IP-МУЛЬТИМЕДИЙНАЯ ПОДСИСТЕМА И ЕЁ БУДУЩИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ

Мультимедийная IP-подсистема 3GPP (IMS), указанная в качестве платформы предоставления услуг сетей 3G. 3GPP2 и TISPAN для поддержки сетей, таких как WLAN, CDMA2000, фиксированной линии связи, 4G. Объясняется IMS-решение, виртуализация IMS, облачный сервис IMS и ее использование с сетями 4G, поскольку трафик данных растет очень быстро, управление голосовой сетью. Обсуждается связь IMS с LTE, так называемая VoLTE предоставляет инфраструктуру сигнализации для установления голосовых вызовов, сеансов мультимедиа и голосовых услуг по IP-сети. Развитие IMS в сетях голосовой связи, как и в LTE будет расширяться на 5G и дальше.

I.            Введение

Сети следующего поколения (Next Generation Networks, NGN) представляет собой концепцию, которая была внедрена с учетом новой ситуации и изменений в телекоммуникационных областях. Эта новая ситуация характеризуется рядом аспектов: дерегулирование рынков, новый спрос со стороны пользователей на инновационные услуги для удовлетворения их потребностей и взрыв цифрового трафика (увеличение использования Интернета). В рамках NGN каждый поставщик телекоммуникационных услуг создал собственное решение с собственной интерпретацией протокола SIP, и в результате операторы должны были приобрести полное конечное оборудование от одного поставщика, так как оборудование было несовместимо с оборудованием других поставщиков. В итоге это привело к проблемам взаимодействия между различными устройствами поставщиков телекоммуникационных услуг. Для решения этих проблем разработаны стандарты IP Multimedia Subsystem (IMS). IMS - это архитектура для предоставления мультимедийных услуг через Internet Protocol (IP), которая сначала разработана консорциумом 3GPP(3rd Generation Partnership Project) стандартов беспроводной связи. Сначала он нацелен на развитие мобильных сетей за пределами GSM. В release 5 3GPP предоставляется решение для предоставления услуг Интернета через GPRS при переходе от технологии 2G к 3G. Эта цель позже обновляется 3GPP, 3GPP2 и TISPAN для поддержки таких сетей, как беспроводная локальная сеть (выпуск 3GPP 6), CDMA2000 (3GPP2) и фиксированная линия (выпуск 3GPP 7 и версия 1.1 TISPAN)[1]. IMS - это четко определенный стандарт, который позволяет операторам предоставлять своим клиентам IP-мультимедийные приложения, такие как обмен видео, обмен текстовыми сообщениями, VoIP, потоковое видео и интерактивные игры. IMS обеспечивает архитектуру, которая упрощает и ускоряет процесс создания и предоставления услуг, позволяя использовать устаревшие функции взаимодействия. Стандарт IMS основан на протоколе инициации сеанса (SIP), который позволяет клиентам приглашать других в сеанс и согласовывать управляющую информацию о медиаканалах, необходимых для сеанса. IP Multimedia строит поверх этого и предоставляет полный набор возможностей сетевого оператора, позволяющий осуществлять аутентификацию клиентов, сетевые интерфейсы и административные функции, такие как подзарядка. Все это необходимо для создания взаимодействующих сетей, которые в сочетании могут обеспечить действительно глобальное покрытие услуг в духе доброй старой телефонии. В IMS для построения конечных решений операторы могут выбирать оборудование от нескольких разных поставщиков, так как все они соответствуют стандартам IMS. Расходы на эксплуатацию и обслуживание IMS (включая потребление энергии, потребляемое пространство и управление сетью) значительно ниже по сравнению с традиционными сетями голосовой связи. Расходы станут ниже в связи с уменьшение комплекса всего оборудования сети, отсюда можно сделать вывод, что обслуживать нужно меньшее количество оборудования, это приведёт к уменьшению затрат ,таких как уменьшится количество обслуживающего персонала, снизятся энергозатраты, исчезнет необходимость приобретать оборудование разных операторов, что скажется на уменьшении пространства размещения оборудования и облегчится управление сетью в целом, развертывая сетевую архитектуру IMS, поставщики услуг могут внедрять новые службы в существующую сетевую инфраструктуру. IMS обеспечивает надежную, удобную в использовании (с текстовой), голосовую и мультимедийную службы. IMS также дает возможность фиксированной и мобильной конвергенции.

II.            IMS архитектура

IMS является важной вехой в семействе сетей нового поколения (NGN), она может предоставлять услуги, не зависящие от технологии стандартного доступа. IMS отвечает за управление всеми связанными с обслуживанием вопросами, такими как качество обслуживания (Quality of Service, QoS), зарядка, контроль доступа, управление пользователями и услугами[2,3,4]. Для будущих телекоммуникационных услуг IP Multimedia Subsystem имеет большой потенциал для расширения и удовлетворения всех потребностей клиентов. IMS имеет три уровня: транспортный уровень, уровень управления IMS (для построения, изменения и завершения сеансов) - только для протокола SIP и уровень приложений(рис. 1).

IMS предлагает безопасные сеансы. QoS применяется с уровня IMS для переноса уровня с COPS(Common Open Policy Service). Услуги указаны, но не стандартизированы, а возможности стандартизированы, что делает услуги гибкими. Возможно взаимодействие с телефонной сетью общего пользования PSTN (Public Switched Telephone Network). Функция управления пограничным шлюзом (Border Gateway Control Function, BGCF) вводится для присоединения пользователей POTS(Plain old telephone service) к миру IP, что обеспечивает плавную миграцию, чтобы стать полноправным пользователем IP с совместимым с IMS. Пользователям POTS, подключенным к BGCF, предлагаются идентичные сервисы, доступные сегодня, предоставляемые сетями IMS [5]. Пользователи могут получить доступ к IMS и сервисам, предоставляемым сетью IMS, с помощью различных технологий доступа. Услуги могут предоставляться различным пользователям, так как многие из этих служб разработаны и доступны в сети IMS и не связаны с технологией доступа. Независимость технологий доступа позволяет операторам и разработчикам услуг разрабатывать и внедрять услуги, не зависящие от устройств доступа. Решение IMS является независимой технологией доступа и поддерживает следующие технологии беспроводного и проводного доступа, такие как сети голосовой и пакетной передачи данных PSTN, Wi-Fi, WiMAX, WLAN, UMTS, 2G и 3G, Cable, xDSL, CDMA, LTE и т.д.

I.                 Решение VoLTE

Сквозная передача голоса по LTE (E2E VoLTE) сочетает в себе хорошие возможности LTE, EPC и IMS, которые оптимизированы для приложений и сервисов следующего поколения, основанных на IP. Решение полностью проверено с помощью тестов, охватывающих сеть радиодоступа (Radio Access Network, RAN), EPC и IMS. Платформа для широкополосных беспроводных сетей All-IP 4G используется для поддержки голосовых вызовов в беспроводных сетях 4G, таких как Voice over LTE (VoLTE). IMS предоставляет инфраструктуру сигнализации на основе SIP для установления голосовых вызовов и сеансов мультимедиа по IP-сетям [6].

IMS с MMTel - это ключевые системы, позволяющие сделать голосовое обслуживание возможным и обеспечить требуемую телефонную систему для LTE [7, 8]. В технологии VoLTE требуется обновление программного обеспечения для сети LTE и базовой сети PS (Evolved Packet Core, EPC).

На рисунке 2 показано решение VoLTE и его интеграция с облачным сервисом. VoLTE позволяет абонентам размещать голосовые вызовы на основе IMS и отправлять текст (SMS) через персональное оборудование LTE, например, смартфоны, планшеты и ноутбуки. VoLTE предоставляет широкий спектр голосовых услуг операторам. Single Radio Voice Call Continuity (SRVCC) и расширенные возможности SRVCC обеспечивают передачу от LTE VoIP к 2G или 3G с коммутацией каналов голоса (Circuit-Switched ,CS), предоставляют экстренную службу с информацией о местоположении и обеспечивают глобальную совместимость современных голосовых услуг. Поставщики услуг также могут использовать одну и туже IMS, используемую в решении VoLTE, для взаимодействия с OTT(Over the Top) с помощью API IMS и Application Enablement. Для того, чтобы предложить услуги беспроводной IMS, операторы должны быть в состоянии соответствовать нормативным требованиям для аварийного и законного перехвата, гарантировать, когда пользователь перемещает вне зоны действия сети LTE, и позволят пользователям выполнять вызовы, когда они находятся за пределами своей домашней сети. Кроме того, абоненты IMS в беспроводной среде могут вызывать других пользователей IMS, других мобильных пользователей в PLMN, фиксированных пользователей IMS и пользователей в PSTN.

4G LTE - это технология широкополосного радиодоступа следующего поколения, основанная на пакетной передачи, для беспроводных сетей. Стандарты LTE взаимодействуют со всеми стандартами беспроводной сети, поддерживаемыми стандартными органами 3GPP и 3GPP2. Архитектура сети LTE включает компоненты eUTRAN(evolved Universal Terrestrial Radio Access Network) и EPC. Развитая универсальная наземная сеть радиодоступа (eUTRAN) является частью усовершенствованной и упрощенной сети радиодоступа LTE (RAN). EUTRAN содержит радиочастотные передатчики и приемники, используемые для непосредственного взаимодействия с пользовательским оборудованием (User Equipment, UE). ENodeB соединяет UE абонента (мобильное устройство) с сетью LTE.

Evolved Packet Core (EPC) представляет собой пакетную IP сеть для LTE. EPC переносит весь вид трафика (видео, голос и данные) в пакетной форме. Все сеансы данных eNodeB проходят через EPC, соединяющие UE с различными сетями пакетных данных (Packet Data Networks, PDNs). Примерами PDN являются Интернет, частные сети передачи данных. EPC состоит из четырех основных компонентов: Mobility Management Entity (MME), политики и правил зарядки (Policy and Charging Rules Function ,PCRF), обслуживающего шлюза (Serving Gateway ,SGW) и шлюза сетевых шлюзов (Packet Data Network Gateway ,PGW). MME обеспечивает управление мобильностью, управление сеансом и аутентифицирует UE. Он использует интерфейс S6a для аутентификации пользователя и данных абонента на сервере домашних абонентов (Home Subscriber Server ,HSS). PCRF поддерживает сетевое управление обнаружением, потоком данных, QoS на основе контроля качества обслуживания (Service Data Flow ,SDF), а также динамическим распределением ресурсов QoS и решением политик по обработке данных служб в PCRF (PGW / SGW). SGW маршрутизирует и пересылает пользовательские пакеты, а также выступает в качестве «якоря» мобильности для пользовательской плоскости передачи обслуживания LTE и передачи технологии радиодоступа (inter- Radio Access Technology ,RAT). Примеры inter-RAT передач включает в себя передачу обслуживания с LTE на CDMA или LTE на W-CDMA. PGW обеспечивает подключение сеанса UE к внешним сетям пакетной передачи данных. UE может иметь более одного активного сеанса с PGW для доступа к нескольким сетям пакетных данных (PDN). PGW также выступает в качестве опорной точки для не сетей 3GPP, такие как WiMAX. Из выше сказано можно сделать вывод что IP-телефония оказывается более дешевым решением как для оператора, так и для абонента. Происходит это благодаря тому, что:

• Традиционные телефонные сети (ТфОП) обладают избыточной производительностью, в то время, как IP-телефония использует технологию сжатия голосовых пакетов и позволяет полностью использовать емкость телефонной линии.

• Как правило, на сегодняшний момент доступ в глобальную сеть есть у всех желающих, что позволяет сократить затраты на подключение или совсем исключить их.

• Звонки в локальной сети могут использовать внутренний сервер и происходить без участия внешней АТС.

IP-телефония позволяет улучшить качество связи. Достигается это, опять же, благодаря трем основным факторам:

• Телефонные серверы постоянно совершенствуются и алгоритмы их работы становятся более устойчивыми к задержкам или другим проблемам IP-сетей.

• В частных сетях их владельцы обладают полным контролем над ситуацией и могут изменять такие параметры, как ширина полосы пропускания, количество абонентов на одной линии, и, как следствие, величину задержки.

• Сети с коммутацией пакетов развиваются, и ежегодно вводятся новые протоколы и технологии, позволяющие улучшить качество связи (например, протокол резервирования полосы пропускания RSVP).

Благодаря IP-телефонии очень элегантно решается проблема занятой линии, так как переадресация, либо перевод в режим ожидания могут быть осуществлены несколькими командами в конфигурационном файле на АТС.

I.                 Виртуализация в IMS сетях

Виртуализация в телекоммуникационной отрасли стала популярной в последние годы. Перенос экземпляров операционной системы с одного физического узла на другой является одной из наиболее важных характеристик этой технологии. Эта функция дает возможность сетевым администраторам разрешать серьезные проблемы как на аппаратном, так и на программном обеспечении в короткие сроки. Внедрение метода миграции в рамках проблемы перегрузки архитектуры IMS решена, решена и проблема качества обслуживания (QoS) для клиента IMS. Использование миграции значительно снижает задержки на 40% для регистрации и на 38% для настройки сеанса. Предлагаемая облачная инфраструктура может восстанавливаться после катастрофы в секундах, используя живую миграцию виртуальных машин. Облачная инфраструктура предлагает услуги динамического распределения ресурсов, балансировки нагрузки и защиты от стихийных бедствий. Используя VM-PM алгоритм и живую миграцию, механизм управления перегрузкой и консолидации для обеспечения высокого использования предоставленных физических ресурсов.

IMS QoS трех технологий беспроводного доступа, 3G, Wi-Fi и WiMAX, интегрированы в облачную вычислительную среду для предоставления различных услуг, таких как услуги VoIP и потоковая передача видео. Основная причина, по которой основная сетевая сеть Telecom по-прежнему не интегрирует облачные вычисления, заключается в том, что основной характеристикой облачных вычислений является предоставление лучших услуг, как это может быть, без гарантии качества QoS на уровне Telecom. Уровень надежности телекоммуникационной сети чрезвычайно важен для телекоммуникационных отраслей. Облако базовой сети Telecom должно быть преобразовано от традиционной платформы к платформе, которая может эффективно использовать общие ресурсы для обеспечения надежных услуг. Решения должны включать технологии виртуализации, такие как надежность и живая миграция. Amazon EC2 (Elastic Compute Cloud) основан на технологии виртуализации Xen [9]. Через разделение каждого региона на зоны доступности EC2 может завершить аварийное восстановление в облаке Amazon. Однако случайные сбои аппаратного и программного обеспечения могут по-прежнему оказывать серьезное влияние на крупномасштабные облачные сервисы. Надежность и решения для аварийного восстановления в облачных вычислениях - две основные проблемы. Механизм распределенного моментального снимка, который работает исключительно на сетевом уровне и обеспечивает отказоустойчивость для служб с сохранением состояния, предоставляемых несколькими виртуальными машинами (Virtual Machines, VM) [10].Такой подход применим к различным платформам виртуализации (например, VMware ESX, Xen и KVM [11]) и требует только живой поддержки миграции VM от базовой платформы виртуализации. Живая миграция - это основной метод виртуализации. Используя перенос в реальном времени, виртуальная машина может быть перемещена в кластере физического компьютера без отключения приложений клиентов. Решение Remus для гипервизора Xen в отличие от традиционных решений для резервного копирования, Remus основан на гипервизоре Xen и не требует дополнительного специализированного оборудования. Пока физическая архитектура поддерживает гипервизор Xen, ее можно использовать как резервное копирование Remus без изменений. Проще говоря, живой механизм миграции VM может синхронизировать состояния виртуальных машин в разных физических хостах с относительно низкой стоимостью. В отличие от традиционного механизма аварийного восстановления, основанного на проприетарных устройствах, живая миграция VM не требует дополнительных требований к физическому оборудованию, а также без каких-либо модификаций программного обеспечения. Это должно полностью учитывать характеристики телекоммуникационной сети. Главным образом, характеристики телекоммуникаций базовой сети, которые должны быть полностью учтены при восстановлении после аварии, существуют в двух отношениях. Во-первых, физические серверы, используемые в основной сети Telecom, являются гетерогенными. Для обеспечения совместимости со всеми физическими серверами необходима платформа виртуализации для обеспечения кросс-платформенного мониторинга данных гетерогенных физических серверов и набора общих API операций VM. Далее, чтобы снизить затраты, оператору Telecom нужны физические серверы, работающие при более высокой нагрузке.

II.            Заключение

В этой статье объяснено решение IMS и проанализировано его преобразование с новыми виртуализационными и облачными решениями. Поскольку IMS является независимым от доступа, он будет ключевой технологией в будущем вместе с упрощением требований к аппаратной платформе путем виртуализации. Решение IMS является очень гибким, чтобы легко адаптироваться к быстро развивающимся телекоммуникационным технологиям, где потребление данных уже является ключевым фактором в мире телекоммуникаций. Голосовая архитектура IMS предлагает стандартизованную модель, которая делает рынок независимым поставщиком для поставщиков услуг. Стандартизация модели IMS поддерживается широким спектром протоколов беспроводной и проводной линий, позволяет нам разрабатывать сервисы и реализовывать решение, не зависящее от устройств технологии доступа. Вместе с новыми концепциями виртуализации и облачности; Решение IMS является менее сложным для реализации, в значительной степени масштабируемым и экономически эффективным. Поскольку IMS имеет упрощенную модель с точки зрения сетевых объектов, в этой топологии становится более управляемой оркестровка голосовой сети. Чтобы управлять качеством обслуживания и снижать проблемы совместимости с доставкой голоса, что делает его экономически эффективным. Архитектура VoLTE объединяет лучшие функции стандартов LTE, EPC и IMS, и они оптимизированы для приложений и сервисов следующего поколения, основанных на IP. Решение VoLTE позволяет широкомасштабные речевые услуги на основе IMS для операторов услуг. И будущее телекоммуникации потребует большей пропускной способности для поддержки ожидаемого трафика и сопутствующих услуг. Поскольку IMS находится в ядре сети Telecom и взаимодействует с очень разнообразными технологиями доступа, управление основной сетью IMS имеет решающее значение.

Список литературы

1.                3GPP,           TS23.228           IP           Multimedia          Subsystem          (IMS)           (2014).           URL http://www.3gpp.org/DynaReport/23228.htm.

2. Liotta, A., Lin, L.: Managing P2P services via the IMS (2007).

3. Mao, G.F., Talevski, A., Chang, E.: Voice over Internet Protocol on Mobile Devices. In: 6th IEEE/ACIS International Conference on Computer and Information Science. ICIS, pp. 163-169 (2007).

4.   Masonta, M.T., Oyedapo, O.J., Kurien, A.M.: In: Proceedings of Broadband Communications, Third International Conference on Information Technology & Biomedical Applications, pp. 274-279 (2008).

5.   Nokia (former Alcatel-Lucent): IP Multimedia Subsystem, Solution Technical Description. Release 13 (2014).

6.   Makaya, C., Dutta, A., Das, S., Chee, D., Lin, F.J., Komorita, S., Yokota, H., Schulzrinn e, H.: Service continuity support in self-organizing IMS networks. In: 2nd International Conference on Wireless Communication, Vehicular Technology, Information Theory and Aerospace & Electronics Systems Technology (Wireless VITAE), pp.1-5 (2011).

7. Tabany, M.R., Guy, C.G.: Performance analysis and deployment of VoLTE mechanisms over 3GPP LTE- based networks. In: International Journal of Computer Science and Telecommunications, pp. 1-8 (2013).

8. ETSI: LTE, IP Multimedia (IM) Core Network (CN) subsystem IP Multimedia Subsystem (IMS) service continuity. In: ETSI TS 124.237 (2011).

9. Fakhfakh, M., Bedhiaf, I.L., Cherkaoui, O., Frikha, M.: High Availability in IMS Virtualized Network. In: Proceedings of IEEE COMNET, Conference on Communications and Networking (2009).

10. Kangarlou, A., Dongyan, X., Kozat, U.C., Padala, P., Lantz, B., Igarashi, K.: In-network live snapshot service for recovering virtual infrastructures. In: IEEE Network, vol. 25, pp. 12-19 (2011).

11. Kivity, A., Kamay, Y., Laor, D., Lublin, U., Liguori, A.: kvm: the Linux virtual machine monitor. In: Proc. of the Linux Symposium, pp. 225-230 (2007).