劉海鵬，廖建新，朱曉民

（北京郵電大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100876）

1 引言

隨著NGN(next generation network)、IMS(IP multimedia subsystem)以及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展，以這些技術(shù)作為運(yùn)行平臺(tái)的各種新業(yè)務(wù)層出不窮。基于IMS平臺(tái)的PoC (push to talk over cellular)業(yè)務(wù)是一種半雙工的集群通信技術(shù)，在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)范圍內(nèi)無(wú)需撥號(hào)就可以快速建立起即時(shí)群組多媒體通信。會(huì)話建立時(shí)延和媒體流傳輸時(shí)延過(guò)長(zhǎng)是目前困擾PoC技術(shù)發(fā)展的難題。考慮到PoC系統(tǒng)先天局限性以及現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)狀況，在保證網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡的前提下，如何最大限度優(yōu)化控制信令和媒體流傳輸是PoC技術(shù)能否大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。

目前PoC技術(shù)的研究成果主要集中在PoC功能實(shí)現(xiàn)、通信機(jī)理分析等方面[1～7]，從應(yīng)用層面對(duì)PoC系統(tǒng)進(jìn)行控制信令及媒體流量?jī)?yōu)化分析的則很少。文獻(xiàn)[2]分析了PTT（push to talk）數(shù)據(jù)分組在網(wǎng)絡(luò)傳輸中的平均時(shí)延及其與普通 GPRS（general packet radio service）數(shù)據(jù)的相互影響。文獻(xiàn)[3]對(duì)PoC中發(fā)言權(quán)控制協(xié)議 TBCP（talk burst control protocol）進(jìn)行了建模分析。文獻(xiàn)[4]提出了針對(duì)智能交通系統(tǒng)ITS（intelligent transportation systems）的一套PTT通信機(jī)制。文獻(xiàn)[5]通過(guò)將PoC系統(tǒng)部署在美國(guó)現(xiàn)有的3張3G通信網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而對(duì) PoC技術(shù)的可行性進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[6]針對(duì)在CDMA系統(tǒng)中 PoC的注冊(cè)流程進(jìn)行了改進(jìn)，在一定程度上減少了注冊(cè)等待時(shí)間。文獻(xiàn)[7]將上下文感知技術(shù)應(yīng)用在PoC系統(tǒng)中，從而在一定程度上減少了系統(tǒng)中冗余的控制信令和媒體流量。本文基于負(fù)載均衡和時(shí)延優(yōu)化的原理以及分布式控制的思想，對(duì)OMA（open mobile alliance）提出的PoC服務(wù)器媒體流量轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制進(jìn)行了改進(jìn)，有效地平衡了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載并降低了媒體流的傳輸時(shí)延。

本文后續(xù)章節(jié)的安排如下：第2節(jié)簡(jiǎn)要介紹了PoC 服務(wù)器的工作機(jī)制；第3節(jié)分別介紹了新舊2種RTP(real-time transport protocol)媒體流轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制并舉例說(shuō)明；第4節(jié)分別對(duì)2種機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)建模、仿真和分析對(duì)比；第5節(jié)是結(jié)束語(yǔ)。

2 PoC服務(wù)器簡(jiǎn)介

如圖1所示為OMA規(guī)范[8～11]中基于IMS系統(tǒng)的PoC系統(tǒng)架構(gòu)，PoC客戶端是移動(dòng)終端上運(yùn)行的PoC客戶端軟件，PoC服務(wù)器是PoC會(huì)話中完成會(huì)話集中控制、發(fā)言權(quán)控制、媒體流轉(zhuǎn)發(fā)控制等功能的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體?？刂颇Ｊ剑╟ontrolling）和參與模式（participating）是PoC服務(wù)器的2種工作模式?？刂颇Ｊ较?PoC服務(wù)器主要進(jìn)行控制信令和媒體流的集中控制和轉(zhuǎn)發(fā)等；參與模式下則更多地行使轉(zhuǎn)發(fā)功能。為方便起見，本文中定義工作在控制模式下的 PoC服務(wù)器為控制服務(wù)器（CS，controlling server）；工作在參與模式下的PoC服務(wù)器為參與服務(wù)器（PS，participating server）。在一個(gè)PoC會(huì)話中，由于成員網(wǎng)絡(luò)位置的差異和成員數(shù)目的不確定性，可能有多個(gè)PoC服務(wù)器同時(shí)參與進(jìn)來(lái)，但是任意時(shí)刻只能有一個(gè) PoC服務(wù)器作為控制服務(wù)器行使主控的功能，其他所有的PoC服務(wù)器都作為參與服務(wù)器。

圖1 基于IMS的PoC系統(tǒng)架構(gòu)

PoC服務(wù)器工作模式的確定是在會(huì)話建立的初始時(shí)刻進(jìn)行的，且在整個(gè)會(huì)話過(guò)程中保持不變。PoC服務(wù)器工作模式確定規(guī)則見文獻(xiàn)[8]。為了討論方便，本文中假設(shè)所有的PoC用戶都是本地用戶，不存在漫游的情況。PoC-4接口是本地PoC服務(wù)器同PoC會(huì)話中其他PoC服務(wù)器的接口。

3 PoC服務(wù)器中RTP媒體流轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制

3.1 OMA規(guī)范中RTP媒體流轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制

從 PoC會(huì)話建立開始，控制服務(wù)器就通過(guò)INVITE，BYE，NOTIFY等SIP（session initiation protocol）消息的交互來(lái)維護(hù)會(huì)話中唯一的一個(gè)全部會(huì)話參與者地址的列表，直到會(huì)話結(jié)束。其中，表項(xiàng)可以包含有會(huì)話標(biāo)識(shí)，參與服務(wù)器標(biāo)識(shí)，下屬客戶端標(biāo)識(shí)，客戶端地址（IP地址和端口）等內(nèi)容。由于RTP媒體流的轉(zhuǎn)發(fā)是基于RTP通道的承載來(lái)實(shí)現(xiàn)的，下面通過(guò)PoC服務(wù)器側(cè)RTP通道的維護(hù)以及RTP分組的轉(zhuǎn)發(fā)2個(gè)方面來(lái)分別說(shuō)明OMA規(guī)范中的媒體流轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制。當(dāng)會(huì)話成員發(fā)生變化如客戶端/參與服務(wù)器加入/退出會(huì)話，控制服務(wù)器會(huì)根據(jù)接收到的SIP消息（INVITE/BYE）建立/拆除同相應(yīng)參與服務(wù)器的RTP通道，然后更新會(huì)話參與者地址列表。各個(gè)參與服務(wù)器只需記錄會(huì)話中當(dāng)前控制服務(wù)器的地址。PoC服務(wù)器側(cè)RTP通道維護(hù)算法如下：

While （（PoC會(huì)話開始建立）or（PoC會(huì)話進(jìn)行中））and （任意客戶端/參與服務(wù)器 加入/退出會(huì)話）

{

控制服務(wù)器通過(guò)INVITE/BYE消息交互同相應(yīng)參與服務(wù)器建立/拆除相應(yīng)RTP通道；

控制服務(wù)器增加/刪除會(huì)話參與者地址列表相應(yīng)表項(xiàng)；

}

控制服務(wù)器刪除列表；//會(huì)話結(jié)束。

當(dāng)控制服務(wù)器下屬客戶端發(fā)言時(shí)，控制服務(wù)器會(huì)把發(fā)言客戶端的 RTP分組根據(jù)會(huì)話參與者地址列表信息復(fù)制相應(yīng)的拷貝數(shù)并轉(zhuǎn)發(fā)給下屬其他客戶端和會(huì)話中的參與服務(wù)器。當(dāng)參與服務(wù)器下屬客戶端發(fā)言時(shí)，該參與服務(wù)器會(huì)把發(fā)言客戶端的RTP分組轉(zhuǎn)發(fā)到控制服務(wù)器，由控制服務(wù)器進(jìn)行下一步的轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)控制服務(wù)器收到某一參與服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的RTP分組，控制服務(wù)器會(huì)根據(jù)會(huì)話參與者地址列表信息復(fù)制相應(yīng)的拷貝數(shù)并轉(zhuǎn)發(fā)給下屬客戶端以及其他參與服務(wù)器。當(dāng)參與服務(wù)器收到控制服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)的RTP分組，會(huì)根據(jù)RTP分組目的地址信息轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)本地客戶端。PoC服務(wù)器側(cè)RTP分組轉(zhuǎn)發(fā)算法如下：

While （PoC會(huì)話沒(méi)有結(jié)束）

當(dāng)一個(gè)PoC會(huì)話成功建立以后，無(wú)論控制服務(wù)器下屬的客戶端還是參與服務(wù)器下屬的客戶端，所有客戶端發(fā)出的 RTP分組都要集中到控制服務(wù)器處來(lái)根據(jù)參與者列表進(jìn)行下一步的分發(fā)[8～11]。

3.2 基于負(fù)載均衡與時(shí)延優(yōu)化的RTP媒體流轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制

為減輕控制服務(wù)器處的負(fù)載，縮短RTP分組的傳輸時(shí)延，當(dāng)一個(gè)參與服務(wù)器收到下屬客戶端發(fā)送來(lái)的RTP分組時(shí)，直接向會(huì)話中的控制服務(wù)器及其他參與服務(wù)器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。所有的PoC服務(wù)器（控制服務(wù)器和參與服務(wù)器）都要維護(hù)一個(gè)全部會(huì)話參與者地址的列表，表項(xiàng)內(nèi)容同原機(jī)制下相同。下面同樣通過(guò)PoC服務(wù)器側(cè)RTP通道的維護(hù)以及RTP分組的轉(zhuǎn)發(fā)2個(gè)方面來(lái)分別說(shuō)明改進(jìn)后的媒體流轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制。會(huì)話建立的規(guī)則以及控制服務(wù)器的確定規(guī)則都不變，在會(huì)話中，控制服務(wù)器還是會(huì)最早得到會(huì)話成員加入/退出的信息，并通過(guò)向會(huì)話中其他參與服務(wù)器發(fā)送同步信令來(lái)實(shí)現(xiàn)所有列表的同步。然后建立/拆除控制服務(wù)器同參與服務(wù)器之間以及不同參與服務(wù)器之間相應(yīng)的RTP通道。最后所有的PoC服務(wù)器更新本地列表。這里定義NOTIFY消息為同步信令消息。PoC服務(wù)器側(cè)RTP通道維護(hù)算法如下：

While （（PoC會(huì)話開始建立）or（PoC會(huì)話進(jìn)行中））and （任意客戶端/參與服務(wù)器 加入/退出會(huì)話）

{

控制服務(wù)器通過(guò)INVITE/BYE消息交互同相應(yīng)參與服務(wù)器 建立/拆除相應(yīng)RTP通道；

控制服務(wù)器增加/刪除會(huì)話參與者地址列表相應(yīng)表項(xiàng)；

//NOTIFY消息包含加入/退出的客戶端/參與服務(wù)器標(biāo)識(shí)及地址以及具體操作（加入/退出）。

控制服務(wù)器向所有其他參與服務(wù)器發(fā)送NOTIFY同步消息；

參與服務(wù)器接收控制服務(wù)器發(fā)來(lái)的NOTIFY消息并通過(guò)INVITE/BYE消息交互同相應(yīng)參與服務(wù)器建立/拆除相應(yīng)RTP通道；

參與服務(wù)器根據(jù)控制服務(wù)器發(fā)來(lái)的NOTIFY消息并更新本地列表；

}

所有PoC服務(wù)器刪除列表；//會(huì)話結(jié)束。

當(dāng)控制服務(wù)器下屬客戶端發(fā)言時(shí)，控制服務(wù)器會(huì)把發(fā)言客戶端發(fā)來(lái)的 RTP分組根據(jù)會(huì)話參與者地址列表信息復(fù)制相應(yīng)的拷貝數(shù)并轉(zhuǎn)發(fā)給下屬其他客戶端和會(huì)話中參與服務(wù)器。當(dāng)參與服務(wù)器下屬客戶端發(fā)言時(shí)，該參與服務(wù)器會(huì)把發(fā)言客戶端的RTP分組根據(jù)會(huì)話參與者地址列表信息復(fù)制相應(yīng)的拷貝數(shù)并轉(zhuǎn)發(fā)給下屬其他客戶端以及控制服務(wù)器和其他參與服務(wù)器。當(dāng)控制服務(wù)器/參與服務(wù)器收到其他參與服務(wù)器/控制服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的 RTP分組，會(huì)根據(jù) RTP分組目的地址信息轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)本地客戶端。PoC服務(wù)器側(cè)RTP分組轉(zhuǎn)發(fā)算法如下：

While （PoC會(huì)話沒(méi)有結(jié)束）

{

If （本PoC服務(wù)器下屬客戶端發(fā)言）

Switch（本PoC服務(wù)器角色）：{Case 控制服務(wù)器：將收到的發(fā)言客戶端發(fā)來(lái)的RTP分組轉(zhuǎn)發(fā)給下屬的客戶端和所有的參與服務(wù)器；Case 參與服務(wù)器：將收到的發(fā)言客戶端發(fā)來(lái)的RTP分組轉(zhuǎn)發(fā)給下屬的客戶端以及控制服務(wù)器和其他所有的參與服務(wù)器；

}

Else //其他PoC服務(wù)器下屬客戶端發(fā)言。

本 PoC服務(wù)器將收到的發(fā)言客戶端所屬參與服務(wù)器發(fā)來(lái)的 RTP分組轉(zhuǎn)發(fā)給下屬的客戶端；

}

3.3 舉例說(shuō)明

下面通過(guò)一個(gè)小例子來(lái)分別說(shuō)明以上 2種機(jī)制。假設(shè)某PoC會(huì)話共有3個(gè)PoC服務(wù)器參與，其中，A為控制服務(wù)器，B和C為參與服務(wù)器。每個(gè) PoC服務(wù)器下面各有一個(gè)客戶端，分別為 a、b和c。

在OMA機(jī)制下，假設(shè)會(huì)話由a發(fā)起，b和c先后分別受到邀請(qǐng)加入會(huì)話。A發(fā)言時(shí)，RTP分組被A轉(zhuǎn)發(fā)給B和C，然后再由B和C分別轉(zhuǎn)發(fā)給b和c。b發(fā)出BYE消息退出會(huì)話后，A只會(huì)把c發(fā)來(lái)的RTP分組轉(zhuǎn)發(fā)給a而不發(fā)給B/b了。如圖2所示。

在改進(jìn)機(jī)制下，仍然假設(shè)會(huì)話由a發(fā)起，b和c先后分別受到邀請(qǐng)加入會(huì)話，如圖3所示。A向B發(fā)送NOTIFY同步消息，B向C發(fā)送INVITE消息來(lái)建立新的RTP通道。c發(fā)出的RTP分組由C直接轉(zhuǎn)發(fā)給A/a和B/b。當(dāng)b發(fā)出BYE消息后，A會(huì)向C發(fā)送 NOTIFY同步消息，C向B發(fā)送 BYE消息拆除相應(yīng)RTP通道，然后C只會(huì)向A/a轉(zhuǎn)發(fā)c發(fā)出的RTP分組而不向B/b轉(zhuǎn)發(fā)了。

4 數(shù)據(jù)仿真及分析

改進(jìn)機(jī)制的主要目的是在以控制服務(wù)器和參與服務(wù)器作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的重疊網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)降低控制服務(wù)器處的瓶頸效應(yīng)來(lái)平衡網(wǎng)絡(luò)的流量負(fù)載，減少RTP數(shù)據(jù)分組在系統(tǒng)中的傳輸時(shí)延。下面從PoC服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡性和 RTP分組在系統(tǒng)中的傳輸時(shí)延2方面來(lái)分別討論。

4.1 PoC服務(wù)器負(fù)載均衡性分析

4.1.1 控制服務(wù)器負(fù)載狀況

為討論方便且不失一般性，可以假設(shè)控制服務(wù)器發(fā)送隊(duì)列中RTP分組到達(dá)率符合泊松分布，發(fā)送時(shí)間符合負(fù)指數(shù)分布，只有一個(gè)發(fā)送端口，且服從先來(lái)先服務(wù)的原則，是一個(gè)M/M/1隊(duì)列且服務(wù)率保持不變。這里從控制服務(wù)器處的平均服務(wù)強(qiáng)度和RTP分組在控制服務(wù)器處的平均停留時(shí)延 2個(gè)方面來(lái)分析新舊 2種機(jī)制下控制服務(wù)器處的負(fù)載變化狀況，針對(duì)一個(gè)特定 PoC會(huì)話定義相關(guān)變量如表1所示。

圖2 OMA機(jī)制下消息交互

圖3 改進(jìn)機(jī)制下消息交互

表1 負(fù)載相關(guān)變量定義

假設(shè)本 PoC會(huì)話中沒(méi)有空閑時(shí)刻，即任意時(shí)刻都有客戶端在發(fā)言，那么每個(gè)參與服務(wù)器作為轉(zhuǎn)發(fā) PoC服務(wù)器的時(shí)間就是其下屬所有客戶端發(fā)言的總時(shí)長(zhǎng)it。為討論方便，令任意客戶端在會(huì)話中發(fā)言的概率和每次發(fā)言的時(shí)長(zhǎng)都相同且平均每個(gè)PoC服務(wù)器下屬的客戶端數(shù)目都是m，那么根據(jù)定義為

由式（1）和式（2）可知每個(gè)PoC服務(wù)器作為轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器的概率服從均勻分布，總時(shí)長(zhǎng)同下屬客戶端數(shù)目m成線性關(guān)系。不妨令每個(gè)PoC服務(wù)器作為轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器的時(shí)間段分別為 0-t1， t1-t2， t2-t3，…，tn-1-tn，時(shí)長(zhǎng)分別為Δt0，Δt1，Δt2，…，Δtn-1，其中，Δt0為控制服務(wù)器作為轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器的時(shí)長(zhǎng)，Δt1，Δt2，…，Δtn-1分別為所有n-1個(gè)參與服務(wù)器作為轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器的時(shí)長(zhǎng)。由于所有PoC服務(wù)器下屬客戶端數(shù)目都是m，則有

原轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制下，每當(dāng)有RTP分組到來(lái)時(shí)，控制服務(wù)器都要向除發(fā)送客戶端外的所有( 1mn-)個(gè)客戶端轉(zhuǎn)發(fā)。由式（3），整個(gè)PoC會(huì)話中控制服務(wù)器處轉(zhuǎn)發(fā)的RTP分組總數(shù)為

改進(jìn)后的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制下，當(dāng)控制服務(wù)器下屬的客戶端發(fā)言時(shí)，跟原機(jī)制相同，需要向控制服務(wù)器下屬的所有非發(fā)言客戶端以及所有的參與服務(wù)器及其下屬客戶端轉(zhuǎn)發(fā)RTP分組，控制服務(wù)器發(fā)送隊(duì)列中RTP分組的到達(dá)率不變；當(dāng)任意參與服務(wù)器下屬的客戶端發(fā)言時(shí)，控制服務(wù)器只需將接收到的由轉(zhuǎn)發(fā)參與服務(wù)器發(fā)來(lái)的 RTP分組向控制服務(wù)器下屬的m個(gè)客戶端轉(zhuǎn)發(fā)而不用向任何其他的參與服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)，則控制服務(wù)器發(fā)送隊(duì)列中RTP分組的到達(dá)率變?yōu)樵瓉?lái)的在整個(gè)PoC會(huì)話中控制服務(wù)器處轉(zhuǎn)發(fā)的RTP分組總數(shù)為

由 M/M/1隊(duì)列的性質(zhì)可知原轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制下控制服務(wù)器處的平均服務(wù)強(qiáng)度：

改進(jìn)后的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制下控制服務(wù)器處的平均服務(wù)強(qiáng)度：

由式（4）～式（7），定義平均服務(wù)強(qiáng)度對(duì)比函數(shù)：

由Little公式可知原轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制下RTP分組在控制服務(wù)器處的平均停留時(shí)延：

改進(jìn)后的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制下 RTP分組在控制服務(wù)器處的平均停留時(shí)延：

由式（9）和式（10），定義平均停留時(shí)延對(duì)比函數(shù)：

由式（6）、式（8）、式（11）和式（12）可得

用 MATLAB仿真工具對(duì) f ( m, n)和 g ( ρ,m, n)分別分析對(duì)比如圖4和圖5所示。

圖4 f與n關(guān)系曲線

圖5 g與n關(guān)系曲線

從圖4可以看出，當(dāng)m固定時(shí)，f隨著n增大而線性增大，當(dāng)m取值較大時(shí)，f函數(shù)值基本重合。當(dāng)n固定時(shí)，m越大改進(jìn)機(jī)制的優(yōu)化作用越明顯，但是變化幅度不大。表明會(huì)話中PoC服務(wù)器的數(shù)目以及平均每個(gè)PoC服務(wù)器下屬客戶端的數(shù)目越多，改進(jìn)機(jī)制越能減輕控制服務(wù)器處的服務(wù)強(qiáng)度。從圖5可以看出，當(dāng)m與ρ固定時(shí)，g隨著n的增大而增大，表明會(huì)話中客戶端數(shù)目越多改進(jìn)機(jī)制的優(yōu)化作用越明顯。當(dāng)m與n固定時(shí)，ρ越小2種機(jī)制的差距越小，表明當(dāng)控制服務(wù)器的處理能力很強(qiáng)時(shí)，改進(jìn)機(jī)制優(yōu)化時(shí)延的作用并不明顯。相反，ρ取值較大且接近1時(shí)，改進(jìn)機(jī)制具有很好的降低RTP分組在控制服務(wù)器處的平均停留時(shí)延的作用。

4.1.2 參與服務(wù)器負(fù)載狀況

由 4.1.1節(jié)分析可知，原轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制下，當(dāng)某參與服務(wù)器下屬客戶端發(fā)言時(shí)，參與服務(wù)器需要向下屬其他（m-1個(gè)非發(fā)言客戶端轉(zhuǎn)發(fā)RTP分組；當(dāng)其他PoC服務(wù)器下屬客戶端發(fā)言時(shí)，參與服務(wù)器需要向下屬m個(gè)非發(fā)言客戶端轉(zhuǎn)發(fā)RTP分組。而在整個(gè)會(huì)話過(guò)程中控制服務(wù)器都要向除發(fā)送客戶端外的所有(mn-1)個(gè)客戶端轉(zhuǎn)發(fā)。

改進(jìn)后的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制下，當(dāng)某參與服務(wù)器下屬客戶端發(fā)言時(shí)，參與服務(wù)器需要向所有其他的(mn-1)個(gè)非發(fā)言客戶端轉(zhuǎn)發(fā) RTP分組；當(dāng)其他PoC服務(wù)器下屬客戶端發(fā)言時(shí)，同原機(jī)制一樣，參與服務(wù)器需要向下屬m個(gè)非發(fā)言客戶端轉(zhuǎn)發(fā) RTP分組。每個(gè)參與服務(wù)器作為轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器時(shí)RTP分組的到達(dá)率和服務(wù)強(qiáng)度均增大到原轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制下控制服務(wù)器處的平均到達(dá)率和平均服務(wù)強(qiáng)度，時(shí)長(zhǎng)同下屬客戶端數(shù)目m成線性關(guān)系。也就是說(shuō)在整個(gè)會(huì)話過(guò)程中各個(gè)參與服務(wù)器分擔(dān)了原來(lái)只屬于控制服務(wù)器的負(fù)載。

4.1.3 負(fù)載均衡性

由于控制服務(wù)器和參與服務(wù)器的硬件配置及處理能力基本相當(dāng)，改進(jìn)后的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制下每個(gè)參與服務(wù)器為控制服務(wù)器分擔(dān)負(fù)載后達(dá)到的平均負(fù)載同控制服務(wù)器在原機(jī)制下的平均負(fù)載相同，則可以認(rèn)為改進(jìn)后的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制下所有的參與服務(wù)器在時(shí)間上分擔(dān)了原機(jī)制下只屬于控制服務(wù)器的負(fù)載，每個(gè)參與服務(wù)器作為轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器的時(shí)長(zhǎng)就是其為控制服務(wù)器分擔(dān)負(fù)載的時(shí)長(zhǎng)。那么只需根據(jù)每個(gè)PoC服務(wù)器作為轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器的時(shí)長(zhǎng)變量分布就可以分析出所有PoC服務(wù)器的負(fù)載均衡狀況。結(jié)合參考文獻(xiàn)[12,13]中關(guān)于判斷負(fù)載均衡性好壞的算法及方差的物理意義,本文可以通過(guò)每個(gè) PoC服務(wù)器作為轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器的時(shí)長(zhǎng)變量的方差來(lái)衡量節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡性的好壞，方差越小說(shuō)明各個(gè)PoC服務(wù)器之間負(fù)載相差越小，系統(tǒng)具有更好的負(fù)載均衡性。由相關(guān)變量的定義可知：T=X0，Xi=0，其中，i∈(1，n-1)，且有

由式（14）和式（15）可得

由式（15）～式（18）以及方差的基本性質(zhì)“方差等于平方的均值減去均值的平方”可得

由式（14）可知，式（19）恒大于0，說(shuō)明原機(jī)制下的方差總是大于改進(jìn)機(jī)制下的方差，即改進(jìn)機(jī)制下的負(fù)載均衡性總是比原機(jī)制下要好。

4.2 RTP分組傳輸時(shí)延分析

針對(duì)一個(gè)PoC會(huì)話定義相關(guān)變量如表2所示。

表2 時(shí)延相關(guān)變量定義

根據(jù)變量定義，可令：U=ut，V=vt，W=wt。由3.2節(jié)改進(jìn)機(jī)制的定義可知

考慮到 PoC服務(wù)器是部署于骨干網(wǎng)絡(luò)上的重疊網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，任意節(jié)點(diǎn)之間的物理路由一般相距很遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延遠(yuǎn)大于在單個(gè)節(jié)點(diǎn)處的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，即dserver＜＜ut、vt、wt，定義時(shí)延對(duì)比函數(shù)：

用MATLAB對(duì) h( u, v, w) 分析如圖6和圖7所示。

圖6 h與v關(guān)系曲線

圖7 h與w關(guān)系曲線

從圖6可以看出，當(dāng)u與w固定時(shí)，h隨著v增大而線性增大。由于傳輸時(shí)延大致可以代表網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)物理距離的遠(yuǎn)近，表明當(dāng)控制服務(wù)器與發(fā)送參與服務(wù)器距離固定且2個(gè)參與服務(wù)器之間距離固定時(shí)，優(yōu)化作用隨著控制服務(wù)器與接收參與服務(wù)器距離增大而線性增大。當(dāng)v很小時(shí)，無(wú)論u與w取何值，h都趨于 1，表明只要控制服務(wù)器與接收參與服務(wù)器距離很小，無(wú)論控制服務(wù)器與發(fā)送參與服務(wù)器距離以及2個(gè)參與服務(wù)器之間距離多遠(yuǎn)，2種機(jī)制下時(shí)延差別并不明顯。從圖7可以看出，當(dāng)u與v的和固定，h隨著w增大而減小。表明當(dāng)控制服務(wù)器與2個(gè)參與服務(wù)器的距離和與2個(gè)參與服務(wù)器之間距離的差越小，2種機(jī)制越接近。當(dāng)w固定時(shí)，h隨著u與v的和增大而增大。表明控制服務(wù)器與2個(gè)參與服務(wù)器的距離和比2個(gè)參與服務(wù)器之間距離大得越多，改進(jìn)機(jī)制的優(yōu)化作用越好。

4.3 代價(jià)分析

為分析新機(jī)制下同步信令引入的代價(jià)，可以假設(shè)某會(huì)話中共有q個(gè)PoC服務(wù)器，包括1個(gè)控制服務(wù)器和（q-1）個(gè)參與服務(wù)器。原機(jī)制下，當(dāng)有客戶端/參與服務(wù)器加入/退出會(huì)話時(shí)，只需該客戶端/參與服務(wù)器同控制服務(wù)器建立/拆除 RTP通道。新機(jī)制下，除了該客戶端/參與服務(wù)器同控制服務(wù)器建立/拆除RTP通道外，控制服務(wù)器還要通過(guò)NOTIFY消息通知其他（q-2）個(gè)參與服務(wù)器，然后這（q-2）個(gè)參與服務(wù)器通過(guò) INVITE/BYE同要加入/退出會(huì)話的參與服務(wù)器建立/拆除RTP通道。而建立/拆除RTP通道通過(guò)一對(duì)消息交互（INVITE/BYE和OK）來(lái)完成。由以上可知當(dāng)一個(gè)參與服務(wù)器加入/退出會(huì)話時(shí)新機(jī)制比原機(jī)制增加的信令條數(shù)如表3所示。

表3 新機(jī)制比原機(jī)制增加的信令條數(shù)

由表3可知，新增加的同步消息數(shù)量同會(huì)話中的PoC服務(wù)器數(shù)量呈線性遞增關(guān)系。在任意客戶端/參與服務(wù)器加入或者退出會(huì)話的概率一定的前提下，會(huì)話中的服務(wù)器數(shù)量越多，會(huì)話中產(chǎn)生的同步消息就會(huì)越多，代價(jià)就越大。相對(duì)于會(huì)話中的媒體流量來(lái)說(shuō)，數(shù)量少得多的控制信令代價(jià)是很小的，相比能夠取得的顯著優(yōu)化效果是值得的。

5 結(jié)束語(yǔ)

OMA的PoC規(guī)范中所有的控制信令和媒體流都要經(jīng)由控制服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)，引入了不必要的傳輸時(shí)延，且使控制服務(wù)器成為系統(tǒng)的負(fù)載瓶頸。本文基于負(fù)載均衡原理提出了媒體流傳輸改進(jìn)機(jī)制，使具有發(fā)言權(quán)的參與服務(wù)器直接參與RTP分組的轉(zhuǎn)發(fā)，不僅有效減輕了控制服務(wù)器處的流量瓶頸效應(yīng)，并且顯著降低了媒體流的傳輸時(shí)延。后續(xù)的研究工作將在以所有 PoC服務(wù)器作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的重疊網(wǎng)絡(luò)中引入應(yīng)用層多播[14]的技術(shù)，將RTP分組的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)選擇問(wèn)題映射為重疊網(wǎng)絡(luò)中的動(dòng)態(tài)選路問(wèn)題，使媒體流傳輸時(shí)延最小。

[1] 徐童，廖建新. PTT/POC技術(shù)綜述[J]. 電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化, 2004,(5)∶ 56-60.XU T, LIAO J X. Survey of PTT/POC technology[J]. Telecom Engineering Technics and Standardization, 2004,(5)∶ 56-60.

[2] WANG Y, ZUKERMAN M, RICHARD J H. PTT packet delay analysis for GPRS/GSM links[J]. IEEE Communications Letters, 2006,10(6)∶ 456-458.

[3] TSAI M H, LIN Y B. Talk burst control for push-to-talk over cellular[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2008, 7(7)∶2612-2618.

[4] GAN C H, LIN Y B. Push-to-talk service for intelligent transportation systems[J]. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems,2007, 8(3)∶ 391-399.

[5] CHEN W P, LICKING S, OHNO T, et al. Performance measurement,evaluation and analysis of push-to-talk in 3G networks[A]. IEEE International Conference on Communications, ICC'07[C]. 2007.1893-1898.

[6] NUCCI S, BARBIN S E. Improved mobile PoC registration for CDMA systems[A]. Microwave and Optoelectronics Conference,IMOC 2007[C]. 2007.507-510.

[7] HSU J M, LAIN W B, LIANG J C. A context-aware push-to-talk service[A]. 2008 International Conference on Multimedia and Ubiquitous Engineering[C]. Korea, 2008.586-591

[8] Open Mobile Alliance. OMA-AD-PoC-V2_1-20090224-D∶ Push to talk over Cellular (PoC)-Architecture[S].

[9] Open Mobile Alliance. OMA-TS-PoC_System_Description-V2_1-20090305-D∶ OMA PoC System Description[S].

[10] Open Mobile Alliance. OMA-TS-PoC_UserPlane-V2_1-20090211-D∶PoC User Plane[S].

[11] Open Mobile Alliance. OMA-TS-PoC_ControlPlane-V2_0-20080806-D∶ PoC Control Plane[S].

[12] TURGUT D, TURGUT B, DAS S K, et al. Balancing loads in mobile ad hoc networks[A]. The 10th International Conference on Telecommunications, ICT 2003[C]. 2003.490-495.

[13] 鄭相全. 基于負(fù)載均衡的無(wú)線自組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與算法研究[D]. 電子科技大學(xué), 2005. 44-45.ZHENG X Q. Research on Load-Balance Based Key Technologies and Algorithms for Ad Hoc Networks[D]. University of Electronic Science and Technology of China, 2005.44-45.

[14] 楊戈，廖建新，朱曉民等. 流媒體分發(fā)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)綜述[J]. 電子學(xué)報(bào), 2009, 37(1)∶ 137-145.YANG G, LIAO J X, ZHU X M, et al. Survey of key technologies of the distribution system for streaming media[J]. Acta Electronica Sinica,2009,37(1)∶137-145.