IMS là một kiến trúc được thiết kế nhằm mục đích chuyển tiếp các dịch vụ đa phương tiện qua các mạng di động và IP, sử dụng cùng một loại giao thức chuẩn cho cả các dịch vụ di động cũng như IP cố định. IMS ban đầu được 3GPP định nghĩa và phiên bản đầu tiên được thiết kế riêng cho mạng di động để triển khai các ứng dụng IP trên mạng di động 3G. Tuy nhiên, ngày nay các phiên bản kế tiếp của IMS đã được định nghĩa độc lập với phần truy nhập và không còn giới hạn trong phạm vi mạng di động.

Hiện nay, IMS là sự lựa chọn tối ưu cho việc cung cấp dịch vụ hội tụ và đa phương tiện, cũng như cho phép cung cấp các dịch vụ IP trên cả mạng di động và cố định với QoS được đảm bảo. Tại Việt Nam, một số doanh nghiệp đã và đang cung cấp các dịch vụ mạng NGN cũng nhận thấy nhu cầu phát triển công nghệ hội tụ mạng cố định và di động trong một hạ tầng mạng thống nhất là cần thiết. Với những nhu cầu và xu hướng công nghệ trên cần phải nghiên cứu triển khai kiến trúc IMS trên mạng viễn thông Việt Nam là cần thiết; trong đó, QoS là một vấn đề quan trọng cần được xem xét khi triển khai IMS.

Bài báo này giới thiệu các cơ chế cung cấp chất lượng dịch vụ trong phân hệ IMS, và các thủ tục điều khiển QoS cho cả IMS di động và cố định.

Giải pháp cho việc quản lý QoS trong IMS là quản lý mạng dựa trên chính sách (PBNM). PBNM quản lý tài nguyên trên cả mức phiên và mức kênh mang. PBNM cho phép nhà điều hành mạng tạo các quyết định cấp phát tài nguyên dựa trên các chính sách mức cao mà không cản trở việc quản lý IP-CAN. Phần tử quan trọng trong kiến trúc này là thực thể logic có giao diện tới mặt phẳng báo hiệu và tới mặt phẳng kênh mang để cung cấp liên kết và đồng bộ giữa hai mặt phẳng. Nút trung gian này đã được định nghĩa bởi một số chuẩn và với các tên chức năng khác nhau bao gồm máy chủ chính sách PS (policy server), chức năng điều khiển chấp nhận và tài nguyên RACF (Resourse and Admission Control Function) và quản lý băng thông BM (Bandwidth management); trong 3GPP R6 được gọi là chứ năng quản lý chính sách PDF (policy decision function).

Khi UE thiết lập một phiên IMS (Hình 1), nó sẽ gửi các bản tin giao thức khởi tạo phiên SIP qua các IMS proxy. P-CSCF sẽ kiểm tra các bản tin này và khi có thể sẽ biên dịch trường SDP (giao thức mô tả phiên) của các bản tin SIP sang thông tin dịch vụ. Thông tin dịch vụ này được chuyển tới PDF sử dụng giao diện DIAMETER xác định, được biết đến là giao diện Gq. Khi nhận được thông tin dịch vụ, PDF tra cứu kho các chính sách được định nghĩa sẵn và tạo quyết định có cho phép phiên đó được thực hiện hay không. Dựa trên các chính sách đó, PDF gán các tham số QoS cho mỗi phiên và phải ánh xạ các tham số đó vào thông tin cấu hình cụ thế tới mạng truy nhập kết nối IP (IP-CAN) trong mức kênh mang. Các tham số cấu hình QoS này được đẩy tới các thực thể mà thực hiện QoS trong mức kênh mang đó là các điểm thực thi chính sách PEP (Policy Enforcement Point). PEP đóng vai trò như một cổng cho phép các luồng IP được nhận thực sử dụng các tài nguyên mạng, và ngăn chặn các luồng không được nhận thực. Giao diện giữa PDF và PEP là giao diện Go và sử dụng giao thức chính sách dịch vụ mở COPS (Common Open Policy Service Protocol) để truyền thông tin chính sách.

 

Hình 1 Cung cấp QoS dựa trên chính sách trong 3GPP IMS

 

Trong khi PBNM đã được chọn như là cơ chế QoS cho IMS, nhưng định dạng thực tế của kho chính sách và quy trình cấp phát tài nguyên không được chỉ rõ trong 3GPP; Cơ chế quyết định sẽ do nhà điều hành mạng chỉ định. Đầu vào cho một quyết định bao gồm thông tin liên quan đến dịch vụ như kiểu phương tiện, bộ mã hóa giải mã, băng tần,… Kho dữ liệu đặc tả thuê bao SPR (Subscription Profile Repository) đã được đề xuất để cung cấp đầu vào cho cơ chế quyết định; thực thể này sẽ lưu thông tin mô tả thuê bao và chuyển tới PDF. Một trong những logic để quyết định là: xem xét đến khía cạnh ai là người đang cố gắng thiết lập phiên đó, kiểu phiên đang thiết lập là gì và khi nào họ đang cố gắng thiết lập phiên đó. Cụ thể:

-           Cả UE khởi tạo và kết cuối đều phải được đăng ký thuê bao

-           Cả UE khởi tạo và kết cuối phải được nhận thực cho lớp QoS được yêu cầu

-           Cả UE khởi tạo và kết cuối phải được nhận thực cho dịch vụ cụ thể; quyết định này yêu cầu thông tin thuê bao từ SPR

-           Cả miền khởi tạo và kết cuối phải có khả năng xử lý các yêu cầu băng thông và phương tiện; quyết định này yêu cầu thông tin từ IP-CAN tương ứng

-           Lớp QoS được yêu cầu phải có khả năng xử lý các yêu cầu băng thông và phương tiện

Nếu tất cả các quyết định này thành công, phiên đó được phép thiết lập và các tài nguyên liên quan được cấp phát trong kho dữ liệu PDF. PDF phải giữ thông tin của tất cả các phiên và thông tin dịch vụ để có khả năng tạo các quyết định được khai báo về trạng thái mạng; do đó mỗi phiên và các luồng IP liên quan của nó phải được lưu trong kho dữ liệu. Một yêu cầu khác là khả năng biến đổi logic chính sách theo thời gian, ví dụ nhà điều hành mạng có thể giảm các ràng buộc băng tần theo giờ. Cấu trúc chính sách này sẽ cho phép nhà điều hành mạng thực hiện một cách mềm dẻo trong khi vẫn cung cấp nền tảng cho việc kiểm tra điều khiển chính sách QoS.

Khi quyết định liệu có cho phép một phiên được thiết lập hay không đã được thực hiện, logic này phải được thực thi trong lớp kênh mang nơi mà QoS được thực hiện. Có hai mô hình thực hiện yêu cầu tuyến kênh mang có đảm bảo QoS, đó là QoS được thực hiện tại điểm cuối và QoS được thực hiện khi phục vụ.

Trong mô hình QoS được thực hiện tại đầu cuối, các UE thông minh có thể tạo các yêu cầu tài nguyên từ mặt phẳng kênh mang của chúng, các yêu cầu này có thể là đầu cuối-đầu cuối hoặc là một đoạn của tuyến đầu cuối-đầu cuối. Tiêu biểu là mô hình này sử dụng các giao thức chiếm giữ tài nguyên như RSVP. NSIS (Next Step in Signaling) đang chuẩn hóa một giao thức báo hiệu IP với báo hiệu QoS với dự định sử dụng lại các cơ chế RSVP nhưng phát triển một mô hình báo hiệu chung và đơn giản hơn.

Trong mô hình QoS được thực hiện khi phục vụ, các thực thể liên quan đến phiên IMS tạo yêu cầu cung cấp các tài nguyên. Trong suốt quá trình thiết lập phiên, P-CSCF tách thông tin dịch vụ khỏi bản tin SIP và chuyển tới PDF. P-CSCF biết khi nào các tài nguyên này được yêu cầu trên lớp kênh mang và chuyển thông tin đó tới PDF để tạo các tham số cấu hình QoS và chuyển sang PEP để thực hiện. Tiêu biểu là mô hình sử dụng các cơ chế ưu tiên (như DiffServ và MPLS) thay vì chiếm giữ tài nguyên trước.

Cả hai mô hình này được 3GPP sử dụng cho việc đảm bảo QoS, nhưng mô hình QoS được thực hiện tại đầu cuối được sử dụng nhiều hơn. Tuy nhiên, có một số vấn đề làm cho mô hình này không thực hiện được với các IP-CAN khác truy nhập tới IMS. Khi các tài nguyên kênh mang được yêu cầu bởi điểm đầu cuối, nó cần có chức năng để biên dịch các tài nguyên lớp dịch vụ thành các tài nguyên kênh mang; không có cơ chế chuẩn hóa nào thực hiện điều đó và nó ngược với nguyên lý tách các thủ tục lớp lõi khỏi mạng truy nhập. Do đó, QoS thực hiện khi phục vụ phù hợp hơn trong môi trường mạng hỗn hợp sử dụng kiến trúc IMS.

Để có sự phối hợp đúng đắn giữa tài nguyên kênh mang và điều khiển QoS, tất cả các phần tử mạng liên quan đến tiến trình phải có khả năng nhận dạng phần tử khác và theo cách này tạo ra mỗi kết nối cho mỗi phiên. 3GPP chỉ rõ các token nhận thực là cơ chế kết nối trong IMS. Trong cơ chế này, PDF tạo ra cấu trúc dữ liệu gọi là token trong suốt quá trình thiết lập phiên; token này chứa nhận dạng duy nhất mà PDF có thể ánh xạ tới phiên cụ thể. Token này được chuyển tới P-CSCF để chuyển tới UE trong báo hiệu SIP. UE chuyển token vào trong mạng theo tuyến kênh mang, cho phép các tài nguyên kênh mang được gán tới một phiên xác định.

Một phương pháp kết nối khác là nhận dạng dựa trên nhận dạng người sử dụng, cho phép phối hợp với các phần tử điều khiển QoS mà không sử dụng cấu trúc dữ liệu token. Phương pháp này sử dụng nhận dạng của người sử dụng để nhận dạng miền nội bộ và các phần tử QoS liên quan. Các tài nguyên mức kênh mang được gán tới phiên xác định dựa trên miền của người sử dụng đó.

Điều khiển QoS đầu cuối-đầu cuối đảm bảo QoS của dịch vụ truyền số liệu trên toàn bộ mạng. Nhờ vào khả năng này, nhà cung cấp mạng có thể cung cấp các lớp dịch vụ khác nhau dựa trên các yêu cầu ứng dụng cụ thể.

Điều khiển IMS QoS có lợi cho cả thuê bao và nhà cung cấp dịch vụ:

-        Đối với thuê bao: họ có thể cá nhân hoá QoS của các dịch vụ IMS dựa trên các ứng dụng và nhu cầu cụ thể

-        Đối với nhà cung cấp dịch vụ: có thể cấp phát các tài nguyên mạng một cách thích hợp để cải thiện việc sử dụng tài nguyên và QoS. Và với các kiểu dịch vụ khác nhau, họ có thể làm theo yêu cầu của khách hàng để có các sơ đồ hoạt động khác nhau và sơ đồ tính cước khác nhau.

Đối với IMS cố định, phân hệ quản lý tài nguyên (RMS) tương tác với P-CSCF và C-BGF để thực hiện điều khiển QoS. Chức năng quyết định chính sách dựa trên dịch vụ (SPDF) lấy thông tin từ P-CSCF qua giao diện Gq' và biến đổi thông tin đó thành các quyết định. Dựa trên các quyết định này, SPDF thực hiện các chức năng như cấp phát tài nguyên, sửa đổi cấp phát tài nguyên, huỷ bỏ cấp phát tài nguyên, xác nhận chiếm giữ kênh mang, điều khiển cổng và huỷ bỏ cấp phát kênh mang.

 

 

Hình 2 Cấu hình mạng cố định sử dụng phân hệ IMS

Mô tả quá trình điều khiển QoS:

1. Khi thuê bao đang yêu cầu một địa chỉ IP, BRAS gửi thông tin vị trí của thuê bao đó tới hệ thống quản lý thông tin đi kèm AIM (Attachment Information Management System).

2. AIM nhận được thông tin QoS của thuê bao. Sau khi thuê bao đạt được địa chỉ IP và đã được nhận thực, AIM gửi thông tin vị trí và thông tin QoS của thuê bao tới RMS qua giao diện E4.

3. Sau khi thuê bao đó khởi tạo đăng ký với IMS, P-CSCF lấy được thông tin như là địa chỉ báo hiệu và thông tin nhận dạng của thuê bao đó từ CLF và ghi lại thông tin đó. P-CSCF cũng xác định ID của mạng truy nhập mà thuê bao đó truy nhập để tới IMS, dựa trên địa chỉ IP nguồn chứa trong yêu cầu đăng ký. Sau khi đăng ký thành công, ID mạng truy nhập và thông tin vị trí thuê bao sẽ được lưu lại như là dữ liệu đăng ký thuê bao.

4. Sau khi thuê bao khởi tạo yêu cầu dịch vụ, P-CSCF hoàn thành các công việc sau đây:

-        Dựa trên ID mạng truy nhập đã lưu, P-CSCF lấy địa chỉ IP của CBGF và SPDF.

-        P-CSCF lấy thông tin SDP từ bản tin SIP, bao gồm kiểu phương tiện và sơ đồ mã hoá, và biến đổi thông tin SDP thành QoS của dịch vụ IMS. Dựa trên QoS, P-CSCF khởi tạo yêu cầu cấp phát QoS tới SPDF. Yêu cầu này mang thông tin thuê bao bao gồm địa chỉ IP của UE và kiểu phương tiện.

5. SPDF chuyển tiếp yêu cầu cấp phát tới A-RACF nếu điều khiển truy nhập tài nguyên được yêu cầu. A-RACF phân tích cách sử dụng tài nguyên của mạng truy nhập và thông tin mô tả nội bộ của thuê bao và cung cấp kết luận về độ khả dụng tài nguyên của mạng đó cho yêu cầu này. Cuối cùng SPDF quyết định liệu có chấp nhận yêu cầu cấp phát QoS dựa trên độ khả dụng tài nguyên mạng và hồ sơ nội bộ. Nếu có, SPDF thông báo cho A-RACF để chiếm giữ tài nguyên mạng và phân phối các chính sách tới C-BGF để thực hiện.

Chú ý: Nếu A-RACF không tìm thấy thông tin mô tả thuê bao thì nó tương tác với AIM để lấy thông tin vị trí và thông tin mô tả thuê bao đó. Trong IMS cố định, A-RACF không tương tác trực tiếp với BRAS, và thay vì thế nó tạo ra cách sử dụng tài nguyên mới nhất dựa trên cấu hình tài nguyên mạng ban đầu và các bản ghi cách sử dụng tài nguyên được thu thập trong suốt thời gian hoạt động.

6. Sau khi yêu cầu cung cấp QoS được chấp nhận và các tài nguyên mạng truy nhập được chiếm giữ, cuộc gọi được kết nối. C-BGF đánh dấu các điểm mã các dịch vụ khác nhau (DSCPs) cho lưu lượng luồng lên và cho phép CAR và tạo kiểu lưu lượng cho lưu lượng luồng dưới. Theo các này, C-BGF cho phép chỉ luồng phương tiện hợp pháp được truyền qua.

7. Sau khi cuộc gọi kết thúc, P-CSCF cung cấp thông tin cho SPDF để giải phóng phiên đó. SPDF giải phóng tài nguyên mạng và thông báo tới C-BGF để xoá các chính sách động.

Trong mạng sử dụng phân hệ IMS dựa trên kênh mang IP, dựa trên thông tin chính sách từ P-CSCF, PDF và PCRF tạo ra các quyết định chính sách và các chức năng thực thi bao gồm cấp phát tài nguyên phương tiện, cập nhật tài nguyên phương tiện, hủy bỏ tài nguyên phương tiện, xác nhận chiếm giữ kênh mang, cho phép và làm vô hiệu hóa cổng, và chỉ thị giải phóng kênh mang.

Trong mạng di động sử dụng phân hệ IMS dựa trên SBLP trong R7 của 3GPP, PCRF hỗ trợ đầu cuối không dây PDP thứ cấp. PCRF còn hỗ trợ đầu cuối không dây PDP sơ cấp trong mạng hiện có. Trong mạng di động sử dụng phân hệ IMS (theo R7 của 3GPP), thủ tục điều khiển QoS cho đầu cuối không dây PDP thứ cấp giống như trong R6. Trong phần này mô tả thủ tục điều khiển QoS cho đầu cuối không dây, giao thức dữ liệu gói PDP sơ cấp trong mạng dựa trên chính sách nội bộ dựa trên dịch vụ SBLP hiện có.
 

 

Hình 3. Điều khiển QoS trong mạng sử dụng phân hệ IMS trong R7 của 3GPP

GGSN lấy thông tin QoS của thuê bao từ HLR. Thông tin QoS của thuê bao được sử dụng cho việc điều khiển truy nhập khi PDP được tạo ra.

Mô tả:

1. UE khởi tạo yêu cầu kích hoạt PDP sơ cấp. GGSN yêu cầu chính sách khởi tạo từ PCRF.

2. UE gửi báo hiệu SIP tới P-CSCF để yêu cầu dịch vụ IMS.

3. P-CSCF biến đổi thông tin SDP từ bản tin SDP thành thông tin QoS của dịch vụ IMS. PCRF khởi tạo yêu cầu cho phép QoS.

4. Dựa trên chính sách nội bộ, PCRF cho phép dịch vụ đó và phân phối chính sách IP QoS được tạo ra tới GGSN để cập nhật.

5. GGSN ánh xạ IP QoS được phép thành UMTS QoS và khởi tạo yêu cầu cập nhật PDP sơ cấp có chứa các tham số UMTS QoS được cấp.

6. Dựa trên các tham số UMTS QoS này, UTRAN cấp phát lại băng tần.

7. Sau khi PDP sơ cấp được cập nhật, GGSN gửi trả lời thành công tới PCRF.

8. PCRF gửi bản tin thành công cấp QoS tới P-CSCF.

9. Khi các dịch vụ IMS hoàn thành, chính sách QoS được hủy bỏ và các tài nguyên mạng được giải phóng.

[1] ETSI TS 123 218 V7.9.0 (2008-06): Digital cellular telecommunications system (Phase 2+); Universal Mobile Telecommunications System (UMTS); LTE; IP Multimedia (IM) session handling; IM call model; Stage 2

[2] ETSI TS 123 228 V8.8.0 (2009-03): Digital cellular telecommunications system (Phase 2+); Universal Mobile Telecommunications System (UMTS); LTE; IP Multimedia Subsystem (IMS); Stage 2 (3GPP TS 23.228 version 8.8.0 Release 8)

[3] ETSI ES 282 007: Telecommunications and Internet converged Services and Protocols for Advanced Networking (TISPAN); IP Multimedia Subsystem (IMS); Functional architecture

[4] ETSI TS 182 006: "Telecommunications and Internet converged Services and Protocols for Advanced Networking (TISPAN); IP Multimedia Subsystem (IMS); Stage 2 description (3GPP TS 23.228 v7.2.0, modified)".

[5] Liao Yueming and Wang Song, Study on NGN Service Development, HUAWEI TECHNOLOGIES APRIL 2005 . ISSUE 16

[6] P. Dauchy et al, “QoS- and Service-Based Local Policy Control for UMTS Multimedia”, Alcatel Telecom Review, http://aww.alcatel.com/group/cto/tm/atr/public/documents/2003q4/ 2003q4_18_us.htm.

[7] Richard Good và Shengyao Chen, Critical Issues for QoS Management and Provisioning in the IP Multimedia Subsystem, 2008, Springer Science+Business Media, LLC 2008

[8] Rebecca Copeland, "Converging NGN Wireline and Mobile 3G Networks with IMS: Converging NGN and 3G Mobile", Auerbach Publications | 2008 | ISBN

[9] Resnick, P., "Internet Message Format", RFC 2822, April 2001.