PoC 技术业务系统设计与分析

PoC技术业务系统设计与分析

乔亲旺，廖青

北京邮电大学，北京（100876）

E-mail：qiaoqinwang@gmail.com

摘 要：文章介绍了一种基于移动蜂窝网的PoC (无线一键通)业务，该业务呼叫建立时间短，并可发起半双工方式的群组呼叫等特点，成为下一代网络中备受瞩目的移动通信业务。本文在分析PoC业务技术特点的基础上，对典型PoC业务的体系架构和SIP信令交互流程进行了描述。文中对PoC在PS域和IMS域的实现进行了分析、讨论，最后结合IMS网络结构对PoC 业务技术发展趋势进行了分析。

关键词：无线一键通 IP多媒体子系统 SIP 开放移动联盟 中图分类号：TN929.5

1. 引言

PoC业务又称为“无线一键通”业务，将集群通信中的对讲功能引入到了移动蜂窝网络上。3GPP R6已将PoC业务作为第3代移动通信IP多媒体子系统(IMS)的重要应用，PoC将作为3G手机一个基本的实现功能。与现在提供PoC业务的GPRS或EDGE网络，3G网络将提供一个高速的无线宽带接入，可以为改善通话的语音质量、为容纳更多用户提供良好的网络基础。从国外发展情况来看，由于PoC只有在通话的时候才占用信道，可以降低通信资源的消耗，同时可以减少用户的通信费用。PoC业务能为运营商带来比较大的收益，被认为是在语音和短信息之后的另一“杀手级业务”。

2. PoC业务特性

PoC 是一种双向、半双工、即时、多方通信方式，允许用户与一个或多个用户进行通信[1]。 从本质上来讲，PoC是基于半双工的VOIP技术，即在移动终端和业务应用服务器间运行高层信令协议，把语音数据捆绑到IP链路之上。该业务类似移动对讲业务，用户按键与某个用户通话或广播到一个群组的参与者那里。接收方收听到这个发言声音后，可以没有任何动作，例如不应答这个呼叫，或者在听到发送方声音之前，被通知并且必须接收该呼叫。在该初始语音完成后，其他参与者可以响应该语音消息。PoC 通信是基于半双工的模式，每次最多只能有一个人发言，其他人接听。

PoC主要的业务特性如下：

Ø PoC业务是半双工的通信方式，不需要进行拨号呼叫，按下就可以通话；

Ø 多种设置模式：用户可以选择两种接听模式，即手动接听或自动接听。同时可以设置其它模式，包括免打扰、禁止即时用户通知和手动接听覆盖；

Ø 一对一会话和群组会话：PoC业务可支持一对一会话和群组会话。群组会话又可分为聊天群组会话、预设群组会话和临时群组会话；

Ø PoC业务与传统话音业务的最大区别是在通话组中参与者“始终在线”；

Ø PoC业务与传统的集群通信相比，可通达至手机网络覆盖到的地方，实现异地漫游；

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Ø 用户通过请求得到发言权后发言,发言权的控制在用户平面完成，并且有一套完整的控制机制；

Ø PoC 可以与Internet现有类似语音性质的业务进行交互,如在线游戏、具有音频功能的即时消息等。

3. PoC业务结构及信令流程

PoC业务实现是基于分组数据网络的，在目前有两种主要的实现方案：基于分组交换(PS)域的方案和基于IP多媒体子系统(IMS)域的方案。由于基于PS 域的实现在各个厂家之间并没有统一的标准，直到2003年4月移动开放联盟(OMA)正式成立了PoC工作组，制定相关的PoC体系结构规范，图1的体系结构就是基于该规范。PoC规范融合了现存的3GPP、OMA和IETF标准[3]，优点是使PTT业务很容易集成到现有的接入平台和包交换核心网络, 例如GPRS、EDGE、CDMA 1x和802.11等。

3.1 PoC体系结构

XML/HTTP 用户群 组、联系列表管理Ik

POC Sever

Im 用户终端无线接入服务器 GLMS Ipl 状态呈现 服务器 其中：方框代表通信实体，带箭头连线的代表信。

图1 PoC体系结构框图

1、在PoC体系结构中，包含五种通信实体：

Ø 用户终端设备：支持PoC功能的用户终端，运行PoC客户端的应用软件； Ø IMS核心：包含多个SIP代理和注册服务器，实现SIP信令路由，用户终端的 SIP

信令解压、授权、维护注册和SIP对话状态以及计费系统的接口；

Ø 用户群组/联系列表管理服务器：实现用户组、联系列表和访问列表的管理； Ø PoC服务器：PTT业务的主要后台处理器，终结SIP、RTP和RTCP流，并实现

SIP对话处理、组访问控制、组通话处理、用户访问控制、勿打扰功能、资源控

Ips SIP/UDP IMS CORE I f Is RTP/RTCP It

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制、通话用户识别、通话质量反馈、计费接口和话音的分发；

Ø 状态呈现服务器：管理和记录当前用户和网络状态。

2、体系结构中，通信实体之间的七种接口：

Ø Is接口：在用户终端和IMS核心之间，使用UDP上的SIP协议； Ø If接口：IMS核心和PoC服务器之间，实现通话控制；

Ø It接口：用户终端和PoC服务器之间，支持语言流、资源控制和链路质量信息，

使用RTP和RTCP协议；

Ø Im接口：用户终端和列表服务器之间，支持列表管理和勿打扰，使用XML/HTTP

协议；

Ø Ik接口：PoC服务器和列表服务器之间，支持群组和访问列表的获取； Ø Ips接口：IMS核心和状态呈现服务器之间，支持用户注册信息的上载； Ø Ipl接口：状态呈现服务器和列表服务器之间，支持勿打扰和访问列表的上载。 3.2 PoC的典型呼叫流程示例

用户终端A

1、呼叫 2、连接中 5、报铃 6、应答 8、确认 10、说话权限占用通告 11、语音流 13、说话权限控+语音流 15、终止 17、确认 12、语音流 14、说话权限控+语音流 16、终止 18、确认 图2 典型的一对一应答通话信令流程

PoC Sever

用户终端B

3、呼叫 4、报铃 6、应答 7、说话权限占用通告 9、确认

图2[4]描述了典型的一对一请求应答通话的信令流。假设IMS核心和PoC使用SIP通信；IMS核心在该通话中主要作用是传发SIP信令。基于以上假设，图中略去了IMS核心。该图描述了用户A请求用户B通话，得到应答，进行通话，以及终止通话的过程。通话中说话权限的控制(双向箭头连线)可能包括多个权限控制信令。

3.3典型PoC会话建立过程

典型的PoC会话建立过程有6个阶段：

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1) 数据信道的建立：PoC是于数据承载媒体的，网络本身应该提供不同数据网络之间协同工作的机制；

2) 用户注册：手机用户首先需要注册到PoC服务器，注册过程将手机的联系的详细信息 (如IP地址)提供给PoC服务器，并且进行网络用户的认证工作。由于无线连接的固有特性，注册过程需要进行周期性的更新。

3) 预约：一般情况下，用户需要经常尝试去判断联系人的在线状态。这个需求将产生一个包含联系人现在状态的初始回复，并且在其状态发生变化时发送一个联系人状态的更新信息；

4) 邀请/接受谈话：一个谈话进程是从SIP邀请指令的发出开始的。这个邀请将被发送到PoC服务器，并重新定向到收件人，收件人做出相应的回应。在邀请/接受的过程中，通过SIP消息中的会话描述协议(SDP)，会话参与者交换了传输介质的容量信息。SDP描述了传输介质中物理链路的详细信息以及编码类型和数据速率；

5) 媒介传输：一旦SIP会话建立成功，会话参加者的数据将通过PoC服务器进行交换。由于PoC是半双工，参与者在发送谈话信号之前必须请求许可，仲裁是通过PoC服务器完成的。一旦一次讲话数据序列完成，参与者需要放弃控制从而其他用户可以请求讲话。在媒介传输过程中，发送者和接收者信息报告在参与者之间交流。

6) 会话终止：当会话结束以后，会话将终止。

4. PoC业务实现技术

对于PoC技术实现而言，语音分组技术和PTT是实现PoC对讲功能的关键。从本质上来讲，PoC是VOIP技术的一种具体形式，需要依托在一种高速无线数据网络之上，如GPRS网络以及以后的IMS网络。在PoC的实现方面，有基于现有的2.5G网络PS域和和3G网络IMS域的。

现有PoC业务的提供大多是基于2.5G的PS域，在组网实现方面，PoC Sever一般直接与GGSN/PDSN相连.虽然这中组网方式在体系结构方面比较简单、成本比较低，但是在互联互通功能方面并不能很好的实现。成熟的PoC业务是基于3G网络的，实现主要是基于IMS的PoC业务的实现方案则可以在这方面有比较好的表现，相比较的缺点是体系结构复杂，网络成本高。但总体来讲，IMS是未来移动核心网络的发展趋势，也能为PoC业务的提供更好的技术支持。

4.1 PoC所需协议及编码技术

OMA的PoC技术实现是基于IETF (互联网工程工作小组)所定义的SIP协议(会话发起协议)和RTP协议(实时协议)的，群组的建立与管理基于SIP协议，而语音通话则是通过RTP流载体实现。

1) SIP协议被用来作为“一键通”协议的控制层面，它提供了以下功能：

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Ø 用户在网络中的注册和认证； Ø 定义、建立和管理谈话进程； Ø 对其他用户在线状态显示的支持； Ø 在用户之间发送警报(消息)。

2) 语音包的传输是通过RTP协议实现的：在话单传送上，PoC系统采用了RTP（Real-Time Protocol）协议。RTP建立在UDP上，在RTP的头部定义了一个时间戳Time stamp,使得音视频流的实时传送及同步得到保证。该协议可传送分组的时间戳Time stamp、分组序号等信息，支持QOS监视和多数据流合并。RTCP则是控制和监视RTP及其QOS的协议，提供了会话中谈话者的仲裁器，并且对RTP会话质量进行判决。

3) AMR编码的IP语音：为了在有限的网络带宽下传送，必须有好的编码算法提供高效的

压缩，PoC采用自适应语音编码（AMR Adaptive Multi-rate）编码的IP语音，它对比特和帧误差有较高的容错。为使业务能与空中接口的一个时隙匹配，一个IP分组中有不少压缩的语音分组。语音分组的具体数目取决于所用的IP版本和数据包头压缩。

4.2 POC基于PS域的实现

在PoC的工业标准和国际标准颁布之前，各厂商提出了各自的解决方案， 这些方案通过分组交互（PS）域，即面向现有的2.5G网络，在GPRS或CDMA 1X核心网上直接增加PoC服务器来实现PoC业务，因此可以成为“基于PS域的PoC方案”。PS域的PoC业务的互通性差，同时也促进了PoC技术的标准化。

GPRS是在GSM网络基础上增加了SGSN和GGSN分组域节点，可提供较高速率的分组交换及“始终在线”的服务。这使得PoC在GPRS网络实现成为可能，图3为基于GPRS网络的PoC系统，当然PoC客户端同时要求具有GPRS功能。

图3 基于GPRS网络的POC系统

在该系统中，包括以下几个部分：

Ø 手机终端：必须上支持PoC功能的手机，而且除了具备GSM/GPRS手机的功能外，

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还要承担将语音转换成IP包、与PoC服务器进行信令交互等功能，要求手机的处理功能比较大。

Ø 无线接入层：为手机提供无线接入。

Ø IP层：此部分主要由GPRS核心网络完成，需要增加一个新的APN指向POC 服务器所在的网络。

Ø PoC呼叫处理单元：是PoC系统核心设备，主要承担用户的呼叫处理和用户鉴权等功能，并产生相关的计费话单数据。

Ø PoC注册单元：是PoC系统的核心设备，主要承担用户的创建和管理、POC业务的主要数据库等功能。

Ø 其他单元：主要是实现网络连接并提供一些界面，如用户控制界面、计费话单界面等功能。

4.3 PoC基于IMS域的实现

移动开放联盟(OMA)新制定的PoC国际标准要求PoC基于具有IMS能力的SIP／IP核心网，这种方案可以称为“基于IMS域的方案”，如图1所示。

基于IMS域的PoC方案的特点是互联互通性很好，体系结构庞大而严谨，技术难度高，需要增加IMS域实体，对现有网络改造大，部署难度大，成本高，是最终大规模商用网络的最佳选择[5]。PoC使用基于IMS能力的SIP／IP核心网来提供寻址、选路和漫游等功能。

在IMS域实现PoC的三个关键技术：

Ø 快速连接：PoC实现半双工呼叫，如果呼叫延迟超过2s，用户将无法接受。减少呼叫

延迟的方法包括无线分组接人技术和SIP协议压缩。无线分组接入技术使移动终端可以附着在IP网上保持永远在线的状态，在用户需要发送分组的时候才动态分配无线资源。用户在启动PoC业务时无需拨号，只需重新激活连接即可。SIP协议的压缩可以减少信令单元数据在无线信道上的传送时延，保证快速呼叫的建立。

Ø 信道共享：信道共享是在一对多的群组通话中，一个成员的话音可以被群组中所有其

他成员接听，即PoC终端将语音封装成RTP包传送给PoC服务器后，PoC服务器需要在前向信道上将这些RTP包分发给群组中其他用户。每个成员和PoC服务器都是SIP Session，RTP的媒体通道。PoC服务器在收到某个RTP媒体通道过来的RTP包后，只需向其他媒体通道分发即可，由于是半双工通信，因此PoC服务器也不需要混音功能，从而保证了分发的速度和语音质量的均衡[6]。

Ø 通话权控制：(floorcontrol)，通常由PoC服务器进行调度、协调和控制。

5. POC技术及市场的发展趋势

PoC业务在业务特性来讲有其比较突出的优势，也因此被看做未来“杀手级”的业务应该用，但是从技术上来看，它还存在自身的缺陷，例如通话时延、通话质量、可靠性、安全性

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等方面，当然这些也有赖于技术的提高。

5.1PoC存在的技术缺陷及发展趋势

从技术方面来讲，通话时延是最为突出的问题，PoC的呼叫建立时间比较长，特别是初次呼叫建立时间一般为7~10s，而在同等情况下，基于集群通信系统的PoC业务呼叫建立时间不会超过1s[7]，这主要是由于PoC是基于公众移动蜂窝网络的VoIP技术实现的，不能像数字集群通信那样应用于应急联动和紧急呼叫的情况；其次就是通话质量差，受限于网络传输速度，为了能在网络中顺利传输，降低语音质量在所难免；再次因为PoC业务使用的是半双工技术，多方说话中有一方说话，其他用户无法打断，所以一般都会一直处于“hold on” 的状态，也就是说会一直对蜂窝接入和无线资源保持高利用效率。当多用户同时使用业务，将会极大影响网络质量，就如同现在P2P业务对数据网络的影响。

PoC未来的发展将与基于存储转发的非实时的PTM（Push-TO-Multimedia）相结合，最终成为PTC（Push-TO-Connect）。PTM是指通过按键发送非实时语音消息，MMS等多媒体消息的业务。在技术上PTT与PTM的主要区别是PTT使用基于UDP/IP的实时传送技术，而PTM使用基于TCP/IP的可靠的存储转发技术[8]。

5.2一键通将提供开放接口

现有的PoC平台是使用封闭的系统，仍是传统的通信系统思维，但从PoC系统的结构与采用的技术来看，开放接口是很有必要，也是有可能的。PoC的市场定位是行业客户，从国外运营商的成功经验来看，PoC市场似乎以行业客户为主，以个人客户为辅的，而行业客户又以工作中的调度为主，这就需要PoC的开放接口，将系统纳入行业客户的系统中。

从PoC技术的实现机制来看，信号在网络中是以IP包传送的，与即时聊天工具在通信机制上相同。当PoC系统与IM工具相互开放接口后，即可将PoC系统与企业的IP PBX以及腾迅、MSN等IM工具相连，开发一系列新功能，提升企业的通信水平[9]。对于国内的软件集成商来讲，PoC的开放接口将带来很好多的商机，可以将PoC系统集成到OA、调度系统中，为客户提供更好的服务。

6. 总结

未来PoC业务的发展应该更多地关注提高业务时延性能、丰富业务类型和提供更多的业务功能上，并增加如用户优先级等功能，丰富人们的沟通联系方式，让PoC业务真正成为未来3G增值业务中的“杀手级应用”。随着用户业务需求的增加以及3G网络的建设，PoC业务也将迎来发展的高峰。

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参考文献

[1] OMA PoC WG．Push to Talk over Cellular(PoC) Architecture，Draft Version 1.0[S].

[2] 凌中华，王纯，等．《基于GPRS的PoC系统的设计与实现》，电信工程技术与标准化，2007. 2 [3] ERISSON，MOTOROLA，SIEMENS，NOKIA． Push-to-talk over Cellular (PoC) Architecture V1.1.0, PoC

Release 1.0[S], 2003

[4] 张云勇，《下一代网络业务开放技术》，北京：电子工业出版社，2004.10

[5] Miikka Poikelka，Georg Mayer，Hisham Khartabil．《IMS：移动领域的IP多媒体概念和服务》，北

京：机械工业出版社，2005.8

[6] 何斌，黄本雄，胡广，等．《基于蜂窝移动通信的PTT 研究与实现》．计算机应用，2004.9 [7] 柳晓雯，张力军．《一种基于IMS域的移动增值新业务：PoC》，《中兴通讯技术》，2005.10 [8] 徐童，廖建新．《PTT/PoC技术综述》，电信工程技术与标准化，2004. 5 [9] 陈伟升，吕健荣．《PoC现状和未来发展》，现代通信，2005.1

Implementation scheme and Analysis of PoC Technology

Qiao Qinwang, Liao Qing

Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China

Abstract

This article introduces the PoC (Push-to-taIk over Cellular) service, which is based on cellular mobile network. Because of immediate communication with one or more users, half-duplex group session and so on, PoC becomes a much more popular service in the next network. Based on the analysis advantages of PoC services, the architecture and SIP (Session Initiation ProtocoI) signaI exchange flow are described in this paper. The implementation scheme based on ps area and ims area are also discussed, finally this paper analyses the direction of PoC service on technology with the IMS framework.

Keywords: PoC SIP protocol IMS(IP Multimedia Subsystem) OMA(Open Moblie Alliance)

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