8 лекция: Конвергенция мобильных и проводных сетей. Архитектура ims план

8 - лекция: Конвергенция мобильных и проводных сетей. Архитектура IMS


План:

1. 
   Основы технологии IMS
   
2. 
   Стандартизация IMS
   
3. 
   Архитектура IMS. Структура IMS и деление на уровни системы управления. Внутренние и внешние интерфейсы IMS
   

Опорные слова:IMS, стационарность, конвергентность, 3GPP, CSCF, HSS, P-CSCF, S-CSCF, I-CSCF, Е-CSCF


6.1 Основы технологии IMS
В IMS реализуется новая концепция открытой архитектуры услуговых платформ OSA (Open Service Architecture) с использованием стандартных услуговых блоков (service enablers) для создания различных услуг и приложений. Эти блоки можно сравнить с библиотекой стандартных функций в Windows, в которой есть, например, модуль, выполняющий проверку орфографии для всех офисных программ. Наличие программно-аппаратной среды с архитектурой OSA у оператора поможет ему избежать незавидной участи «битовой трубы», когда по арендованным у него каналам другие компании предоставляют привлекательные услуги пользователям, а доля самого оператора в «цепочке стоимости» этих услуг минимальна (только плата за аренду канала).
В будущем телекоммуникационные операторы должны стать своего рода менеджерами «информационного супермаркета», обеспечивающими операционную и тарификационную системы (OSS и BSS), а также администрирование услуг сторонних сервис-провайдеров. Действуя таким образом и обладая мощным операционным и биллинговым менеджментом, оператор связи сможет извлекать хорошие прибыли из успешного взаимодействия с потребителями и поставщиками услуг.

Требования пользователей

Отрасль связи находится в состоянии перехода от базовых услуг к коммуникациям потребительского типа. Базовые услуги необходимы всем абонентам (так же, как любой человек нуждается в пище), а новые — являются более индивидуальными (точно так же, как одним людям нравится спорт, другим — музыка). Это одна из причин непоявления на рынке так называемых «убойных приложений» (killer applications) той или иной технологии. Для абонентов становится все более важным чувство удовлетворения от использования новых комплексов услуг, при этом они не хотят обращаться за разными услугами к разным поставщикам. Коммуникации будущего будут направлены на потребление информационных продуктов и услуг, а не просто на обеспечение связи в чистом виде, заключающейся во взаимодействии типа «человек–человек» или «человек–машина».
При переходе к информационной эпохе информационные услуги становятся преобладающими в трафике сетей связи. Уже сейчас в них объемы трафика данных превышают объемы речевого трафика, поэтому возникает насущная необходимость в создании универсальных сетей, в которых все информационные и коммуникационные услуги предоставлялись бы на единой технологической платформе. Причем такие сети должны ориентироваться в основном на информационные услуги, а традиционные услуги речевой связи станут своеобразным дополнением к ним.
Задайте любому абоненту следующие вопросы: нравится ли ему идея формировать пакет всех нужных ему услуг связи и доступа к информации (в том числе мультимедийной) самостоятельно и оплачивать их по единому счету? хочет ли он пользоваться как фиксированным, так и мобильным телефоном по единому номеру и иметь доступ к своему пакету услуг из любой точки страны, не заботясь о прописке своих реквизитов в другой сети, причем этот пакет, да и сами услуги будут гораздо разнообразнее и богаче, чем в традиционных сетях? Не нужно проводить социологических опросов и так ясно, что на все эти вопросы большинство абонентов ответят утвердительно.
В недавнем прошлом считавшиеся новыми услуги мобильной связи, электронной и речевой почты, мгновенного обмена текстовыми сообщениями перевернули устоявшиеся представления о доступности абонентов. Теперь любому человеку можно послать то или иное сообщение и быть уверенным, что он получит его. Поэтому в настоящее время пользователи все больше заинтересованы в том, чтобы управлять своей доступностью, т. е. определять как, когда, при помощи чего и для кого быть доступными. Кроме того, они хотят, чтобы услуги предоставлялись непрерывно при переходе из одной сети доступа в другую, а также при смене терминала — например, начав сеанс видеоконференции на рабочем терминале в офисе, продолжить его в автомобиле, используя карманный компьютер. Поэтому очень важна интероперабельность между терминалами и операторскими сетями.
Новые технологии порождают и новые, более эффективные режимы работы. Так, благодаря распространению услуг широкополосного доступа люди стали чаще работать на дому (в домашних офисах) и удаленных рабочих местах. Работа дома, в аэропорту или в дороге с таким же удобным и быстрым доступом к информации и сервисам, что и в сети предприятия, становится все более обыденным явлением.
Можно кратко сформулировать основные требования абонентов:
• Легкость использования разнородных сетей доступа и терминалов. Как уже говорилось, начав сеанс связи в одной сети доступа и на одном терминале, абоненты хотят иметь возможность продолжать его в другой сети с помощью другого терминала, комбинируя при этом состав используемых приложений и участников сеанса.
• Отсутствие привязки к разным поставщикам услуг. Получая весь комплекс услуг от одного поставщика с оплатой по единому счету, абоненту будет безразлично, кто является первоначальным поставщиком той или иной услуги, которую он сможет заказать у одного и того же оператора.
• Использование приложений и услуг без каких-либо географических и сетевых ограничений. Это может быть достигнуто на основе открытости и совместимости интерфейсов всего спектра пользовательского и инфраструктурного оборудования. Большое значение здесь имеет совместимость абонентских терминалов с разнообразными сетями доступа: GSM, WCDMA, CDMA2000, xDSL, G(E)PON, Wi-Fi и WiMAX.

Как создаются и предоставляются услуги с помощью IMS

В обычных сетях каждая услуга поддерживается своим сервисным узлом или группой таких узлов, которые выполняют все функции, необходимые для ее оказания. При этом единственно возможный путь комбинации разных услуг для создания качественно новой услуги — это взаимодействие сервисных узлов через соответствующие протоколы. Часто каждая услуга создается «с чистого листа». Такой способ создания и предоставления услуг неизбежно связан с высокими затратами и сложен технически.
Структура IMS дает возможность уйти от раздельного обслуживания абонентов, при котором функции по предоставлению услуг и их тарификации, управлению группами абонентов и другие дублируются в разных (фиксированная, мобильная и мультимедийная) сетях. Это экономически не эффективно для операторов и очень неудобно для абонентов, которые вынуждены использовать разные терминалы и сети доступа к различным услугам, получая разные счета от разных провайдеров за их оказание.
На базе IMS услуги предоставляются с помощью серверов приложений, где хранится логика услуг. Один такой сервер может поддерживать сразу несколько услуг — например, телефонию и передачу текстовых сообщений. Это называется коллокацией услуг, она позволяет снизить нагрузку на основные функциональные компоненты IMS, например, на компонент управления сеансами связи (Call Session Control Function — CSCF).
Как уже отмечалось, в IMS (посредством услуговых блоков) обеспечиваются общие по структуре и исполнению функции, которые могут использоваться практически всеми услугами сети. Примеры таких общих функций: информирование о присутствии абонента в сети (presence), управление списками пользователей, тарификация, функционал службы каталогов и др. Кроме ускорения и упрощения процессов создания и предоставления услуг, многократное применение общей функциональной инфраструктуры для прикладного уровня в IMS минимизирует текущие и капитальные затраты операторов.
В IMS пользователи получают доступ к услугам через функциональный компонент CSCF, который динамически назначается пользователю при его регистрации в сети или при получении запроса на соединение от другого пользователя. Маршрутизация запросов к серверу услуги не зависит от самой услуги, т. е. пользователя будет обслуживать тот сервер, маршрут к которому наиболее оптимален и на котором есть логика данной услуги. Можно сказать, что в отличие от традиционной интеллектуальной платформы архитектура услуг на базе IMS ориентирована на пользователя и способна к значительному масштабированию.
Процессы регистрации и авторизации в IMS максимально упрощены как для операторов, так и для пользователей. В традиционных сетях каждая услуга имеет свой (стандартный или фирменный) способ аутентификации пользователей, а путь к серверу услуги и узел доступа к ней тоже зависят от услуги. Что же касается IMS, то, однажды зарегистрировавшись в сети, пользователь получает доступ ко всем услугам, на которые он подписался, причем он не должен обращаться за разными услугами к разным поставщикам. Аутентификация пользователя выполняется в CSCF, который транслирует запрос на услугу серверу приложений, а тот, запросив, в свою очередь, единую абонентскую базу данных (Home Subscriber Server — HSS), подтверждает, что пользователь аутентифицирован и авторизован для предоставления услуги.

Взаимодействие с традиционными сетями

В традиционных сетях уже реализовано множество услуг, к которым абоненты привыкли и которые приносят прибыль оператору. Во избежание оттока абонентов важно, чтобы эти услуги в NGN c IMS выглядели для них привычно.
Комитет TISPAN, разработавший спецификацию NGN Release 1, предложил два решения, облегчающих операторам переход от ТфОП к IMS. Это PSTN/ISDN Emulation Subsystem (PES) и PSTN/ISDN Simulation Services (PSS). Первое из них может быть реализовано на базе сервера вызовов (softswitch) или IMS. Стандартной основой второго решения изначально является IMS.
Решение PES, определенное в документе ETSI ES 282 002, обеспечивает эмуляцию услуг ТфОП и ISDN для традиционных терминалов ТфОП, подключенных к сети NGN через медиашлюзы различных типов: интегрированные устройства доступа, домашние шлюзы или медиашлюзы абонентского доступа.
Решение PSS, описанное в документе ETSI TS 181 002, предназначено для симуляции традиционных услуг ТфОП и ISDN на мультимедийных SIP-терминалах при помощи серверов приложений SIP (SIP AS), которые представляют собой услуговую платформу IMS.
Основное различие между PES и PSS состоит в следующем: PES эмулирует услуги ТфОП на уровне сети для обслуживания традиционных терминалов ТфОП, таким образом обеспечивая их абонентам доступность части функционала новых услуг платформы IMS, а PSS, наоборот, переносит опыт пользователя услуг традиционных терминалов на новые мультимедийные SIP-терминалы, таким образом способствуя плавности перехода пользователей к новым мультимедийным услугам.
Очевидно, что для модернизации сетей традиционных фиксированных операторов требуется именно PES, а PSS подходит для развертывания новых сетей, ориентированных на новые ниши рынка телекоммуникационных услуг, например, для корпоративных сетей и «продвинутых» индивидуальных пользователей. Поэтому в данной статье решение PSS не рассматривается.

Возможные сценарии эволюции ТфОП к IMS

Тенденции развития отрасли связи в мире показывают, что для операторов фиксированных сетей возможны сценарии эволюции ТфОП.
Сценарий A. Сеть трансформируется с использованием PES на основе сервера вызовов и узкополосного шлюза доступа AGW. Новые услуги предоставляются с помощью сервера SIP AS и широкополосного шлюза HGW. Абоненты с традиционными терминалами, подключенными к шлюзу AGW, получают доступ к SIP AS через PES на основе сервера вызовов. Таким образом они могут воспользоваться некоторыми дополнительными услугами (вследствие существенной ограниченности технических возможностей традиционных терминалов в данном случае речь идет только об узкополосных услугах). Это решение обеспечивает полную преемственность функций ТфОП и ISDN и позволяет максимально использовать существующее оборудование, уже установленное на ТфОП. Оно имеет стандартную архитектуру NGN, соответствующую рекомендациям TISPAN. Реализация PES на базе сервера вызовов — зрелое и широко используемое решение. Следовательно, начать осуществлять данный сценарий можно уже сегодня. Посмотрим, что может происходить дальше.
• Ветвь А1: Архитектура сети остается без изменений. По мере внедрения новых услуг пользователи традиционных терминалов, связанных с узкополосным шлюзом AGW, постепенно переходят на мультимедийные терминалы, работающие в сети через широкополосный шлюз HGW. Доля абонентов, подключенных к PES снижается, а доля абонентов, взаимодействующих с SIP AS, увеличивается. Этот процесс, вероятно, займет довольно много времени.
• Ветвь A2: Сервер вызовов модифицируется до уровня AGCF/MGCF (Access Gateway Control Function/Media Gateway Control Function) в соответствии с архитектурой IMS, а значит, решение PES на основе сервера вызовов преобразуется в решение PES на базе IMS. При этом весь спектр услуг предоставляется при помощи IMS. Выбор данного пути зависит от прогресса стандартизации в TISPAN и реальных требований рынка.
Сценарий В. Сеть трансформируется на базе решения PES на основе IMS с самого начала. Однако в настоящее время спецификации TISPAN R1 определяют логику только 14 дополнительных видов обслуживания для ТфОП. Следовательно, реализация данного решения будет сопряжена с серьезными ограничениями в обслуживании абонентов, если не использовать частные протоколы. В случае применения данного решения на практике его усовершенствование займет длительное время. Кроме того, данный сценарий может потребовать значительных инвестиций и массивной замены оборудования в ограниченное время.
Выбор этих двух сценариев эволюции зависит от реальных требований операторов и специфики использования существующей сети. С точки зрения минимизации затрат внедрение решения PES на основе сервера вызовов, очевидно, является наилучшим для большинства традиционных операторов. Когда же решение PES на основе IMS станет достаточно зрелым, можно будет модернизировать программное обеспечение для полного перехода к этому решению.
Одной из основных проблем на пути перехода к сетям следующих поколений является развертывание подсистем IMS, которые способны будут управлять процедурами оказания телекоммуникационных и инфокоммуникационных услуг на базе технологии мультимедиа. Представляется, что успешное решение этой проблемы явится решающим вкладом на пути взаимодополняющего развития сетей подвижной и фиксированной связи.
В настоящее время архитектура IMS рассматривается многими операторами и сервис-провайдерами, а также поставщиками оборудования как возможное решение для построения сетей следующего поколения и как основа конвергенции сетей подвижной связи и стационарных сетей на платформе IP.
Вместе с тем следует отметить, что одно из основных положений концепции NGN, а именно, отделение функций управления вызовами и сессиями от функций транспорта не была своевременно поддержана соответствующим набором стандартов и спецификаций.
Это привело к тому, что основные сетевые элементы, способные реализовать функциональные элементы архитектуры NGN, поставляемые различными производителями, оказались несовместимыми между собой как по интерфейсам, так и по своим функциям. Именно это определило активность международных организаций (в первую очередь ETSI и 3GPP), которые начали разработку новых принципов построения и стандартов сетей подвижной связи 3G, основываясь на уровневой архитектуре NGN.
Изначально IMS была разработана в 3GPP как функциональная архитектура управления услугами в сетях связи следующих поколений. Эта архитектура была разработана с целью обеспечить возможность для операторов связи оказывать пользователям широкий диапазон мультимедийных услуг на базе технологии коммутации пакетов и предоставлять их в реальном времени, отслеживать процедуры оказания услуг как путем традиционного сбора информации о длительности времени оказания услуги, так и сбора информации о профиле оказанной услуги и количестве переданных пакетов.
Подсистема IMS имеет структуру, ориентированную на введение и оказание как основных, так и расширенных услуг связи, в частности: Voice Call Continuity (VCC); передача сообщений на базе технологии мультимедиа; web интеграция (chat text, shared online whiteboards и др.); Push to talk over Cellular (PoC). Операторы связи ожидают, что введение IMS сократит CapEx и OpEx посредством использования конвергентной магистральной IP сети и открытой архитектуры IMS:

• 
  архитектура IMS определяет множество общих компонент (например, для управления вызовом и хранения конфигурации профиля услуг), как следствие, потребуется меньше усилий для создания новых услуг, поскольку платформа IMS может многократно использоваться для этих целей;
  
• 
  использование стандартных интерфейсов должно увеличить конкуренцию между поставщиками оборудования, что снимет опасность для операторов связи попасть в зависимость от оборудования конкретного поставщика, которое поддерживает только собственные закрытые интерфейсы.
  

Как следствие, развертывание оборудования платформы IMS должно обеспечить более быстрое и дешевое введение новых услуг связи по сравнению с традиционными монолитными конструкциями телефонных услуг.
Технологии NGN открывают перед операторами связи новые способы эффективной передачи трафика, подключения и обслуживания клиентов (пользователей, поставщиков услуг, поставщиков контента и др.), взаимодействия поставщиков сервиса. Формирование инфокоммуникационной кооперации, обладающей огромным потенциалом, обусловливает завершение этапа развития телекоммуникаций, при котором оператор связи играет ключевую роль (строит сеть, наполняет услугами и обслуживает пользователей только оператор связи). Процесс конвергенции (сближения) сетевых технологий затрагивает как фиксированные, так и подвижные сети связи, в частности:

• 
  При оказании услуг фиксированной и подвижной связи в перспективе будут использоваться опорные и транзитные сети, построенные на базе единой технологии, базирующейся на протоколе IP.
  
• 
  В сетях фиксированной связи все шире применяются средства и технологии беспроводного широкополосного доступа (в частности, WiFi, WiMAX), что постепенно превращает их в сети подвижной связи
  
• 
  Сети подвижной связи модернизируются (согласно концепции NGN) путем перехода на IP технологию в процессе внутри сетевой конвергенции при поддержке услуг и приложений, задействуемых при обслуживании клиентской базы
  
• 
  Введение многомодовых (например, GSM/UMTS/WiFi) терминалов пользователя, обеспечение бесшовного хэндовера, а также конвергенция приложений, поддерживаемых в фиксированных и подвижных сетях, стирает границы между соответствующими системами связи в процессе межсетевой конвергенции (FMC)
  

Основные положения концепции NGN находят свое практическое отражение в международных стандартах и спецификациях, которые разрабатываются на оборудование подсистемы IMS, ориентируемой на поддержку множества различного рода инфокоммуникационных мультимедийных услуг на базе протокола IPv6. Процесс межсетевой конвергенции в сочетании с развертыванием платформ IMS обуславливает тесное взаимодействие (работу в кооперации) разных сторон, представленных в бизнес-модели оказания инфокоммуникационных мультимедийных услуг. Процесс конвергенции фиксированной и подвижной связи обусловливает разработку и внедрение новых принципов биллинга, предоставляющих пользователю возможности выбора в реальном времени оптимального тарифа в любом месте для любой услуги, что в свою очередь окажет влияние на конкуренцию между поставщиками сервиса. В процессе внедрения технологий NGN неизбежно увеличится количество сервисов на базе единой транспортной инфраструктуры, что предоставит возможность пользователям не думать о сетевых особенностях, а сосредоточиться на выборе между сервисами с различными характеристиками качества и соответствующими тарифами.
Основные инновации в сетевых подсистемах подвижной связи на этапе продвижении их в состав сетей NGN связаны с переходом на IP технологию в CS-сегментах опорных сетей, а также с созданием мультисервисных междугородных (транзитных) сетей, способных поддержать взаимодействие опорных сетей (CS- и PS- сегментов) при оказании пользователям услуг NGN. При переводе на IP технологию CS -сегментов опорных сетей возникает ряд проблем, связанных с размещением конвергентного оборудования по территории страны и соответствия разных вариантов размещения существующей нормативной базе. При решении проблем, связанных с взаимодействием конвергентных опорных сетей отдельных операторов связи, возникает ряд задач, относящихся к стратегии и тактике модернизации существующих междугородных сетей.
Считается, что по мере расширения и усложнения рынка подвижной связи растут запросы пользователей на услуги подвижной связи. Ожидается, что разветвленные и комплексные услуги потребуют совершенно иных характеристик трафика и уровней качества услуг сравнительно с трафиком речи или текста систем 3G. Будущие технологии подвижной связи должны предоставлять разветвленные услуги с разнообразными параметрами трафика, обеспечиваемыми независимо от технологии радиоинтерфейса. В настоящее время установлено, что самым эффективным решением для радиоинтерфейса, обеспечивающим мобильному пользователю доступ к услугам, сравнимым с услугами, предоставляемыми проводными сетями, является полный переход на технологию IP как универсального метода передачи всех видов трафика и приложений. Только переход на технологию IP всех элементов систем подвижной связи позволяет организовать в будущем их глобальное взаимодействие.
Между тем именно сети радиодоступа в силу физических ограничений радиоканалов являются основным фактором, определяющим возможности обеспечения мобильного радиодоступа к услугам NGN, так как опорные сети не имеют принципиальных ограничений ни на скорости передачи данных, ни на возможности доступа пользователей к любым видам услуг. Более того, уже существующие IP сети в принципе готовы к переводу на них всех видов трафика - пакетного речевого и данных, и решающим условием успешной реализации NGN является выработка решений, определяющих организацию и использование сетей радиодоступа.
На основе опыта перехода от 2G (GSM) к 3G (UMTS) можно ожидать, что будущие системы радиодоступа позволят реализовать существенно более высокие скорости пользовательского трафика, чем имеются в настоящее время. Однако при этом следует иметь в виду, что для быстро движущегося пользователя эти скорости всегда будут меньше скоростей, доступных для неподвижного пользователя. В связи с этим будущие сети радиодоступа должны быть оптимизированы применительно к разным конкретным категориям пользователей (по степени подвижности, скорости передачи, качества услуг QoS и др.).
Вопросы построения сетей мобильного доступа в сетях следующего за 3G поколения систем подвижной связи (NGN) рассматриваются в двух международных организациях - МСЭ-Р и 3GPP пока на уровне постановки задачи и определения основных требований как к опорным сетям, так и к сетям радиодоступа. Возрастающая конкуренция на рынке услуг подвижной связи еще более обострится при развертывании систем 3G и внедрении в фиксированных сетях ресурсов радиодоступа 4G/5G. Неизбежное расширение бизнес-моделей, связанных с оказанием услуг подвижной связи, обусловит появление относительно свободных ниш для альтернативных участников.
Одной из таких ниш становится ниша виртуальных операторов подвижной связи (MVNO). Операторы подвижных сетей 2G+/3G, имея избыток сетевых ресурсов, могут предоставлять его часть операторам MVNO по схемам аутсорсинга и франчайзинга. Это снимет противоречие между наличием у операторов подвижных сетей избытка сетевых ресурсов и недостаточной заинтересованности в ведении собственного бизнеса и, в частности, в сфере оказания услуг IMS.
В зависимости от оснащенности виртуального оператора сетевыми ресурсами целесообразно различать три уровня проникновения в сферу оказания услуг подвижной связи, а именно:управление бизнес-процессом (арендуется часть ресурсов всей сетевой инфраструктуры базового оператора); управление бизнес-процессом и управление услугами (арендуется часть ресурсов опорной сети и сети радиодоступа базового оператора); управление бизнес-процессом, услугами и опорной сетью (арендуется часть ресурсов сети радиодоступа базового оператора).
Применение технологии MVNO позволяет обеспечить:снижение рисков для традиционных операторов связи на пути продвижения в направлении оказания услуг IMS за счет расширения соответствующих бизнес-моделей; привлечение на рынок оказания услуг IMS дополнительных участников, что повысит конкуренцию и, как следствие, приведет к снижению тарифов на услуги подвижной связи. Рассмотрена новая концепция построения сетей связи – IMS (IP Multimedia Subsystem).
Несмотря на постоянно растущую сложность телекоммуникационных устройств и систем, протоколов и приложений, работы в направлении создания универсальной сетевой инфраструктуры продолжаются, проходя последовательно этапы узкополосных цифровых сетей интегрального обслуживания (сетей ISDN), широкополосных сетей ISDN (B-ISDN), сетей следующего поколения (ССП). Наконец, создание концепции IMS – мультимедийной IP-ориентированной подсистемы связи, – по мнению разработчиков оборудования, операторов и организаций стандартизации, открывает путь к построению такой универсальной сетевой инфраструктуры.