基于軟交換+MCU獨立架構(gòu)的多媒體會議系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：本文對軟交換+MCU獨立硬件編解碼架構(gòu)的多媒體會議系統(tǒng)展開研究設(shè)計，其中軟交換部分只處理信令和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，將計算量較大的媒體處理部分交由處理能力更強(qiáng)的MCU專有硬件模塊完成，最大程度的解耦信令處理與多媒體數(shù)據(jù)處理，節(jié)約成本，并可通過配置不同級別MCU模塊以適應(yīng)多種應(yīng)用場景，在節(jié)約成本的同時提升多媒體會議用戶體驗。

關(guān)鍵詞：多媒體會議;會議系統(tǒng)設(shè)計;MCU;會議控制

中圖分類號：TN393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2021.02.044

本文著錄格式：徐偉.基于軟交換+MCU獨立架構(gòu)的多媒體會議系統(tǒng)設(shè)計[J].軟件，2021，42（02）：141-143

Design of Multimedia Conference System Based on Softswitch + MCU Independent Architecture

XU Wei

（Chengmai Technology （Nanjing） Co.， Ltd.， Nanjing? Jiangsu? 210000）

【Abstract】：This paper studies and designs a multimedia conference system based on Softswitch + MCU independent hardware codec architecture， the soft switch only deals with signaling and data forwarding， the media processing part with large amount of computation is completed by the special MCU hardware module with stronger processing ability， maximum decoupling of signaling processing and multimedia data processing， cost savings， different levels of MCU modules can be configured to adapt to a variety of application scenarios， improve the user experience of multimedia conference while saving cost.

【Key words】：multimedia conference;conference system design;MCU;conference control

0 引言

多媒體會議的出現(xiàn)極大地豐富了日常生活，工作中的溝通交流方式，實現(xiàn)了面對面交流。多媒體會議一般是將IP語音技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的新型產(chǎn)物，一般包括了音頻、視頻、電子白板等實時數(shù)據(jù)流，是集合現(xiàn)有通信技術(shù)優(yōu)勢而形成的新一代通信方式，特別是隨著5G技術(shù)的不斷應(yīng)用，多媒體會議將帶來更加高清，低時延的用戶體驗，將釋放更大的應(yīng)用潛力和價值。

在多媒體會議通信系統(tǒng)中主要包含了信令和實時流媒體數(shù)據(jù)，其中信令主要是指建立多媒體通信會話和會議控制管理相關(guān)的消息，處理過程簡單，硬件資源占用較小，而流媒體數(shù)據(jù)包含了會議成員語音數(shù)據(jù)，視頻圖像數(shù)據(jù)，電子白板等實時數(shù)據(jù)流，處理過程復(fù)雜，需要占用較多硬件資源，特別是當(dāng)會議成員人數(shù)較多，或會議成員多媒體數(shù)據(jù)編碼格式不統(tǒng)一時，不同編碼格式間多媒體數(shù)據(jù)編解碼處理和混合運算將消耗大量硬件資源進(jìn)行復(fù)雜的編解碼轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)運算，導(dǎo)致系統(tǒng)硬件需求急劇上增，隨著系統(tǒng)硬件資源的耗盡，多媒體會議將出現(xiàn)卡頓、延遲、甚至無法通信的情況，嚴(yán)重影響用戶體驗。

MCU模塊一般由專有架構(gòu)或芯片構(gòu)成，相比通用計算機(jī)平臺具備更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和數(shù)學(xué)運算能力，但邏輯處理能力相對較弱。在多媒體會議系統(tǒng)中信令處理雖然邏輯復(fù)雜，但運算量較少，一般的通用計算機(jī)處理能力就能勝任，而媒體數(shù)據(jù)處理則恰恰相反，需要較高的運算能力?；谝陨戏治?，將多媒體會議中信令處理與媒體實時數(shù)據(jù)處理向分開，其中多媒體會議信令處理由通用計算機(jī)完成，而多媒體會議實時數(shù)據(jù)流由專有MCU模塊完成，解決通用計算機(jī)處理能力不足導(dǎo)致多媒體會議卡頓、掉幀、黑屏等問題，通過較低成本搭建高可用性多媒體會議系統(tǒng)，改善多媒體會議用戶體驗。

1 多媒體會議系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

多媒體會議信令處理一般包括多媒體會話建立和會議控制管理，其中多媒體會話建立的協(xié)議系統(tǒng)主要有SIP、H.232、IAX2以及Google Talk等。

H.323由ITU在1996年提出，通過與IETF的資源預(yù)留協(xié)議（RSVP）等IP技術(shù)結(jié)合，可為分組網(wǎng)絡(luò)提供多媒體通信，目前已形成第四版。H.323較早在IP網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)聲音、視頻和實時數(shù)據(jù)信息傳輸，奠定了全球范圍內(nèi)IP電話通信基礎(chǔ)。SIP全稱為會話初始化協(xié)議，由IETF在1999年提出，用于在IP網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)實時多媒體通信。SIP是基于應(yīng)用層的控制協(xié)議，提供了REGISTER、INVITE、CANCEL、ACK、BYE、INFO等方法，主要用于建立、維持和終止多媒體會話，支持用戶定位、用戶有效性檢查、用戶性能檢查、會話建立和會話管理。SIP協(xié)議本身不提供服務(wù)，而是作為會話建立的基礎(chǔ)，配合SDP（Session Describe Protocol）協(xié)議、RTP（Real-time Transport Protocol）協(xié)議，SRTP

（Secure Real-time Transport Protocol）等協(xié)議構(gòu)建完整的多媒體通信架構(gòu)。SIP協(xié)議在設(shè)計之初就采用了以服務(wù)為目的的設(shè)計理念，具有簡單、靈活和擴(kuò)展性強(qiáng)的特點，相比H323協(xié)議更加適應(yīng)IP網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，已成為語音會議發(fā)展的主流方向。

本文也將基于SIP協(xié)議，并且選擇開源軟件FreeS WITCH作為基于SIP的多媒體會議信令處理系統(tǒng)。FreeSWITCH創(chuàng)建于2006年，是世界上第一個基于IP的開源的跨平臺電話軟交換機(jī)引擎、PBX、多媒體網(wǎng)關(guān)等，既允許用戶進(jìn)行一對一的單個呼叫，也能組成能夠處理數(shù)百萬呼叫的大型服務(wù)器集群，已成為全球首屈一指的開源軟交換平臺，也被廣泛應(yīng)用到各類多媒體會議系統(tǒng)。

基于MCU的多媒體會議系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，多媒體會議信令處理一般服務(wù)器（FreeSWITCH）完成，而MCU負(fù)責(zé)完成多媒體會議成員音視頻實時數(shù)據(jù)編碼解碼，視頻畫面融屏拼接，電子白板等復(fù)雜處理運算，數(shù)據(jù)流如圖1所示。

圖1所示服務(wù)器運行信令處理部分負(fù)責(zé)信令消息解析，其中信令處理部分完成多媒體會議成員注冊，注銷和狀態(tài)管理，以及會話建立、管理、維護(hù);會議控制管理負(fù)責(zé)MCU資源分配和釋放，當(dāng)多媒體成員需要對其音視頻數(shù)據(jù)編解碼處理或融屏處理時，會議控制模塊向MCU下發(fā)資源請求和參數(shù)控制MCU工作，當(dāng)會議成員結(jié)束通話后會議控制模塊向MCU下發(fā)資源釋放請求，回收硬件資源;而多媒體會議中的實時數(shù)據(jù)流則交由專有MCU模塊處理，其負(fù)責(zé)完成多媒體會議成員音視頻實時數(shù)據(jù)編碼-解碼-融屏等復(fù)雜處理運算;MCU則根據(jù)會議控制管理下發(fā)請求及參數(shù)進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算處理，完成音視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)碼，混屏等操作，然后將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至用戶成員，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

2 多媒體會議系統(tǒng)處理流程設(shè)計

基于本文架構(gòu)的多媒體會議系統(tǒng)，信令模塊只負(fù)責(zé)處理SIP消息處理和會話建立，包括了用戶注冊、會議創(chuàng)建與管理、成員加入與請出，以及會議銷毀等功能。

當(dāng)信令模塊收到一個多媒體呼叫后，首先檢查本地是否已經(jīng)存在該多媒體的虛擬會議室，如果不存在先新建一個虛擬會議室，用于多媒體會議管理控制，并由多媒體會議控制管理模塊根據(jù)相關(guān)參數(shù)向MCU下發(fā)媒體資源請求，分配媒體資源用于會議成員多媒體處理;當(dāng)存在虛擬會議室時會議成員直接加入該會議室進(jìn)行多媒體會議通信，并請求MCU分配硬件資源，而當(dāng)最后一個會議成員結(jié)束會話后，直接銷毀該虛擬會議室，并釋放MCU硬件資源，SIP消息具體流程如圖3所示。

由于本文將多媒體會議成員實時媒體數(shù)據(jù)與信令處理相互分開，根據(jù)SIP協(xié)議規(guī)范，在多媒體會議成員加入會議時需要協(xié)商將多媒體數(shù)據(jù)發(fā)送至MCU模塊進(jìn)行處理，修改手動修改INVITE消息SDP信息，將SDP信息中標(biāo)識對端IP地址的c行修改為MCU模塊IP地址，會話建立后，終端就直接將多媒體媒體數(shù)據(jù)發(fā)送至MCU模塊，MCU模塊根據(jù)會議控制管理請求參數(shù)完成數(shù)據(jù)處理，并將處理后的多媒體數(shù)據(jù)發(fā)送至用戶終端。

3 語音會議系統(tǒng)數(shù)據(jù)流分析

為測試本文設(shè)計的基于MCU硬件架構(gòu)的多媒體會議處理性能，本文選用SIPp自動測試工具進(jìn)行性能測試。SIPp是一款遵循GPL的SIP協(xié)議性能測試開放源軟件，通過配置參數(shù)文件可測試設(shè)備編解碼能力，常用于SIP代理設(shè)備、SIP媒體服務(wù)器、SIP網(wǎng)關(guān)等真實設(shè)備性能測試，表1為使用1組MCU模塊編解碼測試結(jié)果。

從表1中測試結(jié)果可得，多媒體會議質(zhì)量與系統(tǒng)會議個數(shù)和每個會議規(guī)模相關(guān)性較弱，與系統(tǒng)總會話數(shù)相關(guān)性較強(qiáng)，當(dāng)總會話數(shù)超過90個時，話音質(zhì)量清晰，但已出現(xiàn)延時，且視頻圖像出現(xiàn)掉幀，而當(dāng)系統(tǒng)總會話數(shù)超過100個時，話音質(zhì)量不清晰，且延時明顯，視頻圖像存在黑屏情況，主要原因是隨著會話數(shù)量的增加，MCU硬件資源不足，導(dǎo)致編解碼和混屏處理時延增加，話音出現(xiàn)延時和不清晰，但將多媒體會議媒體數(shù)據(jù)處理單獨獨立出來，使得系統(tǒng)媒體處理能力可以通過配置不同MCU靈活改變，解決系統(tǒng)媒體處理瓶頸問題，靈活配置適配不同應(yīng)用場景。

4 結(jié)語

本文設(shè)計的多媒體會議系統(tǒng)將會議成員信令控制和話音數(shù)據(jù)處理分開，其中信令模塊只負(fù)責(zé)處理信令，而會議控制管理只復(fù)雜會議管理，MCU負(fù)責(zé)全部的音視頻編解碼和融屏處理，將系統(tǒng)中易造成性能瓶頸的媒體編解碼獨立出來，通過增加或減少MCU編解碼模塊數(shù)量來靈活配置系統(tǒng)可會議支持能力，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場景，提升用戶體驗。

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