卫星网络中SIP业务应用研究

谷聚娟，张亚生

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)



卫星网络中SIP业务应用研究

谷聚娟，张亚生

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

摘要：宽带卫星网络可以为用户提供丰富的多媒体业务，SIP协议作为支持多媒体业务传输的主流协议逐渐得到广泛应用。为保证这类业务的传输质量，提出了一种卫星网络中针对SIP业务的QoS机制。该机制通过实时检测SIP信令，结合卫星网络的资源使用情况，对多媒体业务进行接入控制和资源预留。最后基于OPNET建立了仿真模型，对提出的QoS机制进行了验证，仿真结果表明，该机制不仅能够保证SIP业务的传输性能，还能提高卫星网络的资源利用率。

关键词：宽带卫星网络；QoS；SIP

0引言

随着Internet的发展，IP业务在各类网络中的比重也越来越大。IP 技术在地面网络应用的成功，为卫星网络的发展指明了方向[1]。宽带卫星网络[2]以IP技术为基础，能够为用户提供语音、数据、Internet接入、交互式多媒体应用等综合业务[3]。SIP协议作为IP网络多媒体服务的主要标准，以其简单、灵活及扩展性好[4]的优点得到了广泛应用。

卫星网络要支持基于SIP的多媒体业务，必须考虑卫星链路长延时、高误码特点对多媒体业务传输质量的影响。同时卫星网络带宽资源十分宝贵，为了保证基于SIP的多媒体业务传输，充分利用卫星网络的带宽资源，必须设计适用于卫星网络的高效QoS机制。

1SIP协议

1.1会话模型

SIP协议(初始会话协议)用于管理会话，它是一种基于文本的协议[5]，可集成各类多媒体业务应用，如视频、会议等。SIP协议采用的是客户端/服务器[6]的会话模型，如图1所示。

图1　SIP会话模型

其中客户端是用来发送请求的功能实体；服务器是用来接收、处理和答复客户端请求的功能实体，服务器接收到客户端发来的SIP请求消息后根据需要对消息进行修改，然后转发给下一个服务器或最终的客户端[7]。

1.2SIP消息

SIP消息分为请求和响应两类，其中请求消息是由客户机发往服务器，响应消息是由服务器发往客户机。SIP是应用层协议，使用SDP(会话描述协议)进行媒体描述。

不论是请求类消息还是响应类消息都采用统一的格式[8]。SIP消息通常由起始行、消息头域、空行和消息体组成[9]，如图2所示。起始行分为请求行和状态行，分别对应于SIP的请求消息和响应消息；消息头域包括通用头字段和实体头字段等标识；空行表示消息头的结束，每个SIP消息头后必须有空行；消息体包含真正消息内容，通常用于描述会话双方的通信能力[10]。

图2　SIP消息

1.3协议流程

SIP业务呼叫流程如图3所示。

图3　SIP呼叫流程

SIP协议用来建立、改变和终止多媒体会话[10]。通常情况下基于SIP的多媒体业务在传输过程中首先使用SIP消息，基于交互式的流程协商建立或释放会话。协商完成后使用RTP协议传送音频和视频流。

2卫星网络中SIP业务的QoS保证

2.1基本原理

SIP协议本身不能对业务提供任何服务质量保证。但是，SIP消息中包含了业务类型、媒体编码类型、业务终端的IP地址和端口号等信息。根据这些信息就可以精确地计算出业务的带宽需求，并能从网络的IP流中将本次会话的业务流提取出来。

卫星网络的带宽资源十分宝贵，网络的资源管理通常采用请求/分配机制[11]。卫星终端可以通过解析SIP信令，获取多媒体业务精确的资源需求，并触发卫星资源分配流程。资源管理中心接收到业务接入请求后，基于业务请求和当前网络的资源使用情况进行资源预留和分配。在检测到业务呼叫结束后，触发释放卫星信道资源。采用这种方式不仅可以为多媒体业务提供QoS保证，还能提高卫星网络的带宽资源利用率。

2.2网络架构

为在宽带卫星网络开展基于SIP的多媒体业务，并能够为业务提供服务质量保证，需要在信关站部署SIP服务器，远端站部署SIP代理模块，卫星网络架构[12]如图4所示。远端站的SIP代理模块通过解析SIP信令进行卫星资源分配和预留，并基于资源预留的结果进行会话控制，实现多媒体业务的QoS保证[13]。

2.3通信流程

多媒体业务开始通信时，首先通过SIP信令进行会话协商，会话传输时的媒体类型和编码类型，音频和视频编码在会话建立时就确定了。远端站的SIP代理模块接收到SIP信令后，截取所有的SIP建立信息(如SIP INVITE)，提取会话的媒体类型，编码名、业务的IP地址及端口号等信息，并将这些信息转换为定量的QoS参数，如业务流属性(IP地址，端口号)、传输速率、最大端到端时延和丢包率等。

SIP代理模块按照业务的实际QoS参数，向卫星信道终端发起业务接入请求，卫星信道终端向卫星资源管理中心申请本次业务通信所需的卫星资源。卫星资源管理中心根据业务的QoS需求和当前网络资源的实际使用情况判断是否允许业务接入。如果允许接入，则为卫星终端分配所需的卫星资源，卫星终端通知SIP代理模块资源申请成功，SIP代理继续转发后续SIP信令，如图5所示，开始业务通信；如果拒绝接入，卫星终端接收到资源申请失败的信令后通知SIP代理模块，SIP代理模块向用户终端发送CANCELL信令，取消本次会话。

图5　卫星网络SIP业务通信流程

业务通信开始后，卫星终端根据SIP业务流属性(IP地址，端口号)从IP流中将业务提取出来，并将该业务流在预留好的卫星链路上进行发送。

会话结束时SIP代理模块截取SIP结束信息(如BYE的200 OK)，并触发卫星链路的释放。

3仿真验证

为验证SIP业务QoS保证机制的有效性，本文在OPNET环境下参考图4搭建了宽带卫星网络的仿真环境，网络采用基于TDMA的卫星通信体制。仿真对比了采用基于Diffserv的绝对优先QoS保证机制和本文的QoS保证机制对SIP业务传输性能的影响。Diffserv机制在IP层根据源IP地址、目的IP地址、源端口号、目的端口号和协议类型等为业务划分优先级，在网络拥塞时按照业务优先级的高低依次调度各优先级的业务。本文的QoS保证机制通过检测SIP信令为话音业务预留资源的方式保证业务传输。

仿真环境中模拟了3个优先级的业务，SIP话音业务的优先级最高，另外2个优先级的都为数据业务，各种业务在110 s时开始加载。

话音业务传输延时仿真结果对比如图6和图7所示，仿真结果表明，在基于Diffserv的QoS保证机制下，话音业务虽然拥有较高的优先级，但是在网络拥塞时需要实时的与网络中的其他业务竞争卫星资源，每帧内业务申请到的时隙位置都不相同，因此业务的传输延时和抖动比较大。采用本文的QoS保证机制时，通过解析SIP信令预先建立卫星信道，进行时隙资源预留，可以降低了话音的延时和抖动，保证业务的传输。

图6　话音业务传输的延时

图7　话音业务的传输延时抖动

4结束语

宽带卫星网络支持多媒体业务传输成为卫星网络发展的必然趋势，因此研究基于SIP的多媒体业务的QoS机制具有重大的意义。本文设计的QoS机制通过解析SIP信令精确获得业务资源需求，驱动卫星链路建立，进行资源预留。同时检测到业务通信结束信令后，释放卫星资源。采用这种方式不仅能够保证基于SIP多媒体业务的传输质量，还能够高效利用卫星网络带宽资源。

参考文献

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Research on Application of SIP Service inSatellite Network

GU Ju-juan,ZHANG Ya-sheng

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Abstract：The broadband satellite network can provide plenty of multimedia applications,and SIP,as a popular protocol of multimedia applications is widely used.In order to ensure better quality,a QoS mechanism of SIP service is proposed in satellite network.This mechanism detects SIP message in real time,considering satellite resource utilization,the access control and resource reservation are implemented for multimedia service.At last the simulation model is established based on OPNET,and the QoS mechanism is validated with OPNET in this paper.The result shows that this mechanism can not only ensure performance of SIP service,but also improve the transmission efficiency furthest in satellite network.

Key words：broadband satellite network; QoS; SIP

中图分类号：TP393.04

文献标志码：A

文章编号：1003-3114(2016)03-102-3

作者简介：谷聚娟(1983—)，女，工程师，主要研究方向：卫星通信技术。张亚生(1969—)，男，研究员，主要研究方向：卫星通信技术。

基金项目：国家部委基金资助项目

收稿日期：2016-02-22

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.03.27

引用格式：谷聚娟，张亚生.卫星网络中SIP业务应用研究 [J].无线电通信技术,2016,42(3):102-104,109.