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(wèi)星網(wǎng)絡中SIP業(yè)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(wèi)星網(wǎng)絡可以為用戶提供豐富的多媒體業(yè)務，SIP協(xié)議作為支持多媒體業(yè)務傳輸?shù)闹髁鲄f(xié)議逐漸得到廣泛應用。為保證這類業(yè)務的傳輸質(zhì)量，提出了一種衛(wèi)星網(wǎng)絡中針對SIP業(yè)務的QoS機制。該機制通過實時檢測SIP信令，結(jié)合衛(wèi)星網(wǎng)絡的資源使用情況，對多媒體業(yè)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(jié)果表明，該機制不僅能夠保證SIP業(yè)務的傳輸性能，還能提高衛(wèi)星網(wǎng)絡的資源利用率。

關鍵詞：寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡；QoS；SIP

0引言

隨著Internet的發(fā)展，IP業(yè)務在各類網(wǎng)絡中的比重也越來越大。IP 技術在地面網(wǎng)絡應用的成功，為衛(wèi)星網(wǎng)絡的發(fā)展指明了方向[1]。寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡[2]以IP技術為基礎，能夠為用戶提供語音、數(shù)據(jù)、Internet接入、交互式多媒體應用等綜合業(yè)務[3]。SIP協(xié)議作為IP網(wǎng)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(yōu)點得到了廣泛應用。

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

1SIP協(xié)議

1.1會話模型

SIP協(xié)議(初始會話協(xié)議)用于管理會話，它是一種基于文本的協(xié)議[5]，可集成各類多媒體業(yè)務應用，如視頻、會議等。SIP協(xié)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(fā)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(fā)來的SIP請求消息后根據(jù)需要對消息進行修改，然后轉(zhuǎn)發(fā)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(fā)往服務器，響應消息是由服務器發(fā)往客戶機。SIP是應用層協(xié)議，使用SDP(會話描述協(xié)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(tǒng)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(tài)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(jié)束，每個SIP消息頭后必須有空行；消息體包含真正消息內(nèi)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(xié)議流程

SIP業(yè)務呼叫流程如圖3所示。

圖3　SIP呼叫流程

SIP協(xié)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(yè)務在傳輸過程中首先使用SIP消息，基于交互式的流程協(xié)商建立或釋放會話。協(xié)商完成后使用RTP協(xié)議傳送音頻和視頻流。

2衛(wèi)星網(wǎng)絡中SIP業(yè)務的QoS保證

2.1基本原理

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

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

2.2網(wǎng)絡架構(gòu)

為在寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡開展基于SIP的多媒體業(yè)務，并能夠為業(yè)務提供服務質(zhì)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(wèi)星網(wǎng)絡架構(gòu)[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(wèi)星資源分配和預留，并基于資源預留的結(jié)果進行會話控制，實現(xiàn)多媒體業(yè)務的QoS保證[13]。

2.3通信流程

多媒體業(yè)務開始通信時，首先通過SIP信令進行會話協(xié)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(yè)務的IP地址及端口號等信息，并將這些信息轉(zhuǎn)換為定量的QoS參數(shù)，如業(yè)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(yè)務的實際QoS參數(shù)，向衛(wèi)星信道終端發(fā)起業(yè)務接入請求，衛(wèi)星信道終端向衛(wèi)星資源管理中心申請本次業(yè)務通信所需的衛(wèi)星資源。衛(wèi)星資源管理中心根據(jù)業(yè)務的QoS需求和當前網(wǎng)絡資源的實際使用情況判斷是否允許業(yè)務接入。如果允許接入，則為衛(wèi)星終端分配所需的衛(wèi)星資源，衛(wèi)星終端通知SIP代理模塊資源申請成功，SIP代理繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)后續(xù)SIP信令，如圖5所示，開始業(yè)務通信；如果拒絕接入，衛(wèi)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(fā)送CANCELL信令，取消本次會話。

圖5　衛(wèi)星網(wǎng)絡SIP業(yè)務通信流程

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

會話結(jié)束時SIP代理模塊截取SIP結(jié)束信息(如BYE的200 OK)，并觸發(fā)衛(wèi)星鏈路的釋放。

3仿真驗證

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

仿真環(huán)境中模擬了3個優(yōu)先級的業(yè)務，SIP話音業(yè)務的優(yōu)先級最高，另外2個優(yōu)先級的都為數(shù)據(jù)業(yè)務，各種業(yè)務在110 s時開始加載。

話音業(yè)務傳輸延時仿真結(jié)果對比如圖6和圖7所示，仿真結(jié)果表明，在基于Diffserv的QoS保證機制下，話音業(yè)務雖然擁有較高的優(yōu)先級，但是在網(wǎng)絡擁塞時需要實時的與網(wǎng)絡中的其他業(yè)務競爭衛(wèi)星資源，每幀內(nèi)業(yè)務申請到的時隙位置都不相同，因此業(yè)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(wèi)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(yè)務的傳輸。

圖6　話音業(yè)務傳輸?shù)难訒r

圖7　話音業(yè)務的傳輸延時抖動

4結(jié)束語

寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡支持多媒體業(yè)務傳輸成為衛(wèi)星網(wǎng)絡發(fā)展的必然趨勢，因此研究基于SIP的多媒體業(yè)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(yè)務資源需求，驅(qū)動衛(wèi)星鏈路建立，進行資源預留。同時檢測到業(yè)務通信結(jié)束信令后，釋放衛(wèi)星資源。采用這種方式不僅能夠保證基于SIP多媒體業(yè)務的傳輸質(zhì)量，還能夠高效利用衛(wèi)星網(wǎng)絡帶寬資源。

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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(wèi)星通信技術。張亞生(1969—)，男，研究員，主要研究方向：衛(wèi)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(wèi)星網(wǎng)絡中SIP業(yè)務應用研究 [J].無線電通信技術,2016,42(3):102-104,109.