基于WCDMA的移動多媒體解決方案

   
     

    受互聯網業務迅速發展的影響，第三代移動系統在設計時特別強調了數據承載能力的提高和對多媒體業務的支持，這就為各種多媒體應用移植到移動系統中或者根據移動系統的特點發展出新的多媒體系統提供了可能。本文為方便討論，以WCDMA系統為例，其中的某些描述并不適合其他制式的3G系統。

    一、多媒體

    多媒體應用在剛出現時主要是單機使用，通過可移動存儲介質傳播。由于互聯網的廣泛普及，現代的多媒體應用更多表現為通過網絡傳播的各種信息表示方式，而且越來越重視通過網絡提供對信息的快速檢索和獲取超大容量存儲。其中HTTP協議就是一個典型的多媒體協議，它可以在一個主頁內集成文本、靜態圖像、動態圖像、音頻等多種表現方式，而且支持快速的信息檢索，能快速地切換到相關信息上去。

    多媒體應用向網絡的遷移，產生了很多新的應用，并改變了一些行業的經營模式。最顯著的例子是視頻點播應用，它正在并將徹底改變廣播電視產業的運營模式。

    二、WCDMA系統的數據承載業務

    任何多媒體應用都需要數據承載業務完成對信息的傳輸，特定的多媒體應用對傳輸網絡有不同的要求，但主要還是基于兩個方面：安全性和QoS能力。

    1.承載方式

    WCDMA系統數據承載業務有短消息、CS域承載、PS域承載3種形式。

    短消息業務是從GSM系統繼承下來的一種異步、低速率的信息傳遞業務，分為廣播短消息和點對點短消息業務。短消息的一個顯著特點是不基于呼叫，用戶可以在對方未接入系統時就向對方發出短消息。短消息的開發目的是向移動用戶提供一種廉價的尋呼業務,經過擴展帶寬后，也可以支持數據業務。由于其特有的異步性質，短消息業務對應用有相當大的限制。

    CS域承載業務是從GSM系統單信道數據業務繼承下來的，分為透明承載和非透明承載兩種，速率受信道速率限制，一般在10kbit/s以下。該業務最大特點是基于電路交換，時延低、有QoS保障。在3G系統中，由于信道帶寬拓展支持一次呼叫提供多條話音信道以及電路域交換向ISDN方向發展，因此有可能提供高速率的電路交換數據業務，方便地實現目前在ISDN網絡上的應用。

    PS域承載業務是從GPRS系統擴展而來。在GSM系統中，GPRS系統通過占用多個信道來擴展帶寬，WCDMA系統中可以通過不同級別的信道碼來實現不同傳輸速率的數據傳輸，也可以同時占用多個信道，但在CN側仍采用SGSN和GGSN完成服務接入和與其他分組交換網的互連互通。

    在AllOverIP的思想驅動下，以后的發展將不斷強調PS域的作用，CS域和短消息將被逐步替代，形成一個全IP的通信網。

    2．安全性

    在安全性方面，WCDMA系統繼承了GSM系統的安全機制，但由于原有的2G系統是針對話音業務的，其安全措施不夠完備，WCDMA系統對安全措施進行了一些修改，主要措施如下：

    *增加移動臺對網絡的識別功能，防止偽造基站攻擊；

    *增加密鑰長度，以便實現更強的加密算法，保證數據完整性；

    *提供網內和網間的安全認證機制，保障核心網的安全性；

    *安全保證機制位于交換部分而不像GSM那樣位于基站部分，以保護交換網到基站部分的線路；

    *不像GSM中途引入終端識別號(IMEI)概念，WCDMA系統從一開始就設計了完整的IMEI機制；

    *鑒權算法是非固定的，只給出選擇上的指導意見。

    當跨網絡漫游時，比如GSM和WCDMA間的漫游，只支持智能卡的安全能力，這就意味著GSM智能卡漫游到WCDMA網絡時不能避免偽造基站的攻擊。

    從用戶角度來說，經以上改造后的WCDMA系統，在數據承載層向應用提供了可靠的安全機制。但由于3G系統要在應用級支持各種業務，特別是要支持MExE(移動運行環境)和JAVA虛擬機，目前互聯網上所有的安全風險都將在3G系統上出現。應用安全的問題目前依靠服務提供商和用戶來解決，真正的解決方案還有待于進一步研究。

    3.QoS

    QoS直接影響用戶對網絡及服務的評價，實現QoS目標的關鍵在于承載業務所能提供的QoS能力。很多應用對于承載業務的QoS能力十分敏感，比如視頻電話顯然不能使用時延沒有保證的短消息業務來承載。WCDMA的服務質量和網絡性能要求基本源于ITU－TE800的要求，用于保證對應用的服務支持能力、服務可操作性能、服務可訪問程度、服務保持程度、服務完整程度和服務安全性能。

    由于傳輸的業務類型不同，對傳輸質量的要求也不同。WCDMA系統主要考慮以下幾種QoS指標：端到端延時、延時變化范圍、錯誤率。根據不同應用對數據錯誤率和時延的要求，QoS分為4個不同的級別：會話級、交互級、流級、背景級。不同級別各有不同的應用。

    WCDMA提供的3種承載業務各有不同的QoS能力。由于短消息業務不建立呼叫的特點，它不能提供任何程度的QoS能力。CS域承載是電路交換方式，在UMTS內部能提供可靠的QoS能力，對于外接的電路交換數據網絡也能提供QoS接口轉換機制，保證數據承載服務的QoS。PS域承載是分組交換方式，在UMTS內部底層使用的是可保證QoS的ATM網絡，因此能保證QoS質量。但PS域在以IP協議和外部互連時，IPv4將無法保證QoS，在IPv6得到廣泛應用后，才能根本解決分組域的QoS問題。

    三、多媒體應用簡介

    多媒體應用在移動系統中的實現需要克服以下困難：選擇合適的輸入編碼和傳輸編碼方式、多個媒體間的同步問題以及與現有多媒體網絡的“無縫”互聯。以下以H.323和IP應用為例描述WCDMA系統在這幾方面所做的工作。

    1．ITU－TH.323協議

    可視電話及多方會議是傳統雙向話音業務的延伸，為此ITU－T制定了H.323系列標準來規范多媒體應用在基于分組包的公共網絡上的傳輸。H.323協議定義的初始目的是在固定式的局域網或寬帶廣域網上提供視頻會議及附加多媒體信息的傳輸，它提供多端點的圖像和話音兩種實時業務及其他非實時數據業務，且對數據傳輸網絡只要求提供面向連接的可靠信道和面向非連接的數據報信道。



    對于3G系統，可視電話將作為一種基本業務。由于H.323標準已廣泛應用于視訊領域，考慮到新標準的開發風險，同時為了保護運營商現有投資，3G系統在實現可視電話業務時必然要考慮對H.323標準的繼承性和互連互通性。

    （1）H.323協議簡介

    H.323協議組所規定的多媒體通信網在電信級應用時的結構如圖1所示。為了使H.323系統可以不使用特定的電信設備，關守(GateKeeper)和MCU在H.323網中是可選的，其功能可以下移到終端中去，直接用多個終端完成H.323通信，而不借助任何電信網絡。

    在電信級應用時，核心部分由關守和MCU組成，其中關守有以下作用：地址翻譯(H.323別名到實際通信網地址的翻譯)、接納鑒權和帶寬要求鑒權、帶寬控制、域控制。可選的功能包括：呼叫控制信令、呼叫鑒權、帶寬管理、呼叫管理。正在研究的功能包括：關守操作維護、帶寬保留和目錄服務。

    MCU包括MC和MP兩部分：MC用于控制多方會話，MP用于處理多方的音頻和視頻流，并根據MC的指令將合適的數據流傳輸給各終端。網關也是電信應用時使用的設備，用于連接其他類型的終端設備，比如普通電話,在H.323網絡中被當作一個或多個符合H.323協議的終端。

    符合H.323協議的終端要滿足以下條件：支持H.261及H.263所規定的視頻流格式，特別是QCIF和CIF格式、支持G.711和其他音頻格式；通過數據通道支持各種非實時應用；支持H.245控制協議；支持H.225.0規定的RAS(注冊，訪問，狀態)、呼叫信令和邏輯信道管理協議。

    （2）H.323協議和WCDMA網絡的結合

    WCDMA系統已經確定將H.263視頻編解碼協議作為視頻電話業務的視頻編解碼必選項，并確定使用PS域承載H.323業務，但并未就如何實現3G系統的視頻電話業務作出最后決定，具體的實施方案仍在研究中。目前的研究主要是對比利用PS域承載H.323和利用CS域承載H.324兩種方案。隨著全IP概念的深入，前一種方案更符合發展趨勢。

    ITU－T方面也注意到視頻電話業務對3G系統的重要性，正在著手制定關于移動性的H.323附件。其提出的方案是將移動系統看作透明的數據通道，并在H.323系統內部完成移動性管理，其方式和GSM十分相似。

    兩個標準組織進行的工作目前還未統一，且存在各種可能性。只要能解決以下幾個問題，就能夠使兩者結合起來。

    *H.323地址翻譯；

    *鑒權/計費方式；

    *QoS控制和帶寬預留協議；

    *移動/固定混合多方會話控制；

    *GSM－WCDMA網間漫游及切換問題。

    筆者個人認為一個合適的3G視頻電話系統解決方案是將GGSN的功能進行擴充，每個GGSN將是一個H.323的GK。比普通GK增強的部分是能夠通過對HLR/VLR/AUC的訪問完成支持漫游的呼叫控制和計費工作，由于移動臺切換時GGSN保持不變，因此切換將不會對通信產生影響。H.323協議的其他部分完全在3G系統上層實現，只將3G系統作為一個分組數據傳輸網絡。

    2．IP應用

    IP協議向各種應用提供了一個通用的數據傳送平臺，人們利用它開發了種類繁多的應用。3G系統增強數據傳輸能力的目的就是為了在移動系統上支持這些應用。在基于IP的多媒體應用中，3G系統可以看作一個接入服務系統，只完成終端(手機)在Intranet/Internet上的注冊和動態IP分配，由應用決定傳輸能力的使用方式。

    目前IP結構的發展主要是由IPv6概念引出的，目的是擴展IP地址的范圍、解決IP系統沒有QoS保障的問題。3G系統普遍支持多種形式的QoS方式，只要做一些QoS適配工作就能轉換到IPv6方式。

    作為互聯網最具吸引力的功能，3G系統顯然需要支持WWW瀏覽。在2G時代，為了在低速率的數據通道上實現瀏覽，WAP論壇開發出WAP協議。WAP是一種輕量級的協議，并為在無線環境使用進行了優化。從3G的角度來看，傳輸帶寬已基本不再是問題，而且PS域數據承載業務的穩定性有保證，移動臺也向著高性能CPU、大存儲器、大尺寸彩色顯示的方向發展，WAP協議需要解決的問題已基本不存在。未來的3G系統對瀏覽的實現方式將只限于提供IP業務，不再具體規定應用協議。當然出于對WAP協議的繼承并解決網間漫游問題，還將繼續支持WAP協議。

    IP上的其他應用也將在3G中繼續保持，包含的領域有電子商務、信息檢索、在線游戲，使用的技術包括虛擬現實、3D重建、高質量話音、高質量視頻、語音識別、個人身份驗證等。

    四、未來展望

    目前的WCDMA標準制定工作集中于支持現有的多媒體應用，但是3G系統有著固定系統所無法實現的特點，那就是通信的個人性和隨時在線性。可以預料，在3G系統投入商用以后，將會有更多適用于移動系統的多媒體應用出現，并將隨著網絡和移動終端的發展不斷變化。