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IMS中策略控制和基于流的计费融合演进的研究

韩磊 盛云鹏 2006/05/23

　　1． 引言

　　从目前移动通信的发展趋势看，IMS作为能够向用户提供增强型IP业务（主要是多媒体业务）的网络已经引起人们的广泛关注。IMS要求能够根据运营商的策略和用户的需求进行基于业务的策略控制，并且能够实现对不同业务数据流的计费（基于流的计费）。

　　3GPP在其R5/R6中对IMS的策略控制机制进行了规定，并在R6中规范了基于流的计费（FBC）技术。在当前的规范中，策略控制和基于流的计费属于两套不同的系统，有各自的功能实体及接口。然而从具体过程看，策略控制和基于流的计费有很多相似的功能，将其分立设置无疑增加了网络配置、实体功能的复杂性，导致了成本的增加，同时降低了控制的效率，影响了用户体验。因此，有必要考虑将两套系统进行融合。

　　本文首先探讨IMS网络中策略控制和FBC作为分立系统存在的问题，将二者进行融合的可行性，然后将着重分析以GPRS作为接入IMS的方式时，如何实现策略控制和FBC的融合。

　　2. IMS中策略控制和FBC作为分立系统存在的问题及融合可行性分析

　　2.1 IMS中的策略控制和FBC

　　3GPP提出的IMS实现了控制平面和用户平面的分离，然而这并不是说这两层完全的独立。因为没有控制平面和用户平面的交互，运营商将无法完成对用户面数据流的QoS、源/目的地址等的控制。在IMS中，控制平面和用户平面的交互是通过（基于业务）的策略控制完成的。策略控制的架构示意图如图1。

图1：策略控制架构示意图

图2：FBC架构示意图

　　通过IMS，运营商能够更加快捷经济地部署（多媒体）业务，增强用户体验。业务的多样性对于计费提出了新的要求，运营商期望能够实现对于不同业务流采用不同的计费规则。如果按照从前的仅仅以时长、流量等粗犷型的计费方式将无法满足新的需求。IMS中可以采用基于流的计费（FBC）技术。FBC可以完成对于不同业务数据流的计费，即使这些数据流属于同一个PDP上下文。FBC的架构示意图如图2。

　　2.2 策略控制和FBC作为分立系统存在的问题

　　在3GPP R6中，策略控制和FBC是作为分立的系统而存在的，有各自的功能实体及接口。这可能会带来下列问题：

　　（1） 网络配置、实体功能较为复杂：依据当前的规范，CRF、PDF等网元需要分别设置，相关接口独立存在，这无疑增加了网络配置的复杂性。另外，对于GGSN、P-CSCF等网元，由于需要与不同的实体（CRF、PDF）交互，完成不同的功能，这将使这些网元的实现更为复杂，可能带来诸如成本增加等一系列问题。

　　（2） 控制的实时性差，效率低： 策略控制和基于流的计费在功能上有很多相似性。例如，策略控制和基于流的计费都要完成对IP包的门控操作。如果二者分别进行，将使控制的实时性较差，效率降低，影响用户体验。

　　2.3 策略控制和FBC融合可行性分析

　　为了降低网络配置、实体功能的复杂性，改善控制的实时性和效率，考虑将策略控制和FBC进行融合，作为一个单一的系统而存在。基于下列原因：

　　（1） 功能的相似性为策略控制和FBC的融合提供了前提： 策略控制和FBC在功能上具有很多相似性，例如它们都需要实现承载和业务的绑定，都需要根据一定的策略完成对用户面数据流的操作（允许IP包的通过、丢弃等）等。

　　（2） 接口协议的相似性为融合提供了便利的条件： 根据R6规范，Rx（CRF和P-CSCF之间）和Gq（PDF和P-CSCF之间）接口采用相同的Diameter协议。虽然Go（PDF和GGSN之间）和Gx（TPF和CRF之间）接口使用的协议不同，但是鉴于功能的相似性，可以通过对某一接口协议的升级而支持另一接口的功能。

　　基于上述原因，将策略控制和FBC融合成一个单一的系统是可行的。

　　3． 策略控制和基于流的计费实现融合的架构

　　下图为策略控制和基于流的计费实现融合的网络架构示意图，可称之为策略和计费控制架构（PCC）。

图3： 策略控制和基于流的计费实现融合的网络架构示意图

　　如图所示：

• PDF和CRF融合为一个新的功能实体，称之为PCRF。


• 策略执行点（PEP）和用户面功能（TPF）合设。


• Gq接口和Rx接口融合为Rx+；


• Go接口和Gx接口融合为Gx+；

　　PCC架构下，主要实体的功能如下：

　　PCRF： 由图3可以看出，PCRF实体必须包括策略控制和基于流的计费控制功能。
PCRF根据来自P-CSCF的应用层业务信息，本地运营商的配置及用户签约，向GGSN提供QoS授权和基于流的计费规则，以及对于用户平面数据进行门控功能的决策（例如关闭门控功能，丢弃IP包）。

　　GGSN： GGSN根据PCRF提供的策略决策及计费规则，执行例如IP QoS到UMTS QoS的映射等相关的处理过程，并能够提供对业务数据流的侦测和计数以完成在线和离线计费功能。GGSN还需要完成下述功能：

　　（1） 对于在GGSN策略控制下的业务数据流，仅当门控功能开启时，数据流才可以通过。

　　（2） 对于在FBC控制下的业务数据流，仅当存在相应的激活的计费规则时，业务数据流才可以通过。GGSN必须能够确保其所丢弃的IP包（作为策略控制和基于流计费的结果）不会引起计费操作。

　　P-CSCF： P-CSCF向PCRF提供动态的业务信息（由SDP导出），以被PCRF用来选择适当的计费规则以及基于业务的本地策略。

　　4． PCC架构下IP包路由和转发的方式

　　策略控制和基于流的计费的关键是在策略和计费规则的控制下，实现IP包正确的路由和转发。本章将讨论PCC架构下，如何解决这一问题，这也是本文的重点。

　　3GPP R6中涉及IMS的数据流的映射方法主要有：IMS信令专用PDP上下文方法以及SBLP过滤器方法。

　　PCC架构应当能够将上述映射方法的特征进行统一，提供新的PCC过滤器。

　　关于上述3种数据流映射的方法参考下表：

表1: R6 IMS数据流映射方法与PCC方法的比较

　　如上表所示，在3GPP R6中，对于IMS信令以及IMS控制下的业务数据分别采用信令专用PDP上下文和SBLP方法实现绑定和映射。以下将分析如何通过PCC过滤器的方式支持IMS专用信令的映射，并将研究PCC架构中如何实现策略控制（注：因为PCC是实现融合的架构，故在这里，策略控制包括2.1小节中的策略控制功能和FBC）下业务数据的路由和转发。
　　4.1 IMS信令专用PDP上下文

　　对于IMS信令专用的PDP上下文，UE在PDP上下文激活请求中，在协议配置选项（PCO）中设置IMS信令标志。IMS信令专用PDP上下文应当具有一个TFT。
R6规范中规定，专用信令以TFT的格式描述，并且在GGSN中静态配置。
在PCC架构下：

1. PDP上下文激活时，GGSN应当向PCRF汇报PCO是否设置了“IMS专用信令标志”。
   
   
2. GGSN中具有一个预定义的PCC规则，其优先级高于其他的PCC过滤器规则。
   
   
3. 当收到PCO设置了“IMS专用信令标志”时，PCRF指示GGSN安装此PCC过滤器。

　　4.2 策略控制下业务数据的路由和转发

　　IMS一个显著的特点是网络可以对各种用户协商的多媒体业务进行控制（授权、拒绝及QoS降级等），并转发相应的用户业务数据。

　　实现策略控制下业务数据正确转发的前提是IP承载和业务的绑定。只要这样，策略控制才能将具体业务授权的IP QoS应用于特定的承载，而基于流的计费中的CRF才能向具有不同QoS的承载应用不同的计费规则。在3GPP R6中，IMS中的策略控制采用基于授权令牌的绑定机制，FBC采用UE IP地址加TFT的绑定机制。

　　本小节将分析R6中策略控制和FBC的绑定机制的特点，在此基础上研究PCC架构下，新的承载和业务数据的绑定机制，以实现业务数据的路由和转发。

　　4.2.1 基于授权令牌的绑定

　　如表1所示，R6中的IMS业务采用基于业务的本地策略（SBLP），SBLP通过基于授权令牌的绑定机制实现将承载授权请求和具体会话的业务信息实现绑定。授权令牌包括两方面的信息，PDF的地址和用于标识会话的ID。

　　基于授权令牌的绑定实现的过程如图4所示。

　　图4：基于授权令牌的绑定实现过程示意图

1. P-CSCF针对新会话，向PDF传递会话信息，并向PDF请求一个授权令牌。
   
   
2. PDF对申请的资源进行授权，并生成一个授权令牌返回给P-CSCF。
   
   
3. P-CSCF将授权令牌传递给UE
   
   
4. UE利用收到的授权令牌，向GGSN发起（次）PDP上下文激活请求。
   
   
5. GGSN收到授权请求后，根据授权令牌中的PDF标识，向适当PDF请求授权，请求中包含授权令牌。
   
   
6. PDF根据授权令牌中的会话ID识别相应的会话，按照2步中完成的授权向GGSN返回策略决策（包括授权的QoS，包分类器等）。

　　 基于授权令牌的绑定机制能够实现PDF中承载相关的请求和会话信息的快速绑定。但是，基于授权令牌的绑定机制也存在一定的缺点和局限性:

　　（1） 当前关于授权令牌机制的规范都假设存在SIP信令专用的PDP上下文，用次PDP上下文来承载IMS的媒体，而激活多个PDP上下文将是对终端资源很大的消耗。

　　（2） 对于仅存在一个PDP上下文的情形，使用基于授权令牌的绑定机制将很难实现策略控制。

　　在PCC的架构下，需要支持基于授权令牌的绑定机制主要是为了满足后向的兼容性。授权令牌的出现将取决于PCRF是否生成（令牌），以及UE的执行过程。

　　4.2.2 UE IP 地址 + TFT绑定机制

　　3GPP R6中的Gx接口（TPF和CRF之间）支持基于UE IP 地址 + TFT绑定机制。
TFT用于当多个PDP上下文共享一个PDP地址时，使GGSN可以采用TFT将分组数据单元分配给相应的PDP上下文进行传输。对于一个PDP地址（对应一个IP地址）至多存在一个PDP上下文没有指定TFT。

　　TFT由1到8个包过滤器所组成，每个包过滤器包括源地址和子网掩码、协议号、服务类别、源端口号/端口范围等参数。TFT加上UE IP通过以下步骤实现分组数据的映射和转发：
1. 当GGSN收到分组数据单元时，GGSN进行包过虑器的查找，当检索到匹配的包过滤器时，就在与此包过滤器所在的TFT相关联的PDP上下文中传输。
2. 如果没有检索到匹配的包过滤器，则分组数据单元在没有分配TFT的默认PDP上下文中传输。
3. 如果没有检索到匹配的包过滤器，且不存在默认的PDP上下文，则分组数据单元被丢弃。
　　TFT过滤信息加上UE IP地址可以用于为特定PDP上下文选择策略/计费规则。

　　4.2.3 PCC架构下的绑定机制及分组数据的路由和转发

　　相对于基于授权令牌的绑定机制，TFT+UE IP的绑定机制可以完成一个或多个PDP上下文时的策略控制和基于流的计费，且相对Go接口，Gx接口采用的Diameter协议比较容易扩展升级而支持策略控制功能。 因此本文将TFT＋UE IP地址的绑定机制作为IMS中实现了策略控制和基于流的计费的PCC架构的承载和业务绑定机制。

　　在PCC架构下，UE向GGSN提供TFT，PCRF按照TFT指明的优先级分析所有的TFT过滤器。当找到第一个匹配的TFT过滤器时，PCRF根据来自P-CSCF的业务信息和计费规则或一些本地配置的信息进行策略控制，确定PCC过滤器，并提供给GGSN，GGSN在PCC过滤器的控制下完成业务数据的路由和转发。

　　4.3 小结

　　PCC架构下，GGSN将来自UE的TFT过滤器，授权令牌以及PCO IMS信令配置报告给PCRF。PCRF根据来自P-CSCF的业务信息和计费规则或本地配置的信息，实现承载和业务数据的正确的绑定，向GGSN安装PCC过滤器，GGSN在PCC过滤器的控制下完成分组数据（IP包）的路由和转发。

　　5. 协议支持

　　从3GPP R6关于Gq/Go，Rx/Gx接口的规范情况看，实现接口的融合，采用统一的协议不难实现。

　　根据R6规范，Rx和Gq接口采用相同的Diameter协议（RFC3588）。Rx只是在Gq协议的基础上，增加了一些描述签约用户ID及应用计费标识等AVP. 因此融合的Rx+接口基本可以按照Rx接口的定义实现。

　　对于Go和Gx接口，目前的规范中两者采用不同的协议。如本文上一章所述，相对于Go接口的COPS协议，Gx接口的Diameter协议和Diameter信用控制应用更容易实现升级和扩展。因此，实现融合的Gx+接口采用的协议可以通过对Gx接口协议的升级来实现。需要增加的AVP，主要是包括带宽、QoS等级等。

　　6. 结论及建议

　　鉴于IMS网络中，策略控制和基于流的计费的功能和过程的相似性，本文讨论了将二者进行融合的思路。通过本文的讨论，可以得出以下结论和建议：

　　（1） 实现策略控制和基于流的计费融合的PCC架构是可行的；

　　（2） PCC架构可以采用由UE提供TFT，PCRF根据TFT、业务信息及计费策略生成PCC过滤器，GGSN按照PCC过滤器的控制实现用户数据的路由和转发。

　　（3） 在具体的接口协议的支持上，融合的Rx+接口和Gx+接口可以考虑在Rx和Gx接口的基础上，增加相关的AVPs实现。

　　尽管如此，PCC架构的实现仍然是一个比较复杂的问题，需要考虑诸如如何更好的实现后向兼容，如何实现PCC控制下的业务和非PCC控制的业务的并发传输，TFT加UE IP的绑定方式如何实现对上行数据流的映射等难点问题。关于PCC，3GPP会在R7版本中进行规范和完善。

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