基于呼叫状态的IMS业务触发算法*

刘 葳，罗国明，董 民，沈庆国

(解放军理工大学通信工程学院，江苏 南京 210007)

IMS(IP Multimedia Subsystem，即 IP多媒体子系统)是3GPP为在3G网络中支持移动多媒体业务而提出的业务控制体系，其核心是采用SIP协议并与接入无关。IMS将业务层独立出来，有利于新业务的开发和部署，其核心控制层只负责基本的注册、呼叫路由及业务触发，具体的业务处理逻辑由业务平台执行。在IMS业务系统支持的业务种类和数量较少时，涉及到的AS(Application Server，应用服务器)数量有限，用户在发起业务呼叫或会话请求时，核心控制层和业务平台之间的交互流量较小。但当IMS业务种类增加时，由于S-CSCF(Serving Call Session Control Function，呼叫与会话控制服务器)并不能很好地区分用户的业务请求，核心控制层需要和业务平台之间进行大量的信令交互，从而带来业务触发的性能问题。

目前，对IMS业务系统的性能研究主要集中在:针对会话时延的性能分析、针对SCIM(Service Capability Interaction Manager，业务能力交互管理功能)以及针对业务触发算法等方面。文献［1］提出了一种自适应重传计时器，重传时延是影响SIP会话建立时延的重要因素，而定时器初值的设置对业务系统性能的影响十分关键，为了减小重传时延，将SIP呼叫与无线信道的性能结合起来，通过调节SIP信令包的大小，以减小时延。文献［2］提出了一种利用业务代理实现业务交互管理的机制，用于管理多个AS之间的业务交互。文献［3］分析了传统业务触发架构的不足并提出一种改进模型，通过增加 CS(Context Server，上下文服务器)、USPS(User Service Policy Server，用户业务策略服务器)、SRS(Service Repository Server，业务知识库服务器)和SCIM四个实体，来增强业务架构的适应性。在业务触发算法研究方面，文献［4］采用一种基于分组的业务触发算法(GSTA，Group based Service Triggering Algorithm)，在业务处理过程中，S-CSCF通过一次触发一组应用服务器的方式，来减少业务触发的次数，进而减少S-CSCF与业务平台之间的信令流量，以改善系统性能。文献［5］提出了一种基于呼叫状态的业务触发算法(CSTA，Calling-state based Service Triggering Algorithm)，通过定义新的过滤准则cFC(Calling-based Filter Criteria，基于状态的过滤准则)，根据用户业务需要有针对性地触发相应的应用服务器，从而提高业务触发性能。本文在分析比较上述业务框架和业务触发算法的基础上，提出了一种基于呼叫状态的分组业务触发算法，并对其进行建模和性能仿真，分析呼叫到达率和应用服务数量对IMS呼叫与会话时延和系统性能的影响。

1 C-GSTA业务触发算法

1.1 3GPP业务触发架构

3GPP TS 23.218中定义了如图1所示的IMS业务触发架构［6］。该框架主要由 S-CSCF、HSS(Home Subscriber Server，归属用户服务器)和 AS组成，其中 SCSCF用于控制和管理业务触发过程，是业务触发的核心组件;HSS用于存储用户签约与配置信息;AS用于完成业务逻辑的执行和服务的具体实现。

图1 IMS的业务触发架构

在IMS中，与用户业务相关的签约与配置数据由iFC(initial Filter Criteria，初始过滤准则)表示。一个iFC包括 TP(Trigger Point，触发点)、AS标识和 iFC的优先级等信息。TP决定是否与AS通信，它包含一个或多个SPT(Service Point Trigger，业务点触发器)实例。S-CSCF通过解析到达的SIP初始请求消息，获取其中的SPT实例，并与iFC中配置在TP中的SPT实例进行对比判断是否进行业务触发。当S-CSCF从HSS中下载到针对同一用户的多个iFC时，S-CSCF将根据iFC中定义的优先级信息依次检查各个iFC。因此，在同一会话中出现的多个业务触发过程便构成了一个“业务链”。由于每个业务被触发时，当前AS并不知道下一个将要触发的业务及其AS地址，业务逻辑执行完成后，AS将会话控制权交还S-CSCF，S-CSCF根据iFC的配置把业务请求转发至下一个AS，以此类推，直到最后一个业务被触发并执行完毕。当多个AS在同一个会话中出现时，各AS之间并无交互，互不感知。因此，随着应用服务器的增加，S-CSCF需要处理的消息数将急剧增加，从而增大S-CSCF的负载，使S-CSCF成为整个应用触发框架的瓶颈。

1.2 基于分组的业务触发(GSTA)

针对IMS传统业务触发存在的不足，文献［4］提出了一种基于分组的业务触发算法(GSTA)，如图2所示，通过对AS进行分组，S-CSCF每次触发一个业务组，当组中一个AS完成业务逻辑后，将业务控制消息转发给同组的下一个AS，组内所有AS依次完成业务逻辑后才将会话控制消息返回S-CSCF。这种业务触发算法减少了S-CSCF与AS间的交互次数，便于降低SCSCF的负载，提高整个系统的性能。数学分析和仿真结果也表明GSTA能够有效降低IMS的会话建立时延，并减轻S-CSCF的负载压力。

图2 基于分组的业务触发控制流程

1.3 基于呼叫状态的业务触发

根据SIP呼叫或会话的基本路由机制［7］，每个被触发的应用服务器由route头域来决定其是否参加后续会话。当某个服务器决定不再参加后续会话时，应修改route头域值，后续请求或响应消息将不再被路由到该服务器。应用服务器一旦决定不参与后续会话，就不能返回。这种触发方式缺乏灵活性，为有效解决这个问题，文献［5］提出了一种基于呼叫状态的业务触发算法，它定义了一种新的过滤准则cFC，并将呼叫建立过程中涉及到的消息分为4种类型:会话邀请消息(‘INVITE’)、临时响应消息(‘180 Ringing’)、最终响应消息(‘200 OK’、‘486 Busy Here’、‘480 Temporarily Unavailable’等)、会话结束消息(‘BYE’)，并给这四种消息分别定义了如下业务过滤规则:

I-cFC，初始会话 cFC:当会话初始消息到达 SCSCF时，调用I-cFC进行业务触发。

P-cFC，临时响应 cFC:当临时响应消息到达 SCSCF时，调用P-cFC进行业务触发。

F-cFC，最终响应 cFC:当最终响应消息到达 SCSCF时，调用F-cFC进行业务触发。

T-cFC，会话结束 cFC:当会话结束消息到达 SCSCF时，调用T-cFC进行业务触发。

在呼叫建立过程中，S-CSCF根据收到的消息判断需要匹配的cFC，根据具体业务需要在收到某一个或某些消息时进行业务触发，而对这些消息之前和之后的消息都不进行触发。改进后的业务触发提高了针对性和灵活性，同时减少了S-CSCF与AS之间的交互频率，从而可以节省网络资源，提高会话建立效率。

1.4 基于呼叫状态的分组业务触发(C-GSTA)

CSTA和GSTA都是对3GPP业务触发算法的改进和优化，对提高业务触发效率具有一定作用，它们之间的区别主要有以下几点。

1)实现位置不同:CSTA通过定义cFC对初始过滤准则进行区分，主要在控制层实现;而GSTA通过对AS进行分组，主要在业务层实现。

2)实现目标不同:CSTA是基于呼叫状态的业务触发算法，针对一个呼叫过程中可能会出现的不同呼叫状态(如空闲、启呼、振铃、通话、释放等)进行相应的业务触发，灵活性较好;GSTA是基于分组的业务触发算法，通过将AS进行分组，减少了S-CSCF与AS之间的交互，从而提高了业务触发效率。

在基于呼叫状态的业务触发算法中，根据呼叫状态一次需要触发的应用服务器往往不止一个。因此，本文将基于呼叫状态和基于分组的业务触发算法进行结合，提出一种基于呼叫状态的分组业务触发算法(CGSTA):在基于呼叫状态的基础上，对应用服务器进行分组，其业务触发架构如图3所示。

图3 基于C-GSTA的业务触发架构

为便于理解C-GSTA业务触发算法的基本思想，下面结合一个应用实例来对该算法进行描述:某预付费用户订购了呼叫转移业务。在这个例子中，假设:①用户已经在IMS网络中注册;②用户所订购业务的过滤准则已经下载到S-CSCF中;③完成预付费功能的应用服务器AS1和完成呼叫转移控制的应用服务器AS2位于同一组中。

当S-CSCF收到INVITE消息时，执行如图4所示的业务触发流程。

1)主叫发起INVITE消息到达S-CSCF。

图4 C-GSTA的业务触发流程

2)S-CSCF收到此请求后分析过滤准则，按照该用户的签约信息和触发规则，在启呼状态没有业务触发点，因此，S-CSCF直接将消息路由到下一SIP节点。

3)被叫返回一个响应，应答INVITE消息。

4)S-CSCF根据收到的响应消息进行判断。

4.1)若收到“200 OK”响应，S-CSCF检查 cFC，没有发现匹配的cFC，S-CSCF将该消息路由到上一跳SIP节点。起始会话控制流程结束。

4.2)若收到“486 Busy Here”响应，说明被叫正忙，S-CSCF检查cFC发现匹配，S-CSCF初始化一个新的INVITE消息，并发送至完成预付费功能的应用服务器AS1。

①当收到INVITE请求时，AS1执行业务逻辑，检查被叫余额，若被叫有余额则将消息转发到完成呼叫转移控制的应用服务器AS2。

②AS2执行业务逻辑，完成呼叫转移功能，将此SIP控制消息发回S-CSCF。

③收到发回的INVITE消息后，S-CSCF根据SIP路由机制转发该消息至下一跳。

在上述C-GSTA业务触发算法中，S-CSCF基于呼叫状态进行业务控制，决定是否进行相应的业务触发，避免了应用服务器处理资源的浪费;同时，通过将基于同一个呼叫状态需要被触发的应用服务器进行分组，可以减少S-CSCF的信令流量，进一步提高IMS系统的性能。

2 C-GSTA的系统性能建模

针对C-GSTA业务触发架构，本文用M/M/1排队模型对C-GSTA业务触发算法进行性能建模。如图5所示，消息从P-CSCF到达S-CSCF，由S-CSCF按照cFC进行匹配，并按照匹配结果进行分组和业务触发，在该模型中，呼叫状态用CSi(i取值1-n)表示，S-CSCF的呼叫到达率服从参数泊松分布。

假设ASi的优先级总是高于ASj(0＜i＜j)。对模型中的参数做如下定义:

ms-cscf为一个基本呼叫过程(无AS参与的呼叫)中，S-CSCF在会话建立期间处理的SIP消息数;n为应用服务器AS的个数;mi(0＜i≤n)为ASi在会话期间处理的消息数;γ为SIP信令在S-CSCF的初始呼叫到达率;γi(0＜i≤n)为ASi的初始呼叫到达率;λs为S-CSCF的初始呼叫到达率;μs为S-CSCF对SIP信令的服务率;λi(0＜i≤n)为ASi的呼叫到达率;μi为ASi的服务率;x(0≤x≤n)为AS分组的个数;nk(0＜k≤x)为组k中AS的个数，0＜nk≤n。

图5 C-GSTA业务触发算法性能分析模型

SIP呼叫到达ASi后，ASi执行业务逻辑，然后以概率pij(0＜i＜j≤n)被转发至同组中的后续AS，最后以概率pi0(0＜i≤n)返回S-CSCF。基于上述定义和业务触发原则得到式(1):

SIP信令消息返回S-CSCF后，以概率qij(0＜i＜j≤n)被转发至后续AS，同时以概率qi0被路由至被叫用户。从而得到式(2):

由此得到AS和S-CSCF的呼叫到达率为

根据排队论和排队网理论［8］，得到C-GSTA下SCSCF会话建立时延为

3 性能仿真与分析

基于C-GSTA的建模，仿真做如下假设:1)所有呼叫到达S-CSCF后，根据C-GSTA进行业务触发，其中不需触发AS的概率为σ;2)呼叫依次转发至各个需要触发AS，即转发概率为按照C-GSTA触发原则，除AS1外其他AS的初始到达率均为0，即γ1=γ=λ，γi=0(1＜i≤n);4)每条SIP消息处理时间约为10ms～100ms［9］，本文分析时取 10ms;5)假设各AS具有相同的服务率，即由于传统的业务触发算法一个基本呼叫过程中S-CSCF和每个AS在会话建立期间处理的SIP消息数为7个［4］，因此，本文取ms-cscf;7)为便于分析，假设每个AS组具有相同数目的 AS，ni=n/x(0 ＜ i≤x)。

由式(1)、式(2)和式(3)，可得到式(5):

因此，基于C-GSTA的S-CSCF会话建立时延为

图6 呼叫到达率对时延的影响

设应用服务器个数n=12，呼叫到达率对S-CSCF处理时延的影响仿真结果如图6所示。设呼叫到达率λ=0.8，应用服务器AS个数对S-CSCF处理时延的影响仿真结果如图7所示。从图中可以得出:随呼叫到达率以及应用服务器个数的增加，处理时延将随之增大。在传统的触发算法(3GPP STA)下时延急剧增长;在GSTA或CSTA下，时延明显减小;在C-GSTA下，时延相比GSTA和CSTA又有进一步减小。由此可见，在业务种类和业务量增加的情况下，传统业务触发算法时延性能难以达到网络大规模部署的要求，也不能满足当前业务需要;GSTA或CSTA算法在时延性能方面对传统业务触发算法进行了明显优化;本文提出的CGSTA算法相对比于GSTA和CSTA，其时延性能又有进一步改善。

图7 应用服务器个数对时延的影响

4 结束语

本文通过分析3GPP应用触发框架、CSTA和GSTA业务触发算法，提出了一种基于呼叫状态的分组业务触发算法。该算法的核心思想是在区分不同呼叫状态的情况下，对AS进行分组处理，从而进一步优化IMS业务触发架构，降低了S-CSCF与AS之间的信令负载，从而有效地减小了呼叫建立时延。仿真结果表明:采用C-GSTA算法，在呼叫到达率或应用服务器增加的情况下，与单独采用CSTA或GSTA算法相比，S-CSCF的会话时延进一步减小，从而有效地提高了IMS业务系统的服务质量。在工程应用中，为实现C-GSTA算法，需要对S-CSCF和AS的功能进行扩展，这会增加一定的开销，初步研究表明这种开销是可控的，下一步将针对这个问题进行深入研究。

［1］Hanane Fathi，Shyam S.Chakraborty，Ramjee Prasad.Optimization of SIP Session Setup Delay for VoIP in 3G Wireless Networks［J］.IEEE Transactions on Mobile Computing，2006，5(9):1121-1132.

［2］3GPP TR23.810，V0.9.0.Study on Architecture Impacts of Service Brokering［M］.2008:10-13.

［3］Richard Spiers，Neco Ventura，Thomas Magedanz.Improvements on the Application Triggering Architecture for the IP Multimedia Subsystem［J］.IEEE Africon，2011.

［4］荀兆勇，廖建新，朱晓民，等.IMS网络中一种基于组的业务触发算法［J］.电子与信息学报，2008，30(11):2596-2600.

［5］Jianxin Liao，Zhaoyong Xun，Chun Wang，et al.A Callstate-based Service Triggering Algorithm for IMS Network［J］.International Journal of Communication Systems.2009，22:343-364.

［6］3GPP TS 23.218 V7.8.0.IP Multimedia(IM)session handling;IM call model［M］.2007:9-34.

［7］RFC 3261.SIP:Session Initiation Protocol［M］.2002:107-122.

［8］苏兆龙.排队论基础［M］.成都:成都科技大学出版社，1998:81-87.

［9］Eyers T and Schulzrinne H.Predicting Internet Telephony Call Setup Delay.http://www.cs.columbia.edu/～ hgs/papers/Eyer0004－Predicting.pdf，April，2000.