繆巍巍 蔣承伶 江 凇

（江蘇省電力公司 南京 210024）

1 引言

近年來，隨著堅強智能電網(wǎng)建設步伐的不斷加快，以及“三集五大”體系的全面建成，電網(wǎng)用戶對于通信業(yè)務的需求正逐步由單一的語音需求轉變?yōu)閷φZ音、數(shù)據(jù)、圖像、多媒體等業(yè)務的綜合需求。傳統(tǒng)的電力通信行政交換網(wǎng)絡采用電路交換技術體制，存在著綜合業(yè)務融合適應性差、帶寬利用效率低、用戶操作不便捷等眾多問題。與此同時，信息通信技術的快速發(fā)展，使得存在多年的電路交換技術正處于被淘汰的邊緣，延續(xù)原用的行政交換設備將面臨著技術支持和售后服務無法持久的潛在風險。IMS（IP Multimedia Subsystem，IP多媒體子系統(tǒng)）作為下一代網(wǎng)絡的發(fā)展方向，通過控制層與承載層的分離，以及采用分組交換技術承載媒體流，不但實現(xiàn)了網(wǎng)絡的融合，更重要的是實現(xiàn)了業(yè)務的融合，能夠在統(tǒng)一的技術平臺上為用戶提供語音、數(shù)據(jù)、視頻以及其他增值業(yè)務［1～2］。

由于IMS系統(tǒng)提供的業(yè)務形式更加靈活、內(nèi)容更加豐富、應用也更加廣泛，因此IMS技術在電力系統(tǒng)中逐步得到廣泛應用，各類新興的通信業(yè)務也呈現(xiàn)出快速增長的趨勢。然而這些音頻、視頻、數(shù)據(jù)等多媒體在傳輸時不僅要確保傳輸多媒體流的連續(xù)性和實時性，同時還應控制多媒體流在傳輸過程中的阻塞概率，從而有效保障電力IMS通信業(yè)務的服務質(zhì)量和用戶體驗。因此，在電力IMS通信業(yè)務開通與會話時，需要有一種傳輸時延短且數(shù)據(jù)包阻塞概率相對較小的路由算法來對電力IMS通信業(yè)務的多媒體流進行一定的路由優(yōu)化，從而滿足IMS業(yè)務實時性和高質(zhì)量的管理需求。

本文對電力IMS通信業(yè)務的開通與執(zhí)行過程中的多媒體流路由過程進行了分析，介紹了一種基于最短路徑的多媒體流路由調(diào)度方法，在此基礎上分析了影響業(yè)務影響傳輸質(zhì)量的路由分配策略，針對多媒體流在傳輸過程中阻塞概率的變化提出了一種優(yōu)化策略，并進行了仿真驗證，結果表明本文提出的多媒體流路由算法及其優(yōu)化策略可使得IMS系統(tǒng)中多媒體流的傳輸能夠兼顧滿足實時性和高質(zhì)量的性能要求，在一定程度上可以保障IMS系統(tǒng)中信息傳輸?shù)馁|(zhì)量，滿足電力用戶的生產(chǎn)管理需求。

2 多媒體流路由算法

2.1 多媒體流路由過程分析

在電力IMS系統(tǒng)中，應用場景最廣泛是多媒體會話，當用戶與用戶之間通過SIP INVITE等消息協(xié)商好后即可進行會話。多媒體會話是由一組多媒體發(fā)送者和接收者以及彼此之間的數(shù)據(jù)流組成。這些數(shù)據(jù)流包括音頻、視頻以及文本等各種類型［3～6］。由于會議業(yè)務是一種實時性業(yè)務，數(shù)據(jù)的傳輸必須保證傳輸數(shù)據(jù)流的連續(xù)性，即數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。在保證數(shù)據(jù)傳輸實時性的同時，還需控制連續(xù)媒體數(shù)據(jù)包在傳輸過程中的阻塞概率，以保證會議業(yè)務的高質(zhì)量。因此在實際通信過程中，這些媒體流的路由過程是影響通信質(zhì)量的一個重要因素。

圖1表示了一個在n個用戶之間建立的IMS會議的典型應用場景，且n個用戶分屬于n個不同的自治系統(tǒng)AS（Autonomous System）。

圖1 n個用戶之間建立的IMS會議示意圖

在該IMS會議中，會話由用戶A創(chuàng)建，邀請了其它n-1個用戶參加。A會首先向會議中心發(fā)出一個INVITE的請求，要求創(chuàng)建一個會議。然后將這個會議的URI通過REFER消息發(fā)送給其它n-1個用戶，通知他們加入這個會議。當所有的用戶均加入到會議中后，A就可以正式開始會議服務，與其他n-1個會議成員進行多媒體會話。由于IMS系統(tǒng)是基于IP網(wǎng)絡的，因此，用戶A可將多媒體流發(fā)送到會議服務器，由會議服務器中的媒體混合器對接收到的會議多媒體流進行控制和處理，并將處理后的多媒體流發(fā)送給其他n-1個用戶。

在實際IMS系統(tǒng)中，一個標準的多媒體流路由過程通常包括以下步驟：首先，用戶向IMS系統(tǒng)提交一個請求，請求建立一個用于多媒體通信會話的連接，也可稱之為通信連接呼叫。一個通信連接呼叫主要有一系列的數(shù)據(jù)流組成，如視頻會議中數(shù)據(jù)流為語音流和視頻流。IMS系統(tǒng)接收到用戶請求后則進入路由階段和路徑建立階段。在路由階段將篩選出一條線路或多條線路的集合，用于建立呼叫。路徑建立階段則包含了一系列的規(guī)則，在路由階段選出的線路或線路集合可利用這些規(guī)則建立起連接。如果呼叫的QoS要求未與已建立連接上的要求相沖突，則該呼叫被接受，否則該呼叫將被阻塞［7］。

因此，多媒體流路由與路徑建立的策略應滿足以下兩方面的條件：盡量增加新發(fā)起的呼叫被接受的可能性，以及盡量減少被最近建立呼叫所占用的資源。

2.2 分布式多媒體流路由算法

為滿足IMS業(yè)務在實時性和高質(zhì)量的要求，在多媒體流從IMS服務器傳輸?shù)礁饔脩舻倪^程中，需采用一個能夠保證傳輸時延小且數(shù)據(jù)包阻塞概率小的路由算法來對多媒體流進行路由［8～9］。

分布式的多媒體流路由算法［10］基于最短路徑尋址思想，采用實時優(yōu)先權調(diào)度方式制定每條鏈路的調(diào)度策略。其主要路由分配過程如圖2所示。

圖2 多媒體流路由調(diào)度過程圖

1）在可行路徑生成中，路徑生成的首選依據(jù)是數(shù)據(jù)包的傳輸時延最小，即相當于求兩個節(jié)點之間的加權最短路徑。最短路徑生成算法可采用常用的Dijkstra、Bellman-Ford和Floyd算法。

2）計算各可行路徑工作量。每一條鏈路的狀態(tài)可用該鏈路上已接受的工作量來描述。若鏈路i上有K個呼叫，則在時刻t上，鏈路i的工作量ωi(t)為

其中，Pi，j表示鏈路i上用來為呼叫j中的數(shù)據(jù)包進行傳輸服務所需要的計算時間，時延保證δi，j表示鏈路i上為呼叫j連接的截止時間。

3）比較并輸出工作量最小的可行路徑。

通過利用這種路由分配策略，網(wǎng)絡嘗試在整個路由的所有中間鏈路上建立呼叫。當一條鏈路既可以滿足新呼叫請求的性能要求，同時又能夠保持對已經(jīng)建立起來的呼叫提供可靠服務，則說明此條鏈路可調(diào)度。若某個呼叫從源節(jié)點到目的節(jié)點之間所有的中間均被成功調(diào)度，則呼叫被接受，否則呼叫被堵塞。

2.3 調(diào)度優(yōu)化策略

對于大型的IMS系統(tǒng)，其性能與路由的分配策略和數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量密切相關。在實際網(wǎng)絡中，分布式多媒體流路由算法可使得多媒體流的傳輸實時性得到一定的保證，但在傳輸質(zhì)量方面卻可能存在一定程度的缺陷與不足。對于重要程度較高的多媒體流由于其數(shù)據(jù)包達到鏈路的概率和單個數(shù)據(jù)包傳輸時間等因素相關，其傳輸過程中阻塞概率比較高，而重要程度較低的多媒體流阻塞概率卻相對很小。

因此，在路由選擇中可增加阻塞率的計算，對路徑上預先建立起來的多媒體流的順序進行重新排列。假設一個擁有一個較高優(yōu)先級的多媒體流h，其工作量需求為wh，另一個擁有一個較高優(yōu)先級的多媒體流l，其工作量需求為wl，且l中包含重要的音視頻信息。若l的阻塞概率遠大于h，則可將兩者傳輸順序進行互換。

通常鏈路i上的阻塞概率由以下幾個因素決定：鏈路i上傳輸一個數(shù)據(jù)包所需的時延τi，呼叫c中數(shù)據(jù)包的到達速率，以及鏈路i上的占有權靜態(tài)概率分布函數(shù)qi()n。

當鏈路i上的傳輸時延為τi時，其理想情況下單位時間內(nèi)可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)目最大值Mt可由式（2）得到：

假設在鏈路i上，每個數(shù)據(jù)包被接納的概率為p( )

0＜p＜1，則某一時刻鏈路i上傳輸包個數(shù)為n的概率qi()

n可由式（3）得到：

其中，m是多媒體流中總的數(shù)據(jù)包數(shù)目，且n=0，1，2…，m，n≥1。

則在鏈路i上，一個呼叫c被阻塞的概率其計算公式如下：

假設在每個傳輸過程中多媒體流的路徑建立階段，其所有鏈路阻塞之間是相互獨立的，且被阻塞的呼叫不占用任何系統(tǒng)資源。則一個呼叫c被分配到完整路徑P上被阻塞的概率為B(c)可由式（5）得到：

3 算法驗證與比較

為驗證優(yōu)化后的調(diào)度策略可行性，本文基于路由優(yōu)化策略對多媒體流的路由過程中的阻塞概率進行仿真。

假設有兩條多媒體流，在鏈路調(diào)度過程中賦予其中一條以較高優(yōu)先權，將此多媒體流記為h，其對應的工作量需求為ωh；將擁有較低優(yōu)先權的多媒體流記為l，其對應的工作量需求為ω?。設定h和l均為呼叫中較為重要的多媒體流，由于其到達時間和截止時間的不同而被賦予不同的優(yōu)先級，l可能會分配到一條時延保證較大的鏈路上。時延保證 δi，c較大對應的呼叫賦予鏈路的工作量 ωi，c較小，即ω?＜ωh，意味著多媒體流h在網(wǎng)絡中傳輸?shù)淖枞怕时萳大，在某些惡劣的網(wǎng)絡環(huán)境下甚至會得不到有效的傳輸，從而使得接收方可能接收不到完整的音頻或者視頻信息。在此情況下利用路由優(yōu)化策略進行處理，通過適當降低h的阻塞概率，同時適度增加l的阻塞概率，使得h和l都能夠在網(wǎng)絡中得到比較可靠的傳輸。

選用數(shù)據(jù)包傳輸速率分別為Nl=20pps和Nh=60pps的兩條多媒體流，其對應的周期分別為20ms和30ms。依次在從節(jié)點數(shù)10遞增到節(jié)點數(shù)100的網(wǎng)絡中對路由優(yōu)化前后的兩條多媒體流h和l的阻塞概率進行仿真對比。

在未進行優(yōu)化之前，兩條鏈路上阻塞概率曲線如圖3所示。

圖3 未路由優(yōu)化前多媒體流h和l的阻塞概率曲線圖

在利用優(yōu)化策略之后，兩條鏈路上阻塞概率曲線如圖3所示。

圖4 已路由優(yōu)化后多媒體流h和l的阻塞概率曲線圖

通過圖3和圖4的比較，可發(fā)現(xiàn)經(jīng)過本文提出的路由策略優(yōu)化后，h的阻塞概率下降了，l的阻塞概率適度上升了，兩者的阻塞概率曲線趨向接近。通過這種適度的取舍優(yōu)化，h在IMS網(wǎng)絡中傳輸?shù)目煽啃缘玫搅艘欢ǔ潭鹊募訌?，同時又使得l的網(wǎng)絡傳輸質(zhì)量不至少下降太多，從而使得會議中的用戶都可接受到比較全面可靠的信息，降低造成部分信息缺失的風險，最終在一定程度上提高了IMS系統(tǒng)中語音和視頻的整體傳輸質(zhì)量。

4 結語

本文對IMS系統(tǒng)的多媒體流路由過程進行了分析，研究了分布式多媒體流路由算法，并在此基礎上提出了一種提出一種基于阻塞概率的路由優(yōu)化策略。最后對上述路由算法進行路由優(yōu)化前后多媒體流在傳輸過程中阻塞概率的變化進行了仿真。實驗表明其優(yōu)化策略可使得多媒體流的傳輸能夠滿足實時性和高質(zhì)量的性能要求，在一定程度上可以保證IMS會議中信息傳輸?shù)馁|(zhì)量。

為使得路由優(yōu)化策略更具有通用性，后續(xù)研究中將在實際的IMS網(wǎng)絡環(huán)境中進行驗證與完善，使得路由優(yōu)化策略具有更好的實用價值。