基于IP的会议电视系统的设计与实现

喻飞1，3 朱妙森2，3 何晶1 安吉尧1

（1. 湖南大学计算机与通信学院）

（2. 浙江大学水电管理服务中心）

（3. 浙江大学人工智能研究所）

　　摘要 近年来，多媒体计算机技术及通信技术相互结合发展成为一种新型的边缘技术，多媒体通信技术。本文介绍了国内外会议电视系统的发展状况以及会议电视系统的组成，并以组建湖南省教育厅会议电视系统为背景，设计了一个基于IP的会议电视系统。

　　关键词 IP网 H.323协议 会议电视

1 引言

　　基于IP的会议电视是利用视频技术和IP数据通信技术通过IP网络在两点或多个地点之间建立可视通信，实现图像、语音及数据交流的一种会议形式。与会者通过PC终端、摄像机和话筒既能实时地看到对方发言人和会场场景，也能听到对方的声音。作为一种现代化的多媒体通信工具，已逐渐被人们所认可。

　　目前，在会议电视系统领域，特别是专网中，基于H.320的会议电视系统利用电路交换网络（E1专线、DDN、卫星电路、ISDN等）组成系统，采用星型或者树型网络结构支持会议电视系统占据主要市场，经过多年来的发展与实践，无论是功能、性能，还是在工程实施与系统可靠稳定运行方面，该系统都已十分成熟。但是，H.320系统对时钟的同步要求很高，一般采用2Mbit/s专线或ISDN连接，级联和编号受到限制。在我国ISDN业务（2B+D、3个2B+D捆绑）普及程度不高，而采用专线支持的会议系统价格高的情况下，不便于使用H.320系统。

　　近年来，随着H.323以及与H.323相关联的标准的制定，基于IP网的多媒体会议业务的研究有了突破性进展，特别是为IP网特殊性要求（图像编码和语音编码尺度可变）而提出的H.263+和 G.729 Extension 等的完成，使得在IP网上的多媒体会议电视业务可以更好地开展。我们采用H.323协议组建省教育厅会议电视网开展会议电视，同时还可进行T.120的数据会议。

2 会议电视系统相关标准

　　根据承载网络的不同，视频会议标准主要分为两类：基于PSTN电路交换的H.320、基于IP分组交换的H.323，这两种协议都是由国际电联ITU-T制定的框架性协议，其中涉及到一系列的相关标准，例如网络协议、传输协议、呼叫信令、视频/音频压缩协议等。

2.1 H.320协议

　　H.320标准由ITU制定，给出了PSTN/ISDN网上的视频会议设备的技术要求，并规定通信数据率不超过1920kbit/s。其中涉及的标准主要有视频编码、音频编码、T.120、H.221、H.242等。基于 H.320协议的系统类似于传统广播电视系统，网络上传输的数据信号与视频信息严格按照时序进行，通常在电路交换型网络中实现。原则上只要是提供电路交换形式的网络如DDN电路、卫星电路和ISDN电路等均可支持H.320。H.320会议电视系统技术成熟，功能完善，有大型系统的成功运行经验。但它有很多缺点，主要是对时钟同步要求高，MCU级联受到限制；属于专用系统，不同厂商的系统不能互通；如果利用专网搭建平台，建设和维护成本太高。

2.2 H.323协议

　　ITU-T于1997年颁布了“基于分组的多媒体通信系统”H.323v2（第二版），进一步表明了 H.323系统在多媒体通信所起的重要作用。它的基本组成单元是“域”（Zone）。一个H.323v2系统的域包括网关（GW，Gateways）、网守（GK，Gatekeepers）、多点控制单元（MCU，Muilt-point-
control-units）和所有的终端（T，Terminial）的整合。一个域至少包括一个终端，而且必须有一个并只有一个GK。域可以独立于LAN的拓扑结构，也可有多个段经路由器连接而成。

　　H.323是一个框架协议，一系列协议组合。其中视频编码和音频编码标准和H.320中类似，只是音频编码又增加了G.723.1和G.729A两个中低速率编码标准。

2.3 H.323与H.320会议电视体系的比较

　　与H.320系统比较，H.323系统有如下优点：（1）操作简便。用户可以自己组织会议，不需要专门系统操作员来控制和维护。（2）节省带宽。与其他业务共享带宽，不召开会议时不占用带宽，速率128bit/s~2Mbit/s可调。（3）节省投资。与企业Intranet相结合，实现音频、视频、数据同时传输，无需另建专用视频会议网，节省用户投资。（4）开放灵活。IP从理论上保证了不同厂商的系统在不同类型网络之间互连互通。

3 会议电视系统的设计

3.1 系统框架

　　我们根据会议电视网提供的功能进行设计，将会议电视网分为H.323会议电视应用层和IP承载层两个层面。

　　H.323会议电视应用层包括多点控制单元（MCU）、网关（GW）、网守（GK）、终端及运营支撑系统，GK、MCU和GW层也可以合为一层，称为交换层，两种方式的网络结构基本一样。

3.2 IP承载层

　　IP承载层分为两个层面：骨干层和接入层。其中骨干层是由核心节点和区域节点组成的会议电视业务网IP 业务专用骨干网；而接入层是涉及POP节点接入，本地传输接入网，用户侧CPN配置等诸方面的多业务混合网络。IP承载层由Cisco中高端路由器组建，路由器之间通过ATM PVC 进行互连，IP over ATM 技术对会议电视的QoS提供了可靠保证。

3.3 应用层

3.3.1 网守（GK）

　　 在H.323会议电视网中GK处于重要地位，GK的设置涉及到区域的划分以及网络的规模即网络支持的终端数量。GK负责地址解析和跨专网的终端互联，MCU、GW、终端的地址解析、接入控制、带宽管理和区域管理等。当网络扩展需要与其他省或地区的H.323系统互通时，只需要GK与其他的GK互通即可。

3.3.2 MCU、GW和终端

　　MCU、网关和终端归属于GK。凡参加会议需要在GK注册才能参与。MCU间逻辑上是网状网结构。所有地级市均设置MCU设备。网关与MCU设备和其他网络如ISDN、专线等相连。终端与网关、MCU间的呼叫建立要通过GK实现，会议的视频音频切换通过MCU来实现。

3.3.3 运营支撑系统

　　运营支撑系统包括管理系统、Web服务器、目录服务器、网管系统、认证系统、营帐系统，采用集中管理的方式，设立一个网络运行和网络管理中心。其他地级市设置子系统和管理远程终端，在MCU处设置网管代理PC（可选）（不同MCU设备厂家实现网管的方式不同，有的不需要网管代理PC）。

3.3.4 终端

　　会议室型终端设备，包括附属设备：电视机、录像机（可选）、摄像机、扬声器、麦克风等。每个会场设置1台用于数据会议和主席控制的PC终端。由于终端有机顶盒式、基于PC结构或桌面型、会议室型等不同的产品，对于不是基于PC结构的终端，需要一台PC实现数据会议及完成主席控制功能。为了便于管理，所有终端设备都是可管理和维护的，支持基于SNMP网管协议和基于Web配置管理的桌面型会议设备。

3.4 系统设计

3.4.1 MCU组网

　　MCU作为会议电视系统的控制和数据交换的核心，在设计中具有重要作用，本文我们主要介绍系统中MCU的设计。MCU相当于一个交换机，对图像、语音、数据信号的数据流进行切换，对多点会议中多个终端进行控制。它由一个MC和一个或多个MP组成，使用H.245消息和过程来实现与H.243建议相类似的特性。支持集中多点会议的MCU由一个MC和一个音频和视频MP组成。这里我们考虑支持集中多点会议的MCU。

　　省内会议由本省的MCU设备处理，省间会议（每个省有两个以上终端参与会议）采用MCU级联方式，只有两级级联。终端与MCU以及MCU间连接的方式有三种：单MCU、两个MCU及三个以上MCU。

　　MCU的级联与会议有关，主MCU可以是主叫方所在的MCU，也可以是接入终端最多的MCU。在同一时刻，一个MCU可能在一个会议中作为主MCU，而在另一个会议中又作为从MCU。如果是系统操作员发起的会议，则主从MCU由系统操作员来指定。

3.4.2 MCU分配原则

　　终端与MCU间的连接基本是固定的，一段时间内很少修改。只有在减少终端或者增加终端，或者资源紧缺需要重新调配时，才会修改终端与MCU的连接。但是终端与MCU的连接仍然是动态的，而不是静态的。

　　对于MCU的分配应遵循以下原则：

　　（1）终端就近原则：终端首先接入物理上最近的MCU，即本市MCU，然后可溢出到省会城市MCU组织本省内的会议。例如岳阳召开会议，首先选择岳阳的MCU，如果岳阳的MCU没有空闲资源，可以用长沙的MCU，但不可以用比长沙远的娄底或者其他区域的MCU。

　　（2）终端集中原则：如果与会终端非常分散，每省仅有一个终端参加的跨省会议，选择主叫方（或任意与会终端）所在地的MCU，其他终端直接接入此MCU，会议由一个MCU处理。MCU选择的原则根据其容量和路由最佳来确定，尽可能选择省会的MCU。如：长沙的一个终端召集衡阳、常德和湘潭各一个终端开会，则只选用长沙（或者常德、衡阳等大区）的MCU来召开会议，其他地区的MCU不参与该会议的建立与组织。

　　（3）MCU级联原则：若某地市有两个（此值应该是可设定的）以上的终端参加同一个会议，一定通过当地市MCU，参会MCU间级联。如：若长沙有两个终端，湘潭也有两个终端参加会议，衡阳和常德各一个终端，长沙终端1为主叫方，则长沙的MCU为主MCU（主从MCU的选择还可按MCU接入终端数量的多少决定），接入常德和衡阳的终端，湘潭的终端接入湘潭的MCU，湘潭MCU为从MCU，MCU间级联。此种情况不建议用湘潭的MCU接入衡阳和常德的终端，从MCU的组网角度来看这两地的终端接入长沙和湘潭是一样的，但是从路由上考虑不合理。

4 会议电视系统的安全

H.235建议提供一个完备的、多层次的网络安全框架。它是一个比较灵活的机制，主要在建立连接、呼叫控制、多媒体数据流的传送等方面提供安全策略，不对用户的数量和可实现的安全等级做任何限制，力求在Internet的开放环境中实现多媒体会议系统的网络安全。一个安全的H.323系统类似于虚拟专用网（VPN），包括身份认证、通信控制、密钥管理、多媒体数据流的加解密等。安全模式下的H.323系统应该在呼叫建立过程（实现有效的身份认证）中防止第三方的假冒，对合法用户进行授权；在整个通信控制过程中，对其中所交互的能力集、带宽要求等敏感信息进行加密保护；对视频、音频的传输应加密，使其工作在密文传输的状态下。

5 结束语

　　基于H.323会议系统，不局限于特定的承载网，具有灵活的组网能力，可以动态地调整系统资源（指MCU等设备资源），随着业务的发展，系统可以方便地进行扩展。但是，基于H.323会议系统尚没有很好地解决其QoS问题。IP网的网络状况会影响视频终端的图像、语音质量。例如网络延迟、抖动和丢包率都会影响视频甚至音频的质量，要解决这个问题，一方面需要保障网络质量，如增加网络带宽、保证丢包率等参数控制在一定范围之内；更需要H.323本身采取措施，如根据网络状况来调整视频传输率、增强本身的纠错能力等，ITU目前己正在进行这方面的工作。

　　喻 飞，男，博士研究生，浙江大学访问学者，研究方向为计算机网络安全。

　　朱妙森，工程师，在职研究生；

　　何 晶，女，硕士研究生，研究方向为分布式计算与计算机网络；

　　安吉尧，男，理学硕士，讲师，主要研究方向为分布式计算与网络。

----《中国数据通信》