機動通信系統中融合通信服務適應性研究

張云勇 郭水平

一、引言

在機動通信系統中，融合通信服務通過與接入控制、傳輸控制、云平臺、應用服務的集成與整合，為移動用戶、通信臺站、指控應用平臺提供業務的隨遇接入、信息的快速獲取、態勢動態感知等功能，可實現跨平臺、跨部門、跨地域的實時業務交互和資源共享。然而，機動通信網絡鏈路狀態會隨現場態勢的變化而變化，會動態調整節點網絡拓撲、節點資源、鏈路資源；同時，由于用戶的移動，網絡覆蓋情況的變化，接入信號、接入資源也會發生變化，時延、丟包、抖動、帶寬變化等都不可避免，傳輸資源無法實時保證每個業務流的QoS。本文結合機動通信網絡的上述特點對融合通信服務的架構、協議、數據同步及媒體處理等進行了適應性研究，并給出了實現方法和驗證結果。

二、實現方法與途徑

融合通信服務是提供用戶連接、協作和共享服務的關鍵，需要從業務控制層解決異構傳輸手段接入與融合、業務即插即用和韌性抗毀等問題，采用了控制與業務、控制與承載分離的架構，架構龐大，控制流程復雜，應用在機動通信網絡需要解決網絡節點環境動態變化、接入資源保障差等網絡適應性問題，需滿足應用統一呈現、按需共享與協作需求，實現在高動態、弱鏈接環境下敏捷、高效、可靠地為會話類、數據類、協作類等業務提供有效的支撐服務。本文針對融合通信服務面臨架構龐大、控制流程復雜的問題，對架構和協議進行適應性設計，針對環境的動態變化和鏈路狀態的不穩定，采用媒體智能協商設計，從架構、控制和媒體層面保障融合通信服務在機動通信網絡中的適應性。

（一）架構設計

3GPP標準IMS（IP multimedia subsystem）中融合通信架構由大量的網元構成，主要針對固定網絡，控制流程復雜，業務處理資源要求高。在機動通信系統中，網絡用戶量相對較小，網元沒有分開部署的需要，可將網元合并以減少其相互之間的信令交互，提高業務響應速度。在保留控制與承載分離、業務與控制分離設計的基礎上，根據機動通信系統實際使用需求，裁剪和合并部分網元，針對控制流程可將P-CSCF、I-CSCF和S-CSCF合并為CSCF網元，針對數據將HSS和SLF合并為HSS網元等。

在網元裁剪和合并的同時，對業務處理功能進行簡化，如在呼叫被叫時需要I-CSCF去查詢HSS為該被叫分配的S-CSCF，再將呼叫路由到該S-CSCF。在機動通信系統網絡環境下，用戶量相對較少，每個用戶呼叫控制的CSCF不需要通過HSS分配，這個過程可以簡化，信令可直接發往被叫CSCF。

此外，業務觸發功能可以簡化，標準IMS的業務觸發功能是區分用戶的，由于用戶簽約的功能不同，用戶之間的觸發規則不一樣。這些規則統一用IFC（初始過濾規則）描述，配置在HSS的用戶數據中，通過IFC來判斷該用戶的信令應該觸發到哪個AS（應用服務器），判斷過程復雜且繁瑣。然而，在機動通信系統網絡通信中的用戶之間若不區分業務，用戶觸發的規則是相同的，所以不需要對IFC進行分析和處理，而是通過信令消息功能頭域直接觸發到相應的功能AS中，簡化業務觸發過程和處理復雜度。

（二）SIP協議設計

SIP協議是一個文本協議，占用的帶寬相對較大，如一個普通的SIP包就有500Bytes左右，一個帶有音視頻媒體描述的SDP包可達1000Bytes；在漫游、跨域互通、復雜業務的時候，SIP包長度會進一步增加。因此，須作SIP協議擴展及信令壓縮，構建適應機動通信網絡環境的SIP會話控制協議。

如何對SIP擴展取決于不同應用領域，本文針對機動通信網絡特點擴展了和ISDN用戶部分（ISUP）互通，提供即時消息和在線狀態（presence）服務，資源管理綜合，多方會議，安全認證和保密機制等的應用。通過對SIP協議進行協議擴展，增加對數據類業務和協作類業務的支持，將各類業務系統的“煙囪”效應減小趨于零，實現對各種業務進行統一控制，確保各種業務在機動通信網絡中可管可控，提高網絡利用率和使用效率。

為了適應機動通信系統中無線信道帶寬受限及傳輸延時，SIP信令需要進行壓縮，本文基于SigComp架構通用的壓縮方法，采用靜態字典、用戶自定義字典和共享壓縮的組合方案，可實現約14%的壓縮比，滿足SIP在無線系統中的應用。

（三）數據同步設計

在機動通信網絡中實現跨平臺、跨部門、跨地域通信，除了采用端到端的數據壓縮技術外，數據同步是需要考慮的重要環節，本文通過對節點內HSS/DNS、名址信息及信息數據目錄等網元進行歸一化設計，減少各網元跨節點獨立同步時檢測和操作的數據量。對各網元歸一化處理，由名錄服務統一進行鄰居檢測和鄰居數據交互判斷，減少獨立的鄰居檢測和鄰居數據交互判斷的數據同步次數和內容，如圖1所示。圖中名錄服務采用主動觸發的方式發起數據同步，用戶鑒權信息、簽約數據等固定信息僅在網絡開通時進行配置，當用戶移動，狀態信息發生改變時，同步用戶名址映射狀態信息，減少數據更新對網絡鏈路的占用。網絡條件允許時，這種主動觸發的數據同步盡量采用廣播信道及衛星進行，減少同步數據在網絡中的傳輸次數，未同步成功及新加入的節點采用就近拉取等方式進行同步。

（四）自適應媒體處理

基本音視頻業務是IMS網絡中最重要的業務，占用整個網絡主要資源，為了適應機動通信網絡的應用，本文從基于終端和網絡能力的智能媒體協商及視頻傳輸網絡自適應兩方面進行了設計。

1.基于終端和網絡能力的智能媒體協商

基于終端能力的媒體協商主要是解決常規信息系統中終端異構以及處理能力不匹配而導致無法通信的問題，標準的媒體協商機制是通過SDP協議承載的OFFER/ ANSWER機制，主要由參與會話的主叫與被叫終端進行自主協商，其原理是主叫終端在OFFER中提供主叫終端自身支持的媒體類型、編碼方式以及媒體地址。而被叫終端收到OFFER后比對自身的媒體能力，若不匹配則拒絕，若有匹配能力，則在ANSWER中選定其支持的媒體類型和編碼方式并攜帶被叫自身的媒體地址。但是這種機制將會帶來其協商出的媒體能力可能會不適合通信網絡的傳輸能力，或者主被叫終端媒體能力不匹配，無法建立會話。

本文采用智能媒體協商技術，在終端側除了攜帶自身的媒體參數外，還增加終端無線通信體制、終端通信能力、自身對媒體的處理能力等參數；另外，服務側也納入到媒體協商體系中。假設服務側提供全業務種類與全業務媒體編碼方式，服務側收到來自主叫的OFFER之后，根據網絡資源以及主叫側的媒體能力對SDP協議中OFFER的媒體描述信息進行增減，即增加服務側額外的媒體能力，刪減網絡資源無法承受的媒體能力，形成新的OFFER+，被叫終端收到后，在服務側的媒體能力中進行選擇，必然會選擇出適合通信網絡傳輸的媒體能力，最終產生ANSWER，服務側根據ANSWER中被叫終端的選擇結果生成相應的ANSWER+。以上處理方式，可提高網絡適應能力，將網絡資源和信道傳輸能力納入到媒體協商體系，服務側參與媒體協商決策過程，避免建立不適合網絡的業務；可降低對終端要求，使主被叫終端媒體能力不匹配情況下，也能讓呼叫成功建立；可通過轉換為特殊的編碼方式來適應高誤碼率、高延遲及高抖動情況，提高極端網絡條件適應能力。

2.視頻傳輸網絡自適應

視頻傳輸自適應技術是從傳輸控制策略、信道編碼策略、信源編碼策略和業務應用四個方面進行媒體的自適應。傳輸控制策略通過端到端的QoS保障策略，傳輸層為視頻傳輸預留傳輸資源，保障高優先級的音視頻業務優先傳輸，同時周期性地向上層應用通知網絡資源情況。在信道編碼策略方面，基于不同信道的糾錯編碼外，可增加在端到端采用如RS+BCH類似的算法，進行信道容錯處理。在信源編碼策略方面，端到端采用支持窄帶傳輸條件的碼率自適應AMR語音編解碼和具有高視頻壓縮效率的H.265或H264-HP視頻編解碼。碼率自適應技術根據當前的傳輸帶寬情況，動態調整音頻和視頻編碼碼率。當碼率高于傳輸帶寬時，降低碼率，損失一定的話音和圖像質量，保證網絡正常運行。在業務應用方面，采用丟包監測、智能丟包重傳，帶寬監測等技術，可進一步克服網絡環境對實時視頻傳輸造成的影響。

3、 效果驗證

按本文方案搭建模擬機動通信網絡環境，分別通過調整網絡帶寬、網絡丟包和網絡抖動的參數來驗證架構、協議、數據同步及媒體處理后的實際效果。IMS架構及協議通過處理前后的對比驗證，測試結果呼叫信令平均處理時延從5.379ms減小到了2.571ms，效率顯著提升。視頻傳輸采用H.264-HP視頻編解碼，初始視頻分辨率720P，初始幀率為30幀，初始帶寬限制為 2Mbps，通過模擬網絡帶寬從寬到窄變化情況，結果表明在100Kbps帶寬時，分辨率自動下調到QCIF，幀率自動下調到10幀。雖然碼率下降，但仍然可以流暢傳輸視頻，而在自適應處理前512Kbps帶寬的情況下就會出現視頻傳輸不流暢，卡頓頻繁。網絡丟包驗證的結果表明在丟包率15%～20%范圍才會出現視頻偶發卡頓現象，自適應處理前1%～3%丟包率情況下就會出現嚴重卡頓，效果明顯改善。網絡抖動驗證結果表明在網絡抖動1000ms時，視頻依然流暢清晰，而在自適應處理前200～600ms抖動情況下就會出現明顯延時。

四、結論

本文結合機動通信系統的信道帶寬受限、時延、抖動等網絡特點，從融合通信服務相關技術的基礎上提出了包括架構、協議、數據同步及媒體傳輸等方面適應性設計方法，并在特定網絡環境下作了模擬驗證，結果表明本方案取得了良好的效果，可有效解決高動態、弱鏈接環境下會話類、數據類、協作類等業務的敏捷、高效、可靠服務。但由于機動通信系統的復雜性，不同的應用場景和行業有其獨有的特點，針對機動通信系統中常用的超短波、短波及集群通信等信道帶寬更低的信道，是下一步研究的內容。總的來說，本文從通用技術的角度對機動通信系統中融合通信服務的適應性進行了研究及驗證，實際工程應用時還需要結合特定的系統進行分析和評估，并作相應裁剪和綜合應用。

作者單位：廣東省廣州市中國電子科技集團公司第七研究所