Tich hợp tính năng gọi điện thoại trên web thông qua giao thức WebRTC.

1.2 Một số ứng dụng pho biến sử dụng phần mềm tổng đài IP Asterisk

1.2.1 Khái quát về phan mềm tong đài IP Asterisk

Asterisk là một phần mềm tổng dai IP mã nguồn mở và là một trong những mô hìnhtong dai IP đáng tin cậy [12] và được sử dụng phô biến nhất hiện nay

1.2.2 Các ứng dụng pho biến sử dụng phan mềm Asterisk

Với các tính năng đa dạng và linh hoạt, phần mềm tổng đài IP Asterisk có thêđược sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau [6], [10]

- Xây dựng tổng đài điện thoại

- Tổng đài video

- Hệ thống IVR

- Kết nối giữa PSTN và IP

- Chuyển đôi giữa các giao thức truyền tải

1.3 Tìm hiểu, phân tích một số giải pháp ứng dụng phần mềm Asterisk trong thiết kế tổng đài IP hỗ trợ kết nối TDM

1.3.1 Giải pháp mã nguồn mở của Parabel

Hình 1 4: Thiết kế phan cứng bảng mach Quaser-4PCI-PC104

Sản phẩm điển hình của Parabel là bảng mạch Quaser-4PCI-PC104 có chức năngchuyên đổi kết nối trung kế từ IP báo hiệu SIP sang E1 báo hiệu R2

* Tinh năng kỹ thuật bang mạch Quaser-4PCI-PC104

Bang 1 1: Tính năng kỹ thuật bang mạch Quaser-4PCI-PC104

Tham số kỹ thuật Mô tả chỉ tiếtGiao diện kết nỗi connector ICD 10 chânCáp kết nối Cáp đôi chống nhiễu, 120 QĐiện áp luông El Từ 2,7 VAC dén 3,3 VAC

Tốc độ bit 2048 kbps + 50 ppm

Tham số kỹ thuật Mô tả chỉ tiết

Mã hóa đường dây AMI hoặc HDB3

Tiêu chuẩn đáp ứng G.703, G.704, G.706, G.732, G.823Mặt nạ xung luông E1 Chuẩn G.703

Dai jitter pha Chuan G.823Cau trúc khung dữ liệu Chuân G.704Điều khién Giao diện PCI

- Khối Core IP sử dung phần cứng máy tinh nhúng, được cai đặt phần mềm tông đài

IP mã nguồn mở Asterisk và driver điều khiển các giao tiếp trung kế El thông qua giao diệnbắc cầu PCI Bridge

- Khối DMA Controller cho phép truyền dit liệu 2 chiều vào ra (I/O) ngoại vi vớimáy tinh thông qua BUS PCI; TDM Switch thực hiện chức năng chuyên mach TDM giữacác trung kế luồng E1 và ghép tốc độ truyền dit liệu với DMA Controller

- Khối LIU & Framer có chức năng thu phát và đóng khung dé liệu theo tiêu chuẩnG.703, G.704; E1 thực hiện chức năng giao tiếp trung kế với tông đài TDM

1.3.2 Giải pháp của Open Wox

OpenVox cũng đi theo hướng ứng dụng giải pháp mã nguồn mở dựa trên phần mềmtổng dai IP Asterisk dé phát triển các sản phẩm viễn thông

Hình 1 7: Bảng mạch D-110E chuyền đối kết nối từ trung kế IP sang trung kế E1 của

OpenVox

- Trong giải pháp thiết kế các bang mach, thiết bị có tinh năng tương đương thiết biEl-Gateway, điển hình là bang mach D-110E với thiết kế cấu hình 01 giao diện kết nốiluồng EI

Bảng 1 2: Chỉ tiêu kỹ thuật bảng mạch D-110E

Tham số kỹ thuật Mô tả chỉ tiếtGiao điện kết nỗi connector PCIe-xI

Cáp kết nối Cáp đôi chống nhiễu, 120 QĐiện áp luồng El Từ 2,7 VAC đến 3,3 VAC

Tốc độ bit 2048 kbps + 50 ppm

Mã hóa đường dây AMI hoặc HDB3

Tiêu chuân đáp ứng G.703, G.704, G.706, G.732, G.823Mặt nạ xung luông E1 Chuân G.703

Cấu trúc khung dữ liệu Chuân G.704

Hình 1.8 thé hiện sơ đồ khối bảng mạch D-110E chuyền đổi trung kế El và trung kế IPcủa OpenVoX, trong đó khối xử lý chính phần cứng máy tính, được cài đặt phần mềm tông đài

IP mã nguồn mở Asterisk và driver điều khiển các giao tiếp trung kế El thông qua giao diệnbắc cầu PCle-x1

Hình 1 8: Sơ đồ khối bảng mạch D-110E

- Khối giao tiếp PCle-xI cho phép truyền dit liệu 2 chiều vào ra (I/O) ngoại vi vớimáy tính thông qua BUS PCI, chuyền đổi giao diện kết nối 2 chiều PCI và PCIe-xI

- Khối chuyển đổi PCI sang PCle-x1 thực hiện 2 chức năng: Giao tiếp dit liệu vớikhối PCle-xI và chuyển đổi dữ liệu từ PCM nối tiếp sang dữ liệu song song trên bus PCI và

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CHỈ TIỂU TÍNH NĂNG, PHƯƠNG AN

THIET KE

2.1 Xây dựng chỉ tiêu, tính năng kỹ thuật cho thiết bị tong dai IP dung lượng

nhỏ, hỗ trợ kết nối IP-TDM

2.1.1 Các căn cứ xây dựng chỉ tiêu, tinh nang kỹ thuật

Dé xây dựng chỉ tiêu và tính năng kỹ thuật Thiết bị Tổng đài IP dung lượng nhỏ, hỗ trợkết nối IP-TDM Đề án đặt ra yêu cầu và căn cứ dựa trên các đặc tính sau:

- Quy mô và nhu cầu sử dụng: khả năng cung cấp dịch vụ thoại tổng đài IP dung lượngnhỏ, dưới 50 người sử dụng, sỐ lượng cuộc gọi IP-IP đồng thời từ 20 cuộc gọi; hỗ trợ kết nối

02 trung kế El báo hiệu MFC-R2, số lượng cuộc gọi IP-TDM đồng thời từ 20 cuộc gọi

- Tính linh hoạt: Thiết bị có thé mở rộng khả năng cung cấp dịch vụ gia tăng của tôngđài IP, cho phép nâng cấp bồ sung các dịch vụ mới

- Tính tương thích: Thiết bị tổng đài IP có khả năng tương thích tối thiểu với chuẩnbáo hiệu MFC-R2 và chuẩn SIP

- Hiệu suất và độ tin cậy: Thiết bị nên đảm bảo khả năng xử lý cuộc gọi mượt mà và

ồn định, phần cứng đủ mạnh dé đáp ứng hiệu suất và nhu cầu sử dụng

- Bảo mật: Đảm bảo thiết bị có các tính năng bảo mật như mã hóa cuộc gọiTLS/SRTP dé đảm bảo an ninh thông tin trong các cuộc gọi và dữ liệu liên quan

- Giao điện người dùng: Thiết bị cần có giao diện người dùng trên Web dễ sử dụng

và thân thiện, giúp người quan trị dé dàng cau hình và quản lý

2.1.2 Chỉ tiêu, tính năng kỹ thuật thiết bị

* Chức năng: Là thiết bị chuyển đổi kết nối 2 chiều từ trung kế IP báo hiệu SIP sangtrung kế El báo hiệu R2; cung cấp dịch vụ thoại tổng đài IP dung lượng nhỏ, hỗ trợ kết nối

* Chỉ tiêu kỹ thuật

Bảng 2 1: Chỉ tiêu, tính năng kỹ thuật thiết bị

STT | Tính năng kỹ thuật Thông số Ghi chú

1 | Giao diện luồng E1

- | Giao diện kết nối trung kế E1 02 chuân RJ45

- Giao thức bao hiệu MFC-R2

- Mat na xung Tiéu chuan G.703

2 Giao dién két noi IP

Giao diện kết nối Ethernet tốc độ

3 Tinh năng tong dai IP

- _ | Chuan báo hiệu SIP 2.0 (RFC3261)

Số lượng thuê bao IP có thê khai 100

báo, không nhỏ hơn

Số lượng thuê bao IP đăng ký đồng 100

thời, không nhỏ hơn

STT | Tính năng kỹ thuật Thông số Ghi chú

- Số lượng cuộc gọi IP-IP được giữ 20

dong thời, không nhỏ hon

- Số lượng cuộc gọi IP-El được giữ 20

đông thời, không nhỏ hơn

- Số lượng trung kế IP có thê khai báo, 20

không nhỏ hơn Giao điện quan ly, cau hình

Phuong phap dang nhap

Phan cap quan tri

Tén dang nhap (Username) va mat

khẩu (password)

Theo 2 cap(cau hình, giám sát)Khả năng cấu hình

khởi động lại thiết bị

Giám sát trạng thái

(thuê bao, trung kế,

cuộc gol) Tại chỗ và từ xa

- Kích thước, cm, không lớn hon 42,5x34x4,5

- _ | Chuan co khí rack 19 inch

- | Trọng lượng, kg, không lớn hon 10

2.2 Khảo sat phương án thiết kế phan cứng

2.2.1 Thiết kế sơ dé khối tong thé

Thiết bị gồm ba khối chính: khối tong đài IP, khối TDM và khối nguồn

- Khối IP thực hiện chức năng điều khiển chuyên mach bằng phần mềm, cung cấpcác tính năng, dịch vụ tổng đài IP dung lượng nhỏ; xử lý DTMF, báo hiệu MFC-R2, quản

lý, điều khiển, giám sát toàn bộ thiết bị

- Khối TDM thực hiện chức năng chuyên mạch kênh TDM, giao tiếp trung kế luồngE1/MFC-R2 với các tổng đài công nghệ chuyên mạch kênh TDM và tạo nguồn clock đồng

bộ cho thiết bị hoạt động

- Khối nguồn cung cấp các điện áp cần thiết (12 VDC, 5 VDC, 3.3 VDC) cho khối IP

và khối TDM

~4_ Eihernet Khối IP Lec—| KhốiTDM =>

L Nguồn J

Hình 2 1:So đồ khối thiết kế phần cứng tong thé Tống dai IP hỗ trợ kết nối IP-TDM

- Phương án sử dụng vật tư, linh kiện trong thiết kế: Đề án kết hợp linh hoạt nhiềuphan tử linh kiện, mô đun hóa khác nhau nhằm tối ưu thời gian thiết kế, giảm thiểu chi phíphát triển như bo mạch máy tính công nghiệp, vi điều khiển và các vi mạch ASIC chuyêndụng dé xây dựng thiết kế thiết bi đáp ứng các chỉ tiêu đề ra

2.2.2 Thiết kế sơ do khối chỉ tiết

Dựa trên phương án thiết kế sơ đồ khối tổng thé đã trình bày, đề án tiếp tục di sâuvào chỉ tiết sơ đồ khối của từng khối chức năng bên trong thiết bị:

+ Hỗ trợ cài đặt hệ điều hành mã nguồn mở Linux, cung cấp môi trường lập trình vàcài đặt các ứng dụng cho thiết bị

+ Chuyển mach IP trên nền tang IP

+ Nén, giải nén và chuyên đôi mã thoại cho các chuan nén dit liệu khác nhau

+ Giao tiếp với các kênh liên lạc khác nhau như SIP, TDM

+ Hỗ trợ cài đặt các Mô đun phần mềm ứng dung tổng dai IP

Hình 2 4: Sơ đồ thiết kế khối IP

- Các đặc điểm của khối IP cần thiết xây dựng dưới dạng mô đun máy tínhnhúng, máy tính công nghiệp, có khả năng hoạt động ổn định và hiệu suất xử lý cao

- Khối PLL: Sử dung IC vòng khóa pha số (DPLL), cung cấp các xung tín hiệu đồng

bộ (Clock) cho trung kế luồng EI

- Khối chuyển mạch kênh (TDM Switch): Sử dung dòng IC chuyển mạch kênhZarlink với ma trận chuyền mạch 512 x 512 kênh

- Khối giao tiếp luồng LIU El: Sử dung dong IC chuyên dung Zarlink MT9075Bcung cấp giao diện đường day (Line interface unit — LIU) E1

- Khối chuyển đổi PCI: chuyển đổi dữ liệu từ TDM sang IP thông qua IC PCI

Controller.

2.3 Xây dung phương án thiết kế phan mềm

- Khối IP: Gồm 2 gói chương trình phần mềm tổng đài IP Asterisk và phần mềm driverđiều khién phan cứng TDM

+ Phan mềm tổng dai IP Asterisk thuộc không gian người sử dung (User space), baogồm chương trình PBX Core đóng vai trò trung tâm chuyên mạch và các API hỗ trợ cho cácứng dụng tổng đài như chuyên đổi codec, giao tiếp đa kênh (SIP, IAX, MFC-R2), định dạng dữliệu, các ứng dung cho tính năng thoại như hội nghị, chuyền cuộc gọi, hộp thư thoại Ngoài racòn có mô đun chương trình giao diện người sử dụng WebGUI cung cấp chức năng quản lý,giám sat và câu hình thiết bị trên nền tang web

+ Phần mềm driver điều khiến phần cứng TDM thuộc phan nhân (Kernel space), được

thiết kế tùy chỉnh dựa trên mô đun phần mềm DAHDI [14] của Digium và các mô đun driver

hỗ trợ khác như dahdi_transcode (chuyén đôi mã thoại), dahdi echocan mg2 (hỗ trợ triệt vọngmg2) và wctdm (điều khiển mach giao tiếp luồng E1 trên khối TDM)

- Khối TDM: Gồm hai mô đun chương trình cau hình clock và điều khiển chuyển

mạch kênh (TDM Switch).

Đông bộ, chuyên mach TDM

Hình 2 6: Phương án thiết kế phần mềm tổng thé thiết bi Tổng đài IP hỗ trợ kết nối

IP-TDM.

2.4 Kết luận chương

- Đề án đã xây dựng bộ chỉ tiêu, tính năng kỹ thuật thiết bị tổng đài IP hỗ trợ kết nốiIP-TDM Đây là căn cứ quan trọng, quyết định đến các năng lực thiết bị, khả năng cung cấpdịch vụ, tính tương thích và khả năng hoạt động trong các điều kiện nhà trạm, môi trườngkhác nhau Từ đó, việc lên phương án thiết kế, thực hiện thiết kế phần cứng và phần mềmthiết bị phải luôn bám sát chỉ tiêu kỹ thuật đã đề ra

- Trong giải pháp thiết kế phần cứng thiết bị, đề án tập trung vào thiết kế khối nguồn(cho phép sử dụng đồng thời cả nguồn AC và nguồn DC) và khối TDM (chuyên mạch kênh,giao tiếp luồng E1) Riêng khối IP, đề án sử dụng giải pháp bo mạch máy tính công nghiệp,cho phép thiết bị có thé hoạt động én định trong điều kiện nhiệt độ, đỗ âm khắc nghiệt hơn

so với thiết kế thông thường

- Dé xây dựng tính năng tổng dai IP, đề án lựa chọn phần mềm tổng đài Asterisk,được cài đặt trên nền tảng hệ điều hành Linux thuộc phần cứng bo mạch máy tính côngnghiệp Tính năng kết nối trung kế El được triển khai bằng phương pháp tích hợp phancứng khối IP và khối TDM thông qua giao tiếp PCI-104 và phần mềm điều khiển phần cứng

(driver) DAHDI.