- 1 -
无线网络环境下 IMS会话建立时延分析
摘 要： 本文描述了下一代移动通信中全 IP化的趋势,说明了 IMS(IP多媒体子系统)水平化
架构对未来移动多媒体业务的重要性。SIP（会话初始协议）作为 IMS中的信令，贯穿于各
种多媒体业务，如 VOIP，游戏，视频广播等。由于 SIP 以文本为基础, 获得较低的信令时
延并不容易,再加上无线链路环境下,丢包率较高，减少传输时延更显得重要。SIP 会话建立
时延也是业务 QoS 的关键指标之一，本文建立从底层到上层的分析模型，考虑了无线链路
的统计模型和传输层（TCP）以及 SIP信令（SIP压缩）的特点，以 IMS系统中两个移动用
户建立会话为场景，分析了无线移动通信环境 SIP会话建立时延，给出了较一般化的公式，
并讨论了可以改进的方法。
关键词：IMS；SIP；移动通信；会话建立时延
中图分类号：TN929
1. 引 言
随着互联网的蓬勃发展,人们越来越多的使用互联网的业务,邮件、浏览、博客、即时通
信以及 VOIP 都是基于 IP 的业务。移动通信的发展是以市场为导向的，传统的移动通信满
足了人们随时随地进行语音通信的需求，如今为了满足人们随时随地使用互联网业务，并达
到在异构网络下的统一体验，移动通信技术向全 IP 化、水平化演进。
3GPPR5 版本提出的 IMS 技术为基于 IP 的移动和固定通信融合提供了基础，并被业界
认为是网络演进的一个重要阶段。IMS(IP Multimedia Subsystem)是 3GPP 在 Release5 版本提
出的支持 Ip 多媒体业务的子系统，它的核心特点是采用 IP 协议和与接入的无关性。在网络
融合的发展趋势下，3GPP，ETSI 和 TIU-T 都在研究基于 IMS 的网络融合方案，目的是使
IMS 成为基于 SIP 会话的通用平台，同时支持固定和移动的多种接入方式，实现固定网和移
动网的融合。
IP 多媒体核心子系统(IMS)的最显著特点就是采用了会话发起协议(SIP)，实现了通信与
接入方式无关，可以提供多种媒体业务，控制功能与承载能力分离、呼叫与会话分离、应用
与服务分离、业务与网络分离、移动网与互联网业务融合。IMS 顺应了通信网络融合发展的
趋势。而它的信令一 SIP 是基于因特网两个最成功的服务 Web e-mail 进行设计的。继承了
Internet 的标准和协议设计思想，坚持简洁、开放和可扩展、可重用性的原则，为组建多媒
体通信网络、提供多媒体业务提供了一种可以将简单的应用结合到复杂的服务中去的方法。
SIP 通过一种便捷的方式来建立和控制各种类型的点到点媒体会话。与 Internet 协议类似，
它采用的是一种模块化结构，请求/应答模式，基于文本方式，因此使用非常简单灵活，升
级、扩展方便。SIP 由 SIP 基本协议和一系列针对移动业务的 SIP 扩展组成。
会话建立时延是 QoS 指标之一，在下一代网络中 SIP 作为会话控制信令。以 VOIP 为
- 2 -
例，在目前的技术下，基于 SIP 的会话建立时延要比电路域语音会话建立时延长许多，分析
和研究减小 SIP 会话建立时延变得非常有意义。
2. 系统介绍
会话建立时延对交互式的多媒体业务（如游戏，VOIP）有严重影响，是下一代网络 QoS
指标之一。移动通信各标准的无线链路层有着许多共同点，原理类似，具体参数有别，无线
链路层影响数据传输时延的参数类型并无很大差别，所以可以将这些参数用变量代替，在涉
及到具体标准时可以用具体数据取代。本文分析 IMS 架构下无线通信系统的会话建立时延。
本文模型包含了无线链路的统计特性，同时也考虑了传输层(TCP、 UDP)的特性和 SIP 信
令(消息的大小和压缩)。说明了 IMS 下如何分析预测会话建立时延，并讨论可能的减小时延
的方法。
背景
P-CSCF
I-CSCFIMS
S-CSCF
SIP Application
ServersSIP Application
Servers
HSS
RAN RAN
I-CSCF
P-CSCFIMS
S-CSCF
SIP Application
ServersSIP Application
Servers
HSS
图 1 移动通信端到端 IMS 架构
图 1 是一个端到端的 IMS 架构。假设有一个一般的多媒体会话建立请求在两个移动终
端使用者之间(Mobile Terminals， MT1 和 MT2)，这两个多媒体会话包含一个双向实时
RTP/RTCP 会话(假设使用者都在自己的归属网，不考虑漫游)。A 和 B 都使用无线传输，具
有相同的核心网和无线接入网(RAN)架构。
IMS 的信令层由几个部份所组成：CSCF(Call Session Control Function)、 HSS(Home
Subscriber Server)、Gateway Functions(Media, Breakout, Signaling)、 Application Server(AS)。
其中 IMS 核心 CSCF 分成三种：
（1） P-CSCF(Proxy)：P-CSCF 是进入 IMS 的 point，负责所有和归属网的沟通。
（2） I-CSCF(Interrogating)：I-CSCF 是归属网第一个接触的点，主要负责查询 HSS
有关使用者的权限和 S-CSCF 的所在位置。
（3） S-CSCF(Serving)：S-CSCF 是服务进行的主要控制所在，提供整个会话控制和
注册的功能(可当作 SIP Proxy 或是 SIP Registrar)。S-CSCF 大部分位于归属网。
以下是两个造成会话建立时延的重要组成部分：
（1） 信令消息流程。
- 3 -
（2） 无线传输。
典型 IMS 信令流程
图 2 典型 IMS 会话建立信令流程
图 2 表示一个典型的 IMS 会话建立信令流程。图中只有表示应用层信令，而没有说明
TCP 三次握手。然而，当使用 TCP 时，我们就会计入每个 TCP 连接在任何一个数据包传输
之前的三个传输数据包(SYN,SYN-ACK,ACK)。假设使用一个事先处理好的 QoS 模型，也就
是说在 Ring 这个事件之前要分配好所有的网络资源。假设 MT1 和 MT2 在会话建立之前就
已经注册，使用者也在 IMS 认证，并且分配给 P-CSCF 和 S-CSCF。由于会话建立过程会计
算 RTCP 消息的交换，为了减少会话建立时延两个终端都被预期在之前可能的时间先送
RTCP 数据包。会话建立步骤如下：
步骤 1. MT1 送 INVITE message 给 P-CSCF，P-CSCF 确认这个地址是在路由表里之后就转
发消息给 S-CSCF。
步骤 2. S-CSCF 会检查用户配置文件确认请求是否和使用者所允许的业务一致。S-CSCF 从
Request-URI 查询目的地的域名，接着 S-CSCF 转发 INVITE message 给 I-CSCF。
步骤 3. 为了找到分配给 MT2 的 S-CSCF，I-CSCF 会发查询 HSS。接着转发到 S-CSCF、
P-CSCF、 MT2 并且将 URI 加到路由表以保存信令路径。
会话建立主要分两个阶段：Dial-to-Ring；Answer-to-Signal。当 MT1 送 UPDATE 消息
后 Ring event 建立，MT2 收到后回 200 ok 消息。Answer event 是会话继续进行的关键，Ring
和 Answer 之间所花的时间不加入会话建立时延。当 MT2 应答这个呼叫之后回 200 ok 给一
开始的 SIP INVITE，在接到 200 ok 后，MT1 开始 RTP/RTCP 媒体传输，并且回 final ACK
给 MT2。之后 MT2 也开始 RTP/RTCP 媒体传输，此时 session 已经建立完成。
无线链路传输
3G 及 3G 后移动通信无线接入网络采用的技术普遍可以在多种数据传输速率和无线链
路帧长度下运行，这种特点是为了适应变化的无线信道环境。当信号功率减小或者干扰增加
时，系统会降低传输速率和帧长，使得 FER（误帧率）降到最小。下面了阐述一下无线链
- 4 -
路如何造成时延的：
(1) 无线通信系统的应用层和报头开销引入的时延
在分析无线链路实验时，和无线通信系统应用层最相关的是链路层的帧重传机制和各
层产生报头时的开销。帧重传的机制定义在 Radio Link Protocol (RLP)。RLP 主要将从
上层来的数据流分割入不同长度的帧(依据无线信道的条件)。因此 RLP 接收端可以知
道数据流里的所缺失的字节，并且发送 NACK 消息要求重发,收到 NACK 后发送端就
会立即重传。要评估在无线通信系统里，传输层的数据包如何映射到无线链路帧，需
要考虑到每层增加的报头开销(从应用层到物理层所有开销设为变量 O, 这个 O 根据选
取的不同无线系统会有所不同)。
(2) 底层说明: 物理层和 MAC 层
底层主要是做传输速率控制，使得在最小的误帧率下提供最大的传输速率。除此之外，
多变的帧传送时延是由 Hybrid Automatic Repeat Request(HARQ)方案（此方案普遍应用
于下一代无线通信技术中）所造成的。这两个原因造成在无线通信系统中的时延，并
且需从两个方面来考虑：前向和反向链路
Forward Link (FL)：
前向链路一般是时分复用。在前向数据信道中，不同的传输速率有不同的传输格式，
由 Data Rate Control(DRC)值来定义。DRC 值和帧长度( FL 有效载荷 pFL) 以及一帧
所占时隙数(nominal slot span, KFL )相关，例如 1024bit/16slots 对应一个 DRC 值。另外，
和一个帧相关的所有时隙，根据一个 I-slot 交织方案传送(分配给同一个活动终端的时
隙都被其他 I-1 个时隙隔开)。交织可以令使用 HARQ 的系统在所有 KFL时隙全部接收
前，接收端就对整个物理层的帧进行提前判断。
Reverse Link (RL):
RL 一般也采用 HARQ 方案，并且使用固定的帧长占用 X 个时隙，将 X 个时隙细分成
每 x 时隙个的子帧，如果一个帧多于一个子帧，那么每个子帧根据一定数量 Is 进行交
织传输。
3. 时延分析公式
为了分析无线接入网络 IMS 架构中的会话建立时延，我们利用以下跨层模型[1]。
图 3 IMS 会话建立时延跨层分析模型
图 3说明了在移动终端与 P-CSCF间的通信，这个模型对上行链路和下行链路分别考虑，
- 5 -
同时包含 RLP 层。每个层的传输时延和丢包率都是变量。除了上图提到的时延之外，还有
IMS 各服务器每个 IMS/SIP 数据包时延以及 IP 骨干网的传输时延。由于每层的丢包率都是
随机变量，我们通过分析各层时延的数学期望值，最后综合考虑各层得出一个一般化的公式。
无线传输时延模型
物理层中每个数据帧都有一定的时延并有一定的错误率,在3G及3G后技术中,误帧率大
概为 1%的数量级.当无线环境恶化时,FER 会增加,系统会根据此来自适应调整传输方式,使得
FER 降低,时延也就随之变化。
(1) 物理层——前向链路：DFL,i ，单个 frame i 的前向链路时延，代表某个帧的整个时
延；D’FL,i ，无线前向链路的传输时延，DqFL,i : 前向链路的排队时延。
, , ,' (1)FL i FL i qFL iD D D= +
KFL ，标称帧长所占时隙个数，K’FL ，应用 HARQ 后，由于可提前判决，实际接
收 K’FL个时隙即可判定出整个帧，Ts，时隙持续时间，I，交织长度同一个帧的所
占每隔 I-1 个时隙相互隔开。
, ,' ( ' 1) (2)FL i S FL i SD IT k T= − +
DqFL的值为排队时延，和设备负载有关，有文章研究排队时延相比无线链路的传
输时延较小，在此不作深入讨论。
(2) 物理层——反向链路：和前向链路类似。
, , ,' (3)RL i RL i qRL iD D D= +
其中 ,'RL iD 由类似于前向链路的算法决定，有的无线通信系统中规定子帧后进行交
织，相应时延可自行推算。
(3) RLP/RLC（Radio Link Protocol）时延模型
RLP/RLC 的作用将上层来的数据分段，装入底层的帧中，并具有差错控制功能，
察觉有丢帧时将发送 NACK 请求发送端重传[2]。假设从传输层来的数据包需要装
入 n 个帧，每个帧的时延为 Di = DR + DFL，i（DRL，i 或）决定，DR是由于基站控制
器和基站非同一实体时无线接入网内的传输时延[3]。假设帧传送错误的事件独立同
分布，FER 为 p，则一个帧传输成功（包括一次成功和重传时 NACK 及重传帧传
送成功）的概率为
2 2
, (1 ) (1 ) 1 (2 ) (4)S RLPP p p p p p= − + − = − −
一个装载 n 帧中的数据包传送成功的概率为 ,nS S RLPP P= ，则误包率为 q= 1 SP− 。
一般情况下，一个包的最后一帧作为校验帧用来发现之前的丢失帧。定义事件 A
为最后一帧丢失则，n 帧传送，有 j 帧需重传，并假设 NACK 可以瞬间传输，则条
件概率
1
( | , ) / ; 1, 1 (5)
1
n n jP A n j n j
j j n
−⎛ ⎞ ⎛ ⎞= = > >⎜ ⎟ ⎜ ⎟−⎝ ⎠ ⎝ ⎠
利用均值分析法，传送 n 帧有 j 帧需重传，这种情况下，均值时延的计算如下公式
( | , ) ( ) (1 ( | , )) (( ) ) ( | , ) (6)RLP FE D n j n j D P A n j n j D T P A n j= + − + + +
其中 D 为单个帧时延， FT 为最后一帧丢失后的超时时间，和二层无线链路采用的
- 6 -
协议有关。根据均值分析的方法，一个包所有的帧时延的均值如下：
2
0
1( ) (1 ) ( (1 ) ) ( | , ) (7)
n
n j j
RLP RLP
jS
n
E D p p p E D n j
jP
−
=
⎛ ⎞= − −⎜ ⎟⎝ ⎠∑
传输层时延模型
底层经过重传机制仍然接收不到正常的数据，上层会启动重传机制来保证信令传输的可
靠性。IMS 的信令 SIP 协议可以应用 TCP 或者 UDP 作为传输层协议，应用 UDP 时，因为
UDP 不面向连接，需要 SIP 应用重传机制来保证可靠性。本文讨论 SIP 应用 TCP 的情况。
设 RTO 为超时重传的时间，这个时间要和 RTT 非常接近，由上文得出的误包率为 q，
重传次数的上限为 t 次，则传输层中包的时延均值为：
1
0
1( ) (1 ) ( (2 1) ) (8)
1
t
i i
TLP RLPt
i
D t q q D RTO
q
−
=
= − + −− ∑
SIP 压缩对时延的影响
未经压缩的 SIP 消息的大小可以达到几百甚至几千字节，如 INVITE 消息，在达到目的
地时的大小可能是最初发端的两倍。IMS 规定了在 P-CSCF 与终端之间要对 SIP 消息强制压
缩，这种压缩机制称为 SigComp。经过压缩，SIP 消息可以压缩 40%到 80%以上。减小的
SIP 消息意味着更少的底层传输单元，从而带来了时延的减小。
核心网络传输及 IMS 处理对时延的影响
核心网络中，IMS 各处理单元间有可能在同一服务器中，更普遍的结构是需要网络传输，
这样就引入了 SIP 信令时延[4]，从减小时延的角度考虑，应该尽可能将 IMS 架构扁平化，尽
量将信令在本地处理。
4. 结论
本文分析了无线通信环境下，IMS 会话建立的端到端的时延，给出了较为一般性的公式
和分析方法，可供具体某种无线接入网络系统参考。在会话建立时延改进方法的研究上，在
微观上，可从重传定时器自适应随无线环境变化入手，宏观上，可以从调整 IMS 架构入手，
使会话建立时延受底层环境影响更小。
参考文献
[1] M. Melnyk, A. Jukan. An analysis of session setup time in IMS with EV-DO wireless links [R]. CCNC,
2006,2:808-812.
[2] 3GPP TS . Radio Access Networks; RLC Protocol Specification; protocol specification (Release
5) [S]. 3GPP, 2002.
[3] 3GPP2 Specifications -A. CDMA 2000 High Rate Packet Data Air interface Specification [S]. Third
Generation Partnership Project 2, 2004.
[4] C. Boutremans, G. Iannaconne, C. Doit. Impact of Link Failures on VoIP Performance [R]. Ecole
Polytechnique Federale de Lausanne, 2002, 63-71.
- 7 -
An Analysis Method of Session Setup Delay With Wireless
Communication System
Yan Zhiguo
Beijing University of Posts and Telecommunications，Beijing（100876）
Abstract
This paper describes the ALL-IP trend of next generation mobile telecom and the key role of IMS
architecture. SIP(Session Initiation Protocol) is the signaling of IMS and go through variety kinds
of multimedia applications. Keeping signaling delay low is a challenge in IMS due to the
text-based nature of the Session Initiation Protocol for signaling, and, more significantly, due to
the lossy and capacity constrained wireless links. SIP session setup delay is one of the key
performance index for the service QoS. We discuss a method for analysis the session setup delay
from down to top layer, Take into consideration the properties of transport protocols (TCP,UDP)
and SIP signaling (message size and compression), and gave some topic for further research.
Keywords: IMS; SIP; Mobile Telecommunication; session setup delay
