基于IP多媒体子系统应用于下一代网络的服务发现架构的研究

摘要

IP多媒体子系统(IP multimedia subsystem，IMS)用于实现端到端的IP多媒体通信。IMS不仅将3G网络的应用从单纯的语音和数据业务扩展到了多媒体领域，而且还具备开发新业务、重用第三方基于Internet业务的能力。由于IMS具有接入无关性、对各种接入技术广适性的特点，3GPP、3GPP2、ETSI TISPAN和ITU-T等标准化组织都对3GPP定义的IMS进行了深入的研究，通过对IMS功能的扩展实现网络对基于多种接入技术的固定和移动用户的统一支持，也即，通过发挥IMS通用平台的作用，构建固定和移动网络相融合的公共核心网，同时为固定和移动用户提供多媒体业务。基于IMS的核心网络体系架构已经被公认为是固定和移动网络融合的统一目标架构，该架构的研究也逐渐成为当今通信界广泛关注的热点之一。 从目前国际和国内标准研究的进展看，虽然基本确定应用所有业务的统一的NGN核心网络架构是IMS，但由于基于所有接入方式(包括各种有线和无线接入)的NGN标准还不成熟，基于IMS核心网络架构的NGN相关研究还需要持续比较长的一段时间。其中，最为重要和亟待解决的问题之一就是：IMS实现固定和移动网络融合、为基于不同接入技术的网络提供多样化多媒体服务、实现统一业务和应用平台以后，随着服务数量的增加、服务类型的多样化以及服务本身复杂程度的提高，如何基于IMS提供高效的、全网的服务发现功能。 基于上述分析，本论文确定将基于IMS应用于下一代网络的服务发现架构作为研究的重点，展开讨论。论文的主要工作和结构安排包括以下几个方面： (1)深入分析基于IMS的服务发现领域的研究现状。分析表明：迄今为止，3GPP等相关标准化组织还没有确定基于IMS网络实现服务发现功能的解决方案。目前，对于应用了IMS的异构网络，通常采用的都是映射或者中间件的方法，先将基于不同网络技术的服务转换为统一的IMS网络服务，进而实现服务发现的功能。无论采用映射还是中间件的方法，要完成服务发现和服务提供功能，都需要引入额外的新功能实体甚至应用平台，代价较大。有一篇文章曾提出应用IMS架构本身直接实现服务发现功能的思路，但只是指出一些可供参考的选择和建议，并没有对具体的方法进行详细的描述和论证，也没有针对基于IMS的服务发现架构进行可行性研究。 (2)广泛调研目前服务发现的主要研究领域和最新进展。调研结果表明：近些年来，服务发现方面的研究主要集中在某一特定的单一网络或系统，如移动自组织网络、万维网和网格系统、点对点网络等。由于系统相对单一，相应的设计方法具有一定的局限性。而且服务发现方面的研究也都偏向于架构本身的设计和实现，很少有文章针对提出的服务发现的性能作相应的合理性分析和优化考虑。 (3)基于(1)和(2)的分析，本论文提出一种全新的应用于下一代网络的服务发现架构，并对该架构服务发现功能的具体实现进行了详细的描述。其主要思想是：依据IMS网元的自身特性，利用现有IMS功能实体构建全新的服务发现架构，从而实现快速有效的服务发现功能。由于服务发现功能的实现不需要额外新网络实体的参与，相应开支较小，而且可以实现和IMS网络很好的整合。该服务发现功能的实现只作用在IP多媒体核心网络的子系统中，因此可以和任何一种现有的应用于某一特定接入网络的服务发现机制并存。此外，该服务发现架构是独立于任何一种特定接入技术的，可以说是一种可以为全球用户提供服务发现功能的方法，是一种通用的服务发现解决方案。 (4)针对(3)提出的基于IMS的全新的服务发现架构，分析新功能的引入对原有IMS网络的影响。通过数学建模、理论分析和数据仿真的方法，对该服务发现架构的性能进行全面评估，包括HSS用于存储服务信息所增加的服务信息缓存区的代价，服务发现的成功率以及服务发现过程产生的网络负载等。所有性能分析都是基于对服务通告(service announcement，SA)平均更新时间间隔，相邻两个服务发现请求(service request，SrvRqt)之间的平均时间间隔以及网络状况等方面的考虑。评估结果表明，该服务发现架构需要增加的服务信息缓存区的代价较小，服务发现过程产生的额外网络负载也不大，对原有IMS网络的影响较小，但却可以实现较高的服务发现成功率。 (5)结合(4)的分析，运用数学推理和算法仿真相结合的方法，对提出的服务发现架构的性能进行优化。值得指出的是，我们得到了SA的平均更新时间间隔(ISA)的最优值。该值可以使服务发现架构的各项性能达到最优的折中和平衡。而且，对于给定IMS网络，ISA最优值的选取只与SA的平均生命周期TL有关，而TL和ISA相对固定，都可以由应用服务器设定，即，ISA的大小可以由IMS网络运营商设定和调整，从而使得整个基于IMS的服务发现可控。与通过对相邻两个SrvRqt之间的平均时间间隔(由用户端决定)和网络状况(实时变化)的控制实现性能优化的方法相比，IMS网络运营商根据网络的具体需求，通过设定和调整网络可变参数的方式实现性能优化的策略是简单可行的。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章综述

1.1 IMS概述

1.1.1 IMS体系架构

1.1.2 IMS功能实体及相关接口

1.1.3 IMS相关协议

1.1.4 IMS信令流程

1.2 IMS研究现状

1.2.1 IMS关键技术

1.2.2 IMS业务应用

1.3 IMS在NGN中的应用

1.3.1相关标准进展

1.3.2国内外相关研究

1.4 IMS中服务发现的研究

1.4.1相关标准进展

1.4.2 国内外相关研究

1.5本论文的主要贡献

1.6本论文的结构安排

第二章服务发现的研究

2.1服务发现的概念

2.1.1服务发现系统框架

2.1.2服务发现功能

2.2服务发现的架构

2.2.1集中式服务发现

2.2.2分布式服务发现

2.2.3混合式服务发现

2.3服务发现的关键技术

2.3.1服务描述

2.3.2服务匹配

2.3.3服务选择

2.3.4服务发现系统拓扑结构

2.4服务发现的研究现状

2.4.1 国内外相关研究

2.4.2存在问题

2.5本章小结

第三章基于IMS的服务发现架构的研究

3.1 全新的服务发现架构

3.1.1服务发现架构的描述

3.1.2应用层的实现

3.1.3信令层的实现

3.1.4媒体传输层的实现

3.2服务发现若干关键问题

3.2.1 服务发现架构的可靠性

3.2.2服务发现协议

3.2.3服务信息的状态维护

3.2.4服务选择策略

3.3服务发现过程

3.3.1服务信息的存储

3.3.2服务信息的查找

3.4本章小结

第四章基于IMS的服务发现架构的性能分析

4.1性能指标的选取

4.2增加缓存的代价

4.2.1数学建模

4.2.2 理论分析

4.2.3性能评估

4.3服务发现的成功率

4.3.1 理论分析

4.3.2性能评估

4.4服务发现过程的网络负载

4.4.1理论分析

4.4.2性能评估

4.5本章小结

第五章基于IMS的服务发现架构的性能优化

5.1 理论分析

5.2相关参数

5.2.1 固定参数

5.2.2 可变参数

5.2.3其他参数

5.3 可变参数的影响

5.3.1 匹配服务信息的个数

5.3.2服务请求的时间间隔

5.3.3网络状况的变化

5.3.4权重值的设定

5.3.5服务通告的生命周期

5.4性能优化策略

5.5本章小结

结束语

参考文献

致谢

附录