Исследование и анализ эффективности передачи мультимедийного трафика в сети NGN/IMS Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

ИССЛЕДОВАНИЕ И АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЕРЕДАЧИ МУЛЬТИМЕДИЙНОГО ТРАФИКА В СЕТИ NGN/IMS

Ибрагимов Байрам Ганимат оглы,

д.т.н., профессор Азербайджанского Технического Университета, Баку, Азербайджан, [email protected]

Гусейнов Фахри Ислам оглы,

диссертант Институт Кибернетики НАН Азербайджана, Баку, Азербайджан, [email protected]

Ключевые слова: протокол SIP, подсистема IMS, сигнальный трафик, сервер HSS, качество обслуживания, протокол Diameter.

Проанализированы качества функционирования архитектуры IMS (IP Multimedia Subsystem) по управлению мультимедийными сеансами для мультисервисных сетей телекоммуникации, определяющими взаимодействие системы и протоколов сигнализации сетей NGN (Next Generation Networks). Предложена структурная схема функционирования модели обслуживания трафика мультимедийных услуг в сети NGN/IMS при установлении сессий, использующих семейства протоколов SIP (Session Initiation Protocol), Sigtran и Diameter, сервер пользовательских данных HSS (Home Subscriber Server) и ядра системы управления CSCF (Call/Session Control Function), сигнальные шлюзы (SGW) в сети NGN/IMS.

На основании анализа качества работы сетей NGN/IMS при оказании мультимедийных услуг, предложена математическая модель оценки качества услуг мультисервисных сетей связи, учитывающая свойства самоподобия трафика, качество функционирования распределенной структуры логического ядра IMS и процессов передачи трафика по IP-сетям. Изучены свойства самоподобного случайного процесса с показателем Хэрста, позволяющего использовать общий тип СМО fBM/G/l/Nбн при произвольном обслуживании пакетов трафика. Исследованы особенности СМО с ожиданием при выполнении голосовых услуг с возможностью активации мультимедийных приложений, видеотелефонии, передачи мультимедийных трафиков, для организации услуг IPTV, услуг определения местонахождения абонентов и его мобильности, а также услуги Triple Ptay. По результатам исследования математической модели логического ядра IMS проведены численные расчеты показателей эффективности сетей NGN/IMS и определено среднее время задержки доступа к услугам с необходимыми параметрами, обеспечивающие гарантированное качество услуг QoS (Quality of Service).

Для цитирования:

Ибрагимов Б.Г.О., Гусейнов Ф.И.О. Исследование и анализ эффективности передачи мультимедийного трафика в сети NGN/IMS // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2015. - Том 9. - №12. - С. 27-31.

For citation:

Ibrahimov B.G.О., Huseynov F.I.О. Research and analysis of the efficiency transmission of multimedia traffic on the network NGN/IMS. T-Comm. 2015. Vol 9. No.12, рр. 27-31. (in Russian).

T-Comm Vol.9. #12-2015

r i >

Введение

Интенсивное развитие мультисервисных сетей телекоммуникаций последних десятилетий привело к появлению архитектуры мультимедийной связи IMS с использованием сервера домашних абонентов HSS. Одной из наиболее важных ее задач является поддержка качества мультимедийных услуг, в первую очередь минимизация временных характеристик задержек доступа к услугам. Следует отметить, что пока данный вопрос изучен недостаточно хорошо [1, 2].

Развитие мультисервисных сетей телекоммуникации на базе архитектурной концепции NGN требует создания адекватной математической модели эффективности функционирования подсистемы мультимедийной связи IMS. Здесь, под мультимедийной связью подразумевается организация видеоконференции, телефонные соединения, передача мультимедийной информации, а также услуги Triple Play, включающие голосовые услуги, доступ в Интернет и просмотр телевизионных программ.

Учитывая выполнение вышеперечисленных услуг на базе подсистемы IMS, возрастает интерес к системе, что приводит к увеличению нагрузки на сеть NGN, как следствие, увеличиваются и величины временных характеристик передачи пакетов служебного трафика, В результате увеличения, сетевые нагрузки в IMS существенно оказывают влияние на качество обслуживания - QoS трафика мультимедийных услуг.

В связи с этим актуальной является задача анализа временных характеристик установления сессий для различных услуг в сети NGN/IMS.

Постановка задачи исследования. Проведенный анализ показал, что подсистема IMS является распределенной структурой управления сеансами связи, использующей системы и протоколы сигнализации SIP и Diameter, которые обеспечивают управление передачей служебного и полезного трафиков. Протоколы SIP и Diameter, является основными протоколами установления мультимедийной связи в сетях NGN. Для выполнения процессов авторизации, аутентификации и учета используется протокол Diameter.

Предложена структурная схема взаимодействия многофункциональных абонентских терминалов сети доступа, сервер пользовательских данных HSS, медиа-шлюзы (MGW) и ядра системы управления CSCF, сигнальные шлюзы, использующих семейства протоколы. В рамках исследования важным функциональным узлом подсистемы IMS является сервер HSS с использованием протокола Diameter, которые открывает новые возможности для развертывания дополнительных услуг на базе NGN/IMS и поддерживает доступ к персональным данным абонентов, связанным с услугами.

Учитывая вышеизложенное, предлагается математическая модель оценки качества услуг при установлении соединений и оказании мультимедийных услуг подсистемой IMS. В [3] исследован механизм, позволяющий осуществлять локальное управление поступающей на сервер нагрузки и построена упрощенная математическая модель (ММ) процесса функционирования SIP-сервера и получены временные характеристики модели.

Рассматривается решение задачи - анализ показателей эффективность функционирования сетей NGN/IMS с учетом свойств самоподобия сигнального трафика. Для исследования процессов приема сигнальных сообщений, предоставления услуги и установления соединения построена упрощенная ММ функционирования подсистема IMS в виде M/G/1/JV6h .

Схема функционирования исследуемой модели подсистемы мультимедийной связи IMS и описание их логических функций. На основании анализа качества работы IMS определены логические функции, которые расположены на трех уровнях управления.

Для описания мультимедийной подсистемы IMS, на рис. 1, предлагается схема функционирования модели обслуживания трафика мультимедийных услуг в сети NGN/IMS при установлении сессий.

Системно-технический анализ показывает, что процедуру установления сессии инициирует многофункциональных абонентских и сетевых терминалов (МАиСТ), передавая запрос INVITE маршрутизатору с использованием серверов MGCF и IP/MPLS, через сети доступа к услугам и шлюзам.

ИСС

ШАР

МАиСТ ' и медиашгаозы -MGW

ОКС-7

Сета доступа к услугам и шлюз доступа -AGW

Сервер домашних абонентов - HSS

SIP Маршрутизатор с —использованием

MGCFh IP'MPLS

SIP

Diameter

Система IMS и сервер обслуживания трафика - S/CSCF

Е[Тс-

ТфСОП

ISUP

Сигнальный шлюз - SGW

Sigtran

Рис. 1. Структурная схема функционирования модели обслуживания трафика мультимедийных услуг

в сети NGN/IMS при установлении сессий

Из схемы следует, что алгоритм приема и обслуживания трафика мультимедийной связи IMS начинается МАиСТ сети NGN/IMS на уровне сети доступа, как муль-тисервисный узел доступа. Далее трафики мультимедийной услуги обслуживаются с помощью сигнального шлюза, ядро сети IMS с использованием сервера HSS и передается к серверу приложений AS, который взаимодействуют с логической функцией S-CSGF по протоколу SIP. Ядро IMS с использованием HSS реализует функции запроса, функции прокси-сервера и функции управления сеансами связи. После приема и обработки запросы и ответы услуги мультимедийной подсистемой IMS поступают на сервер приложений услуг и медиа-сервер услуги IPTV.

Описание математической модели. На основе алгоритмов работы логические функции ядра IMS при оказании мультимедийных услуг и особенности протоколов SIP, Sigtran и Diameter (Л,,Л,,,,,Ad), рассматриваемой сети NGN/IMS представляет собой систему массового обслуживания (СМО) типа M/G/1/N6h с ожиданиями при критической загрузке р.< 1, / = 1,и. В СМО поступающий сигнальный трафик на обслуживание является пуассоновским, с интенсивностью Х]г / = 1 ,п, длительность обслуживания i - го трафика имеет функцию распределения Bt(t) с преобразованием Лап-ласа-Стилтьеса (ПЛС) Ь(.ч) = £[exp(-fc)], средним значением Ь,, i — \,пI дисперсией crf(i) и коэффициентами вариации Cl(i) = af(/)/£»,# /eW, где N- число

логических узлов сетей NGN/IMS.

В данной ММ, предполагаем, что прерывание обслуживания сигнальных пакетов не допускается. Здесь и далее в работе также будем полагать отсутствие потерь пакетов сигнального трафика, а скорость работы сети NGN/IMS больше суммарной интенсивности поступления пакетов от источников трафиков, что означает выполнение неравенства

(р.-МгЮ^С^, i = м (1)

гдеС,.ma;( -максимальная пропускная способность узлов коммутации сетей NGN/IMS при передаче hго пакета трафика мультимедийных услуг; -скорость обслуживания i-го трафика и равно ц. - б"1 = (1/L{), Lt - длина передаваемого ¡-го пакета трафика.

Анализ характеристик сети NGN/IMS с учетом свойств самоподобия сигнального трафика.

Исследования, проведенные за последние десятилетия учеными разных стран, позволяют утверждать, что трафик мультисервисных телекоммуникационных сетей с КП на базе подсистемы IMS обладает особой структурой [4]. Определено в [5], что передаваемые трафики системы и протоколы сигнализации по сети NGN/IMS обладают свойствами самоподобия с коэффициентом Хэрста.

Установлено, что процесс обслуживания трафика

Y(t) является самоподобным трафиком в узком смысле с параметрами H,ß, 0<ß<\, если справедливо выражение

• Y{m) = Y, H = 2-D, теМ (2)

где D- фрактальной размерности. Здесь значение ß

указывает, как медленно убывает зависимость в Y(t). Это означает, что чем меньше ß, тем сильнее зависимость

в Y(t). Здесь Н- коэффициент Хэрста для потока трафика системы протокола. Этот коэффициент H определяет степень самоподобие. В данной варианте Y(t) - является случайный временной ряд, характеризующий трафик мультимедийных услуг и измеряемый в пакетах в момент времени t. Расчет показателя Хэрста можно произвести по формуле, предложенной Мандельбротом [4, 5]:

RIS- {аМ)", 0,5<Н<1 (3)

здесь отношение RIS Хэрста является нормированным размахом; N - число интервалов наблюдений; а- некоторая константа, а >0. При H - 0,5 свойство самоподобия отсутствует, при увеличении H до единицы влияние свойства самоподобия нагрузки усиливается.

На основании метода диффузионной аппроксимации, коэффициент эффективного использования сетей NGN/IMS при обслуживании трафика мультимедийных услуг выражается следующим образом:

/?(Л,,Я) = -А- - [af (i)/С,га J ■ ДЯ) < 1, i=Vn (4) CB(i)

где f(H) = 2H- функция, учитывающая свойство самоподобия поступающих пакетов сигнального трафика мультимедийных услуг.

В сети NGN/IMS выражения (2) и (3) позволяет использовать общий тип СМО fBMIG/1/N6n для исследования процессов функционирования узлов IMS [5].

Оценка средней время задержки передачи пакетов сигнального трафика. На основе исследования алгоритмов работы распределенной структуры IMS установлено [2, 3], что среди вероятностно-временных характеристик сети NGN/IMS является среднее время задержки пакетов сигнального трафика при регистрации абонентов в IMS. Последняя процедура является необходимой операция для оказания мультимедийной услуги пользователям в подсистеме IMS. Учитывая вышеизложенное, алгоритмы работы подсистемы сеансовой связи, минимальное значение временных задержек i - го потока трафика мультимедийной услуги на основе алгоритма работы сети NGN/IMS определяются следующим выражением:

Е[Т,сз] = ™ЦТМо,„)-ТМп)> i = ^ > &

t

где T^iÀJ, ТАЛ^) - времени появления i-ro потока трафика мультимедийной услуги на входе NGN/IMS на уровне сети доступа со скоростью Лш и на выходе сети

NGN/IMS на уровне услуг из сервера приложений AS с скоростью Л i= 1,n, соответственно.

У

Т-Сотт Том 9. #12-2015

COMMUNICATIONS

RESEARCH AND ANALYSIS OF THE EFFICIENCY TRANSMISSION OF MULTIMEDIA TRAFFIC ON THE NETWORK NGN/IMS

Ibrahimov Bayram Ganimat oqlu, Professor of Azerbaijan technical university, Baku, Azerbaijan,

[email protected]

Huseynov Faxri Islam oqlu, Institute of Cybernetic of ANSA, Baku, AAzerbaijan,

[email protected]

Abstract

Analyzed the quality of the functioning architecture IMS (IP Multimedia Subsystem) to manage multimedia sessions for multiservice networks of telecommunication, determined by the interaction of system protocols and signaling networks NGN (Next Generation Networks). Based on the analysis of the quality of networks NGN/IMS multimedia services in the provision, a mathematical model for evaluating the quality of multiservice networks, taking into account the properties of self-similarity traffic, the quality of the functioning of the distributed structure of the logical core IMS and processes traffic on IP-based networks. According to the study of the mathematical model of the logical core IMS numerical calculations performance networks NGN/IMS and determined the average time delay access to the necessary parameters to ensure the guaranteed quality of service QoS (Quality of Service).

Keywords: protocol SIP, subsystem IMS, signaling traffic, server HSS, quality of service, protocol Diameter.

References

1. Deart V.Y. Multiservice network. 2011. Part 2: Protocols and session management systems (Softswitch / IMS). Moscow: Briz-M, 2011. 198 p. (in Russian)

2. Ibrahimov B.G. Huseinov F.I. An analysis of the effectiveness of the transmission signal and helpful traffics in network communication based subsystem IMS / Proceedings IX- International Trade STC "Information Society Technologies". MTUCI. 2015. pp.18-19. (in Russian)

3. Samuylov K.E., Zaripov E.R. Model of the local control mechanism overload SIP-server / T-Comm, Vol.6, no 7. 2012. pp.185-187. (in Russian)

4. Shelukhin O.I., Osin A.V., Smolski S.M. Self-similarity and fractals. Telecommunication applications. Moscow: FIZMATLIT. 2008. 368 p. (in Russian)

5. Ibrahimov B.G. Huseinov F.I. Investigation and analysis of the quality of the functioning of signaling systems / Proceedings conference with international participation on "Information and telecommunication technologies and mathematical modeling of high-tech systems." RUDN, Moscow. 2015. p. 21-24. (in Russian)

6. Bosse J.G., Devetak F.U. Signaling in Telecommunications Networks. 2nd Ed. New York: Wiley, 2007. 830 p.

T-Comm Vol.9. #12-2015