基于IMS架构的QoS保证机制研究

摘要

服务质量(QoS)[1]已成为下一代网络正常运营的关键性问题。随着多媒体业务的迅速发展,传统的“尽力而为”的IP服务因为其不可预测的时延和丢包特性,已不能满足人们日益增长的对业务质量的要求。目前很多组织如ITU,3GPP,3GPP2,IETF等都在对下一代网络的QoS问题进行研究,提出了一系列方案与框架,而且这些方案与框架仍处于不断发展与完善之中。作为3GPP定义的下一代网络中核心架构的IP多媒体子系统(IMS),其QoS保证机制是基于策略的,通过策略计费决策点(PCRF)和策略计费执行点(PCEF)之间频繁的信令交互来实现对媒体业务流的授权控制。但是,这个不可或缺的信令交互存在着较大的延时,如果二者之间的连接稍有不畅,延时更是不可忍受。针对上述不足,本论文首先综述性的介绍了IP多媒体子系统(IMS)的基础知识,包括系统架构和体系特点;接着,引入了IPQoS和其保证机制的基本概念,并简要的论述了四种现有的QoS模型:IntServ、DiffServ、MPLS和IMS所采用的基于策略的QoS保证模型,并用OPNETModeler构建了DiffServ仿真实现模型,对几种典型调度算法的优劣特性进行了仿真研究,为后续具体工作奠定理论基础。然后,本文从承载网络层面和管理层面对IMS中的OoS保证机制进行了分析,对承载层面的服务模型进行了探讨,并对IMS中的资源预留协商机制进行仿真实现。管理层面中对IMS基于策略的QoS保证机制以及常用接口Gx、Rx的功能和信令流程都做了详细的分析,并对PCRF局限性进行讨论。最后,作者阐述了一种LocalPCRF模型,主要用于减少不必要的PCRF和PCEF之间的信令交互。本文针对这个模型,对其具体配置和存储的内容做了说明,对使用此模型带来的优点从IP-CAN会话建立的时延角度给予了阐述,对策略库中策略更新的开销问题也进行了相关的探讨。同时给出了此模型中策略库所使用的Cache的数学分析模型,并进行了简要的数学分析。理论和仿真实验证明,LocalPCRF模型可以显著的减少IP-CAN会话的建立时延,提高系统的QoS。同时,由于其具有的容错能力,还在一定程度上提高了系统的稳定性,因此具有重要的参考价值。

目录

致谢

摘要

Abstract

1. 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 课题研究难点

1.3 论文研究目标和研究内容

1.3.1 研究目标

1.3.2 研究内容

1.4 本文架构

2. IP 多媒体子系统(IMS)综述

2.1 IMS 的系统架构

2.1.1 应用层

2.1.2 信令控制层

2.1.3 媒体传输层

2.2 IMS 体系特点

2.2.1 接入无关性

2.2.2 QoS 机制

2.2.3 IP 策略控制

2.2.4 通信的安全性

2.2.5 计费机制

2.3 会话初始化协议

2.4 本章小结

3. IP QoS 算法模型及仿真研究

3.1 IP QoS 原理

3.2 IP QoS 参数

3.3 IP QoS 体系结构

3.3.1 综合服务模型(IntServ)

3.3.2 区分服务模型(DiffServ)

3.3.3 多协议标记交换技术(MPLS)

3.4 QoS 的保证机制

3.4.1 QoS 规范

3.4.2 QoS 管理机制

3.4.3 QoS 控制机制

3.5 DiffServ 模型仿真实现

3.5.1 OPNET 仿真过程

3.5.2 仿真拓扑结构

3.5.3 仿真参数设置

3.5.4 仿真结果及分析

3.5.5 实验结论

3.6 本章小结

4. IMS 中 QoS 保证机制分析

4.1 承载网络层面的QoS 保证机制

4.1.1 IMS 的服务模型

4.1.2 资源协商机制（RSVP）

4.2 管理层面的Qos 保证机制

4.2.1 IMS 中基于策略的QoS 框架

4.2.2 功能实体分析

4.2.3 控制过程分析

4.2.4 Gx 和Rx 接口的功能分析

4.3 PCRF 的局限性及其扩展

4.4 本章小结

5. Local PCRF 模型的设计与实现

5.1 Local PCRF 模型

5.1.1 Local PCRF 模型的配置

5.1.2 Local PCRF 模型中的存储内容

5.1.3 采用Local PCRF 模型后的IP-CAN 会话建立流程

5.1.4 PCRF 发生错误后的IP-CAN 会话建立过程

5.2 策略更新开销的数学分析

5.2.1 更新模式对开销的影响

5.2.2 策略请求间隔的方差V 对相同更新点间开销的影响

5.2.3 策略请求间隔的方差V 对不同更新点间开销的影响

5.3 IP-CAN 会话建立开销的数学分析及Matlab 仿真结果

5.3.1 采用Local PCRF 模型后IP-CAN 会话建立的时延

5.3.2 PCRF 发生错误后IP-CAN 会话建立时延

5.4 Local PCRF 模型中的Cache 分析

5.4.1 Cache 的说明和状态定义

5.4.2 Cache 数学分析模型的原型

5.4.3 Cache 的数学分析模型

5.5 本章小结

6. 总结

6.1 全文总结

6.2 展望

参考文献

附录A 缩略语

作者简历

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