统一通信技术在战术通信网中的应用研究

王 俊,陈志辉,田永春

(中国电子科技集团公司第三十研究所,四川成都610041)

统一通信技术在战术通信网中的应用研究

王 俊,陈志辉,田永春

(中国电子科技集团公司第三十研究所,四川成都610041)

战术通信的业务可分为会话型、数据型以及协作型三类,当前这三类业务的控制信令与控制方式都截然不同,从而存在一系列问题。未来的战术通信网络向全IP技术体制演进已成为一种必然趋势,而在全IP技术体制下,实现这三类业务的统一通信就成为可能。针对这种情况,提出了一种既能够统一控制这三类业务,又能够适应战术通信网本身的特点并确保各种业务的服务质量,还能够满足未来各种业务的扩展需求的统一通信技术,在此基础上设计了战术统一通信服务端框架,并针对战术通信网络环境的特点分析了一系列关键技术的突破途径。

战术通信网 业务控制 统一通信 会话初始协议

0 引 言

战术通信网为互联的无线电台、路由交换节点、计算机硬件和软件的集合,具有带宽资源有限、节点机动性与用户移动性种类多、抗毁性与安全性要求高等特点[1]。目前战术通信业务主要分为会话型、数据型以及协作型三类,其中会话型业务指两个用户之间进行的实时性业务,包括话音业务、视频业务,但它们的控制信令、控制方式以及控制流程区别都很大;数据型业务主要指两个用户之间进行的非实时性业务,包括短消息、文件以及指控等,它们通常直接从应用层发送到网络中,完全没有控制能力;协作型业务主要指多个用户之间进行的业务,主要包括电话会议、视频会议、多方消息聊天、联合电子白板以及多方信息共享等,它们的控制信令、控制方式以及控制流程区别同样很大。可以看出,现役战术通信网的这些业务控制比较混乱,一方面导致现役战术通信网的复杂度、建设成本、维护成本等快速增加,从而影响整个战术通信系统的可靠性、稳定性以及可维护性;另一方面也造成了战术通信网络上承载的各种业务和应用不受控的竞争网络资源,无形中消耗了原本就非常紧缺的战术通信网络资源,导致整个战术通信网络资源的有效利用率较低。这两个方面从整体上都将间接导致业务的QoS无法得到保障并且用户体验不高[2]。

未来的战术通信网向全IP技术体制演进已成为必然趋势,各种业务和应用都将使用IP作为统一的承载方式。VoIP(Voice over IP)技术日趋成熟,目前已逐步衍生出了VVoIP(Voice andVideo over IP)技术[3]、软交换技术以及IMS(IP Multimedia Sub -System)技术[4-5],未来还可能演进到EoIP(Everything over IP)技术。在IP技术体制下,各种业务与应用逐渐融合化,由此衍生出了统一通信的概念。这就为解决当前战术通信网络所存在的问题带来了契机。

统一通信概念起源于民用通信技术,其在终端侧和服务侧的内涵有所不同。终端侧的统一通信通常指在同一个用户终端上能够同时开展各种业务,例如话音、视频、消息等,着重于业务体验方面的融合和统一。服务侧的统一通信着重于用户身份和媒体能力方面的融合和统一,通常一方面指用户身份的统一,即用户有多个不同用途的终端,其他用户在呼叫该用户时只需要呼叫这个用户身份即可,无需考虑应该呼叫该用户下哪个终端的问题;另一方面指媒体能力的统一,依赖终端强大而丰富的媒体能力通过媒体协商机制来解决不同终端之间的可能存在的媒体能力差异性问题。

传统意义上的统一通信主要用于民用通信系统,承载网络一般为有线固网,无需特别考虑网络资源以及QoS保障等相关的问题,因此,若要将统一通信技术应用到战术通信网络中,不仅需要具备民用统一通信的功能,还需要进行一系列的战术网络环境适应性方面的提升与改造。

1 战术网络环境下统一通信研究内容

战术通信网络环境是一种复杂的网络环境,当中存在的问题多属于系统性问题,因此将统一通信技术应用于战术通信网中需要从以下几个方面进行考虑:

1)抗毁能力。战术通信系统由于其在战场中所处的位置,需要确保当网络节点被摧毁后不能影响系统中其他网络节点的正常使用。而传统的统一通信系统的服务端往往是集中式的有中心模式,因此,战术统一通信在系统架构上需要有大的转变,即需要从集中式服务架构转变为分布式服务架构。

2)移动性管理。由于作战任务的需要,极有可能出现用户节点移动、网络节点移动乃至用户身份移动的情况。在传统统一通信的集中式有中心架构下,这几种移动性都不存在任何问题,因为每个用户终端在逻辑上归属的服务中心(家乡服务器)没有改变,因此对于应用层来说其实都没有发生移动,然而在战术统一通信的分布式架构下,为了减少应用层三角路由带来的网络开销,用户终端在发生网络层移动切换时,在应用层也需要改变其逻辑上归属的服务中心(即家乡服务器改变),因此这几种移动性对于应用层来说都发生了移动。综上所述,在战术通信网络中,移动性管理成为了急需解决的重要问题。

3)网络资源有限。战术通信网络的网络资源相对于民用有线固网和战略通信网络而言非常稀缺,对于上层各种应用与业务的需求处于供不应求的状态,因此迫切需要通过跨层资源管理来确保各种业务QoS的保障。

4)各种业务控制方法的统一。传统的统一通信一般对音视频业务考虑得较多,很少考虑数据业务,而数据业务在战术通信系统中具有重要的作用。在美军的统一通信中,对于实时业务和非实时业务所采用的控制方法和控制信令也尚未做到统一,但实现各种业务控制方法的统一是对各种业务提供QoS保障的必要条件。

5)用户终端媒体能力的差异性。由于战术通信网络涵盖各种作战单元,其所使用的用户终端就有所不同,并且其媒体能力一般相对单一,因此其媒体能力也就存在差异性。而传统的统一通信依赖终端媒体能力强大来解决终端间媒体能力的差异性问题的思路在战术通信系统中则不再适用,因此需要将服务端做强,同时改造传统的媒体协商机制。

针对上述五方面要解决的问题提出了一种统一通信服务端框架,并在此框架上通过分析一系列关键技术的突破途径以确保统一通信技术在战术通信网络环境中的应用。

2 战术统一通信服务端框架设计

战术统一通信服务端框架设计,需要兼顾到战术应用方式、不同接入方式、传输手段、不同业务以及网络各层次之间的各项需求。从横向上讲,框架设计需要包括业务在信令交互和传输过程中在经过各个节点时根据接入方式以及网络资源情况而进行的信令控制和数据传输;从纵向上讲,又必须涵盖业务应用、业务控制以及网络承载的各个方面,从而实现控制行为和策略执行的动态有机结合。因此,系统框架需要从业务应用、业务控制和网络承载的视点出发,分别从信令控制和媒体传输两个方面来完成各层次功能元素和结构的设计。通过架构中各项功能元素的交互,在架构中实现长周期的业务管理控制和短周期网络管理控制行为的统一。

战术统一通信服务端框架设计参考软交换与IMS的框架模型,基于业务与控制分离、控制与承载分离的分层思想进行设计,分为了业务层、控制层和承载层。针对战术通信网络环境的特点,在各个层次中都引入了战术通信网络特点相关的特殊功能实体(图1中阴影标识),如图1所示。

图1 战术统一通信体系结构Fig.1 Tactical unified communications architecture

如图1架构所示,功能的模块化,业务、控制以及承载三者的分离都使得网络具有可扩展性,便于网络节点根据本地信息对业务进行控制,以达到网络自治的目的。从总体上,战术统一通信服务端的框架划分为业务层、控制层和承载层三个层次,如下所述。

(1)业务层——战术统一通信服务

战术统一通信服务包含三类业务服务,用户管理、名录服务以及与战术网络环境相关的分布式轻量化信息同步和智能媒体协商与控制功能实体。

其中,三类业务服务主要实现各种业务与各种应用的控制与处理逻辑,包括传统的会话类业务/应用(如话音、视频、呼叫转移以及特服等)、数据类业务/应用(如即时消息、离线消息、文件、指控报文等)以及协作类业务/应用(如富媒体会议、按键通业务、电子白板以及联合标绘等)。

分布式轻量化信息同步,主要为移动性管理提供支撑,当用户发生应用层移动时,即用于归属的服务中心发生改变,需要在尽量低开销的前提下快速在网络中同步其新的归属地,便于呼叫控制的快速寻址。

智能媒体协商与控制,主要解决终端媒体能力不强且单一情况下的媒体能力统一,即增强型媒体协商机制的处理模块。

(2)控制层——机动分布式业务控制平台

机动分布式业务控制平台包含呼叫控制功能、鉴权认证以及与战术网络环境相关分布式业务触发、业务特征提取与映射、移动性管理、接入方式选择、接纳控制和基于优先级抢占功能实体。

其中,呼叫控制主要完成传统的统一通信中呼叫寻址与信令接续功能。

分布式业务触发是传统的统一通信中业务触发功能的升级,是体现业务与控制思想的核心功能。传统业务触发根据用户策略信息提供的逻辑将呼叫信令在不同的本地应用服务之间进行按需路由。除了根据用户策略信息之外还需要考虑网络资源情况等因素,并且路由的下一跳也不仅是本地的应用服务,还有可能是其他节点上的统一通信服务中心。

移动性管理也是传统的统一通信中移动性管理的升级。传统移动性管理仅仅处理当用户终端IP地址发生改变的情况。但在战术统一通信的分布式架构方式下,还需要处理用户终端改变其接入的归属服务中心、服务中心改变其接入的上级归属服务中心以及用户通过在其他终端上注册而获取同样服务的问题。

业务特征提取与映射一方面从业务控制信令中提取出该业务的优先级信息以及对网络资源的需求;另一方面将业务控制信令中的优先级信息映射到IP报头中的优先级字段中。

接纳控制功能一方面根据从承载层获取到的接口特征信息计算出不同种类业务在本地的接纳控制门限值,另一方面将业务对网络资源的需求与该门限值进行比对,若资源满足业务需求,则接纳;否则进入基于优先级抢占处理。

基于优先级抢占功能在网络资源不足的情况下通过终止低优先级业务并释放其资源来确保高优先级业务。

接入方式选择功能在网络节点对外有多种接入方式和传输手段的情况下,根据从承载层获取到的接口特征信息,为不同业务选择适合其传输的接口和传输手段。

(3)承载层——战术通信网络

战术通信网络包含路由与交换、各种传输手段以及与战术网络环境相关的媒体处理服务和接口特征提取功能实体。

其中,媒体处理服务不仅仅提供传统的统一通信中媒体服务提供的音频混音、媒体转换等功能还包括适应战术网络环境相关的媒体传输协议转换、媒体传输协议头压缩、分布式媒体处理等功能。

接口特征提取功能主要为控制层中接纳控制以及接入方式选择提供支撑,为其提供网络节点本地接入方式和传输手段的类型与特征参数。

3 战术统一通信的关键技术

3.1 基于抗毁环境的系统架构

该技术主要解决战术通信网络应用中系统层面的抗毁性等问题。

战术统一通信服务端,与战术通信网络结构紧密结合,采用了分级分区域的分布式架构方式,如图2所示。

图2 战术统一通信系统架构Fig.2 System architecture

图2中,不同的网络节点上部署一对SC和AS。

其中,所有SC之间形成P2P的全分布式对等关系,而同一区域内的所有LSC形成局部范围内的P2P全分布式对等关系。

SC为一级业务控制中心,确保接入节点内部以及本区域内的节点进行跨区域的普通点到点通信。

LSC为二级业务控制中心,确保节点内部以及同区域内节点之间普通点到点通信。

AS为一级统一通信服务中心,提供具有统一通信能力的各种增强型业务和应用服务,可以与SC/ LSC进行1:1或按需部署。

这种分级分区域的分布式架构方式的好处在于非常适应战术环境的各种特殊性:

1)抗毁性:任一单节点损毁不影响系统其他节点正常通信。

2)可靠性:单节点/区域(多节点)脱离骨干网,不影响其内部正常通信。

3)机动性:用户终端/节点移动后能够随遇接入和即插即用。

4)网络资源:能够适应网络资源、信道能力与多种接入方式。

5)灵活性:各业务和应用能够灵活部署、即插即用,并满足未来扩展。

3.2 分布式移动性管理技术

该技术主要解决在分级分布式架构下用户终端移动性、LSC移动性以及用户身份移动性等问题。

在分级分布式架构下,用户终端在接入的业务控制中心(SC/LSC)注册,LSC在其所属区域的SC注册。

SC上维护其本地注册的用户终端注册状态信息、管辖区域内所有LSC的注册状态信息、其管辖区域内所有终端接入的LSC以及其他用户终端和LSC所接入的区域对应的SC。

LSC上维护其本地注册的用户终端注册状态信息以及本区域其他用户终端所接入的LSC。

(1)用户终端移动性

用户终端在新的SC/LSC上注册后,由新的SC/LSC在网络中同步该终端新的接入区域/节点。

若该用户终端正处于会话中,则新的SC/LSC将Re-Invite消息重定向到老的SC/LSC上,完成媒体处理地址重定向处理。

(2)LSC移动性

LSC在新的SC上注册后,由新的SC在网络中同步该LSC新的接入区域,同时更新该LSC下所有注册终端的归属区域。

若该用户终端正处于会话中,则新的SC将Re-Invite消息重定向到老的SC上,完成媒体处理地址重定向处理。

(3)用户身份移动性

当用户在新的终端上登录其个人身份信息后,该终端从战术统一通信服务端获取该个人相关的全部策略信息,让用户体验与以前完全一致的服务。

用户完成登录后,同用户终端移动性的处理。

3.3 战术业务控制协议(TSIP)技术

该技术主要解决各类业务和应用统一控制的问题,同时为端到端QoS保障提供支撑。

在控制信令方面,在民用领域以及美军的统一通信中,会话型业务使用的协议是SIP[6],数据型业务的使用的协议是XMPP[7]。然而协作类业务并未被作为一种专门的业务类型而被提出来,而即便如此,会话类和数据类这两类业务使用的是两种截然不同的控制协议,给通信系统增加了复杂度和维护的困难度,不利于战术通信的规划、配置、使用以及维护。

SIP协议是当前主流的基于IP的业务控制协议,由于其流程相对简单和扩展灵活的特征,同样也非常适合用于战术通信网络,然而SIP协议同时也处于发展过程中,有的方面还不十分完善,为了适应战术网络环境,同时为了实现各种业务的统一能力,文中提出了自主的TSIP协议,其能力提升主要体现在以下几个方面:

1)SIP协议的文本特性,导致开销较大,造成在战术通信网络中传输成功率降低,TSIP通过信令压缩大大降低协议开销。

2)SIP协议对数据类业务和协作类业务的支持尚不完备,TSIP协议增加了对数据类业务和协作类业务的支持,将各类业务系统的“烟囱”减小为0,同样真正实现对各种业务进行控制,确保各种业务在战术通信网络中可管可控,提高网络利用率和使用效率。

3)SIP在资源抢占、特服、安全性等方面支持不足,对QoS保障支持不足,对基于网络资源和媒体处理能力等方面考虑得不多,TSIP协议增加了对优先级定义、增加了抢占以及QoS保障等技术的支持,架起了业务控制信令与网络层IP分组之间对于网络资源需求与供需之间的桥梁,以确保在有限的网络资源条件下实现最好的业务质量和用户体验。

3.4 端到端QoS保障技术

该技术主要解决各业务合理利用战术通信网络资源的问题。

在全IP技术体制下,各种业务和应用通常都是按照尽力而为的方式进行,造成了各种业务和应用的自由竞争,然而战术通信网络的带宽资源非常有限,如果不采取一定的技术手段来限制这种自由竞争,将会导致各种业务的服务质量下降,直接影响用户的体验。因此在统一通信中引入端到端QoS保障体系成为需要解决的迫切问题。由于对各种业务的控制信令进行了统一(统一到TSIP),对各种业务采用同样方法进行控制就成为了可能。

在整个端到端QoS保障体系中,业务控制平台在战术通信网络中起到承上启下的作用:对上,通过业务特征提取与映射模块从各种业务/应用(会话类、数据类以及协作类)中提取出业务优先级、用户优先级信息以及业务对通信资源的需求;对下,从接口特征提取模块获取当前的网络资源状态(传输手段、特征等),用于生成接纳控制模块的业务接纳门限。

因此,战术统一通信通过与战术通信网络本身进行深度结合,在对各种业务进行业务控制时,首先从TSIP中提取出业务的优先级信息和对网络资源的需求;然后根据从承载层获取到当前本地出方向接口的网络资源状况;最后根据业务对网络资源的需求和当前网络资源情况进行比对,若资源供过于求,则接纳;否则通过基于优先级抢占机制来进行取舍,通过终止低优先级业务来释放资源,以确保高优先级业务的建立。

这样,通过对各种业务进行精细化控制,做到每一路会话、每一路数据传输、每一个协作、乃至每一条媒体流都可管可控,确保战术通信网络中没有多余的、未授权的以及不合法的数据,同时严格限制各种业务的自由竞争,确保已建立的业务的QoS。

3.5 基于网络和终端能力的媒体协商技术

该技术主要是解决常规信息系统中终端异构以及能力不匹配而导致无法通信的问题,标准的媒体协商机制是通过SDP协议承载的OFFER/ANSWER机制,主要由参与会话的主叫与被叫终端进行自主协商,其原理是主叫终端在OFFER中提供主叫终端自身支持的媒体类型、编码方式以及媒体地址;而被叫终端收到OFFER后比对自身的媒体能力,若不匹配则拒绝,若有匹配能力,这在ANSWER中选定其支持的媒体类型和编码方式并携带被叫自身的媒体地址。

但是这种O/A机制将会带来其协商出的媒体能力可能会不适合于通信网络的传输的风险;或者当参与会话的主被叫终端媒体能力不匹配时,甚至无法建立会话。

战术统一通信应提出自主的智能媒体协商技术,将服务侧也纳入到媒体协商体系中。

假设服务侧提供全业务种类与全业务媒体编码方式,服务侧收到来自主叫的OFFER之后,根据网络资源以及主叫侧的媒体能力对SDP协议中OFFER的媒体描述信息进行增减,即增加服务侧额外的媒体能力,删减网络资源无法承受的媒体能力,形成新的OFFER*,被叫终端收到OFFER*,在经过服务侧处理的媒体能力中进行选择,因此无法选择出不适合通信网络传输的媒体能力,最终产生ANSWER。服务侧根据ANSWER中被叫终端的选择结果生成相应的ANSWER*。

该技术能够给系统带来以下好处:

1)提高对网络适应能力:将网络资源和信道传输能力纳入到媒体协商体系,服务侧参与媒体协商的决策过程,避免建立不适合网络的业务。

2)降低对终端要求:主被叫终端媒体能力不匹配情况下,也能让呼叫成功建立。

3)极端网络条件适应能力:通过转换为特殊的编码方式来适应高误码率、高延迟及高抖动情况。

4 结 语

未来的战术通信网络必然会向全IP技术体制演进,各种业务和应用也必然向融合化趋势发展,因此统一通信在未来战术通信网络中具有广阔的应用前景,但需要解决一系列战术网络环境适应性相关的问题。文中首先分析了统一通信技术在战术通信网络环境中需要解决的问题,然后针对战术通信网络特点提出了一种战术统一通信服务端的框架,并在框架下分析了一系列关键技术的突破途径来解决统一通信在战术通信网络环境中需要解决的相关问题。

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

陈志辉(1976—),男,硕士,高级工程师,主要研究方向为战术通信服务;

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

田永春(1974—),男,博士,高级工程师,主要研究方向为自组织网络。

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,硕士,工程师,主要研究方向为战术通信网络与通信服务;