基于家庭网关的IMS FMC QoS架构设计

【中心议题】

• 提出了一种基于家庭网关的IMS FMC的QoS架构
• 给出了具体实现方案

【解决方案】

• 采用了基于同一策略决策点的模式,综合考虑家庭网络策略库和IMS策略库做出决策
• 引入了学习模块学习用户习惯
• 将策略执行点的功能扩展为资源预留、接纳控制、流量整形、缓存管理和队列调度

1引言

随着3G网络的快速发展,3G核心网-IMS(IP Multimedia Subsystem)的FMC(Fix—Mobile Convergence)逐渐成为研究的热点,而家庭网络和IMS网络的融合则是IMS FMC的典型应用。近年来家庭网中音频、视频、实时控制和交互式业务大量出现,对于网络服务质量(带宽、延时、延时抖动,差错率等)提出了更高的要求。

传统的IETF定义的集成服务(Intserv)和区分服务(Diffserv)是经典的QoS体系结构,也是IMS网络中QoS参考模型。集成服务是一种基于流的,状态相关的体系结构,利用资源预留协议RSVP,保证QoS。而Diffserv是一种可扩展的状态无关的体系结构,其简单、通用、可扩展的特点使其成为主流的IP QoS模型。

IMS借鉴了IETF中QoS模型的基础之上,采用了基于策略的QoS架构和控制机制。根据不同业务QoS的特征,UMTS定义了4种QoS等级来描述具有不用带宽,时延、时延抖动、差错率和优先级要求的业务类型,分别是会话级、流级、交互级和背景级。

IMS基于策略的QoS架构:包括IP承载服务管理,翻译/映射功能、UMTS承载服务管理,P-CSCF,PDF和PEP。在这种模型下,进行策略控制的两个主要元素是策略执行点(PEP)和策略决策点(PDP)。PEP一般位于网络节点上,它实际执行策略决策;而PDP则一般位于存放策略的策略服务器上,主要在此做出策略决策。PEP接收来自设备的策略服务请求后,将策略服务请求发往与其对应的PDP,PDP根据请求中的相关参数查询相关的策略,通过推理,决定是否执行相关的策略,并把决定发往PEP,PEP依据PDP的决定来执行相关的操作,最终将策略转化为面向具体设备的指令,以满足QoS的控制目标。

在IMS策略模式下,所有的智能化的工作都集中在PDF一侧,一方面PDF和策略库是位于IMS网络中,不会考虑家庭网络的状态;另一方面PDF只关注E2E的QoS保障,而由于家庭网络中终端,共存于家庭网络之中,终端的服务质量服从于整个家庭网络的整体服务质量,受到用户习惯的影响。为此本文提出了基于家庭网关的IMS QoS架构,并对家庭网关中传统的资源预留、准入控制、流量整形、缓存管理和队列调度等功能重新进行模块设计和算法选择。

2基于家庭网关的IMS QoS架构设计

本文综合考虑了家庭网络策略和用户习惯等因素,将IMS网络中的基于策略的QoS架构延伸到家庭网络中,提出了基于家庭网关的IMS QoS架构。

除了作为家庭网络的连接中心和控制中心,本文提出的IMS QoS模型中的家庭网关还具备了SIP信令代理和策略控制等功能。相对于IMS系统基于策略的QoS架构,本文提出的基于家庭网关IMS QoS架构有如下改进:

1、策略决策点GPDF位于家庭网关内部,参考了家庭网络和IMS全局两个策略库中的策略,充分的考虑到了家庭网络内部网络状态和家庭网络用户习惯。为解决位于不同域的IMSE2E QoS问题,有学者提出了基于同一策略库和基于同一策略决策点两种E2E QoS架构。结合家庭网关的特点,本文采用了基于同一策略决策点的模式,综合考虑家庭网络策略库和IMS策略库做出决策。

2、在家庭网关中增加了学习模块和网络检测模块,用以学习家庭网络用户的生活习惯和检测家庭网络的状态,为家庭网络策略库提供策略依据。随着智能家庭网络的迅速发展,越来越多的智能设备可以根据用户的习惯调整其服务模式,提出了智能家庭网络架构。受此启发,本文引入了学习模块学习用户习惯,在家庭网络与IMS网络融合的QoS架构中,引入个性化的QoS,提升家庭网络用户的QoS体验。

3、结合家庭网关的具体功能,扩展了PEP执行点的内涵。IMS的QoS策略控制模型下,在资源授权、资源预留和QoS承诺批准三个具体的QoS控制阶段,GGSN(PEP)的QoS控制相关的工作主要集中在资源预留和接纳控制。而由于家庭网关还需要具备路由功能,本文在参考了ITU QoS参考模型以及传统IP家庭网关的设计基础之上,将策略执行点的功能扩展为资源预留、接纳控制、流量整形、缓存管理和队列调度。

3基于家庭网关的IMS QoS控制流程

基于家庭网关的IMS QoS控制流程如下图3所示,本文以主叫一方的QoS控制流程违例进行说明。和3GPP定义的IMSQoS流程相同,分为3个具体的控制阶段:资源授权阶段、资源预留阶段和资源承诺批准阶段。在资源授权阶段,位于家庭网关内部的GPDF代替了PDF完成资源授权。在资源预留阶段,家庭网关完成了GGSN的功能,用以发起策略决策请求,并负责向P-CSCF报告策略决策结果;GPDF分别从P-CSCF和网络检测模块处获得IMS网络和家庭网络的网络状态,并综合考虑IMS策略库和家庭网络策略库中的策略做出决策。在资源承诺批准阶段,P-CSCF在接到被叫段的200OK消息后,指示GPDF和PEP开门,以便被授权的QoS资源可以被使用。

4家庭网络特征分析及模块设计

随着家庭网络和IMS网络的融合的进展以及智能家庭网络概念的不断深入,家庭网络的QoS需求出现了新的特点,而这些特点也决定了需要对传统的家庭网关路由方法进行改进。本章就家庭网络QoS需求和网关路由方法的改进进行讨论。

4.1 QoS特性分析

1、QoS需求多样化。固定网络和移动网络迅速发展,许多传统业务,如电视、电话、医疗、监控等都可以家庭网络中实现。

业务的多样化带来了QoS需求的多样化,如UMTS所定义的,业务在延时、延时抖动、吞吐量、优先级等参数上存在差异,这种QoS需求的多样化,应该在缓存管理、队列调度等方面得到体现。

2、流量的促发性。随着多媒体业务越来越多的融入家庭网络,变码率实时流媒体业务流量峰值浮动较大。传统意义上流量整形负责保证业务流符合流量规范,防止网络超载的发生。并不能很好的满足时间短、流量大的促发流需求。为此需要对流量整形、缓存管理算法进行改进。

3、QoS的个性化。实际上QoS本身就体现了大量的主观因素,在智能家庭网络中,设备的个性化服务体现了用户主观意愿和生活习惯。本文将这种个性化的QoS需求应用家庭网关,结合IMS基于策略的QoS模型,为用户更高质量的服务。用户的个性化QoS需求会影响到资源预留,接纳控制等模块的设计。

4.2模块设计与算法选择

针对家庭网络的QoS特征,对家庭网关中QoS相关的资源预留、接纳控制、流量整形、缓存管理和队列调度进行模块设计与算法选择。

1、资源预留

在IMS网络的QoS保障机制中,资源预留是重要的一环。然而一方面随着家庭网络中服务的多样化,资源预留不再局限于单个资源,而是潜在的复杂资源集合,另一方面,QoS的个性化也体现在资源预留策略的不同。立即开始的资源预留为立即预留,将延迟开始的资源预留为提前预留。在IMS QoS架构中的资源预留是在业务发起后进行立即预留。为提高资源预留的灵活性和体现资源预留的个性化,允许家庭网关根据用户的生活习惯以及设备服务的联动性,代替用户或设备发起提前预留。提前预留需要设定生命周期,以避免不必要的资源浪费。

2、准入控制

相比IMS核心网中路由器,家庭网关可以和用户交互,以获得用户的个性化准入机制。在IMS网络中准入控制的基本原则是准入之后不能降低已有服务的QoS等级。但在家庭网关处,可以通过学习模块学习或直接和用户交互,在获得用户同意后,降低已存在的低优先级服务QoS等级,以使高优先级服务在不降低QoS等级的情况下获得准入。另外如果家庭网络服务的QoS等级在上述情况下受迫降低,准入控制模块定时向P-CSCF/GPDF发出探测信号,以确定是否可以恢复之前的QoS等级。

3、流量整形

流量整形用于控制网络的传输速度和流量,使业务流符合流量规范,以保证网络安全。显然对IMS网络中时间短,流量大的突发流也使用同样的整形方法将会严重影响到相关业务的服务质量。传统的流量整形方法有漏桶和令牌桶。然而漏桶和令牌桶都不能很好的解决突发流的问题。针对此问题,有以下几种解决方案:用动态调整令牌桶大小和令牌产生速度的方法减少丢包;为每一个流申请一个缓存空间,用令牌的消耗速度为依据动态的动态调整每个缓存空间的大小,将令牌桶与优先级队列相结合,提出了一种分级统筹的流量整形方法。考虑到算法复杂度以及IMS服务的分类特性,令牌桶与优先级队列的相结合的流量整形方法较为适合于家庭网关的具体实现。

4、缓存管理

缓存管理负责处理等待发送的数据包,缓存利用率、丢弃分组数和吞吐量是衡量缓存管理的标准,在具体实现上,各缓存管理算法的区别主要在于丢弃包的策略不同。按照策略的不同可以分为静态阈值策略、动态策略,Push-out策略和多优先级策略。鉴于IMS网络QoS的多样性以及流量的促发性等特征,家庭网关中的缓存管理需要兼顾动态阈值策略和多优先级策略的优点。有学者在动态阈值策略DT的基础上把DT方法推广到多优先级情况,满足了促发性和多样性的特征。但是由于DT策略是贪婪的,没有预留缓存的机制,如何平衡促发流量和资源预留的关系是需要考虑的问题。

5、队列调度

队列调度是解决外出连接传输时数据包的选择问题,最基本的队列原则是FIFO,在这一原则下,所有的数据包都是平等对待的,但FIFO没有考虑到优先级以及公平问题。在多队列调度中,按照流、流的优先级和流的类型划分队列,调度策略可以分为公平队列/权重公平队列、优先级队列和基于类型的队列。

在这些多队列调度的每个队列也是采用FIFO原则。有学者提出VirtualClock算法,是根据流的特性以及流的前一个包的到达历史,给每个数据包分配一个逻辑上的到达时间,队列调度按逻辑到达时间进行。考虑到IMS服务的分类特性和促发性,在优先级队列中采用VirtualClock算法,可以在同一优先级的业务中,按照业务当前的紧迫程度进行灵活的调度,最大限度的保证高优先级中紧迫度最高的业务的QoS。

5结束语

在IMS网络和家庭网络业务融合的过程中,QoS是研究热点。本文在IMS基于策略的参考模型基础之上,提出了一种基于家庭网关的QoS架构,该架构充分考虑了家庭网络策略库的决策作用以及家庭成员的生活习惯。并根据该架构,给出了相关的访真。