基于会话管理的软交换呼叫控制模型研究

陈波 张慧瑞 杜秀丽 王运明,2

1．大连大学信息工程学院辽宁大连116622 2.南京理工大学江苏南京210094

随着战争条件下的电磁环境、气候环境和应用环境情况越来越复杂多变,通信网络也要快速地随之变化,同时要求很高的网络服务质量.陆用异构网络中软交换技术是保证网络服务质量的核心技术,而呼叫控制模型完成了软交换最核心的控制功能.因此,建立高效的呼叫控制模型是保障网络通信和服务质量的关键[1−3].

智能网能力集中的基本呼叫状态模型(Basic Call State Model,BCSM),提出了呼叫模型的基本概念,现有的模型大多是在此基础上改进的,但此模型只适用于普通的语音呼叫,并且没有媒体控制功能.P916研究项目提出的呼叫控制模型,增加了多媒体呼叫模型,但是其状态模型只适用H.245协议,另外该模型没有清晰的呼叫关系.文献[4]提出呼叫控制模型,支持多媒体的控制,对BCSM模型进行了改进,减少了子模型、呼叫点和检测点,系统复杂度减低,但还是基于主被叫的呼叫方式,没有实现真正的多方呼叫[4].文献[5]提出的信令–承载控制相分离的呼叫控制模型(Signalling and Bearer Separated Call State Model,SBS-BCM),将信令和承载相分离,完成多媒体和移动业务,具有一定的通用性,但与文献[6]提出一种适用SIP(Session Initiation Protocol,SIP)的呼叫控制模型一样没有建立会话关系模型,实现多方呼叫不便.文献[7−8]提出的呼叫模型提出了描述会话的会话模型,来描述呼叫会话关系,但是当一个呼叫和其他呼叫建立大量的呼叫会话时,处理这些会话关系,会使网络性能下降.

针对现有软交换呼叫控制技术缺少对呼叫会话有效地控制导致服务质量低的问题,提出一种基于会话管理的软交换呼叫控制模型(Session Management Call State Model Based on Softswitch,SM-CSM),在SBS-BCM的基础上增加会话管理子模型,对呼叫会话有效地控制,解决网络服务质量下降的问题.最后针对陆用异构网络的特点,构建仿真系统验证该模型的可用性和高效性.

1 信令–承载控制相分离的呼叫控制模型

1.1 体系作战超网络指挥周期的分析方法

信令–承载控制相分离的呼叫控制模型提出的分层呼叫控制模型主要思想为:呼叫控制功能由信令模型与承载模型组成,协议接入处理模块完成媒体协议接入.它的设计与具体协议无关,具有一定的通用性[5],如图1所示.

图1 SBS-BCM模型

核心会话控制模块是协议无关的,完成通用呼叫控制功能,包含信令控制模型与承载控制模型.协议接入处理模块包含连接控制模型.

SBS-CSM将信令链接与媒体链接的控制能力分离并同时提供给业务,满足了异构网络融合中业务对软交换的控制能力提出的复杂需求.并且SBSCSM的设计是立足于逻辑抽象而非具体信令协议,实现了跨协议的通用性,满足了软交换系统接入多种终端类型的需要.但是没有建立对会话关系进行控制的模型,当出现呼叫量增大时,发起多个呼叫的呼叫方,网络性能会急剧下降,网络服务质量不能保证.为解决此问题,需要把会话从两方呼叫方中分离出来,建立会话队列进行统一的管理,避免单个呼叫方处理大量的会话关系.

2 基于会话管理的软交换呼叫控制模型

2.1 呼叫控制模型

针对陆用异构网络呼叫控制模型对多方多媒体承载能力、多业务支持能力和多网络融合支持能力不足,当呼叫的数量增大时,网络负载和时延会明显增加,不能保证服务质量.在SBS-CSM的基础之上,提出一种基于会话管理的呼叫控制模型,增加会话管理模型,为软交换提供完整的呼叫控制功能,支持会话关系模型控制.为支持多方多媒体的呼叫控制模型增加了会话关系模型.

本文提出的SM-CSM由呼叫状态模型(Call State Model,CSM)、媒体状态模型(Media State Model,MSM)、会话状态模型(Session State Model,SSM)和会话管理模型(Session Management Model,SMM)组成,完成呼叫控制的基本功能,支持多媒体和移动业务,并且对会话进行管理,如图2.

图2 SM-CSM模型

SC/MC:软交换内部消息分为两类,与媒体相关的称之为媒体控制消息(Media Control,MC),其他称为信令控制消息(Signal Control,SC);

CSM:呼叫状态模型(Call State Model,CSM),用于描述呼叫的状态和迁移;

MSM:媒体状态模型(Media State Model,MSM),用于描述媒体的状态和迁移;

SSM:会话控制模型(Session State Model,SSM),用于描述会话关系的状态和迁移.由会话组成;

SMM:会话管理模型(Session Management Model,SMM),用于对呼叫中所建立的会话进行管理,对已有会话中的呼叫方进行优化鉴权.

SMM完成Session的鉴权准入工作,SMM增加了两个队列,分别为会话队列(Session List)和呼叫腿队列(Leg List).会话建立和释放的对应着Session-List的添加、删除;每个接入的呼叫都会存在LegList中.

SM-CSM的重点在于,使用SSM来描述呼叫方之间的关系,使用SMM对会话的建立、释放和删除进行鉴权,当建立会话的呼叫并优化呼叫接入和会话建立的过程,这就简化了呼叫的过程.

2.2 会话管理控制模型

SM-CSM创造性地提出了会话管理模型,在会话管理子模型中添加会话表和呼叫腿表.

1)会话表:会话的建立与释放对应着会话在会话表中的添加与删除操作.一个会话是由两个呼叫腿组成的.

2)呼叫腿表:呼叫腿对应呼叫的CSM和MSM.呼叫的接入,会存储在呼叫腿表中.

3)会话表和呼叫腿表的关系:一个会话对应两个腿,腿对应着呼叫方.两个呼叫建立会话时,我们会对每个呼叫进行合法性检验,通过检验每个呼叫存入呼叫腿,建立的会话存入会话表中;若呼叫已经存在呼叫腿表中(即已经建立过呼叫会话),则由呼叫腿中的两个呼叫腿索引组成会话.

4)鉴权优化:对于已经处在呼叫腿中的呼叫腿,若想建立多方呼叫时,则可以对呼叫腿优化鉴权,因为此呼叫方的信息已经经过合法性验证.其中合法性检验包括号码分析、媒体协商、查询呼叫信息、路由查询等操作,因为这些操作都是在呼叫状态模型完成的,会话管理模型只是接受合法性消息进行判断,所以本文不再赘述[9−10].

当呼叫模型处理大量呼叫时,两方呼叫产生的会话,统一由会话表管理,每个呼叫的信息存储在呼叫腿中.对已经建立会话的呼叫,系统保有其合法验证的额信息;大量的呼叫由呼叫腿来存储,产生的会话信息由会话表存储.因此,由会话建立的鉴权工作就会减少,系统处理能力就会增加.

会话管理模型如图3所示,会话管理模型定义了Authorize(授权),UnAuthorize(回收授权).Authorize:给合法的会话授权开始;UnAuthorize:回收非法的授权.

图3 会话管理模型

呼叫控制模型由呼叫控制点(Points In Call)、检测点(Detection Points)、转移态(Transitions)、事件(Events)组成.如图3所示,分别对应深色方框、白色长方框、箭头和箭头上的字.PIC说明智能网业务逻辑请求完成基本呼叫流程时,所要进行的呼叫控制功能的行为.DP说明在基本呼叫流程中,哪些状态可能触发智能业务逻辑.Transitions表明从一个PIC到另一个PIC的转换.Events是推进基本呼叫流程的事件.

PIC如下:

Null:表明会话刚建立或被删除.

Half-Authorize:表明呼叫方发起呼叫,准备建立会话,收到呼叫方合法性验证消息后,并且验证通过.即成功绑定一方,继续绑定第二方.

Authorized:表明授权成功,授权的过程需要对呼叫方的权限鉴定,对被叫方的合法性进行判断,因此,授权时需要呼叫方的状态信息(此信息存在于CSM和MSM中,会通过消息传递到此处).授权成功加入SessionList中,已经建立会话的呼叫方直接通过授权.

Authorize-Hold:表明授权需要等待其他的消息,需重新授权.

Active:表明会话激活成功,可以工作.

Active-Hold:表明激活未成功,尝试重新激活.

HalfRelease:呼叫方尝试释放呼叫,需要等待被释放方处理完传输的数据方可,进入释放Release.

Release:释放会话,收到双方均发出释放的消息和媒体信息也释放的消息,会话将释放.

DP如下:

Session Attached:收到了呼叫消息.

Half Authorized Finished:收到半授权消息后,进入该DP点.

Media Attached:收到媒体激活消息,进入该DP点.

Media Detached:收到媒体释放的消息,进入该DP点.驱动消息包括内部释放和业务主动释放.

Session Detached:收到会话释放的消息,进入该DP点.

Exception:Manage:授权过程中的异常操作等将触发进入该DP点[7−9].

3 模型对比及仿真分析

3.1 模型分析

基于会话管理的软交换呼叫控制模型与BCSM、SBS-CSM、P916的模型结构比较[5].如表1所示.

从模型结构的改变上来看,与SBS-CSM等模型比较,增加了会话管理模型,使用它解决了呼叫过程中的鉴权和会话管理功能.相应的PIC点和DP点的数目也增加了,PIC增加了6个,DP点增加了6个.但是SM-CSM模型之间的关系特点是高内聚低耦合的,没有繁杂的交互,因此,SM-CSM的复杂性没有增加.从功能的角度来看,4个模型都完成基本的呼叫业务,但是BCSM和P196并没有建立会话的功能,所以呼叫的数量只是单数,限制了呼叫的性能和数量[10−13].BCSM和P916并没有向业务提供控制媒体链接的能力,不适应现在软交换对多媒体要求.

表1 呼叫模型对比表

3.2 仿真结果及分析

针对陆用异构网络,使用OPNET分别对4种模型进行呼叫话务系统仿真测试.为了验证仿真系统的有效性,除软交换节点不同之外,网络其余部分均相同.

仿真系统包括超短波通信网、高速数据网和光纤网,其中呼叫控制模型通过OPNET中的Modeler编程实现[11−15].通过“DES Statistics”来收集仿真系统的统计量,记录的网络性能参数为:网络负载、时延、呼叫阻塞率和资源利用率.分别对两个仿真场景进行话务仿真,设置仿真时间为30h,随着每分钟增加1000个呼叫.仿真数据导入到MATLAB,产生分析结果.

图4 网络的网络负载对比图

如图4所示,在0h～6h时,由于SBS-CSM只是靠CSM和BCM来完成呼叫的控制,在大量呼叫出现时,需要维护的会话关系剧增,网络负载急剧上升到了365Mbit/s,最终保持在380Mbit/s左右;而SM-CSM,网络负载增加到350Mbit/s,最终保持在370Mbit/s左右.BCSM系统容量低,但网络负载仍然达到370Mbit/s左右.P916的网络负载最高,达到385Mbit/s.综上,SM-CSM的网络负载低于SBSCSM和P916,略低于BCSM.

如图5所示,SM-CSM的网络平均时延,从3.0×10–4s 缓慢增加到 4.0×10–4s,略低于 SBSCSM.但是高于从3.0×10–4s只缓慢增加到3.9×10–4s的BCSM模型.P916模型的时延较高的保持在6.3×10–4s.

图5 网络平均时延对比图

如图6所示,在0h～8h的仿真时间里,BCSM和SM-CSM的呼叫阻塞率,增加到了52%,随后缓慢增加到55.6%;而P916和SBS-CSM在0h～8h的仿真时间里,则增加到了55%,随后P916增加到60%,SBS-CSM增加到55.9%.SM-CSM的呼叫阻塞率和BCSM几乎相同,低于P916和SBS-CSM.阻塞率的减少表明会有更多的呼叫用户可以接入网络中,说明SM-CSM提高系统容量.

图6 呼叫阻塞率

如图7所示,在0h～3h的仿真时间里,系统呼叫量急剧增加时,SM-CSM和SBS-CSM的资源利用率近似于100%,随后也保持在这个量级.但P916则只能达到99.5%,而BCSM只达到了99.1%左右.SM-CSM比P916和BCSM均高,与SBS-CSM几乎相同,但是在0h～3h的仿真时间里,增长的速度低于SBS-CSM.说明SM-CSM在系统处理大量呼叫时,增加了资源用率.

图7 资源利用率

随后又对SM-CSM和SBS-CSM做了多种协议进行的测试,如用户部分协议(ISDN User Part,ISUP)、媒体网关控制协议(Media Gateway Control Protocol,MGCP)、H.232协议(在分组网上提供实时语音、视频和数据通信的标准协议)、会话初始协议(Session Initiation Protocol,SIP)等.SM-CSM提供了灵活的媒体控制能力,相比SBS-CSM最大消息转发时间和最大消息转发时间均有所降低.系统实测数据如表2所示.

表2 消息转发时间表

4 结论

根据现有软交换呼叫控制技术缺少对呼叫会话有效地控制导致服务质量低的问题,提出了一种基于会话管理的软交换呼叫控制模.在原SBS-CSN的基础上增加了会话管理子模型,根据会话和呼叫关系建立会话鉴权和准入方法,并通过管理呼叫腿队列中的呼叫腿来减少鉴权次数.虽然相对SM-CSM增加了DP和PIC点,但是SM-CSM模型之间的关系特点是高内聚低耦合的,没有繁杂的交互,因此,模型的复杂性没有增加.针对陆用异构网络的特点,搭建仿真系统,仿真结果表明,该模型有效降低了呼叫阻塞率、减小了网络平均时延和负载,进而提高了网络的带宽利用率,总体上提高了网络服务质量,说明此呼叫控制模型具有实际使用的价值.