統一通信技術在戰術通信網中的應用研究

王 俊,陳志輝,田永春

(中國電子科技集團公司第三十研究所,四川成都610041)

統一通信技術在戰術通信網中的應用研究

王 俊,陳志輝,田永春

(中國電子科技集團公司第三十研究所,四川成都610041)

戰術通信的業務可分為會話型、數據型以及協作型三類,當前這三類業務的控制信令與控制方式都截然不同,從而存在一系列問題。未來的戰術通信網絡向全IP技術體制演進已成為一種必然趨勢,而在全IP技術體制下,實現這三類業務的統一通信就成為可能。針對這種情況,提出了一種既能夠統一控制這三類業務,又能夠適應戰術通信網本身的特點并確保各種業務的服務質量,還能夠滿足未來各種業務的擴展需求的統一通信技術,在此基礎上設計了戰術統一通信服務端框架,并針對戰術通信網絡環境的特點分析了一系列關鍵技術的突破途徑。

戰術通信網 業務控制 統一通信 會話初始協議

0 引 言

戰術通信網為互聯的無線電臺、路由交換節點、計算機硬件和軟件的集合,具有帶寬資源有限、節點機動性與用戶移動性種類多、抗毀性與安全性要求高等特點[1]。目前戰術通信業務主要分為會話型、數據型以及協作型三類,其中會話型業務指兩個用戶之間進行的實時性業務,包括話音業務、視頻業務,但它們的控制信令、控制方式以及控制流程區別都很大;數據型業務主要指兩個用戶之間進行的非實時性業務,包括短消息、文件以及指控等,它們通常直接從應用層發送到網絡中,完全沒有控制能力;協作型業務主要指多個用戶之間進行的業務,主要包括電話會議、視頻會議、多方消息聊天、聯合電子白板以及多方信息共享等,它們的控制信令、控制方式以及控制流程區別同樣很大。可以看出,現役戰術通信網的這些業務控制比較混亂,一方面導致現役戰術通信網的復雜度、建設成本、維護成本等快速增加,從而影響整個戰術通信系統的可靠性、穩定性以及可維護性;另一方面也造成了戰術通信網絡上承載的各種業務和應用不受控的競爭網絡資源,無形中消耗了原本就非常緊缺的戰術通信網絡資源,導致整個戰術通信網絡資源的有效利用率較低。這兩個方面從整體上都將間接導致業務的QoS無法得到保障并且用戶體驗不高[2]。

未來的戰術通信網向全IP技術體制演進已成為必然趨勢,各種業務和應用都將使用IP作為統一的承載方式。VoIP(Voice over IP)技術日趨成熟,目前已逐步衍生出了VVoIP(Voice andVideo over IP)技術[3]、軟交換技術以及IMS(IP Multimedia Sub -System)技術[4-5],未來還可能演進到EoIP(Everything over IP)技術。在IP技術體制下,各種業務與應用逐漸融合化,由此衍生出了統一通信的概念。這就為解決當前戰術通信網絡所存在的問題帶來了契機。

統一通信概念起源于民用通信技術,其在終端側和服務側的內涵有所不同。終端側的統一通信通常指在同一個用戶終端上能夠同時開展各種業務,例如話音、視頻、消息等,著重于業務體驗方面的融合和統一。服務側的統一通信著重于用戶身份和媒體能力方面的融合和統一,通常一方面指用戶身份的統一,即用戶有多個不同用途的終端,其他用戶在呼叫該用戶時只需要呼叫這個用戶身份即可,無需考慮應該呼叫該用戶下哪個終端的問題;另一方面指媒體能力的統一,依賴終端強大而豐富的媒體能力通過媒體協商機制來解決不同終端之間的可能存在的媒體能力差異性問題。

傳統意義上的統一通信主要用于民用通信系統,承載網絡一般為有線固網,無需特別考慮網絡資源以及QoS保障等相關的問題,因此,若要將統一通信技術應用到戰術通信網絡中,不僅需要具備民用統一通信的功能,還需要進行一系列的戰術網絡環境適應性方面的提升與改造。

1 戰術網絡環境下統一通信研究內容

戰術通信網絡環境是一種復雜的網絡環境,當中存在的問題多屬于系統性問題,因此將統一通信技術應用于戰術通信網中需要從以下幾個方面進行考慮:

1)抗毀能力。戰術通信系統由于其在戰場中所處的位置,需要確保當網絡節點被摧毀后不能影響系統中其他網絡節點的正常使用。而傳統的統一通信系統的服務端往往是集中式的有中心模式,因此,戰術統一通信在系統架構上需要有大的轉變,即需要從集中式服務架構轉變為分布式服務架構。

2)移動性管理。由于作戰任務的需要,極有可能出現用戶節點移動、網絡節點移動乃至用戶身份移動的情況。在傳統統一通信的集中式有中心架構下,這幾種移動性都不存在任何問題,因為每個用戶終端在邏輯上歸屬的服務中心(家鄉服務器)沒有改變,因此對于應用層來說其實都沒有發生移動,然而在戰術統一通信的分布式架構下,為了減少應用層三角路由帶來的網絡開銷,用戶終端在發生網絡層移動切換時,在應用層也需要改變其邏輯上歸屬的服務中心(即家鄉服務器改變),因此這幾種移動性對于應用層來說都發生了移動。綜上所述,在戰術通信網絡中,移動性管理成為了急需解決的重要問題。

3)網絡資源有限。戰術通信網絡的網絡資源相對于民用有線固網和戰略通信網絡而言非常稀缺,對于上層各種應用與業務的需求處于供不應求的狀態,因此迫切需要通過跨層資源管理來確保各種業務QoS的保障。

4)各種業務控制方法的統一。傳統的統一通信一般對音視頻業務考慮得較多,很少考慮數據業務,而數據業務在戰術通信系統中具有重要的作用。在美軍的統一通信中,對于實時業務和非實時業務所采用的控制方法和控制信令也尚未做到統一,但實現各種業務控制方法的統一是對各種業務提供QoS保障的必要條件。

5)用戶終端媒體能力的差異性。由于戰術通信網絡涵蓋各種作戰單元,其所使用的用戶終端就有所不同,并且其媒體能力一般相對單一,因此其媒體能力也就存在差異性。而傳統的統一通信依賴終端媒體能力強大來解決終端間媒體能力的差異性問題的思路在戰術通信系統中則不再適用,因此需要將服務端做強,同時改造傳統的媒體協商機制。

針對上述五方面要解決的問題提出了一種統一通信服務端框架,并在此框架上通過分析一系列關鍵技術的突破途徑以確保統一通信技術在戰術通信網絡環境中的應用。

2 戰術統一通信服務端框架設計

戰術統一通信服務端框架設計,需要兼顧到戰術應用方式、不同接入方式、傳輸手段、不同業務以及網絡各層次之間的各項需求。從橫向上講,框架設計需要包括業務在信令交互和傳輸過程中在經過各個節點時根據接入方式以及網絡資源情況而進行的信令控制和數據傳輸;從縱向上講,又必須涵蓋業務應用、業務控制以及網絡承載的各個方面,從而實現控制行為和策略執行的動態有機結合。因此,系統框架需要從業務應用、業務控制和網絡承載的視點出發,分別從信令控制和媒體傳輸兩個方面來完成各層次功能元素和結構的設計。通過架構中各項功能元素的交互,在架構中實現長周期的業務管理控制和短周期網絡管理控制行為的統一。

戰術統一通信服務端框架設計參考軟交換與IMS的框架模型,基于業務與控制分離、控制與承載分離的分層思想進行設計,分為了業務層、控制層和承載層。針對戰術通信網絡環境的特點,在各個層次中都引入了戰術通信網絡特點相關的特殊功能實體(圖1中陰影標識),如圖1所示。

圖1 戰術統一通信體系結構Fig.1 Tactical unified communications architecture

如圖1架構所示,功能的模塊化,業務、控制以及承載三者的分離都使得網絡具有可擴展性,便于網絡節點根據本地信息對業務進行控制,以達到網絡自治的目的。從總體上,戰術統一通信服務端的框架劃分為業務層、控制層和承載層三個層次,如下所述。

(1)業務層——戰術統一通信服務

戰術統一通信服務包含三類業務服務,用戶管理、名錄服務以及與戰術網絡環境相關的分布式輕量化信息同步和智能媒體協商與控制功能實體。

其中,三類業務服務主要實現各種業務與各種應用的控制與處理邏輯,包括傳統的會話類業務/應用(如話音、視頻、呼叫轉移以及特服等)、數據類業務/應用(如即時消息、離線消息、文件、指控報文等)以及協作類業務/應用(如富媒體會議、按鍵通業務、電子白板以及聯合標繪等)。

分布式輕量化信息同步,主要為移動性管理提供支撐,當用戶發生應用層移動時,即用于歸屬的服務中心發生改變,需要在盡量低開銷的前提下快速在網絡中同步其新的歸屬地,便于呼叫控制的快速尋址。

智能媒體協商與控制,主要解決終端媒體能力不強且單一情況下的媒體能力統一,即增強型媒體協商機制的處理模塊。

(2)控制層——機動分布式業務控制平臺

機動分布式業務控制平臺包含呼叫控制功能、鑒權認證以及與戰術網絡環境相關分布式業務觸發、業務特征提取與映射、移動性管理、接入方式選擇、接納控制和基于優先級搶占功能實體。

其中,呼叫控制主要完成傳統的統一通信中呼叫尋址與信令接續功能。

分布式業務觸發是傳統的統一通信中業務觸發功能的升級,是體現業務與控制思想的核心功能。傳統業務觸發根據用戶策略信息提供的邏輯將呼叫信令在不同的本地應用服務之間進行按需路由。除了根據用戶策略信息之外還需要考慮網絡資源情況等因素,并且路由的下一跳也不僅是本地的應用服務,還有可能是其他節點上的統一通信服務中心。

移動性管理也是傳統的統一通信中移動性管理的升級。傳統移動性管理僅僅處理當用戶終端IP地址發生改變的情況。但在戰術統一通信的分布式架構方式下,還需要處理用戶終端改變其接入的歸屬服務中心、服務中心改變其接入的上級歸屬服務中心以及用戶通過在其他終端上注冊而獲取同樣服務的問題。

業務特征提取與映射一方面從業務控制信令中提取出該業務的優先級信息以及對網絡資源的需求;另一方面將業務控制信令中的優先級信息映射到IP報頭中的優先級字段中。

接納控制功能一方面根據從承載層獲取到的接口特征信息計算出不同種類業務在本地的接納控制門限值,另一方面將業務對網絡資源的需求與該門限值進行比對,若資源滿足業務需求,則接納;否則進入基于優先級搶占處理。

基于優先級搶占功能在網絡資源不足的情況下通過終止低優先級業務并釋放其資源來確保高優先級業務。

接入方式選擇功能在網絡節點對外有多種接入方式和傳輸手段的情況下,根據從承載層獲取到的接口特征信息,為不同業務選擇適合其傳輸的接口和傳輸手段。

(3)承載層——戰術通信網絡

戰術通信網絡包含路由與交換、各種傳輸手段以及與戰術網絡環境相關的媒體處理服務和接口特征提取功能實體。

其中,媒體處理服務不僅僅提供傳統的統一通信中媒體服務提供的音頻混音、媒體轉換等功能還包括適應戰術網絡環境相關的媒體傳輸協議轉換、媒體傳輸協議頭壓縮、分布式媒體處理等功能。

接口特征提取功能主要為控制層中接納控制以及接入方式選擇提供支撐,為其提供網絡節點本地接入方式和傳輸手段的類型與特征參數。

3 戰術統一通信的關鍵技術

3.1 基于抗毀環境的系統架構

該技術主要解決戰術通信網絡應用中系統層面的抗毀性等問題。

戰術統一通信服務端,與戰術通信網絡結構緊密結合,采用了分級分區域的分布式架構方式,如圖2所示。

圖2 戰術統一通信系統架構Fig.2 System architecture

圖2中,不同的網絡節點上部署一對SC和AS。

其中,所有SC之間形成P2P的全分布式對等關系,而同一區域內的所有LSC形成局部范圍內的P2P全分布式對等關系。

SC為一級業務控制中心,確保接入節點內部以及本區域內的節點進行跨區域的普通點到點通信。

LSC為二級業務控制中心,確保節點內部以及同區域內節點之間普通點到點通信。

AS為一級統一通信服務中心,提供具有統一通信能力的各種增強型業務和應用服務,可以與SC/ LSC進行1:1或按需部署。

這種分級分區域的分布式架構方式的好處在于非常適應戰術環境的各種特殊性:

1)抗毀性:任一單節點損毀不影響系統其他節點正常通信。

2)可靠性:單節點/區域(多節點)脫離骨干網,不影響其內部正常通信。

3)機動性:用戶終端/節點移動后能夠隨遇接入和即插即用。

4)網絡資源:能夠適應網絡資源、信道能力與多種接入方式。

5)靈活性:各業務和應用能夠靈活部署、即插即用,并滿足未來擴展。

3.2 分布式移動性管理技術

該技術主要解決在分級分布式架構下用戶終端移動性、LSC移動性以及用戶身份移動性等問題。

在分級分布式架構下,用戶終端在接入的業務控制中心(SC/LSC)注冊,LSC在其所屬區域的SC注冊。

SC上維護其本地注冊的用戶終端注冊狀態信息、管轄區域內所有LSC的注冊狀態信息、其管轄區域內所有終端接入的LSC以及其他用戶終端和LSC所接入的區域對應的SC。

LSC上維護其本地注冊的用戶終端注冊狀態信息以及本區域其他用戶終端所接入的LSC。

(1)用戶終端移動性

用戶終端在新的SC/LSC上注冊后,由新的SC/LSC在網絡中同步該終端新的接入區域/節點。

若該用戶終端正處于會話中,則新的SC/LSC將Re-Invite消息重定向到老的SC/LSC上,完成媒體處理地址重定向處理。

(2)LSC移動性

LSC在新的SC上注冊后,由新的SC在網絡中同步該LSC新的接入區域,同時更新該LSC下所有注冊終端的歸屬區域。

若該用戶終端正處于會話中,則新的SC將Re-Invite消息重定向到老的SC上,完成媒體處理地址重定向處理。

(3)用戶身份移動性

當用戶在新的終端上登錄其個人身份信息后,該終端從戰術統一通信服務端獲取該個人相關的全部策略信息,讓用戶體驗與以前完全一致的服務。

用戶完成登錄后,同用戶終端移動性的處理。

3.3 戰術業務控制協議(TSIP)技術

該技術主要解決各類業務和應用統一控制的問題,同時為端到端QoS保障提供支撐。

在控制信令方面,在民用領域以及美軍的統一通信中,會話型業務使用的協議是SIP[6],數據型業務的使用的協議是XMPP[7]。然而協作類業務并未被作為一種專門的業務類型而被提出來,而即便如此,會話類和數據類這兩類業務使用的是兩種截然不同的控制協議,給通信系統增加了復雜度和維護的困難度,不利于戰術通信的規劃、配置、使用以及維護。

SIP協議是當前主流的基于IP的業務控制協議,由于其流程相對簡單和擴展靈活的特征,同樣也非常適合用于戰術通信網絡,然而SIP協議同時也處于發展過程中,有的方面還不十分完善,為了適應戰術網絡環境,同時為了實現各種業務的統一能力,文中提出了自主的TSIP協議,其能力提升主要體現在以下幾個方面:

1)SIP協議的文本特性,導致開銷較大,造成在戰術通信網絡中傳輸成功率降低,TSIP通過信令壓縮大大降低協議開銷。

2)SIP協議對數據類業務和協作類業務的支持尚不完備,TSIP協議增加了對數據類業務和協作類業務的支持,將各類業務系統的“煙囪”減小為0,同樣真正實現對各種業務進行控制,確保各種業務在戰術通信網絡中可管可控,提高網絡利用率和使用效率。

3)SIP在資源搶占、特服、安全性等方面支持不足,對QoS保障支持不足,對基于網絡資源和媒體處理能力等方面考慮得不多,TSIP協議增加了對優先級定義、增加了搶占以及QoS保障等技術的支持,架起了業務控制信令與網絡層IP分組之間對于網絡資源需求與供需之間的橋梁,以確保在有限的網絡資源條件下實現最好的業務質量和用戶體驗。

3.4 端到端QoS保障技術

該技術主要解決各業務合理利用戰術通信網絡資源的問題。

在全IP技術體制下,各種業務和應用通常都是按照盡力而為的方式進行,造成了各種業務和應用的自由競爭,然而戰術通信網絡的帶寬資源非常有限,如果不采取一定的技術手段來限制這種自由競爭,將會導致各種業務的服務質量下降,直接影響用戶的體驗。因此在統一通信中引入端到端QoS保障體系成為需要解決的迫切問題。由于對各種業務的控制信令進行了統一(統一到TSIP),對各種業務采用同樣方法進行控制就成為了可能。

在整個端到端QoS保障體系中,業務控制平臺在戰術通信網絡中起到承上啟下的作用:對上,通過業務特征提取與映射模塊從各種業務/應用(會話類、數據類以及協作類)中提取出業務優先級、用戶優先級信息以及業務對通信資源的需求;對下,從接口特征提取模塊獲取當前的網絡資源狀態(傳輸手段、特征等),用于生成接納控制模塊的業務接納門限。

因此,戰術統一通信通過與戰術通信網絡本身進行深度結合,在對各種業務進行業務控制時,首先從TSIP中提取出業務的優先級信息和對網絡資源的需求;然后根據從承載層獲取到當前本地出方向接口的網絡資源狀況;最后根據業務對網絡資源的需求和當前網絡資源情況進行比對,若資源供過于求,則接納;否則通過基于優先級搶占機制來進行取舍,通過終止低優先級業務來釋放資源,以確保高優先級業務的建立。

這樣,通過對各種業務進行精細化控制,做到每一路會話、每一路數據傳輸、每一個協作、乃至每一條媒體流都可管可控,確保戰術通信網絡中沒有多余的、未授權的以及不合法的數據,同時嚴格限制各種業務的自由競爭,確保已建立的業務的QoS。

3.5 基于網絡和終端能力的媒體協商技術

該技術主要是解決常規信息系統中終端異構以及能力不匹配而導致無法通信的問題,標準的媒體協商機制是通過SDP協議承載的OFFER/ANSWER機制,主要由參與會話的主叫與被叫終端進行自主協商,其原理是主叫終端在OFFER中提供主叫終端自身支持的媒體類型、編碼方式以及媒體地址;而被叫終端收到OFFER后比對自身的媒體能力,若不匹配則拒絕,若有匹配能力,這在ANSWER中選定其支持的媒體類型和編碼方式并攜帶被叫自身的媒體地址。

但是這種O/A機制將會帶來其協商出的媒體能力可能會不適合于通信網絡的傳輸的風險;或者當參與會話的主被叫終端媒體能力不匹配時,甚至無法建立會話。

戰術統一通信應提出自主的智能媒體協商技術,將服務側也納入到媒體協商體系中。

假設服務側提供全業務種類與全業務媒體編碼方式,服務側收到來自主叫的OFFER之后,根據網絡資源以及主叫側的媒體能力對SDP協議中OFFER的媒體描述信息進行增減,即增加服務側額外的媒體能力,刪減網絡資源無法承受的媒體能力,形成新的OFFER*,被叫終端收到OFFER*,在經過服務側處理的媒體能力中進行選擇,因此無法選擇出不適合通信網絡傳輸的媒體能力,最終產生ANSWER。服務側根據ANSWER中被叫終端的選擇結果生成相應的ANSWER*。

該技術能夠給系統帶來以下好處:

1)提高對網絡適應能力:將網絡資源和信道傳輸能力納入到媒體協商體系,服務側參與媒體協商的決策過程,避免建立不適合網絡的業務。

2)降低對終端要求:主被叫終端媒體能力不匹配情況下,也能讓呼叫成功建立。

3)極端網絡條件適應能力:通過轉換為特殊的編碼方式來適應高誤碼率、高延遲及高抖動情況。

4 結 語

未來的戰術通信網絡必然會向全IP技術體制演進,各種業務和應用也必然向融合化趨勢發展,因此統一通信在未來戰術通信網絡中具有廣闊的應用前景,但需要解決一系列戰術網絡環境適應性相關的問題。文中首先分析了統一通信技術在戰術通信網絡環境中需要解決的問題,然后針對戰術通信網絡特點提出了一種戰術統一通信服務端的框架,并在框架下分析了一系列關鍵技術的突破途徑來解決統一通信在戰術通信網絡環境中需要解決的相關問題。

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WANG Jun(1982-),male,M.Sci.,engineer,majoring in tactical communications networks and communications services.

陳志輝(1976—),男,碩士,高級工程師,主要研究方向為戰術通信服務;

CHEN Zhi-hui(1976-),male,M.Sci.,senior engineer,mainly engaged in tactical communications services.

田永春(1974—),男,博士,高級工程師,主要研究方向為自組織網絡。

TIAN Yong-chun(1974-),male,Ph.D.,senior engineer,mainly specialized in Ad Hoc networks.

Application of Unified Communication Technology in Tactical Communications Network

WANG Jun,CHEN Zhi-Hui,TIAN Yong-Chun
(NO.30 Institute of CETC,Chengdu Sichuan 610041,China)

Tactical communications service could be divided into conversional,data,and collaborative types.Current control modes of these three types are completely different,thus resulting in a series of problems.Evolution of future tactical communications network to all-IP technical system becomes an inevitable trend.In this technical system,it is feasible to realize the united control of these three service types. In view of this situation,a tactical unified communication technology is proposed,which could control these three types,adapt to the characteristics of tactical communications network itself and ensure the service quality of various types,and further meet the future expansion demand of various service types,and based on these,a tactical unified communication system is designed,and for the characteristics of tactical communications network environment,a series of key technical breakthroughs are analyzed.

tactical communications network;service control;unified communication;SIP

TN929.5

A

1002-0802(2014)02-0184-06

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.02.013

王 俊(1982—),男,碩士,工程師,主要研究方向為戰術通信網絡與通信服務;