IMS技術(shù)的發(fā)展及創(chuàng)新

　
　　3G發(fā)展簡介

目前業(yè)界有三種3G標(biāo)準(zhǔn)：以GSM為基礎(chǔ)發(fā)展起來的3GPP（ThirdGenerationProject）WCDMA標(biāo)準(zhǔn)；以CDMA為基礎(chǔ)發(fā)展起來的3GPP2（Third Generation Project2）CDMA2000標(biāo)準(zhǔn)以及TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)。

3G/IMS標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展歷程如表達(dá)式所示。

表1 3G/IMS標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展歷程

 
　　本文以WCDMA標(biāo)準(zhǔn)為藍(lán)本，探討IMS時代計費系統(tǒng)的建設(shè)。

IMS概述

IMS（IPMultimediaSubsystem，IP多媒體子系統(tǒng)）在3GPPR5版本中首次定義，是基于IP技術(shù)、SIP融合語音、數(shù)據(jù)、移動、Internet的體系，IMS的目標(biāo)是融合Internet和移動通信網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)然，現(xiàn)在國際上對IMS需求更迫切的是擁有3G牌照的傳統(tǒng)固網(wǎng)運營商（固定移動融合）。

1．IMS主要特點：

（1）接入無關(guān)性

由于IMS采用SIP（SessionInitiationProtocol）作為最基本的會話信令控制協(xié)議，使得IMS具有與接入無關(guān)性、開放性、統(tǒng)一控制等特點。

（2）信令平面和媒體平面進(jìn)一步分離

 
圖1 IMS框架結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示，傳輸服務(wù)運行在IMS的信令層（CSCF等）、承載服務(wù)運行在承載層（SGSN和GGSN）。這樣做的好處：可最小化各層之間的依賴性；方便新的接入網(wǎng)接入；接入的無關(guān)性，一種應(yīng)用可以通過多種接入類型在UE（用戶終端）上運行。

（3）IMS對現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)是融合并存不是替代

可以通過SGW（信令網(wǎng)關(guān)）與CS（電路域）網(wǎng)絡(luò)接入，通過MGW（媒體網(wǎng)關(guān)）與WLAN、ADSL等接入。

2．IMS的主要實體

IMS實體分為六種主要類型（見圖2）：會話管理和路由類（CSCF、GGSN、SGSN）、數(shù)據(jù)庫（HSS、SLF）、網(wǎng)間配合元素（BGCF、MGCF、IM-MGW、SGW）、服務(wù)（應(yīng)用服務(wù)器AS、MRF-C、MRF-P）、策略支撐實體（PDF）和計費。

對運營支撐來說這六類實體最需要關(guān)注的是數(shù)據(jù)庫實體（HSS、SLF）、策略支撐實體（PDF）和計費實體。

圖2 IMS的體系結(jié)構(gòu)示意圖

3．HSS-HomeSubscriberServer，歸屬用戶服務(wù)器

（1）由2G的歸屬位置寄存器（HLR）演化而來，存放用戶身份、注冊信息、接入?yún)��?shù)和服務(wù)觸發(fā)信息

（2）用戶身份包含兩個部分：私人身份和公共身份

私人身份：由歸屬域運營商分配，并用于注冊、鑒權(quán)，相當(dāng)2GIMSI。

公共身份：其他用戶用它來和該用戶通信，相當(dāng)于MSISDN，手機號。

　�。�3）接入?yún)��?shù)：用于建立會話，包括用戶鑒權(quán)、漫游鑒權(quán)、已分配的S-CSCF名、和觸發(fā)服務(wù)信息。

（4）IMS接入?yún)��?shù)用于會話建立（用戶認(rèn)證、漫游授權(quán)、分配S-CSCF的名字等）

（5）服務(wù)觸發(fā)信息:SIP的服務(wù)觸發(fā)信息。

（6）HSS提供各個用戶對S-CSCF能力方面的特定要求，被I-CSCF挑選最合適的S-CSCF。

4．PDF（PolicyDecisionFunction）

（1）PDF負(fù)責(zé)實現(xiàn)基于服務(wù)的本地策略（SBLP）控制，根據(jù)從P-CSCF處獲得的會話和媒體信息來制定策略；

（2）在3GPPR5中，PDF是P-CSCF的一個邏輯實體，R6中PDF是一個獨立的功能，分離后的PDF與P-CSCF間為基于Diameter協(xié)議的Gq接口、PDF與GGSN間為基于COPS協(xié)議的GO接口；

（3）存儲會話和媒體相關(guān)信息（IP地址、端口號、帶寬等）；

（4）生產(chǎn)授權(quán)令牌用于標(biāo)識PDF和會話；

（5）在收到一個來自GGSN的承載授權(quán)請求時，根據(jù)相關(guān)信息提供授權(quán)決策；

（6）在會話變更過程修改會話及媒體信息時，更新相應(yīng)的授權(quán)決策；

（7）有任何時刻強制廢除授權(quán)決策的能力；

（8）有啟動/禁止已授權(quán)的承載的能力；

（9）當(dāng)承載從0KBIT/S上升、或下降到0KBIT/S給P-CSCF發(fā)更改通知；

（10）在GO接口進(jìn)行ICID（IMS計費標(biāo)識）、GCID（流計費標(biāo)識）的關(guān)聯(lián)。

IMS對運營支撐系統(tǒng)的影響

1．計費關(guān)聯(lián)

計費關(guān)聯(lián)并不是IMS時代的產(chǎn)物，在2G和2.5G時代就已經(jīng)存在。例如，MMS（彩信業(yè)務(wù)）使用計次的事件計費方式，而流量計費（BCF）從GGSN中采集的是客戶所發(fā)生的所有流量（GGSN并不能分辨是哪類業(yè)務(wù)發(fā)生的流量，這之中已經(jīng)包含了MMS的流量），從精確計費的角度，必須核減去MMS流量，否則就會產(chǎn)生重復(fù)計費，也就產(chǎn)生了計費關(guān)聯(lián)。

在IMS時代計費關(guān)聯(lián)既普遍又復(fù)雜。IMS核心網(wǎng)的特點是控制層和用戶層的分離，IMS會話管理實體（CSCF）并不了解IP連接實體（GGSN等）的業(yè)務(wù)流量，而IP連接實體也不了解IMS的會話狀態(tài)。這就需要PDF和PEP（PolicyEnforcementPoint）來實現(xiàn)計費信息的交互。

使用IMS的計費標(biāo)志符（ICID）和GPRS的計費標(biāo)志符（GCID）的交換可以實現(xiàn)IMS和GPRS之間的計費關(guān)聯(lián)。

圖3 IMS（R5版本）計費關(guān)聯(lián)過程示意圖

　　IMS（R5版本）計費關(guān)聯(lián)過程如圖3所示。

（1）UE（用戶終端）向P-CSCF發(fā)送SIP信令。

（2）P-CSCF接受初始INVITE，通過HASH計算得到全球惟一的ICID（IMS計費標(biāo)識），向PDF轉(zhuǎn)發(fā)相關(guān)的SDP（會話描述協(xié)議）信息，并指出會話的發(fā)起者。P-CSCF從PDF獲得授權(quán)令牌（Token）。

（3）PDF對IP流進(jìn)行記錄（包括流標(biāo)識符（GCID）、數(shù)據(jù)速率、QoS類別等）并授權(quán)。通過SDP參數(shù)映射到所授權(quán)的IPQoS參數(shù)而實現(xiàn)，并通過GO接口（COPS協(xié)議）傳送到GGSN。

（4）UE為承載資源進(jìn)行PDP上下報文的激活或更改時，必須執(zhí)行將SDP參數(shù)映射到UMTSQoS參數(shù)，作為PDP上下報文context中的QoSProfile的內(nèi)容。PDP的激活或更改還包括：PDF分配的授權(quán)令牌和流標(biāo)識符（GCID用作綁定信息）。

（5）收到UE的PDP上下報文激活或更改請求，GGSN向PDF申請授權(quán)信息。PDF比較收到的綁定信息和分配的授權(quán)信息，并返回授權(quán)決策。如果綁定信息被驗證是正確的，PDF將承載授權(quán)的信息告知GGSN，包括：與PDP上下報文相關(guān)的IPQoS和分組分類器。

（6）GGSN將授權(quán)的IPQoS映射為UMTSQoS，GGSN將此UMTSQoS與UEPDP上下報文激活或更改所請求的QoS進(jìn)行比較，如果在PDF的授權(quán)范圍內(nèi)則PDP上下報文激活或更改被接受。

（7）IMS允許所建立的會話包含不同的媒體成分（例如：音頻和視頻），為了計費的目的所有媒體成分必須是唯一標(biāo)識的，并且對于會話中的每個媒體成分進(jìn)行單獨計費。然而R5中的GGSN只能為PDP上下報文產(chǎn)生一個G-CDR，在一個PDP上下報文下不能區(qū)分不同媒體成分的業(yè)務(wù)流。

（8）在授權(quán)期間，PDF將ICID（IMSChargingID）傳給GGSN，GGSN將GCID（GPRSChargingID）傳給PDF，通過GO接口交換ICIC和GCID計費標(biāo)識符，實現(xiàn)計費關(guān)聯(lián)功能（ChargingCorrelation）。把IMS會話層的計費信息和承載使用的計費信息綁定在一起。

上面的承載控制和計費控制是針對于GPRS/UMTS分組域特有的PDP上下報文Context，這種機制不適用于其它的接入網(wǎng)絡(luò)。

2．IMS的計費模式

IMS體系既支持在線計費（OCS）、也支持離線計費（OFFLINE），OCS是指IMS實體（應(yīng)用服務(wù)器（AS）、CSCF和GGSN等）與在線計費系統(tǒng)實時交互的過程，在此過程中OCS與用戶賬戶實時交互，并控制或監(jiān)控與服務(wù)有關(guān)的費用。離線計費主要在會話完成后收集計費信息，系統(tǒng)不能實時影響所使用服務(wù)的過程。針對不同的業(yè)務(wù)和客戶群這兩種計費模式將長期存在。

圖4左邊為離線計費系統(tǒng)、右邊為在線計費系統(tǒng)。

 
圖4 IMS的計費模式示意圖

（1）離線計費

離線計費體系的核心是計費采集功能（CCF）和計費網(wǎng)關(guān)功能（CGF）。

計費采集功能（CCF）
　　CCF通過DIAMETER協(xié)議接收來自IMS實體的計費信息，并對這些信息進(jìn)行預(yù)處理（關(guān)聯(lián)、合并和過濾不必要的話單，并將運營商的專有信息加到接收到的計費信息之中），構(gòu)建實際的CDR并編排格式，將CDR通過文本的形式傳遞給計費系統(tǒng)，CCF具備CDR緩存功能。

計費網(wǎng)關(guān)功能（CGF）
　　CGF與CCF的功能相同，只是CGF僅從SGSN和GGSN接收有效的CDR。

BILLING系統(tǒng)
　　負(fù)責(zé)話單批價、賬務(wù)處理和賬務(wù)管理，在IMS時代最復(fù)雜的就是計費關(guān)聯(lián)和核減計費。由于IMS的計費既支持事件計費，又支持會話計費和流量承載計費，在業(yè)務(wù)眾多的情況下，核減計費的工作量特別大。

在IMS時代實現(xiàn)精確計費的代價非常大。由于不同的實體（如GGSN與SGSN）PDP（PacketDataProtocol）激活開始時間不盡相同（差距能達(dá)到毫秒級，甚至1秒），在收發(fā)流量時不同的實體會存在流量差異（最大可達(dá)數(shù)百字節(jié)）。另外終端加密、重復(fù)收費等都給精確計費帶來了極大的難度。

在線計費系統(tǒng)（OCS）
　　在線收費的類型有兩種：立即收費（IEC）和單元預(yù)留收費（ECUR）。

對于事件計費中能定義清楚每次事件費率（如點一首歌，收費2元）的計費場景，通常采用IEC類型，從用戶賬號中扣減存款單元，然后授權(quán)MRFC（媒體資源功能控制器）、AS向用戶提供業(yè)務(wù)。

對會話、流量等計費通常采用單元預(yù)留收費（ECUR），一次從用戶賬戶中預(yù)扣一定的金額，授權(quán)MRFC（媒體資源功能控制器）、AS向用戶提供業(yè)務(wù)，本次金額用完，通話還在繼續(xù)，將再預(yù)扣一次。通話結(jié)束后，預(yù)留但沒有使用完的金額實時返回客戶賬戶。

OCS包括：ECF（事件計費）、SCF（會話計費）、BCF（承載計費）等計費類型。AS與MGFC通過RO（DIAMETER協(xié)議）接口向ECF發(fā)計費請求（ACR），ECF從用戶賬戶扣除相應(yīng)的費用，然后批準(zhǔn)ACR,發(fā)出計費應(yīng)答（ACA）。

SCF通過ISC（SIP協(xié)議）接口從S-CSCF接收到的請求進(jìn)行計費，首先檢查用戶賬戶，預(yù)留一定的費用后，發(fā)計費應(yīng)答（ACA）來控制會話的建立

在BCF過程中SGSN、GGSN使用CAP（注：R7版本已經(jīng)改為DIAMETER協(xié)議）向BCF發(fā)出請求，BCF首先檢查用戶賬戶，預(yù)留一定的費用后，發(fā)計費應(yīng)答（ACA）來控制IPFLOW的建立。

在OCS中最復(fù)雜的也是計費關(guān)聯(lián)和核減計費。

IMS計費的發(fā)展

IMS版本在不斷的演進(jìn)（最近已經(jīng)推出R7版本），IMS的計費等應(yīng)用系統(tǒng)也要與時俱進(jìn)，不斷發(fā)展。

1．IMSR5版本的局限性：

IMSR5版本發(fā)布后，其局限性逐漸凸現(xiàn)出來，主要表現(xiàn)在如下幾方面：

（1）CSCF與SCF（會話計費）之間通過ISC（sip）直接相聯(lián)，這里面需要添加部件

（2）R5承載計費是基于PDPCONTEXT，適用于一次PDP承載業(yè)務(wù)（如：消息、游戲、下載等），因目前二次PDP承載業(yè)務(wù)因終端數(shù)量有限，并占用手機終端的處理和存儲資源，縮短終端電池壽命，因此不適用于二次PDP承載業(yè)務(wù)。

（3）由于PDP不能區(qū)別不同類型的IPFLOW，因此R5計費不適用于WLAN、xDSL、Cable等業(yè)務(wù)接入。

（4）PDPContext的激活和去激活，會大量增加GPRS/UMTS系統(tǒng)中的信令開銷，并增加了業(yè)務(wù)建立的時延。

（5）只支持IPV6

2．IMSR6的改進(jìn)：

針對R5計費方面的局限性，R6引入了FBC（flowbasedcharging），其優(yōu)點：

（1）支持更靈活的業(yè)務(wù)模式

（2）使用基于PrimaryPDPContext的承載業(yè)務(wù)，不再依靠二次PDPContext

（3）比R5中Go+SBLP（Service-basedlocalpolicy）具有更好的業(yè)務(wù)適應(yīng)性

（4）適用于其它的網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)，如WLAN、xDSL、Cable等

（5）PDPcontext僅針對UMTS/GPRS，IPflow的概念具有通用性

FBC結(jié)構(gòu)解決了承載層而不是應(yīng)用層的計費問題，應(yīng)用層CDR將在CSCF、ApplicationServer上產(chǎn)生。Ro/Rf用于向離線計費系統(tǒng)或在線計費系統(tǒng)傳送應(yīng)用層計費數(shù)據(jù)，包括：會話類型、會話的起始時間和終止時間、業(yè)務(wù)流使用信息。

3．IMSR7的演進(jìn)：

在R7版本，F(xiàn)BC的進(jìn)一步發(fā)展成PCC（PolicyandChargingControl）。

PCC基于FBC的架構(gòu)來演進(jìn)的，將R6中策略控制功能（PDF）和基于流的計費功能（FBC）合并成一個功能實體PCC（PolicyandChargingControl），并把R6中兩個功能的相關(guān)接口融合。這樣做既可以通過接口的融合提高通信效率，降低業(yè)務(wù)建立時延，還可以保證對GGSN/TPF（TrafficPlaneFunction）控制的一致性。

引入新的解決方案來解決承載與業(yè)務(wù)的綁定問題，不同于現(xiàn)有的SBLP使用授權(quán)令牌（token）的機制。而是基于流的策略控制，使用數(shù)據(jù)流模板TFT（TFT包含在PDPContext內(nèi)）通過IP地址和端口號識別數(shù)據(jù)流，其方法與PDF識別IP流的方法類似。

運營支撐系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

1．IMS計費面臨的挑戰(zhàn)

IMS計費面臨的挑戰(zhàn)有如下幾個方面：

（1）計費信息的關(guān)聯(lián)、合并

IMS計費存在大量的計費關(guān)聯(lián)，包括：IMS實體結(jié)點之間關(guān)聯(lián)、IMS與IPCAN（IP接入網(wǎng)）之間關(guān)聯(lián)、媒體成分級關(guān)聯(lián)等。實現(xiàn)這些關(guān)聯(lián)計費的成本很高。

（2）內(nèi)容計費成為IMS計費中一個重要方面，基于內(nèi)容價值的計費，業(yè)界還在探討之中。

（3）實現(xiàn)承載流的字節(jié)級精確計費難度較高。

（4）與現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的融合難度較大，如：FMC（移動固定融合）、SP/CP等的融合難度都不小。

2．計費網(wǎng)絡(luò)化（組件化、部件化）

IMS分層設(shè)計，使得計費采集點和控制點非常多，需要做大量的計費信息關(guān)聯(lián)、合并，計費系統(tǒng)必須“瘦身”。計費部件可只根據(jù)業(yè)務(wù)類型作最簡單的批價和基本的優(yōu)惠，對于交叉優(yōu)惠、產(chǎn)品組合優(yōu)惠、峰頂贈送優(yōu)惠等復(fù)雜的優(yōu)惠由后續(xù)非實時的賬務(wù)系統(tǒng)完成。

從IMS發(fā)展的角度看，IMS與計費系統(tǒng)的接口將逐漸一統(tǒng)為DIAMETER協(xié)議（文本除外）。在DIAMETER協(xié)議包中已經(jīng)包含大量的計費信息，為計費標(biāo)準(zhǔn)化提供了物理基礎(chǔ)。

隨著3GPP、OSS/J等標(biāo)準(zhǔn)的逐步成熟和推行，計費部件網(wǎng)絡(luò)化部署成為可能，

“在線計費”需要計費部件提供網(wǎng)絡(luò)設(shè)備級的穩(wěn)定性和可靠性。

計費已經(jīng)被定義為IMS6大實體之一，不論是業(yè)務(wù)和技術(shù)的需要，還是協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的支撐，計費系統(tǒng)將逐漸向部件化和組件化演進(jìn)，與網(wǎng)絡(luò)側(cè)的結(jié)合更為緊密，計費實體更像一個邏輯的網(wǎng)元設(shè)備。

3．IMS時代運營支撐系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

在IMS時代計費將向網(wǎng)絡(luò)側(cè)傾斜，傳統(tǒng)的BSS將向BOMS（BusinessOperationManagementSystem）演進(jìn)，BSS的重心將向營銷、CRM和服務(wù)等業(yè)務(wù)管理及分析轉(zhuǎn)變。結(jié)合NGOSS的發(fā)展，運營支撐系統(tǒng)逐漸演變?yōu)镃RM+BILING的體系架構(gòu)。

隨著計費向網(wǎng)絡(luò)側(cè)傾斜，BSS向管理和分析轉(zhuǎn)型，逐漸將形成“網(wǎng)絡(luò)＋管理”的IMS全網(wǎng)局面，如圖5所示。

在理順了BSS后，還有一個難題也就凸現(xiàn)出來，它就是內(nèi)容管理。關(guān)于內(nèi)容的存放、發(fā)布、定價、全網(wǎng)同步在IMS時代將是一個既棘手但又無法回避的難題，需要業(yè)界同仁足夠的重視。

 
圖5 運營支持發(fā)展趨勢示意圖