姜怡，周越，白雪茜，吳濱，劉晨，張劍寅

（1. 中國移動(dòng)通信有限公司研究院，北京 100053；2. 中國移動(dòng)通信集團(tuán)有限公司，北京 100053）

0 引言

基于人類聽覺和視覺的多媒體實(shí)時(shí)通信需求一直是電信運(yùn)營商需要解決的基本通信需求之一，從固定電話到移動(dòng)通信，從窄帶語音到寬帶音/視頻電話，電信運(yùn)營商的通信網(wǎng)絡(luò)一直在演進(jìn)，以提供更好用戶體驗(yàn)的多媒體通信業(yè)務(wù)。目前，運(yùn)營商已建立一張基于IMS網(wǎng)絡(luò)的支持固移融合的多媒體實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)[1-3]，為用戶提供高清語音或高清視頻通話、呼叫等待、呼叫轉(zhuǎn)移等補(bǔ)充業(yè)務(wù)，以及彩鈴、智能網(wǎng)等增值業(yè)務(wù)。

但隨著通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和多媒體實(shí)時(shí)通信新需求的不斷涌現(xiàn)，運(yùn)營商現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)難以快速滿足需求，需要從功能和架構(gòu)等方面進(jìn)一步演進(jìn)增強(qiáng)。

· 隨著5G行業(yè)專網(wǎng)的發(fā)展，音/視頻實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的場(chǎng)景將逐漸從人人通信向人人、人物、物物等多種場(chǎng)景發(fā)展。

· 面向垂直行業(yè)的終端類型、通信模式和應(yīng)用場(chǎng)景與傳統(tǒng)人人通信相比有很大的差異性和豐富性，音/視頻實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)需要快速適配這樣的變化。

· 隨著新業(yè)務(wù)需求以及與垂直行業(yè)的結(jié)合，語音/視頻等實(shí)時(shí)通信業(yè)務(wù)模型從傳統(tǒng)的終端點(diǎn)到點(diǎn)通信逐漸向終端與網(wǎng)絡(luò)多種混合交互模型發(fā)展。

· 隨著基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)帶寬的增加，視頻應(yīng)用，尤其是基于視頻的交互類應(yīng)用將明顯增加，直播、AR（augmented reality）/VR（virtual reality）的應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)帶來音/視頻實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的新增長點(diǎn)。

· 近年，移動(dòng)OTT （over the top）業(yè)務(wù)發(fā)展迅猛，基于運(yùn)營商連接能力實(shí)現(xiàn)消息、語音和視頻等豐富的業(yè)務(wù)形式，這對(duì)運(yùn)營商語音業(yè)務(wù)的替代愈發(fā)明顯。

基于上述問題，需要對(duì)新一代多媒體實(shí)時(shí)通信的業(yè)務(wù)需求進(jìn)行梳理，面向新需求研究并引入新的網(wǎng)絡(luò)能力和新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，構(gòu)建多媒體能力更強(qiáng)、部署更為靈活、成本更低的新一代多媒體實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)。本文將對(duì)多媒體實(shí)時(shí)通信的新需求場(chǎng)景、多媒體通信新能力以及多媒體實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)新架構(gòu)進(jìn)行探討。

1 新一代多媒體實(shí)時(shí)通信需求

新一代多媒體實(shí)時(shí)通信業(yè)務(wù)和通信技術(shù)的需求與運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的演進(jìn)互為依托、相互促進(jìn)，隨著網(wǎng)絡(luò)承載能力的增強(qiáng)，多媒體實(shí)時(shí)通信業(yè)務(wù)的發(fā)展逐漸呈現(xiàn)超清化、交互式、沉浸式及開放性趨勢(shì)。

首先，5G以及未來的5G-Advanced網(wǎng)絡(luò)將提供更大的帶寬和更低的比特成本，使清晰度（2K/4K…）更高、承載信息更多的視頻應(yīng)用成為可能，多媒體實(shí)時(shí)通信將全面向超清化方向發(fā)展。典型應(yīng)用場(chǎng)景包括超清親情通話、超清可視門禁、超清視頻客服及超清視頻報(bào)警等。

其次，在5G-Advanced時(shí)代，多媒體實(shí)時(shí)通信業(yè)務(wù)越來越強(qiáng)調(diào)交互性，在交互方式上充分考慮個(gè)人和垂直行業(yè)的不同交互需求，支持多樣的交互方式。在個(gè)人通信方面，隨著個(gè)人移動(dòng)終端逐步智能化和大屏化，用戶實(shí)時(shí)通信的訴求不再局限于通話雙方聲音和影像的交流。觸、摸、拖、拽等操作的互動(dòng)，針對(duì)同一事務(wù)共同協(xié)作，這些更加復(fù)雜交互的需求逐漸涌現(xiàn)，讓語音業(yè)務(wù)有了新的生命和活力。典型應(yīng)用場(chǎng)景包括個(gè)性化新呼叫、多方協(xié)作、可視菜單及企業(yè)名片。在垂直行業(yè)方面，通過引入實(shí)時(shí)交互通道，面向垂直行業(yè)在高清實(shí)時(shí)多媒體通話過程中增加行業(yè)特色交互式應(yīng)用，如醫(yī)療行業(yè)，醫(yī)生可以遠(yuǎn)程控制戴在護(hù)士手上的觸覺手套對(duì)救護(hù)車?yán)锏牟∪诉M(jìn)行超聲診斷，獲取超聲圖像，做出決策。

第三，XR（X reality）等新媒體技術(shù)的不斷發(fā)展和產(chǎn)業(yè)的成熟將催生沉浸式音/視頻業(yè)務(wù)體驗(yàn)。在AR游戲、VR視頻直播點(diǎn)播、360°視頻直播點(diǎn)播等應(yīng)用出現(xiàn)后，在實(shí)時(shí)音/視頻場(chǎng)景，AR已經(jīng)率先在2C/2B（to customer/to business）領(lǐng)域開始了商用。典型應(yīng)用場(chǎng)景包括AR社交、遠(yuǎn)程購物協(xié)助及AR遠(yuǎn)程維修。

最后，面向?qū)崟r(shí)多媒體通信業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)能力開放將進(jìn)一步豐富。通信網(wǎng)絡(luò)提供更高的帶寬、更多的連接數(shù)及更低的時(shí)延等新網(wǎng)絡(luò)能力，都可以開放給各行業(yè)應(yīng)用，給各垂直行業(yè)帶來新的發(fā)展機(jī)遇，使能更豐富的行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景。典型應(yīng)用場(chǎng)景包括打車應(yīng)用、企業(yè)園區(qū)通信及互動(dòng)遠(yuǎn)程教育。

新一代多媒體實(shí)時(shí)通信極大拓展了傳統(tǒng)實(shí)時(shí)音/視頻通信的內(nèi)涵。在業(yè)務(wù)能力上，打破了傳統(tǒng)音/視頻媒體流限制，升級(jí)成名副其實(shí)的多媒體通信；在用戶體驗(yàn)上，打破了聽覺和視覺一維、二維的限制，增加觸覺等交互式和三維沉浸式的新體驗(yàn)；在溝通范圍上，打破了原有人與人的限制，拓展到人與物、物與物之間的溝通。業(yè)務(wù)能力的多樣性、用戶體驗(yàn)的多樣性、溝通范圍的多樣性，要求實(shí)時(shí)音/視頻網(wǎng)絡(luò)具備全新的能力。端到端服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS）保障已經(jīng)不僅僅是語音、視頻兩種特定的QoS策略和執(zhí)行，還要針對(duì)不同數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)類型，進(jìn)行定制化的QoS策略控制。同時(shí)，由于增加了新的接入方式和新的數(shù)據(jù)交互，需要針對(duì)整個(gè)通信流程提供端到端的安全機(jī)制，包括接入安全、傳輸安全、信令安全以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安全等方面的措施保障新一代多媒體實(shí)時(shí)通信業(yè)務(wù)。

2 基于IMS網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)多媒體通信系統(tǒng)架構(gòu)增強(qiáng)技術(shù)

面向上述新一代多媒體實(shí)時(shí)通信的發(fā)展趨勢(shì)和新需求，國際標(biāo)準(zhǔn)從Rel-16已經(jīng)逐步開展了基于IMS網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)多媒體通信系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)和增強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，首先在Rel-16中引入交互式通信通道能力，在Rel-17和Rel-18中一方面制定新的業(yè)務(wù)及網(wǎng)絡(luò)需求，另一方面對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行增強(qiáng)，以構(gòu)建下一代的實(shí)時(shí)多媒體通信網(wǎng)絡(luò)。下面將在第三代合作伙伴計(jì)劃（Third Generation Partnership Project，3GPP）標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上對(duì)實(shí)時(shí)多媒體通信系統(tǒng)架構(gòu)增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行分析和研究。

2.1 IMS網(wǎng)絡(luò)交互式數(shù)據(jù)通信通道

為匹配未來多媒體業(yè)務(wù)的豐富性和靈活性訴求，引導(dǎo)終端遵循一種通用框架，以支持不斷變化的業(yè)務(wù)邏輯定義和數(shù)據(jù)格式定義，3GPP于Rel-16引入了獨(dú)立于原有信令、音/視頻數(shù)據(jù)通道的新數(shù)據(jù)通道（IMS網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)，數(shù)據(jù)通道技術(shù)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)通道技術(shù)

新數(shù)據(jù)通道具有如下特性。

· 與音/視頻同路徑，IMS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通道疊加于音/視頻能力之上，因此該數(shù)據(jù)通道的建立流程與IMS網(wǎng)絡(luò)會(huì)話建立流程進(jìn)行了整合，確保該通道與音/視頻通道同時(shí)建立，可在實(shí)時(shí)通信過程中即時(shí)使用。

· 數(shù)據(jù)通道支持UDP/TCP傳輸，以滿足后續(xù)高實(shí)時(shí)性、高可靠的內(nèi)在內(nèi)容要求。

· 數(shù)據(jù)通道內(nèi)部可承載多種協(xié)議及內(nèi)容，可基于不同的協(xié)議（如HTTP）傳遞文字、菜單、文件等豐富內(nèi)容，并為不同類型數(shù)據(jù)通道提供不同的QoS保障。數(shù)據(jù)通道方案中當(dāng)前定義了如下傳輸通道。

· 自舉（Bootstrap）通道：終端通過該通道獲取將在實(shí)時(shí)通信中需要使用的應(yīng)用程序。應(yīng)用程序包含Web頁面渲染內(nèi)容（H5頁面等）和應(yīng)用控制邏輯（JavaScript腳本）。

· 應(yīng)用（Application）通道：終端通過該通道傳輸應(yīng)用數(shù)據(jù)。Bootstrap通道中的應(yīng)用邏輯（JavaScript腳本）控制Application通道中的動(dòng)態(tài)應(yīng)用數(shù)據(jù)收/發(fā)。Application數(shù)據(jù)通道傳輸可以在終端與終端之間傳輸，也可以在終端與網(wǎng)絡(luò)側(cè)之間傳輸，由網(wǎng)絡(luò)側(cè)為用戶提供豐富的，基于Web界面的實(shí)時(shí)交互式體驗(yàn)增強(qiáng)內(nèi)容。

數(shù)據(jù)通道為運(yùn)營商已有的通話業(yè)務(wù)帶來全新的想象空間，網(wǎng)絡(luò)側(cè)不僅提供數(shù)據(jù)交互能力，還可以結(jié)合音/視頻和數(shù)據(jù)通道，提供多媒體體驗(yàn)增強(qiáng)功能，如在特定群體通信場(chǎng)景中，網(wǎng)絡(luò)側(cè)媒體面提供自動(dòng)語音識(shí)別（automated speech recognition，ASR）、文本—語音轉(zhuǎn)換（text to speech，TTS）和手語合成等功能，把音/視頻媒體轉(zhuǎn)換為文字、手語動(dòng)作等輔助信息并通過數(shù)據(jù)通道傳輸給終端。值得注意的是，網(wǎng)絡(luò)側(cè)數(shù)據(jù)通道能力的使用需要與終端的統(tǒng)一呈現(xiàn)框架進(jìn)行配合，當(dāng)前3GPP已在TS 26.114[3]中對(duì)終端支持?jǐn)?shù)據(jù)通道提出定義，但其在IMS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的呈現(xiàn)框架，如數(shù)據(jù)通道控制功能、Bootstrap通道和Application通道的建立方式等重要技術(shù)尚未定義，仍需在后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)化中進(jìn)行明確。

2.2 三方標(biāo)識(shí)認(rèn)證及可信企業(yè)名片授權(quán)

個(gè)人用戶獲取移動(dòng)電話網(wǎng)碼號(hào)時(shí)，移動(dòng)通信運(yùn)營商通過與個(gè)人用戶簽訂服務(wù)合同驗(yàn)證用戶的身份信息，再為其分配獨(dú)立的移動(dòng)電話網(wǎng)碼號(hào)，但該碼號(hào)并不與個(gè)人用戶的所在企業(yè)產(chǎn)生聯(lián)系。而面向企業(yè)用戶的外呼需求，為了拓展用戶碼號(hào)的企業(yè)接入屬性，3GPP引入了第三方標(biāo)識(shí)接入應(yīng)用場(chǎng)景（以下簡稱第三方接入）的方式，企業(yè)員工可以使用所屬企業(yè)分配的員工賬號(hào)接入運(yùn)營商IMS網(wǎng)絡(luò)發(fā)起呼叫。運(yùn)營商IMS網(wǎng)絡(luò)提供直接接入及代理接入兩種對(duì)象接入能力，以滿足企業(yè)內(nèi)部呼叫及企業(yè)到其客戶的呼叫；運(yùn)營商IMS網(wǎng)絡(luò)需對(duì)接入企業(yè)及企業(yè)所屬用戶進(jìn)行鑒權(quán)和實(shí)名認(rèn)證，涉及的認(rèn)證與鑒權(quán)需要滿足可信原則，通常指：防仿冒、防抵賴、防篡改、防信息泄露、保護(hù)用戶隱私；在此基礎(chǔ)上運(yùn)營商IMS網(wǎng)絡(luò)對(duì)認(rèn)證的用戶使用實(shí)名信息進(jìn)行授權(quán)并在呼叫中進(jìn)行傳遞與顯示，可疊加在現(xiàn)有的彩振、名片技術(shù)上進(jìn)行顯示，也可通過第3.1節(jié)中定義的數(shù)據(jù)通道進(jìn)行顯示。

如圖2所示，第三方標(biāo)識(shí)接入的可能架構(gòu)包括運(yùn)營商IMS網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)營商企業(yè)數(shù)據(jù)服務(wù)器和企業(yè)內(nèi)網(wǎng)的認(rèn)證服務(wù)器等網(wǎng)絡(luò)功能，涉及的關(guān)鍵技術(shù)如下。

圖2 第三方ID接入架構(gòu)示意圖

（1）企業(yè)與IMS網(wǎng)絡(luò)雙向認(rèn)證

IMS網(wǎng)絡(luò)提供企業(yè)數(shù)據(jù)服務(wù)器（enterprise data server，EDS），作為IMS網(wǎng)絡(luò)內(nèi)安全聯(lián)盟的企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)中心與企業(yè)提供的企業(yè)認(rèn)證服務(wù)器交互，利用各自部署的CA證書和服務(wù)器證書借助一系列安全協(xié)議（如TLS、OAuth2、SAML等）實(shí)現(xiàn)雙向認(rèn)證。

（2）企業(yè)對(duì)企業(yè)員工認(rèn)證

企業(yè)對(duì)新入職人員根據(jù)企業(yè)管理要求完成自然人與其有效證件身份核對(duì)后，確認(rèn)其符合企業(yè)員工身份，將為其分配員工賬號(hào)。企業(yè)員工使用員工賬號(hào)接入IMS網(wǎng)絡(luò)發(fā)起對(duì)外呼叫前，企業(yè)員工首先與企業(yè)認(rèn)證服務(wù)器交互完成身份認(rèn)證并獲取用戶令牌（token）信息，該token信息將進(jìn)一步用于企業(yè)員工被IMS網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證的依據(jù)。

此外，三方認(rèn)證還支持代理認(rèn)證，企業(yè)協(xié)同辦公應(yīng)用（如釘釘）可以作為小微企業(yè)（如IT化能力較弱的企業(yè)）的接入代理提供認(rèn)證服務(wù)，幫助小微企業(yè)接入IMS網(wǎng)絡(luò)。

（3）企業(yè)員工接入IMS網(wǎng)絡(luò)及token信息的傳遞

企業(yè)員工接入IMS網(wǎng)絡(luò)有SIP終端接入和SIP中繼接入兩種方式。

1）SIP終端接入

員工使用員工賬號(hào)登錄IMS網(wǎng)絡(luò)終端發(fā)起注冊(cè)/呼叫，SIP消息通過Authorization頭域攜帶其從認(rèn)證服務(wù)器獲取的token并傳遞給IMS網(wǎng)絡(luò)核心網(wǎng)；IMS網(wǎng)絡(luò)收到SIP消息解析獲取token并傳遞給EDS，EDS認(rèn)證token有效并進(jìn)一步向認(rèn)證服務(wù)器獲取企業(yè)員工信息。

2）SIP（session initial protocol）中繼接入

員工使用賬號(hào)登錄企業(yè)網(wǎng)關(guān)，企業(yè)網(wǎng)關(guān)作為企業(yè)員工的代理接入IMS網(wǎng)絡(luò)并發(fā)起SIP注冊(cè)/呼叫流程（是否需要注冊(cè)流程取決于企業(yè)網(wǎng)關(guān)能力），后續(xù)流程同SIP終端接入。

其中，企業(yè)提供的企業(yè)網(wǎng)關(guān)與IMS網(wǎng)絡(luò)提供的中繼接入系統(tǒng)對(duì)接時(shí)，建議簡化對(duì)接數(shù)據(jù)配置，即考慮采用本端IP地址端口和對(duì)端數(shù)字證書，代替現(xiàn)有的本端與遠(yuǎn)端的五元組配置方案。同時(shí)，考慮企業(yè)員工的流動(dòng)性（如離職/轉(zhuǎn)崗），建議盡量避免IMS網(wǎng)絡(luò)針對(duì)企業(yè)員工進(jìn)行靜態(tài)數(shù)據(jù)配置。

（4）企業(yè)員工可信信息的獲取及授權(quán)

EDS在完成員工認(rèn)證后獲取企業(yè)員工的可信信息用于生成可信企業(yè)名片，并在員工發(fā)起呼叫時(shí)授權(quán)IMS網(wǎng)絡(luò)將企業(yè)名片發(fā)送給被叫終端向客戶顯示，可信企業(yè)名片的具體內(nèi)容可根據(jù)不同企業(yè)外呼顯示要求自定義完成。

企業(yè)員工信息的主權(quán)歸屬企業(yè)，IMS網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商不負(fù)責(zé)創(chuàng)建和配置企業(yè)員工信息，但可以按需動(dòng)態(tài)獲取企業(yè)員工信息。這種方式下要求IMS網(wǎng)絡(luò)不感知企業(yè)員工的自然人信息，保護(hù)企業(yè)數(shù)據(jù)隱私。如果根據(jù)工業(yè)和信息化部的要求需要進(jìn)行通信惡意呼叫追溯，IMS網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)企業(yè)員工信息進(jìn)行緩存以幫助快速追溯。

（5）可信企業(yè)名片的跨網(wǎng)傳遞

在一些企業(yè)外呼的場(chǎng)景中，可信企業(yè)名片可能經(jīng)過多個(gè)運(yùn)營商的IMS網(wǎng)絡(luò)傳遞，中間經(jīng)過的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)可能存在篡改企業(yè)名片信息的風(fēng)險(xiǎn)。因此，建議引入主叫身份簽名及被叫網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證技術(shù)（IETF RFC8224[4]、RFC8225[5]、RFC8588[6]），在主叫側(cè)網(wǎng)絡(luò)針對(duì)主叫的用戶身份或企業(yè)名片（如果網(wǎng)絡(luò)生成企業(yè)名片）進(jìn)行簽名，在被叫網(wǎng)絡(luò)對(duì)主叫的簽名進(jìn)行驗(yàn)證，以確認(rèn)主叫身份在傳遞過程中未被篡改。

2.3 IMS網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一媒體面架構(gòu)

IMS網(wǎng)絡(luò)對(duì)媒體面的控制普遍采用H.248協(xié)議[7]，存在解耦困難、不利于快速滿足新型媒體能力需求等問題。隨著交互式通信的發(fā)展，媒體功能架構(gòu)需具備更強(qiáng)的靈活性和可擴(kuò)展性，以應(yīng)對(duì)未來更加多樣化的多媒體業(yè)務(wù)需求。

當(dāng)前IMS網(wǎng)絡(luò)媒體功能主要包含音頻轉(zhuǎn)發(fā)、音頻轉(zhuǎn)碼、音頻播放、音頻錄制、音頻會(huì)議、視頻播放等，這些媒體能力部署在多個(gè)不同媒體功能網(wǎng)元時(shí)易出現(xiàn)不必要的媒體迂回。隨著IMS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通道技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)需承載傳統(tǒng)音頻、視頻以外更為豐富的多媒體類型，以實(shí)現(xiàn)音/視頻通話與文字、圖片、AR/VR、屏幕共享、多流渲染等媒體能力的融合。

結(jié)合以上所提及的主要問題，新一代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需在滿足支持多樣化媒體處理能力的同時(shí)，具備接口的靈活擴(kuò)展性和解耦性。在5G引入的服務(wù)化架構(gòu)基于HTTP/2協(xié)議，具備敏捷性、易擴(kuò)展性、靈活性和開放性等優(yōu)勢(shì)，將在統(tǒng)一媒體面新架構(gòu)下重點(diǎn)進(jìn)行考慮。

實(shí)時(shí)通信媒體能力架構(gòu)將結(jié)合5G服務(wù)化架構(gòu)機(jī)制實(shí)現(xiàn)媒體能力的服務(wù)化，并以IMS網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)為依托，同步融合現(xiàn)網(wǎng)媒體網(wǎng)元功能和數(shù)據(jù)通道所需的媒體功能。實(shí)時(shí)通信媒體能力架構(gòu)如圖3所示，該實(shí)時(shí)通信媒體能力架構(gòu)主要包含以下內(nèi)容。

圖3 實(shí)時(shí)通信媒體能力架構(gòu)

（1）媒體控制接口的服務(wù)化

· 統(tǒng)一媒體面（unified media function，UMF）基于服務(wù)化媒體面控制接口與IMS網(wǎng)絡(luò)核心網(wǎng)交互，該示例中IMS網(wǎng)絡(luò)核心網(wǎng)的P-CSCF（proxy-call session control function）為統(tǒng)一媒體面UMF的控制網(wǎng)元，通過媒體面控制接口完成媒體資源協(xié)商后，UMF將基于媒體通道（media path）進(jìn)行音/視頻媒體的傳輸。

· UMF基于服務(wù)化媒體面控制接口與應(yīng)用服務(wù)器集合（AS set）交互，以數(shù)據(jù)通道服務(wù)器（data channel server）為例，數(shù)據(jù)通道服務(wù)器為數(shù)據(jù)通道媒體的控制網(wǎng)元，通過媒體面控制接口完成數(shù)據(jù)通道資源協(xié)商后，統(tǒng)一媒體面將基于所建立的數(shù)據(jù)通道進(jìn)行相應(yīng)媒體或數(shù)據(jù)的傳輸。

（2）媒體網(wǎng)元的融合化

· UMF融合了IMS網(wǎng)絡(luò)既有媒體能力（IMS網(wǎng)絡(luò) AGW（IMS網(wǎng)絡(luò) access gateway）、TrGW （transit gateway）、IM-MGW（IP multimedia-media gateway）、 MRFP（multimedia resource function processor）等）和新的數(shù)據(jù)通道相關(guān)媒體能力。

· UMF基于音/視頻媒體通道與終端交互傳統(tǒng)音/視頻媒體，基于數(shù)據(jù)通道與終端和服務(wù)器交互數(shù)據(jù)通道相關(guān)媒體。

該實(shí)時(shí)通信媒體能力架構(gòu)旨在形成統(tǒng)一的服務(wù)化媒體面架構(gòu)，支撐多媒體業(yè)務(wù)的快速構(gòu)建，從而更好地滿足用戶日漸多樣化、沉浸式的體驗(yàn)需求，并具備媒體功能的模塊化、媒體功能的解耦合、媒體接口的一致性和媒體功能擴(kuò)展的靈活性等特征。

3 多媒體實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)架構(gòu)重構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 基于IMS網(wǎng)絡(luò)的多媒體實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)問題分析

基于IMS網(wǎng)絡(luò)的多媒體實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)雖然已經(jīng)成功地承載了音/視頻實(shí)時(shí)通信業(yè)務(wù)，且具備一定業(yè)務(wù)靈活性和部署靈活性，但針對(duì)未來多媒體業(yè)務(wù)發(fā)展需求豐富、業(yè)務(wù)定制化要求高、音/視頻業(yè)務(wù)低價(jià)化等趨勢(shì)，存在網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、部署成本高、業(yè)務(wù)能力更新慢等架構(gòu)性問題，無法很好地適應(yīng)未來多媒體實(shí)時(shí)通信需求。

（1）控制面和用戶面均異構(gòu)，復(fù)雜度較高

IMS網(wǎng)絡(luò)屬于典型的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，定義了包括P-CSCF、S-CSCF（serving-call session control function）、I-CSCF（interrogating- call session control function）、AS（application server）、MGCF（media gateway control function）等在內(nèi)的十余個(gè)控制面網(wǎng)元，以及IM-MGW、IMS網(wǎng)絡(luò)-ALG（IMS網(wǎng)絡(luò) application level gateway）、MRFP（multimedia resource function processor）等用戶面網(wǎng)元，其網(wǎng)元、接口及協(xié)議數(shù)量眾多，流程復(fù)雜，且網(wǎng)元功能和性能差異較大，組網(wǎng)、路由、負(fù)載均衡、容災(zāi)等機(jī)制復(fù)雜且無法實(shí)現(xiàn)各網(wǎng)元共享，由此帶來的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試、部署和維護(hù)復(fù)雜度和成本也相應(yīng)較高。

（2）靜態(tài)業(yè)務(wù)編排組合，業(yè)務(wù)部署靈活性差

IMS網(wǎng)絡(luò)采用的是基于初始過濾規(guī)則（initial Filter Criteria，iFC）機(jī)制[8]的靜態(tài)業(yè)務(wù)編排機(jī)制，基本原理是在會(huì)話建立的第一條消息傳輸過程中按照預(yù)定義的靜態(tài)業(yè)務(wù)編排規(guī)則完成所有相關(guān)業(yè)務(wù)平臺(tái)可能的觸發(fā)，在整個(gè)會(huì)話周期內(nèi)該路徑不能發(fā)生變化。這種機(jī)制存在兩個(gè)主要的缺點(diǎn)：

· 無法支持業(yè)務(wù)靈活編排，無法在會(huì)話進(jìn)行過程中動(dòng)態(tài)加入業(yè)務(wù)，大量未使用的業(yè)務(wù)平臺(tái)冗余觸發(fā)，造成業(yè)務(wù)平臺(tái)資源的不必要占用和不必要的呼叫時(shí)延。

· 解決業(yè)務(wù)嵌套和業(yè)務(wù)沖突難度大，任何新業(yè)務(wù)在部署時(shí)，都需要考慮與已有業(yè)務(wù)的嵌套和沖突，以確定其觸發(fā)順序和優(yōu)先級(jí)，部署成本和潛在業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)很大。

（3）業(yè)務(wù)運(yùn)營域多，漫游成本高

IMS網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)格遵循歸屬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)原則，制定了復(fù)雜的運(yùn)營商間國際漫游架構(gòu)，在數(shù)據(jù)漫游的基礎(chǔ)上人為將多媒體實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)業(yè)務(wù)運(yùn)營域劃分為歸屬網(wǎng)絡(luò)和拜訪網(wǎng)絡(luò)，帶來運(yùn)營商間額外的互操作和業(yè)務(wù)結(jié)算成本，同時(shí)無法充分利用運(yùn)營商自有漫游數(shù)據(jù)路由資源，導(dǎo)致多媒體業(yè)務(wù)流量的路由迂回和成本增加。

（4）用戶面資源使用效率低，成本高

媒體面資源建設(shè)成本是IMS網(wǎng)絡(luò)成本的主要組成部分，但I(xiàn)MS網(wǎng)絡(luò)對(duì)媒體面資源的使用效率卻比較低。IMS網(wǎng)絡(luò)只能支持媒體面處理資源的靜態(tài)調(diào)用，即需要在每個(gè)呼叫建立前預(yù)留媒體面處理資源（如編/解碼轉(zhuǎn)換、媒體面混合等），在呼叫過程需要時(shí)使用媒體面處理，即使呼叫最終不需要，這些資源仍然被占用，媒體面處理資源利用效率低。

在媒體面路由方面，IMS網(wǎng)絡(luò)只能在呼叫建立時(shí)為媒體面數(shù)據(jù)包建立靜態(tài)路由路徑，而不能對(duì)媒體數(shù)據(jù)包的路由進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。媒體面數(shù)據(jù)包的路由在承載層面無法根據(jù)呼叫雙方位置以及當(dāng)前承載網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)對(duì)路由路徑進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，無法靈活快速調(diào)整路由以保證承載質(zhì)量。

3.2 多媒體實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)新架構(gòu)設(shè)計(jì)

在5G-Advanced以及6G時(shí)代，為彌補(bǔ)基于IMS網(wǎng)絡(luò)的多媒體實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)架構(gòu)的缺陷，快速低成本滿足垂直行業(yè)對(duì)于實(shí)時(shí)音/視頻業(yè)務(wù)的多樣性需求，需要對(duì)多媒體實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)進(jìn)行增強(qiáng)和升級(jí)。一種方式是基于現(xiàn)有IMS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行修改和增強(qiáng)，通過對(duì)業(yè)務(wù)特性和業(yè)務(wù)質(zhì)量要求進(jìn)行合理刪減，實(shí)現(xiàn)IMS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡化，減少網(wǎng)元數(shù)量。同時(shí)，基于3GPP標(biāo)準(zhǔn)逐步引入服務(wù)化接口以及增強(qiáng)技術(shù)，提升IMS網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)提供能力，降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。但考慮上述問題基本是IMS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)和協(xié)議設(shè)計(jì)等系統(tǒng)基本面的問題，無法通過IMS網(wǎng)絡(luò)自身的增強(qiáng)完全解決，可能需要考慮對(duì)多媒體實(shí)時(shí)通信的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行重構(gòu)和優(yōu)化，充分結(jié)合IT和CT，研究制定更為簡化、靈活和開放的會(huì)話控制、會(huì)話路由、媒體面管理、業(yè)務(wù)調(diào)用、業(yè)務(wù)組合機(jī)制，解決當(dāng)前系統(tǒng)存在的問題。

本文提出了一種多媒體實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)新架構(gòu)，如圖4所示，通過構(gòu)建跨運(yùn)營商、跨區(qū)域的分層overlay網(wǎng)絡(luò)及服務(wù)，滿足垂直行業(yè)的實(shí)時(shí)音/視頻業(yè)務(wù)需求。

圖4 一種多媒體實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)新架構(gòu)

3.2.1 架構(gòu)總體設(shè)計(jì)原則

在多媒體實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)仍然保持會(huì)話型業(yè)務(wù)的情況下，新的系統(tǒng)架構(gòu)仍然保持會(huì)話控制和承載解耦的設(shè)計(jì)原則，構(gòu)建基于數(shù)據(jù)承載面之上的overlay架構(gòu)，同時(shí)將會(huì)話控制和業(yè)務(wù)邏輯以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)進(jìn)一步解耦，將整個(gè)架構(gòu)分為4個(gè)層面，分別為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)面、核心控制面、業(yè)務(wù)邏輯面和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)面。

底層為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)面，提供業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包的實(shí)際路由和傳輸。底層轉(zhuǎn)發(fā)面包括接入轉(zhuǎn)發(fā)面以及核心轉(zhuǎn)發(fā)面兩個(gè)部分。接入轉(zhuǎn)發(fā)面提供多種類型終端的接入和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，提供移動(dòng)管理、承載管理、轉(zhuǎn)發(fā)QoS差異化控制等能力，核心轉(zhuǎn)發(fā)面提供各數(shù)據(jù)中心間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，可利用互聯(lián)網(wǎng)或者運(yùn)營商自建的跨國跨區(qū)域的數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)承載網(wǎng)，為語音業(yè)務(wù)提供匯聚和數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)路由。相比互聯(lián)網(wǎng)，利用運(yùn)營商自己的數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)承載網(wǎng)，一方面更利于通過在不同地區(qū)的數(shù)據(jù)中心部署上層網(wǎng)元設(shè)備，另一方面可以保證轉(zhuǎn)發(fā)性能，避免引入應(yīng)用層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的新技術(shù)，從而降低整體的建設(shè)成本和運(yùn)營成本。在轉(zhuǎn)發(fā)面層之上，疊加用于會(huì)話路由和業(yè)務(wù)調(diào)用的核心控制面，實(shí)現(xiàn)用戶的鑒權(quán)授權(quán)、會(huì)話管理和業(yè)務(wù)調(diào)用。最上層是業(yè)務(wù)邏輯面，基于服務(wù)化提供多媒體實(shí)時(shí)通信業(yè)務(wù)相關(guān)服務(wù)注冊(cè)、服務(wù)發(fā)現(xiàn)、動(dòng)態(tài)服務(wù)編排和能力開放，使得服務(wù)增值能力和新業(yè)務(wù)擴(kuò)展能力更易于快速實(shí)現(xiàn)。此外，還引入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)面，同時(shí)服務(wù)于核心控制面和業(yè)務(wù)邏輯面，提供靜態(tài)用戶數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的持久化存儲(chǔ)和訪問，支撐核心控制面和業(yè)務(wù)邏輯面的無狀態(tài)實(shí)現(xiàn)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)健性。在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式上則可以引入云化、服務(wù)化、切片等新技術(shù)，在軟件化基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能解耦和網(wǎng)絡(luò)功能的靈活組合，具備高度的靈活性和定制化能力，更好應(yīng)對(duì)垂直行業(yè)的業(yè)務(wù)需求。

3.2.2 均質(zhì)化核心控制面架構(gòu)

為解決IMS網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議復(fù)雜、部署運(yùn)維成本高、業(yè)務(wù)運(yùn)營域多和漫游成本高的問題，新架構(gòu)打破IMS網(wǎng)絡(luò)的歸屬地服務(wù)的原則，提出本地服務(wù)和均質(zhì)化核心控制面的概念，定義統(tǒng)一控制（unified control，UC）單元，作為會(huì)話控制面的唯一核心網(wǎng)元功能，提供鑒權(quán)認(rèn)證、會(huì)話控制、信令路由、接入承載控制、業(yè)務(wù)觸發(fā)和轉(zhuǎn)發(fā)面資源管理等功能。UC單元可按照運(yùn)營商的業(yè)務(wù)提供范圍實(shí)現(xiàn)全球范圍跨區(qū)域部署，網(wǎng)內(nèi)部署在運(yùn)營商數(shù)據(jù)中心內(nèi)，漫游場(chǎng)景部署在運(yùn)營商海外數(shù)據(jù)中心內(nèi)，這些單元通過相互連接和調(diào)度，形成一張跨域統(tǒng)一的overlay核心控制網(wǎng)絡(luò)。終端在任何地點(diǎn)只需要就近接入一個(gè)服務(wù)UC，由本地UC通過統(tǒng)一的業(yè)務(wù)調(diào)用機(jī)制，提供完整的多媒體實(shí)時(shí)通信業(yè)務(wù)能力。

本地服務(wù)和均質(zhì)化核心控制面的部署可以實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域不依賴運(yùn)營商互通的一張業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，繼而實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)?shù)赜脩舻慕尤?，?shí)現(xiàn)用戶全球漫游情況的統(tǒng)一服務(wù)域、統(tǒng)一服務(wù)能力和統(tǒng)一業(yè)務(wù)體驗(yàn)。這種方式避免了原有復(fù)雜的基于IP交換轉(zhuǎn)接（IP eXchange，IPX）網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)接的漫游架構(gòu)，無須IPX網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)營商即可實(shí)現(xiàn)漫游用戶的本地接入，將大幅簡化漫游架構(gòu)，降低漫游費(fèi)用，并提升用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

3.2.3 業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)編排機(jī)制

為解決IMS網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)業(yè)務(wù)編排組合、業(yè)務(wù)部署靈活性差的問題，將原有IMS網(wǎng)絡(luò) AS進(jìn)行服務(wù)化重構(gòu)，將業(yè)務(wù)特性分割成更小粒度的功能原子或組件（如鑒權(quán)、號(hào)碼補(bǔ)全、業(yè)務(wù)連續(xù)性等），用通用服務(wù)的方式進(jìn)行定義。對(duì)不同的場(chǎng)景或不同的服務(wù)對(duì)象，可以按需定制服務(wù)，調(diào)用不同的服務(wù)模塊。同時(shí)打破IMS網(wǎng)絡(luò)基于iFC規(guī)則的串行靜態(tài)業(yè)務(wù)觸發(fā)模式，終端和UC統(tǒng)一控制器可以根據(jù)自身需求直接調(diào)用所需服務(wù)，業(yè)務(wù)調(diào)用不再受SIP類協(xié)議本身的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)限制，可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯的隨時(shí)調(diào)用、按需調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)無狀態(tài)的靈活業(yè)務(wù)調(diào)用。

3.2.4 媒體面資源動(dòng)態(tài)調(diào)用及路由選擇機(jī)制

為解決IMS網(wǎng)絡(luò)用戶面資源使用效率低、成本高的問題，引入媒體面處理資源動(dòng)態(tài)調(diào)用機(jī)制和動(dòng)態(tài)路由選擇機(jī)制，UC可根據(jù)用戶業(yè)務(wù)需求、所在位置、終端能力等信息動(dòng)態(tài)決定是否調(diào)用媒體面資源以及調(diào)用不同類型和性能的媒體面資源。例如，如果一次呼叫雙方的編/解碼協(xié)商成功，不涉及編解碼轉(zhuǎn)換，則UC無須為用戶預(yù)留媒體面資源，主被叫終端點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接傳輸媒體數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)呼叫控制與媒體面處理轉(zhuǎn)發(fā)完全解耦。媒體面處理資源動(dòng)態(tài)調(diào)用機(jī)制和動(dòng)態(tài)路由選擇機(jī)制可以增強(qiáng)運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)在媒體面處理和路由方面的能力，通過會(huì)話控制和媒體處理的解耦，在呼叫過程中隨時(shí)提供動(dòng)態(tài)資源調(diào)用和路由動(dòng)態(tài)選擇的能力，提升媒體面資源利用效率以及媒體面承載質(zhì)量。本文第2.3節(jié)中的統(tǒng)一媒體面架構(gòu)也可映射到新架構(gòu)中。

3.2.5 服務(wù)化會(huì)話控制及動(dòng)態(tài)路由選擇

會(huì)話控制和路由是系統(tǒng)的核心功能，IMS網(wǎng)絡(luò)的會(huì)話控制和路由建立在SIP、Diameter等傳統(tǒng)會(huì)話控制協(xié)議的基礎(chǔ)上，呼叫流程非常復(fù)雜。一次典型的LTE語音呼叫（voice over LTE，VoLTE）的呼叫建立過程涉及10個(gè)以上的網(wǎng)元和70條以上的消息交互?？紤]后續(xù)業(yè)務(wù)新需求將帶來更多新功能和消息交互需求，呼叫流程將進(jìn)一步復(fù)雜化。降低呼叫控制和路由的復(fù)雜度，可以有效提升多媒體實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)的建立時(shí)延和交互效率。受益于更為簡化和更扁平的新架構(gòu)，一個(gè)典型的呼叫流程在新的多媒體實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)中的消息交互可以減少到20條消息交互或服務(wù)調(diào)用之內(nèi)。會(huì)話控制及動(dòng)態(tài)路由示意圖如圖6所示。

圖6 會(huì)話控制及動(dòng)態(tài)路由示意圖

會(huì)話控制及動(dòng)態(tài)路由可以分為應(yīng)用層路由和轉(zhuǎn)發(fā)面路由兩部分，其中應(yīng)用層路由完成被叫尋址、主被叫呼叫會(huì)話建立和業(yè)務(wù)調(diào)用，轉(zhuǎn)發(fā)面路由則完成媒體面數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

（1）應(yīng)用層路由

· UE向接入的UC發(fā)起呼叫請(qǐng)求，UC完成被叫用戶號(hào)碼到統(tǒng)一資源標(biāo)識(shí)符（uniform resource identifier，URI）及IP地址的映射，并根據(jù)URI獲得被叫接入的UC地址。

· 主叫UC將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給被叫UC，被叫UC尋址被叫UE。

· 主被叫完成媒體協(xié)商，UC向IP-CAN建立媒體承載，同時(shí)調(diào)用編排器服務(wù)申請(qǐng)UC間轉(zhuǎn)發(fā)資源。

· 端到端資源建立后，呼叫進(jìn)入通話狀態(tài)。

（2）轉(zhuǎn)發(fā)面路由

· POP點(diǎn)間通過運(yùn)營商控制的網(wǎng)絡(luò)連接。

· POP點(diǎn)間的轉(zhuǎn)發(fā)面路徑應(yīng)根據(jù)POP點(diǎn)間的業(yè)務(wù)模型提前規(guī)劃，不支持呼叫粒度的動(dòng)態(tài)路徑建立。

· 轉(zhuǎn)發(fā)面路徑調(diào)整由軟件定義網(wǎng)絡(luò)（software defined network，SDN）控制器完成，對(duì)應(yīng)用層透明。

· POP點(diǎn)間通過互聯(lián)網(wǎng)或通過運(yùn)營商承載網(wǎng)互聯(lián)。

4 結(jié)束語

隨著5G和5G-Advanced網(wǎng)絡(luò)的逐步演進(jìn)發(fā)展，多媒體實(shí)時(shí)通信業(yè)務(wù)將突破傳統(tǒng)語音/視頻交互的限制，逐漸向超清化、交互式、沉浸式及開放性趨勢(shì)發(fā)展，對(duì)現(xiàn)有基于IMS網(wǎng)絡(luò)的多媒體實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)提出了架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)能力方面的增強(qiáng)需求。

本文面向多媒體實(shí)時(shí)通信業(yè)務(wù)的發(fā)展需求，對(duì)基于IMS網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)多媒體通信系統(tǒng)架構(gòu)的增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行了研究和探討。首先，引入基于IMS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的交互式通信通道技術(shù)，結(jié)合音/視頻和數(shù)據(jù)通道，提供實(shí)時(shí)通信中多媒體體驗(yàn)增強(qiáng)；其次，對(duì)媒體面控制架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提出了統(tǒng)一的服務(wù)化媒體面架構(gòu)，支撐多媒體業(yè)務(wù)的快速構(gòu)建，更好地滿足用戶日漸多樣化、沉浸式的體驗(yàn)需求。此外，在網(wǎng)絡(luò)能力方面提出三方標(biāo)識(shí)認(rèn)證的架構(gòu)和流程，擴(kuò)展用戶碼號(hào)價(jià)值，提升對(duì)面向垂直行業(yè)多媒體實(shí)時(shí)通信的支持能力。

本文還對(duì)未來多媒體實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)的演進(jìn)進(jìn)行探討，提出了一種多媒體實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)新架構(gòu)，對(duì)多媒體實(shí)時(shí)通信的系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行重構(gòu)，提供更為簡化、靈活和開放的會(huì)話控制、會(huì)話路由、媒體面管理、業(yè)務(wù)調(diào)用、業(yè)務(wù)組合機(jī)制。隨著各項(xiàng)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)的逐漸成熟應(yīng)用，運(yùn)營商的多媒體實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)將進(jìn)一步演進(jìn)成為更為高效靈活開放的系統(tǒng)，滿足超清化、交互式、沉浸式及開放性的實(shí)時(shí)通信需求。