移動環(huán)境下有服務(wù)質(zhì)量保障的呼叫信令系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真研究

時恩早

(江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系, 江蘇 淮安 223003)

移動環(huán)境下有服務(wù)質(zhì)量保障的呼叫信令系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真研究

時恩早

(江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系, 江蘇 淮安 223003)

以面向移動通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、具有QoS保障能力的信令系統(tǒng)為研究內(nèi)容,針對移動通信終端、基站、及核心網(wǎng)實(shí)體展開合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了具有呼叫能力的信令系統(tǒng),在呼叫建立過程中,能夠針對業(yè)務(wù)特點(diǎn)開展資源保障,并且能夠保證具有較高QoS需求的業(yè)務(wù)能夠在分組通信網(wǎng)絡(luò)上獲得良好傳輸?shù)男帕钕到y(tǒng),最后在OPNET環(huán)境下進(jìn)行了仿真分析．

移動通信; 信令系統(tǒng); 服務(wù)質(zhì)量保障; 仿真

0 引言

下一代網(wǎng)絡(luò)(Next Generation Network, NGN)是一個能夠支持語音、數(shù)據(jù)、視頻和多媒體業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)[1-2]．在信令系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中,需要針對多媒體業(yè)務(wù)對時延、時延抖動非常敏感的特性,提供具有較高的服務(wù)質(zhì)量保證的信令系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)在分組通信環(huán)境下開展移動多媒體業(yè)務(wù)的需求．

隨著3G移動通信系統(tǒng)的大規(guī)模部署及4G等技術(shù)的興起和成熟,使得在無線通信網(wǎng)絡(luò)上開展有服務(wù)質(zhì)量保證的分組業(yè)務(wù)成為可能．而傳統(tǒng)的呼叫系統(tǒng)在建立鏈路的時候,并不會考慮系統(tǒng)在建立鏈路的同事為業(yè)務(wù)提供服務(wù)質(zhì)量保障,尤其是針對寬帶無線接入技術(shù)網(wǎng)絡(luò),信令系統(tǒng)只負(fù)責(zé)建立通信鏈路,不對服務(wù)質(zhì)量提供保障[3-4]．傳統(tǒng)的分組網(wǎng)絡(luò)上常用的語音通信呼叫接續(xù)信令協(xié)議如H.323[5]等,僅僅提供最簡單的呼叫接續(xù)功能,并沒有涉及資源預(yù)留、信道分配、認(rèn)證計(jì)費(fèi)等內(nèi)容,因而無法提供電信級的服務(wù)質(zhì)量保證．本文針對目前主流的七號信令系統(tǒng)[6-7]、SIP信令系統(tǒng)[8]存在的語音質(zhì)量無法保障、延遲較長,對移動環(huán)境支持較差等缺點(diǎn),開展針對性設(shè)計(jì),鑒于在大系統(tǒng)中開展信令系統(tǒng)性能研究的困難,本文基于OPNET環(huán)境實(shí)現(xiàn)了信令系統(tǒng)仿真研究,通過結(jié)果分析,證明了系統(tǒng)的有效性．

1 信令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

移動通信呼叫信令系統(tǒng)包括四個組成部分,分別為無線接入網(wǎng)、無線核心網(wǎng)、有線核心網(wǎng)和有線骨干網(wǎng),這也是目前典型的移動通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),具體如圖1所示．首先,移動臺MS(Mobile Station)通過無線方式連接基站,基站經(jīng)過一跳或者多跳連接到入口路由器,從而接入有線核心網(wǎng),實(shí)現(xiàn)城域內(nèi)的話音通信．在城市與城市之間通過有線骨干網(wǎng)絡(luò)相連,從而實(shí)現(xiàn)不同城市之間的語音通信[9]．

圖1 移動通信呼叫信令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 信令系統(tǒng)功能分析

具有QoS保障能力的呼叫信令系統(tǒng)通過引入資源預(yù)留、信道分配、身份認(rèn)證、加密協(xié)商、計(jì)費(fèi)等新型機(jī)制,保證了無線接入分組網(wǎng)絡(luò)中語音通信的安全性、可靠性、合理性和服務(wù)質(zhì)量．

當(dāng)移動臺開機(jī)后,根據(jù)當(dāng)前所屬的網(wǎng)段配置IP地址,向所在小區(qū)的基站發(fā)出加入請求,基站將加入請求通知3A服務(wù)器,3A服務(wù)器向申請加入網(wǎng)絡(luò)的移動臺發(fā)送認(rèn)證請求,移動臺對認(rèn)證請求進(jìn)行處理并向3A服務(wù)器發(fā)送認(rèn)證回復(fù),3A服務(wù)器檢查回復(fù)消息,如果消息合法,就把該移動臺的當(dāng)前地址告知注冊服務(wù)器,注冊服務(wù)器對移動臺的地址信息進(jìn)行注冊,同時3A服務(wù)器把該移動臺的鑒權(quán)信息傳遞給移動臺當(dāng)前所屬的基站,然后由基站通知移動臺入網(wǎng)成功．

一次語音通話過程包括以下三個主要步驟:首先,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)收到主叫移動臺的呼叫后,根據(jù)移動臺提出的服務(wù)等級需求預(yù)留足夠的有線和無線資源以保證語音通信的服務(wù)質(zhì)量．如果資源預(yù)留失敗,失敗的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)會通知主叫移動臺．如果資源預(yù)留成功,則會把呼叫邀請轉(zhuǎn)發(fā)給被叫移動臺所屬基站．其次,被叫基站通過尋呼消息查找被叫移動臺,被叫移動臺收到消息后,使用私鑰解密尋呼消息中包含的加密算法等．如解密錯誤,被叫移動臺向主叫方發(fā)送相應(yīng)通知．如果成功,被叫基站向被叫移動臺發(fā)送響鈴信令,同時向主叫方基站發(fā)送呼叫確認(rèn)信令．然后,主叫方基站收到確認(rèn)信令后通知主叫移動臺產(chǎn)生回鈴音,當(dāng)被叫移動臺響鈴后,用戶有權(quán)選擇接聽還是拒絕接聽．如用戶拒絕接聽,則被叫移動臺向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送通話結(jié)束信令,如選擇接聽,就向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送連接信令,當(dāng)主叫移動臺得知被叫方應(yīng)答后就停止回鈴,進(jìn)入通話過程,同時主叫方基站會通知3A服務(wù)器開始計(jì)費(fèi)．當(dāng)通話結(jié)束一方掛機(jī)后,會向另一方發(fā)送通話結(jié)束信令,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)收到通話結(jié)束信令后就會釋放為本次通話預(yù)留的有線和無線資源．當(dāng)主叫所屬基站收到任何一方發(fā)來的通話結(jié)束信令后,通知3A服務(wù)器停止計(jì)費(fèi),3A服務(wù)器會把本次通話結(jié)束后通話雙方最新的余額信息通過計(jì)費(fèi)終止確認(rèn)信令告知它們當(dāng)前所屬的基站,通話過程結(jié)束[10]．

3 信令系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

信令系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)分為移動臺部分、基站部分、有線路由器部分、3A服務(wù)器部分和注冊服務(wù)器部分．移動臺信令系統(tǒng)主要包含定時器管理模塊、消息處理模塊、加密設(shè)置模塊、認(rèn)證信息維護(hù)模塊、服務(wù)等級配置模塊、語音通信模塊、無線資源管理模塊．基站包含的模塊包括:定時器管理模塊、消息處理模塊、MPLS網(wǎng)絡(luò)維護(hù)模塊、服務(wù)質(zhì)量映射模塊、授權(quán)模塊、資源預(yù)留模塊和無線資源管理模塊．有線路由器負(fù)責(zé)信令消息及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體,本信令系統(tǒng)基于MPLS技術(shù)以實(shí)現(xiàn)有服務(wù)質(zhì)量保障鏈路建立,該網(wǎng)絡(luò)實(shí)體涉及到的模塊包括消息轉(zhuǎn)發(fā)模塊、MPLS網(wǎng)絡(luò)維護(hù)模塊、資源預(yù)留模塊．3A服務(wù)器負(fù)責(zé)在呼叫接續(xù)信令過程中對終端的身份進(jìn)行認(rèn)證,并記錄通話時長以實(shí)現(xiàn)計(jì)費(fèi),在3A服務(wù)器部分,主要包含認(rèn)證和授權(quán)模塊、數(shù)據(jù)庫操作模塊、數(shù)據(jù)庫同步模塊、計(jì)費(fèi)模塊．注冊服務(wù)器是呼叫接續(xù)信令系統(tǒng)中負(fù)責(zé)管理終端信息的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體,注冊服務(wù)器記錄終端注冊信息,執(zhí)行注冊操作及信令處理,主要包含數(shù)據(jù)庫操作模塊、數(shù)據(jù)庫同步模塊和注冊模塊．

信令系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)分為用戶接口設(shè)計(jì)、外部接口設(shè)計(jì)和內(nèi)部接口設(shè)計(jì)．本系統(tǒng)中的用戶接口指移動臺信令程序向上層應(yīng)用程序提供的接口,分為兩大類:信令啟動接口和信令通知接口．外部接口分為系統(tǒng)外部接口和實(shí)體間接口,系統(tǒng)外部接口說明本信令系統(tǒng)同外界的所有接口安排包括軟件與硬件之間的接口、本系統(tǒng)與各支持軟件之間的接口關(guān)系．實(shí)體間接口主要是指網(wǎng)絡(luò)中不同信令實(shí)體之間的接口和共享的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)．內(nèi)部接口根據(jù)各個模塊功能定義了同一信令實(shí)體內(nèi)部各個模塊之間的數(shù)據(jù)關(guān)系和控制關(guān)系．

4 基于OPNET環(huán)境的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

呼叫信令系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)分為系統(tǒng)終端部分和基站部分,最終實(shí)現(xiàn)的功能是對上層應(yīng)用提供接口,收發(fā)并處理應(yīng)用程序和下層傳送來的相關(guān)消息,與對等實(shí)體實(shí)現(xiàn)交互,完成建立具有服務(wù)質(zhì)量保證的語音通信業(yè)務(wù)．呼叫信令系統(tǒng)移動臺部分核心模塊是消息處理模塊,在OPNET中,可以將消息處理模塊設(shè)置為主進(jìn)程,當(dāng)遇到需要調(diào)用服務(wù)等級配置模塊和認(rèn)證信息維護(hù)模塊的功能時,可以將這兩個模塊設(shè)置為子進(jìn)程,直接進(jìn)行函數(shù)調(diào)用．

圖2 信令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)終端的實(shí)現(xiàn)首先要進(jìn)行上下文定義,移動臺的呼叫信令系統(tǒng),接收從上層應(yīng)用傳來的事件通知或從網(wǎng)絡(luò)上傳來的信令消息．輸出為回復(fù)給基站的信令消息或者是給上層應(yīng)用程序的各種事件通知．因此確定與其相關(guān)的組件主要是上層的應(yīng)用程序以及傳輸層送達(dá)的基站回復(fù)的信令消息．信令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框如圖2所示．然后對進(jìn)程進(jìn)行分解,主要步驟為事件枚舉,將邏輯事件轉(zhuǎn)化為中斷,再由仿真核心將中斷傳遞給進(jìn)程,事件枚舉的作用就是列舉在系統(tǒng)運(yùn)行中遇到的所有事件,然后將這些事件事件和仿真核心的中斷類型對應(yīng);建立事件響應(yīng)表,將開機(jī)注冊階段的狀態(tài)轉(zhuǎn)移單獨(dú)列出,也可以將整個開機(jī)注冊階段看作是一個初始階段．在一次呼叫過程中需要處理不同的觸發(fā)事件,狀態(tài)機(jī)共涉及20個狀態(tài),包括7個不可駐留狀態(tài),以及13個等待事件觸發(fā)的狀態(tài)．最后在在OPNET中實(shí)現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖,確定每個狀態(tài)的進(jìn)入代碼,離開代碼以及轉(zhuǎn)移代碼,確定事件的中斷類型,進(jìn)行并完成調(diào)試．

基于OPNET的呼叫信令系統(tǒng)基站實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容比較多．首先需要進(jìn)行系統(tǒng)模塊劃分．消息處理模塊是本系統(tǒng)的核心模塊,在基站的消息處理模塊部分,與其相關(guān)聯(lián)的模塊要多一些,要調(diào)用的功能塊也相對多一些,基站部分模塊仿真環(huán)境如圖3所示．

圖3 仿真環(huán)境模塊圖

在移植過程中,主要涉及的模塊為消息處理模塊和無線資源管理模塊,消息處理模塊涉及到的狀態(tài)轉(zhuǎn)移較多,是整個信令流程的控制模塊．無線資源管理模塊及資源預(yù)留模塊主要負(fù)責(zé)無線環(huán)境下為特殊業(yè)務(wù)提供服務(wù)保障,體現(xiàn)信令系統(tǒng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新．定時器、MPLS網(wǎng)絡(luò)維護(hù)等均為調(diào)用模塊．在構(gòu)建系統(tǒng)的有限狀態(tài)機(jī)的過程,基站將開機(jī)作為一個初始狀態(tài),然后進(jìn)入空閑狀態(tài),只要移動臺有信令消息,就進(jìn)行處理．包括移動臺的注冊部分,移動臺注冊完畢,基站再次進(jìn)入空閑狀態(tài),等待一次呼叫開始．

基站的上下文定義與系統(tǒng)終端實(shí)現(xiàn)的上下文定義的不同點(diǎn)在于移動臺需要給上層應(yīng)用程序提供接口,而基站部分則不需要,基站信令系統(tǒng)只接收和處理網(wǎng)絡(luò)上傳來的各種信令消息．事件枚舉與中斷類型對應(yīng)關(guān)系也移動臺部分區(qū)別不大．與終端的開機(jī)注冊過程類似,基站的開機(jī)過程作為單獨(dú)的進(jìn)程,進(jìn)行開機(jī)狀態(tài)處理示．但是基站處理呼叫過程的過程比起終端要復(fù)雜的多,涉及AAA服務(wù)器、注冊服務(wù)器、管理服務(wù)器等之間的信息交互．基站一次呼叫處理設(shè)計(jì)18個狀態(tài)轉(zhuǎn)移涉及20個狀態(tài),其中強(qiáng)制裝3個,駐留狀態(tài)17個,由于基站動作主要由終端觸發(fā),因此大部分的狀態(tài)都是等待終端信令,基于信令類型進(jìn)行事件處理和狀態(tài)轉(zhuǎn)移．

5 系統(tǒng)對業(yè)務(wù)的QoS保障性仿真

5.1 RSVP性能測試

在10s時刻一臺支持呼叫信令調(diào)用QoS服務(wù)質(zhì)量保障(RSVP)的終端接入,以后每隔20s增加1臺一般終端接入網(wǎng)絡(luò),直到后加入的終端不能滿足實(shí)時業(yè)務(wù)的要求．結(jié)果分析:有資源預(yù)留終端時延保持很小的值,其他終端均有較長時間時延處在0.5s以上(認(rèn)為此時的時延已經(jīng)不能忍受),資源已經(jīng)不能滿足一般終端的語音通信;但是有資源預(yù)留終端的語音通信質(zhì)量依然得到了很好的保障．

5.2 資源搶占性能測試

有資源預(yù)留呼叫信令支撐的終端將在網(wǎng)絡(luò)資源接近耗盡的情況下接入網(wǎng)絡(luò),測試其能不能搶占已有資源,保證高質(zhì)量的語音通信．設(shè)置在130s時刻加入有資源預(yù)留的終端,5臺無資源預(yù)留的終端在30s、50s、70s、90s和110s加入網(wǎng)絡(luò),此時網(wǎng)絡(luò)資源接近耗盡．結(jié)果分析:第130s時刻加入的有資源預(yù)留的終端,在開始的時刻因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)資源已經(jīng)耗盡,其有資源預(yù)留的路徑尚未建立時時延較大,在130s時刻左右,在搶占資源建立路徑后,時延迅速下降到0.25s以下,逐漸平穩(wěn)．

5.3 全資源預(yù)留語音業(yè)務(wù)測試

在全部接入有資源預(yù)留的終端,先接入網(wǎng)絡(luò)的終端先得資源,保證通話質(zhì)量,后接入的網(wǎng)絡(luò)終端在資源不足的情況下不能建立資源預(yù)留路徑,成為一般終端,不能保證通信質(zhì)量,場景基本參數(shù)設(shè)置如前文．結(jié)果分析:7臺終端接入,后加入的5臺均不能建立資源預(yù)留路徑,數(shù)據(jù)包的端到端時延大部分時間超過0.5s,這樣的語音通信被認(rèn)為是不能接受的;先接入的2臺終端依然能保證較小的時延,保證最小的時延;這說明,這樣一旦建立了資源預(yù)留路徑,在整個通話過程中,服務(wù)質(zhì)量都是有保證的;而不能成功建立資源預(yù)留路徑的,在后加入終端較多的情況下,服務(wù)質(zhì)量就會迅速下降,直到最后掉話．

5.4 無資源預(yù)留語音業(yè)務(wù)測試

逐個接入一般終端,直到所接入的終端業(yè)務(wù)時延均超出實(shí)時業(yè)務(wù)規(guī)定的范圍．結(jié)果分析:5臺無資源預(yù)留終端接入網(wǎng)絡(luò),時延超過0.5s,丟包情況嚴(yán)重,可以認(rèn)為是網(wǎng)絡(luò)達(dá)到飽和,不能支持語音業(yè)務(wù)．

根據(jù)測試結(jié)果,可以得出結(jié)論:

1) 有資源預(yù)留的終端一旦接入網(wǎng)絡(luò),無論網(wǎng)絡(luò)狀況在接下來的時間里變的多壞,這樣的終端通信質(zhì)量都是非常有保障的．

2) 有資源預(yù)留的終端即使在后續(xù)的時間里面未能成功建立資源預(yù)留路徑,但是對于網(wǎng)絡(luò)資源的利用還是比無資源預(yù)留的終端使用的要好．

3) 無資源預(yù)留的終端接入網(wǎng)絡(luò),對于網(wǎng)絡(luò)資源的使用是采取的是均分制,不論先接入后接入,資源平均使用,使得通話質(zhì)量隨著終端數(shù)的增加逐步降低,直到最后不能正常通話為止．

6 總結(jié)

由于受到實(shí)驗(yàn)環(huán)境的限制,本文提出的呼叫信令系統(tǒng)雖然進(jìn)行了初步的編程實(shí)現(xiàn),并且在OPNET仿真環(huán)境下進(jìn)行了仿真分析,但是由于仿真環(huán)境與實(shí)際系統(tǒng)環(huán)境相比畢竟還存在一定的差距．此外,移動環(huán) 境下的呼叫服務(wù)質(zhì)量除了延遲和切換差異外,還涉及到到丟包率、切換頻度等條件約束,下一步將針對呼叫信令與其他信令系統(tǒng)的融合開展研究,提供一套綜合評價呼叫信令QoS體系的模型．

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ResearchonDesignandSimulationforCallingSignalingSystemwithQoSQuaranteedinMobileEnvironment

SHI En-zao

(Information Engineering Department, Jiangsu Food Science College, Huaian Jiangsu 223003, China)

The paper researches on the signaling system with the ability of QoS supported in the mobile communication environment. Reasonable system designing for mobile communication terminals, base stations, and the core network entities has been shown in the paper. We achieved a signaling system with calling capacity, the resource can be providing for special service in the process of call link setup. The service with high QoS requirement can be well transformed with the help of calling signaling system. A simulation analysis was shown at last, the main work described as following.

mobile communication; signaling system; quality of service; simulate

2013-05-16

時恩早(1981-), 女, 江蘇淮安人, 講師, 碩士, 研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)．

TN915.02

A

1671-6876(2013)03-0226-05

[責(zé)任編輯蔣海龍]