第 8期 周建林等：信令网关中信令处理子系统的设计与实现 ·117·
信令网关中信令处理子系统的设计与实现术
周建林，韩 昭，张国杰
(国家数字交换工程技术研究中心，河南 郑州 450002)
摘 要：介绍软交换信令 网关中64kbps和 2Mbps速率的七号信令处理子 系统的软硬件设计和 实现
，在 实现 时
涉及到的 VxWorks操作系统的 中断服务机制，PMC860的通信处理单元中断机制，基于 VxWorks下 PMC860 QMC
配置方案，与上层协议处理模块的接 口设计 ，最后对该子系统进行 了实用性测试。
关键词 ：信令数据链路 ；中断服务 ；MPC860QMC：信令 网关
中图法分类号：TN91 文献标识码：A 文章编号：1001．3695(2005)08．0ll7．04
Design and Implementation of Signaling Processing Subsystem
in SofiSwitch Signaling Gate
ZHOU Jian-lin，HAN Zhao，ZHANG Guo-jie
(National Digital Switching System Engineering Technical Researching Center，Zhengzhou ttenan 450002，China )
Abstract：Describes the software and hardware design and implementation of signaling processing subsystem with different da．
ta—link speed of Signaling Gate in SofiSwitch，the related interrupt service of VxWorks OS，interrupt mechanism of communica．
tion process units in PMC860，configuration of PMC860 QMC based on VxWorks，interface to upper—layer protocol processing
module，we finally tested the practicability of the signaling processing subsystem、
Key words：Signaling Data—link；Interrupt Service；MPC860QMC；Signaling Gate
为了实现七号信令网和IP网的互通，需要使用信令网关
设备。信令网关是连接七号信令网与 IP网的设备，主要完成
PSTN／ISDN侧的七号信令与IP侧信令的转换功能。根据标准
规定 ，软交换系统在 IP网侧应支持 10Mbps／100Mbps自适应以
太网接口，在电路交换网侧的信令处理子系统应支持 64kbps
和2Mbps两种信令链路。
本文设计实现在 Vxworks操作系统下基于 MPC860硬件
平台的信令处理子系统(如图 1阴影)是七号信令网关的一部
分，主要用来实现两种不同速率的消息传递部分(MTP)一、二
级功能，为两点间进行可靠信令传递提供了信令链路，并定义
了在信令链路上传递信令}肖息和与传递有关的功能和程序。
在电路交换网中，呼叫控制、业务提供以及交换矩阵均集
中在一个交换系统中，而软交换主要是实现业务／控制与传送／
接入分离，各实体之间通过标准的协议进行连接和通信，以便
在网上更加灵活地提供各种业务。软交换是一个基于软件的
分布式交换／控制平台，它将呼叫控制功能从网关中分离出来 ，
开放业务 、控制、接入和交换问的协议，引入“网络就是交换”
的概念 ，真正实现多厂家的网络运营环境，并可以方便地在网
上引入多种业务。
信令网关是七号信令网与 IP网传递信令消息的代理 ，对
信令消息进行中继 、翻译或终结处理，信令处理子系统则为信
令网关提供可靠的底层通信链路(图 1)。
收稿 日期 ：2004．06．09；修返日期：2004—09一ll
基金项目：国家“863”计划资助项 目(MII—C3G一02—20／863．317．
03—0l一02—20、
百 圃—__1百 疆 团No 7 匿 ．命令
匿 蕊 ． ．蘑 一 蕊 一 窭
图 1 No．7信令网节点与MGC(软交换)的互通
1 信令处理子系统实现平台
1．1 硬件平台实现
实现采用的PMC860 Power QUICC是 Motorola系列的集成
PowerPC处理器，它采用了嵌入式 PowerPC核，内部还集成了
功能强大的通信处理模块(CPM)，是互联网络和数据通信及控
制领域使用较多、性能优越的嵌入式微处理器。由于通信处理
模块中各通信控制器支持多种网络协议再加上 PowerPC较快的
处理速度，MPC860在许多领域得到了大量的晦用，尤其适用于
宽带接入设备如路由器、LAN／WAN交换机和网关等设备。
1．2 操作系统平台
实现采用的 VxWorks操作系统是美国 WindRiver公司设
计开发的一种嵌入式实时操作系统 (RTOS)，是嵌入式开发环
境的关键组成部分 ，具有高性能的内核以及友好的用户开发环
境，良好可靠性，卓越的实时处理能力 ，在嵌入式开发中广泛的
应用。在实现七号信令处理子系统时，PMC860通过中断利用
接收／发送缓冲区从底层链路接收／发送数据，要使得当数据到
达时能够及时得到软件流程的处理，要恰当地配置好中断服务
程序，根据接收／发送完整帧时产生中断来得到处理 ，就必须处
理好 Vxworks操作系统中断服务程序和 PMC860硬件中断的
联系。
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· 118· 计算机应用研究 2005焦
1．3 PMC860的中断机制
PMC860的中断部分包括~V~t-部中断源和两个中断控制
器，如图2所示。
理模块 (CPM)
CPM
中
断
控
制
器
(C PIC)
系统接口单元(SIU) l
欢件看门狗定时器H NMI产生
imebase}
间隔中
定时器
；时时钟
西
EBU
；lU
中
断
控
制
器
系统 重
置中断
Decre—
m enter
MPC860
内核
外部 中断
图 2 MPC860中断结构 图
通信处理模块中断控制器(CPIC)用来把所有的中断和
CPM联系起来 ，它接收所有来自与 CPM相联系功能模块的内
部和外部 中断，并且 为这些 中断给予 不同的 中断优 先级。
CPIC的主要功能有：在用户可编程级别下 向系统接 口单元
(SIU)控制器申请中断，为每个中断源产生一个唯一的中断向
量号，允许用户程序控制最高优先级的中断源，在四个 SCC之
间程序控制其优先级和两种 SCC之间的优先级策略。
CPIC通过以下四个控制寄存器来管理中断：CPM中断配
置寄存器(CICR)、CPM临近中断寄存器(CIPR)、CPM中断屏
蔽寄存器(CIMR)和 CPM中断服务寄存器(CISR)。
系统接口单元(SIU)中断控制器包括 SIU临近 中断寄存
器(SIPEND)，sIu中断屏蔽寄存器(SIMASK)，sIu中断边'沿／
级别寄存器(SIEL)和SIU中断向量寄存器(SI＼ EC)，S1VEC则
指出了中断源对应的如 BSP中规定的中断向量。
一 个中断只有没被 INTMASK(中断屏蔽)寄存器屏蔽才能
写入循环中断队列，当通道产生中断请求时，RISC处理器在
MPC860 SCC循环中断队列中写入一有效项，此项包含了所发
生中断的具体描述，同时包含了逻辑通道号(Channe1)。QMC
协议根据异常的类型来更新 SCC事件寄存器(SCCE)。主机
用户通过读取 SCCE来决定产生中断原因，SCCE中的特定比
特位(GINT)标示在循环 中断队列 中至少写入 了一个新项 ，主
机用户处理循环中断队列时先清除 GINT位，再清除该项的有
效比特位(V)，一直处理循环中断队列中的项直到遇到标志有
效项末尾的指示(V=0)。
1．4 硬件平台与操作系统平台的结合
主要通过 PMC860中断和 Vxworks中断连接服务程序来
实现两者的结合。PowerPC的体系结构中外部 中断是异常的
一 种，VxWorks将外部中断单独分离出来 ，并为之提供了软件
接口。操作系统有一个中断分离程序(Demuhiplexer)识别来
自同一外部请求的不同中断源，中断分离代码需要完成如下工
作：完成中断确认周期；从中断控制器获得中断向量；管理处理
器中断屏蔽；设置中断栈 ，根据所获得的中断向量调用相应中
断服务例程。
Vxworks用四个过程库分别提供 了处理中断和异常的接
口，体系结构无关库 intLib，excLib和体系结构相关库 intArch—
Lib，excArchLib。VxWorks提供 intConnect()函数允许 C函数
与任何中断处理相联系，当用这种方法建立的位矢量发生中断
时，连接到的 C函数在中断级用指定参数进行调用。
STATUS intConnect(FUNCPTR}vector，FUNCPTR routine
．int pa~am)
其中Vector是外部中断的中断向量号(在 BSP中定义了各个
中断源)，Routine是作为 ISR的 C例程，Param作为中断发生
时传递给 ISR的参数。
2 信令处理子系统的设计与实现
2．1 信令数据链路,~(MTP1)设计与实现
QMC(QUICC Muhichannel Controller)是 QUICC多通道控
制器的简称，QMC中断处理用到两个基本的数据结构，即 SCC
事件寄存器(SCCE)和循环中断队列。
MPC860QMC支持 64条独立的逻辑通信通道(Channe1)，
并且允许将 64条 Channel任意映 射到 TDM(Time．Division—
Multiplexed)中的 64个时隙，QMC町以同时使用 TDMa和 TD．
Mb。实现该子系统时，将 QMC任意 64条通道分组复用到两
个 TDM接 口，每个通道可以独立地作为 HDLC来使用，通过使
用两个串行通信控制器(scc2和 SCC3)来控制数据的接收和
发送。根据 No．7信令网业务量需求 ，实现2Mbps和 64kbps的
MTP1(七号信令数据链路)传送。
实现 2Mbps数据链路 时，每个 串行通信控制器复用 到
TDM的 32个时隙中，实现两个 2Mbps数据通道。实现 64kbps
数据链路时，每个串行通信控制器复用到 TDM的 1个时隙中，
实现 64个 64kbps数据通道。
在底层物理链路用专用 El收发器来实现 ，El收发器直接
挂接到 MPC860 PPC总线上 ，由MPC860配置。数据交换网络
将多条 El链路的任意 32或64时隙交换到 MPC860的串行通
道 SCC对应的 TDMa或 TDMb上，数据交换网络可以采用专
用的多速率交换芯片 MT8968实现，如图3所示。
据交换 网络fM|r8986
1 L 暑；兰 三兰兰；三 ii ；兰 i 三== ： ： ； ；：
⋯ 噻
网
图 3 八路 2M E1接 口
MPC860QMC的 TSA配置如图4、图5所示。
I31l3ol⋯I211IohNoI1I21．．1l30l31l
r
__J L。一 T ime s lo莲t Tim e s lot
广 V：1．W=0．Mask=0xif, C
．P- CHO
SCC2 Parameter V=I，W=O，Mask=0xif,
RAM C．P— CH0
|rx S m 2
一
s_P1'R一2 一 V=1．W=0．Mask--Oxif,
SCC2 Rx T TSA C．P- CH0
SCC3 Parameter ／ V=I，W=I，Mask：0xff,
RAM
— ．
C．P— CHO
|rx
—
s
—
PTlR
一 3 ／ V：1．W---O．Mask=0xff,
Rx
_
s-PTlR一3 A C．P- CH1
V=1。W=0．Mask=0xff, SCC3 R
xTx TS^ C
．P— CH1
V=I，W=0，Mask=oxif,
C．P- CH1
V=I，W=I，Mask=oxff,
C．P- CHl
l L l h广l I ：：l l
Time slot f_一、 Time slot
翌I I
Kedto
A
SCC2 Parameter
RAM
|rx S m 2
SCC2 RxTx TSt
SCC3 Parameter
RAM
|rx S 盯 R 3
Rx R
一 3
SCC3 RxTx T
I Ll≥ I
~nnels MUX
【0 SCC2
= 1．W：0．
．P—CH3C
：1．W：1．
．P—CH31
：1．W：o．
．P— CH32
=1．W：o．
．P—CH31
：1．W=O．
．P— CH6：
= 1．W=1．
图4 2Mbps MPC860QMC 图5 64kbps MPC860QMC
的 1、sA配置 的 TSA配置
一一一一一一一一一 一 II一一一
v C—V C
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第8期 周建林等：信令网关中信令处理子系统的设计与实现 ·ll9·
根据图4，图 5所示连接配置方式配置好 MPC860QMC相
应协议寄存器参数，主要中断控制器参数如下：
SCCM寄存器为 SCC—sccm=(HDLC—RXF I HDLC
—
RXB I
HDLC
—
SBSY J HDLC
— STXE)，使 SCC只对接收帧、发送帧、正
忙和发送错误产生中断。
CICR寄存器为 cpmi—cicr=0xE1 1 F80 J(CPM—INT—LEV．
EL<<13)，使 SCC2和 SCC3有最高和次高中断优先级，向
SIU产生的中断级为 CPM—INT_LEVEL=4。
CIPR寄存器为 cpmi—cipr=ALL—ONES，清除所有临近 中
断的有效位。
CIMR寄存 器为 cpmi—cimr I= (CIMR—SCC2 I CIMR—
SCC3)，允许两个 SCC产生中断。
SIMASK寄存器为 siu—simask I=SIMASK—LVM4，SIU接
收 s1MASK—LVM4=4级的中断。
用 intConnect(SCCx，SCCxlSR，Param)系统调用将 中断服
务程序与内部硬件中断连接起来。
硬件平台和操作系统结合的中断服务程序流程如下：
(1)降低中断屏蔽级别。
(2)读取 SCCE的寄存器的值，并保存在另一个变量中。
(3)清除 SCCE的寄存器的值。
(4)测试保存了SCCE值的变量 ，根据该值来确定对不同
事件的处理。若是接收到有效数据，则处理完循环中断队列所
有有效比特位 V置位 的项 ，并且从 中得到逻辑 通信通 道
(Channe1)值 ，根据这个逻辑通信通道(Channe1)值把产生中断
的数据移出处理器接收缓存到用户数据接收队列。
(5)清除CISR寄存器的 SCCx服务标志。
2．2 信令链路控制层协议(MrrP2)的实现
七号信令链路层协议 (MTP2)主要由软件来实现，MTP2
程序分为 64kbps和 2Mbps两种协议实现，其实现模块大部分
相同，只在协议控制数字和 MTP1层硬件时隙映射配置上存在
一 些差异。MTP2程序以 Channel值为索引从 MPC860缓冲区
中取出数据 ，根据得到的数据运行 MTP2功能程序，根据配置
实现 64条64kbps或两条 2Mbps的逻辑信令链路。
根据 MTP2的技术规范，将其分成八个相对独立的功能模
块，各模块功能如下：
(1)链路状态控制(LSC)。LSC进行链路状态的控制和管
理，当接收到有关链路状态的信号单元时，要将对端的相关链
路状况通知有关功能块或第三级，LSC作为总控模块 ，控制其
他相关模块的运行。
(2)起始定位控制(IAC)。当信号链路首次启动或链路故
障后恢复时启动 IAC。根据 MTP3的命令，进行紧急定位或正
常定位 ，为建立链路做检测工作。
(3)处理机故障控制(POC)。记录本端处理机和远端处
理机是否出现故障，并根据故障的恢复情况 ，通知 LSC“无处理
机故障”。
(4)基本发送控制(TXC)。用于信号单元的发送，控制信
号单元的发送顺序，对收到的信号单元证实及出现差错时信号
单元的重发。
(5)基本接收控制(RC)。用于信号单元的接收，检查所
收到的信号单元是否按顺序到达，以及对方送来证实的有效
性 ，当出现丢包时，通知 TXC发送否定证实。
(6)定位误差率监视(AERM)。在信令链路处于起始定位
过程的验证状态中使用，对信号单元的差错率进行统计并决定
是否终止验证。
(7)信号单元误差率监视(SUERM)。(64kbps数据链路)
在信令业务开通业务后使用，统计信号单元出错率，超过门限
值将通知 LSC信令链路故障(2Mbps数据链路为差错时间段
监视(ElM))。
(8)拥塞控制(CC)。控制信号消息的流量，为 了与故障
区分，在拥塞发生时定期发送 SIB，以通知对方链路状况，并保
持链路。
MTP2最基本的功能就是保证可靠收发消息，必须为 TXC
和 RC各提供一个接1：3用于完成该功能，由MPC860QMC来实
现消息的收发，各模块之间的关系如图6所示。
— = 捶翻l LSC 信号单l正确 下日
信 状态F= = ’ I元差错瞳误 定界定位 令 1率 视 矿 接受 发
出
起始 I(s— U— EaM)I (DAEDR 和
定位 正确 SU 接
控制 收
的
网
处理机I I I (IAC)
率监视
错误 差错检测 比
络
功
能
(MTP3) 故障 I I I I
控制 1．— |= I 特 ( )I 1 广 SU 定界定位
发送 返 回的 MSU }
， 、I srf l! 坠2 (DAEDT)
(注 ：—— 信令消息流 ⋯一控制和指不 )
图 6 MPT2模块关系图
2．3 P2与 MTP3之间接口实现
MTP2要根据 MTP3的选路功能，把信令消息发送到相应
的信令数据链路 Channel上去 ，把接收的信令消息按 Channel
传送到 MTP3，在两个信令点之间传送信令链路状态信息及处
理机工作情况的信息。在实现时定义了内部信件消息格式 ，采
用了内部消息编码方式来进行两层之间的业务交互。硬件实
现时采用 HDLC控制器 PM7367为 MTP2与 MTP3通信提供可
靠的物理链路，每个 HDLC控制器可以提供多条 HDLC链路，
由于 PM7367可提供四路4Mbps非通道化的 HDLC链路，一个
信令处理子系统的业务量不超过 2 x 2Mbps，故采取一个主用
MTP3(一个备用)和四个 MTP2进行连接 ，实现数据业务量的
负荷分担和数据链路的冗余备份。HDLC控制器由 MPC860
通过 PCI桥配置，桥接芯片和 MPC860通过 PPC总线相连(称
作 Qbus)，与 HDLC控制器都挂接在 PCI总线上。
3 信令处理子 系统测试结果
在底层 E1接口闭环条件下，对 QMC的数据传送速率进
行测试，结果如表 1所示。
表 1 测试结果
在2Mbps数据链路 中，E1链路的0时隙是用来传送同步
信号，实际上每条 Channe1只使用了31个时隙，所以理想速率
为64kbps×31=1 984kbps。通过测试结果可知 ，实际速率达
到设计速率的 99％，考虑到在实际应用时，链路负载 Erlang值
一 般不超过0．8，因此可以认为满足 MTP2技术规范对速率要
求。在对64kbps链路测试时，采取了与 HJD一04的七号信令部
件对接，HJD一04 端以最大速率发送信令消息时，信令处理子系
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· l20· 计算机应用研究 2005正
统能够长时间正确处理 ，因此具有较好的实用性。
4 结束语
主要介绍了基于 VxWorks操作系统 MPC860处理器七号
信令处理子系统的软硬件设计和实现，与 MTP3接 口的软硬件
实现，VxWorks中断服务处理程序和中断服务程序的处理过
程，MPC860通信处理模块对于硬件中断源的处理，以及在 vx．
Works操作系统下 MPC860的 QUICC多通道控制器实现具体
两种不同速率数据链路层协议时的具体硬件配置和软件处理
流程，最后对该信令处理子系统在实用中进行了测试。由于通
信处理模块对于硬件 中断的处理具有一般性，以及 VxWorks
操作系统中断服务处理的确定性，对于升级到 Motorola的新一
代通信处理器MPC8260有较好的可移植性和更大业务量的处
理，从而支持更多的数据链路。MPC860作为主控处理器部
件，很好地完成了对各子模块的配置和管理，其较好的处理速
度和强大的通信处理能力为系统提供了很好的实时性。
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作者简介：
周建林(1979一)，男，江西樟树人，硕士生，主要从事计算机通信的研
究；韩昭(1980-)女，硕士生，主要从事信号信息系统的研 究；张国杰
(1968一)，男，教授 ，硕士生导师，主要研究方向信息与通信系统。
(上接第69页)根据上述的实验条件 ，依据本文算法对嵌入的
150bit信息进行了无攻击和攻击实验，实验结果依位错误率
(Bit Error Rate，BER) 衡量，在无攻击下的实验结果如表 1
所示。
表 1的结果告诉我们 ，所提算法能在无攻击情况下将水印
无误地提取出来，表明文中算法的合理性。
表 1 无攻击条件下的水印检测(BER％)
Blues l Classical l Country l Folk { PI】
___—T— 广—T—___ 一 1—— —_『一—
为了检验算法的鲁棒性，我们进行了攻出后的水印提取实
验，主要攻击实验有 ：①重采样攻击，将嵌入水印后的音频信号
从44．1kHz下采样到 22．05kHz，再上采样到 44．1kHz；②低通
滤波，采用长度为六阶，截止频率为 15kHz的巴特沃思低通数字
滤波器；~MP3压缩，对含水印音频用 64kbps速率进行压缩，再
将其解压为 WAV文件，然后进行水印提取；④重量化攻击，将
嵌入水印后的音频信号由 16bit量化为 8bit，再量化为 16bit；⑤
加噪攻击，在嵌入水印后的音频信号中加入高斯白噪声；⑥随机
裁剪，在每250个采样点随机裁剪掉一个样点，从实验音频中共
裁掉 10 584个样点。攻击后的测试结果如表 2所示。
表 2 不同条件下的水印检测效果(BER％)
Blues Classieal Country F0lk Pop
低通 l5kHz O O O O O
重采样 0 383 O 4O6 0．377 0 356 0 349
重量化 O O O O O
加噪 30db 0．020 0．027 O．O【J7 0．0I3 O．Ol3
MP3压缩 0．488 0．44l 0．385 0 451 0．429
随机裁剪 0．053 0．060 0．040 0．033 0 033
根据攻击实验结果，我们认为：
(1)低通与重量化攻击对水印没有任何影响，这说明特征
点的稳定性与高频段的音频信号无关，而水印嵌在中频段，使
得低通类型攻击不会影响水印。
(2)重采样攻击后的水印提取有一定的错误，是因为重采
样丢掉了一部分中频信号，使得特征点有所偏移，但这些偏移
没有造成很大的影响。
(3)因加噪攻击是对全频段操作的，势必会影响特征点的
稳定性，也会削弱水印信号强度。但是在 SNR为 30db情况
下，噪声没有给水印提取带来很大的干扰。
(4)MP3压缩使得特征点全部发生大量的偏移，使得水印
无法同步。
(5)随即裁剪属于一种简单的去同步攻击方法，但对算法
没有带来很大影响，说明本文特征点的方法有利于水印提取时
的同步。
3 结论
本文提出一种基于音频内容分析的音频数字水印算法，算
法通过分析音频的能量分布，找出能量增 长速率的峰点，将这
些峰点称为特征点，作为水印的同步位。水印被嵌在攻击敏感
区的中频区。水印提取时采用了维特比译码算法，从而使水印
判决能快速进行。实验表明，算法能有效抵制低通 、重采样 、重
量化、加噪、随即裁剪等多种攻击。算法也有一些有待改进的
地方．如怎样抵制 MP3压缩攻击 ，提高水印的可嵌入量。
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作者简介：
杜呈透(1969-)，男，工程师，主要研究方向为计算机应用、数字水印、
DSP技术；王让定(1962-)，男，副教授，博士，主要研究方向为数字水
印、语音识别、语音编码、计算机应用，
维普资讯
