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基于WCDMA的移动多媒体解决方案
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受互联网业务迅速发展的影响，第三代移动系统在设计时特别强调了数据承载能力的提高和对多媒体业务的支持，这就为各种多媒体应用移植到移动系统中或者根据移动系统的特点发展出新的多媒体系统提供了可能。本文为方便讨论，以WCDMA系统为例，其中的某些描述并不适合其他制式的3G系统。
一、多媒体
多媒体应用在刚出现时主要是单机使用，通过可移动存储介质传播。由于互联网的广泛普及，现代的多媒体应用更多表现为通过网络传播的各种信息表示方式，而且越来越重视通过网络提供对信息的快速检索和获取超大容量存储。其中HTTP协议就是一个典型的多媒体协议，它可以在一个主页内集成文本、静态图像、动态图像、音频等多种表现方式，而且支持快速的信息检索，能快速地切换到相关信息上去。
多媒体应用向网络的迁移，产生了很多新的应用，并改变了一些行业的经营模式。最显著的例子是视频点播应用，它正在并将彻底改变广播电视产业的运营模式。
二、WCDMA系统的数据承载业务
任何多媒体应用都需要数据承载业务完成对信息的传输，特定的多媒体应用对传输网络有不同的要求，但主要还是基于两个方面：安全性和QoS能力。
1.承载方式
WCDMA系统数据承载业务有短消息、CS域承载、PS域承载3种形式。
短消息业务是从GSM系统继承下来的一种异步、低速率的信息传递业务，分为广播短消息和点对点短消息业务。短消息的一个显著特点是不基于呼叫，用户可以在对方未接入系统时就向对方发出短消息。短消息的开发目的是向移动用户提供一种廉价的寻呼业务,经过扩展带宽后，也可以支持数据业务。由于其特有的异步性质，短消息业务对应用有相当大的限制。
CS域承载业务是从GSM系统单信道数据业务继承下来的，分为透明承载和非透明承载两种，速率受信道速率限制，一般在10kbit/s以下。该业务最大特点是基于电路交换，时延低、有QoS保障。在3G系统中，由于信道带宽拓展支持一次呼叫提供多条话音信道以及电路域交换向ISDN方向发展，因此有可能提供高速率的电路交换数据业务，方便地实现目前在ISDN网络上的应用。
PS域承载业务是从GPRS系统扩展而来。在GSM系统中，GPRS系统通过占用多个信道来扩展带宽，WCDMA系统中可以通过不同级别的信道码来实现不同传输速率的数据传输，也可以同时占用多个信道，但在CN侧仍采用SGSN和GGSN完成服务接入和与其他分组交换网的互连互通。
在AllOverIP的思想驱动下，以后的发展将不断强调PS域的作用，CS域和短消息将被逐步替代，形成一个全IP的通信网。
2．安全性
在安全性方面，WCDMA系统继承了GSM系统的安全机制，但由于原有的2G系统是针对话音业务的，其安全措施不够完备，WCDMA系统对安全措施进行了一些修改，主要措施如下：
*增加移动台对网络的识别功能，防止伪造基站攻击；
*增加密钥长度，以便实现更强的加密算法，保证数据完整性；
*提供网内和网间的安全认证机制，保障核心网的安全性；
*安全保证机制位于交换部分而不像GSM那样位于基站部分，以保护交换网到基站部分的线路；
*不像GSM中途引入终端识别号(IMEI)概念，WCDMA系统从一开始就设计了完整的IMEI机制；
*鉴权算法是非固定的，只给出选择上的指导意见。
当跨网络漫游时，比如GSM和WCDMA间的漫游，只支持智能卡的安全能力，这就意味着GSM智能卡漫游到WCDMA网络时不能避免伪造基站的攻击。
从用户角度来说，经以上改造后的WCDMA系统，在数据承载层向应用提供了可靠的安全机制。但由于3G系统要在应用级支持各种业务，特别是要支持MExE(移动运行环境)和JAVA虚拟机，目前互联网上所有的安全风险都将在3G系统上出现。应用安全的问题目前依靠服务提供商和用户来解决，真正的解决方案还有待于进一步研究。
3.QoS
QoS直接影响用户对网络及服务的评价，实现QoS目标的关键在于承载业务所能提供的QoS能力。很多应用对于承载业务的QoS能力十分敏感，比如视频电话显然不能使用时延没有保证的短消息业务来承载。WCDMA的服务质量和网络性能要求基本源于ITU－TE800的要求，用于保证对应用的服务支持能力、服务可操作性能、服务可访问程度、服务保持程度、服务完整程度和服务安全性能。
由于传输的业务类型不同，对传输质量的要求也不同。WCDMA系统主要考虑以下几种QoS指标：端到端延时、延时变化范围、错误率。根据不同应用对数据错误率和时延的要求，QoS分为4个不同的级别：会话级、交互级、流级、背景级。不同级别各有不同的应用。
WCDMA提供的3种承载业务各有不同的QoS能力。由于短消息业务不建立呼叫的特点，它不能提供任何程度的QoS能力。CS域承载是电路交换方式，在UMTS内部能提供可靠的QoS能力，对于外接的电路交换数据网络也能提供QoS接口转换机制，保证数据承载服务的QoS。PS域承载是分组交换方式，在UMTS内部底层使用的是可保证QoS的ATM网络，因此能保证QoS质量。但PS域在以IP协议和外部互连时，IPv4将无法保证QoS，在IPv6得到广泛应用后，才能根本解决分组域的QoS问题。
三、多媒体应用简介
多媒体应用在移动系统中的实现需要克服以下困难：选择合适的输入编码和传输编码方式、多个媒体间的同步问题以及与现有多媒体网络的“无缝”互联。以下以H.323和IP应用为例描述WCDMA系统在这几方面所做的工作。
1．ITU－TH.323协议
可视电话及多方会议是传统双向话音业务的延伸，为此ITU－T制定了H.323系列标准来规范多媒体应用在基于分组包的公共网络上的传输。H.323协议定义的初始目的是在固定式的局域网或宽带广域网上提供视频会议及附加多媒体信息的传输，它提供多端点的图像和话音两种实时业务及其他非实时数据业务，且对数据传输网络只要求提供面向连接的可靠信道和面向非连接的数据报信道。
对于3G系统，可视电话将作为一种基本业务。由于H.323标准已广泛应用于视讯领域，考虑到新标准的开发风险，同时为了保护运营商现有投资，3G系统在实现可视电话业务时必然要考虑对H.323标准的继承性和互连互通性。
（1）H.323协议简介
H.323协议组所规定的多媒体通信网在电信级应用时的结构如图1所示。为了使H.323系统可以不使用特定的电信设备，关守(GateKeeper)和MCU在H.323网中是可选的，其功能可以下移到终端中去，直接用多个终端完成H.323通信，而不借助任何电信网络。
在电信级应用时，核心部分由关守和MCU组成，其中关守有以下作用：地址翻译(H.323别名到实际通信网地址的翻译)、接纳鉴权和带宽要求鉴权、带宽控制、域控制。可选的功能包括：呼叫控制信令、呼叫鉴权、带宽管理、呼叫管理。正在研究的功能包括：关守操作维护、带宽保留和目录服务。
MCU包括MC和MP两部分：MC用于控制多方会话，MP用于处理多方的音频和视频流，并根据MC的指令将合适的数据流传输给各终端。网关也是电信应用时使用的设备，用于连接其他类型的终端设备，比如普通电话,在H.323网络中被当作一个或多个符合H.323协议的终端。
符合H.323协议的终端要满足以下条件：支持H.261及H.263所规定的视频流格式，特别是QCIF和CIF格式、支持G.711和其他音频格式；通过数据通道支持各种非实时应用；支持H.245控制协议；支持H.225.0规定的RAS(注册，访问，状态)、呼叫信令和逻辑信道管理协议。
（2）H.323协议和WCDMA网络的结合
WCDMA系统已经确定将H.263视频编解码协议作为视频电话业务的视频编解码必选项，并确定使用PS域承载H.323业务，但并未就如何实现3G系统的视频电话业务作出最后决定，具体的实施方案仍在研究中。目前的研究主要是对比利用PS域承载H.323和利用CS域承载H.324两种方案。随着全IP概念的深入，前一种方案更符合发展趋势。
ITU－T方面也注意到视频电话业务对3G系统的重要性，正在着手制定关于移动性的H.323附件。其提出的方案是将移动系统看作透明的数据通道，并在H.323系统内部完成移动性管理，其方式和GSM十分相似。
两个标准组织进行的工作目前还未统一，且存在各种可能性。只要能解决以下几个问题，就能够使两者结合起来。
*H.323地址翻译；
*鉴权/计费方式；
*QoS控制和带宽预留协议；
*移动/固定混合多方会话控制；
*GSM－WCDMA网间漫游及切换问题。
笔者个人认为一个合适的3G视频电话系统解决方案是将GGSN的功能进行扩充，每个GGSN将是一个H.323的GK。比普通GK增强的部分是能够通过对HLR/VLR/AUC的访问完成支持漫游的呼叫控制和计费工作，由于移动台切换时GGSN保持不变，因此切换将不会对通信产生影响。H.323协议的其他部分完全在3G系统上层实现，只将3G系统作为一个分组数据传输网络。
2．IP应用
IP协议向各种应用提供了一个通用的数据传送平台，人们利用它开发了种类繁多的应用。3G系统增强数据传输能力的目的就是为了在移动系统上支持这些应用。在基于IP的多媒体应用中，3G系统可以看作一个接入服务系统，只完成终端(手机)在Intranet/Internet上的注册和动态IP分配，由应用决定传输能力的使用方式。
目前IP结构的发展主要是由IPv6概念引出的，目的是扩展IP地址的范围、解决IP系统没有QoS保障的问题。3G系统普遍支持多种形式的QoS方式，只要做一些QoS适配工作就能转换到IPv6方式。
作为互联网最具吸引力的功能，3G系统显然需要支持WWW浏览。在2G时代，为了在低速率的数据通道上实现浏览，WAP论坛开发出WAP协议。WAP是一种轻量级的协议，并为在无线环境使用进行了优化。从3G的角度来看，传输带宽已基本不再是问题，而且PS域数据承载业务的稳定性有保证，移动台也向着高性能CPU、大存储器、大尺寸彩色显示的方向发展，WAP协议需要解决的问题已基本不存在。未来的3G系统对浏览的实现方式将只限于提供IP业务，不再具体规定应用协议。当然出于对WAP协议的继承并解决网间漫游问题，还将继续支持WAP协议。
IP上的其他应用也将在3G中继续保持，包含的领域有电子商务、信息检索、在线游戏，使用的技术包括虚拟现实、3D重建、高质量话音、高质量视频、语音识别、个人身份验证等。
四、未来展望
目前的WCDMA标准制定工作集中于支持现有的多媒体应用，但是3G系统有着固定系统所无法实现的特点，那就是通信的个人性和随时在线性。可以预料，在3G系统投入商用以后，将会有更多适用于移动系统的多媒体应用出现，并将随着网络和移动终端的发展不断变化。
----《通信世界》
作者：中国网通江西省分公司 朱剑 来源：《通信世界》
一、多媒体
多媒体应用在刚出现时主要是单机使用，通过可移动存储介质传播。由于互联网的广泛普及，现代的多媒体应用更多表现为通过网络传播的各种信息表示方式，而且越来越重视通过网络提供对信息的快速检索和获取超大容量存储。其中HTTP协议就是一个典型的多媒体协议，它可以在一个主页内集成文本、静态图像、动态图像、音频等多种表现方式，而且支持快速的信息检索，能快速地切换到相关信息上去。
多媒体应用向网络的迁移，产生了很多新的应用，并改变了一些行业的经营模式。最显著的例子是视频点播应用，它正在并将彻底改变广播电视产业的运营模式。
二、WCDMA系统的数据承载业务
任何多媒体应用都需要数据承载业务完成对信息的传输，特定的多媒体应用对传输网络有不同的要求，但主要还是基于两个方面：安全性和QoS能力。
1.承载方式
WCDMA系统数据承载业务有短消息、CS域承载、PS域承载3种形式。
短消息业务是从GSM系统继承下来的一种异步、低速率的信息传递业务，分为广播短消息和点对点短消息业务。短消息的一个显著特点是不基于呼叫，用户可以在对方未接入系统时就向对方发出短消息。短消息的开发目的是向移动用户提供一种廉价的寻呼业务,经过扩展带宽后，也可以支持数据业务。由于其特有的异步性质，短消息业务对应用有相当大的限制。
CS域承载业务是从GSM系统单信道数据业务继承下来的，分为透明承载和非透明承载两种，速率受信道速率限制，一般在10kbit/s以下。该业务最大特点是基于电路交换，时延低、有QoS保障。在3G系统中，由于信道带宽拓展支持一次呼叫提供多条话音信道以及电路域交换向ISDN方向发展，因此有可能提供高速率的电路交换数据业务，方便地实现目前在ISDN网络上的应用。
PS域承载业务是从GPRS系统扩展而来。在GSM系统中，GPRS系统通过占用多个信道来扩展带宽，WCDMA系统中可以通过不同级别的信道码来实现不同传输速率的数据传输，也可以同时占用多个信道，但在CN侧仍采用SGSN和GGSN完成服务接入和与其他分组交换网的互连互通。
在AllOverIP的思想驱动下，以后的发展将不断强调PS域的作用，CS域和短消息将被逐步替代，形成一个全IP的通信网。
2．安全性
在安全性方面，WCDMA系统继承了GSM系统的安全机制，但由于原有的2G系统是针对话音业务的，其安全措施不够完备，WCDMA系统对安全措施进行了一些修改，主要措施如下：
*增加移动台对网络的识别功能，防止伪造基站攻击；
*增加密钥长度，以便实现更强的加密算法，保证数据完整性；
*提供网内和网间的安全认证机制，保障核心网的安全性；
*安全保证机制位于交换部分而不像GSM那样位于基站部分，以保护交换网到基站部分的线路；
*不像GSM中途引入终端识别号(IMEI)概念，WCDMA系统从一开始就设计了完整的IMEI机制；
*鉴权算法是非固定的，只给出选择上的指导意见。
当跨网络漫游时，比如GSM和WCDMA间的漫游，只支持智能卡的安全能力，这就意味着GSM智能卡漫游到WCDMA网络时不能避免伪造基站的攻击。
从用户角度来说，经以上改造后的WCDMA系统，在数据承载层向应用提供了可靠的安全机制。但由于3G系统要在应用级支持各种业务，特别是要支持MExE(移动运行环境)和JAVA虚拟机，目前互联网上所有的安全风险都将在3G系统上出现。应用安全的问题目前依靠服务提供商和用户来解决，真正的解决方案还有待于进一步研究。
3.QoS
QoS直接影响用户对网络及服务的评价，实现QoS目标的关键在于承载业务所能提供的QoS能力。很多应用对于承载业务的QoS能力十分敏感，比如视频电话显然不能使用时延没有保证的短消息业务来承载。WCDMA的服务质量和网络性能要求基本源于ITU－TE800的要求，用于保证对应用的服务支持能力、服务可操作性能、服务可访问程度、服务保持程度、服务完整程度和服务安全性能。
由于传输的业务类型不同，对传输质量的要求也不同。WCDMA系统主要考虑以下几种QoS指标：端到端延时、延时变化范围、错误率。根据不同应用对数据错误率和时延的要求，QoS分为4个不同的级别：会话级、交互级、流级、背景级。不同级别各有不同的应用。
WCDMA提供的3种承载业务各有不同的QoS能力。由于短消息业务不建立呼叫的特点，它不能提供任何程度的QoS能力。CS域承载是电路交换方式，在UMTS内部能提供可靠的QoS能力，对于外接的电路交换数据网络也能提供QoS接口转换机制，保证数据承载服务的QoS。PS域承载是分组交换方式，在UMTS内部底层使用的是可保证QoS的ATM网络，因此能保证QoS质量。但PS域在以IP协议和外部互连时，IPv4将无法保证QoS，在IPv6得到广泛应用后，才能根本解决分组域的QoS问题。
三、多媒体应用简介
多媒体应用在移动系统中的实现需要克服以下困难：选择合适的输入编码和传输编码方式、多个媒体间的同步问题以及与现有多媒体网络的“无缝”互联。以下以H.323和IP应用为例描述WCDMA系统在这几方面所做的工作。
1．ITU－TH.323协议
可视电话及多方会议是传统双向话音业务的延伸，为此ITU－T制定了H.323系列标准来规范多媒体应用在基于分组包的公共网络上的传输。H.323协议定义的初始目的是在固定式的局域网或宽带广域网上提供视频会议及附加多媒体信息的传输，它提供多端点的图像和话音两种实时业务及其他非实时数据业务，且对数据传输网络只要求提供面向连接的可靠信道和面向非连接的数据报信道。
对于3G系统，可视电话将作为一种基本业务。由于H.323标准已广泛应用于视讯领域，考虑到新标准的开发风险，同时为了保护运营商现有投资，3G系统在实现可视电话业务时必然要考虑对H.323标准的继承性和互连互通性。
（1）H.323协议简介
H.323协议组所规定的多媒体通信网在电信级应用时的结构如图1所示。为了使H.323系统可以不使用特定的电信设备，关守(GateKeeper)和MCU在H.323网中是可选的，其功能可以下移到终端中去，直接用多个终端完成H.323通信，而不借助任何电信网络。
在电信级应用时，核心部分由关守和MCU组成，其中关守有以下作用：地址翻译(H.323别名到实际通信网地址的翻译)、接纳鉴权和带宽要求鉴权、带宽控制、域控制。可选的功能包括：呼叫控制信令、呼叫鉴权、带宽管理、呼叫管理。正在研究的功能包括：关守操作维护、带宽保留和目录服务。
MCU包括MC和MP两部分：MC用于控制多方会话，MP用于处理多方的音频和视频流，并根据MC的指令将合适的数据流传输给各终端。网关也是电信应用时使用的设备，用于连接其他类型的终端设备，比如普通电话,在H.323网络中被当作一个或多个符合H.323协议的终端。
符合H.323协议的终端要满足以下条件：支持H.261及H.263所规定的视频流格式，特别是QCIF和CIF格式、支持G.711和其他音频格式；通过数据通道支持各种非实时应用；支持H.245控制协议；支持H.225.0规定的RAS(注册，访问，状态)、呼叫信令和逻辑信道管理协议。
（2）H.323协议和WCDMA网络的结合
WCDMA系统已经确定将H.263视频编解码协议作为视频电话业务的视频编解码必选项，并确定使用PS域承载H.323业务，但并未就如何实现3G系统的视频电话业务作出最后决定，具体的实施方案仍在研究中。目前的研究主要是对比利用PS域承载H.323和利用CS域承载H.324两种方案。随着全IP概念的深入，前一种方案更符合发展趋势。
ITU－T方面也注意到视频电话业务对3G系统的重要性，正在着手制定关于移动性的H.323附件。其提出的方案是将移动系统看作透明的数据通道，并在H.323系统内部完成移动性管理，其方式和GSM十分相似。
两个标准组织进行的工作目前还未统一，且存在各种可能性。只要能解决以下几个问题，就能够使两者结合起来。
*H.323地址翻译；
*鉴权/计费方式；
*QoS控制和带宽预留协议；
*移动/固定混合多方会话控制；
*GSM－WCDMA网间漫游及切换问题。
笔者个人认为一个合适的3G视频电话系统解决方案是将GGSN的功能进行扩充，每个GGSN将是一个H.323的GK。比普通GK增强的部分是能够通过对HLR/VLR/AUC的访问完成支持漫游的呼叫控制和计费工作，由于移动台切换时GGSN保持不变，因此切换将不会对通信产生影响。H.323协议的其他部分完全在3G系统上层实现，只将3G系统作为一个分组数据传输网络。
2．IP应用
IP协议向各种应用提供了一个通用的数据传送平台，人们利用它开发了种类繁多的应用。3G系统增强数据传输能力的目的就是为了在移动系统上支持这些应用。在基于IP的多媒体应用中，3G系统可以看作一个接入服务系统，只完成终端(手机)在Intranet/Internet上的注册和动态IP分配，由应用决定传输能力的使用方式。
目前IP结构的发展主要是由IPv6概念引出的，目的是扩展IP地址的范围、解决IP系统没有QoS保障的问题。3G系统普遍支持多种形式的QoS方式，只要做一些QoS适配工作就能转换到IPv6方式。
作为互联网最具吸引力的功能，3G系统显然需要支持WWW浏览。在2G时代，为了在低速率的数据通道上实现浏览，WAP论坛开发出WAP协议。WAP是一种轻量级的协议，并为在无线环境使用进行了优化。从3G的角度来看，传输带宽已基本不再是问题，而且PS域数据承载业务的稳定性有保证，移动台也向着高性能CPU、大存储器、大尺寸彩色显示的方向发展，WAP协议需要解决的问题已基本不存在。未来的3G系统对浏览的实现方式将只限于提供IP业务，不再具体规定应用协议。当然出于对WAP协议的继承并解决网间漫游问题，还将继续支持WAP协议。
IP上的其他应用也将在3G中继续保持，包含的领域有电子商务、信息检索、在线游戏，使用的技术包括虚拟现实、3D重建、高质量话音、高质量视频、语音识别、个人身份验证等。
四、未来展望
目前的WCDMA标准制定工作集中于支持现有的多媒体应用，但是3G系统有着固定系统所无法实现的特点，那就是通信的个人性和随时在线性。可以预料，在3G系统投入商用以后，将会有更多适用于移动系统的多媒体应用出现，并将随着网络和移动终端的发展不断变化。
----《通信世界》
作者：中国网通江西省分公司 朱剑 来源：《通信世界》
