专利名称：宽带多业务数字化智能话机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种数字化、宽带化、综合化、个性化，并具有一定可移动性的终端设备，更确切地说，是涉及一种宽带多业务数字化智能话机。
通信技术的发展可以说是突飞猛进，由此引发的通信业务市场与通信技术市场的迅速扩大，导致人们的生活方式发生深刻的变化。一方面，通信技术的发展使人们能够实现几年前还不能想象的通信手段与方式；另一方面，用户的通信需求不断膨胀，新的通信需求不断涌现，从而又推动了通信技术的发展。概括地讲，通信发展的整体趋势是数字化、宽带化、综合化、个性化、智能化和可移动性。实现这一目标的重要技术之一是和千千万万进行通信的人密切相关的终端技术。
传输系统和交换系统是通信网的两个重要组成部分。当通信网的传输系统和交换系统都采用数字技术时，这个网便称为综合数字网。当在这样的网络中实现多种经数字化处理后的不同信息通信时，这个网络便称为综合业务数字网(英文简写为ISDN)。ISDN发展于本世纪70年代，现在已经在世界范围内得到广泛应用。
图1展示了现有的基于窄带ISDN技术的数字电话系统的结构示意图。
参见图1，ISDN终端TE通过S/T接口连接到网络终端NT1设备上，网络终端NT1通过用户双绞线连接到ISDN交换机。网络终端NT1一般由电信运营部门负责安装在用户驻地。一个网络终端NT1可以连接多个终端TE。网络终端NT1负责网络管理、测试和性能监控，并能解决多个终端TE同时竞争总线的问题。ISDN终端可以是数字话机、G4类传真、可视电话或插有ISDN多功能卡的计算机等。非ISDN终端(如传统话机)则要经过一种叫做终端适配器TA的设备连接到NT1上。
终端TE到ISDN交换机直接的物理信道是结构化的，称作2B+D信道。一个B信道是64Kbps，一个D信道为16Kbps。一般情况下两个B信道和一个D信道这三个信道是单独使用的。通过类似反向复用技术等手段可以利用两个B信道提供128Kbps的物理带宽。D信道可以由多个终端以竞争的方式统计复用，可以用来传输信令消息和一些低速数据业务。B信道提供话音服务，也可以提供数据业务，此时B信道类似专线。这样的结构可以在一个物理通道上提供话音、数据及低速图象业务，但在下面的分析当中我们会看到窄带ISDN数字电话机具有很大的局限性。
图2所示的是窄带ISDN数字电话机终端的主要原理框图。由于自本世纪70年代以来，ISDN技术早已发展成熟，其中很多模块已经可以在一个芯片中实现。如图2所示，微处理器、振荡器、RAM、ROM构成该话机的控制单元；键盘、液晶显示器件和受话器、扬声器构成其人机接口，负责接收用户指令即提示信息。叉簧或开关用于产生摘、挂机信号；通过CPU接口和微处理器相连的语音处理、B信道复用、D信道处理、线路接口等单元构成ISDN信道处理与控制部分，这些部分受微处理器控制。保护与发生电路一般包括电压保护、电流保护和变压器。
窄带ISDN是基于传统电话交换网技术PSTN发展起来的，和传统模拟电话相比，它除了可以提供话音业务以外，还可以提供数据通信业务，但就其本质讲，它仍然属于基于电路方式的终端技术。在这种方式下，终端所能使用的带宽受到巨大限制。具体表现在以下几个方面1)终端所能占用的带宽是分级的，而且种类较少。如用户只能使用一个B信道，或两个B信道，D信道的统计复用是非常有限的。用户很难获得16Kbps到64Kbps之间的带宽，同样，用户很难获得64Kbps到128Kbps之间的带宽。这不利于需求千差万别的不同用户使用。
2)终端是一个窄带终端，无法提供大于2Mbps的带宽，从而无法满足用户对高速、宽带业务的需求，如视频业务、高速多媒体业务、交换式查询业务和高速数据访问业务。
3)终端采用面向连接方式占用信道。也就是说终端在通信过程中独占信道，即使没有信息发送时，如通话双方的交替说话和沉默阶段，其它终端也无法占用信道。这样就造成带宽的极大浪费。特别是终端处理突发业务时，这一点尤其重要。如插有ISDN多功能卡的计算机上网时，它很可能在极少的时间里进行数据传输，而在绝大多数时间里浏览网页或处理、分析信息。
4)终端会长时间独占物理信道带宽资源，导致其它用户通信需求无法满足，这就无法保证用户之间占用带宽资源的公平性。在如今突发性的数据业务所占比重越来越大的通信环境下，这一点很难满足用户需求。
5)共享同一物理通道的终端数是很少的，一般连接在NT1上的设备不超过8个，能同时接收服务的用户不超过3个，从而使得几个终端就必须配设一条物理通道和一个NT1设备、一个交换机接口。
6)ISDN终端业务在ISDN交换机中的使用是基于时隙交换，用户端口速率较低，很难提高容量和提高集成度，减小体积和减小运营成本的难度也较大。
传统语音通信，几乎都使用基于电路方式的终端与网络技术。由于基于电路方式的通信网中，终端和交换技术都比较简单，时延容易保证，因此基于电路方式的通信技术在过去很长时间里一直是通信网，特别是电信网的主流。在这样的网络中，用户业务通过低速线路连接到交换机。交换机用户级再将它们复用到高速时分复用TDM总线上处理。在通信进行过程中、用户线路、交换资源、传输资源都是被用户独占的。这种方式会带来许多问题。
首先，交换是以用户线路物理带宽为单位进行处理的，这导致节点容量很难提高。一般交换节点只有16K×16K或更低的交换能力。交换节点必需按一定的集中比设计，如用户占用交换节点的概率由用户话务量决定。交换节点的交换能力要按用户话务量分布及允许一定的呼损概率来设计。这样的网络具有非常差的可扩充性。因为网络建成几年后，用户话务量分布会有较大变化。如由于上网人太多，造成呼损加大，在目前的许多国家已经不是什么新鲜事。
其次，直接或间接以物理带宽来区分用户，使许多用户无法统计共享网络资源，造成网络资源成百倍的浪费，不利于处理突发业务。另外用户带宽是分级的、固定的，不利于用户动态调整所占用的网络物理资源，不利于用户对业务多样性的需求。
最后，用户物理带宽速率范围太窄，无法开通宽带业务。
本发明的目的是提供一种可以克服现有窄带ISDN电话机缺陷的宽带多业务数字化智能话机，以适应通信的发展需要，特别是国际互联网的迅速发展。
本发明的目的是这样实现的一种宽带多业务数字化智能话机，包括有作为该话机的控制单元的微处理器、振荡器、RAM、ROM，作为其人机接口的键盘、液晶显示器件和受话器、扬声器，用于产生摘、挂机信号的叉簧或开关，以及提供脉冲编码调制PCM编、解码功能的语音处理单元，该语音处理单元通过CPU接口和微处理器相连，还有电源模块，其特征在于还包括有作为数据传输单元的以太网收发器及其控制单元。
其中以太网收发器的主要功能是监听和控制功能，即载波监听多址访问与冲突检测CSMA/CD的核心功能；与主机进行数据交换；模/数转换和数/模转换。
其中控制单元的主要功能是检测报告收发器状态；接收和执行CPU指令；控制收发器发送数据；产生处理收发器中断。
该话机可以应用介质访问控制MAC地址、IP地址、E.164用户电话号码、用户个人域名或用户个人号码来标识，其中IP地址、E.164用户电话号码、用户个人域名或用户个人号码可以用作所述话机的电话号码。
该话机的个人号码是由数字或/和字母组成的、由用户和网络运营者约定的任何长度的字符串。
该话机作为主叫发起呼叫时，要通过地址解析过程获得被叫话机的IP地址；所述的地址解析过程是由该话机和用户管理服务器共同完成的，所述的用户管理服务器可以被子网内的所有话机使用。
所述的地址解析过程，包括应用域名服务器DNS实现被叫话机个人域名到被叫话机电话号码、IP地址的地址解析过程。
所述的地址解析过程，还包括应用用户管理服务器实现被叫话机个人号码到被叫话机电话号码、IP地址的地址解析过程。
所述的地址解析过程，还包括应用用户管理服务器实现被叫话机电话号码到被叫话机的IP地址的解析过程。
该话机作为主叫发起呼叫时，利用专用的TCP/IP端口号来传送呼叫控制信息；该呼叫控制信息包括该话机向网络发出的业务申请消息及该话机的呼叫信息。
该话机利用专用的TCP/IP端口号传送话音分组信息。
所述的话机管理、呼叫控制信息及话机话音分组信息是用IP地址或MAC地址来识别主、被叫话机。
本发明的特点是一种可以动态调整占用带宽、可以提供宽带业务、使多用户可统计复用物理资源、有利于节点进行基于帧方式交换并能兼容TCP/IP网的一种终端。所以本发明是一种宽带多业务数字化智能话机。本发明经过少许改动，可以衍生出许多新型装置。如通过PC机总线接口可插入PC机的扩展槽内构成可视电话、可视会议终端等。增加串口可实现对家用电器、煤气、自来水、电表等设施的远程监控和计费、防盗等。
本发明的主要优点是1、智能化用户智能业务的部分功能可以由终端实现，包括用户查找、用户鉴权、业务逻辑定义、用户身份识别及防范干扰用户等。还可引入域名解析服务DNS技术和地址解析技术，实现用户在没有局端干预的情况下变更地理位置等。用户智能化还体现在用户终端可以通过增加软件实现多种功能，如防盗、家电监控等。用户智能化还包括用户对网络资源的动态占用和多种业务质量的获得。2、数字化从终端应用到用户线传输及交换均采用数字方式，省去了复杂的模拟用户级，使数字化系统进一步延伸到用户端，有助于提高通信质量和通信经济效益，并在防干扰、抗雷击，电力消耗及保护电路等方面可以节省大量投资。终端可以利用现成的数字芯片和成熟的计算机技术来实现，具有很高的性能价格比。3、宽带化可以提供0到10Mbps、甚至更高的无级带宽，能适应话音、数据查询、视频点播等多种业务，并且用户可以根据网络拥塞状况动态调整所占用网络带宽资源。4、综合化可以提供目前和在将来的一段时间内所能想象到的所有业务，如话音、数据查询、视频点播等。5、个性化用户可以通过定义修改终端软件来实现终端的个性化；通过和网络中多种数据库的配合实现用户业务逻辑的个性化。6、可移动性利用MAC地址自动登记与学习功能可以实现用户终端在有线网络上的漫游。交换网络提供鉴权与认证功能。7、减少用户在Modem类设备上的投资。8、能兼容TCP/IP网，适应当今通信技术发展。9、相对于窄带ISDN数字电话机，结构简单、使用可靠。
下面结合附图进一步具体介绍本发明的结构特征图1是现有的基于窄带ISDN技术的数字电话系统的结构示意图。
图2是现有的基于窄带ISDN技术的数字电话机的结构组成原理方框图。
图3是本发明宽带多业务数字化智能话机的结构组成原理方框图。
图4是本发明的话音处理过程示意图。
图5是本发明的话音分组封装示意图。
参见图3，本发明是一种宽带多业务数字化智能话机，包括有作为该话机的控制单元的微处理器、振荡器、RAM、ROM，作为其人机接口的键盘、液晶显示器件和受话器、扬声器，用于产生摘、挂机信号的叉簧或开关，以及提供脉冲编码调制PCM编、解码功能的语音处理单元，该语音处理单元通过CPU接口和微处理器相连，还有电源模块，其特征在于还包括有作为数据传输单元的以太网收发器及其控制单元。和ISDN终端相比，这一部分是本发明的关键技术。而其它模块的功能则与窄带ISDN数字电话机的相关模块功能类似，不再赘述；这里主要描述数据传输单元。
图3所示的数据传输单元，即以太网收发器及其控制单元，实际上是一个以太网的终端适配器。其中收发器的主要功能是监听和控制功能，即载波监听多址访问与冲突检测CSMA/CD的核心功能。CSMA/CD是以太网协议802.3定义的用于解决信道竞争的方法，即载波监听多址访问/冲突检测；与主机进行数据交换；模/数(A/D)及数/模(D/A)转换。其中控制单元主要完成以下功能检测报告收发器状态，接收和执行CPU指令，控制收发器发送数据和产生处理收发器中断。
本发明话机的主要部件工作原理如下所述1.多终端以总线方式连接在一起，如集线器等，接头可以为RJ45或10Base-T。
2.终端地址和以太网48比特硬件地址兼容，即全球唯一的由IEEE统一管理的介质访问控制MAC地址。
3.收发器以CSMA/CD方式竞争信道，收发器接收发送MAC帧，MAC帧格式定义如IEEE802.3。
4.摘、挂机信号由微处理器处理。
5.人机接口、语音拾取与重放部分与收发器间的数据交换是通过微处理器系统完成的，由于微处理器易于编程，易于扩充多种接口，可以演变出很多接口。
6.同一用户线路上的话机利用MAC地址寻址，不同用户线上的话机利用IP或E.164地址寻址，E.164地址和IP地址间的地址解析由用户管理服务器完成。
7.引入域名服务器DNS实现用户名和话机实际地址的解析，真正实现类似智能网中的个人号码业务。
8.利用MAC地址自动登记与学习功能可以实现话机终端在有线网络上的漫游。用户管理服务器提供鉴权与认证功能。
9.网络计费可以按E.164或话机户名管理和结算。
10.该话机终端因为是一个CPU系统，有很高的智能性，有利于实现用户终端的智能化。用户智能业务的部分功能可以由该话机终端实现，从而减轻交换节点的负荷。
11.交换节点以帧方式处理、交换话机数据，从而实现网络资源的统计复用，交换节点的单位接口速率在10Mbps以上，方便节点实现大容量，可以使用目前的硬件交换技术，如异步转移模式ATM、千兆以太网技术、光交换技术等实现上千兆比甚至上兆兆比的交换节点。并且交换节点容量可以动态扩充，新扩充交换资源可被原有话机用户使用。
本发明话机的话音传输过程如图4所示，声音信号经过受话器转变为模拟电信号，图4中话音信号经过脉冲编码调制PCM处理形成话音数据，话音数据被存放在存储器RAM中。中央处理单元CPU将连续存放的话音数据进行分割，即形成话音分组。话音分组的长度应该适中，太短会影响传输效率，太长会增加时延。在CPU的控制下，话音分组将被送到控制单元。控制单元控制收发器，完成话音分组向物理线路上发送。在物理线路上，如果不超出以太网局域网范围，话音分组可以直接封装在MAC包中，如图4所示，也可以封装在IP包内，然后再封装在MAC包中，如图5所示。超出以太网局域网范围，话音分组封装在IP包内。MAC包的形成由控制单元控制收发器完成。最好使用图5所示的封装方法。为了区分话音分组、管理控制分组、呼叫信令分组和其它业务类型，分别使用专用的TCP/IP端口号承载话音分组、管理控制分组和呼叫信令分组。
当该话机终端TE从网上接收到MAC包后，CPU负责处理MAC包，取出IP包并判断其是话音分组、管理控制分组、呼叫信令分组还是其它业务类型的数据分组。如果为管理控制分组或呼叫信令分组，它将被CPU接受并送给相应处理软件，如信令软件。如果为话音分组，CPU对该包进行处理，恢复出话音数据流，送入缓冲器中，CPU控制语音处理硬件将语音数据经PCM解码还原成模拟电信号，再经过电声转换形成声音信号。
本发明话机的话音呼叫控制过程如下终端TE的呼叫控制和监视由用户管理服务器完成，除此以外，服务器还负责话机终端的号码管理与映射、记费、用户测试与监控等。当用户摘机时，终端TE发送呼叫申请到服务器，服务器根据用户属性及当前网络状态确定是否处理用户呼叫申请，如果用户呼叫被受理，服务器将根据被叫话机用户属性确定如何接续此呼叫。如果被叫为传统话机，此呼叫被送入公网。如果被叫为本发明所属话机，呼叫将按以太网方式接续。
在呼叫进一步被接续之前，用户管理服务器将通过地址解析过程将被叫话机的IP地址通知主叫方。具体说来有以下两种情况当被叫是本发明所述终端时，用户在发起呼叫时利用专用的地址解析消息向用户管理服务器发送地址解析申请消息。在地址解析申请消息中包含被叫话机的巨164用户电话号码、用户个人域名或用户个人号码。地址解析申请消息作为一种呼叫信令消息，利用呼叫信令消息占用的专用TCP/IP端口号传输到用户管理服务器。用户管理服务器根据被叫话机的标识信息，如被叫话机的E.164用户电话号码、用户个人域名或用户个人号码，进行地址解析查找被叫话机的IP地址。如果查询到被叫话机的IP地址，用户管理服务器将向主叫话机发送确认的地址解析响应，并在响应中包含被叫话机的IP地址。如果无法获得被叫话机的IP地址，用户管理服务器将向主叫话机发送拒绝响应。主叫话机根据解析到的被叫话机的IP地址，在之后的话音分组传输中，以该IP地址为目的地址，占用话音分组专用的TCP/IP端口号，向被叫话机发送承载话音的IP包。地址解析消息也可以作为呼叫建立申请消息的一部分而发送给用户管理服务器。在此情况下，主叫话机在获得被叫话机的IP地址后可以直接发送话音分组。用户管理服务器在向主叫话机发送地址解析响应时，要考虑子网流量信息来判定是否为主叫话机用户提供服务。
当被叫是传统电话机时，用户在发起呼叫时要利用专用的地址解析消息向用户管理服务器发送地址解析申请消息。在地址解析申请消息中包含被叫话机的E.164用户电话号码。地址解析申请消息作为一种呼叫信令消息，利用呼叫信令消息占用专用TCP/IP端口号传输到用户管理服务器。用户管理服务器根据被叫话机的E.164用户电话号码，查找到公众电话交换网PSTN侧所经过的第一个中继端口的IP地址，并把此IP地址作为地址解析响应发送给主叫话机。在之后的话音分组传送中，主叫话机将此IP地址作为目的地址，占用话音分组专用的TCP/IP端口号发送承载话音分组的IP包。同样地址解析消息也可以作为呼叫建立申请消息的一部分发送给用户管理服务器。在此情况下，主叫话机在获得被叫话机IP地址后，可以直接发送话音分组信息。用户管理服务器在向主叫话机发送地址解析响应时要考虑子网流量信息，并在建立PSTN侧连接成功后，再向主叫话机发送确定的地址解析响应。此外，有关连接建立、连接拆除等呼叫信令信息使用Q.931定义的部分功能实现。本发明的话机终端发送承载话音分组的IP包或用于控制的IP包时，使用数据包UDP协议。
本发明可以应用于如下领域1.话音通信，因为本发明是采用统计复用通信的，使通信成本会大幅度下降；2.有线移动话音通信，且其成本将远远低于现有的无线移动电话；3.数据或消息的发送与接收，如电子版报纸、气象、金融消息的传递，以及电子信件和数据传真；4.插入PC机的扩展槽内构成可视电话、可视会议终端，国际互连网浏览终端，远程医疗终端或远程教育终端；5.增加串口等设施可实现对家用电器、煤气、自来水、电表等设施的远程监控和计费；6.家庭防盗告警、医疗呼救等；7.增加外设构成金融交易终端，实现电子商务；8.实现社区或远程视频点播。
权利要求
1.一种宽带多业务数字化智能话机，包括有作为该话机的控制单元的微处理器、振荡器、RAM、ROM，作为其人机接口的键盘、液晶显示器件和受话器、扬声器，用于产生摘、挂机信号的叉簧或开关，以及提供脉冲编码调制PCM编、解码功能的语音处理单元，该语音处理单元通过CPU接口和微处理器相连，还有电源模块，其特征在于还包括有作为数据传输单元的以太网收发器及其控制单元。
2.如权利要求1所述的宽带多业务数字化智能话机，其特征在于其中以太网收发器的主要功能是监听和控制功能，即载波监听多址访问与冲突检测CSMA/CD的核心功能；与主机进行数据交换；模/数转换和数/模转换。
3.如权利要求1所述的宽带多业务数字化智能话机，其特征在于其中控制单元的主要功能是检测报告收发器状态；接收和执行CPU指令；控制收发器发送数据；产生处理收发器中断。
4.如权利要求1所述的宽带多业务数字化智能话机，其特征在于该话机可以应用介质访问控制MAC地址、IP地址、E.164用户电话号码、用户个人域名或用户个人号码来标识，其中IP地址、E.164用户电话号码、用户个人域名或用户个人号码可以用作所述话机的电话号码。
5.如权利要求4所述的宽带多业务数字化智能话机，其特征在于该话机的个人号码是由数字或/和字母组成的、由用户和网络运营者约定的任何长度的字符串。
6.如权利要求1所述的宽带多业务数字化智能话机，其特征在于主叫话机发起呼叫时，要通过地址解析过程获得被叫话机的IP地址；所述的地址解析过程是由该话机和用户管理服务器共同完成的，所述的用户管理服务器可以被子网内的所有话机使用。
7.如权利要求6所述的宽带多业务数字化智能话机，其特征在于所述的地址解析过程，包括应用域名服务器DNS实现被叫话机个人域名到被叫话机电话号码、IP地址的地址解析过程。
8.如权利要求6所述的宽带多业务数字化智能话机，其特征在于所述的地址解析过程，还包括应用用户管理服务器实现被叫话机个人号码到被叫话机电话号码、IP地址的地址解析过程。
9.如权利要求6所述的宽带多业务数字化智能话机，其特征在于所述的地址解析过程，还包括应用用户管理服务器实现被叫话机电话号码到被叫话机的IP地址的解析过程。
10.如权利要求1所述的宽带多业务数字化智能话机，其特征在于该话机作为主叫在发起呼叫时，利用专用的TCP/IP端口号传送呼叫控制信息；该呼叫控制信息包括该话机向网络发出的业务申请消息及该话机的呼叫信息。
11.如权利要求1所述的宽带多业务数字化智能话机，其特征在于该话机利用专用的TCP/IP端口号传送话音分组信息。
12.如权利要求1所述的宽带多业务数字化智能话机，其特征在于所述的话机管理、呼叫控制信息及话机话音分组信息是用IP地址或MAC地址来识别主、被叫话机的。
全文摘要
一种宽带多业务数字化智能话机,包括有作为该话机的控制单元的微处理器、振荡器、RAM、ROM,作为其人机接口的键盘、液晶显示器件和受话器、扬声器,用于产生摘、挂机信号的叉簧或开关,以及提供脉冲编码调制PCM编、解码功能的语音处理单元,该语音处理单元通过CPU接口和微处理器相连,还有电源模块,其特征在于:还包括有作为数据传输单元的以太网收发器及其控制单元。该装置是一种可动态调整占用带宽、可提供宽带业务、使多用户可统计复用物理资源、有利于节点进行基于帧方式交换及兼容TCP/IP网的智能终端。
文档编号H04M1/00GK1231555SQ9910079
公开日1999年10月13日 申请日期1999年3月2日 优先权日1999年3月2日
发明者罗宗贶, 王道谊 申请人:中信通信项目管理有限责任公司