陳波 張慧瑞 杜秀麗 王運明,2

1．大連大學信息工程學院遼寧大連116622 2.南京理工大學江蘇南京210094

隨著戰(zhàn)爭條件下的電磁環(huán)境、氣候環(huán)境和應(yīng)用環(huán)境情況越來越復雜多變,通信網(wǎng)絡(luò)也要快速地隨之變化,同時要求很高的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量.陸用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中軟交換技術(shù)是保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的核心技術(shù),而呼叫控制模型完成了軟交換最核心的控制功能.因此,建立高效的呼叫控制模型是保障網(wǎng)絡(luò)通信和服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵[1?3].

智能網(wǎng)能力集中的基本呼叫狀態(tài)模型(Basic Call State Model,BCSM),提出了呼叫模型的基本概念,現(xiàn)有的模型大多是在此基礎(chǔ)上改進的,但此模型只適用于普通的語音呼叫,并且沒有媒體控制功能.P916研究項目提出的呼叫控制模型,增加了多媒體呼叫模型,但是其狀態(tài)模型只適用H.245協(xié)議,另外該模型沒有清晰的呼叫關(guān)系.文獻[4]提出呼叫控制模型,支持多媒體的控制,對BCSM模型進行了改進,減少了子模型、呼叫點和檢測點,系統(tǒng)復雜度減低,但還是基于主被叫的呼叫方式,沒有實現(xiàn)真正的多方呼叫[4].文獻[5]提出的信令–承載控制相分離的呼叫控制模型(Signalling and Bearer Separated Call State Model,SBS-BCM),將信令和承載相分離,完成多媒體和移動業(yè)務(wù),具有一定的通用性,但與文獻[6]提出一種適用SIP(Session Initiation Protocol,SIP)的呼叫控制模型一樣沒有建立會話關(guān)系模型,實現(xiàn)多方呼叫不便.文獻[7?8]提出的呼叫模型提出了描述會話的會話模型,來描述呼叫會話關(guān)系,但是當一個呼叫和其他呼叫建立大量的呼叫會話時,處理這些會話關(guān)系,會使網(wǎng)絡(luò)性能下降.

針對現(xiàn)有軟交換呼叫控制技術(shù)缺少對呼叫會話有效地控制導致服務(wù)質(zhì)量低的問題,提出一種基于會話管理的軟交換呼叫控制模型(Session Management Call State Model Based on Softswitch,SM-CSM),在SBS-BCM的基礎(chǔ)上增加會話管理子模型,對呼叫會話有效地控制,解決網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量下降的問題.最后針對陸用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的特點,構(gòu)建仿真系統(tǒng)驗證該模型的可用性和高效性.

1 信令–承載控制相分離的呼叫控制模型

1.1 體系作戰(zhàn)超網(wǎng)絡(luò)指揮周期的分析方法

信令–承載控制相分離的呼叫控制模型提出的分層呼叫控制模型主要思想為:呼叫控制功能由信令模型與承載模型組成,協(xié)議接入處理模塊完成媒體協(xié)議接入.它的設(shè)計與具體協(xié)議無關(guān),具有一定的通用性[5],如圖1所示.

圖1 SBS-BCM模型

核心會話控制模塊是協(xié)議無關(guān)的,完成通用呼叫控制功能,包含信令控制模型與承載控制模型.協(xié)議接入處理模塊包含連接控制模型.

SBS-CSM將信令鏈接與媒體鏈接的控制能力分離并同時提供給業(yè)務(wù),滿足了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合中業(yè)務(wù)對軟交換的控制能力提出的復雜需求.并且SBSCSM的設(shè)計是立足于邏輯抽象而非具體信令協(xié)議,實現(xiàn)了跨協(xié)議的通用性,滿足了軟交換系統(tǒng)接入多種終端類型的需要.但是沒有建立對會話關(guān)系進行控制的模型,當出現(xiàn)呼叫量增大時,發(fā)起多個呼叫的呼叫方,網(wǎng)絡(luò)性能會急劇下降,網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量不能保證.為解決此問題,需要把會話從兩方呼叫方中分離出來,建立會話隊列進行統(tǒng)一的管理,避免單個呼叫方處理大量的會話關(guān)系.

2 基于會話管理的軟交換呼叫控制模型

2.1 呼叫控制模型

針對陸用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)呼叫控制模型對多方多媒體承載能力、多業(yè)務(wù)支持能力和多網(wǎng)絡(luò)融合支持能力不足,當呼叫的數(shù)量增大時,網(wǎng)絡(luò)負載和時延會明顯增加,不能保證服務(wù)質(zhì)量.在SBS-CSM的基礎(chǔ)之上,提出一種基于會話管理的呼叫控制模型,增加會話管理模型,為軟交換提供完整的呼叫控制功能,支持會話關(guān)系模型控制.為支持多方多媒體的呼叫控制模型增加了會話關(guān)系模型.

本文提出的SM-CSM由呼叫狀態(tài)模型(Call State Model,CSM)、媒體狀態(tài)模型(Media State Model,MSM)、會話狀態(tài)模型(Session State Model,SSM)和會話管理模型(Session Management Model,SMM)組成,完成呼叫控制的基本功能,支持多媒體和移動業(yè)務(wù),并且對會話進行管理,如圖2.

圖2 SM-CSM模型

SC/MC:軟交換內(nèi)部消息分為兩類,與媒體相關(guān)的稱之為媒體控制消息(Media Control,MC),其他稱為信令控制消息(Signal Control,SC);

CSM:呼叫狀態(tài)模型(Call State Model,CSM),用于描述呼叫的狀態(tài)和遷移;

MSM:媒體狀態(tài)模型(Media State Model,MSM),用于描述媒體的狀態(tài)和遷移;

SSM:會話控制模型(Session State Model,SSM),用于描述會話關(guān)系的狀態(tài)和遷移.由會話組成;

SMM:會話管理模型(Session Management Model,SMM),用于對呼叫中所建立的會話進行管理,對已有會話中的呼叫方進行優(yōu)化鑒權(quán).

SMM完成Session的鑒權(quán)準入工作,SMM增加了兩個隊列,分別為會話隊列(Session List)和呼叫腿隊列(Leg List).會話建立和釋放的對應(yīng)著Session-List的添加、刪除;每個接入的呼叫都會存在LegList中.

SM-CSM的重點在于,使用SSM來描述呼叫方之間的關(guān)系,使用SMM對會話的建立、釋放和刪除進行鑒權(quán),當建立會話的呼叫并優(yōu)化呼叫接入和會話建立的過程,這就簡化了呼叫的過程.

2.2 會話管理控制模型

SM-CSM創(chuàng)造性地提出了會話管理模型,在會話管理子模型中添加會話表和呼叫腿表.

1)會話表:會話的建立與釋放對應(yīng)著會話在會話表中的添加與刪除操作.一個會話是由兩個呼叫腿組成的.

2)呼叫腿表:呼叫腿對應(yīng)呼叫的CSM和MSM.呼叫的接入,會存儲在呼叫腿表中.

3)會話表和呼叫腿表的關(guān)系:一個會話對應(yīng)兩個腿,腿對應(yīng)著呼叫方.兩個呼叫建立會話時,我們會對每個呼叫進行合法性檢驗,通過檢驗每個呼叫存入呼叫腿,建立的會話存入會話表中;若呼叫已經(jīng)存在呼叫腿表中(即已經(jīng)建立過呼叫會話),則由呼叫腿中的兩個呼叫腿索引組成會話.

4)鑒權(quán)優(yōu)化:對于已經(jīng)處在呼叫腿中的呼叫腿,若想建立多方呼叫時,則可以對呼叫腿優(yōu)化鑒權(quán),因為此呼叫方的信息已經(jīng)經(jīng)過合法性驗證.其中合法性檢驗包括號碼分析、媒體協(xié)商、查詢呼叫信息、路由查詢等操作,因為這些操作都是在呼叫狀態(tài)模型完成的,會話管理模型只是接受合法性消息進行判斷,所以本文不再贅述[9?10].

當呼叫模型處理大量呼叫時,兩方呼叫產(chǎn)生的會話,統(tǒng)一由會話表管理,每個呼叫的信息存儲在呼叫腿中.對已經(jīng)建立會話的呼叫,系統(tǒng)保有其合法驗證的額信息;大量的呼叫由呼叫腿來存儲,產(chǎn)生的會話信息由會話表存儲.因此,由會話建立的鑒權(quán)工作就會減少,系統(tǒng)處理能力就會增加.

會話管理模型如圖3所示,會話管理模型定義了Authorize(授權(quán)),UnAuthorize(回收授權(quán)).Authorize:給合法的會話授權(quán)開始;UnAuthorize:回收非法的授權(quán).

圖3 會話管理模型

呼叫控制模型由呼叫控制點(Points In Call)、檢測點(Detection Points)、轉(zhuǎn)移態(tài)(Transitions)、事件(Events)組成.如圖3所示,分別對應(yīng)深色方框、白色長方框、箭頭和箭頭上的字.PIC說明智能網(wǎng)業(yè)務(wù)邏輯請求完成基本呼叫流程時,所要進行的呼叫控制功能的行為.DP說明在基本呼叫流程中,哪些狀態(tài)可能觸發(fā)智能業(yè)務(wù)邏輯.Transitions表明從一個PIC到另一個PIC的轉(zhuǎn)換.Events是推進基本呼叫流程的事件.

PIC如下:

Null:表明會話剛建立或被刪除.

Half-Authorize:表明呼叫方發(fā)起呼叫,準備建立會話,收到呼叫方合法性驗證消息后,并且驗證通過.即成功綁定一方,繼續(xù)綁定第二方.

Authorized:表明授權(quán)成功,授權(quán)的過程需要對呼叫方的權(quán)限鑒定,對被叫方的合法性進行判斷,因此,授權(quán)時需要呼叫方的狀態(tài)信息(此信息存在于CSM和MSM中,會通過消息傳遞到此處).授權(quán)成功加入SessionList中,已經(jīng)建立會話的呼叫方直接通過授權(quán).

Authorize-Hold:表明授權(quán)需要等待其他的消息,需重新授權(quán).

Active:表明會話激活成功,可以工作.

Active-Hold:表明激活未成功,嘗試重新激活.

HalfRelease:呼叫方嘗試釋放呼叫,需要等待被釋放方處理完傳輸?shù)臄?shù)據(jù)方可,進入釋放Release.

Release:釋放會話,收到雙方均發(fā)出釋放的消息和媒體信息也釋放的消息,會話將釋放.

DP如下:

Session Attached:收到了呼叫消息.

Half Authorized Finished:收到半授權(quán)消息后,進入該DP點.

Media Attached:收到媒體激活消息,進入該DP點.

Media Detached:收到媒體釋放的消息,進入該DP點.驅(qū)動消息包括內(nèi)部釋放和業(yè)務(wù)主動釋放.

Session Detached:收到會話釋放的消息,進入該DP點.

Exception:Manage:授權(quán)過程中的異常操作等將觸發(fā)進入該DP點[7?9].

3 模型對比及仿真分析

3.1 模型分析

基于會話管理的軟交換呼叫控制模型與BCSM、SBS-CSM、P916的模型結(jié)構(gòu)比較[5].如表1所示.

從模型結(jié)構(gòu)的改變上來看,與SBS-CSM等模型比較,增加了會話管理模型,使用它解決了呼叫過程中的鑒權(quán)和會話管理功能.相應(yīng)的PIC點和DP點的數(shù)目也增加了,PIC增加了6個,DP點增加了6個.但是SM-CSM模型之間的關(guān)系特點是高內(nèi)聚低耦合的,沒有繁雜的交互,因此,SM-CSM的復雜性沒有增加.從功能的角度來看,4個模型都完成基本的呼叫業(yè)務(wù),但是BCSM和P196并沒有建立會話的功能,所以呼叫的數(shù)量只是單數(shù),限制了呼叫的性能和數(shù)量[10?13].BCSM和P916并沒有向業(yè)務(wù)提供控制媒體鏈接的能力,不適應(yīng)現(xiàn)在軟交換對多媒體要求.

表1 呼叫模型對比表

3.2 仿真結(jié)果及分析

針對陸用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò),使用OPNET分別對4種模型進行呼叫話務(wù)系統(tǒng)仿真測試.為了驗證仿真系統(tǒng)的有效性,除軟交換節(jié)點不同之外,網(wǎng)絡(luò)其余部分均相同.

仿真系統(tǒng)包括超短波通信網(wǎng)、高速數(shù)據(jù)網(wǎng)和光纖網(wǎng),其中呼叫控制模型通過OPNET中的Modeler編程實現(xiàn)[11?15].通過“DES Statistics”來收集仿真系統(tǒng)的統(tǒng)計量,記錄的網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)為:網(wǎng)絡(luò)負載、時延、呼叫阻塞率和資源利用率.分別對兩個仿真場景進行話務(wù)仿真,設(shè)置仿真時間為30h,隨著每分鐘增加1000個呼叫.仿真數(shù)據(jù)導入到MATLAB,產(chǎn)生分析結(jié)果.

圖4 網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)負載對比圖

如圖4所示,在0h～6h時,由于SBS-CSM只是靠CSM和BCM來完成呼叫的控制,在大量呼叫出現(xiàn)時,需要維護的會話關(guān)系劇增,網(wǎng)絡(luò)負載急劇上升到了365Mbit/s,最終保持在380Mbit/s左右;而SM-CSM,網(wǎng)絡(luò)負載增加到350Mbit/s,最終保持在370Mbit/s左右.BCSM系統(tǒng)容量低,但網(wǎng)絡(luò)負載仍然達到370Mbit/s左右.P916的網(wǎng)絡(luò)負載最高,達到385Mbit/s.綜上,SM-CSM的網(wǎng)絡(luò)負載低于SBSCSM和P916,略低于BCSM.

如圖5所示,SM-CSM的網(wǎng)絡(luò)平均時延,從3.0×10–4s 緩慢增加到 4.0×10–4s,略低于 SBSCSM.但是高于從3.0×10–4s只緩慢增加到3.9×10–4s的BCSM模型.P916模型的時延較高的保持在6.3×10–4s.

圖5 網(wǎng)絡(luò)平均時延對比圖

如圖6所示,在0h～8h的仿真時間里,BCSM和SM-CSM的呼叫阻塞率,增加到了52%,隨后緩慢增加到55.6%;而P916和SBS-CSM在0h～8h的仿真時間里,則增加到了55%,隨后P916增加到60%,SBS-CSM增加到55.9%.SM-CSM的呼叫阻塞率和BCSM幾乎相同,低于P916和SBS-CSM.阻塞率的減少表明會有更多的呼叫用戶可以接入網(wǎng)絡(luò)中,說明SM-CSM提高系統(tǒng)容量.

圖6 呼叫阻塞率

如圖7所示,在0h～3h的仿真時間里,系統(tǒng)呼叫量急劇增加時,SM-CSM和SBS-CSM的資源利用率近似于100%,隨后也保持在這個量級.但P916則只能達到99.5%,而BCSM只達到了99.1%左右.SM-CSM比P916和BCSM均高,與SBS-CSM幾乎相同,但是在0h～3h的仿真時間里,增長的速度低于SBS-CSM.說明SM-CSM在系統(tǒng)處理大量呼叫時,增加了資源用率.

圖7 資源利用率

隨后又對SM-CSM和SBS-CSM做了多種協(xié)議進行的測試,如用戶部分協(xié)議(ISDN User Part,ISUP)、媒體網(wǎng)關(guān)控制協(xié)議(Media Gateway Control Protocol,MGCP)、H.232協(xié)議(在分組網(wǎng)上提供實時語音、視頻和數(shù)據(jù)通信的標準協(xié)議)、會話初始協(xié)議(Session Initiation Protocol,SIP)等.SM-CSM提供了靈活的媒體控制能力,相比SBS-CSM最大消息轉(zhuǎn)發(fā)時間和最大消息轉(zhuǎn)發(fā)時間均有所降低.系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)如表2所示.

表2 消息轉(zhuǎn)發(fā)時間表

4 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)有軟交換呼叫控制技術(shù)缺少對呼叫會話有效地控制導致服務(wù)質(zhì)量低的問題,提出了一種基于會話管理的軟交換呼叫控制模.在原SBS-CSN的基礎(chǔ)上增加了會話管理子模型,根據(jù)會話和呼叫關(guān)系建立會話鑒權(quán)和準入方法,并通過管理呼叫腿隊列中的呼叫腿來減少鑒權(quán)次數(shù).雖然相對SM-CSM增加了DP和PIC點,但是SM-CSM模型之間的關(guān)系特點是高內(nèi)聚低耦合的,沒有繁雜的交互,因此,模型的復雜性沒有增加.針對陸用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的特點,搭建仿真系統(tǒng),仿真結(jié)果表明,該模型有效降低了呼叫阻塞率、減小了網(wǎng)絡(luò)平均時延和負載,進而提高了網(wǎng)絡(luò)的帶寬利用率,總體上提高了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量,說明此呼叫控制模型具有實際使用的價值.