衛星網絡中SIP業務應用研究

谷聚娟，張亞生

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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衛星網絡中SIP業務應用研究

谷聚娟，張亞生

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要：寬帶衛星網絡可以為用戶提供豐富的多媒體業務，SIP協議作為支持多媒體業務傳輸的主流協議逐漸得到廣泛應用。為保證這類業務的傳輸質量，提出了一種衛星網絡中針對SIP業務的QoS機制。該機制通過實時檢測SIP信令，結合衛星網絡的資源使用情況，對多媒體業務進行接入控制和資源預留。最后基于OPNET建立了仿真模型，對提出的QoS機制進行了驗證，仿真結果表明，該機制不僅能夠保證SIP業務的傳輸性能，還能提高衛星網絡的資源利用率。

關鍵詞：寬帶衛星網絡；QoS；SIP

0引言

隨著Internet的發展，IP業務在各類網絡中的比重也越來越大。IP 技術在地面網絡應用的成功，為衛星網絡的發展指明了方向[1]。寬帶衛星網絡[2]以IP技術為基礎，能夠為用戶提供語音、數據、Internet接入、交互式多媒體應用等綜合業務[3]。SIP協議作為IP網絡多媒體服務的主要標準，以其簡單、靈活及擴展性好[4]的優點得到了廣泛應用。

衛星網絡要支持基于SIP的多媒體業務，必須考慮衛星鏈路長延時、高誤碼特點對多媒體業務傳輸質量的影響。同時衛星網絡帶寬資源十分寶貴，為了保證基于SIP的多媒體業務傳輸，充分利用衛星網絡的帶寬資源，必須設計適用于衛星網絡的高效QoS機制。

1SIP協議

1.1會話模型

SIP協議(初始會話協議)用于管理會話，它是一種基于文本的協議[5]，可集成各類多媒體業務應用，如視頻、會議等。SIP協議采用的是客戶端/服務器[6]的會話模型，如圖1所示。

圖1　SIP會話模型

其中客戶端是用來發送請求的功能實體；服務器是用來接收、處理和答復客戶端請求的功能實體，服務器接收到客戶端發來的SIP請求消息后根據需要對消息進行修改，然后轉發給下一個服務器或最終的客戶端[7]。

1.2SIP消息

SIP消息分為請求和響應兩類，其中請求消息是由客戶機發往服務器，響應消息是由服務器發往客戶機。SIP是應用層協議，使用SDP(會話描述協議)進行媒體描述。

不論是請求類消息還是響應類消息都采用統一的格式[8]。SIP消息通常由起始行、消息頭域、空行和消息體組成[9]，如圖2所示。起始行分為請求行和狀態行，分別對應于SIP的請求消息和響應消息；消息頭域包括通用頭字段和實體頭字段等標識；空行表示消息頭的結束，每個SIP消息頭后必須有空行；消息體包含真正消息內容，通常用于描述會話雙方的通信能力[10]。

圖2　SIP消息

1.3協議流程

SIP業務呼叫流程如圖3所示。

圖3　SIP呼叫流程

SIP協議用來建立、改變和終止多媒體會話[10]。通常情況下基于SIP的多媒體業務在傳輸過程中首先使用SIP消息，基于交互式的流程協商建立或釋放會話。協商完成后使用RTP協議傳送音頻和視頻流。

2衛星網絡中SIP業務的QoS保證

2.1基本原理

SIP協議本身不能對業務提供任何服務質量保證。但是，SIP消息中包含了業務類型、媒體編碼類型、業務終端的IP地址和端口號等信息。根據這些信息就可以精確地計算出業務的帶寬需求，并能從網絡的IP流中將本次會話的業務流提取出來。

衛星網絡的帶寬資源十分寶貴，網絡的資源管理通常采用請求/分配機制[11]。衛星終端可以通過解析SIP信令，獲取多媒體業務精確的資源需求，并觸發衛星資源分配流程。資源管理中心接收到業務接入請求后，基于業務請求和當前網絡的資源使用情況進行資源預留和分配。在檢測到業務呼叫結束后，觸發釋放衛星信道資源。采用這種方式不僅可以為多媒體業務提供QoS保證，還能提高衛星網絡的帶寬資源利用率。

2.2網絡架構

為在寬帶衛星網絡開展基于SIP的多媒體業務，并能夠為業務提供服務質量保證，需要在信關站部署SIP服務器，遠端站部署SIP代理模塊，衛星網絡架構[12]如圖4所示。遠端站的SIP代理模塊通過解析SIP信令進行衛星資源分配和預留，并基于資源預留的結果進行會話控制，實現多媒體業務的QoS保證[13]。

2.3通信流程

多媒體業務開始通信時，首先通過SIP信令進行會話協商，會話傳輸時的媒體類型和編碼類型，音頻和視頻編碼在會話建立時就確定了。遠端站的SIP代理模塊接收到SIP信令后，截取所有的SIP建立信息(如SIP INVITE)，提取會話的媒體類型，編碼名、業務的IP地址及端口號等信息，并將這些信息轉換為定量的QoS參數，如業務流屬性(IP地址，端口號)、傳輸速率、最大端到端時延和丟包率等。

SIP代理模塊按照業務的實際QoS參數，向衛星信道終端發起業務接入請求，衛星信道終端向衛星資源管理中心申請本次業務通信所需的衛星資源。衛星資源管理中心根據業務的QoS需求和當前網絡資源的實際使用情況判斷是否允許業務接入。如果允許接入，則為衛星終端分配所需的衛星資源，衛星終端通知SIP代理模塊資源申請成功，SIP代理繼續轉發后續SIP信令，如圖5所示，開始業務通信；如果拒絕接入，衛星終端接收到資源申請失敗的信令后通知SIP代理模塊，SIP代理模塊向用戶終端發送CANCELL信令，取消本次會話。

圖5　衛星網絡SIP業務通信流程

業務通信開始后，衛星終端根據SIP業務流屬性(IP地址，端口號)從IP流中將業務提取出來，并將該業務流在預留好的衛星鏈路上進行發送。

會話結束時SIP代理模塊截取SIP結束信息(如BYE的200 OK)，并觸發衛星鏈路的釋放。

3仿真驗證

為驗證SIP業務QoS保證機制的有效性，本文在OPNET環境下參考圖4搭建了寬帶衛星網絡的仿真環境，網絡采用基于TDMA的衛星通信體制。仿真對比了采用基于Diffserv的絕對優先QoS保證機制和本文的QoS保證機制對SIP業務傳輸性能的影響。Diffserv機制在IP層根據源IP地址、目的IP地址、源端口號、目的端口號和協議類型等為業務劃分優先級，在網絡擁塞時按照業務優先級的高低依次調度各優先級的業務。本文的QoS保證機制通過檢測SIP信令為話音業務預留資源的方式保證業務傳輸。

仿真環境中模擬了3個優先級的業務，SIP話音業務的優先級最高，另外2個優先級的都為數據業務，各種業務在110 s時開始加載。

話音業務傳輸延時仿真結果對比如圖6和圖7所示，仿真結果表明，在基于Diffserv的QoS保證機制下，話音業務雖然擁有較高的優先級，但是在網絡擁塞時需要實時的與網絡中的其他業務競爭衛星資源，每幀內業務申請到的時隙位置都不相同，因此業務的傳輸延時和抖動比較大。采用本文的QoS保證機制時，通過解析SIP信令預先建立衛星信道，進行時隙資源預留，可以降低了話音的延時和抖動，保證業務的傳輸。

圖6　話音業務傳輸的延時

圖7　話音業務的傳輸延時抖動

4結束語

寬帶衛星網絡支持多媒體業務傳輸成為衛星網絡發展的必然趨勢，因此研究基于SIP的多媒體業務的QoS機制具有重大的意義。本文設計的QoS機制通過解析SIP信令精確獲得業務資源需求，驅動衛星鏈路建立，進行資源預留。同時檢測到業務通信結束信令后，釋放衛星資源。采用這種方式不僅能夠保證基于SIP多媒體業務的傳輸質量，還能夠高效利用衛星網絡帶寬資源。

參考文獻

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Research on Application of SIP Service inSatellite Network

GU Ju-juan,ZHANG Ya-sheng

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Abstract：The broadband satellite network can provide plenty of multimedia applications,and SIP,as a popular protocol of multimedia applications is widely used.In order to ensure better quality,a QoS mechanism of SIP service is proposed in satellite network.This mechanism detects SIP message in real time,considering satellite resource utilization,the access control and resource reservation are implemented for multimedia service.At last the simulation model is established based on OPNET,and the QoS mechanism is validated with OPNET in this paper.The result shows that this mechanism can not only ensure performance of SIP service,but also improve the transmission efficiency furthest in satellite network.

Key words：broadband satellite network; QoS; SIP

中圖分類號：TP393.04

文獻標志碼：A

文章編號：1003-3114(2016)03-102-3

作者簡介：谷聚娟(1983—)，女，工程師，主要研究方向：衛星通信技術。張亞生(1969—)，男，研究員，主要研究方向：衛星通信技術。

基金項目：國家部委基金資助項目

收稿日期：2016-02-22

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.03.27

引用格式：谷聚娟，張亞生.衛星網絡中SIP業務應用研究 [J].無線電通信技術,2016,42(3):102-104,109.