电力IMS系统多媒体流路由优化策略研究与改进∗

缪巍巍 蒋承伶 江 凇

（江苏省电力公司 南京 210024）

1 引言

近年来，随着坚强智能电网建设步伐的不断加快，以及“三集五大”体系的全面建成，电网用户对于通信业务的需求正逐步由单一的语音需求转变为对语音、数据、图像、多媒体等业务的综合需求。传统的电力通信行政交换网络采用电路交换技术体制，存在着综合业务融合适应性差、带宽利用效率低、用户操作不便捷等众多问题。与此同时，信息通信技术的快速发展，使得存在多年的电路交换技术正处于被淘汰的边缘，延续原用的行政交换设备将面临着技术支持和售后服务无法持久的潜在风险。IMS（IP Multimedia Subsystem，IP多媒体子系统）作为下一代网络的发展方向，通过控制层与承载层的分离，以及采用分组交换技术承载媒体流，不但实现了网络的融合，更重要的是实现了业务的融合，能够在统一的技术平台上为用户提供语音、数据、视频以及其他增值业务［1～2］。

由于IMS系统提供的业务形式更加灵活、内容更加丰富、应用也更加广泛，因此IMS技术在电力系统中逐步得到广泛应用，各类新兴的通信业务也呈现出快速增长的趋势。然而这些音频、视频、数据等多媒体在传输时不仅要确保传输多媒体流的连续性和实时性，同时还应控制多媒体流在传输过程中的阻塞概率，从而有效保障电力IMS通信业务的服务质量和用户体验。因此，在电力IMS通信业务开通与会话时，需要有一种传输时延短且数据包阻塞概率相对较小的路由算法来对电力IMS通信业务的多媒体流进行一定的路由优化，从而满足IMS业务实时性和高质量的管理需求。

本文对电力IMS通信业务的开通与执行过程中的多媒体流路由过程进行了分析，介绍了一种基于最短路径的多媒体流路由调度方法，在此基础上分析了影响业务影响传输质量的路由分配策略，针对多媒体流在传输过程中阻塞概率的变化提出了一种优化策略，并进行了仿真验证，结果表明本文提出的多媒体流路由算法及其优化策略可使得IMS系统中多媒体流的传输能够兼顾满足实时性和高质量的性能要求，在一定程度上可以保障IMS系统中信息传输的质量，满足电力用户的生产管理需求。

2 多媒体流路由算法

2.1 多媒体流路由过程分析

在电力IMS系统中，应用场景最广泛是多媒体会话，当用户与用户之间通过SIP INVITE等消息协商好后即可进行会话。多媒体会话是由一组多媒体发送者和接收者以及彼此之间的数据流组成。这些数据流包括音频、视频以及文本等各种类型［3～6］。由于会议业务是一种实时性业务，数据的传输必须保证传输数据流的连续性，即数据传输的实时性。在保证数据传输实时性的同时，还需控制连续媒体数据包在传输过程中的阻塞概率，以保证会议业务的高质量。因此在实际通信过程中，这些媒体流的路由过程是影响通信质量的一个重要因素。

图1表示了一个在n个用户之间建立的IMS会议的典型应用场景，且n个用户分属于n个不同的自治系统AS（Autonomous System）。

图1 n个用户之间建立的IMS会议示意图

在该IMS会议中，会话由用户A创建，邀请了其它n-1个用户参加。A会首先向会议中心发出一个INVITE的请求，要求创建一个会议。然后将这个会议的URI通过REFER消息发送给其它n-1个用户，通知他们加入这个会议。当所有的用户均加入到会议中后，A就可以正式开始会议服务，与其他n-1个会议成员进行多媒体会话。由于IMS系统是基于IP网络的，因此，用户A可将多媒体流发送到会议服务器，由会议服务器中的媒体混合器对接收到的会议多媒体流进行控制和处理，并将处理后的多媒体流发送给其他n-1个用户。

在实际IMS系统中，一个标准的多媒体流路由过程通常包括以下步骤：首先，用户向IMS系统提交一个请求，请求建立一个用于多媒体通信会话的连接，也可称之为通信连接呼叫。一个通信连接呼叫主要有一系列的数据流组成，如视频会议中数据流为语音流和视频流。IMS系统接收到用户请求后则进入路由阶段和路径建立阶段。在路由阶段将筛选出一条线路或多条线路的集合，用于建立呼叫。路径建立阶段则包含了一系列的规则，在路由阶段选出的线路或线路集合可利用这些规则建立起连接。如果呼叫的QoS要求未与已建立连接上的要求相冲突，则该呼叫被接受，否则该呼叫将被阻塞［7］。

因此，多媒体流路由与路径建立的策略应满足以下两方面的条件：尽量增加新发起的呼叫被接受的可能性，以及尽量减少被最近建立呼叫所占用的资源。

2.2 分布式多媒体流路由算法

为满足IMS业务在实时性和高质量的要求，在多媒体流从IMS服务器传输到各用户的过程中，需采用一个能够保证传输时延小且数据包阻塞概率小的路由算法来对多媒体流进行路由［8～9］。

分布式的多媒体流路由算法［10］基于最短路径寻址思想，采用实时优先权调度方式制定每条链路的调度策略。其主要路由分配过程如图2所示。

图2 多媒体流路由调度过程图

1）在可行路径生成中，路径生成的首选依据是数据包的传输时延最小，即相当于求两个节点之间的加权最短路径。最短路径生成算法可采用常用的Dijkstra、Bellman-Ford和Floyd算法。

2）计算各可行路径工作量。每一条链路的状态可用该链路上已接受的工作量来描述。若链路i上有K个呼叫，则在时刻t上，链路i的工作量ωi(t)为

其中，Pi，j表示链路i上用来为呼叫j中的数据包进行传输服务所需要的计算时间，时延保证δi，j表示链路i上为呼叫j连接的截止时间。

3）比较并输出工作量最小的可行路径。

通过利用这种路由分配策略，网络尝试在整个路由的所有中间链路上建立呼叫。当一条链路既可以满足新呼叫请求的性能要求，同时又能够保持对已经建立起来的呼叫提供可靠服务，则说明此条链路可调度。若某个呼叫从源节点到目的节点之间所有的中间均被成功调度，则呼叫被接受，否则呼叫被堵塞。

2.3 调度优化策略

对于大型的IMS系统，其性能与路由的分配策略和数据传输质量密切相关。在实际网络中，分布式多媒体流路由算法可使得多媒体流的传输实时性得到一定的保证，但在传输质量方面却可能存在一定程度的缺陷与不足。对于重要程度较高的多媒体流由于其数据包达到链路的概率和单个数据包传输时间等因素相关，其传输过程中阻塞概率比较高，而重要程度较低的多媒体流阻塞概率却相对很小。

因此，在路由选择中可增加阻塞率的计算，对路径上预先建立起来的多媒体流的顺序进行重新排列。假设一个拥有一个较高优先级的多媒体流h，其工作量需求为wh，另一个拥有一个较高优先级的多媒体流l，其工作量需求为wl，且l中包含重要的音视频信息。若l的阻塞概率远大于h，则可将两者传输顺序进行互换。

通常链路i上的阻塞概率由以下几个因素决定：链路i上传输一个数据包所需的时延τi，呼叫c中数据包的到达速率，以及链路i上的占有权静态概率分布函数qi()n。

当链路i上的传输时延为τi时，其理想情况下单位时间内可传输的数据包数目最大值Mt可由式（2）得到：

假设在链路i上，每个数据包被接纳的概率为p( )

0＜p＜1，则某一时刻链路i上传输包个数为n的概率qi()

n可由式（3）得到：

其中，m是多媒体流中总的数据包数目，且n=0，1，2…，m，n≥1。

则在链路i上，一个呼叫c被阻塞的概率其计算公式如下：

假设在每个传输过程中多媒体流的路径建立阶段，其所有链路阻塞之间是相互独立的，且被阻塞的呼叫不占用任何系统资源。则一个呼叫c被分配到完整路径P上被阻塞的概率为B(c)可由式（5）得到：

3 算法验证与比较

为验证优化后的调度策略可行性，本文基于路由优化策略对多媒体流的路由过程中的阻塞概率进行仿真。

假设有两条多媒体流，在链路调度过程中赋予其中一条以较高优先权，将此多媒体流记为h，其对应的工作量需求为ωh；将拥有较低优先权的多媒体流记为l，其对应的工作量需求为ωı。设定h和l均为呼叫中较为重要的多媒体流，由于其到达时间和截止时间的不同而被赋予不同的优先级，l可能会分配到一条时延保证较大的链路上。时延保证 δi，c较大对应的呼叫赋予链路的工作量 ωi，c较小，即ωı＜ωh，意味着多媒体流h在网络中传输的阻塞概率比l大，在某些恶劣的网络环境下甚至会得不到有效的传输，从而使得接收方可能接收不到完整的音频或者视频信息。在此情况下利用路由优化策略进行处理，通过适当降低h的阻塞概率，同时适度增加l的阻塞概率，使得h和l都能够在网络中得到比较可靠的传输。

选用数据包传输速率分别为Nl=20pps和Nh=60pps的两条多媒体流，其对应的周期分别为20ms和30ms。依次在从节点数10递增到节点数100的网络中对路由优化前后的两条多媒体流h和l的阻塞概率进行仿真对比。

在未进行优化之前，两条链路上阻塞概率曲线如图3所示。

图3 未路由优化前多媒体流h和l的阻塞概率曲线图

在利用优化策略之后，两条链路上阻塞概率曲线如图3所示。

图4 已路由优化后多媒体流h和l的阻塞概率曲线图

通过图3和图4的比较，可发现经过本文提出的路由策略优化后，h的阻塞概率下降了，l的阻塞概率适度上升了，两者的阻塞概率曲线趋向接近。通过这种适度的取舍优化，h在IMS网络中传输的可靠性得到了一定程度的加强，同时又使得l的网络传输质量不至少下降太多，从而使得会议中的用户都可接受到比较全面可靠的信息，降低造成部分信息缺失的风险，最终在一定程度上提高了IMS系统中语音和视频的整体传输质量。

4 结语

本文对IMS系统的多媒体流路由过程进行了分析，研究了分布式多媒体流路由算法，并在此基础上提出了一种提出一种基于阻塞概率的路由优化策略。最后对上述路由算法进行路由优化前后多媒体流在传输过程中阻塞概率的变化进行了仿真。实验表明其优化策略可使得多媒体流的传输能够满足实时性和高质量的性能要求，在一定程度上可以保证IMS会议中信息传输的质量。

为使得路由优化策略更具有通用性，后续研究中将在实际的IMS网络环境中进行验证与完善，使得路由优化策略具有更好的实用价值。