IMS时代运营支撑系统建设探讨

来源：计费&OSS世界  作者：周胜鹏    时间：2006年10月19日

3G发展简介
目前业界有三种3G标准：以GSM为基础发展起来的3GPP（Third Generation Project） WCDMA标准；以CDMA为基础发展起来的3GPP2（Third Generation Project2）CDMA2000标准以及TD-SCDMA标准。
3G/IMS标准发展历程如表达式所示。
表1  3G/IMS标准发展历程

本文以WCDMA标准为蓝本，探讨IMS时代计费系统的建设。
IMS概述
IMS（IP Multimedia Subsystem，IP多媒体子系统）在3GPP R5版本中首次定义，是基于IP技术、SIP融合语音、数据、移动、Internet的体系，IMS的目标是融合Internet和移动通信网络。当然，现在国际上对IMS需求更迫切的是拥有3G牌照的传统固网运营商（固定移动融合）。
1．IMS主要特点：
（1）接入无关性
由于IMS采用SIP（Session Initiation Protocol）作为最基本的会话信令控制协议，使得IMS具有与接入无关性、开放性、统一控制等特点。
（2）信令平面和媒体平面进一步分离

图1  IMS框架结构示意图
 
如图1所示，传输服务运行在IMS的信令层（CSCF等）、承载服务运行在承载层（SGSN和GGSN）。这样做的好处：可最小化各层之间的依赖性；方便新的接入网接入；接入的无关性，一种应用可以通过多种接入类型在UE（用户终端）上运行。
（3）IMS对现存网络是融合并存不是替代
可以通过SGW（信令网关）与CS（电路域）网络接入，通过MGW（媒体网关）与WLAN、ADSL等接入。
2．IMS的主要实体
IMS实体分为六种主要类型（见图2）：会话管理和路由类（CSCF、GGSN、SGSN）、数据库（HSS、SLF）、网间配合元素（BGCF、MGCF、IM-MGW、SGW）、服务（应用服务器AS、MRF-C、MRF-P）、策略支撑实体（PDF）和计费。
对运营支撑来说这六类实体最需要关注的是数据库实体（HSS、SLF）、策略支撑实体（PDF）和计费实体。

图2  IMS的体系结构示意图
 
3．HSS-Home Subscriber Server，归属用户服务器
（1）由2G的归属位置寄存器（HLR）演化而来，存放用户身份、注册信息、接入参数和服务触发信息
（2）用户身份包含两个部分：私人身份和公共身份
●私人身份：由归属域运营商分配，并用于注册、鉴权，相当2G IMSI。
●公共身份：其他用户用它来和该用户通信，相当于MSISDN，手机号。
（3）接入参数：用于建立会话，包括用户鉴权、漫游鉴权、已分配的S-CSCF名 、和触发服务信息。
（4）IMS接入参数用于会话建立（用户认证、漫游授权、分配S-CSCF的名字等）
（5）服务触发信息:SIP的服务触发信息。
（6）HSS提供各个用户对S-CSCF能力方面的特定要求，被I-CSCF挑选最合适的S-CSCF。
4．PDF（Policy Decision Function）
（1）PDF负责实现基于服务的本地策略（SBLP）控制，根据从P-CSCF处获得的会话和媒体信息来制定策略；
（2）在3GPP R5中，PDF是P-CSCF的一个逻辑实体，R6中PDF是一个独立的功能，分离后的PDF与P-CSCF间为基于Diameter协议的Gq接口、PDF与GGSN间为基于COPS协议的GO接口；
（3）存储会话和媒体相关信息（IP地址、端口号、带宽等）；
（4）生产授权令牌用于标识PDF和会话；
（5）在收到一个来自GGSN的承载授权请求时，根据相关信息提供授权决策；
（6）在会话变更过程修改会话及媒体信息时，更新相应的授权决策；
（7）有任何时刻强制废除授权决策的能力；
（8）有启动/禁止已授权的承载的能力；
（9）当承载从0KBIT/S上升、或下降到0KBIT/S给P-CSCF发更改通知；
（10）在GO接口进行ICID（IMS计费标识）、GCID（流计费标识）的关联。
IMS对运营支撑系统的影响
1．计费关联
计费关联并不是IMS时代的产物，在2G和2.5G时代就已经存在。例如，MMS（彩信业务）使用计次的事件计费方式，而流量计费（BCF）从GGSN中采集的是客户所发生的所有流量（GGSN并不能分辨是哪类业务发生的流量，这之中已经包含了MMS的流量），从精确计费的角度，必须核减去MMS流量，否则就会产生重复计费，也就产生了计费关联。
在IMS时代计费关联既普遍又复杂。IMS核心网的特点是控制层和用户层的分离，IMS会话管理实体（CSCF）并不了解IP连接实体（GGSN等）的业务流量，而IP连接实体也不了解IMS的会话状态。这就需要PDF和PEP（Policy Enforcement Point）来实现计费信息的交互。
使用IMS的计费标志符（ICID）和GPRS的计费标志符（GCID）的交换可以实现IMS和GPRS之间的计费关联。

图3  IMS（R5版本）计费关联过程示意图
 
IMS（R5版本）计费关联过程如图3所示。
（1）UE（用户终端）向P-CSCF发送SIP信令。
（2）P-CSCF接受初始INVITE，通过HASH计算得到全球惟一的ICID（IMS计费标识），向PDF转发相关的SDP（会话描述协议）信息，并指出会话的发起者。P-CSCF从PDF获得授权令牌（Token）。
（3）PDF对IP流进行记录（包括流标识符（GCID）、数据速率、QoS类别等）并授权。通过SDP参数映射到所授权的IPQoS参数而实现，并通过GO接口（COPS协议）传送到GGSN。
（4）UE为承载资源进行PDP上下报文的激活或更改时，必须执行将SDP参数映射到UMTSQoS参数，作为PDP上下报文context中的QoSProfile的内容。PDP的激活或更改还包括：PDF分配的授权令牌和流标识符（GCID用作绑定信息）。
（5）收到UE的PDP上下报文激活或更改请求，GGSN向PDF申请授权信息。PDF比较收到的绑定信息和分配的授权信息，并返回授权决策。如果绑定信息被验证是正确的，PDF将承载授权的信息告知GGSN，包括：与PDP上下报文相关的IPQoS和分组分类器。
（6）GGSN将授权的IPQoS映射为UMTSQoS，GGSN将此UMTS QoS与UE PDP上下报文激活或更改所请求的QoS进行比较，如果在PDF的授权范围内则PDP上下报文激活或更改被接受。
（7）IMS允许所建立的会话包含不同的媒体成分（例如：音频和视频），为了计费的目的所有媒体成分必须是唯一标识的，并且对于会话中的每个媒体成分进行单独计费。然而R5中的GGSN只能为PDP上下报文产生一个G-CDR，在一个PDP上下报文下不能区分不同媒体成分的业务流。
（8）在授权期间，PDF将ICID（IMSChargingID）传给GGSN，GGSN将GCID（GPRS Charging ID）传给PDF，通过GO接口交换ICIC和GCID计费标识符，实现计费关联功能（Charging Correlation）。把IMS会话层的计费信息和承载使用的计费信息绑定在一起。
上面的承载控制和计费控制是针对于GPRS/UMTS分组域特有的PDP上下报文Context，这种机制不适用于其它的接入网络。
2．IMS的计费模式
IMS体系既支持在线计费（OCS）、也支持离线计费（OFFLINE），OCS是指IMS实体（应用服务器（AS）、CSCF和GGSN等）与在线计费系统实时交互的过程，在此过程中OCS与用户账户实时交互，并控制或监控与服务有关的费用。离线计费主要在会话完成后收集计费信息，系统不能实时影响所使用服务的过程。针对不同的业务和客户群这两种计费模式将长期存在。
图4左边为离线计费系统、右边为在线计费系统。

图4  IMS的计费模式示意图
 
（1）离线计费
离线计费体系的核心是计费采集功能（CCF）和计费网关功能（CGF）。
●计费采集功能（CCF）
CCF通过DIAMETER协议接收来自IMS实体的计费信息，并对这些信息进行预处理（关联、合并和过滤不必要的话单，并将运营商的专有信息加到接收到的计费信息之中），构建实际的CDR并编排格式，将CDR通过文本的形式传递给计费系统，CCF具备CDR缓存功能。
●计费网关功能（CGF）
CGF与CCF的功能相同，只是CGF仅从SGSN和GGSN接收有效的CDR。
●BILLING系统
负责话单批价、账务处理和账务管理，在IMS时代最复杂的就是计费关联和核减计费。由于IMS的计费既支持事件计费，又支持会话计费和流量承载计费，在业务众多的情况下，核减计费的工作量特别大。
在IMS时代实现精确计费的代价非常大。由于不同的实体（如GGSN与SGSN）PDP（Packet Data Protocol）激活开始时间不尽相同（差距能达到毫秒级，甚至1秒），在收发流量时不同的实体会存在流量差异（最大可达数百字节）。另外终端加密、重复收费等都给精确计费带来了极大的难度。
●在线计费系统（OCS）
在线收费的类型有两种：立即收费（IEC）和单元预留收费（ECUR）。
对于事件计费中能定义清楚每次事件费率（如点一首歌，收费2元）的计费场景，通常采用IEC类型，从用户账号中扣减存款单元，然后授权MRFC（媒体资源功能控制器）、AS向用户提供业务。
对会话、流量等计费通常采用单元预留收费（ECUR），一次从用户账户中预扣一定的金额，授权MRFC（媒体资源功能控制器）、AS向用户提供业务，本次金额用完，通话还在继续，将再预扣一次。通话结束后，预留但没有使用完的金额实时返回客户账户。
OCS包括：ECF（事件计费）、SCF（会话计费）、BCF（承载计费）等计费类型。AS与MGFC通过RO（DIAMETER协议）接口向ECF发计费请求（ACR），ECF从用户账户扣除相应的费用，然后批准ACR,发出计费应答（ACA）。
SCF通过ISC（SIP协议）接口从S-CSCF接收到的请求进行计费，首先检查用户账户，预留一定的费用后，发计费应答（ACA）来控制会话的建立
在BCF过程中 SGSN、GGSN使用CAP（注：R7版本已经改为DIAMETER协议）向BCF发出请求，BCF首先检查用户账户，预留一定的费用后，发计费应答（ACA）来控制IPFLOW的建立。
在OCS中最复杂的也是计费关联和核减计费。
IMS计费的发展
IMS版本在不断的演进（最近已经推出R7版本），IMS的计费等应用系统也要与时俱进，不断发展。
1．IMS R5版本的局限性：
IMS R5版本发布后，其局限性逐渐凸现出来，主要表现在如下几方面：
（1）CSCF与SCF（会话计费）之间通过ISC（sip）直接相联，这里面需要添加部件
（2）R5承载计费是基于PDPCONTEXT，适用于一次PDP承载业务（如：消息、游戏、下载等），因目前二次PDP承载业务因终端数量有限，并占用手机终端的处理和存储资源，缩短终端电池寿命，因此不适用于二次PDP承载业务。
（3）由于PDP不能区别不同类型的IPFLOW，因此R5计费不适用于WLAN、xDSL、Cable等业务接入。
（4）PDPContext的激活和去激活，会大量增加GPRS/UMTS系统中的信令开销，并增加了业务建立的时延。
（5）只支持IPV6
2．IMS R6的改进：
针对R5计费方面的局限性，R6引入了FBC（flowbasedcharging），其优点：
（1）支持更灵活的业务模式
（2）使用基于PrimaryPDPContext的承载业务，不再依靠二次 PDP Context
（3）比R5中Go+SBLP（Service-based local policy）具有更好的业务适应性
（4）适用于其它的网络接入技术，如WLAN、xDSL、Cable等
（5）PDPcontext仅针对UMTS/GPRS，IPflow的概念具有通用性
FBC结构解决了承载层而不是应用层的计费问题，应用层CDR将在CSCF、ApplicationServer上产生。Ro/Rf用于向离线计费系统或在线计费系统传送应用层计费数据，包括：会话类型、会话的起始时间和终止时间、业务流使用信息。
3．IMS R7的演进：
在R7版本，FBC的进一步发展成PCC（PolicyandChargingControl）。
PCC基于FBC的架构来演进的，将R6中策略控制功能（PDF）和基于流的计费功能（FBC）合并成一个功能实体PCC（PolicyandChargingControl），并把R6中两个功能的相关接口融合。这样做既可以通过接口的融合提高通信效率，降低业务建立时延，还可以保证对GGSN/TPF（Traffic Plane Function）控制的一致性。
引入新的解决方案来解决承载与业务的绑定问题，不同于现有的SBLP使用授权令牌（token）的机制。而是基于流的策略控制，使用数据流模板TFT（TFT包含在PDPContext内）通过IP地址和端口号识别数据流，其方法与PDF识别IP流的方法类似。
运营支撑系统的发展趋势
1．IMS计费面临的挑战
IMS计费面临的挑战有如下几个方面：
（1）计费信息的关联、合并
IMS计费存在大量的计费关联，包括：IMS实体结点之间关联、IMS与IP CAN（IP接入网）之间关联、媒体成分级关联等。实现这些关联计费的成本很高。
（2）内容计费成为IMS计费中一个重要方面，基于内容价值的计费，业界还在探讨之中。
（3）实现承载流的字节级精确计费难度较高。
（4）与现场网络的融合难度较大，如：FMC（移动固定融合）、SP/CP等的融合难度都不小。
2．计费网络化（组件化、部件化）
IMS分层设计，使得计费采集点和控制点非常多，需要做大量的计费信息关联、合并，计费系统必须“瘦身”。计费部件可只根据业务类型作最简单的批价和基本的优惠，对于交叉优惠、产品组合优惠、峰顶赠送优惠等复杂的优惠由后续非实时的账务系统完成。
从IMS发展的角度看，IMS与计费系统的接口将逐渐一统为DIAMETER协议（文本除外）。在DIAMETER协议包中已经包含大量的计费信息，为计费标准化提供了物理基础。
随着3GPP、OSS/J等标准的逐步成熟和推行，计费部件网络化部署成为可能，
“在线计费”需要计费部件提供网络设备级的稳定性和可靠性。
计费已经被定义为IMS 6 大实体之一，不论是业务和技术的需要，还是协议标准的支撑，计费系统将逐渐向部件化和组件化演进，与网络侧的结合更为紧密，计费实体更像一个逻辑的网元设备。
3．IMS时代运营支撑系统的发展趋势
在IMS时代计费将向网络侧倾斜，传统的BSS将向BOMS（Business Operation Management System）演进，BSS的重心将向营销、CRM和服务等业务管理及分析转变。结合NGOSS的发展，运营支撑系统逐渐演变为CRM+BILING的体系架构。
随着计费向网络侧倾斜，BSS向管理和分析转型，逐渐将形成“网络＋管理”的IMS全网局面，如图5所示。
在理顺了BSS后，还有一个难题也就凸现出来，它就是内容管理。关于内容的存放、发布、定价、全网同步在IMS时代将是一个既棘手但又无法回避的难题，需要业界同仁足够的重视。

图5  运营支持发展趋势示意图
 
（作者单位：华为公司业务软件营销工程部运营支撑产品管理部）