无线网络环境下IMS会话建立时延分析.

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1、无线网络环境下IMS会话建立时延分析十年论文机构京都名师 论文中心，正规全面的论文刊物为您提供职称论文，毕 业论文，硕士论文，医学论文，教育论文等各类论文发表服务。1. 引言随着互联网的蓬勃发展，人们越来越多的使用互联网的业务，邮件、浏览、 博客、即时通信以及VOIP都是基于IP的业务。移动通信的发展是以市场为导 向的，传统的移动通信满足了人们随时随地进行语音通信的需求，如今为了满 足人们随时随地使用互联网业务，并达到在异构网络下的统一体验，移动通信 技术向全IP化、水平化演进。3GPPR5版本提出的IMS技术为基于IP的移动和固定通信融合提供了基础， 并被业界认为是网络演进的一个重要阶段。I

2、MS（IP Multimedia Subsystem） 是3GPP在Release5版本提出的支持Ip多媒体业务的子系统，它的核心特点是 采用IP协议和与接入的无关性。在网络融合的发展趋势下，3GPP ETSI和TIU-T都在研究基于IMS的网络融合方案，目的是使IMS成为基于SIP会话 的通用平台，同时支持固定和移动的多种接入方式，实现固定网和移动网的融 合。IP多媒体核心子系统（IMS）的最显著特点就是采用了会话发起协议（SIP）， 实现了通信与接入方式无关，可以提供多种媒体业务，控制功能与承载能力分 离、呼叫与会话分离、应用与服务分离、业务与网络分离、移动网与互联网业 务融合。IMS顺应

3、了通信网络融合发展的趋势。而它的信令一SIP是基于因特网两个最成功的服务Web e-mail进行设计的。继承了 In ternet 的标准和协议 设计思想，坚持简洁、开放和可扩展、可重用性的原则，为组建多媒体通信网 络、提供多媒体业务提供了一种可以将简单的应用结合到复杂的服务中去的方 法。SIP通过一种便捷的方式来建立和控制各种类型的点到点媒体会话。与 In ternet协议类似，它采用的是一种模块化结构，请求/应答模式，基于文本 方式，因此使用非常简单灵活，升级、扩展方便。SIP由SIP基本协议和一系列针对移动业务的SIP扩展组成。会话建立时延是QoS指标之一，在下一代网络中SIP作为会话控

4、制信令。以VOIP为例，在目前的技术下，基于 SIP的会话建立时延要比电路域语音会 话建立时延长许多，分析和研究减小 SIP会话建立时延变得非常有意义。2. 系统介绍会话建立时延对交互式的多媒体业务（如游戏，VOIP）有严重影响，是下一代网络QoS指标之一。移动通信各标准的无线链路层有着许多共同点，原理 类似，具体参数有别，无线链路层影响数据传输时延的参数类型并无很大差别， 所以可以将这些参数用变量代替，在涉及到具体标准时可以用具体数据取代。 本文分析IMS架构下无线通信系统的会话建立时延。本文模型包含了无线链路的统计特性，同时也考虑了传输层（TCP、UDP）的特性和 SIP 信令（消息的大小

5、和压缩 ）。说明了 IMS 下如何分析预测会话建立时 延，并讨论可能的减小时延的方法。2.1 背景假设有一个一般的多媒体会话建立请求在两个移动终端使用者之 间（Mobile Terminals ，MT1和MT2），这两个多媒体会话包含一个双向实时 RTP/RTCP会话（假设使用者都在自己的归属网，不考虑漫游）。A和B都使用 无线传输，具有相同的核心网和无线接入网（RAN）架构。IMS 的信令层由几个部份所组成： CSCF（Call Session Control Function） HSS（HomeSubscriber Server） 、 Gateway Functions（Media, Br

6、eakout, Signaling） 、 Application Server（AS） 。其中IMS核心CSCF分成三种：（1）P-CSCF（Proxy） : P-CSCF是进入IMS的point ,负责所有和归属网 的沟通。（2）I-CSCF（Interrogating） ： I-CSCF 是归属网第一个接触的点，主要 负责查询HSS有关使用者的权限和S-CSCF的所在位置。（3）S-CSCF（Serving） ： S-CSCF是服务进行的主要控制所在，提供整个会话控制和注册的功能（可当作SIP Proxy或是SIP Registrar） 。S-CSCF大部 分位于归属网。以下是两个造成会话

7、建立时延的重要组成部分：（ 1 ） 信令消息流程。（ 2） 无线传输。2.2 典型 IMS 信令流程当使用 TCP 时，我们就会计入每个 TCP 连接在任何一个数据包传输之前的三个传输数据包 （SYN,SYN-ACK,ACK。） 假设使用一个事 先处理好的 QoS 模型，也就是说在 Ring 这个事件之前要分配好所有的网络资 源。假设 MT1 和 MT2 在会话建立之前就已经注册，使用者也在 IMS 认证，并 且分配给P-CSCF和S-CSCF由于会话建立过程会计算 RTCP消息的交换，为 了减少会话建立时延两个终端都被预期在之前可能的时间先送RTCP数据包。会话建立步骤如下：步骤1. MT1

8、 送INVITE message给P-CSCF P-CSCF确认这个地址是在路 由表里之后就转发消息给 S-CSCF。步骤 2. S-CSCF 会检查用户配置文件确认请求是否和使用者所允许的业务 一致。S-CSCF从Request-URI查询目的地的域名，接着 S-CSCF转发INVITE message 给 I-CSCF。步骤3.为了找到分配给MT2的S-CSCF I-CSCF会发查询HSS接着转 发到 S-CSCF、 P-CSCF、 MT2 并且将 URI 加到路由表以保存信令路径。会话建立主要分两个阶段： Dial-to-Ring ；Answer-to-Signal 。当 MT1 送 U

9、PDATB 肖息后 Ri ng eve nt 建立，MT2 收到后回 200 ok 消息。An swer eve nt 是会话继续进行的关键， Ring 和 Answer 之间所花的时间不加入会话建立时延。 当 MT2 应答这个呼叫之后回 200 ok 给一开始的 SIP INVITE ，在接到 200 ok 后，MT1开始RTP/RTCP媒体传输，并且回fin al ACK 给MT2之后MT2也开 始RTP/RTCP媒体传输，此时session已经建立完成。2.2 无线链路传输 3G 及 3G 后移动通信无线接入网络采用的技术普遍可以 在多种数据传输速率和无线链路帧长度下运行，这种特点是为了

10、适应变化的无 线信道环境。当信号功率减小或者干扰增加时，系统会降低传输速率和帧长，使得FER(误帧率)降到最小。下面了阐述一下无线链路如何造成时延的：(1) 无线通信系统的应用层和报头开销引入的时延在分析无线链路实验时，和无线通信系统应用层最相关的是链路层的帧重传机制和各层产生报头时的开 销。帧重传的机制定义在 Radio Link Protocol (RLP)。 RLP 主要将从上层来的数据流分割入不同长度的帧 ( 依据无线信道的条件 )。因此 RLP 接收端可以知 道数据流里的所缺失的字节，并且发送 NACK消息要求重发,收到NACK后发送 端就会立即重传。要评估在无线通信系统里，传输层的

11、数据包如何映射到无线 链路帧，需要考虑到每层增加的报头开销 ( 从应用层到物理层所有开销设为变量 O, 这个 O 根据选取的不同无线系统会有所不同 ) 。(2) 底层说明：物理层和MAC层底层主要是做传输速率控制，使得在最小 的误帧率下提供最大的传输速率。除此之外，多变的帧传送时延是由 Hybrid Automatic Repeat Request(HARQ) 方案(此方案普遍应用于下一代无线通信技 术中)所造成的。这两个原因造成在无线通信系统中的时延，并且需从两个方 面来考虑：前向和反向链路 Forward Link (FL) ：前向链路一般是时分复用。在前向数据信道中，不同的传输速率有不同

12、的 传输格式，由Data Rate Control(DRC)值来定义。DRC值和帧长度(FL有效 载荷 pFL) 以及一帧所占时隙数 (nominal slot span, KFL )相关，例如1024bit/16slots 对应一个DRC值。另外，和一个帧相关的所有时隙，根据一 个 I-slot 交织方案传送 (分配给同一个活动终端的时隙都被其他 I-1 个时隙隔 开)。交织可以令使用HARC的系统在所有KFL时隙全部接收前，接收端就对整 个物理层的帧进行提前判断。Reverse Link (RL)：RL 一般也采用HARC方案，并且使用固定的帧长占用 X个时隙，将X个 时隙细分成每 x 时

13、隙个的子帧，如果一个帧多于一个子帧，那么每个子帧根据 一定数量 Is 进行交织传输。3. 时延分析公式为了分析无线接入网络 IMS 架构中的会话建立时延，我们利用以下跨层模 型 1 。同时包含 RLP 层。每个层的传输时延和丢包率都是变量。除了上图提到的 时延之外，还有 IMS 各服务器每个 IMS/SIP 数据包时延以及 IP 骨干网的传输 时延。由于每层的丢包率都是随机变量，我们通过分析各层时延的数学期望值， 最后综合考虑各层得出一个一般化的公式。3.1 无线传输时延模型物理层中每个数据帧都有一定的时延并有一定的错 误率,在3G及3G后技术中,误帧率大概为1%的数量级.当无线环境恶化时,F

14、ER 会增加,系统会根据此来自适应调整传输方式，使得FER降低,时延也就随之变 化。(1) 物理层前向链路： DFL,i ，单个 frame i 的前向链路时延，代表 某个帧的整个时延； DFL,i ，无线前向链路的传输时延， DqFL,i ： 前向链路 的排队时延。(2) 物理层反向链路：和前向链路类似。(3) RLP/RLC (Radio Link Protocol)时延模型 RLP/RLC 的作用将上层来的数据分段，装入底层的帧中，并具有差错控制功能，察觉有丢帧时将发送NACK请求发送端重传2。假设从传输层来的数据包需要装入 n个帧，每个帧 的时延为 Di = DR + DFL ，i （

15、DRL，i 或）决定， DR 是由于基站控制器和基站 非同一实体时无线接入网内的传输时延 3 。假设帧传送错误的事件独立同分布， FER为p,则一个帧传输成功（包括一次成功和重传时NACK及重传帧传送成功）的概率为。一般情况下，一个包的最后一帧作为校验帧用来发现之前的丢失帧。定义 事件A为最后一帧丢失则，n帧传送，有j帧需重传，并假设NACK可以瞬间 传输，则条件概率。3.2 传输层时延模型底层经过重传机制仍然接收不到正常的数据，上层会 启动重传机制来保证信令传输的可靠性。 IMS 的信令 SIP 协议可以应用 TCP 或 者UDP作为传输层协议，应用UDP时，因为UDP不面向连接，需要SIP

16、应用 重传机制来保证可靠性。本文讨论 SIP 应用 TCP 的情况。设 RTO 为超时重传的时间，这个时间要和 RTT 非常接近，由上文得出的 误包率为q，重传次数的上限为t次。3.3 SIP 压缩对时延的影响未经压缩的 SIP 消息的大小可以达到几百甚至 几千字节，如 INVITE 消息，在达到目的地时的大小可能是最初发端的两倍。IMS规定了在P-CSCF与终端之间要对SIP消息强制压缩，这种压缩机制称为 SigComp经过压缩，SIP消息可以压缩40雅U 80鸠上。减小的SIP消息意味 着更少的底层传输单元，从而带来了时延的减小。3.4 核心网络传输及 IMS 处理对时延的影响核心网络中，

17、 IMS 各处理单元 间有可能在同一服务器中，更普遍的结构是需要网络传输，这样就引入了 SIP 信令时延4 ，从减小时延的角度考虑，应该尽可能将 IMS 架构扁平化，尽量 将信令在本地处理。4. 结论本文分析了无线通信环境下， IMS 会话建立的端到端的时延，给出了较为 一般性的公式和分析方法，可供具体某种无线接入网络系统参考。在会话建立 时延改进方法的研究上，在微观上，可从重传定时器自适应随无线环境变化入 手，宏观上，可以从调整 IMS 架构入手，使会话建立时延受底层环境影响更小。参考文献1 M. Melnyk, A. Jukan. An analysis of session setup

18、time in IMSwith EV-DO wireless links R. CCNC,2006,2:808-812.2 3GPP TS 25.322 V5.3.0. Radio Access Networks; RLC ProtocolSpecification; protocol specification （Release5） S. 3GPP, 2002.3 3GPP2 Specifications C.S0024-A. CDMA 2000 High Rate PacketData Air interface Specification S. ThirdGeneration PartnershipProject 2, 2004.4 C. Boutremans, G. Iannaconne, C. Doit. Impact of LinkFailures on VoIP Performance R. EcolePolytechnique Federale de Lausanne, 2002, 63-71.