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A novel SIP based procedure for congestion aware handover in heterogeneous networks

A novel SIP based procedure for congestion aware handover in heterogeneous networks. Rok Libnik , Telekom Slovenije d.d ., Network and service development department, Cigaletova 15, SI-1000 Ljubljana, Slovenia

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A novel SIP based procedure for congestion aware handover in heterogeneous networks

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  1. A novel SIP based procedure for congestion aware handover in heterogeneous networks RokLibnik, Telekom Slovenijed.d., Network and service development department, Cigaletova 15, SI-1000 Ljubljana, Slovenia Ales Svigelj, Jozef Stefan Institute, Jamovacesta 39, SI-1000 Ljubljana; Slovenia GorazdKandus, Jozef Stefan Institute, Jamovacesta 39, SI-1000 Ljubljana; Slovenia 指導教授：郭文興 教授 學生：黃仁襄

  2. Abstract • 無線技術的下一發展是，營運商要能讓使用者在獨立的存取技術上使用通訊服務。 • 因此他們必須在異構網路上支援無縫交遞。 • 本篇提出在異構網路中，基於察覺擁擠程序的新SIP。 • 新定義的SIP訊息選交接點的決定，是基於訊息強度及目標網路的狀態。 • 結果顯示，使用提出的程序，使用者的對於VOIP的應用品質有顯著的改善。

  3. Outline • 1.Introduction • 2. Mobility management • 3. SIP mobility • 4. IP telephony in a real operator’s environment • 4.1 QoS assurance • 4.2 Architectural issues • 4.3 Access networks issues • 5. A novel SIP based procedure for congestion aware handover

  4. Outline • 6. Performance evaluation of the proposed handover procedure • 6.1 Simulation results • 7. Conclusions • References

  5. Introduction • 為了使移動用戶能利用不同的存取技術來通訊，終端必須支援數種網路介面。 • 在未來，單靠訊號強度來觸發交遞是不足以滿足QoE(Quality of Experience)，所以context-awareness是優化服務所必要的。 • 有許多多元的電波存取網路，所以利用環境資訊來定義最佳決定點也越多元[2]。 • [2]：網路上使用環境察覺交遞技術

  6. Introduction • 因此，交遞的決定點不只是RSS(Received SignalStrength)，也會根據移動節點(MN)和網路環境資訊來決定。 • 一些引發的建議和最佳化標準[2, 3]可總結如下： • RSS或訊雜比 • 網路的QoS參數 • 目標網路的頻寬 • 價格 • 功率消耗 • 綜合以上 • [3]：在異構網路中，介面管理和存取網路的解決方案。

  7. Introduction • 用無縫交遞最好的動機是使用即時的應用，如VOIP。 • 主要挑戰是確保最低限度的QoS。 • 這尤其重要，當目標網路不是在使用者的業者或服務提供者的控制之下。 • 尤其是在自由的無線網路，非常難去維持足夠低的延遲來使用即時應用。 • 本篇主要提出在異構網路中，基於察覺擁擠程序的新SIP。 • 表明了在擁擠的網路中使用提出的演算法，在交遞期間VOIP使用者的QoE可以維持。

  8. Mobility management • 支援用戶移動在不同網路之間的技術稱為移動管理技術。 • 通常，交遞可分為三階段，1. 尋找網路 2. 選擇交遞決定點 3. 執行交遞 • 第一階段 • 能越快找到網路越好，所以所有網路介面必須一直運作。 • 主要缺點必須同時消耗高功率。 • [3]提出一種省電介面管理策略來優化終端電池的使用。 • 根據終端的速度和剩餘電池量來關閉不適合的介面。

  9. Mobility management • 第二階段 • 這是最重要的階段，假設決定點的選擇沒有根據正確資訊，用戶可能體驗到服務水準的嚴重降低。 • 本篇特別注重在這階段，在異構網路中使用VOIP應用時執行交遞，提出的程序改善了用戶的體驗。 • 第三階段 • 當舊連結終止時，所有流量傳送會使用新的連結。 • 其實此三階段對於整體交遞執行時間都有貢獻，此對用戶來說是很重要的。

  10. Mobility management • 從協定觀點來看，交遞可在不同的OSI層執行。 • 在網路層，修改的Mobile IP(MIP)[4]可提供即時應用較佳的支援，藉由縮短因延遲而導致MN不能傳或接收封包的期間[9]。 • [4]：介紹IP Mobility的支援 • [9]：Mobile IPv4下，低潛伏的切換 • 為了克服傳送層的TCP和UDP在移動支援上的不足，mobileSCTP(mSCTP)被發明出來，它可使IP增加、刪除、改變[10, 11]。 • [10, 11]：mSCTP的介紹及應用

  11. Mobility management • 對移動管理來說，應用層最喜歡用的協定是SIP[7-8, 12-13 ]，是IP電話最廣泛使用的協定。 • [7-8, 12-13]：SIP的介紹及各種應用 • 為了比較上述方法，我們定義4種標準[14]： • 網路影響：增加網路要件或功能。 • 應用影響：支援交遞會影響應用，代表說應用需要定做。 • 網路參與：為了執行交遞，一些資源要分配。 • 業者的採用：在真實環境，業者執行新協定是複雜且昂貴的。

  12. Mobility management • 使用MIP必須在本地及國外代理上安裝新要件，但交遞是在網路本身執行的，不過提供服務的業者很少。 • 假如MN支援mSCTP，業者不需改變網路，應用程式也不會察覺到交遞的執行，最大缺點就是鮮少人使用。 • SIP是應用層協定，對網路影響很小，另一方面，應用持式須經常更新/定製來支援交遞。最大優點就是SIP被大多業者所採用。

  13. SIP mobility • SIP協定是在應用層，用於建立、修改、終止多媒體會議。 • SIP利用proxy來幫助路徑要求到用戶當前位置、證實及授權用戶服務、執行業者呼叫路徑策略、為用戶提供服務。 • 組成SIP架構的主要元素[15]： • User Agent Client (UAC) • User Agent Server (UAS) • User Agent (UA) • Proxy Server • Registrar • [15]：詳細介紹SIP

  14. SIP mobility • SIP可支援四種移動性： • 終端移動性：可以子網路間移動、可存取其他主機和繼續進行中的 會議。 • 會議移動性：當一終端移動到另一終端，可使用戶維持會議。 • 個人移動性：使用戶使用相同服務的設定。 • 服務移動性：就算相同實體位址，可讓用戶被辨認。 • 本篇注重在終端移動性，為此已有兩種移動管理被定義：預先呼叫移動性和期間呼叫移動性。 • 為增強此兩種的不足，提出增強的期間呼叫移動性，本篇拿IP電話當例子。

  15. SIP mobility

  16. SIP mobility • 新IP需要在呼叫中獲得，這可能降低QoS的水平。 • 另一限制為SIP伺服不會被通知說位址變更。 • 一些方法已被提出，像MN在發出SIP re-INVITE訊息後，通知伺服位址變更[7]。 • 但在現實環境，位址更改的資訊，需要在MN和CN開始新SIP會議前傳送給伺服。 • 為克服期間呼叫移動性的限制，我們提出增強的期間呼叫移動性，如下圖[14]。 • [14]：在異構網路中，SIP交遞的效能評估

  17. SIP mobility

  18. IP telephony ina real operator’s environment • 本節會討論QoS的保證、架構和存取網路的議題。 4.1QoS assurance • 即時應用對QoS很敏感，在ITU，封包遺失、回音、延遲和跳動是影響通訊品質的參數[16]。本節選擇延遲和跳動。 • [16]：國際電信聯盟 • DE2E：點對點延遲

  19. IP telephony ina real operator’s environment • Tcom：壓縮時間(頁框延遲、編碼延遲、處理延遲) • Tpac：打包時間 • Ttra：傳送時間 • Daccess：存取網路延遲 • Dcore：核心網路延遲 • Tdepac：解封包時間 • Tdecom：解壓縮時間 • 當存取網路越多使用者時，問題就會顯現(Daccess變很大)，這對無線存取網路很重要。

  20. IP telephony ina real operator’s environment • 跳動是另一可能使QoS降低的參數，也定義為傳送延遲的偏差。 • 為了減少跳動造成QoS的降低，跳動補償緩衝可被建立。但可能因此增加些傳送延遲。

  21. IP telephony ina real operator’s environment 4.2Architectural issues • 業者有義務提供些額外功能來改變IP電話解決方案的結構。 • 通常增加Session Border Controller (SBC)，提供[18]： • 周邊防護：存取控制、隱藏拓墣、DoS偵查及防護 • 不可在端點用的功能：NATtraversal、協定互通及修復 • 流量管理：多媒體監控和QoS • [18]：SIP下SBC的佈署及要求

  22. IP telephony ina real operator’s environment

  23. IP telephony ina real operator’s environment

  24. IP telephony ina real operator’s environment 4.3Access networks issues • 為獲得支援能力的資訊，會做些測量在HSPA和WLAN上。 • 並且使用Wireshark[19]來更加了解VOIP的QoS。 • [19]：Wireshark的網站

  25. IP telephony ina real operator’s environment

  26. IP telephony ina real operator’s environment • 測試擁擠的情況

  27. A novel SIP based procedure forcongestionaware handover • 上面結果得知，網路使用程度對QoS影響很大，這對用無縫交遞來使用VOIP尤其重要。 • 本篇著重在(i)接受訊號的訊雜比(ii)目標網路的擁擠狀態。 • 第一個觸發是根據接收的功率，也是交遞的先決條件。 • 如果交遞的決定點只根據訊雜比的話，假設目標網路擁擠，服務也會降級，所以也要考慮到擁擠狀態。 • 減少或消除跳動可由增加緩衝器，但會限制到減少端對端延遲的可能性，因此決定注重在延遲。

  28. A novel SIP based procedure forcongestionaware handover • 我們主要著重在HSPA/WLAN的交遞。 • 假設擁擠只發生在WLAN。

  29. A novel SIP based procedure forcongestionaware handover • 假設在傳送訊息或等待回應期間，訊雜比小於TS/N則交遞就放棄。 • Probe訊息會跟著RTP封包經由SBC一起傳往CN，因此可提供實際狀況和足夠的QoS水平。 • 此方法完全獨立於較低的OSI層，也容易與業者環境結合。

  30. Performance evaluation of theproposedhandover procedure • 為了分析及評估，我們發明了一模擬模型，RTP為100packets/s。 • 模擬裡的假設 • HSPA經常可利用 • WLAN範圍有限，但可能會造成擁擠 • WLAN為優先的 • MN可同時傳送RTP封包也可送SIP INVITE訊息

  31. Performance evaluation of theproposedhandover procedure • 使用OPNET模型[22]來模擬。 • [22]：OPNET模型的網站 • Td：200ms • TS/N：10dB • 時間1800s，網路擁擠時間30s，相隔10-20s不等。

  32. Performance evaluation of theproposedhandover procedure 6.1Simulation results

  33. Performance evaluation of theproposedhandover procedure

  34. Performance evaluation of theproposedhandover procedure

  35. Performance evaluation of theproposedhandover procedure

  36. Conclusions • 本篇提出在異構網路中，基於有擁擠察覺程序的新SIP。 • 新提出的Pre-probe和Mid-probe演算法可根據網路狀態來選擇交遞決定點。 • 結果表示使用提出的演算法可顯著改善VOIP應用的QoS和QoE。 • 另一好處是，使用新的SIP訊息，業者不需新增裝置。 • 本篇著重在端對端延遲的測量，未來會評估更多參數(觸發)，將會有更加的QoE。

  37. References • [1] British Telecom, URL: www.bt.com, 2008. • [2] Qing Wei, KarolyFarkas, Christian Prehofer, Paulo Mendes,BernhardPlattner, Contextawarehandover using active network technology, Computer Networks, 50, 2006, pp.2855–2872. • [3] Q.-T. Nguyen-Vuong et al., A user-centric and context-aware solution to interfacemanagement and access network selection in heterogeneous wireless environments,Comput.Netw. (2008), doi:10.1016/j.comnet.2008.09.002 • [4] C. Perkins, IP Mobility Support for IPv4, RFC 3344, August 2002. • [5] HananeFathi, Ramjee Prasad, ShyamChakraborty, Mobility management for VoIP in 3Gsystems: evaluation of low-latency handoff schemes, IEEE Wireless Communications,April 2005, pp. 96-104. • [6] Ian F. Akyildiz, Jiang Xie, ShantidevMohanty, A survey of mobility management innext-generation all-IP-based wireless systems, IEEE Wireless Communications, August2004, pp. 16-28. • [7] R. Rajavelsamy, S. Anand, Osok Song, SunghoChoi, A novel scheme for mobilitymanagement in heterogeneous wireless networks, Wireless Personal Communications,Vol. 43, No 3, 2007, pp. 997-1018. • [8] ShantidevMohanty, Ian F. Akyildiz, Performance Analysis of HandoffTechniques Basedon Mobile IP, TCP-Migrate, and SIP, IEEE Tranactions on mobile computing, Vol. 6,No. 7, 2007, pp. 731-747.

  38. References • [9] K. El Malki, Low Latency Handoffs in Mobile IPv4, INTERNET-DRAFT, October 2005. • [10] Seok J. Koh, MeeJeong Lee, Maximilian Riegel, Mary Li Ma, Michael Tuexen, MobileSCTPfor Transport Layer Mobility, IETF Internet Draft, June 2004. • [11] Li Ma, Fei Yu, Victor C. M. Leung, TejinderRandhawa, A new method to supportUMTS/WLAN vertical handover using SCTP, IEEE Wireless Communications, August2004, pp. 44-51. • [12] Hung-Yun Hsieh, Chung-Wei Li, Shuo-Wei Liao, Yu-Wen Chen, Tsung-Lin Tsai, Hsiao-Pu Lin, Moving toward end-to-end support for handoffs across heterogeneous telephonysystemson dual-mode mobile devices, Comput. Commun. (2007),doi:10.1016/j.comcom.2007.03.009 • [13] NilanjanBanerjee, Wei Wu, KalyanBasu, Sajal K. Das, Analysis of SIP-based mobilitymanagement in 4G wireless networks, Computer Communications 27, 2004, pp. 697–707 • [14] LibnikRok, Svigelj Ales, KandusGorazd, Performance evaluation of SIP based handoverin heterogeneous access networks, WSEAS transactions on communications, vol. 7, no. 5,2008, pp. 448-458. • [15] J. Rosenberg, H. Schulzrinne, G. Camarillo, A. Johnston, J. Peterson, R. Sparks, M.Handley, E. Schooler, SIP: Session Initiation Protocol, IETF RFC3261, June 2002. • [16] Group of Experts on IP Telephony / ITU-D, The Essential Report on IPTelephony, ITU2003.

  39. References • [17] Understanding Delay in Packet Voice Networks,URL:http://www.cisco.com/en/US/tech/tk652/tk698/technologies_white_paper09186a00800a8993.shtml, 2009 • [18] J. Hautakorpi, G. Camarillo, R. Penfield, A. Hawrylyshen, M. Bhatia,Requirements fromSIP (Session Initiation Protocol) Session Border Control Deployments, Internet-Draft,October 23, 2008, URL:http://www.ietf.org/internet-drafts/draft-ietf-sipping-sbc-funcs-07.txt • [19] Wireshark, URL: http://www.wireshark.org/, 2009 • [20] NetStumbler, URL: http://www.netstumbler.com/, 2009 • [21] Distributed Internet Traffic Generator, URL:http://www.grid.unina.it/software/ITG/,2009 • [22] OPNET Technologies, URL: http://www.opnet.com, 2009. • [23] P.M.L., Chan, R. A. Wyatt-Millington, A. Svigelj, R. E. Sheriff, Y. F. Hu, P. Conforto, C.Tocci, Performance analysis of mobilityprocedures in a hybrid space terrestrial IPenvironment. Comput. networks, Vol. 39, 2002, pp. 21-41.

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