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3G网络可视电话技术与互通分析pdf

发布时间:2019-05-20 16:43 来源:未知 编辑:admin

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  南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文 第一章 绪论 第一章 绪论 1.1 研究背景和研究目的 可视电话业务(VT ,VideoTelephone )是一种最基本的多媒体通信形式,它要求在传统 语音通信的同时能够实时传送通话方的图像,因此对网络带宽和时延抖动都提出了严格的 要求。一直以来传统 PSTN 普通电话业务承担了大部分的通信总量,但由于传统 PCM 的 64Kbps 的电路交换模式很难适应可视电话的大数据量,因此在引入 ISDN 以后ITU-T 才有 了可视电话的 H 系列标准,随着以 IP 分组业务为核心的 Internet 的发展,在局域网和互联 网上开展的H323 系列和以 SIP 为控制协议的可视电话业务比较成熟且应用广泛。近年来随 着 3G 移动通信的技术进步,在核心网部分除了电路域 CS 以外还引入分组域 PS 和多媒体 子系统 IMS 域,因此可视电话业务的技术在实现上有了更多的选择。 目前,国内3G 网络主要为 cdma2000,TD-SCDMA 和 WCDMA 三种制式,分别由电 信,移动和联通三家运营商经营发展。由于各制式的技术特点有差别在实现可视电话业务 的技术方式还有很大的不同,WCDMA/TD-SCDMA 这两种系统采用在 CS 电路域方式下基 于 3G-324M 协议实现,而 cdma2000 系统采用的是在 PS 分组域方式下基于 SIP 协议实现, 而且只在 cdma2000 EV-DO Rev.A 系统上实现分组域可视电话业务。另外由于少数运营商还 引入了 IMS 系统,所以基于 IMS 的可视电话业务也在个别城市开通。从 08 年 5 月最近的 一次运营商重组至今三种制式的网络已经全面建设,丰富多彩的 3G 业务正迅速商用,其中 个人视频通信业务也正在展开。但是各系统所采用的技术特点有明显区别,导致各个运营 商目前只在本网内部实现可视电话业务互通,而跨网的异种协议的互通则没有实现,这不 仅仅因为政策方面的影响,更多的是由于技术实现上有难度。 本文正是基于这样的背景,选择从 3G 网络的各种制式的技术特点分析出发,对基于 3G-324M 和 SIP 协议为基础的可视电话技术重点研究,探讨电路域和分组域互通实现的技 术难点所在,分析呼叫流程和功能模块,设计视频网关的互通模型,最终通过基于 Asterisk 的开源系统寻求实现不同制式可视业务互通的途径,对当前业务互通具有参考价值,同时 也有较强的现实意义和工程意义。 1.2 可视电话相关技术与标准发展现状 可视电话延用了普通 PSTN 电话的概念,但在终端和网络技术上同其有较大的差别, 可视电话终端需要专用的软件和硬件平台的协议栈来支持,在网络层面还需要提供媒体编 [1] 码转换和路由选择等的功能模块 。 1 南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文 第一章 绪论 1.2.1 可视电话相关技术与标准 压缩技术 音频部分主要涉及的压缩编码标准有: 1)G.711 :PCM 标准其速率为 64kbps,使用μ律或A 律的非线 :它采用多脉冲激励最大似然量化(MP-MLQ )算法,用于多媒体传输的 5.3kbps 或 6.3kbps 双速率线kbps 的共轭结构代数码激励线性预测(CS-ACELP )算法,在无线 移动网和计算机通信系统中应用。 4 )AMR :它是3G 网络中重要的语音编码,它是一种让容错度随无线] 的改变而改变的自适应编码 ,有 8 种以码激励线性预测编码 CELP 技术为基础的多码率是 4.75 、5.15、5.90、6.70、7.40 、7.95 、10.2、12.2kbps,还有低速率的背景噪声编码。另外 自适应多速率宽带编码AMR-WB 有从 6.60kbps 到 23.85kbps 的 9 个速率,同 G.722.2 更容 易实现 3G 与 IP 固定网之间的互通。 视频部分主要涉及的压缩编码标准有: 1)H.261 :称为P ×64kbps 标准(P =1,2…,30 ),视频压缩算法的核心是运动估值预测 和 DCT 编码,主要用于电视电线kbps 比特率的窄带通道视频编码建议,其信源编码算法仍然是 帧间预测/DCT 混合编码,但与 H.261 不同的是,它采用半象素的分辨率进行运动补偿,它 处理的图象格式可以覆盖从 sub-QCIF 到 16CIF,而且,H.263 还提供了 4 种可协商选择的 [3] 编码方法 :无限制范围的运动矢量、基于语法的算法编码方法、先进预测和 PB 帧。H.263+ 建议增加了许多新技术,提高重建图象的主观质量以及加强对编码比特率的控制。 3 )MPEG-4 :它基于内容的交互性和可扩缩性,具有高压缩率,易错环境中的抗错性 的特点,主要是针对多媒体应用的,对可移动性的视频编码速率为 5~64kbps,而对影视应 用最高速率可达 2Mbps 。 同步技术 在实时可视电话系统中,通信线路的延时抖动、操作系统调度的实时性等都会影响到 整个通话过程的同步。语音或者视频流内部的同步,可采用特殊的帧结构设计来实现。为 满足实时可视通话唇齿同步要求,目前采用音频编解码后加入等待时间的简单办法处理与 视频同步的要求,这属于不同媒体信息合成的中层同步,也可能采用信道技术和时间戳等 技术完成底层的媒体内系统同步和上层的用户应用级同步[4] 。 2 南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文 第一章 绪论 终端技术 可视电话终端作为人机交互的界面,对用户提供一种自然友好的交互环境,对网络则 [5] 下达其所需实施的各种功能 。传统的PSTN H324 终端通过 ITU-T V.34 调制解调器连接到 PSTN 网,在通话建立后,遵循ITU-T V.8 或 V.8 bis ,通过H.245 能力协商建立可视电话。 而基于 ISDN 网络的终端则由于数字化使得通话效果好。利用 IP 网络的可视电话终端从实 现方式可分为硬终端和软终端,采用专用硬件设备实际上就是专用终端,类似 SIP 终端, H323 终端等,软终端则是利用计算机摄像头、耳麦等多媒体设备通过软件实现的 VT 终端。 此外由于 3G 网络带宽问题得到基本解决,则产生了移动视频终端技术,例如3G 移动终端 从硬件功能上可分为基带处理芯片,射频链路处理电路,电源管理芯片三个部分[6] ,另外对 于可视电话来说,移动终端的液晶显示技术 TFT、LCD 、OLED,摄像头技术 CCD、CMOS, 存储设备的缓存技术 SRAM、MCP 也是极为重要的部分,成为了研究的热点。 技术标准 ITU-T 就视频通信 H 系列的建议和标准是专门针对交互式视频会议业务而制定的,主 要有 H.320 窄带可视电话系统和终端(N-ISDN ),H.310 宽带视听终端与系统(B-ISDN ), H.321 B-ISDN 环境下 H.320 终端设备的适配,H.322 提供保证服务质量的局域网可视电线 提供不保证服务质量的局域网可视电线 低比特率多 媒体通信终端等几种[7] 。目前的可视电话业务在分组域网络中广泛使用H323 和 SIP 协议, 而在移动通信网络中时则使用 3G-324M 系列,这是本文重点讨论的可视电线] 后面的章节将予以详细分析。表 1-1 描述了 H 系列国际标准的组成部分及应用场合 。 表 1-1 H 系列国际标准的组成部分及应用场合 终端 H.320 H.321 H.322 H.323 H.324 通信网络 N-ISDN B-ISDN LAN QoS LAN no QoS GSTN 标准时间 1990 1995 1995 1996 1996 视频编码 H.261 H.261 H.261 H.263 H.261 H.263 H.261 音频编码 G.711 G.722 G.728 G.711 G.722 G.728 G.711 G.722 G.728 G.723.1 G.723.1 数据复用 H.221 H.221 H.221 H.255.0 H.223 信令控制 H.230 H.242 H.242 H.230 H.242 H.245 H.255.0 H.245 传输接口 I.400 I.400 I.400 TCP/IP TCP/IP V.34/V.80 1.2.2 可视电话质量标准要求 由于人感知能力有限,对图像和声音的微小差别人的视觉和听觉很难察觉。通常人的 听觉比视觉更为敏感一些,在视频流中个别数据的出错是很难被发现,但在音频流中,如 果出现相同数量的错误,则可能被人的听觉分辨出来。因此,在可视电话的通话质量的标 准要求上,音频信息对网络的抖动、差错率的要求要比视频信息高。这种高标准在移动通 3 南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文 第一章 绪论 信网络中要求苛刻[6] [8] ,故只有在 3G 网络带宽的问题逐步解决后才引入可视电话业务。 其主要包含延迟要求,延迟抖动和同步要求三种。延迟要求即传输延迟,它是衡量网 络性能的重要参数,一般传输延迟时间由端口延迟、位传输延迟和网络传输延迟组成。在 交互式的实时可视电话应用中,端到端延时应当在 40~500ms 之间,一般语音信号应在 40ms 左右。延迟抖动是指各个媒体数据到达接收端延迟时间的最大变化量,即端到端延迟的最 大值与最小值之差,当这种延迟比较大时,画面就会出现抖动,影响到播放的质量。对于 可视电话的媒体流传输来说,应将延迟抖动限制在 200ms 内,有利于改善所接收的音频和 视频的质量。 此外由于音频与视频等不同类型的媒体可能经过不同的信源或从不同编解码 器经过,因此同步性要求网络不仅要实时地传输媒体数据,而且要在传输过程中保持媒体 数据之间在时序上的同步约束关系。这样才能形成一种整体协调的表现,如唇齿同步,需 要严格保持声频与视频的同步配合,如果视频和伴音相差数秒的话,必定是不可忍受的。 1.3 移动通信技术现状与实现可视电线 移动通信发展现状和趋势 第一代模拟蜂窝通信系统 1G 主要采用了蜂窝组网技术,模拟语音调制技术和频分多址 FDMA 技术。仅提供语音服务,不能传输数据,并且制式多,保密性差,不能自动漫游, 通话质量不高,设备成本过高等。代表系统有 AMPS 、NTT 、NMT 、TACS 。第二代数字蜂 窝移动通信系统 2G 主要采用数字的时分多址技术 TDMA 和码分多址技术 CDMA,它提供 语音业务和低速数据业务。代表系统有 GSM (技术标准成熟发展规模大)、D-AMPS (容量 较大)和 PDC (频谱利用率较高)以及高通公司为首研制的基于IS-95 的N-CDMA ,其数 据传输速率只有 9.6bit/s 到 32kbit/s 。后期对数据业务的增强还有2.5G/2.75G 系统 cdma2000 1X、GPRS、IS-95 B、EDGE 等。如图 1-1 所示各个阶段[9] 的发展概况。 图 1-1 移动通信发展的现状和趋势 4 南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文 第一章 绪论 当前正处于第三代移动通信系统 3G 时代。主流 3G 标准都采用 CDMA 技术,引入大 量数据和增值业务。3G 的优点包括高频谱利用率、从电路交换到分组交换、从媒体到多媒 体、全球无缝漫游。其不足是所采用的语音交换架构仍沿袭了 2G 的电路交换而不是纯 IP 方式,传输效率不理想,也缺乏全球统一制式标准。IMT-2000 无线G 的主流标准有欧洲提出的WCDMA 、美国提出的 cdma2000 和 我国提出的 TD-SCDMA( 中国电信技术研究院研发) 作为 3G 的无线 月 ITU 批准 WiMAX 以OFDMA WMAN TDD 名称也做为 3G 的标准之一(IEEE 802.16x )。 表 1-2 六种IMT-2000 无线接口标准 多址技术 无线接口标准 对应系统 IMT-2000 CDMA DS WCDMA CDMA IMT-2000 CDMA MC cdma2000 IMT-2000 CDMA TDD TD-SCDMA 和 UTRA TDD IMT-2000 TDMA SC UMC-136 TDMA IMT-2000 FDMA/TDMA DECT OFDMA WIMAX WIMAX 802.16m 随着 E3G ,LTE 等技术标准的进一步完善,第四代移动通信 4G 标准逐渐成熟。4G 用 到可使移动终端和基站系统升级变得十分便捷的软件无线电技术,可使数据速率从 2Mbps 提高到 1Gbps,对全速移动用户能够提供 150Mbps 的高质量服务的新调制技术,可提供数 字波束成形等信号自动跟踪功能的智能天线技术,与宽带 IP 网络实现多媒体通信的宽带网 络技术。4G 具体技术和架构目前还没有统一的标准, ITU-R 将于 2011 年底前完成 4G 国 际标准建议书编制工作,2012 年初正式批准发布 4G 国际标准建议书。 1.3.2 3G 主要制式技术特点与实现可视电线G 标准的技术细节则主要由以欧洲为主体的 3GPP 和以美国为主体的 3GPP2 负责,再 根据 ITU 建议进一步完成。其中,3GPP 主要制定基于 GSM MAP 核心网的系统标准,其无 线接入网标准则基于 DS-CDMA (即WCDMA FDD 模式)和 CDMA TDD (UTRA TDD 和 TD-SCDMA );而 3GPP2 制订基于 IS-41 核心网的系统标准,其无线] MC-CDMA (即cdma2000,FDD 模式)。其技术演进 示意图如图 1-2 所示。 5 南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文 第一章 绪论 图 1-2 3G 主要制式技术特点和演进路线xAdvanced。数据方面是从 1x 标准演进到 cdma2000 EV-DO Rev.0 标准,然后演进到 Rev.A 以及Rev.B ,之后由于高通不再支持 Rev.C ,cdma2000 有可能绕过 CDMA 技术向 LTE 演进到达 IMT-Advanced 4G 系统。 Rev.0 采用信道时分、优化调度和速率控制等技术,在 1.25MHz 载波上,峰值前向速率 可达 2.4Mbit/s ,峰值反向速率则为 153Kbit/s。由于反向链路的不对称性难以保证QoS,无 法实现可视电话业务。Rev.A 前向链路峰值速率提升到 3.1Mbit/s,反向链路峰值速率提升 到 1.8Mbit/s。通过分集和均衡技术小区前反向容量均衡,前向扇区平均容量可以达到 1.5Mbit/s,反向也达到 600-1200Kbit/s 。全面支持QoS、低接入、低传输和低切换时延。由 于大幅度提升的前反向峰值速率和平均小区容量以及对 QoS 的支持,Rev.A 系统可以支持 很多对 QoS 有较高要求的新业务,如可视电话、Push-to-Connect 、VoIP 业务、即时多媒体 通信(IMM) 以及广播/ 多播应用。现网正处于该阶段,因此本文予以重点讨论。Rev.B 支持多 载波和高阶调制,采用 3 载波时前向峰值速率可达 9.3Mbit/s,反向峰值速率可达 5.4Mbit/s, 采用 64QAM 高阶调制,前向峰值速率可达到 14.7Mbit/s。由于有效地均衡系统负载、提高 稳定性和服务质量,Rev.B 可更有效地支持可视电话等实时业务。该系统并未全面商用,因 此本文也不予讨论。 WCDMA / TD-SCDMA 系统 WCDMA 是基于 GSMMAP 核心网,以 UTRAN (UMTS 陆地无线 南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文 第一章 绪论 的 3G 系统。WCDMA 分阶段引入 IP,目标实现全网的IP 化,标准比较完善,制定严谨, 适应高速无线数据业务的需求,正在向 LTE 和 IMT-Advanced 演进。 3GPP 标准的 R99 版本继承 GSM/GPRS 的所有业务,核心网分为PS 域和 CS 域,引入 WCDMA 的UTRAN 。R4 版本则在 CS 域引入控制和承载分离,MSC 分为 SERVER 和MGW , 支持分组话音和 TDM、ATM 、IP 多种传输技术,速率 384Kbps 。R5 版本引入 HSDPA ,在 核心网引入 IMS,增强的IP QOS 能力支持端到端的 IP 多媒体业务,速率 1.8M/3.6Mbps。 R6 版本 HSUPA ,IMS 增强,并引入多媒体多播业务 MBMS ,速率为 6-8Mbps 。R7 版本 HSPA+ ,引入 16QAM,MIMO 技术,上下行速率为 11Mbps/21Mbps;R8 版本 LTE 、SAE, 采用 OFDM,MIMO 等技术,上下行速率为 50Mbps/100Mbps;R9 版本增强的 LTE ,可实 现定位的支持,下行传输增强,eMBMS 等;R10 版 LTE-Advanced 基本上符合或超过 ITU IMT-Advanced 标准,采用分布式天线 CoMP,扩展 MIMO ,载波聚合等技术,下行速率可 达 1Gbps。 TD-SCDMA 国内有其行标,在2001 年 3 月被 3GPP 纳入 R4 版本后,其标准化的进程 被 3GPP TDD 的标准涵盖,基本同WCDMA 同步。我国的LTE-TDD 标准在世博会成功商 用后正在制定的 TDD-LTE-Advanced 成为 4G 的候选标准之一。 两个系统的可视电线 版本后在 CS 域发展比较成熟,本文则把基于现网运行 的R4 版本下,利用 CS 域的 3G-324M 协议实现的可视电话做为研究重点。 WiMAX 系统 WIMAX 是基于无线城域网 WMAN 的IEEE 802.16X 系列标准,即全球微波互联接入。 它是一项能提供面向互联网的高速连接,传输距离可达 50km 的新兴宽带无线接入技术。 WiMAX 具有 QoS 保障、传输速率高、业务丰富多样等优点。普遍关注的是 802.16m 支持 WIMAX 和 4G 相关规范,移动状态达 100Mbit/s,固定状态达 1Gbit/s。WiFi 是基于无线局 域网 WLAN 的IEEE 802.11X 系列标准,即无线保真。如果 Wi-Fi 拥有像 WiMax 的授权无 线电频段,那么他们之间的传输范围、接入速率和加密算法等水平基本相当,只是在移动 性上 WiFi 没有 WiMax 适应性更强,从某种程度上讲,WiMAX 是超大规模 Wi-Fi 无线网络。 本文则利用 WiFi 的易于实现的网络形式模仿WiMAX 进行 3G 网络的可视电线 思路方法和内容安排 本文的研究从移动通信更新换代的技术发展趋势来研究可视电话的技术和标准演进发 展,从基本理论分析和研究开始,到可视电话业务互通的实现细节的讨论和视频互通网关 7 南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文 第一章 绪论 VIG (Video Interconnect Gateway )的设计,再到各种网络情况下的基于不同协议互通实验, 全面探讨了可视电话业务,理论联系实际是本文偏向于工程实践的特点。本文的内容安排 如下: 第一章是绪论部分,主要讨论本文的研究背景和研究意义,对可视电话技术标准和质 量标准要求现状进行了研究,从移动通信发展现状阐述了各个制式的技术发展趋势和现阶 段的 3G 可视电话业务的主要技术特点和存在问题,并说明本文的思路方法和内容安排。 第二章研究 3G 网络的可视电线G 网络的可视电话技术,从基于 CS 域的 3G-324M 协议的 WCDMA/TDSCDMA 可视电话技术,基于 PS 域的 SIP 协议的 cdma2000 EV-DO Rev.A 可视电话技术和基于IMS 域的可视电话业务结构体系三个方面来深 入探讨可视电话业务的实现方式。 第三章则是 3G 网络中基于异种协议的可视电话互通分析与设计。首先是对3G 网络中 基于异种协议的 VT 业务互通的理论分析,包括基于 3G-324M 协议的终端之间,基于 SIP 协议的终端之间和基于 3G-324M 协议同基于 SIP 协议终端之间的可视电话互通的流程分析 和技术特点阐述,然后对基于 3G-324M 协议互通基于 SIP 协议的 VIG 视频网关进行了逻辑 框架部分设计,包括框架结构和功能模块,地址转换和消息映射,呼叫流程和媒体编码转 换以及呼叫状态机模型等都予以充分讨论研究。 第四章讨论利用 Asterisk 开源系统作为 VIG 的模型来测试各种协议标准下的可视电话 互通实验。首先是介绍了 Asterisk 开源软件的功能模块和呼叫流程,然后是详细描述调试 Asterisk+ubuntu+libh324m 的编译过程。实验部分则分为实验室环境下和实际运行网络环境 下的 VT 互通试验,测试了 SIP 终端之间 VT 互通,进行了 WIFI 手机终端 WLAN 方式下的 SIP 终端 VT 互通实验,以及 WCDMA 实验室和实际运行网络环境下 SIP 终端同 3G-324M 终端之间的 VT 互通实验,并对配置文件和测试结果进行了分析阐述,对互通技术细节研究 的进一步深化。 第五章是总结和展望部分,通过对全文的总结全面认识了移动通信的技术实现可视电 IMS 需要共存。 话的特点,对 IMS 和三网融合的多媒体通信发展予以展望,指出 CS 与 PS 、 8 南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文 第二章 3G 网络中可视电话相关技术分析 第二章 3G 网络中可视电话相关技术分析 前文已对 3G 网络的技术特点和可视电话的相关技术进行了阐述,本章则提出的是 3G 网络可以概括的分为电路域CS、分组域PS 和 IP 多媒体子系统 IMS 域三个域,它们有着各 自不同的特点,本章则针对这三个域下可视电线M 的 CS 域 WCDMA/TD-SCDMA 可视电线 协议指定了如何用同步 V.34 Modem 来进行基于 POTS 的多媒体通信。目前固定 电话的可视电线M 协议则是为了在无线或移动产业扩展这种标 准,为移动应用而扩充的功能就是 H.324M ,简称H.324 标准的“移动部分”扩展[12-15] 。在 H.324 附件 C 和 H.223 附件A 、B 、C 中都分别做了定义,H.223 移动部分附件在错误保护 和控制方面做了一些功能定义,这些都有效地增强了多路复用器在无线网络环境中抗数据 通信错误的能力。 而 3G-324M 协议是 3GPP 采纳了 H.324M 作为电路型视频通线 中做了补充,从而形成了3G-324M 的标准,被其采纳的建议被命名为 3G-324M, 其协议的结构规范如图 2-1 所示,它[12-15]可以在无线电路交换网络支持实时多媒体服务应 用。其主要规定的内容就是音频和视频以及用户数据的输入输出接口程序,把这些信息通 过适当的音频编码和视频编码后,有系统控制功能根据 H.223 复用协议和 H.245 的信令交 互协商机制得到主被叫双方认可的编码形式后,再送入基于物理层的无线网络接口部分从 而完成可视电话的接续功能。其基本的原理还是 H.324 系列的标准所包含的内容,只不过 由于无线网络的不稳定性该协议标准增加了更多的控制和复用的功能用来降低干扰。 H.223 协议[16]负责语音、视频、用户数据和控制数据的多路复用与分离,制定了多路音 频和视频信号在单个移动通讯信道的多路复用应用标准,并添加 H.223 附件B 用来保护复 用数据。H.223 适配层提供了逻辑信道的 QoS,AL1 用于传输数据和 H.245 控制消息,不提 供出错检测和恢复能力,而 AL2 提供 8 位 CRC 校验及可选顺序编码控制,适用于音频数据 传输,AL3 则提供了 16 位 CRC 校验和可选顺序编码,传输变长的 AL SDUs ,提供可选的 重传过程,适用于视频数据传输。H.223 多路复用技术为每种媒体类型指定了一个逻辑信道, 可以把不同源提供的多路比特流合并成单个比特流,在单路信道上进行传输。由于无线环 境数据传输的高位错误率,H.223 定义了不同操作模式用于处理传输出错。Level 0 提供同 步和比特填充,支持媒体、控制信息和数据包的混合传输,不提供容错功能;Level 1 使用 的同步机制可以有效增强易出错信道的传输性能,提高了 MUX-PDU 的同步传输性能,但 9 南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文 第二章 3G 网络中可视电话相关技术分析 在冲突发生时会发生某些出错风险;Level 2 是 Level 1 的进一步增强,提供更稳定的 MUX-PDU 数据帧;Level 3 提供了最稳定的传输方案,但在 3G-324M 中没有被采用。 图 2-1 3GPP 定义的 CS 域多媒体通信 3G-324M 协议规范 [括号内为可选项] H.245 协议制定了在各个阶段的消息控制交换标准[17] ,具有各种通信控制功能。H.245 实际上是一种带内信令,在通信链路建立过程中的终端能力的协商机制,它提供支持带编 码的简单重传协议(NSRP ,Numbered Simple Retransmission Protocol )和控制信道分段与重 组层(CCSRL,Control Channel Segmentation and Reassembly Layer )。主要的协商内容包括 在会话开始或发生冲突时由主终端确定通信状态的主从模式决定(MSD ,Master Slave Determination ),终端能力集合交换(TCS,Terminal Capability Set exchange ),逻辑通道信 令过程(Logical Channel Signalling Procedures ),复用表修改更新(Multiplex Table Entry Modification H.223 ),音视频和据模式请求(Audiovisual and Data Mode Request ),往返延迟 模式决定(Round-trip Delay Determination ),环路维护(Maintenance Loops ),命令和指示 (Commands and Indications )。当通信双方完成复用同步后,H.245 的呼叫控制即建立在逻 辑信道 0,并能保证其高度的可靠性。此外 H.245 因采用了压缩编码规则将抽象语法符号 ASN.1 消息编码成二进制数据,故在有限带宽下可高效传递消息。 2.1.2 TD-SCDMA/WCDMA 系统下可视电话业务的实现方式 在 TD-SCDMA/WCDMA 系统中,由于目前的可视电线M 协议结构, 是作为电路域的一种承载业务来实现的,因此,在 RDI/UDI 模式下,速率仅仅只能够达到 56Kbit/s/64Kbit/s 。较低的传输速率影响了它对音频及视频编解码协议的选择,决定了电路 域可视电话系统不可能采用大速率的编码方法[18] 。 10 南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文 第二章 3G 网络中可视电话相关技术分析 功能结构包括视频输入输出及编解码模块、音频输入输出及编解码模块、用户数据应 用功能模块、系统控制模块等[18-19] 。用于TD-SCDMA/WCDMA 电路域可视电话业务的视频 编码协议主要有 H.263 和 MPEG-4,其中 H.263 为必选项,而 MPEG-4 为可选项。将编码后 的流声音数据传输到H.223 的AL2 层。同时将H.223 解复用模块解出的音频数据进行解码, 并将解码的数据传输到相应的声音处理设备,如听筒、扬声器等。音频编码协议主要有 AMR 及 G723.1,其中,AMR 是必须支持的,而 G723.1 为可选支持。将被编码后的用逻辑信道 表示的视频码流、音频码流、数据信息及控制信息等复用成单一的输出码流,并将收到的 码流分解成各种多媒体码流,复用协议采用 ITU-T 的 H.223 协议。系统控制模块主要是保 证可视电话连接的正常建立、释放及提供可视电话会话过程中的信息控制,如终端间的主 从决定、能力交换、逻辑信道的打开与关闭等。TD-SCDMA/WCDMA 电路域可视电线 作为控制协议,如图 2-2 所示。 图 2-2 TD-SCDMA/WCDMA 电路域可视电话业务功能结构图 媒体编解码选择视频编解码要求必选支持 H.263 Profile 0 Level 10,可选支持 MPEG-4 Visual Simple Profile Level 0[18][20] 。可视电话的音频要求解码后语音清晰、平稳,背景噪声 适中,同时回声也要尽量小,如果图像格式采用 QCIF 时,那么要求语音与解码后的图像的 唇形应没有明显的失步现象。在编码时,由于传输速率的限制,一般要求语音编码速率小 于 13Kbit/s。在可视电话业务音频编码中,要求必选支持AMR 编码方式,可选支持 G723.1 音频编码方式,如果通信双方的终端都同时支持以上两种编码方式,则应选择使用 AMR 音 频编码方式。 音视频复用采用 H.223 复用协议[16][21] 。H.223 规定以逻辑信道的方式处理各种媒体信 11 南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文 第二章 3G 网络中可视电话相关技术分析 息。H.223 协议的主要任务是负责逻辑信道的适配与复用。各种不同的媒体信息,送到 H.223 的适配层后,形成不同编号的逻辑信道 LCN ,编号在 0-65535 之间,如视频逻辑信道、数 据逻辑信道、控制逻辑信道等。逻辑号 0 是指定用于控制逻辑信道的。H.223 的协议结构如 图2-3 所示,它由 2 层协议组成,即 AL 适配层和 MUX 复用层。H.223 的复用层并不承担 差错控制,每个逻辑信道的差错控制由 H.223 的适配层进行,它可以采用不同的差错控制 技术,包括但不仅仅限于误码检测和遇错重传方式。 图 2-3 TD-SCDMA/WCDMA 电路域可视电话业务音视频复用示意图 控制协议采用 H.245 协议[17][22] ,H.245 是一个普遍使用于基于分组复用的多媒体通信控 制协议,其主要内容包括终端间的主从决定、能力交换、双向逻辑信道信令、单向逻辑信 道信令、回程延迟决定、链路维护、打开和关闭逻辑信道、语音图像和数据通信模式优选 请求、H.223 复用表表项的传输、流量控制、通用命令和指示等。在 H.324 协议中定义了两 种传送多媒体系统控制 PDU 消息的方式:编号的简单重传协议帧 NSRP (必选)和调制解 调器链路接入过程 LAPM (可选)。支持可视电线 的附录A 、附录B ,可选支持H.223 的附录C、附录D 。H.324 中的通信控制信道 的数据协议之间的关系如图2-4 所示。 图 2-4 TD-SCDMA/WCDMA 电路域可视电线 南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文 第二章 3G 网络中可视电话相关技术分析 呼叫建立流程[23] [18]首先呼叫信令成功初始化,通信双方间的 64kbit/s 的透明数据传输 链路成功建立,324M 比特流将通过该链路传输,然后324M 终端将执行相互发送标志位序 列(对应 H.223 附件 A 、B 、C、D )来确定所能支持的最高移动多路复用电平,从而完成 选择 H.223 多路复用层,传输 H.223 复用协议数据单元帧 MUX-PDUS ,简单响应协议 SRP, 然后是终端交换能力 TCS,包括音视频能力和复用选项等,再确定终端的主从模式MSD 和 开放逻辑信道 OLC 用于承载音视频媒体,最后定义他们的复用表 MES 给远端解复用端再 完成 H.245 协商后建立通话进行媒体交换。 具体的呼叫建立流程如图 2-5 所示。用户 UE A 通过 TDSCDMA/WCDMA 网络呼叫 UE B 的可视电话业务,首先通过无线网络的专有业务信道DTCH 建立电路的链接,用到 的是Q.931 信令,这里最先发出的是进行无线资源连接 RRC Connction Request 消息,网络 回应 Setup 后,链接完成回送 Complete 消息。然后是 UE A 发送初始设备信息 initial UE message ,通过网络认证后完成安全模式确认 Security Mode Complete。接着再有UE A 发 送 SETUP 的初始呼叫信息,其中包含了主叫用户的承载信息即通信能力的重要参数,网 络收到后回送 CALL PROCEEDING 后发送无线承载的建立 Radio Bearer Setup 消息,UE A 确认后完成后回送 Complete 消息。此时网络发出 Paging Type 1 去寻找用户 UE B ,找到 后再进行类似 UE A 的呼叫流程。主要是无线资源和承载的建立,当UE B 收到 UE A 的 呼叫参数后,根据本端通信能力比对后回送ALETING 信息,进行 CONNECT 的确认后, 即完成了 CS 电路的建立。下一步则进行H.245 的协商,此时通过无线网络的专有业务控 制信道 DCCH 完成可视电话的协商建立,在发送 H.245 同步帧后,如上文所描述的,进行 终端能力交换 TCS/TCS ACK 的确认、主从模式 MSD/MSD ACK 的确认、复用表的交换 MES/MES ACK 的确认、打开音频的逻辑通道OLC/OLC ACK 的确认和打开视频的逻辑通 道 OLC/OLC ACK 的确认,至此如果上述流程全部确认后UE A 即可以成功呼叫UE B 进 行可视电话的呼叫业务,此时的 CS 的 64Kbps 链路上不仅包含语音信息和视频信息,还有 控制信息,正是它不必改动现网的电路交换模式,对现网设备某种程度上来说是透明的, 故基于这种模式的可视电话可以很快进行商用。当此呼叫进行结束终端时,则基本流程就 是先拆除和释放 H.245 通道,再进行通话电路的释放,属于逆向过程,此处不再讨论。 13 南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文 第二章 3G 网络中可视电线 TD-SCDMA/WCDMA 电路域可视电线 基于 SIP 的 PS 域 cdma2000 EV-DO Rev.A 可视电线 SIP 协议简介 SIP (Session Initiation Protocol,会话初始协议)是实时的多媒体会话的通讯协议,如 文本,多媒体,视频,音频等,允许使用 Internet 端点即用户代理来寻找参与者并且允许建 立一个可共享的会线] 。SIP 是多用途的工具,基于文本且独立于底层传输协议 TCP/UDP/SCTP 的应用层控制协议,可以用来创建,修改和终止会话。 SIP 采用 Client/Server 的体系结构。分为用户代理 User Agent 和网络服务器 Network Server。用户代理包括用户代理客户端 User Agent Client 和用户代理服务器 User Agent Server 14 南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文 第二章 3G 网络中可视电话相关技术分析 网络服务器包括代理服务器 Proxy Server 、重定向服务器 Redirector Server 、注册服务器 Registrar 和位置服务器 Location Server 。 SIP 消息是客户终端和服务器之间通信的基本信息单元。SIP 消息是在报文中采用 UTF-8 编码的文本表示,消息结构和 HTTP 协议格式非常类似。SIP 消息分为两大类:请 求(Request )和响应(Response ),响应又分为最终响应(Final Response )和临时响应 (Provisional Response )。请求消息分为六种:INVITE 、ACK 、BYE 、CANCEL、REGISTER 、 OPTIONS 。响应消息分为六类:1xx,2xx ,3xx,4xx ,5xx,6xx 。 SIP 协议对位于某个主机的用户使用 SIP 的通用资源定位器 URL 进行标识,并根据该 URL 进行寻址。SIP URL (通用资源定位器)实际上就是SIP 服务器的应用层地址。它被用 来表示 SIP 消息的发送者地址 From 头域、SIP 消息的当前目的地址 Request-URL 或 SIP 消 息的最终接收者地址 To 头域,以及用于其他需要描述 SIP 服务器位置的场合如表示重定向 地址的 Contact 头域。 SDP 会话描述协议包括会话的地址、时间、媒体和建立等信息,它定义了会话描述的统 一格式。由实例分析如下: INVITE sip:/2.0 Via:SIP/2.0/UDP 02: 11248;branch=z9hG4bK-d8754z-66ab17b8783f1994-1d8754z-;rport Max-Forwards: 70 Contact: sip:8 To: sip:; From: 1002sip:;;tag=1dcf5bbf Call-ID: ZjUzMzgzMmQxNTg4ZjA2YzhlNTEwOTE3OTczNDI2ZTc. CSeq: 1 INVITE Allow: INVITE, ACK, CANCEL, OPTIONS, BYE, REFER, NOTIFY, MESSAGE, SUBSCRIBE, INFO Content-Type: application/sdp User-Agent: X-Lite Beta release 4.0 Beta 2 stamp 55091 Content-Length: 475 v=0 o=- 8 2 IN IP4 02 s=CounterPath X-Lite 4.0 c=IN IP4 02 t=0 0 m=audio 38570 RTP/AVP 107 0 8 101 a=sendrecv a=rtpmap:107 BV32/16000 a=rtpmap:101 telephone-event/8000 a=fmtp:101 0-15 a=alt:1 1 : 6coFGmE6 A/EoHtoU 02 38570 m=video 45804 RTP/AVP 115 34 15 南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文 第二章 3G 网络中可视电话相关技术分析 a=sendrecv a=rtpmap:115 H263-1998/90000 a=fmtp:115 QCIF=1;CIF=1;I=1;J=1;T=1 a=rtpmap:34 H263/90000 a=fmtp:34 QCIF=1;CIF=1 a=alt:1 1 : fh5uoE7U OvM4+W+V 02 45804 媒体参数解读 v=0 (版本为 0) o=- 8 2 IN IP4 02 (会话源为:用户名-,会线 ,网络类型 internet, 地址类形 Ipv4 ,地址 02) s= CounterPath X-Lite 4.0 (会话名:CounterPath X-Lite 4.0) c=IN IP4 02 ( 连接数据:网络类型 internet, 地址类型 Ipv4, 连接地址 02) t=0 0 (起始时间:t=0 , 终止时间:t=0) m= audio 38570 RTP/AVP 107 0 8 101 (媒体格式:媒体类型 audio, 端口号 38570,传送层 RTP/AVP ,格式列表为 107 0 8 101) a=rtpmap:107 BV32/16000 (净荷类型 107,编码名BV32 ,抽样速度为 16kHZ) m=video 45804 RTP/AVP 115 34 (媒体格式:媒体类型video, 端口号45804 ,传送层RTP/AVP , 格式列表为 115 34) a=rtpmap:115 H263-1998/90000 (净荷类型 115,编码名H263-1998 ,抽样速度为 9kHZ) 2.2.2 基于 SIP 的 PS 域 cdma2000 EV-DO Rev.A 可视电线X 在电路域 CS 下的可视电线] ,但由于 cdma2000 系统的分组域的发展更适宜开展 MMD 的媒体业务,以及基于 SIP 协议的多媒体通信标准逐渐成熟,特别是 EV-DO 技术的引入可明显提高数据业务速率 和系统吞吐量,为开展可视电话业务创造了条件。 前文已经分析过 cdma2000 系统技术演进路线X 到 EV-DO Rev.0 沿着 Rev.A 、Rev.B 、LTE (Rev.C (DO Advanced or UMB )高通不再支持后即向LTE 演进)的路 线Kbps,只能提供 Best Effort 的高速数据 业务,目前现网的 Rev.A 阶段支持的前反向峰值速率为 3.072Mbps 和 1.8Mbps,其大幅提高 的反向速率和反向频谱效率,是可视电话业务顺利开展的保证。其增强的 QoS 控制机制可 以支持可视电话快速呼叫建立、低端到端延时、快速切换的实时性业务要求。具体的改进 16 南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文 第二章 3G 网络中可视电话相关技术分析 方式有反向链路增加的 DSC 信道实现了基站的快速切换和反向接入信道的增强明显减少主 叫建立的时延,前向链路引入的子同步信道 SSC 实现对业务的快速寻呼以缩短被叫呼叫建 立的时延,引入的多用户分组和短分组形式提高了传输和打包效率以减少端到端传输时延, 基于流的时延敏感 QoS 优先调度和控制也减少了端到端的时延。另外其采用的接收分集技 术可更好地提升可视电线] 。 下面讨论可视电线] ,基于 SIP 的分组域可视电话的业务功能与电路 域的基本相同,分组域可视电话业务实现最需要关注的是服务质量以及控制与承载分离。 服务质量在网络承载上体现在 IP 包的时延、抖动、丢包率等;在可视电话业务上体现在接 通速度以及话音质量和图像质量,由于分组域的 QOS 问题一直是难以解决的课题,虽然有 预留资源 RSVP ,区别服务Diff Ser ,还有标记交换MPLS 等等方法[28] ,但是都不能完全或 彻底解决无连接分组域方式的质量问题,因此基于 SIP 的分组域可视电话业务也同样面对 这些基本问题。 基于 SIP 的分组域可视电话技术在实现上控制与承载分离,控制平面负责可视电话呼 叫协商管理,用户平面负责承载传输视频和音频流信息。在可视电话业务中,涉及到 SIP 信令流、音频流和视频流三个主要的应用流[26] 。SIP 信令流属于可视电话呼叫的信令控制层 数据,用于对多媒体通信的业务管理,包括会话的生成、修改和结束等,在控制平面上可 采用 UDP/TCP 方式传输对传输速率要求较低但对丢包有严格要求的控制流信息,音频流和 视频流为可视电话业务的具体媒体层数据,由于 RTP 协议不采用复杂的传输控制手段和纠 错机制,而采用尽量少的控制与鉴别功能以满足实时通信的要求,故可采用 UDP/RTP 方式 传输对传输速率要求较低但对时延和抖动有严格要求的音频流信息,以及对传输速率要求 较高且对时延和抖动要求较高的视频流信息[29] 。 在 cdma2000 EV-DO Rev.A 网络中,基于 SIP 的实现可视电话业务的方式主要通过 SIP Server 完成实现 VT 业务,逻辑示意图如图 2-6 所示。假设图 2-6 中由 SIP PSVT 1 发起呼叫, 首先通过 SIP 的信令流层面发起INVITE 会话请求,通过 EV-DO Rev.A 的空中接口的无线 侧信令到达分组域基站 PS-BTS ,然后通过 RN 无线网络内的基站控制器 BSC 的 PCF 携带 本端的通话请求至 PDSN ,经过AAA 认证后再将信令信息送达 SIP 服务器完成 Network 1 中的呼叫初始化,然后通过IP 的承载网络通过 SIP-T 信令协议与 Network 2 中的 SIP 服务 器通信,将初始消息再仿照网络 1 中的情况,依次通过网络 2 中的 PDSN ,BSC/PCF 和 PS-BTS ,再通过空中接口送达被叫 SIP PSVT2,整个信令通路畅通后,利用 SIP 的协议和 SDP 的描述,PSVT 终端之间交互媒体的信息,协商成功后,两侧依次交互 180Ringing、200OK 和 ACK ,最后成功建立呼叫,此时音视频的媒体流直接通过IP 网络的使用RTP 协议传输, 17 南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文 第二章 3G 网络中可视电话相关技术分析 不再通过 SIP 服务器,双方正常可视通信过程中还可以有控制信息交互。如果双方通过 BYE 或者 CANCEL 等正常方式或其他原因的非常方式中断通话,则双反交互拆线信息后释放各 自的RTP 端口拆除通线 EV-DO Rev.A 网络中基于 SIP 的PS 域可视电话业务逻辑示意图 当然,网络的终端是 SIP 终端,需要提供基本的 SIP 协议栈是实现上述通信的最基本 条件,这里也涉及到相关的终端技术如何来实现上述过程的问题,此处暂不讨论,但就整 个通话过程也可以看出,Rev.A 的可视电话过程同普通的SIP 网络的可视电话过程基本相同, 只不过 cdma2000 系统需要考虑无线部分的接口的通话质量和网络认证等问题,相对来说还 是比较复杂的,因此系统的设计和维护也较难。但是事实上,如果同下文的 IMS 方式实现 可视电话方式对比来看,基于纯 SIP 的方式还是相对简洁的。 2.3 基于 IMS 域的可视电线 IMS 简介 IMS ——IP Multimedia Subsystem (3GPP TS 23.002) 即IP 多媒体子系统,IMS 采用 IP 网络作为承载网,以 SIP 协议作为控制协议,目的是建立与接入无关的,移动与固定融合 的核心网络。IMS 为运营商提供了一种基于 IP 的多媒体业务网络,它使功能标准化,进一 步分离了承载、会话控制和业务提供的网络结构,加强了对用户和网络的管理能力,提高 了QoS 保证和计费管理功能。由于它的分布式特点和标准开放的控制接口,使得 IMS 得到 各个标准组织重视,成为下一代网络核心部分的重要技术[5] 。其系统结构的逻辑示意如图 2-6 所示。 18 南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文 第二章 3G 网络中可视电线 IMS逻辑实体配置示意图 [30] IMS 的主要功能实体 包括: 1)IMS 的核心节点的呼叫会话控制功能(CSCF ),其又分为代理 CSCF (P-CSCF )、 服务 CSCF (S-CSCF )和查询CSCF (I-CSCF )。 2 )负责用户数据管理认证鉴权的归属用户服务器(HSS )和签约定位功能(SLF)。 3 )多媒体资源功能(MRF ),其由多媒体资源控制器(MRFC )和多媒体资源功能处 理器(MRFP )两部分组成。 4 )业务应用控制包括应用服务器(AS ),其包括标准的 SIP 应用服务器(SIP AS)、业 务能力服务器(OSA-SCS )和多媒体域业务交换功能(IM-SSF )。 5 )互通功能实体包括信令网关(SGW)、媒体网关控制功能(MGCF )、出口网关控制 功能(BGCF )和IP 多媒体—媒体网关功能(IP-MGW )。 [30] IMS 网络中的主要协议 有 SIP、Diameter 、COPS (Common Open Policy Service )和 H.248 。 SIP 协议根据其功能分为网络接口 NNI ,用户网络接口UNI 和 IMS 服务控制接口 ISC, (IMS Service Control )。NNI 在 CSCF 之间完成会话控制消息交换以及与其他功能实体间接 口消息,而在BGCF 之间以及与其他功能实体间都是 SIP 消息,其包括的接口有 Mw 、Mm 、 Mr 、Mg 、Mi 、Mj 、Mk 。UNI 是 UE 与 P-CSCF 之间的 Gm 接口,完成注册、会话控制、 事务处理。ISC 是 S-CSCF 和业务平台 AS 之间接口,用于服务控制。 Diameter 协议基于远程拨入用户认证服务 RADIUS ,包含的接口有:1)在 I-CSC/S-CSC 和 HSS 之间的 Cx 接口,用于位置管理、用户数据处理和认证;2 )在 AS 和 HSS 之间的 Sh 接口,用于数据处理和订阅通知;3 )分布位于I-CSC/S-CSCF 和 SLF 之间以及在 AS 和 19 南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文 第二章 3G 网络中可视电话相关技术分析 SLF 之间的 Dx 接口和 Dh 接口,都用于在多个 HSS 环境中查找正确的 HSS ;4 )在P-CSCF 和 PDF 之间的 Gq 接口,用于交换承载控制和计费相关信息。 公共开放策略服务(COPS )用于PDF 和 GGSN 之间的 Go 接口,交换与策略决策相关 的信息。 H.248 协议用于媒体网关控制和媒体资源的控制,包括在 MRFC 与 MRFP 之间的 Mp 接口和在 MGCF 与 IM-MGW 之间的 Mn 接口。 下面讨论一个不同 IMS 域间基本会线 所示。用户发起会话 请求至 P-SCSF ,会话请求消息到达 S-CSCF ,从HSS 下载用户数据,S-CSCF 触发业务, AS 进行业务逻辑控制,通过 DNS 得到被叫所在 IMS 域的 I-CSCF,I-CSCF 通过 HSS 查询 得到被叫用户注册的 S-CSCF,再从HSS 得到被叫用户的数据,再触发业务,AS 进行业务 逻辑控制,会话请求被路由到被叫用户,双方进行资源协商和预留,在进行振铃和应答后 会线 不同IMS 域间的基本会话流程示意图 IMS 主要特征包括:1)业务与控制完全分离,利于业务融合,2 )多种安全接入机制 共存,3 )统一的 QoS 和策略控制机制,4 )呼叫控制和业务控制都由归属网络完成,保证 业务提供的一致性,5 )与接入无关,支持多种固定/移动接入方式的融合,支持无缝的移动 性和业务连续性,为全业务运营提供了便利。 IMS 与软交换和有所区别[31] ,软交换中使用媒体网关协议 MGCP 和 H.248 协议,SIP 只 是用于控制的多种协议的一种,而 IMS 全部采用 SIP 作为呼叫控制和业务控制的信令。软 交换技术主要设计思想是控制与承载和业务分离,IMS从某种意义上彻底实现了控制和承载 的分离。由于 IMS 充分考虑了对移动性的支持,并增加了用于用户鉴权和保护用户业务触 发规则的外置数据库 HSS,具有一定的 QoS 保障机制,因此 IMS 在宽带用户的漫游管理和 提供会话型多媒体业务方面的能力和标准化方面优于软交换。 20 南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文 第二章 3G 网络中可视电话相关技术分析 IMS 也与 FMC (Fixed and Mobile Convergence )也有所不同,FMC 是指固定和移动的 融合,使用公共的核心网络和统一的业务平台来提供固定与移动业务,用户无论是在固定 还是移动环境中都能享受到同样功能的服务。FMC 涉及接入终端、业务应用,系统控制等 多个层面的融合,而 IMS 使得固定和移动用户能够完全进行无缝的通信网络融合,但是并 非一定要组建 IMS 才能实现固定和移动的融合[33] 。FMC 可在业务层和接入层先进行融合, 而未来 IMS 将逐步成为固网移动统一的 IP 多媒体业务应用的核心。 2.3.2 基于 IMS 的分组域可视电话实现方式 值得关注的是 3GPP 在 R5 版本引入 IMS,其后版本不断升级和增强其功能,3GPP2 也 在 MMD 中引入 IMS ,在其后版本也同样增强其功能,所以 WCDMA/TD-SCDMA 以及 cdma2000 系统都有引入 IMS 域时间表。IMS 是现实意义上的承载和控制完全分离技术,IMS 是提供实时和非实时的 IP 多媒体业务的通用体系结构。因其不限定下层接入技术的与接入 无关的特点,故在固定移动网络融合 FMC 的过程中受到广泛关注。 基于 IMS 的可视电话系统事实上还是基于IP 的分组域,IMS 的媒体控制协议还用到了 SIP 协议,因此下面讨论基于 SIP 的IMS 分组域可视电话业务的实现方法。 为保证移动域 IMS 的QoS,在 SIP 会话建立过程中则会进行 QoS 资源预留的机制。IMS 的UE 都强制要求支持 SIP 和 SDP 的扩展,其目的是为了使用 SDP 提供/应答机制允许推迟 SIP 会话建立的完成,直到双方都成功完成资源预留。在一般情况下 SIP 仅交换一次提供/ 应答之后就开始建立媒体连接,但在 IMS 中 UE 之间是通过媒体协商就媒体组合以及使用 何种编码类型多次 SDP 提供/应答的交互,为每种媒体流选择唯一的编码方案,不然则在无 线接口上会按照较高带宽的编码方案预留资源而使无线] 。由于资源预留建立 PDP 上下文的执行过程是相互独立的,因此在确认协商双方的资源预留成功之前无法保证 媒体会话是否可以建立,只有当双方都预留了资源,两个 UE 之间才可以进行媒体交换。 为了 IMS 域下可视电话业务的逻辑结构能简明扼要的表达,以 WCDMA/TD-SCDMA 系统和 cdma2000 系统的组网结构,分别构造两侧的 IMS 域结构,把控制层面和承载层面 分离表示,通过 SIP 为主的控制协议完成可视电话的呼叫逻辑结构表达,如下图 2-8 所示是 简明的 IMS 分组域可视电话业务系统结构。 假设 WCDMA/TD-SCDMA 网络区域中有IMS 的可视电话终端VT-A ,通过无线空中接 口与基站Node B 连接至基站控制器 RNC ,再连接到媒体网关 MGW 汇入 IP 分组核心网络, cdma2000 网络区域中有IMS 的可视电话终端VT-B ,通过无线空中接口与分组基站 PS-BTS 相连,再连接至基站控制器 BSC 通过 PCF 连接 PDSN ,AAA 负责对用户进行鉴权,将用 21 南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文 第二章 3G 网络中可视电话相关技术分析 户的 QoS 信息通过 PDSN 授权给无线接入网。两侧网络共有的 IMS 域中有 I-CSCF,负责 为用户确定 S-CSCF,转发 SIP 请求及响应消息。在用户与其他网络的可视电话进行互通时, I-CSCF 确定对方用户的 I-CSCF 或确定所应使用的互通网关,P-CSCF 是终端在可视电话系 统中的第一个接触点,其地址通过 P-CSCF 发现机制获得。在用户注册时,P-CSCF 根据用 户的归属域选择 I/S-CSCF 并转发 SIP 消息,P-CSCF 会保存注册用户的相关信息,如路径 信息、UE 地址和公共用户识别符等,其中的路径信息用于该用户后续发起呼叫时直接使用 转发 SIP 消息。S-CSCF 记录了用户的呼叫状态,完成了呼叫控制功能。HSS 为 S-CSCF 提 供可视电话业务层面的鉴权矢量,并提供业务层面的授权和计费等功能。根据网络的实际 情况,HSS 和 AAA 可考虑合设。当然如果需要考虑与其他网络如传统 SIP 网络或者电路域 的H324M 等的可视电话进行互通时,必须设计视频互通网关,用于处理相关的会话控制信 息和进行媒体及协议的转换等。 图 2-8 基于IMS 的分组域可视电话业务系统逻辑结构 如图所示的网络结构中 IMS-VT 的 A 和 B 之间互通时的呼叫流程可以参看上文的不同 IMS 域之间的呼叫流程,本处不再详述,仅就 IMS 会话建立中的 QoS 资源预留讨论[32-33] 。 例如假设主叫 IMS-VT A 在发往被叫 IMS-VT B 的首个INVITE 请求中提供了媒体类型,并 用前提特定的指示对消息进行了扩展。被叫用户 IMS-VT B 对收到的首个 SDP 回 183 PRACK 包含其自身的前提。再次 SDP 提供/应答的交互(开始资源预留)的 SDP 提供包含 在主叫终端 IMS-VT A 发送的 PRACK 请求中,在明确双方媒体流 QoS 要求以及媒体流编 码方案的前提下,主叫 IMS-VT A 开始进行资源预留。再次 SDP 应答包含在已开始进行资 源预留的被叫 IMS-VT B 已回送的200 OK 中。如果被叫IMS-VT B 先完成资源预留,但还 要等待接收主叫 IMS-VT A 的确认消息,在确定双方都完成资源预留的前提下才能向主叫发 22 南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文 第二章 3G 网络中可视电话相关技术分析 送振铃消息。如果主叫 IMS-VT A 先完成资源预留则发送 UPDATE 请求给被叫 IMS-VT B 进行确认,请求中包含了对预留资源的情况加以说明的第三次 SDP 提供,在确定双方都已 成功完成资源预留后被叫出了包含第三次 SDP 应答信息的 200 OK 响应。此时确认双方都 已经预留了足够的资源两个IMS-VT 之间就可以进行媒体交换。 2.4 本章小结 本章是在总结各种移动通信技术和可视电话技术的基础上分类的讨论 3G 各种网络模式 下的可视电话业务的实现。首先,从移动通信技术的换代更新发展特别是 3G 移动通信网络 如 WCDMA 、TD-SCDMA、cdma2000 和 WiMAX 等制式的演进路线讨论,详细分析了各个 阶段的主要技术特点和主要功能,指出 3G 移动通信的技术进步和升级换代为多媒体通信如 可视电话业务奠定了基础。其次,从传统的可视电话业务出发,讨论分析了可视电话设计 的数字压缩技术,同步技术和终端技术,指出了ITU-T 的多媒体通信的H 系列标准,指出 各个标准的内容对比,对 H.324 协议重点进行了描述。而另一讨论的重点是对 3G 网络的电 路域 CS、分组域PS 和 IMS 域下各种可视电话技术进行了详细分析,简要分析了 3G-324M 的协议结构,分析了 SIP 协议的简要内容以及 IMS 的功能机构,讨论了基于 3G-324M 的 WCDMA / TD-SCDMA 的可视电话技术实现方式,基于 SIP 协议的 cdma2000 系统的可视电 话技术实现以及在 IMS 域下通过 SIP 实现的可视电线 南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文 第三章 3G 网络中可视电话业务互通分析与设计 第三章 3G 网络中可视电话业务互通分析与设计 由于3G 网络本身的制式标准就比较多,在实现可视电话的技术上基于的协议标准又不

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