移动通信中基于IMS的Voice over WiFi解决方案研究

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中兴通讯股份有限公司 方琰崴 《移动通信》2016年8期

部分内容：

介绍了引入VoWiFi的背景及相应的三种组网方案。针对应用前景最广泛的基于IMS实现非信任域EPC接入方案
的流程以及认证鉴权、接入域选择、WLAN和LTE间的无缝互切换、计费、服务质量等五个关键技术进行了分
析，最后结合VoWiFi市场发展现状和国内运营商的网络特点提出了部署策略建议。
【摘 要】
【关键词】
方琰崴
Research on Voice over Wi-Fi Solution with IMS in Mobile Communication
The background of the introduction of VoWiFi and three corresponding network solutions were introduced. The
solution of accessing EPC via un-trusted domain, based on IMS, has broad application prospect. The process of this
solution and five key factors, including authentication, access domain selection, seamless handover between WLAN
and LTE, charging, and quality of service, were analyzed. Finally, deployment recommendations were presented
according to condition of VoWiFi marketing and network features in China.
IMS accessing EPC via un-trusted domain VoWiFi VoLTE
FANG Yan-wei
[Abstract]
[Key words]
(ZTE Corporation, Nanjing 210012, China)
（中兴通讯股份有限公司，江苏 南京 210012）
1  引言
据GSA（Global Mobile Suppliers Association）
报告预测：到2018年，语音业务仍然占运营商业务收
入的50%以上。随着LTE时代的到来，如何快速提供高
质量、广覆盖的语音解决方案就显得格外重要。
随着LTE技术在国内的大规模应用，语音业务
越来越多地承载在LTE网络上。通信业界一般认为
SRVCC/eSRVCC（Enhanced Single Radio Voice Call
Continuity，增强的话音连续性）是比较完善的VoLTE
（Voice over LTE，基于LTE的语音）解决方案，即通
过引入IMS（IP MultiMedia Subsystem，IP多媒体子
系统）为用户提供基于IP的高清4G语音业务。
随着用户数量的快速增长和城市化建设所带来的
无线环境改变，不论是传统的2G/3G还是LTE，要实现
无线网络的全覆盖和不断优化，都是需要耗费时间和
资金的大工程。尤其是高层楼宇和购物中心，无线传
播环境复杂，人员流动性大，对通信质量要求更高。
运营商迫切需要一种既节省投资，又快速有效的无线
接入模式作为传统无线室内覆盖的有效补充。
移动通信中基于IMS的Voice over Wi-Fi
解决方案研究
研究与探讨
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随着智能手机的普及，Wi-Fi已经被广泛应用到
生活的各个方面，不论是公交车、商业中心的接入热
点，还是个人家庭的无线路由器，都实现了广泛的覆
盖。截止到2015年，全球的Wi-Fi热点覆盖超5000万
个，年均增长率超过20%，预计到2018年，全球热点
数量将达到3.4亿个。据统计，接近70%的语音通话
业务集中在室内，因此和VoLTE同样基于IMS来实现
的VoWiFi（Voice over Wi-Fi，基于Wi-Fi的语音）
方案将成为对传统无线覆盖进行有效补充的首选。自
802.11ac标准推出后，Wi-Fi技术得到了飞速发展，其
传输速率在百兆以上，不逊于LTE的100MHz~150MHz
带宽。同时，Wi-Fi所采用的2.4GHz和5GHz是免费的
公共频段，部署VoWiFi也有利于降低运营商成本，这
也是VoWiFi得到飞速发展的技术驱动力。
然而，VoWiFi并不等于简单的使用缺乏QoS
（Quality of Service，服务质量）保障的互联网电话，
而是要结合已部署的核心网，发挥高可靠性、端到端
话音质量保证以及与传统移动通信网络进行无缝切换
等优势。
2 VoWiFi组网方案
根据3GPP的定义以及采用的不同移动性管理协
议，VoWiFi的组网方式有三种主要方案：信任域EPC
（Evolved Packet Core，演进的分组核心网）接入方
案、非信任域EPC接入方案、直连IMS接入方案。具体
如图1所示：
图1 VoWiFi的三种主要组网方案
（1）信任域EPC接入方案：运营商或者合作方
的Wi-Fi热点等信任域接入设备，通过S2a接口直接和
EPC中PGW（Packet Data Network GW，分组数据
表1 VoWiFi的三种主要组网方案的技术比较
方案
技术参数
方案一：信任域EPC接入 方案二：非信任域EPC接入 方案三：直连IMS接入
接口模式
S2a接口，用于可信固定网络和
EPC互通，采用GTP/PMIP协议。
S2b接口，用于非信任固定网络和
EPC互通，采用GTP/PMIP协议。
S2c接口，采用DSMIPv6协
议，提供UE和PGW之间的
DSMIP隧道连接。
鉴权方式 SIM卡 SIM卡 用户名和密码
安全性保障 高
高。在终端和ePDG之间建立
IPSec（Internet Protocol Security，
IP安全）隧道，保障端到端的高
可靠性。
较高。通过建立隧道和虚拟
IP，保障安全性。
WLAN和LTE互
切换是否成熟
3GPP协议的规范还在讨论中，不
成熟。
已完成标准化，支持无缝切换。
无法保证WLAN-LTE切换前
后UE地址一致，不成熟。
对WLAN网络
是否需要改造
为了支持互通，需对现网已部署的
WLAN接入点进行改造替换，支持
EAP-AKA报文转发，增加对移动
性的升级支持，包括漫游。
对WLAN无特殊要求，提供基本
的IP承载功能即可。
WLAN网络直接接入IMS，
对WLAN无特殊要求。
需要增加的
网元
全网WLAN接入点众多，全部升级
改造周期长，难度大，成本高。
不需要改造WLAN，仅需增加
ePDG、3GPP AAA。
无
终端支持情况
终端需支持EAP-AKA认证，
iPhone6、三星等终端可以支持。
终端需支持EAP-AKA认证，需要
支持通过IKEv2与ePDG建立IPSec
隧道，iPhone6、三星等终端可以
支持。
要求终端支持DSMIPv6协
议，受制于芯片厂家专利，
目前无商用终端。
研究与探讨
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网关）互通，也称为S2a接口组网方案。需要对现有
WLAN（Wireless LAN，无线接入点）设备进行增强
改造，使之支持移动性要求。
（2）非信任域EPC接入方案：所有Wi-Fi热点
等非信任域设备均可以接入，通过ePDG（Evolevd
Packet Data Gateway，演进型分组数据网关）接入
PGW，实现和EPC的互通。由于非受信域接入网络和
EPC互通采用S2b接口，因此这种组网也称为S2b接口
组网方案。这种方案对WLAN没有改造要求，安全性
高，支持无缝切换，解决了语音、数据业务的连续性
问题。
（3）直连IMS接入方案：终端和EPC网络交互数
据通过S2c接口实现透明传输，所有Wi-Fi热点等设备
直接连接到IMS接入，也称为S2c接口组网方案。
三种组网方案的对比如表1所示。
如表1所示，对三种组网方案从技术方面来进行
分析，尤其是从对网络的影响和终端成熟度来看，对
于已经部署大量WLAN接入点的运营商来说，采用
信任域EPC接入方案，要升级改造或者直接替换全网
WLAN接入点设备，施工周期长、成本高、难度大。
而采用非信任域EPC接入方案，则可以结合公共Wi-Fi
网络的开放性和运营商核心网的高可靠性、QoS保证
等特性，以较低成本实现语音在WLAN和LTE网络间
的无缝切换。因此，非信任域EPC接入方案将逐步取
代信任域EPC接入方案，成为目前业界公认的较可行
的VoWiFi方案。在该方案中，用户终端通过非信任域
Wi-Fi网络接入到运营商的EPC网络，认证鉴权后将呼
叫请求路由到IMS进行处理，实现语音、短信、补充
业务等IMS业务。
如图2所示，在非信任域EPC接入方案中，为
实现VoWiFi业务，需要新增ePDG和3GPP AAA
（Authentication Authorization and Accounting，
验证、授权和记账）网元。考虑到简化组网，可以
通过升级PGW支持ePDG功能，升级HSS（Home
Subscriber Server，归属用户服务器）来支持AAA功
能。而对于WLAN设备无特殊要求，也就是不需要升
级替换网络中已部署的Wi-Fi热点设备。无论是家里的
Wi-Fi网络，还是企业、运营商的Wi-Fi网络都可以提
供非可信Wi-Fi网络接入。
图2  非信任域EPC接入实现VoWiFi的组网方案示意图
ePDG需要支持如下主要功能：
（1）与3GPP AAA进行接口完成用户的EAPAKA（Extensible Authentication Protocol，扩展认证
协议；Authentication and Key Agreement，认证和密
钥协商）认证；
（2）与PGW开通S2b接口，完成用户业务流与
PGW之间的转发；
（3）发布ePDG公网IP到因特网；
（4）支持IMS域中P-CSCF（Proxy-Call Session
Control Function，代理呼叫会话控制功能）发现；
（5）专用承载建立和QoS映射。
3GPP AAA需要支持如下主要功能：
（1）提供与ePDG的SWm接口，完成用户EAPAKA认证；
（2）提供与PGW的S6b接口，完成用户所在PGW
IP地址和APN（Access Point Name，接入点名）到HSS
的注册登记，以便HSS保存用户接入的PGW IP地址；
（3）提供与HSS的SWx接口。
此外，在EPC网络完成支持VoLTE的改造后，为
了实现非信任域EPC接入方案的要求，对EPC还要进
行相应的软件升级，包括：
（1）MME（Mobile Management Entity，移动管
理实体）：支持LTE+WLAN无缝切换；
（2）PGW：支持LTE+WLAN无缝切换，提供与
3GPP AAA的S6b接口，提供与ePDG的S2b接口。
（3）HLR/HSS：需支持基于IMSI（AKA）的鉴
权用户，鉴权APN，提供SWx接口。
（4）IMS应用服务器：支持VoWiFi基本业务及补
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充业务。
在非信任域EPC接入VoWiFi方案下，可以实现如
下业务：
（1）语音业务：基本语音业务，支持AMR和
AMR-WB编解码；
（2）视频业务：基本视频业务，支持H.264高清视
频编码；
（3）补充业务：主叫标识显示，主叫标识显示限
制，被叫标识显示，被叫标识显示限制，无条件呼叫
前转，未注册呼叫前转，遇忙呼叫前转，不可及呼叫
前转，无应答呼叫前转，闭锁所有出呼叫，闭锁所有
国际出呼叫，闭锁除归属PLMN（Public Land Mobile
Network，公共陆地移动网络）国家外所有国际出呼
叫，闭锁所有入呼叫，当漫游出归属PLMN国家时闭
锁入呼叫，呼叫保持，呼叫等待，多方通话等；
（4）短消息业务：需要支持SMS over IP等多种短信
方式。
3  非信任域EPC接入方案业务流程及对
终端的要求
非信任域EPC接入方案的业务流程可以分为三个
步骤，具体如图3所示：
图3  非信任域EPC接入方案业务流程
第一步：终端执行WLAN认证，WLAN为终端分
配本地IP地址。
第二步：终端通过静态配置或者DNS机制获取
ePDG地址，发起IKEv2/EAP-AKA流程。在IKEv2过
程，EAP-AKA用于对UE鉴权并且协商加密键，ePDG
获取终端的IMSI和APN地址。完成认证后，ePDG从
3GPP AAA获取终端的号码和签约数据。
第三步：ePDG和PGW之间建立GTP隧道，PGW
分配远端IP地址，并把P-CSCF IP地址通过GTP消息送
给ePDG。IKEv2过程结束后，ePDG将终端的远端IP
地址发送给终端，终端获取IP后向P-CSCF发起IMS注
册流程。
在第二步中，由于ePDG提供了公网IP地址，终端
获取ePDG的IP地址有两种模式：通过静态配置ePDG
IP地址或者利用DNS机制获取ePDG地址。具体如图4
所示：
图4  终端获取ePDG的IP地址的两种模式
模式一：终端预先配置ePDG的静态IP地址。根据
IP地址，终端直接路由访问ePDG。在这种方案中，终
端选择固定的IP地址，因此如果终端配置的ePDG负荷
较高时，会拒绝终端接入且多个ePDG也无法做到自主
负荷分担。
模式二：终端根据DNS（Domain Name System，
域名系统）机制获取ePDG地址。终端根据PLMN信息
来构造FQDN（Fully Qualified Domain Name，全域
名）。如ePDG.epc.mnc002.mcc460.3gppnetwork.pub.
org，终端访问互联网DNS做域名解析或者配置ePDG.
chinamobile.com.cn。互联网DNS到EPC DNS查询，
EPC DNS返回ePDG IP地址，终端获取ePDG IP地址进
行访问。在这种方案中，需要将运营商EPC DNS和互
联网DNS进行互通，把ePDG域名发布到互联网DNS。
由于同一个FQDN可以对应多台ePDG设备，ePDG之
间可以做到负荷分担，避免了模式一中静态配置的弊
端，因此模式二中，终端根据DNS返回的ePDG列表选
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择可用的ePDG接入。
目前的终端中，iPhone对上述两种方案都可以支
持。推荐运营商采用模式二。
终端除了要支持VoWiFi非信任域EPC接入方案、
IPSec隧道建立和EAP-AKA认证外，还要保持WLAN
和EPC两套IP协议。两套IP协议栈，底层的隧道IP地
址由WLAN分配，用于传输核心网的语音信令和业务
流，而核心网PGW分配的IP地址用于实际的VoWiFi信
令和业务流。终端通过Wi-Fi网络认证后，与ePDG建
立IKEv2 IPSec隧道，建立专用承载，所建立的数据会
话在PGW锚定。这也是目前各终端和解决方案提供厂
商考虑的发展方向。苹果iOS系统和安卓操作系统都实
现了对VoWiFi非信任域EPC接入方案的支持。美国运
营商T-Mobile和Sprint正式发布支持VoWiFi的终端类
型包括苹果、三星、LG、HTC、NOKIA等。在我国市
场大规模发售的iPhone6/6 plus已经支持VoWiFi的非信
任域EPC接入方案。
4  非信任域VoWiFi接入关键技术
非信任域EPC接入实现VoWiFi的方案主要应用
于已安装并开通WLAN宽带接入资源的家庭或企业用
户。WLAN可以是运营商的，也可以是第三方的。固
定宽带用户，自主通过无线路由器形成室内单点Wi-Fi
部署。当用户在室外时，接入LTE或2G/3G网络，采用
VoLTE或传统2G/3G电路域方式建立语音呼叫。当用
户回到室内，接入Wi-Fi网络，通过注册到IMS网络，
采用VoWiFi方式接打电话。当用户在室内如写字楼、
商场等较大范围内部移动时，在WLAN网络中不同接
入点之间连续切换，也可实现2G/3G、VoLTE呼叫与
VoWiFi呼叫互通以及语音连续性保障。
4.1 认证鉴权
由于支持EAP-AKA进行WLAN认证的手
机较少，建议采取组合鉴权的认证方式：终端
通过Web portal、WAP、WEP等方式在WLAN
侧进行认证，并且通过EAP-AKA认证+IPSec
方式在EPC接入侧进行认证。这种鉴权方式，
由IPSec隧道保证WLAN侧业务流的安全性，
同时可充分利用多种WLAN类型，如家庭网
关、免费Wi-Fi热点等接入EPC，使用语音业务。
4.2 接入域选择
由于用户可能驻留在不同的语音网络中，包括
2G/3G语音、VoLTE、VoWiFi，网络和终端都需要支
持接入域和业务域的选择功能。
终端能够选择语音业务发起使用的接入域和业务
域。而网络侧优先使用IMS域判断处理被叫业务域的
预选，支持根据被叫用户的接入域来选择用户的终呼
接续域，并且能在域选失败后快速进行二次域选，完
成呼叫过程。
用户接入网络时，也需要对用户进行提醒。网络
或终端可根据当前用户使用网络的类型，告知用户当
前是VoWiFi、VoLTE或2G/3G语音。当通过WLAN网
络接入IMS注册和使用业务时，发送提醒信息告知用
户；当离开WLAN网络覆盖区域，通过宏网注册和使
用业务时也能够发送提醒信息告知用户。用户在注册
和使用语音业务的过程中，将接入侧的相关标识带到
IMS网络侧并且向用户发布。这种提醒通知可以有多
种呈现形式：界面UI（拨号或接听时）、网络标识、
消息（短信/即时消息）、语音提示等。
4.3 WLAN和LTE间的无缝互切换
不论是在VoLTE还是VoWiFi接入下，都由IMS提
供语音业务。终端选择接入网络，发起SIP（Session
Initiation Protocol，会话初始协议）注册，进行
VoLTE通话。如果终端切换到Wi-Fi后，SIP会话保持
连续，不发起会话更新，主被叫语音业务切换前后保
持连续。在这个过程中，ePDG和PGW为用户维护相
同的SIP会话。
终端从Wi-Fi网络无缝漫游到LTE网络的示意图如
图5所示。
（1）用户终端通过S2b非信任域接入WLAN，然
图5  终端从Wi-Fi网络无缝漫游到LTE网络
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后发起IKEv2接入ePDG，通过DNS选择一个PGW；
（2）AAA将PGW地址和APN发给HSS保存；
（3）用户离开WLAN覆盖区域，检测到Wi-Fi
信号无效（如当接收的Wi-Fi信号强度指示值RSSI弱
于-85dBm），则激活LTE无线连接；
（4）MME从HSS获取保存的PGW信息；
（5）MME选择和切换前的PGW接入，为用户建
立通道。
在这个过程中，EPC网络维护从Wi-Fi到LTE的无缝
移动。PGW为用户使用原先的IP地址并更新承载路径。
而终端不感知业务IP地址变化，保持原先IP会话，语音
和其他应用业务在WLAN和LTE都保持连续。
终端从LTE网络无缝漫游到Wi-Fi网络的示意图如
图6所示。
（1）用户接入到LTE网络；
（2）MME将APN和选择的PGW信息发给HSS保存；
（3）用户终端检测到的Wi-Fi信号较强（如接收
的Wi-Fi信号强度指示值RSSI强于-75dBm），则终端
切换到Wi-Fi区域；
（4）终端向ePDG发起IKEv2流程，接入EPC。
ePDG从HSS中获取APN和PGW；
（5）ePDG选择切换前的PGW接入。
在这个过程中，PGW维护用户在线会话，保持业
务连续。PGW为用户在WLAN和LTE接入，分配相同
的IP地址，产生计费话单。ePDG是WLAN接入EPC的
IP网关，提供公网可见的IP地址，使用IPSec认证授权
的移动用户，保护用户业务流安全。
4.4 计费
如果用户使用数据业务，可以通过PGW计费。
PGW提供WLAN计费话单和流量在线计费。如果用户
使用语音业务，则通过IMS计费，而PGW出流量话单
做流量核减。建议采用VoLTE和VoWiFi统一计费包。
由于同一移动语音业务，可能在WLAN网络和
3GPP网络接入间切换，对于IMS域、PS域（或CS
域）、WLAN的计费分别进行。而IMS具有计费关联
的能力，能够将不同接入方式下业务层、会话控制层
和承载层的计费信息进行关联。对同一语音业务，提
供IMS域（或CS域）和VoWiFi的计费区分及关联。
VoWiFi的计费关联通过IMS计费标识、接入网计费标
识、IOI（Inter Operator Identifier，运营商间标识）
等参数实现。这些计费关联信息都通过SIP信令消息传
送，并被相关IMS网络实体加入计费话单，依据这些
信息进行计费关联。
4.5 QoS服务质量
相比互联网电话，VoWiFi通过业务QoS到承载
QoS的映射，保证VoIP业务质量：
（1）PGW将语音包做DSCP（Differentiated
Services Code Point，差分服务代码点）映射，保证核
心网侧传输质量；
（2）ePGW针对下行数据包做QCI（QoS Class
Identifier，QoS标识）到DSCP映射，而上行数据表固
定设置QCI=1专有承载，保证传输质量；
（3）WLAN接入点实现DSCP/802.1p与空口的
802.11e优先级映射，从而实现上下限语音数据包的优
先级映射；
（4）WLAN网络的接入点可以对语音业务做优先
级调整。
对于语音业务，需要提供平均主观值MOS>4，时
延<150ms。对于视频业务，当从正常距离观看时，图
像在闪烁、颜色、聚焦、抖动等方面的变化要不明显
才行。
5 VoWiFi发展现状和部署策略建议
国外运营商已经开始积极推动VoWiFi的
建设。在美国，电信运营商Sprint已经为美国
35家机场提供了VoWiFi服务。而T-Mobile，
在2014年9月开始部署商用VoWiFi，提供无
缝切换。其主要发展策略是在城市、郊区及 图6  终端从LTE网络无缝漫游到Wi-Fi网络
研究与探讨
42 2016年第8期
农村，为消费者提供家庭内部VoWiFi服务，解决宏
网覆盖不足的问题。同时在城市区域为用户提供家庭
VoWiFi解决城市室内覆盖问题。T-Mobile通过发布
VoWiFi企标，采购定制化终端，如LG、三星、iPhone
等智能手机厂商为其定制了VoWiFi终端。
2015年4月10日，英国最大的移动运营商EE推出
了VoWiFi业务。EE在公共场所部署Wi-Fi，并向消费
者提供Wi-Fi家庭网关，为用户提供多种Wi-Fi形式下
的语音业务，利用Wi-Fi网络解决居民区3G/LTE网络
覆盖不良的问题。EE向用户提供的第一批终端包括三
星Galaxy S6等型号。
在推出VoLTE和VoWiFi融合的创新方案上，国内
运营商也一直在积极地探索。2015年，中国移动在部
署RCS（Rich Communication Suite，富消息）融合通
信项目时就开始部署IMS+RCS+VoWiFi+VoLTE融合
业务。中国移动用户可以通过Wi-Fi接入方式使用语音
业务，实现Wi-Fi与LTE网络的语音无缝切换。中国联
通正在全面部署VoLTE和RCS，实现基础通信产品的
互联网化，2015年底在郑州等多个城市进行VoLTE和
VoWiFi试点。中国电信已经进行了VoLTE+VoWiFi技
术验证，也计划在2016年开始测试并逐步商用。
拥有大量Wi-Fi热点资源的运营商具备在公共区域
良好的无线覆盖能力。这不但能大大降低部署Wi-Fi时
的设备成本，也能帮助运营商提升网络资源的利用效
率。据工信部统计，国内运营商所拥有的Wi-Fi热点数
量已经超过600万个。对于运营商来说，在部署Wi-Fi
热点并不多的省份和地区，建议快速升级或替换Wi-Fi
热点设备以支持VoWiFi。初期低成本、快速部署信任
域EPC接入方案以实现VoWiFi，今后逐步过渡到非信
任域EPC接入方案。对于运营商已经大量部署Wi-Fi热
点的省份和地区，建议直接升级PGW、HSS，使其分
别支持ePDG、AAA功能，快速开展非信任域EPC接入
方案。
此外，我国的固定互联网宽带接入用户数已经远
远超过2亿。这些用户中有很大部分已使用Wi-Fi设备
接入互联网。针对这类Wi-Fi热点资源，建议直接采用
非信任域EPC接入方案，这能帮助运营商有效降低无
线信号的室内覆盖成本。同时由于非信任域EPC接入
方案的使用限制少、成本低、范围广，用户通过这种
接入方式能更灵活地获取高质量的语音服务，可极大
地改善用户的室内语音业务服务质量。
6  结束语
无论从竞争角度出发，还是为了满足用户业务
发展多样性的需求，国内运营商为了快速发展通信网
络，实现基础通信网络的互联网化，更好地应对OTT
竞争，必然要走多网融合发展之路。利用IMS，实现
Wi-Fi和LTE在提供语音方面的优势互补，可以更好地
实现通信业务的发展。
建议运营商结合Wi-Fi、2G/3G、LTE等网络的建
设发展、关键技术、终端发展等多方面因素，综合考
虑，积极开展VoWiFi和VoLTE的融合组网试验，为未
来融合组网提供充足的技术储备，实现多网融合的可
持续性发展。
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（下转第46页）
研究与探讨
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（上接第42页）
作者简介
耿欣：工程师，学士毕业于太原理工
大学计算机科学与应用专业，现任职
于中国移动通信集团山西有限公司电
子商务中心，负责山西移动电子渠道
系统规划设计工作。
4  结束语
本文对基于属性基加密的付费在线视频播放服务
的加密实现方案进行了研究，实现了能够结合付费在
线功能的视频流加密[10]，从而为网站的方便管理、用
户的视频播放提供一个安全公平的环境。这对规范视
频下载服务有非常重要的促进作用。
参考文献：
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作者简介
方琰崴：工程师，硕士毕业于南京
航空航天大学信息学院数字通信专
业，现任中兴通讯股份有限公司核
心网产品线产品规划总工程师、产
品总监，从事移动核心网的关键技
术研究和产品方案规划设计工作十
多年，主要研究方向为移动核心网
及其发展演进和关键技术。
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