基于LTE网络的视频电话方案探讨

【摘要】文章介绍了视频电话的应用现状及其关键技术，解析了基于lte网络的视频电话解决方案，从IMS和LTE两方面研究了该方案的QoS保障技术。该方案能端到端地保障视频电话业务质量，从而保证LTE用户体验。

【关键词】LTE 视频电话 QoS IMS

1 前言

众所周知，视频电话是3G的特色业务。各大运营商商用3G时都无一例外地选择视频电话进行宣传，但多年来视频电话还是停留在宣传的层面，没有实质性的发展。

抛开移动网络电路域视频电话（如WCDMA），从广义的角度看，作为VoIP发展的产物，视频电话大致可分为三类：基于软电话（Soft Phone、IM Software、Web Browser）、基于嵌入式终端（可视电话、SIP终端）、网络电视。LTE是一个全IP分组网络，也是一个全业务承载系统。从当前LTE的典型业务应用来看，视频电话是其三大应用（智能手机、视频业务、高速数据接入）之一。

基于LTE网络的视频电话是分组域解决方案，功能上与电路域基本相同；但是在实现上，如何保证时延、抖动、误码率和呼叫时延等KPI指标？下面将对此进行解析。

2 视频电话关键技术

2.1 音视频编码技术

视频电话是话音和图像的结合。可视电话的视频速率固定为64kbps（有效速率是57.6kbps）或128kbps，这主要是由手机屏幕的大小决定的。图像信号因包含的信息量大，所占的频带宽，不能直接在用户线上传输，需要先经过数字化变为数字图像信号，而后还必需采用频带压缩技术进行“压缩”，使之所占的频带变窄，这样才可在用户线上传输。语音传输也是同样的原理。

目前，语音和图像压缩技术发展十分迅速。由于LTE嫡属于3GPP系列，因此语音上会延续UMTS的AMR编码。近来有运营商提出HD-Voice，它与AMR-WB类似，是一种宽带语音。一般人声的频率是300Hz～3.4kHz，而HD-Voice可扩展至50Hz～7kHz，带宽加倍，数据速率加倍，性能提升。图像编码种类繁多，如H.263、H.264、MEPG-4等，普遍采用性能优良的H.263（低速率活动图像编码）。

2.2 信令/媒体协议

分组域视频电话业务系统由控制面和用户面构成，控制面负责为用户建立可视电话呼叫，并对呼叫进行管理，用户面则负责传输视频电话终端之间的视频和音频信息，从协议上即分为信令/媒体协议。

信令协议是用于建立、维护和拆除一个呼叫连接的控制信令，如H.323、MGCP、H.248和SIP。

媒体协议用于建立呼叫连接后音视频数据流的传送，在传输层使用UDP协议作为传输协议，在UDP之上使用RTP/RTCP协议作为视频和音频的传输协议。这主要源于RTP/RTCP协议不采用复杂的传输控制手段和纠错机制，而是采用尽量少的控制与鉴别功能，满足实时通信的要求。

LTE网络采用基于IMS网络的SIP协议，具有良好的开放性和扩展性；采用基于IMS架构的RTP/RTCP，具有较好的实时性。

3 网络架构

IMS（IP Multimedia Subsystem）是一个能提供全IP实时和非实时业务的多媒体通用结构，不限定下层接入技术，因此在固定、移动网络融合的过程中受到广泛关注。

3GPP定义了基于IMS的多媒体业务网络架构，从视频电话的角度看，IMS部分可认为是视频电话业务平台，如图1所示。

图1中，视频电话终端从LTE无线网络（E-UTRAN）接入EPC核心网，然后接入基于IMS的视频电话服务器，其中通过策略控制系统相连，实现视频电话各流的QoS保证。

图1主要包括三部分：

（1）LTE移动网络

LTE移动网络各部分及其功能如下：

终端：包含视频和音频编解码器，负责多媒体信息的处理，同时具有SIP用户功能以与其他用户进行通信。具有前后置双向摄像头，负责视频电话的注册、注销、点到点通话，以及与其他业务的优先级处理等功能。

无线网络：指LTE无线网（eNodeB），又称为E-UTRAN。负责视频电话业务无线资源的分配、业务建立/释放，此外还负责信令面（如移动性管理功能的MME网元（图中没有画出））。

核心网络：主要指S-GW、P-GW，负责视频电话用户IP地址分配、上下行业务流的绑定和QoS策略执行等。

（2）IMS/视频电话平台

IMS/视频电话平台各部分及其功能如下：

P-I-C/CSCF：P-CSCF是视频电话IMS平台的入口节点，主要负责SIP信令的；S-CSCF/I-CSCF负责为视频业务提供注册/注销、会话控制，并维持会话状态信息等。

HSS：负责存储视频电话用户信息及其相关业务信息，与S-CSCF配合完成用户的鉴权、认证功能。

AS：SIP应用服务器，提供视频电话业务逻辑，负责在视频通信的过程中控制媒体资源服务器进行录音通知的播放等，同时提供补充业务。

MRFC/MRFP：MRFC是媒体资源功能控制器，主要翻译来自AS和S-CSCF的信息（如会话标识），并控制相应的MRFP进行媒体流的播放；MRFP负责处理媒体流，如提供编解码器的转换、播放录音通知等功能。

（3）策略控制系统

策略控制系统各部分及其功能如下：

PCRF（Policy and Charging Rules Function，策略和计费规则功能）：策略计费控制单元，这里指运营商对视频电话视频流、音频流以及信令所使用的QoS参数（如速率、优先级、时延、抖动等）定义的网元。当网络或终端要发起视频电话业务时，PCEF需到PCRF提取视频电话各流的策略信息，或者PCRF向PCEF下发上述规则信息。

PCEF（Policy and Charging Enforcement Function，策略与计费执行功能）：PCEF是执行视频电话各流的QoS策略与计费的功能实体，物理上一般与PGW合设。

4 基于IMS的QoS保障技术

为了保证移动域IMS的QoS，RFC 3312定义了在SIP会话建立过程中进行QoS资源预留的机制。

4.1 媒体协商

媒体协商以及对条件的处理是IMS中两个密切相关的概念。在基于IMS的视频通信中，两个视频电话之间通过媒体协商使得媒体组合及编码方式达成一致。为了两个UE之间能相互协商，IMS中使用了SDP（Session Description Protocol，会话描述协议）提供应答机制，该机制允许UE推迟SIP会话建立的完成，直到双方都成功完成资源预留。为了保证视频电话的用户感受，IMS强制要求所有相关终端都支持SIP和SDP的扩展。

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了。但在IMS中，由于双方的UE都必须准备接收所选择的任何编码类型，所以如果在第一次SDP应答中对任何媒体包提供一种以上的编码方案，那么就会产生第二次提供/应答的交互，为每种媒体流选择唯一的编码方案。否则需要在空中接口上按照带宽从高到低的编码方案预留资源，这对于无线资源将是一种浪费。

4.2 资源预留

资源预留即建立媒体PDP上下文的过程。对于通信双方的视频电话而言，建立PDP上下文的执行过程是相互独立的；即在资源被成功预留之前，根本无法保证所协商的媒体会话可以建立起来。因此，在确认本地和主叫侧的资源预留都已成功之前，被叫侧不应振铃。

为了做到这一点，双方在SDP提供、应答的协商过程中彼此交换条件（precondition）。这些前提条件主要用于指示：当主叫终端处的资源预留成功后，要把一个SIP UPDATE请求发往被叫UE；被叫UE在未收到来自对方的SIP UPDATE请求同时自己也未成功地完成资源预留之前不应振铃。此外，前提条件还指示当某个特定的媒体流无法成功进行资源预留时应该如何处理。

5 LTE的QoS保障技术

在LTE系统中最主要的QoS控制粒度是EPS（Evolved Packet System，演进分组系统）承载，同一个EPS承载的业务会获得同样的QoS保障（包括调度策略、排队管理策略、速率整形策略和RLC配置等），要提供不同的QoS保障就必须再使用单独的EPS承载。对应于视频电话，EPS承载是指SIP信令承载、音频承载和视频承载。EPS承载在UE发起业务请求时，会按照IMS的要求进行协商。

EPS承载分为GBR（Guaranteed Bit Rate，保证比特率）承载与Non-GBR（无保证比特率）承载两类。GBR承载会一直占用相关的网络资源，以确保在资源紧张时仍保持承载的最低保证速度。GBR承载一般不会长期建立，只在进行有特殊QoS需求的业务时才创建。从视频电话的特性来看，视频电话的三个业务都属于GBR承载，都有专门的QoS要求。

每一个专有承载都会与一个TFT（Traffic Flow Template，业务流模板）相关联。TFT分为上行TFT与下行TFT两种，UE根据上行TFT把业务流对应到上行EPS承载中去；P-GW根据下行TFT把业务流对应到下行EPS承载中；而与任何TFT都无法匹配的业务流就由缺省承载进行承载。视频电话的三个流都有专用承载，都对QoS有特定要求，因此不能适用承载BE业务的缺省承载来承载。图2是EPS承载示意图：

图2中，视频电话终端客户端发起相应的业务流请求，终端根据上行TFT将其映射到上行EPS承载中，P-GW根据下行TFT将视频电话各流对应到下行的EPS承载中；无线承载负责传输UE与eNodeB之间的EPS承载，无线承载与EPS承载是一一对应的关系；S1承载负责传输eNodeB与S-GW之间的EPS承载，S1承载与对应的无线承载组合称之为E-RAB（E-UTRAN Radio Access Bearer，E-UTRAN无线接入承载）；S5/S8承载负责传输S-GW与P-GW之间的EPS承载。UE保存了TFT中上行包过滤器与无线承载的对应关系，从而创建业务流与上行无线承载的对应关系；P-GW保存了TFT中下行包过滤器与S5/S8承载的对应关系，从而创建业务流与下行S5/S8承载的对应关系；eNodeB保存了无线承载与S1承载的一对一关系，从而创建无线承载S1承载的双向对应关系。

由此可见，LTE无线网络能保证视频电话各业务流端到端的QoS。

6 结束语

随着LTE以及其他宽带技术的推广应用，视频电话必将成为今后移动网乃至互联网的重要业务。但是从3G视频电话的发展来看，如果视频电话仅仅维持在两个移动终端之间点到点的通信，将会重蹈3G商用初期的覆辙。

从当前的市场发展来看，视频应用的融合是视频电话发展的关键，运营商可通过提供与视频相关的应用，如视频信箱、视频问候语、视频博客、多媒体会议和视频监控等，确保视频通信的旺盛生命力。

参考文献：

[1] 3GPP TS 22.228. Service requirementsfor the IP multimedia core networksubsystem[S].

[2] 3GPP TS 23.228. IP Multimedia（IM） Subsystem-stage 2[S].

[3] 3GPP TS 23.207. End-to-end QoS concept and architecture[S].

[4] 3GPP TS 23.401. General Packet Radio Service（GPRS） enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network（E-UTRAN） access[S].