中国移动程宝平：面向智能物联网的多媒体通信关键技术研究与应用

中国移动程宝平：面向智能物联网的多媒体通信关键技术研究与应用本站　　随着5G大规模商用和人工智能技术的日趋成熟，基础通信服务开启新一轮革新

　　随着5G大规模商用和人工智能技术的日趋成熟，基础通信服务开启新一轮革新。以固话和手机为代表的传统 通信正逐步向场景化智能通信演进，基础通信连接也正在从70亿人和人的连接，向200亿人与人/物的实时音视频连接迈进，呈现超清体验、交互智能、终端多态、服务泛在的发展趋势。本文提出面向智能物联网的多媒体通信系统架构以及关键技术研究，为新形势下的多媒体通信服务提供创新思路。

　　移动通信技术每隔10年就会历经一次性的跨越。1G到5G的技术革新，促使低速数据业务向高速数据业务快速发展，带来通信及生活方式的颠覆性变迁。技术上实现从模拟到数字、语音到数据、窄带到宽带的变革；终端上实现从大哥大到2G按键手机，再到汇聚海量应用的智能手机的演进；场景上也从打电话到发短信，延伸至实时视频通话、在线游戏、直播短视频等。移动通信的发展极大程度地满足了人们传递信息的需求。

　　相较于3G/4G网络，5G具有高速度、广覆盖、低功耗和低时延等优势，将促使语音通信从消费型向增强型和场景化延伸，加速万物互联时代的到来，推动多媒体通信向超清化、智能化、多态化和泛在化方向发展。

　　移动通信技术发展带动新媒体行业的体验进一步提升，其中超高清视频有望成为未来新媒体行业的基础业务。一方面，用户需求正在向大屏、超高清和“家庭影 院级”沉浸式视频通信演进，追求更多颠覆式和更具感染力的临场体验。另一方面，5G网络大带宽的特性能够支持每秒120帧的超高清视频的实时传输，高可靠低时延的特性能够有效降低网络传输时延，从而解决VR眩晕感问题，线K超高清视频、超高清云游戏和VR全景直播等新兴应用场景的发展。

　　5G技术与AIoT的强强联手，将助力智能物联网产业释放新能量。一是升级人机交互方式，随着AI和大数据等技术的发展，交互形式将由触控和按键等演变为以AI助手加多模态感知智能为主；二是激发新的产业形态，智能化人机交互可广泛应用于智能家居联控、 自动驾驶、智慧医疗和智慧办公等场景，为打造适老化、 无障碍通信奠定坚实基础。

　　伴随着5G应用的成熟，向消费者传递信息的场景和媒介的界限也在被不断突破和延展，终端的形态会更加丰富。在大带宽场景下，智能音箱、智能电视、早教机、智能手环和智能冰箱等都可以成为5G时代的智慧终端，为用户提供相关的产品和服务。

　　智能终端还将呈现万物互联、低功耗和低时延等特点。据估计，互联终端数量将增加10～100倍；低功耗大型通信设备的电池使用寿 命将延长10倍；支持超快速响应的应用，如触觉互联网可视作是物联网的高端发展，实现低于1～5ms端到端时延，并具有高可靠性。

　　随着技术的进步和人们消费水平的提高，物联网的 “泛在化”有望呈现进一步扩张的态势，通信服务将广泛存在于各种地方、各类设备和软件中，涵盖汽车、家居、医疗和工业等众多应用领域，用户可以借助各类智能终端随时随地获取信息服务。如物联网与汽车网络相结合，形成解放人类双手的自动化驾驶；智能家居为人们生活提供各种便利服务；大带宽可用于高清医学影像的传输与高清视频的互动；物联网广泛应用于工业控制系统中，为生产环节提高效率。

　　面向智能物联网的多媒体通信系统（AIoTel）顺应 “高清化、智能化、多态化和泛在化”通信发展趋势，结合5G、千兆宽带、物联网、人工智能以及多媒体通信等新兴技术，兼具 OTT 通话的高清、灵活部署、低成本和 电信级通话的必达、互通、可互动等优点。

　　如图1所示，AIoTel 系统采用双域 (OTT与IM域) 融合和3层分离的智能通信架构实现服务云化，通过 平台服务层、网络传输层和终端接入层实现接入、控制与承载控制分离。AIoTel系统的突出优势是电信运营商无需改造核心网即可快速、灵活、经济地迭代部署各种新业务。通过解决“软件定义通信模组”、“远程写号”、“设备远程控制”等关键技术，以接近零成本的方式让各类 智能物联网终端具备电信级通话能力，与VoLTE、IMS、PSTN等网络互通，快速实现对智能家居的远程控制。

　　AIoTel基于终端、传输协议和平台等方向的核心技术，构建端到端物联网多媒体智能通信系统，为智能物联网终端提供电信级的话音服务及新型的终端交互能力。

　　AIoTel以全软件方式定义通信模组，通过优化 SIP协议适配物联网终端，创新融合 SIM 认证机制，如图2所示。从互联网化系统设计理念出发，物联网设备无需植入通信模组，可以以接近零成本的方式具备电信级的通信和家居控制功能。

　　智能终端形态多样、种类繁多，操作系统各有不同，要提供相应的应用与服务，存在开发周期长、成本高、重复性劳动和资源浪费等问题。AIoTel 系统构建了一套能快速适配各类物联网智能终端的应用架构，以匹配不同数据源和不同终端，满足多态化终端的接入要求。

　　通过接入层、控制层和引擎层的层级分离将整个AIoTel终端接入SDK架构组件化，如图3所示。其中，引擎层基于音频3A（AGC、AEC、 ANS）、视频编码和弱网对抗等算法进行深度优化；控制层负责实现业务控制和通信控制分离；接入层则根据不同操作系统定义不同接口。当有物联网设备请求接入时，AIoTel的SDK可以仅针对接入层API改动，保持引擎层和控制层不变，即可快速适配不同的操作系统和物理芯片等，目前已支持Android、Linux、LiteOS、 RTOS等操作系统，涵盖98%的主流智能终端。

　　针对物联网终端多样化、操作系统碎片化和互通壁垒化等情况，AIoTel系统充分利用电信级话音通信协议全球标准统一和接口规范等特点，复用现有通信技术和协议标准，探索基于音视频通信控制信令协议（SIP），定制了一套轻量级控制协议And-SIP，如图4所示，形成全新低门槛的软控制技术。

　　And-SIP可以低成本、高效率地实现跨物联网终端品牌和操作系统的远程控制和互动交互，面向大中小无屏各类终端实现互联互通，助力提升和丰富智能家居控制体验，从而推进智能家居的普及。

　　基于传统的多媒体传输技术，AIoTel系统创新提 出分布式实时流媒体边缘调度技术。该技术克服传统媒体传输与播放中存在时效性差和播放卡顿等弊端，满足了用户对网络多媒体超清化传输的需要。

　　如图5所示，分布式实时流媒体边缘调度技术在现 有硬件设备上搭建抽象虚拟网络通道。首先通过全局视野的拓扑路径发现并优化网络传输路径；继而通过部署区域及边缘服务节点，实现设备就近接入，降低最后一公里通信延迟；再通过在边缘节点部署标准化接口，根据业务需快速实现加速能力开放。

　　分布式实时流媒体边缘调度技术利用公共互联网的共享带宽资源，多节点实时动态质量监控，以低成本提供专线级流媒体传输，实现高清视频数据边缘交换，保障业务稳定，可满足远程医疗、智慧教育和亲情沟通等应用场景对低时延的需求。

　　平台服务提供用户管理、通信管理等业务服务、通信服务、开放服务和应用服务。其中，开放服务和应用服务主要针对接入的应用或上层服务提供对接服务，可按实际业务接入需求进行研发部署。

　　首先，系统采用远程写号技术为不同终端分配码号。如图6所示，业务服务需完成对终端的登录认证，并根据硬件设备号（如CMEI号）为其分配全球唯一码号以实现通信必达。其次，系统为终端提供授权，允许接入访问获取应用服务， 并为不同终端和场景提供不同的通线 远程写号技术示意图

　　通信服务旨在为物联网终端提供音视频通信服务，包含基础通信、会话管理和会议控制等。通信服务的技术核心是引入VoIP/多媒体通信领域前沿算法和研究成果，完成智能终端之间的互联互通。AIoTel 系统可接入中国移动CM-IMS核心网，完成落地呼叫业务和跨域互通，包括呼叫的建立、修改和释放。

　　智能通信突破传统话音服务形式单一、交互操作复杂和通话体验不佳等限制。用户可以根据实际使用需要，在多种物联网终端设备间无缝切换，充分满足用户场景化需求。

　　现代家庭中普遍存在老人小孩看病难的问题，借助5G全千兆高带宽和低延时提供流畅的高清远程问诊服务，突破时间和空间限制，真正实现家门口就可以享受医疗资源服务，一定程度上解决了医疗资源不均衡和局部医疗资源紧缺的问题。

　　用户需求激增、教育资源不均和升学压力巨大等因素促使5G时代的教育形态发生巨变。智能终端的广 泛应用也极大地推动了在线教育产业的发展。

　　5G 时代的智能家居被认为是未来家庭不可或缺的 组成部分。但由于目前的产品多采用无线通信技术，存在传输种类繁多，协议各不相同，各传输技术之间无法 兼容的问题，导致智能产品只能成为“智能孤品”，难以实现数据交互和服务互动。规范、稳定的网络通道是提升智能家居使用体验和规模发展的关键。

　　从整个行业来看，全屋智能市场尚处于布局初期，用户消费需求多以单品和轻套装为主。如图10所示，5G全屋智能旨在提供一套集智能照明、安防、影音、 门锁、窗帘和家电控制等于一体的整体家居解决方案，不仅要实现单品的智能操作，更要打破智能单品之间的壁垒，实现互联互通。借助And-SIP轻量化控制协议可打破不同品牌和不同设备间的壁垒，同时提供个人信息安全防护和终端设备安全管理，让用户可以随心所欲地控制家中的智能设备，让生活更安全、更放心。

　　5G智慧社区场景中，高智能的硬件连接协作、海量的物联网设备高速运行和泛在的传感器快速感知，将普遍呈现出多形态、多组网、多连接和多应用等特点。以软件化赋能多形态终端提供电信级多媒体通信，并整合可视对讲、门禁管理、智能感知、定位巡更、视频监控和消防检测等新一代信息技术应用，可形成全新的社区管理体系。

　　此外，除了单一设备使用，信息化联动和服务将越来越多地被用户接受。如基于领先的生物识别技术算法，智能门禁机可通过摄像头捕捉面部特征点，识别访客身份，并将现场视频画面传输给主人，实现远程监控与预警通知，如图11所示。还可以利用家庭已有智能终端（如智能电视、智能音箱、智能手机）与门禁、猫眼等外接设备联动，实现高清视频对讲和一键开锁等功能。

　　物联网通信技术主要涉及终端、协议和传输等方面。终端方面，通过协同终端厂家推进行业标准规范统一，使得电信级的物联网通信技术能普遍应用于物联网操作系统，实现码号分配和IMS终端互通等基本功能；在协议方面，积极探索音视频通信信令控制与智能家居控制协议融合形成轻量化控制协议And-SIP，实现物联网终端的远程控制和互联互通，快速解决物联网终端多样化、操作系统碎片化和控制协议壁垒化等问题；在传输方面，利用分布式实时流媒体调度技术的优势，缩短流媒体传输时延，让用户享受及时稳定的服务。

　　面向智能物联网的通信系统能力以标准接口对外开放，构建支撑端到端通信服务的能力中台。一是通过统一规范的接入标准，能快速赋能终端厂商，推动产业化进程；二是构建综合纳管中心，提供终端接入、管理、控制等功能，解决终端多样化和互通壁垒化问题；三是能力中台通过业务接口，为对外业务服务平台提供轻载化的技术支撑。

　　基于AIoTel系统和核心技术，面向智能家居等领域创新智能对讲、家居联动和智能云广播等应用。

　　将电信级通信赋能物联网终端，让智能音箱、智能电视、猫眼门铃、智能摄像头和智能门锁等各类物联网终端零门槛变身“电话”，同时融合语音识别和手势识别等AI技术，实现智能对讲全新体验。如猫眼门铃等物联网终端可以与智能音箱和VoLTE终端等音视频联动实现对讲。

　　全面颠覆和替代传统乡镇“大喇叭”式的广播，以智能音箱、双向喊话摄像头和机顶盒等智能设备为新的广播载体，支持5G时代富媒体消息发布、双向互动和精准广播等服务，可广泛应用于农村、社区、厂矿和工业园等基层单位信息通知，实现通知到村、通知到户、通知到人。

　　利用5G音视频通信技术升级带有摄像头的智能物联网终端，提供远程看家功能。让智能音箱等智能设备在通电状态下代替普通监控摄像头实时监控家中状况，并支持实时查看、实时对讲、异常报警和多设备联动等功能。

　　家居设备的智能联动将成为智能家居产业蓬勃发展背后重要的推手。通过软件定义通信模组和轻量化控制协议大力提升设备间交互联动体验满足用户预期。如通过DTMF信令控制，用户可实现拨号盘按键开门和开灯等家居联动服务。

　　通信技术的发展深刻改变了人类与这个世界的连接方式。回顾数次通信技术的革新，从第一代蜂窝通信系统的诞生到第五代移动通信的商用推广，无一不为人类社会带来通信方式和通信工具的变革。

　　随着5G、人工智能和物联网技术的发展，通信业 务实现升维创新，逐步向交互智能、终端多态和服务泛在的趋势演进。以智能音视频通信为支点，可以撬动音箱、手表、门铃和门锁等多形态终端，增加亿级锚点承载和创新产品。教育、医疗、文化、艺术和科技等各种领域的信息传递变得唾手可得，人与人、人与物的沟通成本将不断降低，真正实现沟通无处不在。