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 中山大學信息科學與技術學院

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絡，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。傳統(tǒng)的IP網絡提供的盡力而為的服務模式和傳送能力主要適用于郵件等非實時業(yè)務，而對于音頻、視頻、流媒體等要求高且流量大的實時業(yè)務是不適用的。因此，如何解決多媒體融合業(yè)務的服務質量是IMS網絡和業(yè)務部署中需要重點解決的關鍵問題。

IMS可提供語音、視頻、消息和呈現(xiàn)等多種融合業(yè)務，每種業(yè)務都有各自的業(yè)務特征，因此對服務質量的需求也不完全相同。另外，運營商也需要從粗放的帶寬運營向智能化的管道運營轉變，將業(yè)務和帶寬資源進行動態(tài)捆綁，實現(xiàn)在保證業(yè)務服務質量前提下的網絡資源的智能調度和管理。這就要求IMS的資源控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)對網絡資源及服務質量策略的統(tǒng)一部署和管理，實現(xiàn)對單個用戶/業(yè)務的精細化控制和QoS保證。

2 IMS網絡的服務質量需求

第三代合作伙伴項目（3GPP）將多媒體融合業(yè)務分為會話、流媒體、交互和背景四類業(yè)務。會話類業(yè)務主要用于支持人的雙向交流，對時延和抖動最為敏感，對包的丟失稍可忍受；流媒體類業(yè)務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用，如E-mail或網頁瀏覽；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延的容忍程度比前兩類業(yè)務高，因此對QoS的要求也低于前兩類。

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

IMS網絡基于IP統(tǒng)一承載，將會話控制與業(yè)務描述相分離，實現(xiàn)了業(yè)務與控制、控制與承載相分離的體系架構。由于業(yè)務控制與承載分離，為實現(xiàn)將業(yè)務層的QoS需求映射到承載層，且基于承載層的資源對業(yè)務的QoS需求進行接納控制，需要在IMS體系中提供對承載網的資源控制能力。

IMS資源控制系統(tǒng)在業(yè)務控制層和承載網絡層之間形成一個承載控制層，實現(xiàn)業(yè)務對承載網絡的QoS控制需求。資源控制系統(tǒng)對業(yè)務屏蔽了底層網絡使用不同承載和接入技術的差異，對承載網絡則屏蔽了具體的業(yè)務信息，使用開放、標準化的接口實現(xiàn)業(yè)務從核心控制到承載網絡的QoS映射。

3 IMS資源控制系統(tǒng)架構

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

3GPP、ETSI TISPAN、3GPP2、ITU-T等幾大國際標準組織關于QoS實現(xiàn)的研究重點都集中在QoS控制機制上，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的策略與計費控制（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)務的承載控制（SBBC）模型、ITU-T的資源接入控制（RACF）模型。各標準組織對控制架構中各模塊的功能、模塊之間的接口和協(xié)議都進行了定義。

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。關于資源控制架構的研究主要集中在3GPP PCC架構和TISPAN RACS架構。

TISPAN主要從固定接入角度對資源控制進行研究；而3GPP則主要從移動接入角度對資源控制進行研究。IMS網絡作為固定移動融合的統(tǒng)一核心，策略控制系統(tǒng)的融合也是一項重要研究內容，目前3GPP R11正在探討固網移動融合后的QoS特性，TISPAN的RACS架構標準維護逐漸減少，按發(fā)展趨勢，未來更傾向于3GPP的PCC架構。

3.1 策略與計費控制（PCC）架構

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）和基于流的計費功能（FBC）合并，提出了策略控制和計費功能實體（PCC）來完成資源接納控制功能。R8版本由于3GPP研究SAE架構，考慮到非3GPP接入等，對PCC架構的實現(xiàn)功能進行了進一步擴展和增強。在3GPP R8版本提出之后，經過R9版本的進一步研究，目前3GPP制定了基于R10的增強PCC（ePCC），包 括基于深度包檢測（DPI）在內的4個增強功能。此外，3GPP和BBF聯(lián)合研究基于FMC（Fixed Mobile Convergence，固網與移動網的融合）的PCC。

PCC架構包括策略和計費執(zhí)行功能（PCEF）、承載綁定及事件報告功能（BBERF）、策略和計費控制功能（PCRF）、應用功能（AF）、在線計費系統(tǒng)（OCS）、離線計費系統(tǒng)（OFCS）、用戶屬性寄存器（SPR/UDR）等功能實體，主要針對移動接入網的特性實現(xiàn)一定的QoS控制機制，提供基于用戶的定制信息實現(xiàn)策略控制、基于業(yè)務數(shù)據(jù)流的計費控制等功能。

3.2 資源接納控制子系統(tǒng)（RACS）架構

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承載網的QoS問題。RACS是NGN的組成部分之一，它將業(yè)務層如IP多媒體子系統(tǒng)（IMS）的資源需求與網絡承載層的資源分配相關聯(lián)，主要完成策略控制、資源預留、接納控制、網絡地址轉換（NAT）等功能，使得用戶終端可以獲得有QoS保證的業(yè)務。在最新的版本中有新增無線接入的研究，主要參考3GPP標準。TISPAN RACS目前發(fā)展到RACS R3。

3.3 基于業(yè)務的承載控制（SBBC）架構

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網絡的PCC規(guī)范X.P0062，該規(guī)范原則上基于3GPP Rel 8的PCC規(guī)范，重點研究CDMA網絡如何適配使用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

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）來解決下一代網絡的QoS問題。它是一個3GPP、TISPAN和3GPP2三種QoS架構的集合，現(xiàn)在已經停止研究。

3.5 各資源控制系統(tǒng)架構的比較分析

PCC、RACS、SBBC和RACF的主要功能都是實現(xiàn)對網絡的QoS控制，但在架構上有一些差別。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的架構進行討論。

下面主要從決策功能實體、接入網絡類型和處理機制、移動性、計費功能、端到端QoS、網絡資源管理機制、NAT/NAPT穿越等方面對PCC、RACS和RACF這三種架構進行討論。

（1）決策功能實體

PCC、RACS和RACF從架構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層面的功能實體。其中，策略決策功能主要負責應用層和承載層之間業(yè)務QoS需求及網絡資源的映射?；跇I(yè)務的策略決策功能（SPDF）、策略決策功能實體（PD-FE）、策略與計費控制功能（PCRF）都是決策功能實體，但它們決策的范圍不同。

RACS中的SPDF主要負責基于業(yè)務的決策。當從業(yè)務系統(tǒng)收到資源請求時，SPDF需檢查收到的資源請求是否符合運營商制定的QoS策略。

RACF中的PD-FE主要負責基于業(yè)務和用戶簽約信息的決策。這點與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，負責運營商策略的檢查以及基于業(yè)務和用戶簽約信息的決策。

（2）接入網絡類型和處理機制

RACS R1中僅支持固定接入方式，相關規(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還缺乏具體研究。

RACF從R1開始一直支持任何接入類型的網絡。RACF和RACS對接入網的控制機制相似，通過Rn接口控制接入網絡中的設備。

3GPP PCC獨立于接入網絡，適用于任何符合3GPP定義的IP-CAN，如GPRS、I-WLAN、WiMAX等。3GPP PCC架構從R8版本開始考慮非3GPP的接入。3GPP PCC不關注接入網的處理，只關注IP-CAN，而IP-CAN可以在多種接入網中建立。3GPP PCC只負責資源的授權，由IPCAN負責資源的預留。

（3）移動性

移動性用于保證用戶在移動過程中的業(yè)務服務質量。

RACS不支持移動性。3GPP PCC對漫游的應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：只研究了應用層的移動性場景，在該場景下，應用功能不需要感知終端的移動性。

（4）計費功能

RACS和RACF僅支持離線計費，但是結構和流程還需要深入研究，相關信令規(guī)范也是空白。

PCC對計費的支持比較完善，支持在線計費、離線計費和流計費多種計費方式。PCEF所在的網關與在線計費系統(tǒng)和離線計費系統(tǒng)都有接口，用于傳遞計費信息。

（5）端到端QoS

RACS架構中，端到端QoS控制僅限于游牧場景下的跨域QoS控制，對核心網的QoS控制未做深入討論。RACS架構的QoS控制主要集中于接入側，A-RACF主要負責接入網的資源接納控制。3GPP PCC本身并不關注端到端QoS。

（6）網絡資源管理機制

RACS中，接入資源接納控制功能（A-RACF）并不負責接入網網絡資源的維護和管理，但是A-RACF可以通過多種方式獲取網絡拓撲資源信息，例如：可以通過和網管系統(tǒng)交互獲取，也可以是本地配置，還可以直接從傳輸系統(tǒng)中獲取網絡拓撲資源信息。A-RACF是否需要存儲拓撲信息和拓撲資源信息的管理的標準化進程需進一步研究。

RACF中的拓撲資源信息維護是由傳輸資源控制功能實體（TRC-FE）完成的。TRC-FE通過Rn接口和傳輸系統(tǒng)交互獲取網絡的資源信息的更新。Rn接口的可選協(xié)議有SNMP和COPS，這兩種協(xié)議實現(xiàn)在SG11中都已經標準化，但還不是很成熟。

PCC中不涉及到網絡資源的問題，故沒有資源管理機制。

（7）網絡地址轉換（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。其主要機制是邊界網關功能（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)行功能實體（PE-FE）在策略決策功能實體（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接入網關和位于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)應用建議

根據(jù)上述對四種IMS資源控制系統(tǒng)架構的分析可以看出，目前IMS資源控制系統(tǒng)的部署主要遵循的是3GPP的PCC架構或TISPAN的RACS架構。由于IMS是基于固定網絡和移動網絡融合的核心控制網絡，因此基于IMS的資源控制系統(tǒng)既需要對固定寬帶網絡進行承載網絡資源的控制，也需要對移動寬帶網絡的網絡資源進行控制。結合PCC和RACS架構，IMS資源控制系統(tǒng)的應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類型（固定、移動）使用對應標準架構定義的功能及接口。本方案基于TISPAN RACS和3GPP PCC架構，對包含固定與移動接入的統(tǒng)一IMS網絡部署以SPDF和PCRF為核心的QoS控制系統(tǒng)。左側為TISPAN RACS架構；右側為3GPP PCC架構。

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，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接口對承載網絡下發(fā)策略。

4.3 方案比較及應用建議

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現(xiàn)對通過固定和移動寬帶網絡接入的IMS融合業(yè)務服務質量的精確控制及管理。由于分離模式在網絡部署和維護管理方面比融合模式要復雜很多，且RACS架構的標準維護工作正逐步減少，相關的工作更傾向于在PCC架構中解決。因此，建議選擇融合模式進行IMS資源控制系統(tǒng)的部署。

5 結束語

IMS網絡將會話控制與業(yè)務描述分離，實現(xiàn)了業(yè)務與控制分離的體系架構。在這種體系架構上，運營商能夠控制和管理基于IP的網絡，幾大國際標準組織也長期致力于IMS資源控制能力的研究。隨著IMS網絡和業(yè)務的全面部署及發(fā)展，IMS資源控制系統(tǒng)的建設已提到日程上。通過資源控制系統(tǒng)的部署，電信運營商可以提供有質量保障的多媒體融合業(yè)務，從而為用戶提供不同于互聯(lián)網應用的差異化服務。

[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].