Подсистема мультимедиа на базе ip-протокола (IMS)

Архитектура IMS

5.1.1 Успех архитектуры Softswitch в сетях фиксированной связи побудил операторов и производителей оборудования распространить на мобильные сети принципы, заложенные в концепции Softswitch, а именно − физическое разделение функции управления и функций установления и поддержки медиасеансов. Однако в условиях роуминга услуг, принятого в мобильных сетях такое разделение существенно затруднило взаимодействие операторов, ограничило возможности обслуживания пользователей за пределами домашней сети. Именно поэтому параллельно с внедрением Softswitch в сетях подвижной связи международная организация 3GPP развернула работу на создание новой концепции и мобильных сетей 3-его поколения. Таким образом, появился проект перехода GSM-сетей поколения 2G к сетям 3G. Основой такой сети станет подсистема IMS (IP Multimedia Subsystem), которая позволяет разрабатывать и предоставлять абонентам сетей фиксированной и мобильной связи персонализированные услуги. В рамках конвергентной сети услуги будут предоставляться на единой технологической основе без привязки к конкретной сети доступа.

Можно выделить следующие движущие силы перехода от концепции Softswitch к новой концепции:

1) желание пользователей реализовать функции сотовых сетей (например, роуминг) в терминалах NGN;

2) развитие сотовых сетей от 2,5G к сетям 3G и 4G приводит к идее конвергенции сотовых и широкополосных сетей;

3) концепция персонификации услуг, т.е. предоставление пользователю персонального набора услуг;

4) переход от концепции услуг Triple Play (речь, данные, видео) к концепции 4Play (Triple Play + мобильность абонента).

5.1.2 Среди основных свойств архитектуры IMS можно выделить следующие:

· многоуровневость – разделяет уровни транспорта, управления и приложений (рисунок 5.1);

 

 

Рисунок 5.1 – Разделение технологии IMS на уровни

· независимость от среды доступа – позволяет операторам и сервис-провайдерам конвергировать фиксированные и мобильные сети;

· поддержка мультимедийного персонального обмена информацией в реальном времени (например голос, видео-телефония) и аналогичного обмена информацией между людьми и компьютерами (например игры);

· полная интеграция мультимедийных приложений реального и нереального времени (например потоковые приложения и чаты);

· возможность взаимодействия различных видов услуг;

· возможность поддержки нескольких служб в одном сеансе или организации нескольких одновременных синхронизированных сеансов.

Функциональные возможности IMS:

1) мультимедийный IP-сеанс − двухсторонняя аудио-, видеосвязь;

2) качество обслуживания. При организации сеанса связи пользовательское оборудование извещает IMS о своих возможностях и своих требованиях по качеству обслуживания (QoS);

3) взаимодействие с другими сетями, как традиционными (ТфОП), так и с перспективными;

4) инвариантность доступа;

5) создание услуг и управление услугами.

5.1.3 В подсистеме IMS применен новый подход к предоставлению услуг, позволяющий оператору внедрять услуги, созданные сторонними разработчиками или даже самим оператором. Это позволяет интегрировать различные услуги, персонализировать и увеличить их количество.

С внедрением IMS осуществляется переход от вертикальных сервисных платформ к горизонтальным сервисным платформам.

В традиционных сетях (телефонных, мобильных, интеллектуальных и др.) для предоставленияуслуг используются так называемые вертикальные сервисные платформы, которые успешно справляются с предоставлением небольшого числа ключевых услуг (рисунок 5.2).

В вертикальной схеме функции предоставления услуг и их тарификации, управления списками пользователей и маршрутизации зачастую дублируются в различных сетях; Пользователь вынужден использовать разные терминалы и сети доступа для получения разных услуг, при этом счета за разные услуги он получает от разных провайдеров.

Горизонтальная архитектура предоставления услуг позволяет оператору просто и экономично внедрять новые персонализированные услуги, причем пользователи могут получить доступ к различным услугам в рамках одной и той же сессии связи (рисунок 5.3).

Горизонтальная структура дает возможность уйти от вертикальной схемы предоствления услуг типа «платформа услуг – несущая сеть – сеть доступа – пользователь».

 

 

Рисунок 5.2 –Горизонтальные сервисные платформы

 

 

Рисунок 5.3 – Вертикальные сервисные платформы
5.1.4 К архитектуре IMS предъявляются следующие требования:

· отделение транспортного уровня и уровня доступа от сервисного уровня;

· объединение голосовых услуг с услугами реального времени и возможность задействовать несколько услуг в рамках сеанса связи;

· прозрачное взаимодействие с телефонными сетями и совместимость с услугами интеллектуальной сети;

· применение стандартизованных механизмов обмена пользовательской информацией между услугами для аутентификации и биллинга;

· конвергенция услуг в сетях фиксированной и мобильной связи;

· наличие открытых интерфейсов для разработки новых приложений.

5.1.5 На рисунке 5.4 представлены элементы подсистемы IMS. Наличие базы данных абонентов фиксированного и мобильного сектора (HSS), где содержится также информация об оконечном оборудовании, и контроллеров медиашлюзов упрощает адаптацию услуг для разных абонентских устройств и предоставление унифицированных услуг.

 

 

 

BSC/RNC (Base Station Controller/Radio Network Controller) – контроллер базовых станций/контроллер радиосети

GGSN (Gateway GPRS Support Node) – шлюз ядра сети GPRS (общей службы передачи пакетов в радиосети)

GSCF (`Call Session Control Function) – функция управления вызовами и сеансами (разделена между несколькими специализированными серверами)

HSS (Home Subscriber Server) – база данных абонентов (аналог регистра местоположения HLR в сетях сотовой связи)

IMS – мультимедийная подсистема на базе IP-протокола

MGCP/MGW (Media Gateway Control Protocol/Media Gateway) – протокол управления медиашлюзами/медиашлюз

MSC (Mobile Switching Center) – центр коммутации мобильной связи

SGSN (Serving GPRS Support Node) – узел предоставления услуг GPRS

SIP (Session Initiation Protocol) – протокол инициирования сеансов связи

WAG/PDG (Wireless Access Gateway/Packet Data Gateway) – шлюз беспроводного доступа /пакетный шлюз

 

Рисунок 5.4 – Элементы подсистемы IMS

5.1.6 Принцип, на котором строится концепция IMS, состоит в том, что доставка любой услуги никаким образом не соотносится с коммуникационной инфраструктурой (за исключением ограничений по пропускной способности). Воплощением этого принципа является многоуровневый подход, используемый при построении IMS. Он позволяет реализовать независимый от технологии доступа открытый механизм доставки услуг, который дает возможность задействовать в сети приложения сторонних поставщиков услуг. На рисунке 5.5 представлена архитектура IMS.

Рисунок 5.5 – Архитектура IMS

В составе IMS выделяются три уровня: транспортный уровень, уровень управления и уровень услуг.

Транспортный уровень отвечает за подключение абонентов к инфраструктуре IMS посредством пользовательского оборудования (User Equipment – UE). В роли данного оборудования могут выступать любой терминал IMS (например, телефон (смартфон) 3G, ПК с поддержкой Wi-Fi, или же широкополосный доступ). Также возможно подключение через шлюзы не-IMS терминалов (например, терминалы ТфОП).

Основные элементы транспортного уровня:

1) MRF (Media Resource Function) –функция медиаресурсов. Состоит из процессора функций мультимедийных ресурсов MRFP (Media Resource Function Processor) и контроллера MRFC:

- MRFC обеспечивает реализацию таких услуг, как конференц-связь, оповещения или перекодирование передаваемого сигнала. MRFC обрабатывает SIP-сообщения, получаемые через узел S-CSCF (Serving Call Session Control Function), и использовать команды протокола управления медиашлюзом (MGCP, H.248 МЕGАСО) для управления процессором MRFP. Также MRFC обеспечивает предоставление необходимой информации системам тарификации и биллинга;

- MRFP – процессор MRFP распределяет медиаресурсы сети согласно командам от MRFC. Его основными функциями являются: обслуживание потоков мультимедийных данных для служб оповещения и т. п., объединение входящих мультимедиапотоков, обработка потоков мультимедийных данных, например транскодирование;

2) MGW (Media GateWay) –медиашлюз; обеспечивает прямое и обратное преобразование потоков RTP в потоки сетей с коммутацией каналов (ТфОП);

3) I-BGF (Interconnect Border Gateway Function) – функция межсетевого пограничного шлюза; обеспечивает взаимодействие между сетями IPv4 и IPv6. Отвечает за обспечение функций безопасности (трансляцию адресов и портов NAPT, функции firewall, инструменты QoS);

4) GGSN (Gateway GPRS Support Node) – шлюзовой узел GPRS или узел маршрутизации; представляет собой шлюз между доменом коммутации пакетов мобильной сети и IMS. GGSN содержит всю необходимую информацию о сетях, куда абоненты GPRS могут получать доступ, а также параметры соединения. Основной функцией GGSN является роутинг (маршрутизация) данных, идущих к абоненту и от него через SGSN;

5) SGSN (Serving GPRS Support Node) – узел обслуживания абонентов GPRS; основной компонент GPRS-системы по реализации всех функций обработки пакетной информации;

6) RAN – (Radio Access Network) – сеть радиодоступа; обеспечивает взаимодействие IMS и сотовых систем электросвязи;

7) PDG (Packet Data Gateway) – пакетный шлюз. Данный сетевой элемент обеспечивает доступ пользовательского оборудования WLAN к IMS. Отвечает за трансляцию удаленного IP-адреса, регистрацию пользовательского оборудования в IMS, обеспечивает выполнение функций безопасности;

8) WAG (Wireless Access Gateway) – шлюз беспроводного доступа; обеспечивает соединение сетей WLAN и IMS;

9) A-BGF/BAS (Access Border Gateway Function/Broadband Access Switch) – обеспечивает доступ широкополосного пользовательского оборудования к IMS. Выполняет функции, аналогичные I-BGF;

10) DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer) – цифровой абонентский шлюз доступа – обеспечивает соединение абонентов, использующих широкополосный доступ (стационарный, например xDSL, сети КТВ) к IMS.

Уровень управления – это совокупность функций IMS, которые осуществляют все действия по управлению сеансами связи.

Основные элементы уровня управления:

1) CSCF(Call Session Control Function) – функция управления сеансами связи. Функция CSCF является основной на плоскости управления IMS-платформы. Модуль CSCF, используя протокол SIP, выполняет функции, обеспечивающие доставку множества услуг реального времени посредством транспорта IP. Функция CSCF использует динамическую информацию для эффективного управления сетевыми ресурсами (граничные устройства, шлюзы и серверы приложений) в зависимости от профиля пользователей ив совокупности с HSS выполняет функции по аутентификации и авторизации абонентов.

Существуют функции CSCF трех типов:

· P-CSCF (Proxy-CSCF) − первая точка взаимодействия (на сигнальном уровне) пользователя IMS-терминала и IMS-сети. Основным назначением P-CSCF является маршрутизация команд и ответов SIP между пользовательским терминалом и узлами IMS-сети. Также P-CSCF выполняет ряд требований, относящихся к информационной безопасности. Могут быть использованы функции проверки правильности сообщений, SIP-компрессий и декомпрессий данных, а также обнаружений соединений с аварийными службами. Обязательным является создание учетной информации и отправка ее к узлу, отвечающему за начисление платы;

· I-CSCF (Interrogating-CSCF) − представляет собой SIP-прокси, расположенный на границе административного операторского домена. Взаимодействует с HSS и получает от него информацию о местонахождении пользователя и обслуживающей его S-CSCF. Если никакая S-CSCF не назначена, I-CSCF производит ее назначение.

· S-CSCF(Serving-CSCF) − центральная интеллектуальная функция на сигнальном уровне, т.е. функция SIP-сервера, которая:

- управляет соединением;

- выполняет функцию регистрирующего сервера, т.е. поддерживает привязку местоположения пользователя к его SIP-адресу;

- взаимодействует с HSS и получает от него аутентификационные данные пользователя, данные о профиле и триггерных точек.

S-CSCF анализирует каждое сообщение пользователя и определяет, должно ли оно пройти через сервер приложений, предоставляющий услугу пользователю;

2) BGCF (Breakout Gateway Control Function) – функция управления шлюзом взаимодействия, управляет пересылкой вызовов между доменом коммутации каналов (ТфОП или GSM) и сетью IMS. Данный модуль осуществляет маршрутизацию на основе телефонных номеров и выбирает MGCF в домене коммутации каналов (КК), через который сеть IMS (где расположен сервер BGCF) будет взаимодействовать с ТфОП или GSM. Здесь также производится генерация соответствующих учетных записей для начисления платы абонентам сетей с коммутацией каналов;

3) MGCF (Media GatewaysControl Function) – функция управления шлюзами (Media Gateways) – управляет соединениями в транспортных шлюзах IMS, используя Н.248/MEGACO;

4) SGW (Signaling Gateway) – сигнальный шлюз – обеспечивает преобразование сигнализации ТфОП в вид, понятный MGCF. Связан с ядром IMS через интерфейсы группы протоколов SIGTRAN;

5) RACS (The Resource and Access Control) – подсистема управления ресурсами и доступом – обеспечивает функции управления доступом (на основании имеющихся в распоряжении ресурсов, местной политики и авторизации на основании профилей пользователей) и входа в сеть с помощью управления шлюзом (gate control), включая управление преобразованием сетевых адресов и портов, и присвоение приоритета;

6) PDF (Policy Decision Function) – функция выбора политики, оперирующая с характеристиками информационного трафика (например требуемая пропускная способность) и определяющая возможность организации сеанса или его запрета, необходимость изменения параметров сеанса и т. д.;

7) NASS (Network Attachment Subsystem) – подсистема подключения сети – в ее основные задачи входит динамическое назначение IP-адресов (используя DHCP – Dynamic Host Configuration Protocol), аутентификация на уровне IP, авторизация доступа к сети, управление местонахождением на уровне IP.

Верхний уровень приложений эталонной архитектуры IMS содержит набор серверов приложений, которые, в принципе, не являются элементами IMS. Эти элементы верхней плоскости включают в свой состав как мультимедийные IP-приложения, базирующиеся на протоколе SIP, так и приложения, реализуемые в мобильных сетях на базе виртуальной домашней среды.

Архитектура приложений IMS достаточно сложна, но ключевым моментом здесь является высокая гибкость при создании новых и интеграции с традиционными приложениями. Например, среда пересылки сообщений может интегрировать традиционные свойства телефонного вызова, например обратный вызов и ожидание вызова, с вызовом Интернет. Чтобы сделать это, архитектура IMS позволяет запустить множество услуг и управлять транзакциями между ними.

Основные элементы уровня приложений:

1) HSS (Home Subscriber Server) представляет собой централизованное хранилище информации об абонентах и является эволюционным развитием домашнего регистра местоположения (HLR) сетей GSM.

В среде IMS сервер HSS действует как открытая база данных о каждом пользователе и об услугах, задействованных абонентом: на какие услуги подписан пользователь, активизированы ли эти услуги, какие параметры управления были установлены пользователем.

В HSS хранится вся необходимая информация, которая может понадобиться при установлении мультимедийного сеанса:

· о местонахождении пользователя;

· для обеспечения информационной безопасности (аутентификация и авторизация);

· об абонентских профилях;

· об обслуживающей функции управления сеансом связи (S-CSCF);

· о триггерных точках обращения к услугам (для реализации услуг протокола SIP).

Если на сети более одного HSS, то необходимо наличие функций SLF, представляющей собой простую базу данных, которая сопоставляет пользователя и HSS, где хранятся его данные.

2) SIP AS (SIP Application Server) – сервер приложений, служащий для выполнения услуг, базирующихся на протоколе SIP. Ожидается, что все новые услуги в IMS будут находиться именно в сервере SIP AS;

3) OSA-SCS (Open Service Access-Service Capability Server) – сервер возможных услуг, который обеспечивает интерфейс к услугам, базирующимся на открытом доступе к услугам (OSA – Open Service Access). Целью является обеспечение услугам возможности доступа к сетевым функциям посредством стандартного программного интерфейса приложений;

4) IM-SSF (IP Multimedia – Service Switching Function) – сервер коммутации услуги, служит для соединения подсистемы IMS с услугами в системе приспособленных к пользователю приложений для улучшения логики мобильной сети (CAMEL – Customized Applications for Mobile network Enhanced Logic). Речь идет об услугах, разработанных для глобальной системы мобильной связи GSM, а с помощью функции IM-SSF (функция коммутации услуг) использование данных услуг возможно и в IMS;

5) SCIM (Service Capability Interaction Manager) – обеспечивает управление взаимодействием плоскости приложений и ядра IMS.