Исследование и оценка эффективности мультисервисных сетей NGN/ IMS при передаче мультимедийных трафиков

ИССЛЕДОВАНИЕ И ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ

«и*

МУЛЬТИСЕРВИСНЫХ СЕТЕЙ NGN/ IMS ПРИ ПЕРЕДАЧЕ МУЛЬТИМЕДИЙНЫХ ТРАФИКОВ

Ибрагимов Байрам Ганимат оглы,

д.т.н., профессор Азербайджанского Технического Университета, г.Баку, Азербайджан, i.bayram@mail.ru

Гасанов Ариф Гасан оглы,

адъюнкт Военной Академии Республики Азербайджан, г.Баку, Азербайджан

Ключевые слова: трафик, протокол SIP, подсистема MS, сервер HSS, качество обслуживания, протокол Diameter, SIP-сервер.

Исследованы функциональная архитектура подсистемы передачи мультимедийных сообщений-IMS (Internet Protocol Multimedia Subsystem) по управлению мультимедийными сеансами для мультисервисных сетей NGN/IMS, определяющих взаимодействие системы и протоколов NGN. Базовым элементом опорной сети архитектуры IMS являются функция управления сеансами CSCF (Call/Session Control Function) которая, реализуется на SIP-сервере с использованием протоколов SIP (Session Initiation Protocol).

Предложена структурная схема функционирования модели обслуживания трафика мультимедийных услуг в сети NGN/IMS при установлении сессий, использующих сетевые элементы сервера пользовательских данных HSS (Home Subscriber Server), ядра системы управления CSCF, сигнальные и медиашлюзы (SGW&MGW, Signaling Gateway&Media Gateway). Проанализированы характеристики эффективности подсистемы IMS и установлено, что в сети NGN/IMS мультимедийные услуги в режиме реального времени существенно изменяют характеристики трафика, как служебного, так и полезного, что требует новых моделей и подходов оценки показателей качества предоставления услуги Triple Ptay.

На основании анализа качества работы сетей NGN/IMS при оказании мультимедийных услуг, предложена математическая модель оценки качества услуг связи. Данная модель, учитывает свойства самоподобного случайного процесса с показателем Хэрста и описывает качества функционирования архитектурной концепции NGN/IMS. Соответствующая модель система массового обслуживания в общем случае представляет собой систему. На основе модели изучены особенности СМО с очередями при выполнении голосовых услуг с возможностью активации мультимедийных приложений, видеотелефонии, передачи мультимедийных трафиков и услуги Triple Ptay. По результатам исследования математической модели сетей NGN/IMS получены аналитические выражения, позволяющие оценить показателей общего набора рабочих характеристик IP-сетей, которые учитывают рекомендации ITU-T Y. 1540 и Y.2000 и определено среднее время ожидания в очереди при оказании мультимедийных услуг с необходимыми параметрами, обеспечивающие гарантированное качество услуг QoS (Quality of Service). Согласно последним рекомендациям ITU-T и на основе СМО с очередями, могут быть определены еще пять сетевых характеристик, которые являются показателем эффективности сетей NGN/IMS и важным показателем QoS.

Для цитирования:

Ибрагимов Б.Г., Гасанов А.Г. Исследование и оценка эффективности мультисервисных сетей NGN/ IMS при передаче мультимедийных трафиков // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2017. Том 11. №2. С. 15-18.

For citation:

Ibrahimov B.G. Hasanov A.H.

Введение

В настоящее время в области телекоммуникаций по мере увеличения количества мультимедийных услуг и объема передаваемого полезного и служебного трафиков требуется создание эффективных мультисервисных сетей связи следующего поколения на базе платформы мультимедийной IMS, обеспечивающие необходимое качество услуг, предоставляемых абонентам.

Проведенные исследования показали [ 1, 2], что одной из наиболее важных задач мультисервисных сетей NGN/IMS с использованием SlP-серверов является поддержка качества обслуживания мультимедийных графиков, в первую очередь минимизация временных характеристик задержек доступа к услугам. Следует отметить, что пока данный вопрос изучен недостаточно хорошо и остается мало исследованным 13,4].

Эффективность использования подсистемы мультимедийной связи IMS в значительной степени зависит от пропускной способности сетей NGN/IMS с использованием SlP-серверов и сетевого оборудования системы управления сеансами CSCF. Для гарантированного обслуживания таких нагрузок необходимы максимальная пропускная способность сети NGN/IMS, минимальные средние задержки в системе IMS, повышенные коэффициенты эффективного использования ресурсов SIP-серверов и т.д.

С учетом вышеизложенного, возникает важный вопрос — оценка качества обслуживания мультимедийного трафика мультимедийной связи IMS. которая зависит как от алгоритма доступа к услугам, так и от эффективности функционирования мультисервисных сетей NGN/IMS с использованием сервера домашних абонентов HSS.

В данной работе рассматривается решение выше сформулированной задачи - исследование и оценка эффективности мультисервисных сетей NGN/IMS при передаче мультимедийных трафиков.

Обща» постановка задачи и схема функционирования

исследуемой модели сети NGN/IMS

Для точного описания мультимедийного трафика, проходящего между звеньями сети NGN/IMS и ее сетевыми элементами система управления сеансами CSCF, требуется анализ статистических характеристик трафика и выбор адекватной ММ самоподобного случайного процесса. Анализ концепции IMS [1, 5, 6] показали, что дальнейшее расширение номенклатуры мультимедийных услуг, востребованных пользователями, привело к появлению пакета услуг-Triple Play Serv ice, представляющего тройной пакет, включающий голосовые услуги, доступ в Интернет и просмотр телевизионных программ, которые требуют многоскоростных систем обслуживания и широкого диапазона скорости передачи - от 2 до 2500 Мбит/с.

В рамках исследования структурно-функциональная схема модели сети NGN/IMS, построенная на основе системио-гехнического анализа мультимедийных услуг, представлена на рис. 1 и состоит из буферного накопителя (БН) доступа, узла коммутации с использованием IP/MPLS и подсистемы IMS. Подсистема мультимедийной связи IMS как н архитектура Softswitch, которая представляет собой набор функций, соединенных стандартными интерфейсами. Система IMS состоит из Proxy, Interrogating и Serving CSCF, которые используют протоколы установления сессий SIP и Diameter IMS.

нъ

Ь}| сетеинго .114 1,11.1 II у 1 !:) коммутации с цстиьзовадоеу TP'MPLS

P-CSCF

S-CSCF

I-CSCF

IHSSK-1 AS I

Рис. I. Структурно-функциональная схема исследуемой модели сети NGN/IMS

В схеме сервер HSS является базой пользовательских данных и обеспечивает доступ к персональным данным абонентов, связанным с мультимедийными услугами. Серверы AS взаимодействуют с функцией S-CSCF по протоколу SIP и обслуживают SIP-ссансы.

Па основе исследований [3, 51 установлено, что передаваемые трафики системы и протоколы сетей NGN/IMS обладают особой структурой. Выявлено в [2], что мультимедийные трафики NGN/1MS обладают свойствами самоподобия с коэффициентом Хэрста, Н лежащим в диапазоне 0,5<Н<! и равно ft = 1 -0,5 Д, 0 <р<\ (3].

С целью решения рассматриваемой задачи и учитывая важность взаимодействия системы и протоколов NGN, предлагается математическая модель (ММ) сетей NGN/IMS с учетом свойств самоподобия графика при оказании мультимедийных услуг.

Описание математической модели и анализ

показателей сетей NGN/IMS

В последнее время проведенные анализы показывают [3, 4, 6], что характер передаваемых служебных и полезных трафиков в мультисервисных сетях NGN/IMS отличается от пуасеоновекого, а процесс обслуживания от экспоненциального закона распределения. Тогда необходимо обратиться к результатам теории диффузионной аппроксимации, предоставляющей в распоряжение разработчика приближенные, по весьма простые с вычислительной точки зрения формулы [4].

Учитывая последнее предположение и алгоритмы работы функциональной архитектуры подсистемы передачи мультимедийных сообщений, рассматриваемых сетей NGN/IMS в общем случае представляет собой систему массового обслуживания {СМО) типа fBGI / G/ Ns / N. с некоторыми

допущениями при повышенной загрузке р. £ t, i = 1 ,и.

Допустим, что поступление потоков трафика на обслуживание является непуассоновским с интенсивностью /.¡, i= 1,и, распределение длительности обслуживания - произвольное, обслуживающие SIP-серверов N$ имеют общий буферный накопитель (Б11) с неограниченной емкостью Ncm £ 00 (где п - общее количество типов потока трафика).

Рассматриваемое ММ в виде СМО общего типа fBGI /G / jV- / N с очередями, учитывает показатели эффективности сетей NGN/iMS, свойств самоподобия мультимедийных трафиков и особенности приближенных методов диффузионной аппроксимации.

На основе методов диффузионной аппроксимации и свойств самоподобия передаваемых графиков в данной СМО, загрузка подсистемы передачи мультимедийных сообщений определяется следующим выражением:

p/

Р(п>0) =

где f(H)~ функция, учитывающая свойство самоподобия поступающих пакетов трафика протокола сетей NGN/IMS; fli" (if)—среднее значение длительности обслуживания потоков пакетов /-го [рафика; к — скорость передачи потока пакетов /-го трафика.

С целью удобного расчета, выражение (1) можно представлять в следующей редакции, вводя интенсивности нагрузки подсистемы передачи мультимедийных сообщений для потока пакетов ('-го трафика

/>

Следует отметить, что идея и особенности метода диффузионной аппроксимации, описанного в |4, 5] состоит в том, что распределение длины очереди Р{п>0) в системе

fBGI IGfNsIN. с очередями при критической загрузке, равной р(Н), аппроксимируется распределением следующего вида:

\\-р(Н), прип=0

l^tfHI-^C^CJH/XC^CJ"-1, npun>Q

В (3) р{С,,С п) является загрузкой СМО типа fBGHGi/N6n, учитывающие квадратичные коэффициенты вариаций распределения С] интервалов между поступающими мультимедийными сообщениями и распределением длин мультимедийных сообщений С\ и выражается следующим образом;

р

Следовательно, для пуассоновского входящего потока пакетов трафика С\ = I, а для геометрического распределения длин сообщений равна

где р ~ вероятность того, что среднее значение L не

равно единице данных пакета для геометрического распределения длины мультимедийных сообщений;—дисперсия для геометрического распределения длины мультимедийного сообщения.

Оценка времени передачи мультимедийных трафиков

В данной системе IMS предполагаем, что все сетевые элементы загружены одинаковы и коэффициент загрузки одного SIP-сервера с учетом свойства самоподобия поступающих пакет /-го трафика pt(H) в многоканальной системе определяется следующим выражением:

р1И) = \-^--ргЛгВ,])]< 1. /=1.п '

V,  N.

E[L^H\ = Q5G{p,Ns)

Cl + Cl

1 -РАН)

где С(р, Л'Л/)— является множителем и определяет вероятность того, что потоки пакетов трафика придя в подсистему мультимедийной связи ! М 8. застанет все 81Р-серверов занятыми и встанет в очередь и определяется как С-формула Эрланга [4].

С учетом (8) и приближенной формулы Крамера и Лан-генбах-Бельца [5], среднее значение время ожидания г'-го потока пакета трафика в очереди определяется следующим выражением:

CJ+Cn ,,

G(pJI)-

-JL, i = \,n

Ns[i~p,(H)] 2

где f —среднее время обслуживания потоки пакетов трафика протокола сетей NGN/1MS и

На рисунке 2 представлена зависимость среднего времени ожидания в очереди в сети NGN/IMS от количества S1P-серверов и скорости передачи мультимедийного графика.

М[Т„ сто] А м с

где Z, -средняя значения длины передаваемого мультимедийного сообщения i-го трафика.

Учитывая (2),...,(7) и результаты полученными с помощью метода диффузионной аппроксимации можно определить вероятностно-временных характеристик сетей NGN/iMS [4, 5]. На основе предложенной ММ в виде СМО общего типа JBGI ! G ! Ns / /V,;„ с очередями, средней длины

очереди выражается следующим образом:

Рис. 2. Зависимость среднего времени ожидания н очереди в еети NGN/1MS от количества SIP-серверов

Анализ семейства графической зависимости E[TlM>(H)] = F(pt,Ns,V,k,H) »оказывает, что увеличение ограниченною количества SIP-серверов в сети NGN/iMS с использованием серверов домашних абонентов IISS Ns> 20,...,25, отвечающих требованиям отказоустойчивости системы IMS, способствуют минимизации среднего времени ожидания в очереди при заданной скорости Vt> (2,...,155) Мбит/с и коэффициента Хэрста

Н, - 0,75,...,085.

Таким образом, на основе ММ, полученные выражение (7),...,(9) являются одной из основных характеристик эффективности сети NGN/IMS и показателей QoS, которые базируется на архитектуре IMS.

Выводы

Проведенные исследование показали, что оценки и анализ показателей платформы мультимедийной связи ¡MS как средней длины очереди СМО так и среднего времени задержки передачи трафика в функции загрузки - являются весьма важными при изучении эффективности мультисер-

T-Comm Vol. 1 1. #2-201 7

COMMUNICATIONS

висных сетей NGN/IMS с учетом свойств самоподобия служебного и полезного трафиков.

В результате исследование предложен ММ в виде СМО общего типа fBGIIGINIс очередями и получены аналитические выражения, которые позволяют оценить показатели эффективности NGN/1MS с учетом свойств самоподобия мультимедийного трафика, обеспечивающего гарантированное качество услуг QoS, регламентируемых рекомендации ITU-T.

1. Филимонов А,Ю, Построение мультнсервисных сетей Ethenet. СПб.: КВХ-Петербург, 2007. 592 с.

2. Ибрагимов Б.Г., ГасановА.ГИбрагимов Р.Ф. Диализ характеристик эффективности мультнсервисных сетей телекоммуникации на базе подсистемы IMS II Труды X Международной отрасле-

вой НТК "Технологии Информационного Общества". МТУСИ, Москва. 2016. С. 36-37.

3. Ибрагимов Б.Г.. Гасанов А.Г. Исследование качества функционирования сетей NGN/1MS при установлении мультимедийной сессии // Материалы Всероссийской конференции с Международным участием по «Информационво'телекоммун и кацион ные технологии и математическое моделирование высокотехнологичных систем». РУДН, Москва. 2016. С.21-24.

4. Вашарип ГЛ., Бочаров ПЛ., Коган Я.А. Анализ очередей в вычислительных сетях. Теория и методы расчета. М. Наука, 1989. 336 с.

5. Гайдамака Ю.В.. Заршюва Э.Р., Вихрова О.Г. Приближенный метод анализа временных характеристик установления сессий в мультимедийной подсистеме IMS II T-Cointn: Телекоммуникации и Транспорт. 2014. № 8, С. 19-23.

6. Bosse J. G.. Devetak F. V. Signaling in Telecommunications Networks. 2nd Ed. New York: Wiley, 2007. 830 p.

Литература

THE INVESTICATION AND EVALUATION MULTISERVICE NETWORK NGN/IMS FOR MULTIMEDIA TRAFFIC

Ibrahimov Bayram Ganimat oglu, Baku, Azerbaijan, i.bayram@mail.ru Hasanov Arif Hasan oglu, Baku, Azerbaijan

Abstract

The functional architecture of the subsystem picture messaging IMS (Internet Protocol Multimedia Subsystem) for multimedia session management for multiservice NGN/IMS networks that determine the interaction systems and NGN protocols are investigated. The basic element of the IMS core network architecture are session control function CSCF (Call/Session Control Function) which is implemented on the SIP-server (Session Initiation Protocol) using the protocol. A block diagram of the functioning of the traffic service model of multimedia services in the NGN/IMS network when establishing sessions that use the network elements of the user data server HSS (Home Subscriber Server), CSCF control system core, signaling and media gateways (SGW & MGW, Signaling Gateway & Media Gateway). The characteristics of the effectiveness of the IMS and found that in the NGN / IMS multimedia services network in real time significantly alter the traffic characteristics as a service, and efficiency, which requires new models and approaches to assess the main indicators of quality of the service Triple Play. Based on the analysis of the quality NGN/IMS networks in the provision multimedia services, the mathematical model for evaluating the quality of services. This model takes into account the properties of self-similar random process with Hurst index and describes the quality of functioning of NGN/IMS architectural concept. Based on the model studied when performing voice services with the ability to activate multimedia applications, video telephony, multimedia traffic, Triple Play services. According to the study of mathematical models of NGN / IMS networks using SIP-servers analytical expressions to assess the indicators of a common set of operating characteristics of IP-based networks, which take into account the recommendations of ITU-T Y.1540 and Y.2000 and determined the average waiting time in the queue IMS system in the provision of multimedia services with the required parameters, providing a guaranteed quality of service QoS (Quality of Service). According to the latest recommendations of the ITU-T and based on SMO with queues can be defined by five network characteristics that are indicative of the effectiveness of multi-service NGN/IMS networks and an important indicator of QoS.

Keywords: multimedia traffic, SIP protocol, /MS subsystem, HSS server, quality of service, Diameter protocol, SIP-server. References

1. Filimonov A.Yu.

2. Ibrahimov B.G., Hasanov A.G., Ibrahimov R.F.

3. Ibrahimov B.G., Hasanov A.G.

4. Башарин Г.П., Бочаров П.П., Коган Я.А.

5. Gaidamaka Yu.V., Zaripova E.R., Vikhrova O.G.

6. Bosse J.G., Devetak F.U. (2007). Signaling in Telecommunications Networks. 2nd Ed. New York: Wiley. 830 p. Information about authors

Ibrahimov Bayram Ganimat oglu, professor of Azerbaijan Technical University, Bak, Azerbaijan Hasanov Arif Hasan oglu, an associate of the Military Academy of the Republic of Azerbaijan, Baku, Azerbaijan

T-Comm ^м 1 1. #2-201 7