基于IMS的资源控制系统架构及应用探讨

王 哲 中国电信股份有限公司广东分公司

彭 莉 中国电信股份有限公司广州研究院

孙嘉琪 中山大学信息科学与技术学院

1 引言

IMS是基于IP统一承载的下一代固定和移动融合核心控制网络，可向用户提供丰富的语音、视频和数据等多媒体融合业务。传统的IP网络提供的尽力而为的服务模式和传送能力主要适用于邮件等非实时业务，而对于音频、视频、流媒体等要求高且流量大的实时业务是不适用的。因此，如何解决多媒体融合业务的服务质量是IMS网络和业务部署中需要重点解决的关键问题。

IMS可提供语音、视频、消息和呈现等多种融合业务，每种业务都有各自的业务特征，因此对服务质量的需求也不完全相同。另外，运营商也需要从粗放的带宽运营向智能化的管道运营转变，将业务和带宽资源进行动态捆绑，实现在保证业务服务质量前提下的网络资源的智能调度和管理。这就要求IMS的资源控制系统可以实现对网络资源及服务质量策略的统一部署和管理，实现对单个用户/业务的精细化控制和QoS保证。

2 IMS网络的服务质量需求

第三代合作伙伴项目（3GPP）将多媒体融合业务分为会话、流媒体、交互和背景四类业务。会话类业务主要用于支持人的双向交流，对时延和抖动最为敏感，对包的丢失稍可忍受；流媒体类业务主要用于单向媒体流的传递，如视频下载，要求有稳定的包传送，对抖动非常敏感，但对时延的容忍稍高于会话类，并可容忍一定程度的丢包；交互类主要用于交互式应用，如E-mail或网页浏览；而背景类主要用于背景流的下载，如E-mail和文件下载。交互类和背景类对时延的容忍程度比前两类业务高，因此对QoS的要求也低于前两类。

IMS业务主要集中在会话类和流媒体类，对业务的QoS要求比交互和背景两类业务高很多。不同的业务在丢包率、时延、抖动和带宽等QoS要求是有差异的。只有根据各类业务的需求提供差异化的质量保证，才能满足未来融合多媒体业务发展的需要。

IMS网络基于IP统一承载，将会话控制与业务描述相分离，实现了业务与控制、控制与承载相分离的体系架构。由于业务控制与承载分离，为实现将业务层的QoS需求映射到承载层，且基于承载层的资源对业务的QoS需求进行接纳控制，需要在IMS体系中提供对承载网的资源控制能力。

IMS资源控制系统在业务控制层和承载网络层之间形成一个承载控制层，实现业务对承载网络的QoS控制需求。资源控制系统对业务屏蔽了底层网络使用不同承载和接入技术的差异，对承载网络则屏蔽了具体的业务信息，使用开放、标准化的接口实现业务从核心控制到承载网络的QoS映射。

3 IMS资源控制系统架构

ITU-T Y.1291提出了IP网络资源代理的QoS实现模型。该方案的基本思路是在业务层和承载层之间引入具有资源控制功能的实体资源管理单元（RM）进行资源集中的控制。RM接受来自业务层的请求，并根据承载层的资源情况进行准入控制。对于承载层，RM提供QoS策略并进行下发，完成资源分配和预留、资源信息维护管理等功能。

3GPP、ETSI TISPAN、3GPP2、ITU-T等几大国际标准组织关于QoS实现的研究重点都集中在QoS控制机制上，它们提出的QoS控制模型都符合ITU-T提出的资源代理模型，如3GPP的策略与计费控制（PCC）模型、ETSI TISPAN的资源接纳控制子系统（RACS）模型、3GPP2的基于业务的承载控制（SBBC）模型、ITU-T的资源接入控制（RACF）模型。各标准组织对控制架构中各模块的功能、模块之间的接口和协议都进行了定义。

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。关于资源控制架构的研究主要集中在3GPP PCC架构和TISPAN RACS架构。

TISPAN主要从固定接入角度对资源控制进行研究；而3GPP则主要从移动接入角度对资源控制进行研究。IMS网络作为固定移动融合的统一核心，策略控制系统的融合也是一项重要研究内容，目前3GPP R11正在探讨固网移动融合后的QoS特性，TISPAN的RACS架构标准维护逐渐减少，按发展趋势，未来更倾向于3GPP的PCC架构。

3.1 策略与计费控制（PCC）架构

3GPP最初是从移动接入的角度出发来解决QoS问题。在R5版本中第一次引进了PDF（Policy Decision Function，策略决策功能）的概念。在R7版本中，把R6版本的策略决策功能（PDF）和基于流的计费功能（FBC）合并，提出了策略控制和计费功能实体（PCC）来完成资源接纳控制功能。R8版本由于3GPP研究SAE架构，考虑到非3GPP接入等，对PCC架构的实现功能进行了进一步扩展和增强。在3GPP R8版本提出之后，经过R9版本的进一步研究，目前3GPP制定了基于R10的增强PCC（ePCC），包 括基于深度包检测（DPI）在内的4个增强功能。此外，3GPP和BBF联合研究基于FMC（Fixed Mobile Convergence，固网与移动网的融合）的PCC。

PCC架构包括策略和计费执行功能（PCEF）、承载绑定及事件报告功能（BBERF）、策略和计费控制功能（PCRF）、应用功能（AF）、在线计费系统（OCS）、离线计费系统（OFCS）、用户属性寄存器（SPR/UDR）等功能实体，主要针对移动接入网的特性实现一定的QoS控制机制，提供基于用户的定制信息实现策略控制、基于业务数据流的计费控制等功能。

3.2 资源接纳控制子系统（RACS）架构

TISPAN从固定接入角度出发，提出了资源接纳控制子系统（RACS）来解决NGN承载网的QoS问题。RACS是NGN的组成部分之一，它将业务层如IP多媒体子系统（IMS）的资源需求与网络承载层的资源分配相关联，主要完成策略控制、资源预留、接纳控制、网络地址转换（NAT）等功能，使得用户终端可以获得有QoS保证的业务。在最新的版本中有新增无线接入的研究，主要参考3GPP标准。TISPAN RACS目前发展到RACS R3。

3.3 基于业务的承载控制（SBBC）架构

3GPP2也提出了类似3GPP的QoS控制模型SBBC（Service Based Bearer Control）。3GPP2制定了基于CDMA网络的PCC规范X.P0062，该规范原则上基于3GPP Rel 8的PCC规范，重点研究CDMA网络如何适配使用PCC。3GPP2的研究工作在V1.0之后和3GPP Rel 8合并。

3.4 资源接入控制（RACF）架构

ITU-T从移动和固定融合的角度出发，提出了资源接入控制功能（RACF）来解决下一代网络的QoS问题。它是一个3GPP、TISPAN和3GPP2三种QoS架构的集合，现在已经停止研究。

3.5 各资源控制系统架构的比较分析

PCC、RACS、SBBC和RACF的主要功能都是实现对网络的QoS控制，但在架构上有一些差别。由于3GPP PCC与3GPP2 SBBC有很多相似之处，而且3GPP2的研究工作在V1.0之后和3GPP Rel 8合并，因此本文就不再对3GPP2的架构进行讨论。

下面主要从决策功能实体、接入网络类型和处理机制、移动性、计费功能、端到端QoS、网络资源管理机制、NAT/NAPT穿越等方面对PCC、RACS和RACF这三种架构进行讨论。

（1）决策功能实体

PCC、RACS和RACF从架构上都可以分为策略决策功能、策略执行功能和传输资源控制功能这三个层面的功能实体。其中，策略决策功能主要负责应用层和承载层之间业务QoS需求及网络资源的映射。基于业务的策略决策功能（SPDF）、策略决策功能实体（PD-FE）、策略与计费控制功能（PCRF）都是决策功能实体，但它们决策的范围不同。

RACS中的SPDF主要负责基于业务的决策。当从业务系统收到资源请求时，SPDF需检查收到的资源请求是否符合运营商制定的QoS策略。

RACF中的PD-FE主要负责基于业务和用户签约信息的决策。这点与SPDF不同，由于SPDF不存储用户签约数据，所以SPDF不做基于用户签约的决策。

PCC中的PCRF和RACF中的PD-FE功能类似，负责运营商策略的检查以及基于业务和用户签约信息的决策。

（2）接入网络类型和处理机制

RACS R1中仅支持固定接入方式，相关规范中以xDSL为具体示例。在RACS R2之后，修改了接入类型的范围，RACS适用于任何接入类型，但是对于其他接入技术还缺乏具体研究。

RACF从R1开始一直支持任何接入类型的网络。RACF和RACS对接入网的控制机制相似，通过Rn接口控制接入网络中的设备。

3GPP PCC独立于接入网络，适用于任何符合3GPP定义的IP-CAN，如GPRS、I-WLAN、WiMAX等。3GPP PCC架构从R8版本开始考虑非3GPP的接入。3GPP PCC不关注接入网的处理，只关注IP-CAN，而IP-CAN可以在多种接入网中建立。3GPP PCC只负责资源的授权，由IPCAN负责资源的预留。

（3）移动性

移动性用于保证用户在移动过程中的业务服务质量。

RACS不支持移动性。3GPP PCC对漫游的应用场景和流程等讨论比较充分，对移动性的支持较为完善。RACF在支持移动性方面很有限：只研究了应用层的移动性场景，在该场景下，应用功能不需要感知终端的移动性。

（4）计费功能

RACS和RACF仅支持离线计费，但是结构和流程还需要深入研究，相关信令规范也是空白。

PCC对计费的支持比较完善，支持在线计费、离线计费和流计费多种计费方式。PCEF所在的网关与在线计费系统和离线计费系统都有接口，用于传递计费信息。

（5）端到端QoS

RACS架构中，端到端QoS控制仅限于游牧场景下的跨域QoS控制，对核心网的QoS控制未做深入讨论。RACS架构的QoS控制主要集中于接入侧，A-RACF主要负责接入网的资源接纳控制。3GPP PCC本身并不关注端到端QoS。

（6）网络资源管理机制

RACS中，接入资源接纳控制功能（A-RACF）并不负责接入网网络资源的维护和管理，但是A-RACF可以通过多种方式获取网络拓扑资源信息，例如：可以通过和网管系统交互获取，也可以是本地配置，还可以直接从传输系统中获取网络拓扑资源信息。A-RACF是否需要存储拓扑信息和拓扑资源信息的管理的标准化进程需进一步研究。

RACF中的拓扑资源信息维护是由传输资源控制功能实体（TRC-FE）完成的。TRC-FE通过Rn接口和传输系统交互获取网络的资源信息的更新。Rn接口的可选协议有SNMP和COPS，这两种协议实现在SG11中都已经标准化，但还不是很成熟。

PCC中不涉及到网络资源的问题，故没有资源管理机制。

（7）网络地址转换（NAT/NAPT）穿越

RACS将NAT/NAPT纳入了它的研究范围，对NAT/NAPT的支持较为完善。其主要机制是边界网关功能（BGF）在SPDF的控制下完成NAT/NAPT穿越，交互接口为Ia，通信协议为H.248。

在RACF中，策略执行功能实体（PE-FE）在策略决策功能实体（PD-FE）的控制下完成NAT/NAPT穿越，交互接口为Rw，通信协议为H.248或COPS。

NAT/NAPT并不是3GPP PCC的研究内容，需要由其他系统处理。对于IMS，NAT/NAPT穿越问题由IMS接入网关和位于P-CSCF中的IMS-ALG解决。3GPP定义了Iq接口专门用于NAT/NAPT。

4 IMS资源控制系统应用建议

根据上述对四种IMS资源控制系统架构的分析可以看出，目前IMS资源控制系统的部署主要遵循的是3GPP的PCC架构或TISPAN的RACS架构。由于IMS是基于固定网络和移动网络融合的核心控制网络，因此基于IMS的资源控制系统既需要对固定宽带网络进行承载网络资源的控制，也需要对移动宽带网络的网络资源进行控制。结合PCC和RACS架构，IMS资源控制系统的应用主要有以下两种方案：

4.1 方案一：分离模式

基于IMS的资源控制系统（分离模式）如图1所示：

图1 基于IMS的资源控制系统（分离模式）

分离模式针对不同的接入网类型（固定、移动）使用对应标准架构定义的功能及接口。本方案基于TISPAN RACS和3GPP PCC架构，对包含固定与移动接入的统一IMS网络部署以SPDF和PCRF为核心的QoS控制系统。左侧为TISPAN RACS架构；右侧为3GPP PCC架构。

4.2 方案二：融合模式

基于IMS的资源控制系统（融合模式）如图2所示：

图2 基于IMS的资源控制系统（融合模式）

融合模式采用3GPP的PCC架构，不论是固定接入还是移动接入都使用统一的Rx接口与P-CSCF（AF）对接，资源控制器通过Gx接口对承载网络下发策略。

4.3 方案比较及应用建议

分离模式和融合模式这两种方案的比较如表1所示：

表1 分离模式和融合模式方案比较

由表1可以看出，分离模式与融合模式都可以实现对通过固定和移动宽带网络接入的IMS融合业务服务质量的精确控制及管理。由于分离模式在网络部署和维护管理方面比融合模式要复杂很多，且RACS架构的标准维护工作正逐步减少，相关的工作更倾向于在PCC架构中解决。因此，建议选择融合模式进行IMS资源控制系统的部署。

5 结束语

IMS网络将会话控制与业务描述分离，实现了业务与控制分离的体系架构。在这种体系架构上，运营商能够控制和管理基于IP的网络，几大国际标准组织也长期致力于IMS资源控制能力的研究。随着IMS网络和业务的全面部署及发展，IMS资源控制系统的建设已提到日程上。通过资源控制系统的部署，电信运营商可以提供有质量保障的多媒体融合业务，从而为用户提供不同于互联网应用的差异化服务。

[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].