CC BY
100
Построение и анализ модели для оценки времени установления соединения в подсистеме 1МБ
Ключевые слова: 1МБ, БР, среднее время установления соединения, ВСМР сеть, метод вторых моментов.
Современные устройства мобильной связи требуют широкополосного постоянного доступа в сеть Интернет, который не могут обеспечить сети третьего поколения (30). Именно по этой причине сегодня так актуальна проблема развертывания сетей четвертого поколения (40), которое способно решить многие проблемы, связанные с доступом в Интернет. Платформа !МБ предоставляет комплексные средства для быстрой разработки и разворачивания сервисов. !МБ играет решающую роль при построении сетей 40 с использованием высокоскоростных технологий мобильного доступа, таких как НЕ В борьбе за клиентов операторы расширяют спектр предлагаемых услуг и вынуждены активно работать над повышением их качества. Строится модель для оценки задержек передачи сообщений в подсистеме !МБ в виде неоднородной сети массового обслуживания. Получены формулы для расчета вероятностных характеристик, проведен численный анализ.
Абаев П.О.,
старший преподаватель кафедры систем телекоммуникаций РУДН, кф.-м.н., [email protected]
Салтымакова К.Э.,
бакалавр 4 года обучения кафедры систем телекоммуникаций РУДН, [email protected]
Ивашиненко Е.А.,
бакалавр 4 года обучения кафедры систем телекоммуникаций РУДН, еaivashinenl<:[email protected]
Введение
Концепция IP Multimedia Subsystem (IMS) описывает новую сетевую архитектуру, основным элементом которой является пакетная транспортная сеть, поддерживающая все технологии доступа и обеспечивающая реализацию большого числа инфокоммуникационных услуг. Ее авторство принадлежит международному партнерству Third Generation Partnership Project (3GPP), объединившему European Telecommunications Standartization Institute (ETSI) и несколько национальных организаций стандартизации.
IMS изначально разрабатывалась применительно к построению мобильных сетей 3-го поколения на базе протокола IP. В дальнейшем концепция была принята Комитетом ETSI-TISPAN, усилия которого были направлены на спецификацию протоколов и интерфейсов, необходимых для поддержки и реализации широкого спектра услуг в стационарных сетях с использованием стека протоколов IP.
В составе IMS выделяются три уровня [1], изображенных на рис. 1: транспортный уровень, уровень управления и уровень услуг.
Транспортный уровень отвечает за подключение абонентов к инфраструктуре IMS посредством пользовательского оборудования (User Equipment - UE). В роли данного оборудования может выступать любой терминал IMS, например смартфон с доступом в сеть Интернет через модуль 3G или Wi-Fi. Уровень управления - это совокупность функций IMS, которые осуществляют все действия по управлению сеансами связи. Верхний уровень эталонной архитектуры
IMS содержит набор серверов приложений, которые, в принципе, не являются элементами IMS. Эти элементы верхней плоскости включают в свой состав как мультимедийные ІР-приложения, базирующиеся на протоколе SIP, так и приложения, реализуемые в мобильных сетях на базе виртуальной домашней среды.
Рис. 1. Функциональная архитектура IMS
В среде 1М8 сервер НБЗ функционирует как открытая база данных о каждом пользователе и об услугах, задействованных абонентом: на какие услуги подписан пользователь, активизированы ли эти услуги, какие параметры управления были установлены пользователем.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
(грант 12-07-00108-а, 13-07-00953-а) и Министерства образования и науки Российской Федерации (проект 8.7962.2013).
Протокол SIP является основным сигнальным протоколом, применяемым в IMS. Качество предоставляемых услуг напрямую зависит от своевременной и надежной доставки сигнальных сообщений. Одним из основных показателей качества обслуживания является среднее время установления соединения [6, 7, 8]. В статье построена математическая модель для оценки среднего времени установления соединения в подсистеме IMS. Применяя метод вторых моментов для сетей массового обслуживания, получены приближенные формулы для оценки среднего времени установления соединения.
Построение модели установления соединения
На рис. 2 представлена типовая схема сети, состоящая из двух сегментов сети абонента А и сети абонента В. Рассмотрим сценарий, при котором соединение инициирует абонент А.
Сеть абоненте А Сеть абонента В
Рис. 2. Схема сети
Диаграмма установления соединения для рассматриваемой схемы сети представлена на рис. 3.
Рис. 3. Диаграмма установления соединения
Процесс установления соединения состоит из следующих этапов:
1. SIP-терминал (UE|) отправляет функциональному элементу P-CSCF своей сети сообщение INVITE, что соответствует началу сеанса связи, к SIP-терминалу абонента В (UE2). После обработки запроса это сообщение от P-CSCF передается функциональному элементу S-CSCF сети абонента А, который в соответствии с адресом абонента отправляет сообщение элементу I-CSCF сети абонента В.
2. I-CSCF отправляет серверу HSS запрос (сообщение LIR - Location-Info-Request) на получение местоположения абонента В и его функционального элемента S-CSCF. Получив ответ (сообщение LIA - Location-Info-Answer) посылает сообщение INVITE функциональному элементу S-CSCF своей сети, который отправляет это сообщение элементу P-CSCF и Р- CSCF отправляет SIP-терминалу (UE2).
3. В каждом случае, чтобы предотвратить повторные попытки посылки сообщения INVITE, отправляется предварительное сообщение 100 Trying (запрос обрабатывается) в ответ на сообщение INVITE.
4. В ответ абонент В отправляет сообщение 180 Ringing (местоположение вызываемого абонента определено и вызываемый абонента получает сигнал о входящем вызове от своего терминала) функциональному элементу P-CSCF своей сети. Сообщение транслируется из P-CSCF в S-CSCF и из S-CSCF в I-CSCF сети абонента В. Далее оно передается в SCSCF сети абонента А, откуда в P-CSCF и, далее, в SIP-терминал (UE|).
5. После ответа от абонента В транслируется сообщение 200 ОК функциональному элементу P-CSCF, потом в S-CSCF домашней сети, далее в S-CSCF сети абонента А. От S-CSCF в P-CSCF абонента А и, далее, абоненгу А, который получает индикацию соединения (Connection indication) от своего терминала.
6. От абонента А отправляется запрос АСК, который подтверждает прием ответа на сообщение INVITE. Этим сообщением терминал вызывающего абонента подтверждает получение окончательного ответа на свой запрос INVITE. В запросе АСК может содержаться окончательное описание сессии, передаваемое вызывающим абонентом. Запрос АСК передается абоненту В через P-CSCF, S-CSCF сети абонента А к S-CSCF, P-CSCF сети абонента В.
7. Между абонентами А и В устанавливается сессия и происходит передача голосовой информации с использованием протокола RTP. По окончании сессии соединение разрывается, а выделенные ресурсы сети освобождаются.
Математическая модель для оценки среднего времени
установления соединения
Время установления соединения - это промежуток времени между моментом отправления вызывающей стороны запроса INVITE до момента получения вызываемой стороны сообщения АСК за вычетом времени реакции вызываемого абонента и задержки на вызывающей стороне. Время реакции вызываемого абонента - промежуток с момента получения вызываемой стороны запроса INVITE до момента отправления ею сообщения 200 ОК. Задержка на вызывающей стороне - промежуток с момента получения ею 180 Ringing до отправления ею сообщения АСК [5].
Для расчета времени установления соединения построим схему модели установления соединения из сети абонента А в сеть абонента В, как показано на рис. 4 [3, 4]. Соответствие номеров узлов модели элементам телекоммуникационной сети, изображенной на рис. 1, устанавливается следующим
образом: узлы 1 и 8 - терминалы пользователей, узлы 2 и 7 — элемент Р-СБСР, узлы 3 и 6 - Б-СЯСТ, узел 4 - элемент I-СБСИ, узел 5 - ИББ.
Случайная величина Д времени установления соединения
8
рассчитывается по формуле Д = ^Г/;Д > где /; - число пе-
1=1
редач сообщения через /-узел сети, Д - случайная величина
времени прохождения сообщения через /-узел сети. Обозначим V = МД — среднее время установления соединения, V,. = А/А, - среднее время прохождения сообщения через /узел сети. Среднее время установления соединения V из сети абонента А (Узел 1) в сеть абонента В (Узел 8) рассчитывается по формуле
V = 2у, + Зу2 + Зу3 + 2у4 + у5 + Зу6 + Зу7 + у8 .
(£ = {1,2,...,6} • Каждый узел представляет собой либо СМО
с дисциплиной РСРБ для узлов из множества ‘МрСК = {2,3,4,5,6,7}, либо СМО с дисциплиной
обслуживания типа 1Б для узлов из множества <мк = {1,8} •
Каждой из возможных передач сообщений поставлен в соответствие отдельный класс заявки, как показано в табл.
1. Будем называть (/',г)-заявкой заявку класса г, находящуюся на обслуживании в /'-узле и обозначим £' = {(/',/•) :/€5И,ге Я?.} - множество всех допустимых
типов заявок. Маршрутизацию заявок в сети описывает стохастическая матрица 0 = (0. е М,г,з е 3?.-
Таблица I
Соответствие сообщений классам заявок
У зля 1 У зля 2 /мл 3 /мл 4 Узел 5 /мл в /мл 7 Узел в
I ЦЕ, | |P-CSCF| IS-CSCF |
Сеть Абонента «А»
Сеть абонента «В»
Рис. 4. Схема установления соединения
На рис. 5 изображена циркуляция заявок при установлении соединения между абонентами А и В. Цифрами показана последовательность перехода заявок (сообщений) в соответствии со схемой установления соединения, представленной на рис. 4.
-~і?=аМЩ]0=
♦ИГ- • * ”*
О
мишоа.
©
ТЗЭСЕ
—»овг~чо%т*(в»—
Класс заявки Сообщение
г, є {1,2,3,4,7,8,9} INVITE
г, є {5} LIR
г3 є {6} LIA
г4 є {10,11,12,13,14} 200 OK
г5 є {15,16,17,18,19} АСК
г6 є {21,22,23,24,25,26,27} 100 Trying & 180 Ringing
Для описания выхода заявок из сети введем дополнительный узел с номером 9, и пусть при переходе в этот узел заявка меняет класс на г0 = 0, /•„ е {20,28}. Тогда
£" = {(9,0)} - дополнительное множество заявок. Переходы между множеством £ = £'[_) С" заявок описывает расширенная стохастическая матрица 0, ненулевые элементы которой показаны в табл. 2.
Таблица 2
Матрица вероятностей переходов
Рис. 5. Модель установления соединения
Є/,.а Значение индексов (/', г), (/', ї)
(0,1),(1,1); (0,6),(8,6);
(1,1),(2,1); (1,5),(2,5); (1,0),(9,0);
(2,1), (3,1); (2,4),( 1,5); (2,5),(3,5); (2,6),( 1,0);
(3,1),(4,2); (3,4),(2.4); (3,5),(6,5); (3,6),(2,6);
і (4,2),(5,3); (4,1),(6,1); (4,6),(3,6);
(5,3),(4,1);
(6,1 ),(7,1); (6,4),(3,4); (6,5),(7,5); (6,6),(4,6);
(7,1),(8,4); (7,4),(6,4); (7,5),(8,0); (7,6),(6,6);
(8,4),(7,4); (8,0),(9,0); (8,6),(7,6);
0 в остальных случаях
Функционирование системы будем моделировать в виде открытой сети массового обслуживания, состоящее из узлов двух типов м - М18 и Мпп » IМ |= М, в которой циркулируют заявки нескольких классов из множества
Обозначим интенсивность потока заявок /•-класса в /-узле, д интенсивность суммарного потока в
тЦ.
/'-узле. В предположении, что поступающий поток заявок
следующего поколения // T-Comm: Телекоммуникации и
транспорт, №7, 2010.-С. 134-138.
4. Abaev P.O. On SIP Session Setup Delay Modeling in Next
Generation Networks // Статья в сборнике трудов конференции International Congress on Ultra Modem Telecommunications and
Control System (ICUMT). - Москва, 2010. - С. 1125-1131.
5. V.S. Abhayawardhana. R. Babbage. A traffic model for the IP Multimedia Subsystem (IMS)//2007, IEEE Magazine. P.7839787.
6. Jie X., Changcheng H., James Y. A flow-based traffic model
for SIP messages in IMS // IEEE conference on Global
telecommunications, 2009.
7. Kovacik Т., Kotuliak I. Traffic Characterization in IP
Multimedia Subsystem // IEEE International Conference on Systems Signals and Image Processing, 2009.
8. ETSI TS 132 454: Universal Mobile Telecommunications System (UMTS); LTE; Telecommunication management; Key Performance Indicators (KPI) for the IP Multimedia Subsystem (IMS) (3GPP TS 32.454 version 10.0.0 Release 10), 2011.
9. Recommendation Y.1541: Network performance objectives for IP-based services, 2011.
Modeling session setup delay in ip multimedia subsystem
Pavel Abaev, [email protected] Kseniya Saltimakova, [email protected] Ekaterina Ivashinenko, eaivashinenko@gmail.
Abstract
Modern mobile devices require a constant broadband access to the Internet, which cannot provide by 3G network. Since 4G network is able to solve many of the problems associated with access to the Internet, so the problem of 4G network deployment is urgent. IMS platform provides integrated tools for rapid development and deployment of services. IMS plays a crucial role in the construction of 4G networks with high-speed wireless access technologies such as LTE. In the fight for customer operators increase the number of services and have to actively work to improve their quality. We build a model in the form of a queuing system to estimate call setup delay in IMS subsystem in a heterogeneous network. The formulas for calculation of the probability characteristics are obtained.
Keywords: IMS, SIP, mean setup delay, BCMP network, method of the second moments.
приближенная формула для оценки времени установления сессии.
Задачей дальнейших исследований является исследование основных показателей качества предоставления услуг на базе подсистемы IMS, в том числе среднего времени установления соединения с учетом потерь при передаче сообщений.
Литература
1. 3GPP TS 23.228: 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Services and System Aspects; IP Multimedia Subsystem (IMS); Stage 2, 2013.
2. Самуилов K.E., Сопин Э.С., Чукарин А.В. Оценка характеристик сигнального трафика в сети связи на базе подсистемы IMS // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт, №7, 2010.-С. 8-13.
3. Абаев П.О., Хатунцев А.Б. Построение и анализ модели установления соединения по протоколу SIP в сети связи
