3G核心網(wǎng)話音質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)中媒體流數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊的研究與開發(fā)*

張 弢，雒江濤，楊理想

（重慶郵電大學(xué)通信網(wǎng)測試技術(shù)研究中心 重慶400065）

1 引言

第三代移動通信系統(tǒng)（3G）能夠提供多種類型的高質(zhì)量多媒體業(yè)務(wù)，可實現(xiàn)全球無縫覆蓋，并具有全球漫游能力，與固定網(wǎng)絡(luò)相兼容。當前移動話音增值業(yè)務(wù)及擴展應(yīng)用發(fā)展快速，現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)中的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量急劇增長，大容量流媒體數(shù)據(jù)對傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。

網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的提升越來越強調(diào)面向客戶感知，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)對于全網(wǎng)突發(fā)性數(shù)據(jù)沒有實時監(jiān)測，只能對網(wǎng)絡(luò)中特定接口的非實時數(shù)據(jù)進行性能評估，未能將全網(wǎng)數(shù)據(jù)和對應(yīng)信令過程關(guān)聯(lián)起來，用戶不能對全網(wǎng)話音質(zhì)量的分布以及潛在的網(wǎng)絡(luò)故障隱患進行全面的實時監(jiān)測及分析，對話音質(zhì)量分析的感知度不強，存在性能瓶頸。基于用戶感知的3G核心網(wǎng)話音質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)運而生。

與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)不同，3G核心網(wǎng)話音質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)對移動通信網(wǎng)A接口、軟交換核心網(wǎng)各接口（Nb接口、Mc接口、Nc接口等）進行實時監(jiān)測，信令分析平臺根據(jù)現(xiàn)有的協(xié)議標準對其進行解碼及合成分析，得到通信過程中與話音質(zhì)量相關(guān)的核心指標，再通過對流媒體（RTP）數(shù)據(jù)流與對應(yīng)信令過程的關(guān)聯(lián)，完成話音質(zhì)量分析，從而了解話音質(zhì)量的分布特征以及潛在的網(wǎng)絡(luò)故障隱患。

本系統(tǒng)的難點在于針對現(xiàn)網(wǎng)實時數(shù)據(jù)，如何解決各接口數(shù)據(jù)的采集以及RTP數(shù)據(jù)流與對應(yīng)信令過程的關(guān)聯(lián)處理和存儲問題，如何保證應(yīng)用層數(shù)據(jù)處理的正確性和完整性，以實現(xiàn)端到端的話音質(zhì)量分析。首先需要有效、可靠的數(shù)據(jù)處理設(shè)備和存儲設(shè)備支撐；其次，對流媒體數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊的研究也十分重要，將直接影響網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)的總體性能[1]。

本文提供了一套可行的預(yù)處理模塊的設(shè)計方案。本方案在信令處理模塊內(nèi)部，引進了數(shù)據(jù)預(yù)處理子系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要完成RTP數(shù)據(jù)流和A接口對應(yīng)信令過程的關(guān)聯(lián)重組，減少數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫的操作次數(shù)及磁盤的空間消耗，提高協(xié)議分析模塊的處理效率。

2 總體方案

2.1 設(shè)計思路

3G核心網(wǎng)話音質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)采用多線程、分層結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想。多線程實現(xiàn)了數(shù)據(jù)流的均勻投遞，充分利用了服務(wù)器的多核資源[2]；分層結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)各層分工明顯，數(shù)據(jù)處理流程更清晰。本系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)解碼、合成、統(tǒng)計等，通過入庫程序?qū)⒑媳頂?shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)庫，由上層界面讀取分析并進行顯示處理。

本監(jiān)測系統(tǒng)由采集層、處理層和應(yīng)用層組成。其中，采集層負責采集現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)，包括控制面和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)[3]；處理層對數(shù)據(jù)解碼、合成等信令進行處理，并對數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)重組等預(yù)處理，將協(xié)議字段取出交付給應(yīng)用層；應(yīng)用層完成基礎(chǔ)應(yīng)用、增值應(yīng)用及擴展應(yīng)用操作。

處理層主要由接入模塊、信令處理模塊、預(yù)處理模塊及存儲模塊組成[4]。接入模塊由協(xié)議轉(zhuǎn)化單元和數(shù)據(jù)分發(fā)單元組成，負責將信令處理模塊的結(jié)果進行協(xié)議轉(zhuǎn)化；信令處理模塊主要由信令分析單元組成，完成對采集層提供的數(shù)據(jù)的協(xié)議棧解碼；預(yù)處理模塊及存儲模塊通過關(guān)聯(lián)RTP數(shù)據(jù)流和對應(yīng)信令過程，重組數(shù)據(jù)并導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)端到端的話音質(zhì)量分析。本系統(tǒng)采用的關(guān)鍵技術(shù)是預(yù)處理模塊的關(guān)聯(lián)重組技術(shù)。

2.2 預(yù)處理模塊架構(gòu)

3G核心網(wǎng)話音質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊由信令關(guān)聯(lián)模塊和數(shù)據(jù)重組模塊組成[5]，本系統(tǒng)的關(guān)鍵就是要解決兩者同步運行的性能優(yōu)化問題。在分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，本監(jiān)測系統(tǒng)運用散列算法，通過開多線程工程向上層提供實現(xiàn)。預(yù)處理模塊的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

預(yù)處理模塊首先將接收到的A接口數(shù)據(jù)及RTP數(shù)據(jù)流進行分類投遞，不同協(xié)議以不同的線程處理，在數(shù)據(jù)層進行信令關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)重組。數(shù)據(jù)處理采用多線程異步的方式，兩個獨立線程對數(shù)據(jù)進行投遞時，只針對讀取出表數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)首先存儲到鏈表緩沖區(qū)中，再對A接口數(shù)據(jù)流的中繼群號（PCM）、電路識別碼（CIC）及RTP數(shù)據(jù)流終端TID進行關(guān)聯(lián)。另開重組線程，對于重組過程來說，每層的重組線程中有獨立的重組緩沖區(qū)，待重組的數(shù)據(jù)分組都存入散列表中，散列表只維護未重組完的數(shù)據(jù)分組，重組完成的數(shù)據(jù)分組被發(fā)到重組緩沖區(qū)中，外層程序直接從重組緩沖區(qū)中獲取重組數(shù)據(jù)，再由合表模塊將兩個協(xié)議數(shù)據(jù)記錄合并為一個數(shù)據(jù)表并導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，最終由用戶界面讀取數(shù)據(jù)記錄，完成話音質(zhì)量的分析。

3 數(shù)據(jù)預(yù)處理流程

將采集系統(tǒng)發(fā)送過來的原始信令A(yù)接口數(shù)據(jù)和RTP數(shù)據(jù)流作為輸入，重組模塊為數(shù)據(jù)申請一段緩存，根據(jù)協(xié)議分成多個流，完成對RTP數(shù)據(jù)流和A接口數(shù)據(jù)對應(yīng)信令過程的關(guān)聯(lián)重組，重組被分片的相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，在同一個媒體網(wǎng)關(guān)下，根據(jù)A接口數(shù)據(jù)的PCM、CIC及RTP數(shù)據(jù)流中終端TID的對應(yīng)關(guān)系將兩個數(shù)據(jù)記錄合并為一個，通過入庫程序?qū)⒑喜⒌臄?shù)據(jù)表導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫。

3.1 關(guān)聯(lián)重組算法

3G核心網(wǎng)話音質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)通過監(jiān)測A接口、Nb接口的原始信令數(shù)據(jù)，并進行解碼分析后，通過散列算法關(guān)聯(lián)重組得到網(wǎng)絡(luò)中與話音質(zhì)量相關(guān)的核心指標，包括時延、抖動、分組丟失率、R值、MOS評分等。預(yù)處理模塊的關(guān)聯(lián)重組算法規(guī)則如圖2所示。

預(yù)處理模塊通過在同一個媒體網(wǎng)關(guān) （MGW=10.55.32.83）下的A接口數(shù)據(jù)流的PCM、CIC及RTP數(shù)據(jù)流媒體數(shù)據(jù)終端TID的對應(yīng)關(guān)系，完成對預(yù)處理數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)重組，并將重組數(shù)據(jù)流導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，減少數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫的操作次數(shù)及磁盤的空間消耗，實現(xiàn)對話音質(zhì)量的評估分析等，最終由用戶界面讀取數(shù)據(jù)記錄，從而提高協(xié)議分析模塊的處理效率。

3.2 關(guān)聯(lián)重組流程

預(yù)處理模塊的關(guān)聯(lián)重組流程如圖3所示，具體介紹如下。

（1）收到數(shù)據(jù)分組后，經(jīng)過信令消息協(xié)議識別提取A接口數(shù)據(jù)和RTP數(shù)據(jù)流，然后各啟線程對消息進行解碼、合成CDR和統(tǒng)計出表。

（2）讀取A接口數(shù)據(jù)和RTP數(shù)據(jù)流關(guān)聯(lián)重組規(guī)則的配置文件，并把匹配關(guān)系存入鏈表中，供預(yù)處理模塊在數(shù)據(jù)重組時讀取。

（3）讀取數(shù)據(jù)分組。對于A接口消息，提取消息中的PCM、CIC并存儲到鏈表緩沖區(qū)中；對于RTP數(shù)據(jù)流消息，提取消息中的終端TID并存儲到另一鏈表緩沖區(qū)中。

（4）預(yù)處理模塊中啟一個獨立線程，通過A接口的關(guān)聯(lián)字段查找存有匹配規(guī)則的鏈表，獲得需進行匹配的RTP數(shù)據(jù)流的終端TID，再通過終端TID從鏈表緩沖區(qū)中查找是否有此RTP數(shù)據(jù)流。若存在，則將待重組的數(shù)據(jù)分組存入散列表中，散列表只維護未重組完的數(shù)據(jù)分組，重組完成的數(shù)據(jù)分組被發(fā)到重組緩沖區(qū)中，再由合表模塊將兩個協(xié)議數(shù)據(jù)記錄合并為一個；反之不存在該流，則將該分組丟棄。

（5）預(yù)處理模塊中另啟一個獨立線程，通過RTP數(shù)據(jù)流的關(guān)聯(lián)字段TID查找存有匹配規(guī)則的鏈表，從而獲得需進行匹配的A接口數(shù)據(jù)的PCM和CIC，再通過這兩個字段從鏈表緩沖區(qū)查找是否有此A接口數(shù)據(jù)，同步驟（4），若存在，則將待重組的兩個協(xié)議數(shù)據(jù)記錄合并為一個；反之不存在該流，將該分組丟棄。

（6）超時處理：數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)重組會出現(xiàn)超時的現(xiàn)象，即在規(guī)定的時間內(nèi)沒有收到可關(guān)聯(lián)消息，因此需要對超時現(xiàn)象進行處理。記錄每條消息的超時節(jié)點，一旦通過散列Key找到對應(yīng)的超時節(jié)點，則移除此超時節(jié)點，并將鏈表緩沖區(qū)中待重組的分組消息拋棄。

4 結(jié)果分析

采集系統(tǒng)發(fā)送過來的A接口原始數(shù)據(jù)和RTP數(shù)據(jù)流經(jīng)過解碼、合成等信令處理后，生成兩個接口的CDR。CDR消息分析的結(jié)果如圖4所示。

圖4(a)中，系統(tǒng)采集到的A接口數(shù)據(jù)所合成的CDR包含：匹配字段中繼群號PCM=1、電路識別碼CIC=27以及消息時間、IMEI、位置區(qū)LAC等與話音質(zhì)量分析相關(guān)的字段。圖4(b)中，系統(tǒng)采集到Nb口數(shù)據(jù)的RTP數(shù)據(jù)流所合成的CDR包含：RTP終端TID=15 452以及平均抖動、分組丟失數(shù)、時延、平均流量等與話音質(zhì)量分析相關(guān)的字段。根據(jù)圖2預(yù)處理模塊的關(guān)聯(lián)重組算法規(guī)則所規(guī)定的關(guān)聯(lián)規(guī)則，在同一個媒體網(wǎng)關(guān)（MGW=10.55.32.10）下，這兩條CDR的相關(guān)字段是匹配的，可以關(guān)聯(lián)重組，經(jīng)過預(yù)處理模塊重組后，出表的數(shù)據(jù)見表1。

表1 重組后的數(shù)據(jù)出表結(jié)果

相互匹配的A接口數(shù)據(jù)和RTP數(shù)據(jù)流關(guān)聯(lián)重組后，預(yù)處理模塊將兩條CDR中與話音質(zhì)量分析相關(guān)的數(shù)據(jù)字段（如A接口的消息時間、主被叫IMEI、通話時長、位置區(qū)LAC等字段以及RTP數(shù)據(jù)流中分組丟失數(shù)、時延、抖動、MOS評分等字段）保留，并合成為一條記錄存儲至數(shù)據(jù)庫，最終由上層界面讀取分析并進行顯示處理。圖5中數(shù)據(jù)重組結(jié)果與圖4中A接口和RTP的CDR字段值完全一致，由此驗證了話音質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊的重組結(jié)果是正確的。本監(jiān)測系統(tǒng)可完成以下功能：查看某個時間范圍內(nèi)的話音質(zhì)量參數(shù)（如某天某時段的話音質(zhì)量MOS平均值、R值、分組丟失率、時延等）、查詢某小區(qū)話音質(zhì)量的變化趨勢、統(tǒng)計話音質(zhì)量隨時間或位置區(qū)的變化情況等，查詢界面如圖5所示。

監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)相關(guān)匹配算法實時地將現(xiàn)網(wǎng)的兩條數(shù)據(jù)重組為一條數(shù)據(jù)存儲至數(shù)據(jù)庫，減少了數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫的操作次數(shù)，降低了數(shù)據(jù)流量，而且將與話音質(zhì)量分析相關(guān)的字段合成在一張數(shù)據(jù)表中，因此當用戶進行話音質(zhì)量分析的查詢操作時，數(shù)據(jù)字段之間的查詢并不需要在不同數(shù)據(jù)表中相互查詢，這樣就減少了話音質(zhì)量查詢的復(fù)雜度，并提高了查詢效率。經(jīng)現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)測試驗證，媒體流數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理模塊關(guān)聯(lián)重組后，數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫的操作次數(shù)及磁盤空間的消耗明顯減少，數(shù)據(jù)入庫和話音質(zhì)量分析的處理效率也得到了顯著提高。

5 結(jié)束語

本文分析了3G核心網(wǎng)話音質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)隨著增值業(yè)務(wù)的增長遇到的瓶頸，提出了信令處理層中的數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊，通過對流媒體數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)重組，可以為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、業(yè)務(wù)發(fā)展以及設(shè)備運維提供大量客觀、詳細的數(shù)據(jù)，提高了話音質(zhì)量分析的效率。后續(xù)本監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展方向是如何提高預(yù)處理模塊數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的分析處理能力，并更加細化完善統(tǒng)計分析功能，提高系統(tǒng)的可維護性和長時間運行的穩(wěn)定性。

本系統(tǒng)在3G核心網(wǎng)話音質(zhì)量監(jiān)測項目測試過程中，取得了良好的效果，預(yù)示著預(yù)處理模塊將在3G核心網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)中發(fā)揮越來越重要的作用。

1 曹嘉成.移動通信網(wǎng)絡(luò)信令監(jiān)測系統(tǒng)及其擴展應(yīng)用.北京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文,2002

2 QB-W-XXX-2005.中國移動3G網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量指標體系,2005

3 代勇,李昌禧.基于嵌入式以太網(wǎng)接口的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng).微機發(fā)展,2005(5):125～127

4 Haijun Kang.Rethinking distance learning activities:a comparison of transactional distance theory and activity theory.Open Learning:the Journal of Open and Distance Learning,2008(3):203～214

5 尹杰,張松.基于哈希的快速流媒體數(shù)據(jù)重組算法（HDRR）.計算機應(yīng)用與軟件,2005(17):33～35