一种新的基于IMS的SIP重传机制

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摘要：目前，IP多媒体子系统（IMS）中基于会话初始化协议（SIP）的会话建立时间受到无线信道约束带宽、帧错误率（FER）值的影响，交换的消息数量、消息长度以及重传机制对于会话建立的时延有很大的影响，延长了会话建立的时间。将基于SIP的会话建立与无线信道的性能结合，提出一种新的SIP自适应重传机制。实验结果表明，该重传机制缩短了会话建立的时间，对IMS端到端的服务质量（QoS）性能有明显的改善。

关键词：IP多媒体子系统；服务质量；会话初始协议；时延

中图分类号： TP393

文献标识码：A

0引言

分组交换技术的快速发展，使得基于IP的分组交换将同时传输语音和数据流量。3GPP和3GPP2都建议将基于IP的无线技术集成入第三代移动通信中，因此提出了适用于UMTS和CDMA2000的IP多媒体子系统（ims）技术，提供诸如VOIP等基于IP的服务。目前，由于无线接入网络自身的缺点，使得IMS中基于会话初始化协议（sip）的会话建立的时延太长，超出用户忍受的限度。因此有必要对呼叫建立的时延进行优化。当前，无线网络中影响SIP会话建立时延的因素主要包括两个：物理信道和SIP采用的底层协议。

文献［1，2］中研究了采用排队机制建立SIP会话建立的数学模型。文献［3］研究了H.323的平均呼叫建立时延的性能。文献［5］中通过仿真对公共Internet网络上基于H.323和SIP协议的呼叫建立时延做了评估。Kist和Harris在文献［6］中研究了3GPP环境下的SIP会话初始化的时延。但是都没有将SIP会话建立的时延与物理信道的性能结合起来考虑。

本文将SIP呼叫建立与无线信道的性能结合起来，建立了基于M/M/1、M/G/1队列［7］的SIP会话建立时延模型，提出了一种新的SIP自适应重传机制。

1IMS中SIP会话的建立

IMS中使用SIP实现两个用户间的会话的建立如图1所示。

在图1所示的会话的建立过程中，用户客户端（UAC）通过向用户服务器（UAS）发送一个 INVITE消息开始会话的建立。INVITE请求包含了被请求的、将要通过各个域的P/S/ICSCF的会话类型的详细信息。接受到INVITE消息，UAS就向UAC发送相应的反馈消息183。UAC发送一个200OK用于保留经过的路径上所需要预留的资源，并且接受到一个响铃音和180响应。当UAS决定接受呼叫，就发送一个200OK响应。最后，确认UAC发送的ACK请求建立媒体会话。

2会话建立时延模型

本文研究的SIP会话建立是从UAC发出INVITE请求到UAS被通知客户端已经接收到服务器关于本次会话的响应（即UAS接收到ACK请求）。会话的建立包括了客户端和服务器端的消息处理，因此SIP会话建立的时延可以认为是客户端、服务器端完成所有消息处理的时延的总和。会话建立的时延与许多的因素有关，其中最主要的是在网络上的传输时延，包括分组丢失造成的重传时延和队列时延。这种传输时延将受到使用的传输协议和错误恢复策略的影响，是传输、排队和Internet的累积时延。

假设会话建立过程中有N个必须消息，定义会话建立时延的数学模型：

T会话=N×T源端+T无线传输+N×Tqp－CSCF+N×TqI－CSCF+

N×Tqs－CSCF+N×T有线传输+N×T目的端（1）

模型中的T无线传输是无线传输中SIP协议采用的底层传输协议产生的时延（如使用RLP协议的TTCP、TUDP）；T有线传输是SIP消息在有线传输中产生的时延，主要和数据报传输路径上的链路类型和路由器的数量有关。由于很难标准化不同种类的传输路径和计算传输的时延，本文中将T有线传输设置为一个常数；T源端是源端的平均排队时延；T目的端是目的端的时延；Tqp－CSCF、TqI－CSCF、Tqs－CSCF分别代表P/I/SCSCF服务器上的平均排队时延。

2．1传输协议

SIP可以采用TCP或UDP作为底层的传输协议。如果SIP采用的是UDP，所有会话建立时延是UAC和UAS成功的接收到各种消息处理中所涉及的消息所需要的时间。如果SIP采用的是TCP，所有会话建立时延是TCP会话建立时间加上建立SIP会话需要的所有消息成功传输的时间。

2．2排队时延

这一节中我们将考虑SIP消息在用户终端、中间的CSCF服务器和目的地上的排队时延。对于源终端（ST）和中间的CSCF服务器我们采用M/M/1的排队模型，目的终端（DT）采用M/G/1的排队模型。假设CSCF为多个ST服务，因此在ST上的SIP消息的到达速率λM是CSCF上SIP消息到达速率λ的一部分：λM≤λ。

根据排队理论［7］，UAC上的排队时延T源端为：

T源端=1μ－λM（2）

这里的μ是SIP消息在ST的服务速率。P/I/SCSCF上的排队时延为：

这里ρs是DT和CSCF的负载。DT上的时延T目的端将通过非抢先的基于优先级的M/G/1排队模型来获得［7］：

T目的端=1μs(1－ρ0－ρs)+R(1－ρ0)+(1－ρ0－ρs)（4）

这里的ρ0是DT上非SIP消息的负载，μs是SIP消息在DT上的服务速率，μ0是非SIP消息在DT上的服务速率，2s和21分别是μs和μ0的力矩。

3基于UDP的SIP自适应重传机制

从上述的数学模型可以看出T无线传输是整个SIP会话建立时延的重要组成，本文的研究主要考虑UDP协议。由于SIP会话发起使用的是带宽受约束和错误率高的无线信道，交换的消息的数量和长度将影响会话建立时延。因此本文主要考虑消息重传机制的改进以减少会话建立时延。定义SIP的第i次重传时间：

初始化的Tr直接影响到会话建立的延时。如果太短，那么在反馈的应答消息还在半路中没有被接收到数据报就开始重传了；如果太长，那么当丢失出现的时候，就会增加不必要的会话建立时间。目前SIP中的Tr采用的是固定的时间间隔，无法根据当前的消息的传输时间做出适当的调节，因此本文提出一种自适应的重传机制。定义客户端的Tr如下:

对于服务器端来说Tr的值将影响200OK（K2）和ACK（K3）中的帧的数目，采用和客户端相同的方法定义服务器端的Tr如下:

其中D是端到端的帧的传输时延；τ是帧间时间；K1代表INVITE请求中包含K1个帧；k2代表183反馈中包含k2个帧；K3代表服务器端200OK消息中包含K3个帧；k4代表ACK中包含k4个帧；T队列是2.2中所提到的排队时延。

假设p为一个帧在空中链路中出现错误的概率一个UDP包中包含k个帧，则(1－p)k是UDP数据报不出现错误的概率，数据报的丢失率为1－(1－p)k。假设q是重传的概率：发送的第一个包（包含K1个帧的INVITE请求）丢失或第一个包被受到但是反馈（包含K2个帧的183消息）丢失。因此，客户端出现INVITE重传的概率为：

服务器端的INVITE重传的概率为：

假设最大重传的次数为Nm（对于SIP，Nm＝7）。成功消息处理的时延为成功的传输一个包含SIP消息UDP数据报和成功的接收到相应的响应的时延。因此，成功传输第i个UDP数据报的时延Tt(i)UDP为：

会话的建立包含成功地完成客户端和服务器端的消息处理。因此，建立会话的全部传输时延TtUDP为：

4性能分析

4．1实验参数设置

实验相应的参数设置如下：每一个无线帧的持续时间为20ms；根据文献［3］中的设置：时延D为100ms，帧间时间τ为20ms，最大的重传数Nm为7；对于排队时延，假设μs=μ，λM=0.1λ；在目的地的排队时延计算中假设服务速率的标准偏差σ为平均值的5％。21=EX12，2s=EXs2，EX12=σ21+(EX1)2，EXs2=σ2s+(EXs)2。将μs、μ0代入得出R=0.501ρ20+ρ2s。SIP在ST的到达速率λM=50请求/s；μ=70请求/s；ρs=λ×μ；ρ0=0.7；T有线传输=100ms。

4．2性能分析结果

通过前面数学模型的分析可以看出SIP会话建立时延随着FER（模型中的p）增长以指数规律增长。交换的消息的数量、消息长度以及重传机制对于会话建立的时延有很大的影响，这些方面的优化将可以缩短会话建立时延。假定每一个UDP数据报由一个IP包来传送。表1中给出了UDP数据报的长度以及信道上每个数据报所包含的帧的数量。SIP重传计时器Tr用于实现SIP消息的重传，缺省值为0.5s，但是由于SIP协议是设计用于带宽丰富的有线链路的协议，当应用于无线网络时，由于无线信道的带宽约束和高错误率的特点以及采用的底层传输协议（UDP），其重传的时间将变长（大于0.5s）［8］。因此，本文中将Tr从0.5s到2s的会话建立时延与自适应重传机制的会话建立时延作了比较。图2中显示了比较结果。从图中的比较结果可以看出采用自适应重传机制的性能比固定值重传机制的性能好，对IMS中基于SIP的会话建立时延有明显的改善。

5结语

本文采用排队机制建立了IMS中的端到端时延的数学模型，分析了影响时延的各个因素。根据目前IMS中的SIP会话采用的固定值重传机制的缺点，本文提出了一种新的可以根据会话建立中的信令包的长度做出调节的自适应重传机制。结果表明自适应重传机制能有效地改善SIP会话建立时延。而且，性能的分析还表明SIP自适应重传机制的性能可以通过压缩算法来减少SIP消息的长度，通过纠错机制或混合ARQ校正SIP消息避免无线链路上的重传来改进会话建立的时延。