IMS网络中的位置管理技术研究

论文摘要

第三代移动通信系统（3G）的显著特点是提供数据、语音、图像和视频等丰富的移动多媒体业务,旨在融合移动通信网络和因特网这两个目前最为成功和最具有发展潜力的网络。3GPP UMTS（Universal Mobile TelecommunicationsSystem）体系标准的R5版本引入的IP多媒体子系统IMS（IP MultimediaSubsystem）即是为这一目的而设计,已经是下一代网络NGN（Next GenerationNetwork）的发展趋势和方向,成为研究的热点和焦点。SIP（Session InitiationProtocol）协议是支持应用层移动性管理技术的主要协议之一,也是实现IMS网络位置管理功能的协议。IMS位置管理包括位置注册和位置查询。IMS网络通过位置注册过程记录用户的位置信息,在会话建立过程中通过位置查询确定用户的位置。与蜂窝移动通信系统和移动IP网络的位置管理不同,IMS网络中基于文本格式的SIP消息需要占用更多的资源,解析SIP消息将影响位置管理中信令处理的效率。本文对IMS会话建立过程中的位置查询过程、位置注册和更新过程以及其中SIP消息的解析效率进行研究,主要涉及如下几个方面:1、会话建立过程,主要对会话建立过程中收端网络地址的查询过程进行研究和改进;2、位置管理方面,主要研究如何改进IMS位置管理策略和用户的位置更新过程,从而降低位置管理的网络代价;3、SIP消息解析机制,主要研究如何提高会话过程和注册过程中SIP消息的解析效率。本文的结构安排如下:首先分析IMS网络中位置管理相关内容的研究现状和存在的问题,并对IMS系统进行介绍,以此作为后续研究的基础（第一章）。其后对会话建立过程进行研究,考虑呼叫业务的本地化特性,应用本地缓存机制优化了IMS会话建立过程中的位置查询方式,提出串行和并行两种会话建立机制（第二章）。然后,进一步改进IMS位置管理策略,提出了一种基于访问用户数据库（VSS）的分布式位置管理方式,以提高会话建立效率并减少网络代价（第三章）。接下来,基于分层管理的概念提出了IMS二级位置管理机制（第四章）和动态位置更新机制（第五章）,本文对新机制的代价进行了理论分析,并通过理论计算和仿真实验对研究结果进行了验证。最后,提出了一种基于SIP的选择性解析机制,来提高会话过程和注册过程中SIP消息的解析效率（第六章）。论文的主要工作和创新可以归纳如下:（1）在UMTS IMS R7规范的基础上,考虑呼叫业务的本地化特性（即本地移动用户呼叫本地移动用户的比例占总呼叫数的比例大）,通过在发端S-CSCF（Serving-Call Session Control Function）中设置缓存的方法,提出了串行会话建立机制。建立分析模型得到新机制的总代价和总时延函数,并同基本会话建立机制进行对比分析,结果表明可以降低会话建立时延和减少网络代价。（2）在串行会话建立的基础上,为减少会话建立过程的时延,提出了并行会话建立机制:在缓存存在的情况下,发端S-CSCF发起两路并行会话请求。建立分析模型得到总代价和总时延函数,并同基本会话建立机制和串行会话建立机制进行了对比分析。结果表明并行会话建立机制可以有效降低会话建立时延,但会引入一定的传输代价。考虑呼叫业务的本地化特性和增加缓存策略,对比分析了串行和并行会话建立机制的代价和时延。提出并讨论了“查询准确度”的概念。（3）针对未来灵活的服务控制方式,改进了IMS的归属服务模型和位置管理策略,将用户的位置信息存储在拜访网络内,以加快用户位置信息的获得和会话的建立过程,并减少位置注册带来的注册信令流量。理论分析和仿真结果表明分布式位置管理策略可以减少会话建立时延并降低注册过程的代价。（4）把IMS中的归属网络（包括HSS（Home Subscriber Server））/S-CSCF)和拜访网络（P-CSCF（Proxy-Call Session Call Function））从功能上划分为两层移动数据库结构,提出了二级位置管理机制:拜访网络注册过程和归属网络注册过程,其中拜访网络负责其接入网内的注册用户位置更新过程,当用户因漫游导致用户设备UE（User Equipment）IP地址变更时则进行归属网络的位置更新。重点分析该机制下位置更新的代价模型,通过理论分析和仿真实验表明新机制能够降低注册过程的处理代价。（5）在IMS网络中,周期性重注册PRR（Periodic Re-Registration）和UE能力变化引起的重注册CCRR（Change Capabilities Re-Registration）被用来刷新注册定时器和检测UE的状态与位置。将用户的会话行为引入位置更新过程,提出了动态位置更新机制DLU（Dynamic Location Update）,并对其进行了性能建模,分析得到了DLU机制和PCR（PRR+CCRR）机制下的代价函数。通过理论分析和计算机仿真,表明DLU可以有效降低网络的注册代价,提高系统的处理负荷和话务量。（6）与蜂窝移动通信系统和移动IP网络中位置管理所不同的是,基于文本格式的SIP消息对系统处理和信令传输带来更高的要求,并会占用更多的资源。高效地处理SIP消息对整个网络性能及位置管理中信令的处理至关重要。考察了IMS网络SIP服务器的消息处理性能,重点研究了如何改进SIP消息解析机制,提出了选择性解析机制SP4SIP（Selective Parsingfor SIP）来有效处理SIP消息并提高SIP服务器的性能。对采用SP4SIP机制实现的SIP服务器进行实验测试,结果表明SP4SIP方法加快了SIP消息的处理,降低了消息时延。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 移动通信网络中移动性管理技术概述
• 1.1.1 位置管理技术概述
• 1.1.2 三层数据库移动管理方案
• 1.1.3 典型分组域位置管理
• 1.2 基于移动IP的位置管理技术
• 1.2.1 区域位置管理
• 1.2.2 IP寻呼
• 1.3 应用层移动性管理
• 1.4 IMS网络移动性管理概述
• 1.5 IMS网络及位置管理概述
• 1.5.1 总体介绍
• 1.5.2 体系结构
• 1.5.3 IMS网络单元介绍
• 1.5.4 IMS系统的分层设计
• 1.5.5 IMS网络中服务控制模型
• 1.5.6 位置管理
• 1.5.7 SIP消息的处理
• 1.6 研究工作介绍
• 1.7 小结
• 参考文献
• 第2章 IMS会话建立机制的研究
• 2.1 前言
• 2.2 IMS中的会话建立机制
• 2.2.1 IMS会话建立流程
• 2.2.2 收端S-CSCF地址检索
• 2.2.3 问题分析
• 2.3 串行会话建立机制
• 2.3.1 模型分析
• 2.3.2 性能分析
• 2.4 并行会话建立机制
• 2.4.1 模型分析
• 2.4.2 性能分析
• 2.5 两种会话建立机制的比较
• 2.6 查询准确度
• 2.7 小结
• 参考文献
• 第3章 基于VSS的位置管理策略研究
• 3.1 前言
• 3.2 位置注册与会话建立
• 3.2.1 标准IMS注册和会话建立过程
• 3.2.2 基于VSS的注册和会话建立过程
• 3.2.3 VSS对IMS网络结构的影响
• 3.3 模型分析
• 3.3.1 会话时间代价分析
• 3.3.2 会话过程代价分析
• 3.3.3 注册过程代价分析
• 3.4 仿真和性能分析
• 3.4.1 仿真验证
• 3.4.2 会话平均时延和代价对比分析
• 3.4.3 注册过程代价对比分析
• 3.5 小结
• 参考文献
• 第4章 一种IMS网络中的二级位置管理机制
• 4.1 前言
• 4.2 IMS网络中的位置管理
• 4.3 二级位置管理机制
• 4.4 模型与分析
• 4.5 性能分析
• 4.5.1 数学分析与仿真结果对比
• 4.5.2 TTLM与CR性能比较
• 4.6 小结
• 参考文献
• 第5章 IMS中动态位置更新机制的研究
• 5.1 前言
• 5.2 动态位置更新机制
• 5.3 模型分析
• 5.3.1 PCR机制分析
• 5.3.2 DLU机制分析
• 5.4 性能分析
• 5.5 小结
• 参考文献
• 第6章 SIP消息选择性解析机制的研究
• 6.1 前言
• 6.2 相关工作
• 6.3 选择性解析机制
• 6.4 模型与分析
• 6.5 试验与测试
• 6.6 小结
• 参考文献
• 结束语
• 攻读博士学位期间录用或发表的论文
• 攻读博士学位期间申请的专利
• 奖励
• 致谢