机动通信系统中融合通信服务适应性研究

张云勇 郭水平

一、引言

在机动通信系统中，融合通信服务通过与接入控制、传输控制、云平台、应用服务的集成与整合，为移动用户、通信台站、指控应用平台提供业务的随遇接入、信息的快速获取、态势动态感知等功能，可实现跨平台、跨部门、跨地域的实时业务交互和资源共享。然而，机动通信网络链路状态会随现场态势的变化而变化，会动态调整节点网络拓扑、节点资源、链路资源；同时，由于用户的移动，网络覆盖情况的变化，接入信号、接入资源也会发生变化，时延、丢包、抖动、带宽变化等都不可避免，传输资源无法实时保证每个业务流的QoS。本文结合机动通信网络的上述特点对融合通信服务的架构、协议、数据同步及媒体处理等进行了适应性研究，并给出了实现方法和验证结果。

二、实现方法与途径

融合通信服务是提供用户连接、协作和共享服务的关键，需要从业务控制层解决异构传输手段接入与融合、业务即插即用和韧性抗毁等问题，采用了控制与业务、控制与承载分离的架构，架构庞大，控制流程复杂，应用在机动通信网络需要解决网络节点环境动态变化、接入资源保障差等网络适应性问题，需满足应用统一呈现、按需共享与协作需求，实现在高动态、弱链接环境下敏捷、高效、可靠地为会话类、数据类、协作类等业务提供有效的支撑服务。本文针对融合通信服务面临架构庞大、控制流程复杂的问题，对架构和协议进行适应性设计，针对环境的动态变化和链路状态的不稳定，采用媒体智能协商设计，从架构、控制和媒体层面保障融合通信服务在机动通信网络中的适应性。

（一）架构设计

3GPP标准IMS（IP multimedia subsystem）中融合通信架构由大量的网元构成，主要针对固定网络，控制流程复杂，业务处理资源要求高。在机动通信系统中，网络用户量相对较小，网元没有分开部署的需要，可将网元合并以减少其相互之间的信令交互，提高业务响应速度。在保留控制与承载分离、业务与控制分离设计的基础上，根据机动通信系统实际使用需求，裁剪和合并部分网元，针对控制流程可将P-CSCF、I-CSCF和S-CSCF合并为CSCF网元，针对数据将HSS和SLF合并为HSS网元等。

在网元裁剪和合并的同时，对业务处理功能进行简化，如在呼叫被叫时需要I-CSCF去查询HSS为该被叫分配的S-CSCF，再将呼叫路由到该S-CSCF。在机动通信系统网络环境下，用户量相对较少，每个用户呼叫控制的CSCF不需要通过HSS分配，这个过程可以简化，信令可直接发往被叫CSCF。

此外，业务触发功能可以简化，标准IMS的业务触发功能是区分用户的，由于用户签约的功能不同，用户之间的触发规则不一样。这些规则统一用IFC（初始过滤规则）描述，配置在HSS的用户数据中，通过IFC来判断该用户的信令应该触发到哪个AS（应用服务器），判断过程复杂且繁琐。然而，在机动通信系统网络通信中的用户之间若不区分业务，用户触发的规则是相同的，所以不需要对IFC进行分析和处理，而是通过信令消息功能头域直接触发到相应的功能AS中，简化业务触发过程和处理复杂度。

（二）SIP協议设计

SIP协议是一个文本协议，占用的带宽相对较大，如一个普通的SIP包就有500Bytes左右，一个带有音视频媒体描述的SDP包可达1000Bytes；在漫游、跨域互通、复杂业务的时候，SIP包长度会进一步增加。因此，须作SIP协议扩展及信令压缩，构建适应机动通信网络环境的SIP会话控制协议。

如何对SIP扩展取决于不同应用领域，本文针对机动通信网络特点扩展了和ISDN用户部分（ISUP）互通，提供即时消息和在线状态（presence）服务，资源管理综合，多方会议，安全认证和保密机制等的应用。通过对SIP协议进行协议扩展，增加对数据类业务和协作类业务的支持，将各类业务系统的“烟囱”效应减小趋于零，实现对各种业务进行统一控制，确保各种业务在机动通信网络中可管可控，提高网络利用率和使用效率。

为了适应机动通信系统中无线信道带宽受限及传输延时，SIP信令需要进行压缩，本文基于SigComp架构通用的压缩方法，采用静态字典、用户自定义字典和共享压缩的组合方案，可实现约14%的压缩比，满足SIP在无线系统中的应用。

（三）数据同步设计

在机动通信网络中实现跨平台、跨部门、跨地域通信，除了采用端到端的数据压缩技术外，数据同步是需要考虑的重要环节，本文通过对节点内HSS/DNS、名址信息及信息数据目录等网元进行归一化设计，减少各网元跨节点独立同步时检测和操作的数据量。对各网元归一化处理，由名录服务统一进行邻居检测和邻居数据交互判断，减少独立的邻居检测和邻居数据交互判断的数据同步次数和内容，如图1所示。图中名录服务采用主动触发的方式发起数据同步，用户鉴权信息、签约数据等固定信息仅在网络开通时进行配置，当用户移动，状态信息发生改变时，同步用户名址映射状态信息，减少数据更新对网络链路的占用。网络条件允许时，这种主动触发的数据同步尽量采用广播信道及卫星进行，减少同步数据在网络中的传输次数，未同步成功及新加入的节点采用就近拉取等方式进行同步。

（四）自适应媒体处理

基本音视频业务是IMS网络中最重要的业务，占用整个网络主要资源，为了适应机动通信网络的应用，本文从基于终端和网络能力的智能媒体协商及视频传输网络自适应两方面进行了设计。

1.基于终端和网络能力的智能媒体协商

基于终端能力的媒体协商主要是解决常规信息系统中终端异构以及处理能力不匹配而导致无法通信的问题，标准的媒体协商机制是通过SDP协议承载的OFFER/ ANSWER机制，主要由参与会话的主叫与被叫终端进行自主协商，其原理是主叫终端在OFFER中提供主叫终端自身支持的媒体类型、编码方式以及媒体地址。而被叫终端收到OFFER后比对自身的媒体能力，若不匹配则拒绝，若有匹配能力，则在ANSWER中选定其支持的媒体类型和编码方式并携带被叫自身的媒体地址。但是这种机制将会带来其协商出的媒体能力可能会不适合通信网络的传输能力，或者主被叫终端媒体能力不匹配，无法建立会话。

本文采用智能媒体协商技术，在终端侧除了携带自身的媒体参数外，还增加终端无线通信体制、终端通信能力、自身对媒体的处理能力等参数；另外，服务侧也纳入到媒体协商体系中。假设服务侧提供全业务种类与全业务媒体编码方式，服务侧收到来自主叫的OFFER之后，根据网络资源以及主叫侧的媒体能力对SDP协议中OFFER的媒体描述信息进行增减，即增加服务侧额外的媒体能力，删减网络资源无法承受的媒体能力，形成新的OFFER+，被叫终端收到后，在服务侧的媒体能力中进行选择，必然会选择出适合通信网络传输的媒体能力，最终产生ANSWER，服务侧根据ANSWER中被叫终端的选择结果生成相应的ANSWER+。以上处理方式，可提高网络适应能力，将网络资源和信道传输能力纳入到媒体协商体系，服务侧参与媒体协商决策过程，避免建立不适合网络的业务；可降低对终端要求，使主被叫终端媒体能力不匹配情况下，也能让呼叫成功建立；可通过转换为特殊的编码方式来适应高误码率、高延迟及高抖动情况，提高极端网络条件适应能力。

2.视频传输网络自适应

视频传输自适应技术是从传输控制策略、信道编码策略、信源编码策略和业务应用四个方面进行媒体的自适应。传输控制策略通过端到端的QoS保障策略，传输层为视频传输预留传输资源，保障高优先级的音视频业务优先传输，同时周期性地向上层应用通知网络资源情况。在信道编码策略方面，基于不同信道的纠错编码外，可增加在端到端采用如RS+BCH类似的算法，进行信道容错处理。在信源编码策略方面，端到端采用支持窄带传输条件的码率自适应AMR语音编解码和具有高视频压缩效率的H.265或H264-HP视频编解码。码率自适应技术根据当前的传输带宽情况，动态调整音频和视频编码码率。当码率高于传输带宽时，降低码率，损失一定的话音和图像质量，保证網络正常运行。在业务应用方面，采用丢包监测、智能丢包重传，带宽监测等技术，可进一步克服网络环境对实时视频传输造成的影响。

3、 效果验证

按本文方案搭建模拟机动通信网络环境，分别通过调整网络带宽、网络丢包和网络抖动的参数来验证架构、协议、数据同步及媒体处理后的实际效果。IMS架构及协议通过处理前后的对比验证，测试结果呼叫信令平均处理时延从5.379ms减小到了2.571ms，效率显著提升。视频传输采用H.264-HP视频编解码，初始视频分辨率720P，初始帧率为30帧，初始带宽限制为 2Mbps，通过模拟网络带宽从宽到窄变化情况，结果表明在100Kbps带宽时，分辨率自动下调到QCIF，帧率自动下调到10帧。虽然码率下降，但仍然可以流畅传输视频，而在自适应处理前512Kbps带宽的情况下就会出现视频传输不流畅，卡顿频繁。网络丢包验证的结果表明在丢包率15%～20%范围才会出现视频偶发卡顿现象，自适应处理前1%～3%丢包率情况下就会出现严重卡顿，效果明显改善。网络抖动验证结果表明在网络抖动1000ms时，视频依然流畅清晰，而在自适应处理前200～600ms抖动情况下就会出现明显延时。

四、结论

本文结合机动通信系统的信道带宽受限、时延、抖动等网络特点，从融合通信服务相关技术的基础上提出了包括架构、协议、数据同步及媒体传输等方面适应性设计方法，并在特定网络环境下作了模拟验证，结果表明本方案取得了良好的效果，可有效解决高动态、弱链接环境下会话类、数据类、协作类等业务的敏捷、高效、可靠服务。但由于机动通信系统的复杂性，不同的应用场景和行业有其独有的特点，针对机动通信系统中常用的超短波、短波及集群通信等信道带宽更低的信道，是下一步研究的内容。总的来说，本文从通用技术的角度对机动通信系统中融合通信服务的适应性进行了研究及验证，实际工程应用时还需要结合特定的系统进行分析和评估，并作相应裁剪和综合应用。

作者单位：广东省广州市中国电子科技集团公司第七研究所