王 哲 中國電信股份有限公司廣東分公司

彭 莉 中國電信股份有限公司廣州研究院

孫嘉琪 中山大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

1 引言

IMS是基于IP統(tǒng)一承載的下一代固定和移動融合核心控制網(wǎng)絡(luò)，可向用戶提供豐富的語音、視頻和數(shù)據(jù)等多媒體融合業(yè)務(wù)。傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)提供的盡力而為的服務(wù)模式和傳送能力主要適用于郵件等非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，而對于音頻、視頻、流媒體等要求高且流量大的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)是不適用的。因此，如何解決多媒體融合業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量是IMS網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)部署中需要重點(diǎn)解決的關(guān)鍵問題。

IMS可提供語音、視頻、消息和呈現(xiàn)等多種融合業(yè)務(wù)，每種業(yè)務(wù)都有各自的業(yè)務(wù)特征，因此對服務(wù)質(zhì)量的需求也不完全相同。另外，運(yùn)營商也需要從粗放的帶寬運(yùn)營向智能化的管道運(yùn)營轉(zhuǎn)變，將業(yè)務(wù)和帶寬資源進(jìn)行動態(tài)捆綁，實(shí)現(xiàn)在保證業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量前提下的網(wǎng)絡(luò)資源的智能調(diào)度和管理。這就要求IMS的資源控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)資源及服務(wù)質(zhì)量策略的統(tǒng)一部署和管理，實(shí)現(xiàn)對單個(gè)用戶/業(yè)務(wù)的精細(xì)化控制和QoS保證。

2 IMS網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量需求

第三代合作伙伴項(xiàng)目（3GPP）將多媒體融合業(yè)務(wù)分為會話、流媒體、交互和背景四類業(yè)務(wù)。會話類業(yè)務(wù)主要用于支持人的雙向交流，對時(shí)延和抖動最為敏感，對包的丟失稍可忍受；流媒體類業(yè)務(wù)主要用于單向媒體流的傳遞，如視頻下載，要求有穩(wěn)定的包傳送，對抖動非常敏感，但對時(shí)延的容忍稍高于會話類，并可容忍一定程度的丟包；交互類主要用于交互式應(yīng)用，如E-mail或網(wǎng)頁瀏覽；而背景類主要用于背景流的下載，如E-mail和文件下載。交互類和背景類對時(shí)延的容忍程度比前兩類業(yè)務(wù)高，因此對QoS的要求也低于前兩類。

IMS業(yè)務(wù)主要集中在會話類和流媒體類，對業(yè)務(wù)的QoS要求比交互和背景兩類業(yè)務(wù)高很多。不同的業(yè)務(wù)在丟包率、時(shí)延、抖動和帶寬等QoS要求是有差異的。只有根據(jù)各類業(yè)務(wù)的需求提供差異化的質(zhì)量保證，才能滿足未來融合多媒體業(yè)務(wù)發(fā)展的需要。

IMS網(wǎng)絡(luò)基于IP統(tǒng)一承載，將會話控制與業(yè)務(wù)描述相分離，實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)與控制、控制與承載相分離的體系架構(gòu)。由于業(yè)務(wù)控制與承載分離，為實(shí)現(xiàn)將業(yè)務(wù)層的QoS需求映射到承載層，且基于承載層的資源對業(yè)務(wù)的QoS需求進(jìn)行接納控制，需要在IMS體系中提供對承載網(wǎng)的資源控制能力。

IMS資源控制系統(tǒng)在業(yè)務(wù)控制層和承載網(wǎng)絡(luò)層之間形成一個(gè)承載控制層，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)對承載網(wǎng)絡(luò)的QoS控制需求。資源控制系統(tǒng)對業(yè)務(wù)屏蔽了底層網(wǎng)絡(luò)使用不同承載和接入技術(shù)的差異，對承載網(wǎng)絡(luò)則屏蔽了具體的業(yè)務(wù)信息，使用開放、標(biāo)準(zhǔn)化的接口實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)從核心控制到承載網(wǎng)絡(luò)的QoS映射。

3 IMS資源控制系統(tǒng)架構(gòu)

ITU-T Y.1291提出了IP網(wǎng)絡(luò)資源代理的QoS實(shí)現(xiàn)模型。該方案的基本思路是在業(yè)務(wù)層和承載層之間引入具有資源控制功能的實(shí)體資源管理單元（RM）進(jìn)行資源集中的控制。RM接受來自業(yè)務(wù)層的請求，并根據(jù)承載層的資源情況進(jìn)行準(zhǔn)入控制。對于承載層，RM提供QoS策略并進(jìn)行下發(fā)，完成資源分配和預(yù)留、資源信息維護(hù)管理等功能。

3GPP、ETSI TISPAN、3GPP2、ITU-T等幾大國際標(biāo)準(zhǔn)組織關(guān)于QoS實(shí)現(xiàn)的研究重點(diǎn)都集中在QoS控制機(jī)制上，它們提出的QoS控制模型都符合ITU-T提出的資源代理模型，如3GPP的策略與計(jì)費(fèi)控制（PCC）模型、ETSI TISPAN的資源接納控制子系統(tǒng)（RACS）模型、3GPP2的基于業(yè)務(wù)的承載控制（SBBC）模型、ITU-T的資源接入控制（RACF）模型。各標(biāo)準(zhǔn)組織對控制架構(gòu)中各模塊的功能、模塊之間的接口和協(xié)議都進(jìn)行了定義。

目前，3GPP2的研究工作在V1.0之后和3GPP Rel 8合并，ITU-T也已停止研究。關(guān)于資源控制架構(gòu)的研究主要集中在3GPP PCC架構(gòu)和TISPAN RACS架構(gòu)。

TISPAN主要從固定接入角度對資源控制進(jìn)行研究；而3GPP則主要從移動接入角度對資源控制進(jìn)行研究。IMS網(wǎng)絡(luò)作為固定移動融合的統(tǒng)一核心，策略控制系統(tǒng)的融合也是一項(xiàng)重要研究內(nèi)容，目前3GPP R11正在探討固網(wǎng)移動融合后的QoS特性，TISPAN的RACS架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)維護(hù)逐漸減少，按發(fā)展趨勢，未來更傾向于3GPP的PCC架構(gòu)。

3.1 策略與計(jì)費(fèi)控制（PCC）架構(gòu)

3GPP最初是從移動接入的角度出發(fā)來解決QoS問題。在R5版本中第一次引進(jìn)了PDF（Policy Decision Function，策略決策功能）的概念。在R7版本中，把R6版本的策略決策功能（PDF）和基于流的計(jì)費(fèi)功能（FBC）合并，提出了策略控制和計(jì)費(fèi)功能實(shí)體（PCC）來完成資源接納控制功能。R8版本由于3GPP研究SAE架構(gòu)，考慮到非3GPP接入等，對PCC架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)功能進(jìn)行了進(jìn)一步擴(kuò)展和增強(qiáng)。在3GPP R8版本提出之后，經(jīng)過R9版本的進(jìn)一步研究，目前3GPP制定了基于R10的增強(qiáng)PCC（ePCC），包 括基于深度包檢測（DPI）在內(nèi)的4個(gè)增強(qiáng)功能。此外，3GPP和BBF聯(lián)合研究基于FMC（Fixed Mobile Convergence，固網(wǎng)與移動網(wǎng)的融合）的PCC。

PCC架構(gòu)包括策略和計(jì)費(fèi)執(zhí)行功能（PCEF）、承載綁定及事件報(bào)告功能（BBERF）、策略和計(jì)費(fèi)控制功能（PCRF）、應(yīng)用功能（AF）、在線計(jì)費(fèi)系統(tǒng)（OCS）、離線計(jì)費(fèi)系統(tǒng)（OFCS）、用戶屬性寄存器（SPR/UDR）等功能實(shí)體，主要針對移動接入網(wǎng)的特性實(shí)現(xiàn)一定的QoS控制機(jī)制，提供基于用戶的定制信息實(shí)現(xiàn)策略控制、基于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的計(jì)費(fèi)控制等功能。

3.2 資源接納控制子系統(tǒng)（RACS）架構(gòu)

TISPAN從固定接入角度出發(fā)，提出了資源接納控制子系統(tǒng)（RACS）來解決NGN承載網(wǎng)的QoS問題。RACS是NGN的組成部分之一，它將業(yè)務(wù)層如IP多媒體子系統(tǒng)（IMS）的資源需求與網(wǎng)絡(luò)承載層的資源分配相關(guān)聯(lián)，主要完成策略控制、資源預(yù)留、接納控制、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT）等功能，使得用戶終端可以獲得有QoS保證的業(yè)務(wù)。在最新的版本中有新增無線接入的研究，主要參考3GPP標(biāo)準(zhǔn)。TISPAN RACS目前發(fā)展到RACS R3。

3.3 基于業(yè)務(wù)的承載控制（SBBC）架構(gòu)

3GPP2也提出了類似3GPP的QoS控制模型SBBC（Service Based Bearer Control）。3GPP2制定了基于CDMA網(wǎng)絡(luò)的PCC規(guī)范X.P0062，該規(guī)范原則上基于3GPP Rel 8的PCC規(guī)范，重點(diǎn)研究CDMA網(wǎng)絡(luò)如何適配使用PCC。3GPP2的研究工作在V1.0之后和3GPP Rel 8合并。

3.4 資源接入控制（RACF）架構(gòu)

ITU-T從移動和固定融合的角度出發(fā)，提出了資源接入控制功能（RACF）來解決下一代網(wǎng)絡(luò)的QoS問題。它是一個(gè)3GPP、TISPAN和3GPP2三種QoS架構(gòu)的集合，現(xiàn)在已經(jīng)停止研究。

3.5 各資源控制系統(tǒng)架構(gòu)的比較分析

PCC、RACS、SBBC和RACF的主要功能都是實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的QoS控制，但在架構(gòu)上有一些差別。由于3GPP PCC與3GPP2 SBBC有很多相似之處，而且3GPP2的研究工作在V1.0之后和3GPP Rel 8合并，因此本文就不再對3GPP2的架構(gòu)進(jìn)行討論。

下面主要從決策功能實(shí)體、接入網(wǎng)絡(luò)類型和處理機(jī)制、移動性、計(jì)費(fèi)功能、端到端QoS、網(wǎng)絡(luò)資源管理機(jī)制、NAT/NAPT穿越等方面對PCC、RACS和RACF這三種架構(gòu)進(jìn)行討論。

（1）決策功能實(shí)體

PCC、RACS和RACF從架構(gòu)上都可以分為策略決策功能、策略執(zhí)行功能和傳輸資源控制功能這三個(gè)層面的功能實(shí)體。其中，策略決策功能主要負(fù)責(zé)應(yīng)用層和承載層之間業(yè)務(wù)QoS需求及網(wǎng)絡(luò)資源的映射?；跇I(yè)務(wù)的策略決策功能（SPDF）、策略決策功能實(shí)體（PD-FE）、策略與計(jì)費(fèi)控制功能（PCRF）都是決策功能實(shí)體，但它們決策的范圍不同。

RACS中的SPDF主要負(fù)責(zé)基于業(yè)務(wù)的決策。當(dāng)從業(yè)務(wù)系統(tǒng)收到資源請求時(shí)，SPDF需檢查收到的資源請求是否符合運(yùn)營商制定的QoS策略。

RACF中的PD-FE主要負(fù)責(zé)基于業(yè)務(wù)和用戶簽約信息的決策。這點(diǎn)與SPDF不同，由于SPDF不存儲用戶簽約數(shù)據(jù)，所以SPDF不做基于用戶簽約的決策。

PCC中的PCRF和RACF中的PD-FE功能類似，負(fù)責(zé)運(yùn)營商策略的檢查以及基于業(yè)務(wù)和用戶簽約信息的決策。

（2）接入網(wǎng)絡(luò)類型和處理機(jī)制

RACS R1中僅支持固定接入方式，相關(guān)規(guī)范中以xDSL為具體示例。在RACS R2之后，修改了接入類型的范圍，RACS適用于任何接入類型，但是對于其他接入技術(shù)還缺乏具體研究。

RACF從R1開始一直支持任何接入類型的網(wǎng)絡(luò)。RACF和RACS對接入網(wǎng)的控制機(jī)制相似，通過Rn接口控制接入網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備。

3GPP PCC獨(dú)立于接入網(wǎng)絡(luò)，適用于任何符合3GPP定義的IP-CAN，如GPRS、I-WLAN、WiMAX等。3GPP PCC架構(gòu)從R8版本開始考慮非3GPP的接入。3GPP PCC不關(guān)注接入網(wǎng)的處理，只關(guān)注IP-CAN，而IP-CAN可以在多種接入網(wǎng)中建立。3GPP PCC只負(fù)責(zé)資源的授權(quán)，由IPCAN負(fù)責(zé)資源的預(yù)留。

（3）移動性

移動性用于保證用戶在移動過程中的業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量。

RACS不支持移動性。3GPP PCC對漫游的應(yīng)用場景和流程等討論比較充分，對移動性的支持較為完善。RACF在支持移動性方面很有限：只研究了應(yīng)用層的移動性場景，在該場景下，應(yīng)用功能不需要感知終端的移動性。

（4）計(jì)費(fèi)功能

RACS和RACF僅支持離線計(jì)費(fèi)，但是結(jié)構(gòu)和流程還需要深入研究，相關(guān)信令規(guī)范也是空白。

PCC對計(jì)費(fèi)的支持比較完善，支持在線計(jì)費(fèi)、離線計(jì)費(fèi)和流計(jì)費(fèi)多種計(jì)費(fèi)方式。PCEF所在的網(wǎng)關(guān)與在線計(jì)費(fèi)系統(tǒng)和離線計(jì)費(fèi)系統(tǒng)都有接口，用于傳遞計(jì)費(fèi)信息。

（5）端到端QoS

RACS架構(gòu)中，端到端QoS控制僅限于游牧場景下的跨域QoS控制，對核心網(wǎng)的QoS控制未做深入討論。RACS架構(gòu)的QoS控制主要集中于接入側(cè)，A-RACF主要負(fù)責(zé)接入網(wǎng)的資源接納控制。3GPP PCC本身并不關(guān)注端到端QoS。

（6）網(wǎng)絡(luò)資源管理機(jī)制

RACS中，接入資源接納控制功能（A-RACF）并不負(fù)責(zé)接入網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)資源的維護(hù)和管理，但是A-RACF可以通過多種方式獲取網(wǎng)絡(luò)拓?fù)滟Y源信息，例如：可以通過和網(wǎng)管系統(tǒng)交互獲取，也可以是本地配置，還可以直接從傳輸系統(tǒng)中獲取網(wǎng)絡(luò)拓?fù)滟Y源信息。A-RACF是否需要存儲拓?fù)湫畔⒑屯負(fù)滟Y源信息的管理的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程需進(jìn)一步研究。

RACF中的拓?fù)滟Y源信息維護(hù)是由傳輸資源控制功能實(shí)體（TRC-FE）完成的。TRC-FE通過Rn接口和傳輸系統(tǒng)交互獲取網(wǎng)絡(luò)的資源信息的更新。Rn接口的可選協(xié)議有SNMP和COPS，這兩種協(xié)議實(shí)現(xiàn)在SG11中都已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，但還不是很成熟。

PCC中不涉及到網(wǎng)絡(luò)資源的問題，故沒有資源管理機(jī)制。

（7）網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT/NAPT）穿越

RACS將NAT/NAPT納入了它的研究范圍，對NAT/NAPT的支持較為完善。其主要機(jī)制是邊界網(wǎng)關(guān)功能（BGF）在SPDF的控制下完成NAT/NAPT穿越，交互接口為Ia，通信協(xié)議為H.248。

在RACF中，策略執(zhí)行功能實(shí)體（PE-FE）在策略決策功能實(shí)體（PD-FE）的控制下完成NAT/NAPT穿越，交互接口為Rw，通信協(xié)議為H.248或COPS。

NAT/NAPT并不是3GPP PCC的研究內(nèi)容，需要由其他系統(tǒng)處理。對于IMS，NAT/NAPT穿越問題由IMS接入網(wǎng)關(guān)和位于P-CSCF中的IMS-ALG解決。3GPP定義了Iq接口專門用于NAT/NAPT。

4 IMS資源控制系統(tǒng)應(yīng)用建議

根據(jù)上述對四種IMS資源控制系統(tǒng)架構(gòu)的分析可以看出，目前IMS資源控制系統(tǒng)的部署主要遵循的是3GPP的PCC架構(gòu)或TISPAN的RACS架構(gòu)。由于IMS是基于固定網(wǎng)絡(luò)和移動網(wǎng)絡(luò)融合的核心控制網(wǎng)絡(luò)，因此基于IMS的資源控制系統(tǒng)既需要對固定寬帶網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行承載網(wǎng)絡(luò)資源的控制，也需要對移動寬帶網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行控制。結(jié)合PCC和RACS架構(gòu)，IMS資源控制系統(tǒng)的應(yīng)用主要有以下兩種方案：

4.1 方案一：分離模式

基于IMS的資源控制系統(tǒng)（分離模式）如圖1所示：

圖1 基于IMS的資源控制系統(tǒng)（分離模式）

分離模式針對不同的接入網(wǎng)類型（固定、移動）使用對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)定義的功能及接口。本方案基于TISPAN RACS和3GPP PCC架構(gòu)，對包含固定與移動接入的統(tǒng)一IMS網(wǎng)絡(luò)部署以SPDF和PCRF為核心的QoS控制系統(tǒng)。左側(cè)為TISPAN RACS架構(gòu)；右側(cè)為3GPP PCC架構(gòu)。

4.2 方案二：融合模式

基于IMS的資源控制系統(tǒng)（融合模式）如圖2所示：

圖2 基于IMS的資源控制系統(tǒng)（融合模式）

融合模式采用3GPP的PCC架構(gòu)，不論是固定接入還是移動接入都使用統(tǒng)一的Rx接口與P-CSCF（AF）對接，資源控制器通過Gx接口對承載網(wǎng)絡(luò)下發(fā)策略。

4.3 方案比較及應(yīng)用建議

分離模式和融合模式這兩種方案的比較如表1所示：

表1 分離模式和融合模式方案比較

由表1可以看出，分離模式與融合模式都可以實(shí)現(xiàn)對通過固定和移動寬帶網(wǎng)絡(luò)接入的IMS融合業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的精確控制及管理。由于分離模式在網(wǎng)絡(luò)部署和維護(hù)管理方面比融合模式要復(fù)雜很多，且RACS架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)維護(hù)工作正逐步減少，相關(guān)的工作更傾向于在PCC架構(gòu)中解決。因此，建議選擇融合模式進(jìn)行IMS資源控制系統(tǒng)的部署。

5 結(jié)束語

IMS網(wǎng)絡(luò)將會話控制與業(yè)務(wù)描述分離，實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)與控制分離的體系架構(gòu)。在這種體系架構(gòu)上，運(yùn)營商能夠控制和管理基于IP的網(wǎng)絡(luò)，幾大國際標(biāo)準(zhǔn)組織也長期致力于IMS資源控制能力的研究。隨著IMS網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)的全面部署及發(fā)展，IMS資源控制系統(tǒng)的建設(shè)已提到日程上。通過資源控制系統(tǒng)的部署，電信運(yùn)營商可以提供有質(zhì)量保障的多媒體融合業(yè)務(wù)，從而為用戶提供不同于互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的差異化服務(wù)。

[1]ETSI ES 282 003. Resource and Admission Control Sub-System(RACS)[S].

[2]3GPP TS 29.238. Interconnection Border Control Functions (IBCF)-Transition Gateway (TrGW)interface,Ix interface;Stage 3[S].

[3]3GPP TS23.334. IP Multimedia Subsystem (IMS)Application Level Gateway (IMS-ALG)-IMS Access Gateway (IMS-AGW)interface: Procedures descriptions[S].

[4]3GPP TS 23.203. Policy and charging control architecture[S].

[5]3GPP TS 23.107. Quality of Service (QoS)concept and architecture[S].