视频会议系统之脊髓——多点会议控制单元

视频会议系统之脊髓——多点会议控制单元（MCU）

在过去的2003年，中国视频通信领域发生了巨大变化。全年市场总额达到了14亿，视频通信市场迅速发展，国内各家电信运营商把他作为增值业务进行推广，宽带网络和VPN的加速成熟，更推动了视频会议系统在政府和企业集团、远程医疗、国际贸易、远程教育、远程监控等领域的应用。视频通信产品的主要提供商推出了更多样化的产品，各行业的具体应用需要基本的超媒体平台予以支持。 我们可以预见：随着网络环境、视频会议运行成本、视频硬件设备的采购成本、视频软件产品的质量及互通性能等多方面的问题的解决和视频通信技术的进一步完善，视频通信的普及应用将会在短时间内得以实现，被越来越广泛地应用到日常办公中。视频会议系统之脊髓——多点会议控制单元（Multipoint Control Unit—MCU）也日益受到人们的关注。 一、MCU的概述     多点控制单元——MCU（Multipoint Control Unit）是一个数字处理单元。     多点控制单元将多个终端连接起来构成一个会议电视的物理框架。当有3个或3个以上的会议终端设备进行通行时，需要一个或多个的信号汇接处理，使多个终端能通过该端口设备在一个会议中进行通信，实现音频的混合和音频的切换，保证音频及视频的连续性。音频及视频的连续性。一个MCU可提供16个E1接口连接下一级的MCU或终端设备。MCU由管理工作站进行管理，管理员可通过工作站实现对MCU的配置和测试，安排会议日程，统计和记录计费信息。     多点控制单元是视频会议系统的关键设备，他相当于一个交换机的作用，但它与一般电话网中的交换机有所区别。它是对图像、语音、数据信号进行切换，即是对数据流进行切换，而不是对模拟信号进行切换。其工作速率为64kbit/s~2Mbit/s,每次会议工作在一个速率上。一般在同一次会议中，所有终端都会选用同一速率。还可作为不同网络会议系统终端的网桥。根据应用的通信网络不同，多点交互式视频会议系统的终端控制单元MCU也不尽相同。     多点控制单元对视频信号采取直接分配的方式，对数据信号采用广播式，对语音信号可分为两种情况：如只有一个会场发言，多点控制单元将它的音频信号切换到其他不发言的会场；若同时有几个会场发言，多点控制单元将它们的音频信号进行混合处理，挑出电平最高的音频信号，然后切换到该电平以外的其他所有会场。     多点控制单元的主要组成部分有：网络接口模块、音频处理器、视频处理器、控制处理器及数据处理器。如图1所示。     目前，国际市场上的视频会议组网方式主要包括：基于专线的MCU组网方式、基于ISDN网络的组网方式以及基于因特网的组网方式（软件视频会议网络）。就整体的应用状况和市场前景而言，目前基于ISDN网络的视频会议正慢慢退出市场，而软件视频会议还需要两到三年乃至更多的成长时间。因此，目前市场上基于专线的MCU组网方式，才是大众和专家真正关注的焦点，而作为应用的核心设备，MCU的技术性能又是焦点中的焦点。     现在市场上既有基于单一协议体系如H.320或H.323的MCU，也有可同时支持H.320和H.323双协议的MCU。 二、基于H.320标准的MCU     1990年制订的H.320标准，是传统的广泛使用在ISDN网络中的视频会议标准。其网络结构主要是H.243标准下的主从星形汇接结构，每个终端必须与MCU建立电路链接。因此支持H.320方式的MCU一般带有大量的电路接口，可保证确定带宽视频会议的召开。随着IP技术的飞速发展，单纯基于H.320方式的MCU已经无法完全适应传输网络的发展，这种MCU也就逐渐的被淘汰，退出市场。 三、基于H.323标准的MCU     H.323是提供非保证服务质量（QoS），基于包的多媒体通信标准，用于局域网的可视电话系统和终端，并支持在Internet上传输可视电话业务的一系列标准。     自从1996年ITU-T批准该标准以来，视频会议的技术和市场都发生了革命性的变化。越来越多的厂家竞相投入H.323新品的开发，当前很多厂家的MCU都采用了H.323技术。     H.323会议系统的所有终端通过点对点方式（逻辑连接）与MCU相连。在H.323系统中，一个MCU由一个多点控制器MC和几个多点处理器MP组成，但也可以不包含MP。MC通过H.245实现多点控制功能，从而决定它对视频和音频的通常处理能力。在必要情况下，MC还可以通过判断哪些视频流和音频流需要多点广播来控制会议资源。MCU并不直接处理任何媒体信息流，而将它留给MP来处理。MP对音频、视频或数据信息进行混合、切换和处理。MC和MP可能存在于一台专用设备中或作为其他的H.323组件的一部分。这种模式比较适合于专网等规模不大或上下级比较分明的网络。     另外H.323会议的多点控制和管理的工作也可以采用分布式的多点控制和管理，在这种管理方式下不需要MCU，MCU的功能以MC和MP功能模块的形式存在于系统的其他设备中，将网络分组交换机制与终端对来自不同终端的分组识别功能相结合，实现组播等功能，这种模式比较适合于电信运营商等规模大的视频会议网络。     H.323会议电视系统只是逻辑意义上的网状网结构，MCU与MCU之间、终端与MCU不是静态固定连接的，会议组织流程较复杂，存在终端和MCU之间相互选择的问题。在召开一个会议时，终端首先被接入所连接的本域MCU，其他域端可加入到此MCU上参加会议或此终端溢出到邻近MCU上参加会议。在选择路由上，若参会终端比较分散，则可选择任意一参会终端方式所在地的MCU作为召集方，其他终端汇接到此MCU。对于会议中邀请和加入其他终端时，若会议使用中的MCU端口数已满，则终端会被指向邻近的MCU，建立连接。     当前基于H.323的MCU一般可以分为两种：软件MCU和嵌入式MCU。 1.基于软件方式的MCU     基于软件方式的MCU一般采用服务器或是工控机+MCU软件来实现，最低端可采用普通的PC。这是利用高性能的CPU来实现视音频码流的转发、信令的处理等，可以通过提高CPU的频率或数量来提高系统的处理能力，其结构简单，通用性比较强，适合低码率和低端视频会议应用场合，如视频聊天服务器等应用。这类型的MCU因存在可靠性不高故障点多、安全性不高、容量小、码流处理能力低、接口内型单一，难以扩展等缺点，不适合应用到专业会议场所。 2.基于硬件方式的MCU多点会议     为了避免基于软件方式的MCU的众多问题，视频界的生产厂商都推出了嵌入式的MCU。嵌入式的MCU比较适合应用在专业视频会议领域，可作为电信级的应用。嵌入式多点会议可由集中式MCU和分布式MCU来实现不同的配置方法。     集中式多点会议（Centralized）需要一个MCU来组织一个多点会议， 集中式MCU有固定的较强的处理能力，可接入一定数量的远端节点，稳定性和安全性都有保障，但其扩展能力比较小，容量不大。     分布式MCU采用了分布式处理技术，可以达到很高的稳定性和安全性，系统容量大，扩展能力强。 基于H.323标准的MCU具有以下的优势。 (1)可靠性高     设备采用嵌入式的设计，系统是专用实时操作系统，整体性好，可支持全程网管，可长时间不间断运行。设备的主控部分采用热备份方式，避免单点故障引起会议全系统瘫痪。接口模式支持热插热拨，可不断电排除故障或进行扩容。 (2)安全性好     当今的网络世界可谓是病毒肆虐，让人防不胜防，工控机或服务器所采用的通用操作系统容易受到各种病毒的入侵，一旦受到病毒的袭击，导致整个会议无法召开。采用专用实时操作系统，不会受到病毒的侵入，同时采用内置防火墙技术，抵御非法入侵，整个系统比较安全。 (3)接口类型丰富，扩展能力强     工控机或服务器方式的MCU一般只能提供以太网接口，对于其他类型接口的接入能力很小，无法提供E1、V.35等传输接口。采用模块化设计，可利用不同模块提供不同的传输接口、控制接口和业务接口，可在MCU上直接提供多路解码、远程控制等功能。另外，模块化的设计可以通过增加模块的方式接入点数量。有限嵌入式MCU支持升级功能，可通过嵌入软件的升级提供新的功能，支持新的编解码方式。 (4)容量大，处理能力强     当前通信网络的建设规模不断扩大，带宽/价格比不断下降，各个企事业单位在建设通信网络的时候都为视频会议提供了较高的带宽，同时各种高清晰度编解码技术的出现也需要比较大的传输带宽和更高的处理速度。这就要求MCU必须具备大码率的处理能力，由于采用了专用处理芯片和分布式处理，系统具有强大的处理能力，可提供大量的远端接点接入。 四、基于双协议的MCU     IP技术的快速发展，基于IP的QoS技术还不完善，单纯的基于H.323的MCU是无法胜任高要求的视频会议。为了能够提供高品质的视频会议业务，同时也能够支持广为流行的IP技术，众多厂家推出了可支持H.323、H.320双协议的MCU。采用双协议技术既可以满足不同的线路要求，提供具有QoS保证的高品质视频会议，提供基于IP的各种流媒体服务，同时还可以实现IP与专线的线路备份，满足专业应用的需要。

六、视频会议系统体制分析

20世纪80年代初期，国家烟草专卖局系统通信进入数字通信时代，为会议电视系统的顺利开通提供了有利的条件。利用烟草行业本身已具有的丰富的传输通道，同时，鉴于H.323系统的高灵活性、高扩展性、高性价比，在具备TCP/IP网络资源的地区，采用H.323协议的会议电视系统是一种比较理想的方案。 从视频会议技术发展的历史来看，目前视频会议系统的建立可以依据ITU-T的两大框架建议H.320和H.323来进行，从而形成两种不同的建设方案。H.320是ITU-T较早期的视频会议标准，该标准完全建立在一系列视频会议专有的技术和标准之上，而H.323标准建立在通用的、开放的计算机网络通信技术基础之上，具有广阔的发展前景。自从1996年ITU-T批准该标准以来，视频会议的技术和市场都发生了革命性的变化。越来越多的厂家竞相投入H.323新产品的开发，越来越多的用户采用H.323技术和产品构造他们自己的视频会议系统。 　　（一）视频会议技术体制 　　1.H.320标准 　　H.320标准于1990年制订，是视频会议的早期建议之一，主要针对窄带ISDN网。由于窄带ISDN网是一种基于电路交换的网络，所以H.320标准主要满足和适应电路交换的特性，因而H.320标准的视频会议被广泛用于VSAT、DDN、ISDN等电路交换网络。电路交换的特点是面向连接、传输速率和时延稳定、时延小、误码率低，因此视频会议的质量容易得到保证。但它的缺点是连接固定，除ISDN网上是可以进行拔号外，其它网络的应用都必须进行点对点的永久连接，带宽利用率较低，开放性很差，设置联接也不方便。从1993年开始，在我国引进建设的视频会议网，绝大部分都采用H.320标准视频会议，并建立在VSAT、DDN、E1专线、ISDN等网络上，极大地限制了视频业务的进一步拓展。 　　2.H.323标准 　　H.323标准涵盖了音频、视频及数据在以IP包为基础的网络(LAN、EXTRANET和Internet)上的通信，建立H.323标准是为了允许不同厂商的多媒体产品和应用能够互操作。对于范围广泛的基于IP网络的多媒体通信应用来说，H.323标准是非常重要的构件。另外，该标准也允许通过ISDN和POTS与基于PPP的网络直接相连。 　　1996年，ITU批准了H.323规范。该标准范围广，涵盖了各种独立设备、个人计算机技术以及点对点和点对多点视频会议。该标准解决了视频会议中呼叫与会话控制、多媒体与带宽管理等许多问题。     （二）网络结构 　　1.基于H.320标准的单MCU星型组网和两级MCU组网(主从) 　　单MCU星型组网是指采用一个MCU设备与多个会议电视终端组成星型网络结构。当会议电视终端多于一个MCU所提供的端口数时，单个MCU就无法连接所有会议电视终端。此时要通过级联MCU的方式来实现网络的扩容来增加网络容量，构成主从结构。每个从MCU都与主MCU构成固定连接，因此网络的稳定性很差。从拓扑结构上来看，这种单星型结构会因主MCU的问题导致全网的不稳定。原则上MCU的级联可以不受限制，但网络在达到3级时就不能满足会议最小时延、同步的要求，因此在应用中一般只采用单MCU星型组网和两级MCU组网(主从)两种。 　　用户层的接入一般采用E1专线方式或ISDN2B+D的接入方式连接。两种方式各有优缺点，专线能保证良好的稳定性和图像质量，但网络利用率低；ISDN受线路影响较大，但接入灵活方便。 　　H.320会议电视系统对网络带宽要求较严。例如当一次会议有10个会场参加时，若每个会场都能相互看到，就需要10×11/2=55条通道。因此，当网络终端达到一定数目时，网间控制和电路调配会出现困难，故此方式不适合较大规模的会议。 　　2.基于H.323标准的系统优势 　　H.323会议电视系统的MCU组网与H.320的不同在于，H.323中MCU只是逻辑意义上的网状网结构，它们之间没有固定连接。在转接会议时呈现树型结构，但此时转接的MCU并不占用端口资源。按H.323第二版建议，大体上可分为GK组网和MCU组网两种。 　　GK是H.323系统的一个组件，其功能是向H.323节点提供呼叫控制服务。本区域内的所有H.323节点必须在本域内的网守上登记注册，GK提供的基本服务有：地址翻译、带宽管理、许可控制、区域管理。多个GK组网可形成网状网结构或主从结构。网状网结构中每个GK地位平等，分别管理所连接MCU的地址解析、区域管理等功能。主从结构GK组网由一个顶级GK和多个域GK构成树型结构，便于对网络进行升级扩容。顶级GK负责域GK的解析，域GK负责所连接的MCU解析、区域管理等，但此方式集中管理，稳定性较差。 　　H.323会议电视系统的带宽配置分为本域内的带宽需求和各大区之间的带宽要求。对一个区域来说，若一个MCU的最大用户数目是100个384kbit/s的终端同时接入，按此时IP网络的实际利用率80%计算，每一个MCU的接入带宽至少应为100×384/0.8=48Mbit/s。对不同区域来说，可以通过MCU之间进行级连来节省带宽，据运营商的经验数据，平均每个域内会议人数最少是三个人，按平均最少的开会人数来计算，大约能节省三分之二的带宽，因此区域间的最小带宽为16Mbit/s。 　　（三）H.320与H.323会议组织流程 　　在H.320会议电视系统中，由于MCU与MCU之间、终端与MCU是静态固定连接。因此，主MCU把从MCU视为终端来对待，各终端逐个与所连接的MCU建立呼叫，并按顺序加入会议。 　　在H.323会议电视系统中，由于MCU与MCU之间、终端与MCU不是静态固定连接的，因此会议组织流程较复杂，存在终端和MCU之间相互选择的问题。在召开一个会议时，终端仍首先被接入所连接的本域MCU，其他域终端可加入到此MCU上参加会议或此终端溢出到邻近MCU上参加会议。在选择路由上，若参会终端比较分散，则可选择任意一参会终端方所在地的MCU作为召集方，其他终端汇接到此MCU。对于会议中邀请和加入其他终端时，若会议使用中的MCU端口数已满，则终端会被指向邻近的MCU，建立连接。对于参会终端不归属于一个GK的连接，应不跨GK域使用MCU，将参会终端接入本域的MCU。H.323会议电视系统三种会议组织流程形式分别为点对点会议、多点会议以及跨区域之间的视频会议。      （四）网络质量保证技术 H.320会议电视系统对承载网络需要有时钟同步和保证传输指标的要求。时钟同步可采用内部时钟或外部时钟两种方式来满足MCU三级时钟要求。国内传输指标是根据ITU-TN.86建议，ITU-TN.90建议所规定信道性能极限值：国内/国际会议电视电路以2048kbit/s速率传输时，比特误码率(BER)应小于10，无误码秒(EFS)应大于92%。 　　H.323会议电视系统是IP分组网络来传输的，因此IP网络传输H.323会议电视系统的指标主要应包括丢包、延时、抖动、误码率等指标。语音的最大时延0.25s，最大时延抖动应小于10ms，可接受的误码率小于10-1；活动图像的最大时延0.25s，最大时延抖动应小于10ms，可接受的误码率小于10-2， 　　1.H.323会议电视系统在实际应用中的QoS保障 　　(1)使用IP专网或VPN技术连接所有服务网元件组成的网元专网，保证MCU和MCU之间、MCU和网守之间、网守和网守之间通信。 　　(2)可以通过H.323代理服务器对H.323数据进行封装,提供QoS机制。使用定向路由将H.323数据路由到有QoS保证机制的专网。H.323代理服务器有两个首要子系统：网守和网关代理子系统。 　　网关代理子系统：提供H.323流量控制、带宽控制、QoS机制、通向外部网络的可*通讯联接等。 　　网守代理子系统：提供用户授权、呼叫详细记录、局域网出口带宽管理和会议数量管理、H.323呼叫路由、地址目录。 　　定向路由：对于QoS来说，管理员配置一个单独的网络，与公网分离开来。H.323代理服务器通过ASR(特殊应用路由)来充分利用独立网络的优势。 　　(3)网守双注册表映射 　　由于终端被隐藏在H.323代理服务器之后，甚至防火墙之后，并通过H.323代理服务器注册到GK子系统上，故终端在被呼叫时，该终端不能被H.323代理服务器之外的终端直接呼通，必须通过H.323代理服务器转发。如果在某一H.323代理服务器之后有多个终端，在H.323代理服务器上就产生了一个转发给谁的问题，这是一个地址解析的问题。 　　这里针对穿过防火墙来处理H.323的传输有两种解决方案。 　　防火墙支持H.323协议(例如CheckPoint4.1或以上)：我们可将H.323代理服务器放到防火墙之后。 防火墙不能支持H.323的动态访问协议：在防火墙内可以使用代理服务器来提供简单的访问控制方案。因为只有H.323代理服务器是节点服务器，这个节点与防火墙外的设备相互影响，所以它很容易在防火墙上建立访问控制列表来通过H.323代理服务器。如果防火墙不能支持H.323的动态访问协议，我们可把H.323代理服务器和防火墙并列摆放。 　　通过一个H.323代理服务器间接发送信号有三方面的原因：可以解决服务器的安全机制；可以代表H.323终端来承接QoS发信号；可以完成特殊应用的路由任务来改善H.323传输质量。 　　2.利用VPN-MPLS实现流量控制及QoS保证 　　虚拟专用网(VPNs)建立在公网或共享网络上，可用以区分网络流量。服务提供商可以应用MPLS建立全新的VPN，具备MPLS能力的VPN是无连接的IP网络，同时具备与帧中继及多级别IP业务的保密性，使得MPLS的VPN的运营更有效，服务提供商可以提供更廉价的可管理的IP业务。建立在第三层的基于MPLS 的VPN是构筑于对等模式的，与传统的VPN相比在本质上具备更好的扩展性且更利于建设及管理。另外，许多增值业务，例如视频应用及数据寄存、网络商务、话音业务等都可以通过某一专门的MPLS VPN 方便地部署实施，其原因正是服务提供商的传输网可以将每一个VPN识别为一个安全的无连接IP网络。 　　（五）H.320与H.323系统的互通 　　H.320协议是基于窄带ISDN网络的多媒体通讯标准，是基于电路交换的网络；H.323协议是基于分组交换的网络的多媒体通信标准。两者都是基于网络的多媒体通信标准，所采用的音频和视频的压缩算法是一样的，通过以上H.320协议和H.323协议会议电视标准的对比可知，通过Gateway(网关)就可以实现这两种不同协议之间的转换。 　　1.两种会议系统之间的互通 　　(1)H.320终端和H.323终端点对点互通； 　　(2)H.320终端加入H.323上MCU的会议； 　　(3)H.323终端加入H.320上MCU的会议； 　　(4)H.320上MCU的会议和H.323上MCU的会议进行级连。 　　2.网络管理的互通 　　H.320视频会议系统基本上没有真正意义的网络管理，只是对终端、MCU有远端拨号控制功能，可以远程用调制解调器远端拨号配置和维护终端，实现召开和预定会议、掌握会议控制权等功能。 　　H.323视频会议系统的网络管理能力比H.320视频会议系统要强的多，H.323视频会议系统的网管是基于TCP/IP协议中的SNMP(简单网络管理协议)，包括对终端、MCU的管理、配置和维护都可以通过SNMP来实现。 　　针对以上情况，提出了全网互通的方式采取分布式结构进行集中管理的方式。在涉及到区域之间时，可以通过网关互连，通过一个定制的专用服务器通过IP与H.320的MCU相连，通过IP对网络中的MCU进行管理，包括预定会议、召开分组会议等功能，实现网管中心对MCU的控制，从而对整个网络实现集中式管理。 华为ViewPoint 8039