基于IMS的多媒體會議系統(tǒng)的研究與設(shè)計

楊長虹, 熊國紅

(1.湖南益陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖南 益陽 413049； 2.湖南益陽市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局， 湖南 益陽 413000)

0 前 言

隨著人們對辦公功能需要的增加、市場對辦公需求的增多，多媒體會議以其可以承載多種數(shù)據(jù)(文本、語音、視頻、電子白板、文件傳輸、應(yīng)用共享等)的諸多優(yōu)勢而成為業(yè)界研究和開發(fā)的熱點.

傳統(tǒng)的會議系統(tǒng)一般是由第三方服務(wù)商提供一整套基于H.323系列協(xié)議的系統(tǒng)，整個系統(tǒng)至少包括接入網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，媒體服務(wù)器、會議業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)器，這不但增加了企業(yè)運行成本，同時采用H.323協(xié)議和T.120協(xié)議組成的系列協(xié)議(需多種其他協(xié)議配合)標準十分復(fù)雜、擴展性弱.雖然在分組網(wǎng)上實現(xiàn)了多媒體通信和一般的控制，但它需要一組協(xié)議的支持，包括呼叫控制協(xié)議、媒體控制協(xié)議和音視頻編碼協(xié)議等，其協(xié)議間耦合內(nèi)聚性高，不利于功能拓展，在靈活性和可擴展性方面存在很大的局限性.

SIP協(xié)議(Session Initiation Protocol,簡稱SIP)是由IETF組織提出的基于IP網(wǎng)絡(luò)的“會話發(fā)起協(xié)議”，是一種用于建立、修改和終結(jié)多媒體會話的會話控制協(xié)議.SIP基于公開的Internet標準相對于H.323系列協(xié)議顯得簡單靈活、可擴展性強，在語音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)結(jié)合和互通方面具有天然的優(yōu)勢，能跨越媒體和設(shè)備實現(xiàn)呼叫控制，支持豐富的媒體格式，可動態(tài)增/刪媒體流，容易實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)間的互聯(lián)互通以及更加豐富的業(yè)務(wù)特性.

IP多媒體子系統(tǒng)是由3GPP在其R5標準版本之后提出的支持IP多媒體業(yè)務(wù)的核心控制子系統(tǒng)，它可以在3G分組域之上實現(xiàn)實時和非實時的多媒體業(yè)務(wù)，并可以與電路域?qū)崿F(xiàn)互操作.IMS是一種基于SIP協(xié)議體系并獨立于接入技術(shù)的核心子系統(tǒng)，利用IMS可以實現(xiàn)包括固定、移動網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的多種網(wǎng)絡(luò)的融合.本文研究了基于IMS的多媒體會議系統(tǒng)，并將SIP協(xié)議應(yīng)用于IMS架構(gòu)中，利用IMS系統(tǒng)的接入無關(guān)性使用戶可以通過各種不同方式接入到會議系統(tǒng)，實現(xiàn)了多媒體會議系統(tǒng)的固定移動融合.

1 IMS原理

IMS(IP Multimedia Subsystem)由3GPP首先提出的支持IP多媒體業(yè)務(wù)的子系統(tǒng)，后被3GPP2、ETSI TISPAN和ITU等組織所采用,是一種由SIP業(yè)務(wù)支持實時的、可定制的多媒體業(yè)務(wù)解決方案，支持一個終端同時運行多個SIPSession，為面向分組數(shù)據(jù)交換的多媒體服務(wù)及平臺創(chuàng)造全新的數(shù)據(jù)服務(wù)，并為實現(xiàn)多媒體會議系統(tǒng)奠定了良好的基礎(chǔ).IMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分成接入互聯(lián)層、會話控制層與應(yīng)用和數(shù)據(jù)層3個層面，如圖1所示.

圖1 IMS體系結(jié)構(gòu)圖

(1)接入互聯(lián)層.IMS不但可以為各種移動終端(包括3G終端)提供服務(wù)，還可以為固定電話終端、多媒體智能終端、PC機等終端服務(wù).在無線接入技術(shù)方面，IMS除了GSM/GPRS和WCDMA、TD-CDMA、CDMA2000之外，WLAN也可以通過SIPProxy接入,固定網(wǎng)絡(luò)的LAN和xDSL接入技術(shù)可以接入到IMS, IMS還提供了與ISDN/PSTN傳統(tǒng)電路交換網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)機制.

(2)會話控制層.會話控制層的核心功能是呼叫會話控制功能(CSCF)，它負責(zé)IMS會話控制.CSCF包括P-CSCF(Proxy CSCF，代理CSCF)、I-CSCF(Interrogating CSCF,查詢CSCF)、S-CSCF(Serving CSCF,服務(wù)CSCF)等邏輯功能.P-CSCF是UE接入IMS網(wǎng)絡(luò)的入口點，在UE和P-CSCF之間需要建立安全關(guān)聯(lián)和SIP信令的壓縮(固定網(wǎng)接入不需要信令壓縮).S-CSCF負責(zé)對IMS用戶的鑒權(quán)、執(zhí)行會話控制業(yè)務(wù)并維護每一個會話的狀態(tài).I-CSCF在IMS核心網(wǎng)中起到關(guān)口節(jié)點的作用，提供域內(nèi)IMS用戶的S-CSCF分配、路由查詢以及不同IMS域間的拓撲隱藏等功能.

會話控制層還包括突破網(wǎng)關(guān)控制功能(BGCF)、媒體網(wǎng)關(guān)控制功能(MGCF)和信令網(wǎng)關(guān)(SGW)等用于和PSTN或PLMN CS域互通的功能.BGCF完成到PSTN/ISDN的路由功能，MGCF完成SIP和H.248的互通，并通過H.248對媒體網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)控制.SGW完成IP和CS域信令傳輸層的互通.

多媒體資源功能(MRF)提供話音和視頻會議的必要支持，包括控制部分(MRFC，多媒體資源功能控制器)和處理部分(MRFP，多媒體資源功能處理器)，分別完成對媒體流的控制和承載.

(3)應(yīng)用和數(shù)據(jù)層.應(yīng)用和數(shù)據(jù)層提供業(yè)務(wù)邏輯，用來支持用戶的各種業(yè)務(wù)屬性.根據(jù)所支持業(yè)務(wù)類型的不同分為以下3種：SIP應(yīng)用服務(wù)器完成Internet業(yè)務(wù)，由于ISC采用了SIP，故可直接于S-CSCF相連，CSCF能以SIP服務(wù)器的方式直接調(diào)用這些業(yè)務(wù)，減少了信令轉(zhuǎn)換.SIP基于C/S模式，是一種多媒體會話的應(yīng)用層控制信令，完成雙方或多方多媒體會話的創(chuàng)建、修改和終止等工作，以提供IP電話和基于IP的多媒體會話業(yè)務(wù)，其業(yè)務(wù)邏輯的提供可通過腳本語言、SIP-CGI或API(如Servlet等)編程實現(xiàn).SA應(yīng)用服務(wù)器完成基于OSAAPI開發(fā)的第三方業(yè)務(wù).UMTS定義了OSA來允許第三方業(yè)務(wù)提供商進行新業(yè)務(wù)的開發(fā)，由OSA提供的安全API來接入UMTS，使用網(wǎng)絡(luò)的性能，而不再受限于運營商提供的業(yè)務(wù).不同的應(yīng)用提供商就可以通過開放的網(wǎng)絡(luò)訪問接口獲得底層網(wǎng)絡(luò)的承載能力，并進行應(yīng)用開發(fā).CAMELSE則完成傳統(tǒng)的移動智能網(wǎng)業(yè)務(wù).

2 SIP會議架構(gòu)

多媒體會議按照組織方式可分為松散多播式會議、全分布式會議和集中式會議3種.松散多播會議沒有中央節(jié)點，終端間不需要信令通信，加入媒體多播組即可加入會議，這種會議方式功能簡單、局限大、應(yīng)用不廣.全分布式會議中，每個節(jié)點都與其他所有節(jié)點保持聯(lián)系，沒有中央節(jié)點，主要缺陷是效率低、浪費帶寬、對終端要求高、難以控制.IETF下屬的XCON委員會專門制定第三種集中式會議架構(gòu)及技術(shù)標準.IETF在RFC4353中提出了基于SIP的集中式會議模式，這種模式存在中心控制點，每個參與者連接到該節(jié)點，控制點提供多樣化的會議功能，同時可能執(zhí)行媒體混合功能，它主要包括了以下幾個邏輯功能模塊：會議中心、會議通知服務(wù)模塊、會議策略服務(wù)器、會議策略模塊、媒體策略服務(wù)器、媒體策略模塊、媒體混合器、資源接入控制服務(wù)器等.

3 多媒體會議系統(tǒng)功能架構(gòu)整體設(shè)計

IMS網(wǎng)絡(luò)的靈活性為提供融合的多媒體業(yè)務(wù)提供了條件，所以基于IMS網(wǎng)絡(luò)不僅可以設(shè)計融合音頻、視頻、數(shù)據(jù)功能的多媒體會議業(yè)務(wù)，還可以與IMS業(yè)務(wù)提供架構(gòu)中的其他應(yīng)用服務(wù)器功能組合，提供融合IM、Presence、Group等多種能力的應(yīng)用服務(wù)器.因此，基于上述需求，根據(jù)IETF和3GPP對多媒體會議業(yè)務(wù)的功能需求和框架結(jié)構(gòu)，作者設(shè)計了圖2所示的基于IMS的會議應(yīng)用服務(wù)器系統(tǒng).

圖2 會議中的功能實體圖

由圖2可以看出，基于SIP的集中式會議模型中主要包含以下實體：會議參加者、會議中心、媒體混合器、會議策略服務(wù)器、會議訂閱服務(wù)器和會議策略等.

會議參加者(Participant)：在基于SIP的會議中，會議的參加者可以分為participant(普通的會議參加者)和moderator(會議主席)，他們具有的權(quán)限不同.participant可以申請加入會議，或者申請某種媒體資源；moderator有更多的權(quán)限，能夠在會議過程中管理主持會議，比如決定是否允許新的用戶的接入，對用戶申請的媒體資源的批準等等.participant可以是自己主動要求加入會議，或者是被通知邀請加入會議的，而moderator可以是提前指定的，如果沒有指定，則moderator是會議創(chuàng)建者.

會議中心(Focus)：是一個會議的核心,也是一個SIP用戶代理，通過一個URI(如：conference002@hnyyzy.net)標識來表示一個會議.會議中心負責(zé)維持和所有的會議參加者之間的信令關(guān)系，以確認會議參加者連接到會議中.另外，會議中心還會執(zhí)行會議策略.

媒體混合器(Mixer)：主要功能是將接收到的各種類型的媒體流混合處理，然后將處理后的結(jié)果媒體流分發(fā)到會議參加者，這里的媒體傳輸可以使用RTP協(xié)議.

會議策略服務(wù)器(Conference Policy Server,CPS)：會議策略服務(wù)器是一個邏輯上的功能實體，主要是用來操作管理會議策略，它可以其他相關(guān)的非SIP協(xié)議(如CPCP或者其他協(xié)議)來執(zhí)行對會議策略的管理.CPS可能是實際物理上并不存的實體.

會議通知服務(wù)器(Conference Notification Server,CNS)：事實上會議訂閱通知服務(wù)器是由會議中心分離出來的一個邏輯功能，主要是為了提供用戶訂閱會議狀態(tài)的業(yè)務(wù)，并且當會議狀態(tài)改變時通知這些訂閱用戶.

會議策略(Conference Policy,CP)：是控制一個會議的規(guī)則的完整的集合.會議策略可以在會議創(chuàng)建之前或者會議創(chuàng)建時被制定，用來指導(dǎo)會議中心主持和管理一個會議.

圖3 申請控制權(quán)流程圖

4 多媒體會議系統(tǒng)控制機制

基于IMS的多媒體會議采用SIP作為會場控制協(xié)議，建立對會議業(yè)務(wù)的控制機制.對多媒體會議的控制可分為用戶控制、媒體控制和會場控制3個方面.

(1)用戶控制.按照多媒體會議參與者控制功能的不同，將參與者角色分為會議發(fā)起者、會議控制者、會議成員.會議發(fā)起者可以創(chuàng)建會議；會議控制者相當于會議主持人，其行為包括添加成員、刪除成員、結(jié)束會議、轉(zhuǎn)移控制權(quán)、控制成員權(quán)限、控制會議媒體等；普通會議成員行為包括加入會議、退出會議，普通會議成員需要申請才能獲得對白板、應(yīng)用共享、文件傳輸、音視頻的操作控制權(quán)，也可以申請成為主持人角色.通過采用對參與者的角色進行管理，使主持人擁有管理權(quán)限，可以對會場進行總體控制.此外，主持人具有的功能還包括鎖定/解鎖會場、切換會場控制模式、會場靜音控制、允許/禁止綜合錄制、允許/禁止會場屬性.普通成員只有經(jīng)過申請才能獲得某些控制權(quán)或者成為主持人.

我們用申請控制權(quán)簡述控制過程.普通會場成員想要獲得會議的控制權(quán)限時需要通過會議服務(wù)器向會場控制者發(fā)出申請，經(jīng)授權(quán)后才可執(zhí)行控制操作，流程如圖3所示.

流程描述：

1-2：普通會議成員UE1向AS會議服務(wù)器發(fā)出請求，申請控制權(quán)，其中INFO消息攜帶的XML內(nèi)容如下：//type為操作的類型：apply：申請；release：釋放.

3-4：AS通知主持人UE1申請控制權(quán).

5-6：主持人返回申請的處理結(jié)果到AS.

7-8：通知MRS當前會場的控制權(quán)狀態(tài).

9-10：返回申請的結(jié)果到UE1.

11-12：通知其他參與方會場權(quán)限的狀態(tài).

圖4 基于IMS的數(shù)據(jù)會議的場景流程圖

(2)媒體控制.在多媒體會議中涉及的媒體種類比較多，一般可分為音頻、視頻、數(shù)據(jù)3類，而數(shù)據(jù)類型又分為電子白板、應(yīng)用共享、文件傳輸、網(wǎng)頁共享、議程管理等多種數(shù)據(jù)類型.

對于音頻和視頻會議的媒體傳輸，可以采用RTP通道且較為成熟，對于數(shù)據(jù)的媒體的控制還處于研究探索階段.由于XML在互聯(lián)網(wǎng)中的成功應(yīng)用，支持文本格式，易于解析和閱讀，并且已經(jīng)存在大量的協(xié)議規(guī)范用于開發(fā)各類通信應(yīng)用框架(如即時通信)，因此結(jié)合IMS開放靈活的協(xié)議框架體系可以將XML的優(yōu)點納入數(shù)據(jù)類應(yīng)用的協(xié)議框架中.IMS采用SIP作為控制協(xié)議，其靈活性已經(jīng)得到了廣泛的認可，可以在IMS架構(gòu)下采用SIP+TCP(XML)的協(xié)議體系進行信令、媒體的控制和傳輸，增強了協(xié)議的可開放性、伸縮性和可擴展性.具體協(xié)議流程為首先采用SIP INFO消息建立TCP數(shù)據(jù)媒體通道，在TCP數(shù)據(jù)媒體通道上建立數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用，再利用XML媒體層信令傳輸數(shù)據(jù)媒體控制信息，數(shù)據(jù)媒體控制信息是采用類似XMPP協(xié)議的XML進行描述的.IMS數(shù)據(jù)會議場景流程中采用SIP作為通用會場控制協(xié)議，信令格式遵循24.147協(xié)議，又采用SIP+TCP(XML)的協(xié)議架構(gòu)，使會場控制與具體媒體應(yīng)用和傳輸分離，增強了靈活性和可擴展性.基于IMS的數(shù)據(jù)類媒體控制流程如圖4所示.

流程描述：

1-6:UEl向Conference AS及MRS申請會議資源成功，同時將UEl加入會議中.

7-9：Conference AS邀請UE2加入會議，UE2也被加進來，此時會場的SIP信令通道建立起來.

10-11：UEl向Conference AS申請白板共享.

12-13：Conference AS向MRS轉(zhuǎn)發(fā)白板共享請求.

14-15：MRS向Conference AS報告申請白板共享是否成功.

16-17：Conference AS向UEl報告白板共享是否申請成功.

18-19：Conference AS向其他終端UE2發(fā)送白板共享邀請.

20-21：終端UE2向Conference AS返回是否支持白板共享.

22-23：Conference AS向MRS通知終端是否支持白板共享，此時會場的TCP媒體通道已經(jīng)建立.

24：UEl在已經(jīng)建立好的TCP通道上，通過xmessge消息發(fā)送具體的白板操作指令.

25：MRS也在已經(jīng)建立好的TCP通道上，通過xmessge消息通知UE2具體的白板操作內(nèi)容，UE2收到消息后會及時的更新狀態(tài).

(3)會場控制.在IMS網(wǎng)絡(luò)下，由于融合文本、音頻、視頻、電子白板、文件傳輸、應(yīng)用共享等多種業(yè)務(wù)的組合類多媒體會議統(tǒng)一由SIP協(xié)議進行會話的流程控制，因此涉及到多種媒體業(yè)務(wù)、多種媒體通道之間的會場控制成為設(shè)計多媒體會議系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù).

圖5 關(guān)閉多媒體會議數(shù)據(jù)通道信令流程

由于多媒體會議存在多種媒體類型、多種業(yè)務(wù)應(yīng)用和多種數(shù)據(jù)通道，所以用戶發(fā)起會議與退出/結(jié)束會議的控制邏輯也比較復(fù)雜，需要按照一定的邏輯層次進行判斷執(zhí)行.下面以退出/結(jié)束會議說明控制過程.當用戶發(fā)出退出/結(jié)束組合應(yīng)用的多媒體會議時，如果是關(guān)閉媒體如音頻、視頻、白板、應(yīng)用共享等，則使用REINVITE關(guān)閉媒體；如果已經(jīng)是最后一個媒體，則使用BYE結(jié)束整個會話；對于數(shù)據(jù)應(yīng)用，則在使用INFO結(jié)束某個應(yīng)用時需要判斷是否仍有其它業(yè)務(wù)使用TCP數(shù)據(jù)通道，如果沒有則使用REINVITE關(guān)閉媒體，如果已經(jīng)是最后一個媒體，則使用BYE結(jié)束整個會話.如果仍有其它業(yè)務(wù)使用TCP數(shù)據(jù)通道，則僅需要使用INF0關(guān)閉應(yīng)用.關(guān)閉數(shù)據(jù)媒體通道和數(shù)據(jù)應(yīng)用的信令流程如圖5所示.

流程描述：

1-3：請求關(guān)閉多媒體會議的數(shù)據(jù)媒體通道.

4-6：關(guān)閉UE#1在MRS上的多媒體會議的數(shù)據(jù)媒體通道.

7-9：關(guān)閉其他終端的多媒體會議的數(shù)據(jù)媒體通道.

10-12：關(guān)閉其他終端在MRS上對應(yīng)的多媒體會議的數(shù)據(jù)媒體通道.

5 結(jié)束語

基于IMS實現(xiàn)的多媒體會議業(yè)務(wù)系統(tǒng)充分利用了IMS的接入無關(guān)性和SIP協(xié)議的靈活性，使整個系統(tǒng)業(yè)務(wù)的形式更加靈活、內(nèi)容更加豐富、應(yīng)用也更加廣泛，將提供給用戶實實在在的業(yè)務(wù).多媒體會議業(yè)務(wù)的潛力需要進一步深入的挖掘，相信在未來的網(wǎng)絡(luò)世界里多媒體會議系統(tǒng)將會帶來更多的方便.

參考文獻

[1] 吳偉明，李福東，高 斐，等.面向3G發(fā)展的移動辦公模式[J].辦公自動化，2007，(2)：57-59.

[2] 李福東，吳偉明.移動辦公平臺架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)[J].辦公自動化，2008，(2)：38-39.

[3] 單順迪，雷為民.基于IMS的SIP數(shù)據(jù)會議系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].計算機工程與科學(xué)，2009，(5)：20-23.

[4] 林奕琳. 基于IMS的多媒體會議系統(tǒng)研究[J].電信科學(xué)，2008，(2)：18-25.

[5]馬 武，刑燕霞，潘 衛(wèi).IMS性能特點與需求分析[J].電信科學(xué)，2007，(12)：62-64.