Технология VoLTE
VoLTE (по англ. Voice over LTE — голос по LTE) — технология передачи голоса по сети LTE, основанная на IP Multimedia Subsystem (IMS). Позволяет предоставлять голосовые услуги и доставлять их как поток данных по сети LTE. В сетях VoLTE (в отличии от публичной сети Интернет, характеризуемой значительными задержками, джитером, потерей пакетов и нарушением порядка их следования) нижележащие транспортный уровень и уровень доступа обеспечивают необходимый уровень качества услуги (QoS) до пользовательского терминала (end-to-end).
При установке (либо модификации) SIP сессии через IMS абонентский терминал (UE) согласовывает свои возможности (capabilities) и запрашивает необходимый уровень QoS, включая тип доступа (media type), битовую скорость, размер пакетов и пр. Эта информация перенаправляется IMS в PCRF, который формирует соответствующие PCC политики (включая требуемую полосу, класс качества, IP фильтры) и транслирует их в P-GW/PCEF. Последний выполняет необходимые действия для установления выделенного потока (dedicated EPS bearer) с требуемыми параметрами качества в рамках существующего пакетного соединения.
Посредством PCRF IMS имеет возможность управлять утилизацией виртуального соединения (EPS bearer), предназначенного для media трафика. Это требует взаимодействия между IP CAN и IMS. Данное взаимодействие разделено на три категории (3GPP TS 22.228, 23.203, 23.228):
На рисунке ниже приведена сетевая модель предоставления услуг VoLTE.
Взаимодействие с другими сетями
Очевидно, что IMS системы не могут едино-моментно вытеснить существующие платформы и сервисы. При этом пользователь IMS должен иметь возможность взаимодействовать с пользователями прочих платформ и архитектур (голосовая связь, видео, SMS и пр.). Поэтому IMS поддерживает взаимодействие с PSTN, ISDN и пр. Кроме того, возможно взаимодействие с не 3GPP Internet приложениями (3GPP TS 22.228).
Тарификация
IMS архитектура допускает использование различных тарифных моделей, основываясь в т.ч. на задействованных транспортных ресурсах, используемых медиа компонентах (audio, video) и т.д. Кроме того, IMS архитектура предполагает обмен информацией о тарификации между различными IMS сетями.
Ожидаемые коммерческие соглашения о тарификации на коммерческих сетях:
Возможности терминалов для поддержки VoLTE (UE RA Capabilities)
Абонентский терминал (UE) сигнализирует сети о поддерживаемом функционале посредством поля FGI (feature group indicators) – в соответствии с 3GPP TS 36.331. За поддержку каждой функции (возможности) отвечает свой бит в FGI:
Установка PDN связанности
Для получения услуг VoLTE абонентский терминал должен установить пакетное (PDN) соединение через «ims» точку доступа (Access Point Name – APN). В типовой схеме взаимодействия – это дополнительное пакетное (PDN) соединение по отношению к соединению через «internet» точку доступа, используемому для передачи данных и выхода в сеть Интернет. При установлении соединения абонентскому терминалу пакетным шлюзом (P-GW) назначается IP адрес в соответствии с профилем абонента в HSS (IPv4/IPv6/оба, динамический/статический адрес). Дополнительно, в соответствии с запросом от абонентского терминала (UE), через опции конфигурации протокола (protocol configuration options – PCO) P-GW может сообщить абонентскому терминалу (UE) адрес (или список адресов) P-CSCF соответствующего IMS домена.
В качестве механизма аутентификации используется EPS authentication and key agreement (AKA). После аутентификации создаются две ассоциации безопасности (Security Association) – на уровне NAS (NAS Security Association) между абонентским терминалом (UE) и MME, а также на уровне AS (AS Security Association) между абонентским терминалом (UE) и базовой станцией (eNodeB). Первая ассоциация используется для шифрования и контроля целостности сигнальных сообщений NAS, вторая – для шифрования и контроля целостности сигнальных сообщений RRC, а также пользовательского трафика. Таким образом, обеспечивается безопасное IP соединение для передачи VoLTE трафика.
В процессе установления пакетного (PDN) соединения создается дефолтное виртуальное соединение (default EPS bearer), которое используется для переноса IMS сигнализации. Поток создается либо с QoS параметрами, определенными профилем абонента в HSS (статические политики), либо в соответствии с политиками, полученными от PCRF (динамические политики). В последнем случае P-GW устанавливает сессию с PCRF через Gx интерфейс; после чего PCRF формирует политики на основании APN и/или абонентских данных, полученных из абонентского репозитория (subscription profile repository – SPR). В таблице ниже приведен пример контекста пакетного подключения абонентского профиля в HSS.
Voice over LTE (VoLTE)
Кратко об IMS
IMS (IP Multimedia Subsystem) – спецификация передачи мультимедийного содержимого в сетях электросвязи на основе протокола IP. Ее авторство принадлежит международному партнерству 3-d Generation Partnership Project (3GPP), объединившему European Telecommunications Standardization Institute (ETSI) и несколько национальных организаций стандартизации. IMS изначально разрабатывалась применительно к построению мобильных сетей 3-го поколения на базе протокола IP. В дальнейшем концепция была принята комитетом ETSI-TISPAN, усилия которого были направлены на спецификацию протоколов и интерфейсов, необходимых для поддержки и реализации широкого спектра услуг в стационарных сетях с использованием стека протоколов IP.
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 мобильных и стационарных сетей на платформе IP.
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.
В Табл. 1 приведен перечень всех интерфейсов подсистемы IMS (включая интерфейсы взаимодействия с сетью доступа LTE), а на Рис. 1 показана общая архитектура сети.
Наименование
Объекты
Протокол
LTE user/control plane
CGF – billing system
Рис.1 (архитектура сети IMS):
Рассмотрим базовые элементы более подробно.
1. Call Session Control Function (CSCF) – функция управления сеансом связи
Существуют 4 различных типа CSCF – прокси CSCF (proxy CSCF – P-CSCF), обслуживающий CSCF (serving CSCF – S-CSCF), запрашивающий CSCF (interrogating CSCF – I-CSCF) и CSCF экстренных служб (emergency CSCF – E-CSCF).
Каждый CSCF выполняет свои специализированные задачи. Общая их роль заключается в участии в процессах регистрации абонентского терминала в сети, установления сессии и обеспечении механизм SIP маршрутизации.
Кроме того, все CSCF могут генерировать тарификационные данные и направлять их в функции offline тарификации.
a) Proxy Call Session Control Function (P-CSCF)
P-CSCF – является точкой входа пользователей в IMS. Весь сигнальный IMS трафик абонентский терминал (UE) направляет на P-CSCF. Аналогично весь сигнальный трафик, генерируемый сетью в направлении к UE – посылается через P-CSCF.
Существуют 5 уникальных задач, выполняемых P-CSCF:
SIP протокол является текстовым протоколом и включает большое кол-во заголовков, параметров, расширений и т.д. Учитывая текстовую основу протокола, размер SIP сообщений существенно превышает размер сообщений бинарных протоколов. Соответственно, для ускорения процедуры установления сессий необходима обязательная поддержка SIP компрессии между UE и P-CSCF. Режим компрессии включается P-CSCF в случае если UE индицирует необходимость этого.
Учитывая, что во многих сетях связи абонентские терминалы (UE) располагаются за NAT-ом, который модифицирует на сетевом уровне IP/port информацию всех пакетов, проходящих через него, возникает проблема, обусловленная тем, что классический тип NAT-ирования не принимает во внимание IP информацию на SIP и SDR уровнях. Действительно всеобъемлющий IMS доступ (возможность UE взаимодействовать с P-CSCF независимо от среды доступа) требует, чтобы IP информация в SIP/SDP и user plane соответствовала информации на сетевом (IP) уровне (из публичного пула IP адресации). Для модификации IP на уровне user plane P-CSCF управляет шлюзом сети доступа, который обеспечивает модификацию IP на уровне user plane.
Задача P-CSCF в этом случае – детектирование запроса экстренного вызова и выбор E-CSCF для обработки данного экстренного вызова.
b) Interrogating Call Session Control Function (I-CSCF)
I-CSCF является точкой в сети оператора для всех входящих соединений к абонентам данного оператора. Основная задача, выполняемая I-CSCF – назначение S-CSCF, основываясь на данных, полученных из HSS.
Назначение S-CSCF происходит при регистрации пользователя или в ситуации, когда незарегистрированный пользователь получает SIP request к сервису, относящемуся к незарегистрированному состоянию (например, voice mail).
c) Serving Call Session Control Function (S-CSCF)
S-CSCF является центральной точкой IMS. Он обеспечивает выполнение процедуры регистрации, принятие решение о маршрутизации, управление машиной состояний сессии, хранение профиля пользователя.
Когда пользователь посылает запрос на регистрацию, он в конечном итоге маршрутизируется к S-CSCF, который инициирует процедуру аутентификации и загружает профиль пользователя из HSS. Получив и верифицировав данные, S-CSCF подтверждает регистрацию, после чего пользователь может генерировать и принимать IMS запросы.
S-CSCF использует информацию, содержащуюся в пользовательском профиле, для принятия решения – когда и какую AS подключать при получении от пользователя SIP запроса. Кроме того, пользовательский профиль может содержать инструкции о типе медиа политик, которые S-CSCF должен применить. Например, он может индицировать, что пользователю доступны только аудио компоненты, при этом видео компоненты не доступны.
После получения S-CSCF запроса исходящей (UE-originated) или входящей (UE-terminated) сессии S-CSCF отвечает за принятие решений о его дальнейшей маршрутизации. Например, при получении запроса исходящей сессии (UE-originated) S-CSCF принимает решение – требуется ли ему подключать AS перед дельнейшей маршрутизацией запроса. После взаимодействия с AS S-CSCF либо продолжит сессию в IMS домене, либо переправит ее в другой домен (CS или IMS другого оператора). Если UE использует MSISDN для адресации вызываемой стороны, то S-CSCF преобразует MISISDN в SIP URI формат перед дальнейшей пересылкой, т.к. IMS не маршрутизирует запросы, основываясь на MSISDN номерах. Аналогично S-CSCF принимает все запросы, которые будут терминироваться в UE. Несмотря на то, что S-CSCF знает IP адрес UE (после процедуры регистрации) он маршрутизирует все запросы только через P-CSCF, т.к. P-CSCF может применять политики безопасности доступа.
Дополнительно S-CSCF может послать тарификационную информацию в OCS для обеспечения on-line тарификации.
d) Emergency Call Session Control Function (E-CSCF)
E-CSCF – это выделенная функциональность для обработки экстренных запросов – вызов полиции, пожарной бригады, скорой помощи.
Основная задача E-CSCF – выбрать соответствующий центр экстренных служб (public safety answering point – PSAP), в который должен быть перенаправлен поступивший запрос. Как правило, в качестве критерия выбора PSAP выступает местоположение пользователя и тип вызываемой службы.
2. Серверы приложений (Application Server – AS)
Строго говоря, серверы приложений (Application Server – AS) предоставляют услуги с добавленной стоимостью (value-added multimedia services) и не являются объектами IMS, т.к. располагаются в модели взаимодействия на вышележащем уровне. AS размещаются либо у оператора в домашней сети пользователя, либо у сервисного провайдера. Основные функции AS:
Предоставляемые услуги не ограничиваются только чистыми SIP сервисами. Оператор может предоставлять в т.ч. CAMEL (customized applications for mobile network enhanced logic) и OSA (open service architecture) сервисы для своих IMS абонентов в соответствии с 3GPP TS 23.228.
Таким образом, под AS будем понимать SIP AS, OSA service capability server (SCS) и CAMEL IP multimedia service switching function (IM-SSF).
С точки зрения S-CSCF элементы SIP AS, OSA SCS и IM-SSF представляют собой однотипные модули. Поскольку пользователь может иметь несколько сервисов, то может существовать и несколько AS в профиле каждого пользователя. В одну сессию может быть вовлечен один или несколько AS. Для примера, оператор может иметь одну AS для предоставления голосовых supplementary services (например, услуга переадресации всех входящих голосовых вызовов с 17:00 до 19:00 на голосовую почту) и другую AS для предоставления услуги voice call continuity (handover VoLTE в 2G/3G CS call).
3. Контролер и Процессор мультимедийных ресурсов (Media Resource Function Controller – MRFC, Media Resource Function Processor – MRFP)
4. Функция взаимодействия IMS и домена с коммутацией каналов (CS)
Для направления вызова в домен с коммутацией каналов (CS домен) S-CSCF пересылает SIP запрос к BGCF, который осуществляет выбор соответствующего CS домена. При этом CS домен может быть выбран как на текущем узле (в соответствии с местонахождением пользователя, совершившего вызов), так и в другой сети. Если CS домен выбирается в другой сети – BGCF направляет запрос BGCF данной сети. Далее от BGCF запрос направляется в MGCF. Описанная опция позволяет маршрутизировать сигнальный и медиа поток по сети IMS максимально близко к вызываемому абоненту.
Когда SIP запрос достигает MGCF он выполняет преобразование протоколов (SIP протокол с одной стороны и ISDN user part – ISUP с другой) после чего – посылает конвертированный сообщение в SGW CS домена. SGW выполняет двухстороннее преобразование транспортного уровня сигнализации (SIGTRAN IP/SCTP/MxUA с одной стороны и SS7 MTP с другой стороны). SGW не обрабатывает уровень приложений (application level) сигнализации (ISUP). На Рис. 2 SGW является частью IM-MGW.
MGCF также осуществляет управление IM-MGW. IM-MGW обеспечивает user-plane линк между IMS и CS доменами. Он терминирует TDM каналы CS домена с одной стороны и медиа поток IMS домена с другой; выполняет их преобразование, транскодирование (при необходимости) и обработку пользовательской сигнализации.
В дополнение IM-MGW может генерировать тональные сигналы и анноунсементы пользователям в CS домене.
Сигнализация, относящаяся к входящим вызовам из CS домена (ISUP) в направлении к IMS пользователям направляется в MGCF, где выполняется ее преобразование в SIP запросы, которые далее направляются в I-CSCF для терминирования.
5. Функция взаимодействия с SMS
IP short message gateway (IP-SM-GW) соединяет наиболее распространенную технологию мобильного обмена сообщениями SMS с IMS мессажингом. Когда SMS посылается к IMS пользователю – SMS маршрутизируется по сети сигнализации SS7 к IP-SM-GW, который помещает полученную SMS в качестве контента специального типа в SIP MESSAGE и направляет его в S-CSCF для дальнейшей маршрутизации. Это позволяет доставлять SMS сообщения пользователям, которые зарегистрированы не в 3GPP мобильных IP сетях (Wi-Fi, WiMAX), а также может рассматриваться как альтернатива традиционным методам доставки SMS сообщений (CS, GPRS).
IP-SM-GW также позволяет доставлять SMS в обратном направлении (от абонентов IMS сетей пользователям CS 2G/3G сетей). Когда IMS абонент отправляет SIP сообщение, содержащее SMS как специальный тип контента (special content type), IP-SM-GW извлекает его и направляет в SMS центр (SMSC) для дальнейшей доставки по сетям SS7. Данный тип взаимодействия позволяет предоставлять все существующие SMS услуги (в т.ч. услуги с дополнительной оплатой) абонентам, зарегистрированным в IMS сетях. Эта функциональность называется SMS over IP (3GPP TS 23.204).
Дополнительно IP-SM-GW может поддерживать «родной» (native) сервис взаимодействия между SMS и SIP-based аппликациями. При этом SMS конвертируется в native SIP запрос и со стороны IMS UE не требуется поддержка SMS технологии.
Существует ограничивающий фактор, который нужно принимать во внимание, а именно – размер SIP сообщения (RFC3428) должен быть как минимум на 200 байт меньше MTU (maximum transmission unit). Если IP-SM-GW принимает сцепленное (concatenated) SMS сообщение (группа сообщений стандартной длины, вместе формирующих одно сообщение большой длины) и размер SIP MESSAGE превышает возможный лимит, IP-SM-GW должен использовать сессионный режим (session mode).
Сессионный режим предполагает изначальную установку сессии между IMS UE и IP-SM-GW, для чего IP-SM-GW посылает SIP INVITE. Как только сессия установлена MSRP протокол (message session relay protocol) используется для доставки сообщения IMS UE.
6. Функция взаимодействия между IMS сетями различных операторов связи
Функция взаимодействия между IMS сетями различных операторов связи реализуются посредством функционального модуля управления пограничным взаимодействием (Interconnection Border Control Function – IBCF) и транзитного шлюза (Transition Gateway – TrGW). Решаются следующие задачи:
7. Шлюз доступа IMS (IMS-AGW – Access Gateway)
Для решения данной задачи P-CSCF содержит функционал SIP ALG (application level gateway), который обеспечивает управление IMS-AGW. SIP INVITE запрос от UE с приватным IP адресом достигает P-CSCF, функционал ALG которого назначает публичный IP адрес, привязывает его к SIP сессии, выполняет NAT-ирование (замену приватных IP адресов на всех протокольных уровнях, включая IP, SIP, SDP), осуществляет его дальнейшую маршрутизацию и информирует шлюз доступа о созданной связке. При поступлении медиа потока между двумя абонентскими терминалами (UE) шлюз доступа будет осуществлять NAT-ирование RTP пакетов в/из публичного/частного адресного пространств.
8. Шлюз безопасности (Security Gateway – SEG)
Шлюз безопасности размещается на границе доменной зоны оператора и обеспечивает его защиту. Весь междоменный трафик должен в обязательном порядке проходить через SEG. SEG обеспечивает конфиденциальность, контроль целостности данных (data integrity) и аутентификацию в соответствии с 3GPP TS 33.203.
LRF ассистирует E-CSCF в обработке IMS экстренных вызовов путем предоставления информации о местоположении абонентского терминала (UE), инициировавшего экстренный вызов, которая используется для выбора экстренной службы (PSAP), куда сессия должна быть перенаправлена. Для получения информации о местонахождении пользователя LRF может иметь встроенный location server или иметь функционал GMLC (gateway mobile location center) – интерфейс к внешнему location server.
Для выбора соответствующего PSAP – LRF может содержать функцию RDF (routing determination function), которая используется для выбора адреса PSAP на основании информации о местоположении пользователя.
LRF может обеспечивать поддержку и других локальных регуляторных параметров, таких как emergency service routing number, location number, PSAP SIP URI, PSAP TEL URI.
10. Расширенный мобильный центр коммутации – Enhanced MSC Server (eMSS)
eMSS представляет из себя MSC сетей 2G/3G, который обладает функциональностью P-CSCF в направлении IMS.
При регистрации пользователя в сети 2G/3G eMSS выполняет от имени пользователя регистрацию в IMS домене, что позволяет пользователю CS сети, не имеющему доступа в пакетную сеть, получить доступ к IMS услугам.
Когда пользователь совершает исходящий CS вызов (mobile originating call) eMSS конвертирует legacy CS вызов в запрос IMS сессии и направляет его на IMS систему. Аналогично, когда кто-либо совершает вызов к пользователю, обслуживаемому eMSS, входящий вызов (mobile terminating call) маршрутизируется на IMS платформу, выполняющую установленную процедуру управления входящим вызовом, включая HSS interrogation, и переправляющую SIP запрос на eMSS, который в свою очередь конвертирует протокол управления IMS сессией в протокол управления CS вызовом.
eMSS позволяет предоставлять услугу, действительно независимую от типа доступа (CS, IP-CAN, legacy), поскольку предоставление услуги всегда обеспечивается IMS платформой. Это обеспечивает возможность пользователям мигрировать из 2G/3G CS сетей в IMS и обратно.
11. Функция управления шлюзом доступа – Access Gateway Control Function (AGCF)
AGCF – представляет из себя точку входа для пользователей PSTN/ISDN сетей (аналоговые и ISDN телефоны). Он выполняет следующие функции:
С точки зрения IMS платформы AGCF выглядит как P-CSCF и обеспечивает соответствующий функционал (управление процедурой SIP регистрации и пр.).
12. Функции тарификации
Необходимая для тарификации информация собирается функциями тарификации различных модулей IMS из SIP запроса. При этом возможна online тарификация (в этом случае функция тарификации запрашивает разрешение у биллинговой системы на обработку SIP запроса) и offline тарификация (в этом случае функция тарификации всегда позволяет обработку SIP запроса, отправляя собранную тарификационную информацию в биллинговую систему для формирования CDR записей).
В зависимости от конфигурации IMS возможны различные схемы тарификации различных сервисов. При этом управление логикой тарификации осуществляется на основе срабатывания тех или иных триггеров. Триггерами могут быть:
Функции тарификации всех IMS модулей, а также модулей доступа могут взаимодействовать с offline модулем тарификации (offline charging entity – CDF), используя diameter-based Rf интерфейс (3GPP TS 32.299).
На основе информации, полученной из функциональных блоков тарификации всех IMS модулей, CDF создает CDR записи, которые переправляются в шлюз тарификации (charging gateway function – CGF) через Ga интерфейс (3GPP TS 32.295). Далее CGF обрабатывает полученные CDR и переправляет их в биллинговую систему используя Bх интерфейс (3GPP TS 32.240).
Prepaid сервисам необходима online тарификация. Это означает, что IMS сеть должна запрашивать OCS перед авторизацией пользователя на использование того или иного сервиса. OCS ответственен за контроль в реальном времени счета пользователя, авторизацию пользователя на использование сервиса и списание баланса со счета пользователя за полученные услуги. Только три IMS модуля (S-CSCF, AS, MRFC) взаимодействуют с OCS, используя интерфейс Ro. Кроме IMS модулей с OCS могут взаимодействовать не IMS модули. В частности, SGSN использует CAMEL application part (CAP). В дополнении к credit control (тарификация в on-line) OCS может создавать CDR записи подобно CGF.
13. Функция домашнего сервера местоположения (Home Subscriber Server – HSS)
HSS является хранилищем абонентских данных и данных, связанных с услугами. Он содержит функциональность центра аутентификации (AUC), LTE функциональность (SAE-HSS), GSM/UMTS функциональность (HLR), IMS функциональность (IMS-HSS), функциональность репозитория данных для управления тарификацией и политиками качества (SPR). Также HSS может использоваться для хранения данных серверов приложений (AS).
PCRF отвечает за формирование политик качества и управление тарификацией, основываясь на сессионной информации, полученной из P-CSCF.
Установление сессии в IMS обеспечивается обменом сигнальными сообщениями, используя SIP и SDP, включая согласование медиа характеристик (кодеков, IP адресов, номеров портов). Если оператор использует на своей сети PCRF, P-CSCF переправляет ему необходимую SDP информацию, на основании которой он создает политики и правила тарификации, а также авторизует IP потоки соответствующих медиа компонентов, мапируя данные SDP на IP QoS параметры для шлюза сети доступа, например, P-GW/PCEF.
Основываясь на доступной информации, PCRF применяет сформированные PCC политики и правила тарификации на шлюзе сети доступа (P-GW/PCEF), создает и модифицирует виртуальные соединения для переноса медиа-трафика (EPS bearer). В дополнение, PCRF принимает события с транспортного уровня, например, при потере радио-соединения, информируя об этих событиях P-CSCF, который в использует полученную информацию при формировании тарификационных данных и закрытии IMS сессии от имени пользователя.
Кроме того, PCRF может использоваться для обмена тарификационными идентификаторами, которые позволяют оператору коррелировать CDR, сгенерированные сетью доступа и сетью IMS; доставлять в сеть доступа метод тарификации (длительность, объем, оба); информацию rating group; команды активации on-line / off-line тарификации; адреса on-line / off-line систем тарификации; требуемый уровень отчетности, базирующийся на сервисе и rating-group.
