劉 葳，羅國明，董 民，沈慶國

(解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

IMS(IP Multimedia Subsystem，即 IP多媒體子系統(tǒng))是3GPP為在3G網(wǎng)絡(luò)中支持移動(dòng)多媒體業(yè)務(wù)而提出的業(yè)務(wù)控制體系，其核心是采用SIP協(xié)議并與接入無關(guān)。IMS將業(yè)務(wù)層獨(dú)立出來，有利于新業(yè)務(wù)的開發(fā)和部署，其核心控制層只負(fù)責(zé)基本的注冊、呼叫路由及業(yè)務(wù)觸發(fā)，具體的業(yè)務(wù)處理邏輯由業(yè)務(wù)平臺(tái)執(zhí)行。在IMS業(yè)務(wù)系統(tǒng)支持的業(yè)務(wù)種類和數(shù)量較少時(shí)，涉及到的AS(Application Server，應(yīng)用服務(wù)器)數(shù)量有限，用戶在發(fā)起業(yè)務(wù)呼叫或會(huì)話請求時(shí)，核心控制層和業(yè)務(wù)平臺(tái)之間的交互流量較小。但當(dāng)IMS業(yè)務(wù)種類增加時(shí)，由于S-CSCF(Serving Call Session Control Function，呼叫與會(huì)話控制服務(wù)器)并不能很好地區(qū)分用戶的業(yè)務(wù)請求，核心控制層需要和業(yè)務(wù)平臺(tái)之間進(jìn)行大量的信令交互，從而帶來業(yè)務(wù)觸發(fā)的性能問題。

目前，對IMS業(yè)務(wù)系統(tǒng)的性能研究主要集中在:針對會(huì)話時(shí)延的性能分析、針對SCIM(Service Capability Interaction Manager，業(yè)務(wù)能力交互管理功能)以及針對業(yè)務(wù)觸發(fā)算法等方面。文獻(xiàn)［1］提出了一種自適應(yīng)重傳計(jì)時(shí)器，重傳時(shí)延是影響SIP會(huì)話建立時(shí)延的重要因素，而定時(shí)器初值的設(shè)置對業(yè)務(wù)系統(tǒng)性能的影響十分關(guān)鍵，為了減小重傳時(shí)延，將SIP呼叫與無線信道的性能結(jié)合起來，通過調(diào)節(jié)SIP信令包的大小，以減小時(shí)延。文獻(xiàn)［2］提出了一種利用業(yè)務(wù)代理實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)交互管理的機(jī)制，用于管理多個(gè)AS之間的業(yè)務(wù)交互。文獻(xiàn)［3］分析了傳統(tǒng)業(yè)務(wù)觸發(fā)架構(gòu)的不足并提出一種改進(jìn)模型，通過增加 CS(Context Server，上下文服務(wù)器)、USPS(User Service Policy Server，用戶業(yè)務(wù)策略服務(wù)器)、SRS(Service Repository Server，業(yè)務(wù)知識(shí)庫服務(wù)器)和SCIM四個(gè)實(shí)體，來增強(qiáng)業(yè)務(wù)架構(gòu)的適應(yīng)性。在業(yè)務(wù)觸發(fā)算法研究方面，文獻(xiàn)［4］采用一種基于分組的業(yè)務(wù)觸發(fā)算法(GSTA，Group based Service Triggering Algorithm)，在業(yè)務(wù)處理過程中，S-CSCF通過一次觸發(fā)一組應(yīng)用服務(wù)器的方式，來減少業(yè)務(wù)觸發(fā)的次數(shù)，進(jìn)而減少S-CSCF與業(yè)務(wù)平臺(tái)之間的信令流量，以改善系統(tǒng)性能。文獻(xiàn)［5］提出了一種基于呼叫狀態(tài)的業(yè)務(wù)觸發(fā)算法(CSTA，Calling-state based Service Triggering Algorithm)，通過定義新的過濾準(zhǔn)則cFC(Calling-based Filter Criteria，基于狀態(tài)的過濾準(zhǔn)則)，根據(jù)用戶業(yè)務(wù)需要有針對性地觸發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用服務(wù)器，從而提高業(yè)務(wù)觸發(fā)性能。本文在分析比較上述業(yè)務(wù)框架和業(yè)務(wù)觸發(fā)算法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于呼叫狀態(tài)的分組業(yè)務(wù)觸發(fā)算法，并對其進(jìn)行建模和性能仿真，分析呼叫到達(dá)率和應(yīng)用服務(wù)數(shù)量對IMS呼叫與會(huì)話時(shí)延和系統(tǒng)性能的影響。

1 C-GSTA業(yè)務(wù)觸發(fā)算法

1.1 3GPP業(yè)務(wù)觸發(fā)架構(gòu)

3GPP TS 23.218中定義了如圖1所示的IMS業(yè)務(wù)觸發(fā)架構(gòu)［6］。該框架主要由 S-CSCF、HSS(Home Subscriber Server，歸屬用戶服務(wù)器)和 AS組成，其中 SCSCF用于控制和管理業(yè)務(wù)觸發(fā)過程，是業(yè)務(wù)觸發(fā)的核心組件;HSS用于存儲(chǔ)用戶簽約與配置信息;AS用于完成業(yè)務(wù)邏輯的執(zhí)行和服務(wù)的具體實(shí)現(xiàn)。

圖1 IMS的業(yè)務(wù)觸發(fā)架構(gòu)

在IMS中，與用戶業(yè)務(wù)相關(guān)的簽約與配置數(shù)據(jù)由iFC(initial Filter Criteria，初始過濾準(zhǔn)則)表示。一個(gè)iFC包括 TP(Trigger Point，觸發(fā)點(diǎn))、AS標(biāo)識(shí)和 iFC的優(yōu)先級等信息。TP決定是否與AS通信，它包含一個(gè)或多個(gè)SPT(Service Point Trigger，業(yè)務(wù)點(diǎn)觸發(fā)器)實(shí)例。S-CSCF通過解析到達(dá)的SIP初始請求消息，獲取其中的SPT實(shí)例，并與iFC中配置在TP中的SPT實(shí)例進(jìn)行對比判斷是否進(jìn)行業(yè)務(wù)觸發(fā)。當(dāng)S-CSCF從HSS中下載到針對同一用戶的多個(gè)iFC時(shí)，S-CSCF將根據(jù)iFC中定義的優(yōu)先級信息依次檢查各個(gè)iFC。因此，在同一會(huì)話中出現(xiàn)的多個(gè)業(yè)務(wù)觸發(fā)過程便構(gòu)成了一個(gè)“業(yè)務(wù)鏈”。由于每個(gè)業(yè)務(wù)被觸發(fā)時(shí)，當(dāng)前AS并不知道下一個(gè)將要觸發(fā)的業(yè)務(wù)及其AS地址，業(yè)務(wù)邏輯執(zhí)行完成后，AS將會(huì)話控制權(quán)交還S-CSCF，S-CSCF根據(jù)iFC的配置把業(yè)務(wù)請求轉(zhuǎn)發(fā)至下一個(gè)AS，以此類推，直到最后一個(gè)業(yè)務(wù)被觸發(fā)并執(zhí)行完畢。當(dāng)多個(gè)AS在同一個(gè)會(huì)話中出現(xiàn)時(shí)，各AS之間并無交互，互不感知。因此，隨著應(yīng)用服務(wù)器的增加，S-CSCF需要處理的消息數(shù)將急劇增加，從而增大S-CSCF的負(fù)載，使S-CSCF成為整個(gè)應(yīng)用觸發(fā)框架的瓶頸。

1.2 基于分組的業(yè)務(wù)觸發(fā)(GSTA)

針對IMS傳統(tǒng)業(yè)務(wù)觸發(fā)存在的不足，文獻(xiàn)［4］提出了一種基于分組的業(yè)務(wù)觸發(fā)算法(GSTA)，如圖2所示，通過對AS進(jìn)行分組，S-CSCF每次觸發(fā)一個(gè)業(yè)務(wù)組，當(dāng)組中一個(gè)AS完成業(yè)務(wù)邏輯后，將業(yè)務(wù)控制消息轉(zhuǎn)發(fā)給同組的下一個(gè)AS，組內(nèi)所有AS依次完成業(yè)務(wù)邏輯后才將會(huì)話控制消息返回S-CSCF。這種業(yè)務(wù)觸發(fā)算法減少了S-CSCF與AS間的交互次數(shù)，便于降低SCSCF的負(fù)載，提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。數(shù)學(xué)分析和仿真結(jié)果也表明GSTA能夠有效降低IMS的會(huì)話建立時(shí)延，并減輕S-CSCF的負(fù)載壓力。

圖2 基于分組的業(yè)務(wù)觸發(fā)控制流程

1.3 基于呼叫狀態(tài)的業(yè)務(wù)觸發(fā)

根據(jù)SIP呼叫或會(huì)話的基本路由機(jī)制［7］，每個(gè)被觸發(fā)的應(yīng)用服務(wù)器由route頭域來決定其是否參加后續(xù)會(huì)話。當(dāng)某個(gè)服務(wù)器決定不再參加后續(xù)會(huì)話時(shí)，應(yīng)修改route頭域值，后續(xù)請求或響應(yīng)消息將不再被路由到該服務(wù)器。應(yīng)用服務(wù)器一旦決定不參與后續(xù)會(huì)話，就不能返回。這種觸發(fā)方式缺乏靈活性，為有效解決這個(gè)問題，文獻(xiàn)［5］提出了一種基于呼叫狀態(tài)的業(yè)務(wù)觸發(fā)算法，它定義了一種新的過濾準(zhǔn)則cFC，并將呼叫建立過程中涉及到的消息分為4種類型:會(huì)話邀請消息(‘INVITE’)、臨時(shí)響應(yīng)消息(‘180 Ringing’)、最終響應(yīng)消息(‘200 OK’、‘486 Busy Here’、‘480 Temporarily Unavailable’等)、會(huì)話結(jié)束消息(‘BYE’)，并給這四種消息分別定義了如下業(yè)務(wù)過濾規(guī)則:

I-cFC，初始會(huì)話 cFC:當(dāng)會(huì)話初始消息到達(dá) SCSCF時(shí)，調(diào)用I-cFC進(jìn)行業(yè)務(wù)觸發(fā)。

P-cFC，臨時(shí)響應(yīng) cFC:當(dāng)臨時(shí)響應(yīng)消息到達(dá) SCSCF時(shí)，調(diào)用P-cFC進(jìn)行業(yè)務(wù)觸發(fā)。

F-cFC，最終響應(yīng) cFC:當(dāng)最終響應(yīng)消息到達(dá) SCSCF時(shí)，調(diào)用F-cFC進(jìn)行業(yè)務(wù)觸發(fā)。

T-cFC，會(huì)話結(jié)束 cFC:當(dāng)會(huì)話結(jié)束消息到達(dá) SCSCF時(shí)，調(diào)用T-cFC進(jìn)行業(yè)務(wù)觸發(fā)。

在呼叫建立過程中，S-CSCF根據(jù)收到的消息判斷需要匹配的cFC，根據(jù)具體業(yè)務(wù)需要在收到某一個(gè)或某些消息時(shí)進(jìn)行業(yè)務(wù)觸發(fā)，而對這些消息之前和之后的消息都不進(jìn)行觸發(fā)。改進(jìn)后的業(yè)務(wù)觸發(fā)提高了針對性和靈活性，同時(shí)減少了S-CSCF與AS之間的交互頻率，從而可以節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源，提高會(huì)話建立效率。

1.4 基于呼叫狀態(tài)的分組業(yè)務(wù)觸發(fā)(C-GSTA)

CSTA和GSTA都是對3GPP業(yè)務(wù)觸發(fā)算法的改進(jìn)和優(yōu)化，對提高業(yè)務(wù)觸發(fā)效率具有一定作用，它們之間的區(qū)別主要有以下幾點(diǎn)。

1)實(shí)現(xiàn)位置不同:CSTA通過定義cFC對初始過濾準(zhǔn)則進(jìn)行區(qū)分，主要在控制層實(shí)現(xiàn);而GSTA通過對AS進(jìn)行分組，主要在業(yè)務(wù)層實(shí)現(xiàn)。

2)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)不同:CSTA是基于呼叫狀態(tài)的業(yè)務(wù)觸發(fā)算法，針對一個(gè)呼叫過程中可能會(huì)出現(xiàn)的不同呼叫狀態(tài)(如空閑、啟呼、振鈴、通話、釋放等)進(jìn)行相應(yīng)的業(yè)務(wù)觸發(fā)，靈活性較好;GSTA是基于分組的業(yè)務(wù)觸發(fā)算法，通過將AS進(jìn)行分組，減少了S-CSCF與AS之間的交互，從而提高了業(yè)務(wù)觸發(fā)效率。

在基于呼叫狀態(tài)的業(yè)務(wù)觸發(fā)算法中，根據(jù)呼叫狀態(tài)一次需要觸發(fā)的應(yīng)用服務(wù)器往往不止一個(gè)。因此，本文將基于呼叫狀態(tài)和基于分組的業(yè)務(wù)觸發(fā)算法進(jìn)行結(jié)合，提出一種基于呼叫狀態(tài)的分組業(yè)務(wù)觸發(fā)算法(CGSTA):在基于呼叫狀態(tài)的基礎(chǔ)上，對應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行分組，其業(yè)務(wù)觸發(fā)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 基于C-GSTA的業(yè)務(wù)觸發(fā)架構(gòu)

為便于理解C-GSTA業(yè)務(wù)觸發(fā)算法的基本思想，下面結(jié)合一個(gè)應(yīng)用實(shí)例來對該算法進(jìn)行描述:某預(yù)付費(fèi)用戶訂購了呼叫轉(zhuǎn)移業(yè)務(wù)。在這個(gè)例子中，假設(shè):①用戶已經(jīng)在IMS網(wǎng)絡(luò)中注冊;②用戶所訂購業(yè)務(wù)的過濾準(zhǔn)則已經(jīng)下載到S-CSCF中;③完成預(yù)付費(fèi)功能的應(yīng)用服務(wù)器AS1和完成呼叫轉(zhuǎn)移控制的應(yīng)用服務(wù)器AS2位于同一組中。

當(dāng)S-CSCF收到INVITE消息時(shí)，執(zhí)行如圖4所示的業(yè)務(wù)觸發(fā)流程。

1)主叫發(fā)起INVITE消息到達(dá)S-CSCF。

圖4 C-GSTA的業(yè)務(wù)觸發(fā)流程

2)S-CSCF收到此請求后分析過濾準(zhǔn)則，按照該用戶的簽約信息和觸發(fā)規(guī)則，在啟呼狀態(tài)沒有業(yè)務(wù)觸發(fā)點(diǎn)，因此，S-CSCF直接將消息路由到下一SIP節(jié)點(diǎn)。

3)被叫返回一個(gè)響應(yīng)，應(yīng)答INVITE消息。

4)S-CSCF根據(jù)收到的響應(yīng)消息進(jìn)行判斷。

4.1)若收到“200 OK”響應(yīng)，S-CSCF檢查 cFC，沒有發(fā)現(xiàn)匹配的cFC，S-CSCF將該消息路由到上一跳SIP節(jié)點(diǎn)。起始會(huì)話控制流程結(jié)束。

4.2)若收到“486 Busy Here”響應(yīng)，說明被叫正忙，S-CSCF檢查cFC發(fā)現(xiàn)匹配，S-CSCF初始化一個(gè)新的INVITE消息，并發(fā)送至完成預(yù)付費(fèi)功能的應(yīng)用服務(wù)器AS1。

①當(dāng)收到INVITE請求時(shí)，AS1執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯，檢查被叫余額，若被叫有余額則將消息轉(zhuǎn)發(fā)到完成呼叫轉(zhuǎn)移控制的應(yīng)用服務(wù)器AS2。

②AS2執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯，完成呼叫轉(zhuǎn)移功能，將此SIP控制消息發(fā)回S-CSCF。

③收到發(fā)回的INVITE消息后，S-CSCF根據(jù)SIP路由機(jī)制轉(zhuǎn)發(fā)該消息至下一跳。

在上述C-GSTA業(yè)務(wù)觸發(fā)算法中，S-CSCF基于呼叫狀態(tài)進(jìn)行業(yè)務(wù)控制，決定是否進(jìn)行相應(yīng)的業(yè)務(wù)觸發(fā)，避免了應(yīng)用服務(wù)器處理資源的浪費(fèi);同時(shí)，通過將基于同一個(gè)呼叫狀態(tài)需要被觸發(fā)的應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行分組，可以減少S-CSCF的信令流量，進(jìn)一步提高IMS系統(tǒng)的性能。

2 C-GSTA的系統(tǒng)性能建模

針對C-GSTA業(yè)務(wù)觸發(fā)架構(gòu)，本文用M/M/1排隊(duì)模型對C-GSTA業(yè)務(wù)觸發(fā)算法進(jìn)行性能建模。如圖5所示，消息從P-CSCF到達(dá)S-CSCF，由S-CSCF按照cFC進(jìn)行匹配，并按照匹配結(jié)果進(jìn)行分組和業(yè)務(wù)觸發(fā)，在該模型中，呼叫狀態(tài)用CSi(i取值1-n)表示，S-CSCF的呼叫到達(dá)率服從參數(shù)泊松分布。

假設(shè)ASi的優(yōu)先級總是高于ASj(0＜i＜j)。對模型中的參數(shù)做如下定義:

ms-cscf為一個(gè)基本呼叫過程(無AS參與的呼叫)中，S-CSCF在會(huì)話建立期間處理的SIP消息數(shù);n為應(yīng)用服務(wù)器AS的個(gè)數(shù);mi(0＜i≤n)為ASi在會(huì)話期間處理的消息數(shù);γ為SIP信令在S-CSCF的初始呼叫到達(dá)率;γi(0＜i≤n)為ASi的初始呼叫到達(dá)率;λs為S-CSCF的初始呼叫到達(dá)率;μs為S-CSCF對SIP信令的服務(wù)率;λi(0＜i≤n)為ASi的呼叫到達(dá)率;μi為ASi的服務(wù)率;x(0≤x≤n)為AS分組的個(gè)數(shù);nk(0＜k≤x)為組k中AS的個(gè)數(shù)，0＜nk≤n。

圖5 C-GSTA業(yè)務(wù)觸發(fā)算法性能分析模型

SIP呼叫到達(dá)ASi后，ASi執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯，然后以概率pij(0＜i＜j≤n)被轉(zhuǎn)發(fā)至同組中的后續(xù)AS，最后以概率pi0(0＜i≤n)返回S-CSCF。基于上述定義和業(yè)務(wù)觸發(fā)原則得到式(1):

SIP信令消息返回S-CSCF后，以概率qij(0＜i＜j≤n)被轉(zhuǎn)發(fā)至后續(xù)AS，同時(shí)以概率qi0被路由至被叫用戶。從而得到式(2):

由此得到AS和S-CSCF的呼叫到達(dá)率為

根據(jù)排隊(duì)論和排隊(duì)網(wǎng)理論［8］，得到C-GSTA下SCSCF會(huì)話建立時(shí)延為

3 性能仿真與分析

基于C-GSTA的建模，仿真做如下假設(shè):1)所有呼叫到達(dá)S-CSCF后，根據(jù)C-GSTA進(jìn)行業(yè)務(wù)觸發(fā)，其中不需觸發(fā)AS的概率為σ;2)呼叫依次轉(zhuǎn)發(fā)至各個(gè)需要觸發(fā)AS，即轉(zhuǎn)發(fā)概率為按照C-GSTA觸發(fā)原則，除AS1外其他AS的初始到達(dá)率均為0，即γ1=γ=λ，γi=0(1＜i≤n);4)每條SIP消息處理時(shí)間約為10ms～100ms［9］，本文分析時(shí)取 10ms;5)假設(shè)各AS具有相同的服務(wù)率，即由于傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)觸發(fā)算法一個(gè)基本呼叫過程中S-CSCF和每個(gè)AS在會(huì)話建立期間處理的SIP消息數(shù)為7個(gè)［4］，因此，本文取ms-cscf;7)為便于分析，假設(shè)每個(gè)AS組具有相同數(shù)目的 AS，ni=n/x(0 ＜ i≤x)。

由式(1)、式(2)和式(3)，可得到式(5):

因此，基于C-GSTA的S-CSCF會(huì)話建立時(shí)延為

圖6 呼叫到達(dá)率對時(shí)延的影響

設(shè)應(yīng)用服務(wù)器個(gè)數(shù)n=12，呼叫到達(dá)率對S-CSCF處理時(shí)延的影響仿真結(jié)果如圖6所示。設(shè)呼叫到達(dá)率λ=0.8，應(yīng)用服務(wù)器AS個(gè)數(shù)對S-CSCF處理時(shí)延的影響仿真結(jié)果如圖7所示。從圖中可以得出:隨呼叫到達(dá)率以及應(yīng)用服務(wù)器個(gè)數(shù)的增加，處理時(shí)延將隨之增大。在傳統(tǒng)的觸發(fā)算法(3GPP STA)下時(shí)延急劇增長;在GSTA或CSTA下，時(shí)延明顯減小;在C-GSTA下，時(shí)延相比GSTA和CSTA又有進(jìn)一步減小。由此可見，在業(yè)務(wù)種類和業(yè)務(wù)量增加的情況下，傳統(tǒng)業(yè)務(wù)觸發(fā)算法時(shí)延性能難以達(dá)到網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模部署的要求，也不能滿足當(dāng)前業(yè)務(wù)需要;GSTA或CSTA算法在時(shí)延性能方面對傳統(tǒng)業(yè)務(wù)觸發(fā)算法進(jìn)行了明顯優(yōu)化;本文提出的CGSTA算法相對比于GSTA和CSTA，其時(shí)延性能又有進(jìn)一步改善。

圖7 應(yīng)用服務(wù)器個(gè)數(shù)對時(shí)延的影響

4 結(jié)束語

本文通過分析3GPP應(yīng)用觸發(fā)框架、CSTA和GSTA業(yè)務(wù)觸發(fā)算法，提出了一種基于呼叫狀態(tài)的分組業(yè)務(wù)觸發(fā)算法。該算法的核心思想是在區(qū)分不同呼叫狀態(tài)的情況下，對AS進(jìn)行分組處理，從而進(jìn)一步優(yōu)化IMS業(yè)務(wù)觸發(fā)架構(gòu)，降低了S-CSCF與AS之間的信令負(fù)載，從而有效地減小了呼叫建立時(shí)延。仿真結(jié)果表明:采用C-GSTA算法，在呼叫到達(dá)率或應(yīng)用服務(wù)器增加的情況下，與單獨(dú)采用CSTA或GSTA算法相比，S-CSCF的會(huì)話時(shí)延進(jìn)一步減小，從而有效地提高了IMS業(yè)務(wù)系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。在工程應(yīng)用中，為實(shí)現(xiàn)C-GSTA算法，需要對S-CSCF和AS的功能進(jìn)行擴(kuò)展，這會(huì)增加一定的開銷，初步研究表明這種開銷是可控的，下一步將針對這個(gè)問題進(jìn)行深入研究。

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