Научная статья на тему 'Исследование пропускной способности сетей NGN/IMS при установлении мультимедийной сессии'

Исследование пропускной способности сетей NGN/IMS при установлении мультимедийной сессии Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

CC BY
298
27
Поделиться
Ключевые слова
ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ / ПРОТОКОЛ SIP / СЕТИ NGN/IMS / МУЛЬТИМЕДИЙНАЯ СЕССИЯ / ПОДСИСТЕМА IMS / СИГНАЛЬНОЙ ТРАФИК

Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Ибрагимов Байрам Ганимат Оглы, Биннатов Мехман Фархад Оглы, Исаев Ялчин Сабир Оглы

Предметом исследования является анализ мультисервисных сетей связи c использованием концепции NGN (Next Generation Network) на базе открытой сетевой архитектуры IMS (Internet Protocol Multimedia Subsystem), поддерживающая широкий спектр услуг. Основой данной архитектуры является IMS-ядро, состоящие из набора специализированных модулей, отвечающих за различные функции для обслуживания абонентов. Цель статьи проанализировать существующие технические возможности подсистемы передачи мультимедийных сообщений IMS и перспективные решения функционирования эффективности сетей NGN/IMS при оказании мультимедийных услуг. В качестве эффективности системы выбран пропускные способности NGN/IMS сетей с использованием системы и протоколов сигнализации NGN. Проанализирована пропускные способности сетей NGN/IMS при установлении мультимедийной сессии и исследована функциональная архитектура подсистемы передачи мультимедийных сообщений IMS, определяющих взаимодействие систем и протоколов сигнализации NGN. Управлять представлением услуг Triple Play абонентам и одновременно модифицировать медиа-потока в рамках сессии позволяет протокол инициализации сессии SIP и Diameter, которые являются основным сигнальным протоколом IMS. Одним из важных требований к подсистемы IMS является поддержка качества обслуживания QoS (Quality of Service). Предложена математическая модель оценки качества услуг связи с использованием системы G1/G/1/Nбн, которая основана на теории диффузионной аппроксимации. Представленные в работе исследования очень важны для теории систем массового обслуживания, так как в статье предлагается метод исследования мультисервисных сетей связи с непуассоновским входящим потоком и получены эффективные результаты для сетей NGN/IMS. На основе модели получены аналитические выражения, которые позволяют оценить показатели качества представления услуги Triple Play. Предложенная математическая модель может использоваться для решения широкого круга практических задач, включая управление мультисервисным трафиком в процессе его передачи в мультисервисных сетях телекоммуникации с учетом классов качества обслуживания. Таким образом, исследования показателей пропускной способности сетей NGN/IMS с использованием протоколов SIP является актуальной.

Похожие темы научных работ по компьютерным и информационным наукам , автор научной работы — Ибрагимов Байрам Ганимат Оглы, Биннатов Мехман Фархад Оглы, Исаев Ялчин Сабир Оглы

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Исследование пропускной способности сетей NGN/IMS при установлении мультимедийной сессии»

СВЯЗЬ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ СЕТЕЙ NGN/IMS ПРИ УСТАНОВЛЕНИИ МУЛЬТИМЕДИЙНОЙ СЕССИИ

Ибрагимов Байрам Ганимат оглы,

Азербайджанский Технический Университет, г. Баку, Азербайджан, i.bayram@mail.ru

Биннатов Мехман Фархад оглы,

Азербайджанский Технический Университет, г. Баку, Азербайджан

Исаев Ялчин Сабир оглы,

Военная Академия Республики Азербайджан, г. Баку, Азербайджан

DOI 10.24411/2072-8735-2018-10047

Ключевые слова: пропускная способность, протокол SIP, сети NGN/IMS, мультимедийная сессия, подсистема IMS, сигнальной трафик

Предметом исследования является анализ мультисервисных сетей связи c использованием концепции NGN (Next Generation Network) на базе открытой сетевой архитектуры IMS (Internet Protocol Multimedia Subsystem), поддерживающая широкий спектр услуг. Основой данной архитектуры является IMS-ядро, состоящие из набора специализированных модулей, отвечающих за различные функции для обслуживания абонентов. Цель статьи - проанализировать существующие технические возможности подсистемы передачи мультимедийных сообщений IMS и перспективные решения функционирования эффективности сетей NGN/IMS при оказании мультимедийных услуг. В качестве эффективности системы выбран пропускные способности NGN/IMS сетей с использованием системы и протоколов сигнализации NGN. Проанализирована пропускные способности сетей NGN/IMS при установлении мультимедийной сессии и исследована функциональная архитектура подсистемы передачи мультимедийных сообщений IMS, определяющих взаимодействие систем и протоколов сигнализации NGN. Управлять представлением услуг Triple Play абонентам и одновременно модифицировать медиа-потока в рамках сессии позволяет протокол инициализации сессии SIP и Diameter, которые являются основным сигнальным протоколом IMS. Одним из важных требований к подсистемы IMS является поддержка качества обслуживания-QoS (Quality of Service). Предложена математическая модель оценки качества услуг связи с использованием системы Gt/G/1/N^, которая основана на теории диффузионной аппроксимации. Представленные в работе исследования очень важны для теории систем массового обслуживания, так как в статье предлагается метод исследования мультисервисных сетей связи с непуассо-новским входящим потоком и получены эффективные результаты для сетей NGN/IMS. На основе модели получены аналитические выражения, которые позволяют оценить показатели качества представления услуги Triple Play. Предложенная математическая модель может использоваться для решения широкого круга практических задач, включая управление мультисервисным трафиком в процессе его передачи в мультисервисных сетях телекоммуникации с учетом классов качества обслуживания. Таким образом, исследования показателей пропускной способности сетей NGN/IMS с использованием протоколов SIP является актуальной.

Информация об авторах:

Ибрагимов Байрам Ганимат оглы, д.т.н., профессор Азербайджанского Технического Университета, г. Баку, Азербайджан Биннатов Мехман Фархад оглы, к.т.н., доцент, Азербайджанского Технического Университета, г. Баку, Азербайджан Исаев Ялчин Сабир оглы, адъюнкт Военной Академии Республики Азербайджан, г. Баку, Азербайджан

Для цитирования:

Ибрагимов Б.Г., Биннатов М. Ф., Исаев Я.С. Исследование пропускной способности сетей NGN/IMS при установлении мультимедийной сессии // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2018. Том 12. №3. С. 9-12.

For citation:

Ibrahimov B.G., Binnatov M.F., Isayev Ya.S. (2018). The investication of the throughput NGN/IMS networks during the establishment for multimedia session. T-Comm, vol. 12, no.3, pр. 9-12. (in Russian)

СВЯЗЬ

-е-

Введение

Постоянный рост объема передаваемых полезных и служебных трафиков в мультисервисных сетях связи о коммутацией пакетов требует неуклонного увеличения их пропускной способности при установлении мультимедийной сессии, обеспечивающих качество обслуживания QoS-пакетов трафика систем и протоколов сигнализации NON.

Системно-технический анализ показал [1-3], что множество операторов связи, предоставляющих мультимедийные услуги, ИСПОЛЬЗуют системы управления передачей служебного трафика, реализующие услуги Triple play, такие как голосовые услуги с возможностью активации мультимедийных приложений, видеотелефония, IPTV, голосовой и высокоскоростной доступ к сети Интернет. Такой подход позволяет интегрировать различные услуги, предоставляет широкие возможности персонализации и увеличения количества мультимедийных услуг.

Для предоставления операторами телекоммуникационных компаний вышеперечисленных услуг В мультисервисных сетях связи необходимо учитывать качество обслуживания QoS служебного и полезного трафиков и восприятия (Quality of Rx peri en ce, QoE). которое оценивается по нескольким критериям эффективности [4]. Поддержка качества обслуживания QoS&QoH является ключевым требованием к подсистеме IMS и важным показателем эффективности сетей NGN/IMS при установлении мультимедийной сессии. Однако, данный вопрос изучен недостаточно хорошо и остается малоисследованным [2-6].

Постановка задачи исследования

Известно [л-5], что время установления соединения является важнейший QoS показателем сетей NGN/IMS и определяется с момента, когда терминал вызывающего абонента передало всё сообщение, необходимое для установления соединения, до момента, когда это терминальное оборудование (ТО) получило сигнал о состоянии терминала вызываемого абонента.

На основе исследования определено [2, 4, 6], что рассматриваемая сеть NGN/IMS при обслуживании потоков пакетов трафика систем и протоколов сигнализации представляет собой одно канальную систему массового обслуживания (СМО) типа GIIGIXIN^ с ограниченной очередью (по обозначения Кендалла-Ьашарина G1 - произвольное распределение с независимыми интервалами между поступлениями заявок).

С учетом характера сетевого трафнка систем и протоколов сигнализации NGN/IMS, предложена математическая модель (ММ) мультимедийной услуги, учитывающие показатели эффективности сетей NGN/1MS и особенности методов диффузионной аппроксимации.

Математическая формулировка задачи предлагаемой ММ для оценки показателей эффективности сетей NGN/1MS при установлении мультимедийной сессии описывается следующей целевой функцией:

2^.Ш = »'[аг8тах(С,„„(Д))], 1-й, 0)

при следующих ограничениях

cp.i ~ ^ijcp.ifdún.4 ~ ty'('i'i.' ( = 1 , П

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

т < т

(2)

где Cj 1П1ЛХ(Я) - максимальное значение пропускной способности сетей NGN/IMS со скоростью входящего потока служебного трафика Л при передаче /'-го потока пакетов; Т: ср 3 - среднее время задержки при передаче /-го потока

пакетов;Т-:аж —среднее время ожидания в очереди при обслуживании 1-го потока пакетов; T]i - коэффициент эффективного использования сетевых ресурсов NGN/IMS при передаче i-ro потока пакетов; TUp jdon qiikjn и Т1ажАап -соответствен по, допустимые значение показателей сетей NGN/1MS ггри передаче /-го потока пакетов, / = 1, и.

Выражения (1) и (2) определяют сущность рассматриваемого нового подхода, основанного на математической модели оценки качества услуг связи.

В данной работе анализируется модель функционирования эффективности сетей NGN/1MS при оказании мультимедийных услуг, таких как голосовые услуги с возможностью активации мультимедийных приложений.

Схема функционировании исследуемой модели муль-ги сервисных сетей NGN/IMS. На основании анализа качества работы мультисервисных сетей связи, определена функциональная архитектура IMS, которая содержит следующие уровни:

- уровень доступа и транспорта;

- уровень управления сессиями;

-уровень услуг и приложения.

11а рисунке 1, предлагается схема функционирования модели обслуживания трафика мультимедийных услуг в сети NGN/IMS.

Уромнь доступ» и тр4нсп!>рте

[MS-uxmtKTVD« с HSS

HSS

ТОпвбдотгшлэ-лэгнн сетевого оэс-туиктрислорт*

EH узп он г о» мутации сети

1P/MPLS

P'CSCF l-CSCF S-CSCF

i розна услуг н п

■жеиил|

С«£Ц

HSS OSA-AS

Рис. I. Структурная схема функционирования модели обслуживания трафика в сети NGN/IMS

Из схемы следует, что алгоритм приема п обслуживания трафика мультимедийной связи IMS начинается в сети NGN/IMS на уровне сети доступа, как мул ьти се рви сны и узел доступа. Далее трафики мультимедийной услуги обслуживаются с помощью сигнального шлюза, ядра сети IMS с использованием сервера домашних абонентов HSS (HSS-Home Subscriber Server) и передаются к серверу приложений AS (Application Server), который взаимодействует с логической функцией S-CSGF, 1- C'SGF и P-CSGF (Serving, Interrogating. Policy - Call Session Control Function) по протоколу SIP.

Проведенный анализ показывает, что процедура установления мультимедийной сессии инициируется терминальным оборудованием и шлюзом сетевого доступа, передавая

запрос INVITE узлов коммутации с использованием протоколов 1P/MPLS, через сети доступа к услугам и шлюзам.

-е-

СВЯЗЬ

-е-

Здесь, протокол SIP попользуется для установления, управления и разъединения сеансов связи. Для процедур авторизация, аутентификации и учета в IMS используется, также протокол Diameter,

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Ядро (MS е использованием HSS реализует функции запроса, функции прокси-сервера и функции управления сеансами связи. Послс приема и обработки, запросы и ответы услуги мультимедийной подсистемой IMS поступают на сервер Приложений услуг и медиа-сервер услуги.

Опенка показателей эффективности сетей NGN/IMS.

Из приведенного вышеописанного принципа действия сетей NGN/1MS с использованием SI ['-терминалов следует, что операцию при оказании мультимедийных услуг и при установлении сессии можно рассматривать как однофазную однолинейную СМО с конечным объемом буферного накопителя Nfm.

Предполагаем, что на вход буферного накопителя (ЬН) узлов коммутации сетей NGN/IMS поступает поток пакетов трафика протоколов сигнализации с определенными характеристиками. Такяя модель может быть проанализирована как СМО общего типа с//G/1/Л'^ с ограниченной очередью.

На основе модели, с целью оценки временных характеристик сетей NGN/IMS при установлении мультимедийной сессии может быть использован приближенный аналитический метод диффузионной аппроксимации, точность которых лежит в приемлемых пределах. Идея метода диффузионной аппроксимации, состоит в том, что распределение />

длины очереди в системеG!/С/\ / Ni7h с ограниченной очередью при общей загрузке р, аппроксимируется распределением следующего вида Щ:

ч:

при к - 0 -р )(р )* 1, при к>0

Р = exp[(/í-C¿-Я-С;)/2{/1-^)],

(4)

зов, выражается следующим образом:

^ях ' Кы

lílHK.ihlll *

(5)

гле Л.г - л» " соответственно, скорость входящего и выходящего потока пакетов трафиков протоколов сетей NGN/1MS при установлении мультимедийной сессий.

Таким образом, на основе м о дед и GII Gl\l N выражения (5), характеризуется среднее время отказов и является показателем QoS&QoE.

Определения пропускной способности сетей NGN/IMS при установлении мультимедийной сессии. Учитывая особенности СМО общего типа G//G/1/Wt„ с ограниченной очередью, среднюю длину очереди E[Lrj,] в EiI узлах

коммутации сетей NGN/1MS можно определить но формуле Литлла следующим выражением:

ЯМ* Vg-ii^lHttJ* (6)

На основе предложенной ММ, среднее время установления мультимедийной сессии для предоставлении услуг Triple Play, соответствующее среднему времени пребывания пакетов трафика в узле коммутации сетей NGN/IMS, выражается следующим образом:

<7)

Следует отметить, что выражения (6) и (7) определяют вероятностно-временные характеристики систем и протоколов сигнализации сетей NGN/1MS и являются показателями качества обслуживания QoS мул ьти сер вис но го трафика.

С учетом (5), (6> и (7) максимального значения пропускной способности сетей NGN/IMS при установлении мультимедийной сессии определяется следующим образом:

С«(Й«1/£СГ-(АЯ.

(8)

(3)

здесь Рк - характеризует, что в каждый момент времени к система имеет распределения вероятностей фазовых состояний^? —коэффициент загрузки сетей NGN/IMS.

В данной системе, предполагается, что скорость поступления потоков служебного трафик Л отличается от пуассо-новского, а процесс обслуживания от экспоненциального закона распределения. Учитывая квадратичные коэффициенты вариаций распределения С", интервалов между поступающими мультимедийными сообщениями и распределением длин сообщений C^ коэффициента загрузки СМО выра-жаегся следующим образом:

Полученные последние выражение (5), (6), (7) и (8) является показателем эффективности сетей NGN/IMS при установлении мультимедийной сессии.

Результаты численного анализа. На рисунке 2 Представлена зависимость пропускной способности сети NGN/1MS от коэффициента загрузки системы и скорости передачи мультимедийного трафика.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

10fl í

у Mini

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.« 0.7

1.0 р

Предположим, что из-за отказов в системе Д^ = (). Тогда, среднее значение Е[Тт,л ] интервал времени отка-

Рнс. 2. Графическая зависимость пропускной способности сети N01^/1 М8 от коэффициента загрузки системы при установлении мультимедийной сессии

Анализ семейства графической зависимости СгмхШ = " (А , V 1) показывает, что с увеличением коэф-

О

COMMUNICATIONS

фнциента загрузки СМО, возрастает пропускная способность NGN/IMS с использованием серверов домашних абонентов HSS, тем самым уменьшается среднее время установления мультимедийной сессии при заданной ул =155 Мбит/с.

Таким образом, сравнительный анализ СМО общего типа C//G/I IN- и M/M/¡/N¿„ показывает, что вклад ядра IMS в задержки при установлении мультимедийной сессии является значимым и должен учитываться при проектировании сетей NGN/IMS.

Выводы

В результате исследования предложена ММ, в виде СМО общего типа GI/G/t/Nfo с Очередями, основанная на приближенном методе диффузионной аппроксимации. Получены аналитические выражения, позволяющие оценить показатели качества обслуживания QoS&QoE мультисервисного трафика и анализировать характеристики пропускной способности сетей NGN/IMS при установлении мультимедийной сессии.

Литература

1, Машкова Е.Е.. Пшеничников А.П. Расчёт объёма оборулонация мультисервисных сетей связи, М.: Горячая линия - Телеком, 20!7. 90 с.

2. Лихтциндер Б. Я. Интервальный метод анализа очередей в системах массового обслуживания с пачечными потоками заявок II T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2017. Т, И. С. 17-23.

3, Самуйлов К.Е.. Лузгачев М.В., Плаката О.Н. Разработка вероятностной модели лля анализа показателей качества протокола инициирования сеансов связи И Вестник РУДН. Серия Математика. Информатика. Физика. № 3-4. 2007. С. 16-26,

4, Ибрагимов Б.Г., Исмайяова С.Р. Исследование и анализ эффективности мультисервнсных сетей: связи при использовании архитектурной концепции NGM // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. Т. 8. №8.2014. С. 47-50.

5. Van Bosse J G., Devetak F.U. Signaling in Telecommunications Networks. NY: John Wiley, 2007. 810 p.

6. Ward A.R., Glinn P.W. A diffusion approximation for a Gl/G/I queue with balking or reneging // Queueing Systems. 2005. Vol. 50, №4, pp. 371-400,

THE INVESTICATION OF THE THROUGHPUT NGN/IMS NETWORKS DURING THE ESTABLISHMENT FOR MULTIMEDIA SESSION

Bayram G. Ibrahimov, Baku, Azerbaijan, i.bayram@mail.ru

Yalchin S. Isayev, Baku, Azerbaijan

Abstract

The subject of the study is multiservice communication network using the concept NGN (Next Generation Network) based on the open network architecture IMS (Internet Protocol Multimedia Subsystem), supporting a wide range services. The basis of this architecture is the IMS core, consisting of a set of specialized modules responsible for various functions for customer service. The purpose of the article is to analyze the existing technical capabilities of the IMS multimedia messaging subsystem and perspective solutions for the functioning of the NGN/IMS network efficiency in providing multimedia service. As the efficiency of the system, the capacity NGN/IMS networks is selected using the signaling system and protocols NGN. The capacity NGN/IMS networks during the establishment of a multimedia session was analyzed and the functional architecture of the IMS multimedia messaging subsystem that determine the interaction NGN signaling systems an protocols was explored. Manage the presentation Triple Play services to subscribers and simultaneously modify the media stream within the session allows the protocol for the initialization of the SIP and Diameter sessions, which are the main IMS signaling protocol. One of the important requirements for the IMS subsystem is the maintenance QoS (Quality of Service). A mathematical model for estimating the quality of communication services using a system G1/G/1/Nbn based on the theory diffusion approximation is proposed. The research presented in this paper is very important for the theory queuing systems, since the article proposes a method for investigating multiservice communication networks with non-Poisson incoming flow and effective results are obtained for NGN / IMS networks. On the basis of the model analytical expressions are obtained, which allow evaluating the performance indicators of the Triple Play service. The proposed mathematical model can be used to solve a wide range of practical problems, including the management multiservice traffic in the process its transmission in multiservice telecommunications networks, taking into account the quality of service classes. Thus, studies NGN/IMS network capacity indicators using SIP protocols are relevant.

Keywords: throughput, NGN/IMS networks, multimedia session, SIP protocol, IMS subsystem, signaling traffic. References

1. Malikova E.E., Pshenichnikov A.P. (2017) Calculation of the volume equipment for multiservice communication networks. Moscow: Hot line-Telecom. 90 p. (in Russian)

2. Likhtzinger B.Ya. (2017) Interval method of queuing analysis in queuing systems with packets requests. T-Comm. Vol. 11. No.3. pp. 17-23. (in Russian)

3. Samuylov K.Ye., Luzgachev M.V, Plaksina O.N. (2007) Development of a probabilistic model for analyzing the quality indicators of the protocol for initiating communication sessions. Vestnik of the PFUR. Series Mathematics. Computer science. Physics, no. 3-4. Moscow. pp. 16-26. (in Russian)

4. Ibragimov B.G, Ismailova S.R. (2014) Investigation and analysis of the effectiveness multiservice communication networks using the architectural concept NGN. T-Comm. Vol. 8, no 8. Moscow. pp. 47-50. (in Russian)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

5. Van Bosse J.G., Devetak F.U. (2007) Signaling in Telecommunications Networks. NY: John Wiley. 810 p.

6. Ward, A.R., Glinn P.W. (2005) A diffusion approximation for a GI/G/1 queue with balking or reneging. Queueing Systems. Vol. 50, no. 4, pp. 371-400.

Information about authors:

Ibrahimov Bayram Ganimat oglu, professor of Azerbaijan Technical University, Baku, Azerbaijan Binnatov Mehman F., Phd., of Azerbaijan Technical University, Baku, Azerbaijan

Isayev Yalchin Sabir oglu, аn associate of the Military Academy of the Republic of Azerbaijan, Baku, Azerbaijan