IMS網絡的視頻會議接入QoS保證

郎 赫，張宇辰，姜元建，李 洋，羅 威，李 揚

(1.國網天津市電力公司信息通信公司，天津 300010；2.南瑞集團公司 國網電力科學研究院,江蘇 南京 211000；3.南京郵電大學 通信與信息工程學院,江蘇 南京 210003)

IMS網絡的視頻會議接入QoS保證

郎 赫1，張宇辰1，姜元建2，李 洋2，羅 威2，李 揚3

(1.國網天津市電力公司信息通信公司，天津 300010；2.南瑞集團公司 國網電力科學研究院,江蘇 南京 211000；3.南京郵電大學 通信與信息工程學院,江蘇 南京 210003)

IP多媒體子系統(IMS)作為下一代網絡的核心技術，在現代視頻會議中廣泛采用IMS作為關鍵技術，以實現高質量的視頻會議接入，從而為用戶提供可靠的QoS(服務質量)保證。為此，設計并提出了一種基于IMS網絡視頻會議的QoS保證架構。該架構采用從核心網和承載網多個層次實現IMS網絡QoS保證的解決思路，通過上下兩個層次保證QoS。上層改進了區分服務(DiffServ)策略控制和計費(PCC)架構，使視頻會議中的不同業務(語音，視頻，數據)享有不同的優先級，優先級高的業務會享有更優的QoS保證，實現更加靈活的QoS；下層利用多協議標簽轉換(MPLS)技術以實現對DiffServ模型的承載。仿真結果表明，所提出的MPLS網絡架構的網絡資源占用率要優于普通網絡，所采用的整體系統架構有效可行，能夠達到優化網絡資源、提高服務質量的目的。

IP多媒體子系統；服務質量；區分服務；多協議標簽轉換

0 引 言

IMS是一種基于會話發起協議(SIP)的網絡架構，IMS全IP核心網采用分組交換模型來提供多媒體業務，IMS網絡既可以應用于支持傳統話音、數據業務，同時也可以支持多網絡、多終端接入到統一的IP核心網。由于這些技術特性，基于IMS的下一代網絡(NGN)架構將是通信產業未來發展的重要目標[1]。

目前的IMS商用化進程中存在一大難題，那便是現有的IMS網絡無法提供電信級的QoS保證。所以當IMS為NGN提供技術支持的同時，必須首先解決基于全IP應用的電信級QoS保障問題[2]。IMS是3GPP在Release5版本中提出的旨在支持IP多媒體業務的系統架構[3]，并在其后版本中逐步完善。在不同的版本演進過程中，IMS核心網絡QoS控制策略是一個研究的聚焦點。但是，對于如何實現一個完整的端到端QoS的相關研究卻非常少。由于IMS核心網絡的信令和數據是基于IP承載層，所以QoS也需要依靠IP網絡的支持。為此，改進了IETF區分服務DiffServ模型，該模型根據不同的訂閱服務類型和不同的業務屬性來提供不同的QoS控制策略，并且由IP網絡的核心技術多協議標簽交換(MPLS)獲得DiffServ的承載。鑒于在版本演進過程中IMS的QoS已經研究了大量的不同問題，但由動態QoS需求帶來的問題以及業務層重設和它們在傳輸網絡中的影響均沒有加以考慮，因此設計并提出了增強的PCC架構，以解決QoS動態需求的問題。

1 DiffServ及MPLS概述

1.1區分服務

IETF工作組為了改進綜合服務(IntServ)擴展性差的缺點，提出了區分服務(DiffServ)，目的是制定一個可擴展性相對較強的方法來保證IP的服務質量[4]。與IntServ不同，DiffServ是基于類的QoS技術，不需要信令。在網絡入口處，網絡設備檢查數據包內容，并為數據包進行分類和標記，所有后續的QoS策略都依據數據包中的標記做出。DiffServ模型可以對IMS媒體業務實現基于用戶業務的差分授權和管理，目前的DiffServ模型功能包含AF(應用功能)、PCRF(策略和計費規則功能)、PCEF(策略和計費執行功能)和SPR(用戶屬性存儲器)[5]。

1.2多協議標簽交換

多協議標簽交換(MPLS)是下一代IP承載網絡的核心技術[6]。作為一種三層交換技術，它組合了網絡層路由機制和鏈路層標簽轉換機制。在MPLS網絡的入口，標簽轉換路由器(LSR)為每個分組基于轉發等價類(FEC)分配固定長度的標簽。在MPLS網絡的內部，路由節點根據分組攜帶標簽轉發分組[7]。

MPLS網絡架構如圖1所示。

圖1 MPLS網絡架構

2 上層DiffServ模型的設計

將于上下兩個層次實現QoS的保證，上層是DiffServ模型，對IMS媒體業務實現基于用戶業務的差分授權和管理，在此基礎上新增QoS-LRF(QoS Level Relocation Function)功能，負責重設QoS等級。QoS-LRF主要目的是為了使視頻會議中的不同業務(語音，視頻，數據)享有不同的優先級，優先級高的業務會享有更優的QoS保證，實現更加靈活的QoS，同時優化網絡資源。下層利用MPLS技術以實現對DiffServ模型的承載，借以實現IMS端到端的QoS保證。MPLS是利用標簽進行數據轉發的，將DiffServ中的行為聚合映射成不同的標簽，在轉發過程中，交換節點僅依據標簽進行轉發，提高轉發效率，保證QoS。首先考慮上層DiffServ模型的設計。

2.1區分服務模型架構

研究聚焦視頻會議中擁堵的網絡，其中需要利用不同的機制去解決不同會話試圖接入網絡時的沖突。在目前的IMS架構中，這些機制基于包含在分配和保留優先級(ARP)中的QoS參數信息，ARP參數影響了信息優先等級[8]，提前占用能力(PEC)和被搶占能力(PEV)，而PEC與PEV分別定義為會話從已經配置給其他低等級會話處獲取資源的能力，以及低等級會話對于高等級失去資源的能力。然而，目前并沒有完整的規范來規定這些參數如何被應用于解決沖突，從而配置可能根據自己所方便的載體被應用。如果信息的這個問題沒有被說明，那么每個載體可能遵循3GPP提出的服務優先級應用自己的配置，但是可能錯過合適的配置，從而導致即將進入用戶服務和當前用戶服務被拒絕概率的增加。

DiffServ對于每一跳行為(PHB)分配了網絡容量的百分比，這基于先前的信息載體知道其用戶的需求[9]。盡管有著精確的信息，IMS服務引入的動態機制為載體收集信息也非常困難，同時當引入了不同載體之間的聯系，有些場景中的一些服務就會被拒絕。IMS引入了動態服務，這些服務的QoS需求具有一定的靈活性，靈活性可以用于定義一種機制，這種機制在當前網絡沒有足夠資源時不需要通過阻塞或取消會話的方式來解決會話沖突。采用阻塞和取消的概念來區分會話在網絡中如何被拒絕，當一個新的會話試圖去接入網絡并且其請求被拒絕，稱之為阻塞會話；當會話已被激活等到它從網絡中被移除，稱之為取消會話。

在R7中規定了IMS策略和計費控制架構PCC包含了計費和QoS的高級功能[10]。它主要由四個實體組成，策略與計費規則功能(PCRF)是負責制定決策的實體，尤其是策略控制和基于流的計費控制。其決定確切的業務數據流如何對待和授權QoS資源。由PCRF做出的決策傳輸到策略及計費執行功能(PCEF)，其主要負責策略執行，QoS處理，業務數據流檢測和其他計費功能。在IMS網絡中,應用功能(AF)是通過代理呼叫會話控制功能(P-CSCF)完成的。這個部分提供需要動態策略和計費控制的應用程序。它同時也提供一些會話相關的信息，需要PCRF做出決策。最后是用戶屬性存儲器(SPR)，包含有與所有簽約用戶或簽約相關的信息，如接入類型、位置信息和使用次數，簽約用戶的類型等，SPR與PCRF通過Sp參考點進行交互。

提出了一種增強的IMS中的QoS架構，這種架構可以支持靈活業務，并且可以重新設定QoS等級。首先，根據PCC架構中服務層的參數標準[11]，規定了一個叫做服務靈活性比特(SFB)的新參數，用以反映重新定位到不同QoS等級的服務能力。SFB可以設定為“1”或“0”,各自表示會話接受或不接受重新定位。提出的增強PCC架構如圖2所示。這個架構引入了一個新的實體，稱作QoS等級重新定位功能(QoS-LRF)，其負責做關于會話重新定位QoS等級的決定。

圖2 增強的PCC架構

2.2QoS等級重新設定功能

QoS-LRF利用SFB給出的信息，如優先權等級，PEC和PEV，除此之外還有傳輸網絡狀態的參數，以決定會話是否需要被重新設定，以及重新設定在什么等級。以國網天津市電力公司IMS融合視頻會議系統為例，融合視頻會議需要向著開放性、融合性、簡易性和多樣性的方向發展，這就必然會涉及到多種不同服務接入網絡，并且這些服務根據其占用帶寬等資源能力和對延遲的不同需求，從而具有不同的優先級，1表示最高的優先級，如表1所示。

表1 各種服務優先權等級

根據優先權等級的分類和可能用到每一個這些等級的服務，定義服務重新定位作為一種在不同的優先權等級保留所需的網絡資源的可能性，同時轉移業務到一個不同的等級并根據新的等級規定的QoS參數來提供服務。QoS-LRF特性的主要目的是使得在QoS等級中具有高優先權的會話受益，同時使得網絡資源最優化，提供利用其他QoS等級資源的可能性。

利用PCC架構提出的提前占用功能，PEC和PEV參數給了利用其他會話資源的可能性，SFB的引入給予了在其他QoS等級中去使用優先占用功能的可能性。QoS-LRF的算法流程如圖3所示。

圖3 QoS-LRF算法流程

3 基于MPLS的IMS網絡QoS保證

端到端QoS由終端，接入網絡和多級核心網共同保證。在IMS架構中，核心網絡信令和數據是基于IP承載，IP承載網是運營商為了承載有較高傳輸質量要求的業務，以IP技術構建的一張專網[12-13]。因此，IMS的QoS是依賴于IP網絡的QoS支持，在考慮基于IMS網絡的視頻會議QoS時，不僅要考慮到IMS核心網絡PCC(策略和計費控制)架構設計，同樣要考慮承載層來支持系統的有效性。下面研究用MPLS技術搭載DiffServ模型，實現IMS端到端QoS保證。

3.1利用MPLS承載DiffServ實現QoS保證

目前實現QoS保證的機制主要分為兩個模型：IntServ和DiffServ。其中IntServ模型采用網絡資源預留協議(RSVP)，其優點在于可以提供絕對的QoS保證，但其缺點更加明顯，表現為可拓展性差，對路由器要求高，使得其實際應用要求較高。與IntServ模型相比，DiffServ模型在擴展性上具有明顯的優勢。該模型將復雜計算任務集中于網絡邊緣節點，核心路由器處理過程相對比較簡單。然而，DiffServ模型通過多跳路由轉發協議獲得端到端QoS保證存在支持問題的不足[14]，因此可以利用MPLS，以使得映射網絡層路由分組轉發至數據鏈路層的標簽交換，能夠為實現端到端QoS保證創建一個基本的平臺。

3.2基于MPLS的IMS網絡QoS總體架構

基于MPLS的IMS網絡[2]QoS整體架構如圖4所示，主要涉及在控制層IMS會話建立過程中的QoS參數授權管理以及在MPLS承載網中數據包傳輸過程中的QoS保證。圖中的虛線表示用戶終端和IMS核心網元之間信令的相互傳輸，用戶終端進行服務業務應用，經過核心網絡協商后接入資源授權；實線表示數據和媒體流的傳輸，主要和承載網絡中的門控，路由和轉發有關。

圖4 基于MPLS的IMS網絡QoS整體架構

4 仿真結果

根據改進的IMS網絡架構，對改進后的整體網絡進行仿真，圖5為普通網絡架構和改進網絡架構的網絡資源占用情況。

圖5 不同網絡架構資源的占用情況

在傳輸相同數據量的情況下，兩種不同的網絡架構所提供的服務質量是不同的，可以由其所占用的網絡資源比例的不同反映出不同網絡架構之間QoS的差別，能夠明顯看出，普通網絡的資源占用率要高于新策略機制下的網絡。新策略下的IMS網絡架構將不同類型的服務根據其優先級進行分類，保證優先權等級高的網絡優先接入網絡，同時利用MPLS對網絡進行有效承載，提高了網絡資源利用率，使得網絡整體具有更好的服務質量。

5 結束語

為設計一種基于IMS網絡視頻會議的QoS保證架構，通過采用分層架構實現QoS保證，上層改進DiffServ模型策略控制和計費(PCC)架構，使得系統可以實現更加靈活的QoS，下層利用MPLS技術實現對DiffServ模型的有效承載。這種通過從核心網和承載網多個層次實現IMS網絡QoS保證的解決思路，可以達到優化網絡資源、提高QoS保證的目的，能夠滿足多業務、多用戶的不同需求，從而結合公司實際情況進行應用。

[1] Ali S G A,Baba M D,Mansor M A,et al.SIP based IMS registration signalling for LTE-based femtocell networks[C]//Control and system graduate research colloquium.Shah Alam,Malaysia:IEEE,2014:25-30.

[2] 趙 剛,張向祺,張 樂.基于MPLS承載架構的IMS網絡QoS研究[J].電信科學,2009,25(4):52-56.

[3] 鄒 翔,吳 軍.IMS的發展分析[J].計算機與數字工程,2007,38(6):43-45.

[4] 湯 亮.區分服務中保障TCP流之間公平性的標記策略研究[D].長沙：湖南大學,2008.

[5] 丁冬芳.LTE系統PCC架構的研究[D].南京：南京郵電大學,2014.

[6] Almandhari T M,Shiginah F A.A performance study framework for Multi-Protocol Label Switching (MPLS) networks[C]//GCC conference and exhibition.Muscat,Oman:[s.n.],2015:1-6.

[7] 李海華.BGP MPLS VPN數據轉發過程分析[J].計算機技術與發展,2011,21(6):4-8.

[8] 韓軍峰,張 勍,李福昌,等.LTE系統中QoS參數研究[J].郵電設計技術,2016(6):39-43.

[9] Filsfils C,Evans J.Deploying Diffserv in backbone networks for tight SLA control[J].IEEE Internet Computing,2005,9(1):58-65.

[10] 黃 坤.IMS中策略與計費控制的研究與設計[D].北京：北京郵電大學,2009.

[11] Zamora D C,Przybysz H.Policy and charging control architecture:US,EP2258076[P].2012-01-11.

[12] 莫秋菊.基于RSVP-TE協議擴展的IMS承載網QoS機制的研究[D].重慶：重慶郵電大學,2008.

[13] 陳彥萍,李增智,宋承謙,等.基于Intserv和Diffserv的端到端QoS研究[J].微電子學與計算機,2003,20(11):24-26.

[14] 喻 鋼,吳產樂,朱懷東,等.DiffServ Over MPLS模型實現機制研究[J].武漢大學學報:理學版,2003,49(1):59-62.

QoS Assurance for Video Conference Access in IMS Network

LANG He1，ZHANG Yu-chen1，JIANG Yuan-jian2，LI Yang2，LUO Wei2，LI Yang3

(1.State Grid Tianjin Electric Power Company,Tianjin 300010,China;2.State Grid Electric Power Research Institute，NARI Group Corporation，Nanjing 211000,China;3.Institute of Telecommunications & Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China)

As the core technology in next generation network,IP Multimedia Subsystem (IMS) has been widely used as a key technology in modern video conference.If it is needed to ensure the high quality of video conference access,it is necessary to provide reliable QoS (Quality of Service) guarantee.A QoS architecture based on IMS network video conference is proposed,in which the method of realizing IMS network QoS guarantee from multiple levels of the core network and bearing network is adopted.It has provided two layers of QoS,the upper of which has improved Differentiated Services (DiffServ) Policy Control and Charging (PCC) architecture to make different services (voice,video,data) in video conference with different priorities.Service with high priority would enjoy better QoS guarantee and therefore more flexible QoS has been achieved in this way.The other layer uses the Multi-Protocol Label Switching (MPLS) technology to achieve the DiffServ model bearer.The simulation shows that the network resources utilization of it is better than that of common one,as well as effectiveness of overall system and that it has achieved the goal of optimizing network resources and improving QoS.

IP multimedia subsystem；quality of service；differentiated services；multi-protocol label switch

2016-10-28

：2017-02-17 < class="emphasis_bold">網絡出版時間

時間：2017-07-11

國家自然科學基金資助項目(61302100)；國網天津市電力公司2016年科技項目(KJ16-1-16)

郎 赫(1982-)，男，碩士，中級工程師，從事通信傳輸、交換等項目建設管理工作。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170711.1456.074.html

TN929.5

:A

:1673-629X(2017)09-0175-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.09.038