Моделирование сервисов Push-to-Talk в реальном времени в архитектуре IMS
Министерство образования и науки Республики Казахстан
Карагандинский государственный университет
им. академика Е.А. Букетова
Балтабаев К.Е.
Моделирование сервисов Push-to-Talk в реальном времени в архитектуре IMS
ДИПЛОМНАЯ РАБОТА
Специальность 5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации
Караганда 2020
Министерство образования и науки Республики Казахстан
Карагандинский государственный университет
им. академика Е.А. Букетова
Допущен к защите
Зав. кафедрой
радиофизики и электроники
_______________А.К. Тусупбекова
ДИПЛОМНАЯ РАБОТА
Моделирование сервисов Push-to-Talk в реальном времени в архитектуре IMS
по специальности 5В071900 – Радиотехника, электроника и
телекоммуникации
Выполнил: К.Е. Балтабаев
Научный руководитель
Профессор К.Т.
Ермаганбетов
Караганда 2020
Карагандинский государственный университет
им. академика Е.А. Букетова
Факультет физико-технический
Специальность 5В071900 Радиотехника, электроника и телекоммуникации
Кафедра радиофизики и электроники
.
УТВЕРЖДАЮ
Заведующий кафедрой
__________________________
____ _____________
2019г.
ЗАДАНИЕ
на выполнение дипломной работы
Студенту Балтабаеву К.Е.
.
Ф.И.О.
3 курс, РТК-304 сп, 5В071900 – РЭТ, заочное
.
курс, группа, специальность, форма обучения
1. Тема дипломной работы (проекта) "Моделирование сервисов Push-to-Talk в
реальном времени в архитектуре IMS"
утверждена приказом ректора от 2019 г. №
2. Срок сдачи студентом законченной работы 21 апреля 2020 г.
3. Исходные данные к работе (законы, литературные источники, лабораторно-
производственные данные) Объект исследования - сервис Push-to-Talk в
сотовой связи. Язык моделирования GPSS.
4. Перечень вопросов, подлежащих к разработке в дипломной работе (проекта)
1. Инфокоммуникационные услуги как объект моделирования. 2. Алгоритм услуги
Push-to-Talk в архитектуре IMS. 3. Разработка программной модели услуги
Рush-to-Тalk на GPSS. 4. Безопасность жизнедеятельности (определение
потенциально вредных для здоровья факторов, расчет искусственного
освещения, анализ пожарной безопасности и т.д.).
5. Перечень графических материалов (чертежи, таблицы, диаграммы и т.д.)
Архитектура IMS, Логическая структура декомпозиции шлюза в IMS, Обобщенная
схема PoC сети, Схема обслуживания заявок.
6. Перечень основной рекомендуемой литературы Боев В.Д. Моделирование
систем. Инструментальные средства GPSS World. – Санкт – Петербург, 2004,
668 с., Д. Н. Шевченко, И. Н. Кравченя Имитационное моделирование на
GPSS. - Гомель, 2007, 810 с., Кудрявцев Е.М. GPSS World. Основы
имитационного моделирования различных систем. – ДМК Пресс, 2004, 647 с.
7. Консультации по работе (с указанием относящихся к ним разделов работы)
Номер, название Научный Сроки Задание Задание
раздела, главы руководитель, получения выдал принял
консультант задания (подпись) (подпись)
Инфокоммуникационные К.Т. Ермаганбетов 07.02.2020
услуги как объект
моделирования
Алгоритм услуги К.Т. Ермаганбетов 21.02.2020
Push-to-Talk в
архитектуре IMS.
Разработка К.Т. Ермаганбетов 01.03.2020
программной модели
услуги Рush-to-Тalk
на GPSS
8. График выполнения дипломной работы (проекта)
№ пп Этапы работы Сроки Примечание
выполнения
этапов работы
1 Утверждение темы дипломного 12.09.2019
проекта
2 Сбор материалов для подготовки 07.02.2020
дипломного проекта
3 Подготовка теоретической части 18.02.2020 До отъезда на
дипломной работы (проекта) (Глава практику
1)
4 Подготовка аналитической части 28.02.2020 Во время практики
дипломной работы (проекта) (Глава
2-3)
5 Завершение чернового варианта 27.03.2020 На первой неделе
полного текста дипломной работы после окончания
(проекта) практики
6 Предоставление дипломной работы 11.04.2020 Во время обзорных
(проекта) на предзащиту лекций
(консультаций)
7 Предоставление дипломной работы 02.05.2020
(проекта) на рецензию
8 Предоставление окончательного 12.05.2020
варианта дипломной работы
(проекта) с отзывом научного
руководителя и рецензий
9 Защита дипломной работы (проекта)11.06.2020 В соответствии с
расписанием ГАК
Дата выдачи задания 24 октября
2019г.
Научный руководитель ________ к.т.н., профессор
Ермаганбетов К.Т.
(подпись) Ф.И.О., ученое звание,
должность
Задание принял к исполнению________________
Балтабаев К.Е.
(подпись)
Ф.И.О.
Содержание
Введение ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... . 13
Инфокоммуникационные услуги как объект моделирования ... ... ... 17
Предпосылки появления IMS ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 17
Концепция IMS ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 18
Функциональная архитектура IMS ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 18
Технологии доступа к сети IMS ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
Протоколы поддержки IMS ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
Обзор и анализ услуг IMS ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 29
Функциональные возможности IMS для организации услуг связи ... . 29
Обзор услуг IMS ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 30
Технология Push-to-Talk ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 31
Поддержка возможности Push-to-Talk по сотовой связи ... ... ... ... ..
Использование в IP сетях ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
Разработка программной модели услуги Рush-to-Тalk на GPSS ... ... . 34
3.1 Расчет вероятностно-временных характеристик услуги Рush-to-Тalk 35
3.2 Модель услуги Push-to-Talk на GPSS ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 36
3.3 Программирование на языке GPSS для моделирования услуг IMS ...
3.4 Сравнение результатов расчета и моделирования услуги Рush-to-Тalk
4 Охрана труда и техника безопасности ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 69
4.1 Характеристика опасных и вредных факторов ... ... ... ... ... ... ... .. 69
4.2 Рабочее место ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 71
4.3 Освещение в помещениях ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
4.4 Расчет уровня шума ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
4.5 Воздействие электромагнитных излучений при работе на ПК ... ... ..
4.6 Микроклиматические параметры ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
4.7 Электробезопасность ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ...
4.8 Инструкция по мерам пожарной безопасности при работе с ПЭВМ и
оргтехникой для всех групп пользователей ... ... ... ... ... ... ... ... .
Заключение ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 74
Список использованной литературы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 77
Приложение А ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 79
Приложение Б
Нормативные ссылки
Рекомендации МСЭ
Е.412 - Качество обслуживания, управление сетью и расчет трафика –
Управление сетью – Управление международной сетью. - Команды управления
сетью.
F.435 - Служба обработки сообщений. Общая эксплуатация и определение
службы. - Службы обработки сообщений: служба передачи сообщений
электронного обмена данными.
F.440 - Служба обработки сообщений. Общая эксплуатация и определение
службы. - Службы обработки сообщений: служба обмена речевыми сообщениями.
I.464 - Общесетевые аспекты и функции, интерфейсы пользователь-сеть
ЦСИС. - Мультиплексирование, согласование скоростей передачи и поддержка
существующих интерфейсов для возможности передачи на 64 кбитс с
ограничением.
I.555 - Интерфейсы Internetwork. - Взаимодействие служб доставки
информации с эстафетной передачей кадров.
Q.1208 - Коммутация и сигнализация. - Интеллектуальная сеть связи. -
Общие аспекты прикладного протокола интеллектуальной сети связи.
Х.247 - Сети передачи данных и взаимосвязь открытых систем. -
Взаимодействие открытых систем – проформы PICS. - Информационная технология
- взаимодействие открытых систем – спецификация протокола сервисного
элемента управления ассоциацией: проформа заявки на соответствие реализации
протоколу (PICS).
Х.419 - Сети данных и связь открытых систем. - Системы обработки
сообщений. - Информационная технология - системы обработки сообщений (СОС):
спецификации протоколов.
Х.500 - Сети передачи данных и взаимосвязь открытых систем. –
Справочник. - Информационная технология – взаимосвязь открытых систем –
справочник: обзор концепций, моделей и услуг.
Х. 790 - Сети передачи данных и взаимосвязь открытых систем. -
Административное управление OSI. - Функции управления устранением
неисправностей для применение МСЭ-Т.
Х. 811 - Сети данных и взаимосвязь открытых систем. – Безопасность. -
Информационная технология - Взаимосвязь открытых систем – структуры
безопасности для открытых систем: структура аутентификации.
Определения
EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) - цифровая технология для
мобильной связи, которая функционирует как надстройка над 2G и 2.5G (GPRS)
сетями. Эта технология работает в TDMA и GSM сетях. Для поддержки EDGE в
сети GSM требуются определённые модификации и усовершенствования. На основе
EDGE могут работать: ECSD - ускоренный доступ в Интернет по каналу CSD,
EHSCSD - по каналу HSCSD, и EGPRS - по каналу GPRS. EDGE был впервые
представлен в 2003 году в Северной Америке.
GPRS (General Packet Radio Service - пакетная радиосвязь общего
назначения). GPRS - это стандарт беспроводной высокоскоростной связи,
позволяющий обмениваться пакетными данными, например, электронной почтой
или информационным наполнением web-сайтов, по беспроводным телефонным сетям
и Интернету. Технологию GPRS часто называют технологией поколения 2,5
(2.5G) (по аналогии с технологией беспроводной связи первого поколения
(1G), применявшейся для связи аналоговых сотовых телефонов, а также
технологией беспроводной связи второго поколения (2G), которая применяется
в цифровых мобильных телефонах). Поддержка технологии GPRS реализована не
только в мобильных телефонах: мобильные ПК также могут быть оборудованы
адаптером GPRS, обеспечивающим подключение к Интернету.
MIMO (англ. Multiple Input Multiple Output) — технология передачи данных
с помощью N антенн и их приёма М антеннами. Передающие и приёмные антенны
обычно разнесены настолько, чтобы достичь слабой корреляции между соседними
антеннами.
SGSN (Serving GPRS Support Node, узел обслуживания абонентов GPRS) —
основной компонент GPRS-системы по реализации всех функций обработки
пакетной информации. SGSN можно назвать аналогом коммутатора MSC сети GSM.
UMTS - универсальная система мобильной связи (Universal Mobile
Telecommunications System, УСМС) - технология сотовой связи, относящаяся к
поколению 3G. В качестве способа передачи данных через воздушное
пространство используется технология W-CDMA: стандартизованный в
соответствии с проектом 3GPP ответ европейских учёных и производителей на
требование IMT-2000, опубликованное Международным Союзом Электросвязи как
набор минимальных критериев сети сотовой связи третьего поколения 3G.
Обозначения и сокращения
LTE - Long Term Evolution (мобильный протокол передачи данных).
WiMax - Worldwide interoperability for Microwave Access (всемирная
совместимость при высоком частотном доступе).
HSPA - High Speed Packet Access (высокоскоростная пакетная передача
данных).
GSM - Global System for Mobile communication (глобальная система
мобильной связи).
CDMA - Code Division Multiple Access (множественный доступ с кодовым
разделением).
Wi-Fi - Wireless Fidelity (достоверность данных, международная
организация по сертификации на совместимость стандартов 802.11).
QoS - Quality of Service (качество обслуживания).
LAN - Local Area Network (локальная вычислительная сеть).
HSDPA – High Speed Downlink Packet Access (высокоскоростной пакетный
доступ в нисходящем канале).
UMTS - Universal Mobile Telecommunications System (универсальная
vобильная телекоммуникационная cистема).
WCDMA - Wideband Code-Division Multiple Access (широкополосный
множественный доступ с кодовым разделением).
CDMA - Code Division Multiple Access (множественный доступ с кодовым
разделением).
3GPP - third generation partnership project (проект партнерства третьего
поколения).
OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing (ортогональное
частотное мультиплексирование).
FDD - Frequency Division Duplex (разделение каналов по частоте).
TDD - Time Division Duplex (временное разделение каналов).
VoIP - Voice and Internet Protocol (голосовой и интернет протоколы).
ITU – International Telecommunication Union (международный союз
электросвязи).
MIMO – Multiple Input Multiple Output (множественный вход –
множественный выход, технология антенных систем).
SAE - System Architecture Evolution (эволюция архитектуры системы,
архитектура сети LTE).
QPSK - Quadrature Phase-Shift Keying (квадратурная фазовая модуляция).
NAP - Network Access Provider (провайдер сети доступа).
MAC – Medium Access Control layer (уровень управления медиадоступом).
UE - User Equipment (пользовательское оборудование).
UGS - Unsolicited Grant Service (доступ к каналу без запроса).
БС - базовая станция.
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы дипломной работы. Сегодня развитие мирового рынка
коммуникаций происходит в значительной степени благодаря новейшим интернет-
сервисам, чей стремительный подъём оказался малоприятным сюрпризом для
телеком-операторов, традиционно медленно реагирующих на меняющийся спрос
потребителей. В ситуации, когда SMSMMS и звонки уступают первенство
бесплатным многофункциональным и удобным в использовании мобильным
приложениям (Skype, WhatsApp, Telegram, WeChat, приложения социальных
сетей), мобильные операторы и Интернет-провайдеры должны найти какой-то
выход, чтобы не потерять своих клиентов, ведь конкуренция со стороны
широкомасштабных всемирно известных транснациональных интернет-компаний
Google, Facebook, Apple, Tencent поистине серьёзна и носит глобальный
характер. Данное обстоятельство усугубляется тем, что операторы связи,
прекрасно осознавая происходящее, помогают поставщикам бесплатных сервисов,
предоставляя к Интернету и к приложениям, работающим поверх него,
безлимитный широкополосный доступ по фиксированным тарифам и поддерживая
тем самым тенденции так называемого сервисного коммунизма, идущего вразрез
с главной задачей любого оператора – получением прибыли и увеличением
показателя среднего дохода с одного абонента ARPU. Приложения работают в
различных сетях (Wi-Fi, LTE, 3G), однако для самих абонентов технологии
доступа к услугам и методы из доставки не представляют особенный интерес в
отличие от соотношения ценауслуги коммуникаций. Даже качество для многих
пользователей не играет роли: они готовы мириться с плохим качеством услуг
в угоду цене, и яркий пример тому – интернет-телефония типа Skype и Viber.
Из-за сформированных предпочтений абонентов к определённым сервис-
провайдерам Telco операторам довольно трудно завоевать позиции на сервисном
рынке, что отражается на их выручке, темпах роста клиентской базы,
неуклонно уменьшающейся из года в год. В этих условиях единственный выход
для операторов видится в переходе от сложившегося пакета базовых услуг к
диверсификации новых мультисервисных услуг за счёт разработки и
усовершенствования дополнительных сервисов. Самодостаточные и автономные
серверы услуг способны решать такие задачи, как организация логики услуги,
авторизация абонентов, хранение данных, тарификация и т.д., однако рост
количества услуг требует ответного увеличения количества серверов. В связи
с этим растёт число дублирующихся в узлах одинаковых функций и возникает
необходимость в единой стандартизированной универсальной платформе,
обеспечивающей быстрое внедрение, предоставление услуг и их модификацию.
Такой платформой, являющейся логическим продолжением концепции NGN, стала
подcистема мультимедийных услуг IMS, призванная обеспечить конвергенцию
услуг, сетей и имеющихся технологий связи, а также реализацию новых бизнес-
моделей предоставления услуг, подразумевающих как сохранение привычных для
оператора функций, связанных с биллингом и техническим обслуживанием сети,
так и делегирование нехарактерных для оператора функций по генерации новых
видов сервисов и поддержанию контента сторонним разработчикам и сервис-
провайдерам, специализирующимся на этой деятельности.
Хотя спрос на такие услуги на сегодняшний день не является значительным
и не играет решающей роли в сложившейся ситуации, а сами предоставляемые
услуги являются достаточно сложными как с точки зрения их подключения, так
и с точки зрения использования, будущее именно за ними. Поэтому тема
дипломной работы, посвященной моделированию услуг IMS является безусловно
актуальной.
Оценка современного состояния решаемой научной проблемы. Технология Push-
to-Talk (PTT), реализованная на базе GPRS, позволяет связываться
одновременно с целой группой собеседников одним нажатием кнопки.
Поддерживается и возможность вызова только одного абонента. При этом если
рация работает, как правило, на довольно ограниченной территории, то у
абонентов Push-to-Talk есть возможность пользоваться сервисом не только в
масштабе всей сети оператора, но и в других сетях компаний, поддерживающих
с предоставляющим PTT оператором GPRS-роуминг.
Услуга Push-to-Talk предназначена в первую очередь для передачи коротких
сообщений, которые, в большинстве случаев, не превышают и 5-10 секунд,
связь по Push-to-Talk — это background activity, передача информации,
которая носит взрывной характер (между посылкой нескольких сообщений, как
правило, возникает продолжительная пауза), ресурсы сети при этом
используются только для отправки сообщений.
Услуга Push To Talk ориентирована как на корпоративных клиентов — на
курьерские службы, компании, занимающиеся перевозками, строительные
организации, так и на массовый рынок. Функции портативной рации,
предоставляющие возможность связаться одновременно с несколькими людьми,
призваны экономить не только время, но и деньги.
В последнее время получило распространение использование PTT в IP-сетях.
Основной причиной этому послужила лёгкость организации передачи
аудиосигнала точка-мультиточка (point-to-multipoint) для системы PTT. За
счёт этого легко организуются отдельные группы, когда говорящего слышат все
участвующие в данной группе пользователи.
Практическая значимость дипломной работы. Используя моделирование при
проектировании или реинжиниринге вычислительной системы, мы можем сделать
следующее:
• оценить пропускную способность сети и ее компонентов, определить узкие
места в структуре вычислительной системы;
• сравнить различные варианты организации вычислительной системы;
• осуществить перспективный прогноз развития вычислительной системы;
• предсказать будущие требования по пропускной способности сети,
используя данные прогноза;
• оценить требуемое количество и производительность серверов в сети;
• сравнить различные варианты модернизации вычислительной системы;
• оценить влияние на вычислительную систему модернизации ПО, мощности
рабочих станций или серверов, изменения сетевых протоколов.
Исследовательская новизна дипломной работы. Научная новизна работы
заключается в разработке аналитических моделей процесса предоставления
услуги речевой связи в IMS, отличающихся от известных моделей этапом
переадресации на дополнительные серверы и платформы, не являющиеся
структурными элементами IMS соединения. В результате работы над темой
разработана имитационная модель услуги Push to Talk на языке GPSS.
Целью данной дипломной работы является создание программной имитационной
модели, задачей которого будет сбор статистических данных услуги Push to
Talk для расчета эффективности ее работы при разных нагрузках в сети.
Исходя из цели дипломной работы, можно выявить следующие задачи:
– рассмотреть теоретические аспекты концепции IMS: предпосылки её
появления, архитектуру, протоколы поддержки и стандартные
интерфейсы IMS;
– изучить международные нормативные стандарты;
– рассмотреть существующие услуги IMS и основные средства
описания услуг, технические аспекты формирования услуг;
– разработать программную модель услуги реального времени Push-to-
Talk;
– провести расчет вероятностно-временных характеристик;
– сравнить результаты ручных расчетов и результатов
моделирования;
– отобразить обеспечение охраны труда, техники безопасности.
Теоретической и методологической основой исследования послужили
рекомендации и стандарты Международного консультационного комитета по
телефонии и телеграфии, консорциума 3GPP, TISPAN, специальная отечественная
и зарубежная техническая литература, данные глобальной сети Интернет.
Наибольший вклад в описание принципов построения IMS внесли такие учёные,
как Гольдштейн Б.С., Гойхман В.Ю., Росляков А.В., Кучерявый А.Е., Деарт
В.Ю. Из зарубежных авторов несомненно следует отметить Андре Перез, Миика
Поикселка, Сан Лингфена, Ребекку Коуплэнд.
Практическая основа дипломной работы. При проведении научно-
исследовательской работы по теме дипломного проекта использованы научные
направления, основанные на следующих основных исследовательских методах [16-
18]:
– аналитическо-поисковые методы исследования;
– методы теоретическо-численных расчетов (на основе известных формул);
– методы сравнительного анализа.
Практическая база выполнения дипломной работы – научно-исследовательские
и учебные лаборатории при кафедре радиофизики и электроники Карагандинского
государственного университета им. Е.А. Букетова.
1 Инфокоммуникационные услуги как объект моделирования
1.1 Предпосылки появления IMS
Обозначим основные предпосылки появления и внедрения IMS:
- взрывной рост цифрового IP трафика в сетях передачи данных в связи с
увеличением использования сети Интернет, повышение спроса массовых
потребителей на современные мультимедийные услуги и развитие услуг,
персонификация услуг, резкий рост потребления мобильной связи, мобильного
интернета. Абонент испытывает острую необходимость в персонализованных
услугах, в дальнейшем снижении их стоимости, особенно стоимости голосовых
услуг, услуг обмена сообщений, в быстром и дешёвом мобильном интернете;
- потребности бизнес-клиентов в высокой надёжности, понимании
приложений, безопасности предоставления сервисов и уменьшении затрат на
вспомогательные ресурсы с целью фокусировки на главных задачах;
- открытая жёсткая обостряющаяся конкуренция операторов и провайдеров,
тарифные войны, дерегулирование рынка, активные процессы слияний и
поглощений, подразумевающие под собой консолидацию провайдеров разных видов
сервисов (фиксированная и мобильная телефония, мобильная телефония и
кабельное телевидение и т.п.);
- резкое уменьшение доходов операторов. В последнее время многие мировые
фиксированные и мобильные операторы, в том числе и операторы стран СНГ,
столкнулись со стабилизацией средней выручки на одного абонента (ARPU,
Average revenue per user), с падением темпов роста абонентской базы по
причине насыщения рынка, что отразилось на уровне доходов. Ранее
наращивание абонентской базы происходило за счёт неподключенных
пользователей, в то время как сейчас данный процесс осуществим только с
условием переманивания абонентов у более слабых конкурентов, следствием
чего является высокий отток абонентов;
- дальнейшая бесперспективность выступления на рынке в роли
коммуникационной битовой трубы по передаче данных, которая приносит
прибыль исключительно от предоставления доступа к услугам и сервисам
интернет-компаний и сервис-провайдеров вроде Google или Skype, имеющих
богатый опыт предоставления услуг, стягивающими на себя все финансовые
потоки, владеющих большими пользовательскими базами, и которую в настоящий
момент играет большинство операторов, лишь наблюдая упущенную выгоду:
- угроза со стороны сторонних поставщиков текстовых, голосовых и видео-
приложений (OTT-провайдеров), по мере развития технологий увеличивающих
привлекательность своих услуг (голос, HD видео высокой чёткости);
- необходимость сокращения текущих операционных и эксплуатационных
расходов, капитальных вложений. В современных сетях применяются
самодостаточные автономные серверы услуг, в обязанности каждого из которых
входит решение целого ряда задач: реализация логики, обеспечение
работоспособности основных услуг, авторизация абонентов, хранение
пользовательских данных, биллинг и т.д. Пропорционально росту количества
оказываемых услуг растёт число серверов и, соответственно, число
дублируемых в каждом из узлов одинаковых функций, что в итоге приводит к
высокой стоимости ввода новых сервисов и росту капитальных затрат. Сети с
автономными серверами справляются с предоставлением каких-то отдельных
услуг, но испытывают сложности при организации комбинированных услуг, в
которых сочетаются видео, голос, текстовые и графические данные. Вот почему
возник замысел унифицировать платформу построения услуг на основе IP
протокола;
- усложнение системы биллинга. Результатом неучитывания характера
трафика мультимедийного сеанса Оператором является поверхностное начисление
платы за мультимедийную сессию на основании объёма переданной информации,
при котором Оператору убыточно продавать услуги, которые создают
незначительный объём трафика, а абоненту в свою очередь невыгодно покупать
сервисы, создающие большой объём трафика, как например, видео. Принимающий
во внимание характер передаваемого трафика Оператор использует более
действенные, выгодные как для него, так и для клиентов бизнес модели;
- тенденция уменьшения в пакетах услуг, предлагаемых провайдерами, доли
низкомаржинальных голосовых услуг, то есть востребованных абонентами, но не
приносящих большой доход вследствие насыщения рынка речевой связи,
появления большого количества высокотехнологичных сервисов на основе сети
передачи данных, вытеснения голоса трафиком данных в общем объёме
абонентского трафика, ростом популярности устройств с поддержкой передачи
данных. Выход, по мнению экспертов, заключается в увеличении доли доходов
от неголосовых услуг в ARPU, то есть услуг с добавленной стоимостью (VAS)
на базе IP, таких как услуга обмена сообщениями и широкополосного доступа в
Интернет, однако цены на них продолжают падать, остальные услуги не столь
популярны среди абонентов;
- переход от концепции услуг Triple Play (тройной пакет, включающий
стационарную телефонную связь (Voice), широкополосный доступ (ШПД) в
Интернет (Data), кабельное телевидение или телевидение IPTV - передача ТВ
через IP-сеть (Video) к концепции услуг Quadruple play (4Play), включающей
помимо вышеперечисленных услуг мобильную связь и конвергентные услуги
(Triple Play+Mobility-мобильность);
- требование роуминга. Концепция IMS появилась именно в среде
разработчиков стандартов мобильных сетей по причине того, что возникшая на
тот момент идея разделения между функциями транспортировки и функциями
управления информационных услуг на базе элементов платформы Softswitch не
была подкреплена своевременной разработкой соответствующих стандартов, что
привело к несовместимости сетевых элементов от разных производителей –
существенного недостатка не столько стационарных, сколько мобильных сетей,
в которых основной статьей доходов является роуминг;
- развитие сотовых сетей от систем 2,5G к 3G, 4G и 5G, наращивание
применения дорогостоящих технологий беспроводного абонентского доступа LTE,
LTE Advanced. Изначально платформа IMS предназначалась для ввода новых
услуг мультимедиа для пользователей мобильных сетей 2.5G, 3G, но
стремительное развитие LTE обозначило новую веху IMS: теперь интерес к ней
сместился в сторону организации расширенных мультимедийных услуг (RCS) и
голосовых услуг (VoLTE);
- переход операторов фиксированной и подвижной связи к модели оказания
услуг по концепции all over IP (работа поверх IP) в связи с
необходимостью снижения расходов, потребностью в универсальной и гибкой
среде создания новых услуг, какой может служить платформа IMS – ядро All-IP
сетей, и в новых-бизнес-моделях оказания услуг. Перед операторами стоят две
задачи: задача минимум – стать производительным оператором VoIP, задача
максимум – стать продуктивным оператором All IP;
- конвергенция сетей и услуг связи. В настоящее время абоненты вынуждены
для разных целей подключать различные услуги (широкополосный проводной
доступ к сети Интернет для получения нужной информации, её обработки,
хранения и обмена ею; мобильную связь и VoIP-услуги для делового общения) и
применять разные устройства, поддерживающие многообразные стандарты и
протоколы доступа. Данная концепция всё более неэффективна как для
оператора, так и для абонента.
Вышеперечисленные факторы вынуждают операторов предоставлять новые
сервисы. Это возможно лишь благодаря переводу сетей на NGN и внедрению
конвергентных сервисов на базе IP. В этих условиях назрела необходимость в
совершенно новой концепции для создания и внедрения услуг. Такой концепцией
стала IMS.
1.2 Концепция IMS
Как и сеть сетей Интернет, понятие IMS довольно широкое. Под
мультимедийной IP-подсистемой IMS (IP Multimedia Subsystem) понимают, во-
первых, комплекс функциональных модулей базовой сети и набор стандартов для
организации услуг на базе протокола инициирования сеанса связи SIP (Session
Initiation Protocol); во-вторых, концепцию разделения инфраструктурного
уровня сети и уровня услуг; в-третьих, гибкую однородную мультисервисную
среду. Концепция IMS расценивается мобильными операторами, интернет-
провайдерами, вендорами телекоммуникационного оборудования как эффективное
конкретное универсальное технологическое решение на базе IP для организации
сетей следующего поколения, как наиболее оптимальная основа конвергенции
мобильных и фиксированных сетей и услуг и как каркас для быстрого внедрения
новых услуг. IMS не является устройством. Данной концепцией определяется
принципиально новая открытая унифицированная функциональная
стандартизированная сервисная архитектура, опирающаяся на пакетную
транспортную сеть и основанная на Интернет протоколах семейства TCPIP, в
первую очередь, на SIP, поддерживающая благодаря открытым стандартам
абсолютно все технологии доступа.
Общеизвестно, что современные сети, в том числе имеющие в своей
структуре домены коммутации пакетов и каналов мобильные, могут и так
предоставлять услуги мультимедиа. В таком случае, для чего разрабатываются
IMS сети?
Цель IMS – предоставить в равной степени абонентам беспроводных и
проводных сетей весь разнообразный спектр инфокоммуникационных
мультимедийных услуг и интерактивных сервисов нового поколения, с
гарантированной скоростью обмена данными и малыми задержками на всем
протяжении сессии в домашней и гостевой сетях, отвечающих ожиданиям
абонентов, посредством единой унифицированной IP-платформы из единого
центра с единой системой тарификации, абстрагируясь от особенностей и
деталей конкретной сети, обеспечивая тем самым реальную сетевую
мультимедийность и мультисервисность, и в конечном счёте добиться
объединения функций биллинга, аутентификации, персонализации сервисов,
управления сеансами связи и безопасности, средств передачи мультимедийного
и голосового трафика, простоты управления; интеграции и бесшовной
конвергенции разделённых технологическими границами коммуникационных
сервисов и услуг; создания однородной среды для передачи информации любого
типа (голос, видео, текстовые и графические данные, мультимедиа) слияния
сотовых сетей подвижной связи (СПС) и стационарных сетей (ТфОП – телефонная
сеть общего пользования, СПД - сеть передачи данных) в единую современную
мультимедиа сеть. Фундаментом концепции IMS и средством достижения
намеченной цели служат следующие принципы:
- принцип разделения на уровни функций контроля сеансами и приложений,
способствующий простоте управления сетью;
- принцип поддержки качества обслуживания QoS и роуминга;
- принцип полного перехода к коммутации пакетов на базе IP – необходимое
условие мультимедийности, передачи трафика разных типов в рамках одного
сеанса связи.
Фактически IMS является примером реализации принципа ABC (Always Best
Connection) наилучшего соединения с требуемым сервисом в любое необходимое
клиенту время по наилучшей инфраструктуре доступа.
При этом необходимо подчеркнуть, что подсистема IMS представляет собой,
по сути, удобный механизм доставки и тарификации сервисов, а не набор
сервисов. Сама по себе платформа IMS не предоставляет услуги. Ядро IMS
только реализует базовый комплект внутрисетевых услуг типа авторизации и
управления мультимедийными сессиями. Роль организатора представляющих
интерес дополнительных услуг отводится сервисным платформам (SDP) и
инструментальным средствам (серверам приложений – AS). Таким образом,
услуги возникают лишь в случае наличия соответствующих приложений.
1.3 Функциональная архитектура IMS
В основе построения концепции IMS лежит следующий принцип: доставка
любой услуги совершенно не связана с коммуникационной инфраструктурой,
кроме случаев ограничений по пропускной способности. Реализация данного
принципа на практике путём так называемого многоуровневого подхода
позволяет организовать открытый независимый от технологий доступа механизм
доставки услуг, делающий возможным внедрение в сети приложений сторонних
поставщиков услуг.
Партнёрство 3GPP стандартизирует не сетевые узлы, не сетевое
оборудование, а именно функции, выполняемые элементами сети на базе одной
либо нескольких аппаратных платформ, а это значит, что архитектура IMS, как
и архитектура Softswitch, по сути, является набором функций, соединённых
друг с другом посредством стандартных интерфейсов и взаимодействующих с
помощью стандартных протоколов. Получается, что 3GPP в процессе разработки
IMS перенёс идеологию Softswitch на мобильные сети. Разработчики
коммерческого сетевого оборудования могут сконцентрировать в одном
физическом объекте несколько различных функций или, напротив, распределить
одну функцию между несколькими сетевыми элементами, но обычно каждую
функцию осуществляют в отдельном элементе и приравнивают физическую
архитектуру к функциональной. Преимуществом реализации нескольких функций в
одном сетевом элементе является упрощение управления и контроля сети за
счёт уменьшения общего количества сетевого оборудования, недостатком –
отсутствие гибкой взаимозаменяемости функций при использовании сетевого
оборудования нескольких производителей.
Итак, в концепции телекоммуникационных сетей будущего NGNIMS
определяются функции. Несмотря на то, что определённые функции сложно
отнести к какому-либо уровню, благодаря такому подходу зависимость между
уровнями архитектуры IMS минимальна. Подсистема передачи мультисервисных
сообщений IMS TISPAN специфицируется как многоуровневая архитектура
мультисервисной сети связи, в которой выделяют три уровня (плоскости)
(рисунок 1.1):
1) пользовательский транспортный уровень, или уровень передачи данных,
или уровень доступа и транспорта (User Plane) отвечает за подключение
абонентов к инфраструктуре IMS, включает пользовательское оборудование,
терминальное оборудование сети доступа с различными технологиями (Wi-Fi,
WiMAX, GPRS, HFC, xDSL, PON и др.), единую транспортную IP-сеть и
транспортные медиашлюзы (MGW), ядра NGN, а также две важные подсистемы не
IMS, стандартизированные ETSI TISPAN: подсистему сетевой привязки NASS и
подсистему контроля входящего потока RACS.
Рисунок 1.1 Упрощенная функциональная архитектура IMS
2) уровень управления сессиями, или уровень контроля (Control Plane)
несёт ответственность за все действия по управлению сессиями (за
регистрацию абонентских устройств и направление сигнальных сообщений SIP
протокола к соответствующим серверам приложений), содержит несколько
подсистем услуг, включает ядро сети IMS, сервер пользовательских данных HSS
(Home Subscriber Server) и сигнальные шлюзы.
3) уровень услуг и приложений (Application Plane) обслуживает конечных
потребителей, состоит из сервера приложений AS (Application Server),
который управляет IMS услугами, и сервера пользователей домашней сети HSS.
На рисунке 1.2 представлена полная архитектура IMS с учётом всех её
элементов.
Рисунок 1.2 Архитектура IMS (пунктирная линия — сигнализация, сплошная —
данные)
Рассмотрим основные функциональные элементы IMS.
Уровень управления вызовами и сеансами
Уровень управления – это совокупность функций IMS, осуществляющих все
действия по управлению сеансами связи и регистрации пользователя в сети
IMS. Логические элементы уровня управления:
- CSCF (Call Session Control Function) – функция управления вызовами
(сессиями и маршрутизацией) – сердце и душа IMS – центральный базовый
элемент опорной архитектуры IMS, основная функция на плоскости управлении
IMS-платформы, реализующаяся на SIP-сервере, обрабатывающая SIP-
сигнализацию, задающая централизованный механизм маршрутизации сигнального
трафика SIP, направляя сигнальные сообщения протокола SIP к соответствующим
серверам приложений, и, используя протокол SIP, обеспечивающая
предоставление большого количества услуг реального времени посредством
транспорта IP, выделяя требуемые ресурсы и регистрируя абонентские
устройства. CSCF применяет динамическую информацию для продуктивного
управления сетевыми ресурсами (пограничные устройства, шлюзы и серверы
приложений) и взаимодействием пользовательских услуг в зависимости от
профиля пользователей и приложений. Функция CSCF обращается к уровню
транспорта и доступа для обеспечения QoS по всем сервисам. CSCF
устанавливает, контролирует, поддерживает и прекращает мультимедийные
сеансы связи, а также управляет взаимодействием услуг абонента. Модуль CSCF
включает три области ответственности: обслуживание, управление сеансом
прокси и взаимодействие и три главные функции соответственно, вместе
составляющие ядро сети IMS, используемое для установления сессий и медиа-
контроля:
1) S-CSCF (Serving CSCF) – обслуживающая функция, или сервер
обслуживания CSCF. Обрабатывает все SIP-coобщения, посредством которых
обмениваются оконечные абонентские терминалы;
2) P-CSCF (Proxy CSCF) – проксирующая (представительная) функция, или
прокси-сервер, через который в систему IMS поступает весь пользовательский
трафик;
3) I-CSCF (Interrogating CSCF) – запрашивающая функция, или сервер
взаимодействия. Обычно точка соединения с домашней сетью. I-CSCF обращается
к HSS с целью нахождения S-CSCF для определённого пользователя.
Существует ещё одна дополнительная, но вместе с тем очень важная функция
CSCF – E-CSCF экстренных служб (Emergency CSCF). Все четыре типа CSCF
обеспечивают механизм SIP маршрутизации, участвуют в регистрации
пользовательского оборудования в сети, в установлении сессии, генерируют
тарификационные данные и направляют их в функции offline тарификации.
- S-CSCF (Serving CSCF) – обслуживающая центральная интеллектуальная
функция управления сеансом связи на сигнальном уровне, обеспечивающая
установление сессии SIP, управляющая сеансами доставки мультимедийных
сообщений через транспортную сеть IP и обрабатывающая этапы сеанса связи в
сети. Кроме функции SIP-сервера обслуживания, S-CSCF осуществляет функцию
регистрирующего сервера сети SIP (SIP-registrar), поддерживая привязку
местонахождения абонента к его SIP-адресу PUI (Public User Identity) и
регистрируя терминалы. Адрес S-CSCF определяется в ходе регистрации
абонента. Основной функцией S-CSCF является маршрутизация SIP-сообщений,
которыми обмениваются абонентские терминалы. Вся сигнальная информация SIP,
передаваемая и принимаемая абонентским IMS-терминалом, проходит через
элемент S-CSCF, к которому прикреплен абонент. S-CSCF обрабатывает и
проводит анализ каждого SIP сообщения и определяет необходимость его
прохождения сквозь предоставляющие абоненту услуги серверы приложений по
пути к пункту назначения. S-CSCF поддерживает сеанс в течение всего времени
его продолжения и, если нужно, взаимодействует с базами данных сети,
аналогично I-CSCF: с домашним абонентским сервером HSS по протоколу
Diameter и серверами аутентификации, авторизации и учёта ААА (сервисными
платформами), а также функциями начисления платы. Итак, S-CSCF управляет
сетевыми ресурсами: шлюзами, серверами, пограничными устройствами в
зависимости от приложений и профиля абонента.
- P-CSCF (Proxy CSCF) – центральный для работы прокси-сервер CSCF,
посредник для взаимодействия с абонентскими терминалами (оборудованием
доступа), функция, служащая первой контактной точкой на сигнальном уровне в
ядре IMS взаимодействия IMS-сети и абонентских IMS-терминалов данной сети
(UE), находящаяся в сетях, абсолютно совместимых с IMS: гостевой (чаще
всего) или домашней. С точки зрения SIP функция P-CSCF рассматривается как
входящийисходящий прокси-сервер, выполняющий функции прикладного уровня,
через который к IMS и в обратном направлении проходит весь сигнальный
трафик протокола SIP. За принятие и маршрутизацию запросов от терминала и
ответов SIP к элементам ядра IMS (узлам I-CSCF, S-CSCF и т.п) отвечает
именно P-CSCF. Элементы P-CSCF, идеально подходящие для сбора данных о
сессиях, выполняют регистрацию абонентов, генерацию учётных записей и
записей биллинга, их накопление, передачу их в биллинг-сервер.
Обслуживаемый абонентский терминал прикрепляется к P-CSCF на все время
регистрации, и упомянутая связь сохраняется до её отмены, то есть P-CSCF не
заменяется. Адрес P-CSCF на всё время регистрации в IMS хранится в S-CSCF
для трансляции данных к пользователю и установления входящего соединения. В
ходе аутентификации P-CSCF извещает о новом абоненте остальные функции ядра
IMS, чтобы им не нужно было повторно выполнять эту же процедуру. P-CSCF
управляет NAT (механизмом преобразования сетевых IP адресов) и шлюзом сети
доступа IMS-AGW. P-CSCF обеспечивает выполнение требований к безопасности,
а именно: аутентификацию пользователя посредством установления нескольких
защищенных IPsec ассоциаций, проверку правильности построения передаваемых
IMS терминалом сигнальных SIP сообщений, защиту конфиденциальности SIP
сигнализации, сбор данных о предоставленных пользователю сервисах,
организацию СОРМ, а также выбор и управление QoS. P-CSCF осуществляет
компрессию и декомпрессию сообщений текстового SIP протокола между UE и P-
CSCF для того, чтобы ускорить время их передачи и сократить время
установления соединения и оказания услуги. P-CSCF включает режим
компрессии, когда абонентский терминал индицирует потребность в нём.
P-CSCF выбирает политику использования приложений и сетевых ресурсов
посредством PDF, авторизует доступ к ним. PDF (Policy Decision Function) –
функция, ответственная за выработку политики об изменении параметров
сеанса, управляющая QoS через медиаплоскость. Согласно 3GPP, в определённых
случаях PDF может быть включен в P-CSCF, но чаще всего реализуется как
отдельный функциональный блок. На основании информации о характере сеанса и
о передаваемом трафике (транспортные адреса, ширина полосы и т.д.),
полученной от P-CSCF, PDF принимает решения об организации сеанса или о его
запрете, а также о запрете передачи определённого трафика, проведении
повторной авторизации при изменении параметров сеанса и т.д.
- I-CSCF (Interrogating CSCF) - посредник для взаимодействия с внешними
сетями - запрашивающая CSCF функция, по сути SIP прокси-сервер,
расположенный на границе административного операторского домена домашней
сети, создающий первую контактную точку домашней сети IMS на сигнальном
уровне внутри ядра IMS в следующих случаях: в процессе регистрации
пользователей, находящихся в визитной сети; при установлении соединения
между абонентами различных домашних сетей; для всех внешних соединений IMS
как с местными абонентами (абонентами данной сети), так и с гостевыми
(визитными) абонентами, временно находящимися в данной сети, то есть для
всех входящих соединений к абонентам данного провайдера. I-CSCF часто
выполняет задачи межсетевого шлюза, скрывающего топологию (Topology Hiding
Internetwork Gateway, THIG): скрывает топологию, конфигурацию, возможности
и ёмкость сети от злоумышленников, шифрует части SIP-сообщений, содержащие
ценные сведения о домене, о количестве серверов в домене, их DNS-именах и
т.д. В THIG отсутствует необходимость при наличии на границе сети
провайдера пограничного контроллера SBC (Session Border Controller).
Посредством протокола Diameter I-CSCF обращается к пользовательской базе
данных HSS и SLF для того, чтобы получить информацию о местонахождении
определённого абонента и обслуживающей его S-CSCF, определить место
предоставления услуг и назначить S-CSCF. I-CSCF определяет, зарегистрирован
ли конкретный абонент в данной сети, есть ли возможность его регистрации,
собирает данные о функциональном объекте S-CSCF.
- E-CSCF (Emergency Call Session Control Function) – это выделенная
функция, служащая для обработки экстренных запросов (вызов полиции,
пожарной бригады, скорой помощи) и выбора соответствующего центра
экстренных служб, куда перенаправляются поступившие запросы, на основе
данных о местоположении абонента ... продолжение
Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.
Карагандинский государственный университет
им. академика Е.А. Букетова
Балтабаев К.Е.
Моделирование сервисов Push-to-Talk в реальном времени в архитектуре IMS
ДИПЛОМНАЯ РАБОТА
Специальность 5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации
Караганда 2020
Министерство образования и науки Республики Казахстан
Карагандинский государственный университет
им. академика Е.А. Букетова
Допущен к защите
Зав. кафедрой
радиофизики и электроники
_______________А.К. Тусупбекова
ДИПЛОМНАЯ РАБОТА
Моделирование сервисов Push-to-Talk в реальном времени в архитектуре IMS
по специальности 5В071900 – Радиотехника, электроника и
телекоммуникации
Выполнил: К.Е. Балтабаев
Научный руководитель
Профессор К.Т.
Ермаганбетов
Караганда 2020
Карагандинский государственный университет
им. академика Е.А. Букетова
Факультет физико-технический
Специальность 5В071900 Радиотехника, электроника и телекоммуникации
Кафедра радиофизики и электроники
.
УТВЕРЖДАЮ
Заведующий кафедрой
__________________________
____ _____________
2019г.
ЗАДАНИЕ
на выполнение дипломной работы
Студенту Балтабаеву К.Е.
.
Ф.И.О.
3 курс, РТК-304 сп, 5В071900 – РЭТ, заочное
.
курс, группа, специальность, форма обучения
1. Тема дипломной работы (проекта) "Моделирование сервисов Push-to-Talk в
реальном времени в архитектуре IMS"
утверждена приказом ректора от 2019 г. №
2. Срок сдачи студентом законченной работы 21 апреля 2020 г.
3. Исходные данные к работе (законы, литературные источники, лабораторно-
производственные данные) Объект исследования - сервис Push-to-Talk в
сотовой связи. Язык моделирования GPSS.
4. Перечень вопросов, подлежащих к разработке в дипломной работе (проекта)
1. Инфокоммуникационные услуги как объект моделирования. 2. Алгоритм услуги
Push-to-Talk в архитектуре IMS. 3. Разработка программной модели услуги
Рush-to-Тalk на GPSS. 4. Безопасность жизнедеятельности (определение
потенциально вредных для здоровья факторов, расчет искусственного
освещения, анализ пожарной безопасности и т.д.).
5. Перечень графических материалов (чертежи, таблицы, диаграммы и т.д.)
Архитектура IMS, Логическая структура декомпозиции шлюза в IMS, Обобщенная
схема PoC сети, Схема обслуживания заявок.
6. Перечень основной рекомендуемой литературы Боев В.Д. Моделирование
систем. Инструментальные средства GPSS World. – Санкт – Петербург, 2004,
668 с., Д. Н. Шевченко, И. Н. Кравченя Имитационное моделирование на
GPSS. - Гомель, 2007, 810 с., Кудрявцев Е.М. GPSS World. Основы
имитационного моделирования различных систем. – ДМК Пресс, 2004, 647 с.
7. Консультации по работе (с указанием относящихся к ним разделов работы)
Номер, название Научный Сроки Задание Задание
раздела, главы руководитель, получения выдал принял
консультант задания (подпись) (подпись)
Инфокоммуникационные К.Т. Ермаганбетов 07.02.2020
услуги как объект
моделирования
Алгоритм услуги К.Т. Ермаганбетов 21.02.2020
Push-to-Talk в
архитектуре IMS.
Разработка К.Т. Ермаганбетов 01.03.2020
программной модели
услуги Рush-to-Тalk
на GPSS
8. График выполнения дипломной работы (проекта)
№ пп Этапы работы Сроки Примечание
выполнения
этапов работы
1 Утверждение темы дипломного 12.09.2019
проекта
2 Сбор материалов для подготовки 07.02.2020
дипломного проекта
3 Подготовка теоретической части 18.02.2020 До отъезда на
дипломной работы (проекта) (Глава практику
1)
4 Подготовка аналитической части 28.02.2020 Во время практики
дипломной работы (проекта) (Глава
2-3)
5 Завершение чернового варианта 27.03.2020 На первой неделе
полного текста дипломной работы после окончания
(проекта) практики
6 Предоставление дипломной работы 11.04.2020 Во время обзорных
(проекта) на предзащиту лекций
(консультаций)
7 Предоставление дипломной работы 02.05.2020
(проекта) на рецензию
8 Предоставление окончательного 12.05.2020
варианта дипломной работы
(проекта) с отзывом научного
руководителя и рецензий
9 Защита дипломной работы (проекта)11.06.2020 В соответствии с
расписанием ГАК
Дата выдачи задания 24 октября
2019г.
Научный руководитель ________ к.т.н., профессор
Ермаганбетов К.Т.
(подпись) Ф.И.О., ученое звание,
должность
Задание принял к исполнению________________
Балтабаев К.Е.
(подпись)
Ф.И.О.
Содержание
Введение ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... . 13
Инфокоммуникационные услуги как объект моделирования ... ... ... 17
Предпосылки появления IMS ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 17
Концепция IMS ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 18
Функциональная архитектура IMS ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 18
Технологии доступа к сети IMS ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
Протоколы поддержки IMS ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
Обзор и анализ услуг IMS ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 29
Функциональные возможности IMS для организации услуг связи ... . 29
Обзор услуг IMS ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 30
Технология Push-to-Talk ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 31
Поддержка возможности Push-to-Talk по сотовой связи ... ... ... ... ..
Использование в IP сетях ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
Разработка программной модели услуги Рush-to-Тalk на GPSS ... ... . 34
3.1 Расчет вероятностно-временных характеристик услуги Рush-to-Тalk 35
3.2 Модель услуги Push-to-Talk на GPSS ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 36
3.3 Программирование на языке GPSS для моделирования услуг IMS ...
3.4 Сравнение результатов расчета и моделирования услуги Рush-to-Тalk
4 Охрана труда и техника безопасности ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 69
4.1 Характеристика опасных и вредных факторов ... ... ... ... ... ... ... .. 69
4.2 Рабочее место ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 71
4.3 Освещение в помещениях ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
4.4 Расчет уровня шума ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
4.5 Воздействие электромагнитных излучений при работе на ПК ... ... ..
4.6 Микроклиматические параметры ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
4.7 Электробезопасность ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ...
4.8 Инструкция по мерам пожарной безопасности при работе с ПЭВМ и
оргтехникой для всех групп пользователей ... ... ... ... ... ... ... ... .
Заключение ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 74
Список использованной литературы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 77
Приложение А ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 79
Приложение Б
Нормативные ссылки
Рекомендации МСЭ
Е.412 - Качество обслуживания, управление сетью и расчет трафика –
Управление сетью – Управление международной сетью. - Команды управления
сетью.
F.435 - Служба обработки сообщений. Общая эксплуатация и определение
службы. - Службы обработки сообщений: служба передачи сообщений
электронного обмена данными.
F.440 - Служба обработки сообщений. Общая эксплуатация и определение
службы. - Службы обработки сообщений: служба обмена речевыми сообщениями.
I.464 - Общесетевые аспекты и функции, интерфейсы пользователь-сеть
ЦСИС. - Мультиплексирование, согласование скоростей передачи и поддержка
существующих интерфейсов для возможности передачи на 64 кбитс с
ограничением.
I.555 - Интерфейсы Internetwork. - Взаимодействие служб доставки
информации с эстафетной передачей кадров.
Q.1208 - Коммутация и сигнализация. - Интеллектуальная сеть связи. -
Общие аспекты прикладного протокола интеллектуальной сети связи.
Х.247 - Сети передачи данных и взаимосвязь открытых систем. -
Взаимодействие открытых систем – проформы PICS. - Информационная технология
- взаимодействие открытых систем – спецификация протокола сервисного
элемента управления ассоциацией: проформа заявки на соответствие реализации
протоколу (PICS).
Х.419 - Сети данных и связь открытых систем. - Системы обработки
сообщений. - Информационная технология - системы обработки сообщений (СОС):
спецификации протоколов.
Х.500 - Сети передачи данных и взаимосвязь открытых систем. –
Справочник. - Информационная технология – взаимосвязь открытых систем –
справочник: обзор концепций, моделей и услуг.
Х. 790 - Сети передачи данных и взаимосвязь открытых систем. -
Административное управление OSI. - Функции управления устранением
неисправностей для применение МСЭ-Т.
Х. 811 - Сети данных и взаимосвязь открытых систем. – Безопасность. -
Информационная технология - Взаимосвязь открытых систем – структуры
безопасности для открытых систем: структура аутентификации.
Определения
EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) - цифровая технология для
мобильной связи, которая функционирует как надстройка над 2G и 2.5G (GPRS)
сетями. Эта технология работает в TDMA и GSM сетях. Для поддержки EDGE в
сети GSM требуются определённые модификации и усовершенствования. На основе
EDGE могут работать: ECSD - ускоренный доступ в Интернет по каналу CSD,
EHSCSD - по каналу HSCSD, и EGPRS - по каналу GPRS. EDGE был впервые
представлен в 2003 году в Северной Америке.
GPRS (General Packet Radio Service - пакетная радиосвязь общего
назначения). GPRS - это стандарт беспроводной высокоскоростной связи,
позволяющий обмениваться пакетными данными, например, электронной почтой
или информационным наполнением web-сайтов, по беспроводным телефонным сетям
и Интернету. Технологию GPRS часто называют технологией поколения 2,5
(2.5G) (по аналогии с технологией беспроводной связи первого поколения
(1G), применявшейся для связи аналоговых сотовых телефонов, а также
технологией беспроводной связи второго поколения (2G), которая применяется
в цифровых мобильных телефонах). Поддержка технологии GPRS реализована не
только в мобильных телефонах: мобильные ПК также могут быть оборудованы
адаптером GPRS, обеспечивающим подключение к Интернету.
MIMO (англ. Multiple Input Multiple Output) — технология передачи данных
с помощью N антенн и их приёма М антеннами. Передающие и приёмные антенны
обычно разнесены настолько, чтобы достичь слабой корреляции между соседними
антеннами.
SGSN (Serving GPRS Support Node, узел обслуживания абонентов GPRS) —
основной компонент GPRS-системы по реализации всех функций обработки
пакетной информации. SGSN можно назвать аналогом коммутатора MSC сети GSM.
UMTS - универсальная система мобильной связи (Universal Mobile
Telecommunications System, УСМС) - технология сотовой связи, относящаяся к
поколению 3G. В качестве способа передачи данных через воздушное
пространство используется технология W-CDMA: стандартизованный в
соответствии с проектом 3GPP ответ европейских учёных и производителей на
требование IMT-2000, опубликованное Международным Союзом Электросвязи как
набор минимальных критериев сети сотовой связи третьего поколения 3G.
Обозначения и сокращения
LTE - Long Term Evolution (мобильный протокол передачи данных).
WiMax - Worldwide interoperability for Microwave Access (всемирная
совместимость при высоком частотном доступе).
HSPA - High Speed Packet Access (высокоскоростная пакетная передача
данных).
GSM - Global System for Mobile communication (глобальная система
мобильной связи).
CDMA - Code Division Multiple Access (множественный доступ с кодовым
разделением).
Wi-Fi - Wireless Fidelity (достоверность данных, международная
организация по сертификации на совместимость стандартов 802.11).
QoS - Quality of Service (качество обслуживания).
LAN - Local Area Network (локальная вычислительная сеть).
HSDPA – High Speed Downlink Packet Access (высокоскоростной пакетный
доступ в нисходящем канале).
UMTS - Universal Mobile Telecommunications System (универсальная
vобильная телекоммуникационная cистема).
WCDMA - Wideband Code-Division Multiple Access (широкополосный
множественный доступ с кодовым разделением).
CDMA - Code Division Multiple Access (множественный доступ с кодовым
разделением).
3GPP - third generation partnership project (проект партнерства третьего
поколения).
OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing (ортогональное
частотное мультиплексирование).
FDD - Frequency Division Duplex (разделение каналов по частоте).
TDD - Time Division Duplex (временное разделение каналов).
VoIP - Voice and Internet Protocol (голосовой и интернет протоколы).
ITU – International Telecommunication Union (международный союз
электросвязи).
MIMO – Multiple Input Multiple Output (множественный вход –
множественный выход, технология антенных систем).
SAE - System Architecture Evolution (эволюция архитектуры системы,
архитектура сети LTE).
QPSK - Quadrature Phase-Shift Keying (квадратурная фазовая модуляция).
NAP - Network Access Provider (провайдер сети доступа).
MAC – Medium Access Control layer (уровень управления медиадоступом).
UE - User Equipment (пользовательское оборудование).
UGS - Unsolicited Grant Service (доступ к каналу без запроса).
БС - базовая станция.
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы дипломной работы. Сегодня развитие мирового рынка
коммуникаций происходит в значительной степени благодаря новейшим интернет-
сервисам, чей стремительный подъём оказался малоприятным сюрпризом для
телеком-операторов, традиционно медленно реагирующих на меняющийся спрос
потребителей. В ситуации, когда SMSMMS и звонки уступают первенство
бесплатным многофункциональным и удобным в использовании мобильным
приложениям (Skype, WhatsApp, Telegram, WeChat, приложения социальных
сетей), мобильные операторы и Интернет-провайдеры должны найти какой-то
выход, чтобы не потерять своих клиентов, ведь конкуренция со стороны
широкомасштабных всемирно известных транснациональных интернет-компаний
Google, Facebook, Apple, Tencent поистине серьёзна и носит глобальный
характер. Данное обстоятельство усугубляется тем, что операторы связи,
прекрасно осознавая происходящее, помогают поставщикам бесплатных сервисов,
предоставляя к Интернету и к приложениям, работающим поверх него,
безлимитный широкополосный доступ по фиксированным тарифам и поддерживая
тем самым тенденции так называемого сервисного коммунизма, идущего вразрез
с главной задачей любого оператора – получением прибыли и увеличением
показателя среднего дохода с одного абонента ARPU. Приложения работают в
различных сетях (Wi-Fi, LTE, 3G), однако для самих абонентов технологии
доступа к услугам и методы из доставки не представляют особенный интерес в
отличие от соотношения ценауслуги коммуникаций. Даже качество для многих
пользователей не играет роли: они готовы мириться с плохим качеством услуг
в угоду цене, и яркий пример тому – интернет-телефония типа Skype и Viber.
Из-за сформированных предпочтений абонентов к определённым сервис-
провайдерам Telco операторам довольно трудно завоевать позиции на сервисном
рынке, что отражается на их выручке, темпах роста клиентской базы,
неуклонно уменьшающейся из года в год. В этих условиях единственный выход
для операторов видится в переходе от сложившегося пакета базовых услуг к
диверсификации новых мультисервисных услуг за счёт разработки и
усовершенствования дополнительных сервисов. Самодостаточные и автономные
серверы услуг способны решать такие задачи, как организация логики услуги,
авторизация абонентов, хранение данных, тарификация и т.д., однако рост
количества услуг требует ответного увеличения количества серверов. В связи
с этим растёт число дублирующихся в узлах одинаковых функций и возникает
необходимость в единой стандартизированной универсальной платформе,
обеспечивающей быстрое внедрение, предоставление услуг и их модификацию.
Такой платформой, являющейся логическим продолжением концепции NGN, стала
подcистема мультимедийных услуг IMS, призванная обеспечить конвергенцию
услуг, сетей и имеющихся технологий связи, а также реализацию новых бизнес-
моделей предоставления услуг, подразумевающих как сохранение привычных для
оператора функций, связанных с биллингом и техническим обслуживанием сети,
так и делегирование нехарактерных для оператора функций по генерации новых
видов сервисов и поддержанию контента сторонним разработчикам и сервис-
провайдерам, специализирующимся на этой деятельности.
Хотя спрос на такие услуги на сегодняшний день не является значительным
и не играет решающей роли в сложившейся ситуации, а сами предоставляемые
услуги являются достаточно сложными как с точки зрения их подключения, так
и с точки зрения использования, будущее именно за ними. Поэтому тема
дипломной работы, посвященной моделированию услуг IMS является безусловно
актуальной.
Оценка современного состояния решаемой научной проблемы. Технология Push-
to-Talk (PTT), реализованная на базе GPRS, позволяет связываться
одновременно с целой группой собеседников одним нажатием кнопки.
Поддерживается и возможность вызова только одного абонента. При этом если
рация работает, как правило, на довольно ограниченной территории, то у
абонентов Push-to-Talk есть возможность пользоваться сервисом не только в
масштабе всей сети оператора, но и в других сетях компаний, поддерживающих
с предоставляющим PTT оператором GPRS-роуминг.
Услуга Push-to-Talk предназначена в первую очередь для передачи коротких
сообщений, которые, в большинстве случаев, не превышают и 5-10 секунд,
связь по Push-to-Talk — это background activity, передача информации,
которая носит взрывной характер (между посылкой нескольких сообщений, как
правило, возникает продолжительная пауза), ресурсы сети при этом
используются только для отправки сообщений.
Услуга Push To Talk ориентирована как на корпоративных клиентов — на
курьерские службы, компании, занимающиеся перевозками, строительные
организации, так и на массовый рынок. Функции портативной рации,
предоставляющие возможность связаться одновременно с несколькими людьми,
призваны экономить не только время, но и деньги.
В последнее время получило распространение использование PTT в IP-сетях.
Основной причиной этому послужила лёгкость организации передачи
аудиосигнала точка-мультиточка (point-to-multipoint) для системы PTT. За
счёт этого легко организуются отдельные группы, когда говорящего слышат все
участвующие в данной группе пользователи.
Практическая значимость дипломной работы. Используя моделирование при
проектировании или реинжиниринге вычислительной системы, мы можем сделать
следующее:
• оценить пропускную способность сети и ее компонентов, определить узкие
места в структуре вычислительной системы;
• сравнить различные варианты организации вычислительной системы;
• осуществить перспективный прогноз развития вычислительной системы;
• предсказать будущие требования по пропускной способности сети,
используя данные прогноза;
• оценить требуемое количество и производительность серверов в сети;
• сравнить различные варианты модернизации вычислительной системы;
• оценить влияние на вычислительную систему модернизации ПО, мощности
рабочих станций или серверов, изменения сетевых протоколов.
Исследовательская новизна дипломной работы. Научная новизна работы
заключается в разработке аналитических моделей процесса предоставления
услуги речевой связи в IMS, отличающихся от известных моделей этапом
переадресации на дополнительные серверы и платформы, не являющиеся
структурными элементами IMS соединения. В результате работы над темой
разработана имитационная модель услуги Push to Talk на языке GPSS.
Целью данной дипломной работы является создание программной имитационной
модели, задачей которого будет сбор статистических данных услуги Push to
Talk для расчета эффективности ее работы при разных нагрузках в сети.
Исходя из цели дипломной работы, можно выявить следующие задачи:
– рассмотреть теоретические аспекты концепции IMS: предпосылки её
появления, архитектуру, протоколы поддержки и стандартные
интерфейсы IMS;
– изучить международные нормативные стандарты;
– рассмотреть существующие услуги IMS и основные средства
описания услуг, технические аспекты формирования услуг;
– разработать программную модель услуги реального времени Push-to-
Talk;
– провести расчет вероятностно-временных характеристик;
– сравнить результаты ручных расчетов и результатов
моделирования;
– отобразить обеспечение охраны труда, техники безопасности.
Теоретической и методологической основой исследования послужили
рекомендации и стандарты Международного консультационного комитета по
телефонии и телеграфии, консорциума 3GPP, TISPAN, специальная отечественная
и зарубежная техническая литература, данные глобальной сети Интернет.
Наибольший вклад в описание принципов построения IMS внесли такие учёные,
как Гольдштейн Б.С., Гойхман В.Ю., Росляков А.В., Кучерявый А.Е., Деарт
В.Ю. Из зарубежных авторов несомненно следует отметить Андре Перез, Миика
Поикселка, Сан Лингфена, Ребекку Коуплэнд.
Практическая основа дипломной работы. При проведении научно-
исследовательской работы по теме дипломного проекта использованы научные
направления, основанные на следующих основных исследовательских методах [16-
18]:
– аналитическо-поисковые методы исследования;
– методы теоретическо-численных расчетов (на основе известных формул);
– методы сравнительного анализа.
Практическая база выполнения дипломной работы – научно-исследовательские
и учебные лаборатории при кафедре радиофизики и электроники Карагандинского
государственного университета им. Е.А. Букетова.
1 Инфокоммуникационные услуги как объект моделирования
1.1 Предпосылки появления IMS
Обозначим основные предпосылки появления и внедрения IMS:
- взрывной рост цифрового IP трафика в сетях передачи данных в связи с
увеличением использования сети Интернет, повышение спроса массовых
потребителей на современные мультимедийные услуги и развитие услуг,
персонификация услуг, резкий рост потребления мобильной связи, мобильного
интернета. Абонент испытывает острую необходимость в персонализованных
услугах, в дальнейшем снижении их стоимости, особенно стоимости голосовых
услуг, услуг обмена сообщений, в быстром и дешёвом мобильном интернете;
- потребности бизнес-клиентов в высокой надёжности, понимании
приложений, безопасности предоставления сервисов и уменьшении затрат на
вспомогательные ресурсы с целью фокусировки на главных задачах;
- открытая жёсткая обостряющаяся конкуренция операторов и провайдеров,
тарифные войны, дерегулирование рынка, активные процессы слияний и
поглощений, подразумевающие под собой консолидацию провайдеров разных видов
сервисов (фиксированная и мобильная телефония, мобильная телефония и
кабельное телевидение и т.п.);
- резкое уменьшение доходов операторов. В последнее время многие мировые
фиксированные и мобильные операторы, в том числе и операторы стран СНГ,
столкнулись со стабилизацией средней выручки на одного абонента (ARPU,
Average revenue per user), с падением темпов роста абонентской базы по
причине насыщения рынка, что отразилось на уровне доходов. Ранее
наращивание абонентской базы происходило за счёт неподключенных
пользователей, в то время как сейчас данный процесс осуществим только с
условием переманивания абонентов у более слабых конкурентов, следствием
чего является высокий отток абонентов;
- дальнейшая бесперспективность выступления на рынке в роли
коммуникационной битовой трубы по передаче данных, которая приносит
прибыль исключительно от предоставления доступа к услугам и сервисам
интернет-компаний и сервис-провайдеров вроде Google или Skype, имеющих
богатый опыт предоставления услуг, стягивающими на себя все финансовые
потоки, владеющих большими пользовательскими базами, и которую в настоящий
момент играет большинство операторов, лишь наблюдая упущенную выгоду:
- угроза со стороны сторонних поставщиков текстовых, голосовых и видео-
приложений (OTT-провайдеров), по мере развития технологий увеличивающих
привлекательность своих услуг (голос, HD видео высокой чёткости);
- необходимость сокращения текущих операционных и эксплуатационных
расходов, капитальных вложений. В современных сетях применяются
самодостаточные автономные серверы услуг, в обязанности каждого из которых
входит решение целого ряда задач: реализация логики, обеспечение
работоспособности основных услуг, авторизация абонентов, хранение
пользовательских данных, биллинг и т.д. Пропорционально росту количества
оказываемых услуг растёт число серверов и, соответственно, число
дублируемых в каждом из узлов одинаковых функций, что в итоге приводит к
высокой стоимости ввода новых сервисов и росту капитальных затрат. Сети с
автономными серверами справляются с предоставлением каких-то отдельных
услуг, но испытывают сложности при организации комбинированных услуг, в
которых сочетаются видео, голос, текстовые и графические данные. Вот почему
возник замысел унифицировать платформу построения услуг на основе IP
протокола;
- усложнение системы биллинга. Результатом неучитывания характера
трафика мультимедийного сеанса Оператором является поверхностное начисление
платы за мультимедийную сессию на основании объёма переданной информации,
при котором Оператору убыточно продавать услуги, которые создают
незначительный объём трафика, а абоненту в свою очередь невыгодно покупать
сервисы, создающие большой объём трафика, как например, видео. Принимающий
во внимание характер передаваемого трафика Оператор использует более
действенные, выгодные как для него, так и для клиентов бизнес модели;
- тенденция уменьшения в пакетах услуг, предлагаемых провайдерами, доли
низкомаржинальных голосовых услуг, то есть востребованных абонентами, но не
приносящих большой доход вследствие насыщения рынка речевой связи,
появления большого количества высокотехнологичных сервисов на основе сети
передачи данных, вытеснения голоса трафиком данных в общем объёме
абонентского трафика, ростом популярности устройств с поддержкой передачи
данных. Выход, по мнению экспертов, заключается в увеличении доли доходов
от неголосовых услуг в ARPU, то есть услуг с добавленной стоимостью (VAS)
на базе IP, таких как услуга обмена сообщениями и широкополосного доступа в
Интернет, однако цены на них продолжают падать, остальные услуги не столь
популярны среди абонентов;
- переход от концепции услуг Triple Play (тройной пакет, включающий
стационарную телефонную связь (Voice), широкополосный доступ (ШПД) в
Интернет (Data), кабельное телевидение или телевидение IPTV - передача ТВ
через IP-сеть (Video) к концепции услуг Quadruple play (4Play), включающей
помимо вышеперечисленных услуг мобильную связь и конвергентные услуги
(Triple Play+Mobility-мобильность);
- требование роуминга. Концепция IMS появилась именно в среде
разработчиков стандартов мобильных сетей по причине того, что возникшая на
тот момент идея разделения между функциями транспортировки и функциями
управления информационных услуг на базе элементов платформы Softswitch не
была подкреплена своевременной разработкой соответствующих стандартов, что
привело к несовместимости сетевых элементов от разных производителей –
существенного недостатка не столько стационарных, сколько мобильных сетей,
в которых основной статьей доходов является роуминг;
- развитие сотовых сетей от систем 2,5G к 3G, 4G и 5G, наращивание
применения дорогостоящих технологий беспроводного абонентского доступа LTE,
LTE Advanced. Изначально платформа IMS предназначалась для ввода новых
услуг мультимедиа для пользователей мобильных сетей 2.5G, 3G, но
стремительное развитие LTE обозначило новую веху IMS: теперь интерес к ней
сместился в сторону организации расширенных мультимедийных услуг (RCS) и
голосовых услуг (VoLTE);
- переход операторов фиксированной и подвижной связи к модели оказания
услуг по концепции all over IP (работа поверх IP) в связи с
необходимостью снижения расходов, потребностью в универсальной и гибкой
среде создания новых услуг, какой может служить платформа IMS – ядро All-IP
сетей, и в новых-бизнес-моделях оказания услуг. Перед операторами стоят две
задачи: задача минимум – стать производительным оператором VoIP, задача
максимум – стать продуктивным оператором All IP;
- конвергенция сетей и услуг связи. В настоящее время абоненты вынуждены
для разных целей подключать различные услуги (широкополосный проводной
доступ к сети Интернет для получения нужной информации, её обработки,
хранения и обмена ею; мобильную связь и VoIP-услуги для делового общения) и
применять разные устройства, поддерживающие многообразные стандарты и
протоколы доступа. Данная концепция всё более неэффективна как для
оператора, так и для абонента.
Вышеперечисленные факторы вынуждают операторов предоставлять новые
сервисы. Это возможно лишь благодаря переводу сетей на NGN и внедрению
конвергентных сервисов на базе IP. В этих условиях назрела необходимость в
совершенно новой концепции для создания и внедрения услуг. Такой концепцией
стала IMS.
1.2 Концепция IMS
Как и сеть сетей Интернет, понятие IMS довольно широкое. Под
мультимедийной IP-подсистемой IMS (IP Multimedia Subsystem) понимают, во-
первых, комплекс функциональных модулей базовой сети и набор стандартов для
организации услуг на базе протокола инициирования сеанса связи SIP (Session
Initiation Protocol); во-вторых, концепцию разделения инфраструктурного
уровня сети и уровня услуг; в-третьих, гибкую однородную мультисервисную
среду. Концепция IMS расценивается мобильными операторами, интернет-
провайдерами, вендорами телекоммуникационного оборудования как эффективное
конкретное универсальное технологическое решение на базе IP для организации
сетей следующего поколения, как наиболее оптимальная основа конвергенции
мобильных и фиксированных сетей и услуг и как каркас для быстрого внедрения
новых услуг. IMS не является устройством. Данной концепцией определяется
принципиально новая открытая унифицированная функциональная
стандартизированная сервисная архитектура, опирающаяся на пакетную
транспортную сеть и основанная на Интернет протоколах семейства TCPIP, в
первую очередь, на SIP, поддерживающая благодаря открытым стандартам
абсолютно все технологии доступа.
Общеизвестно, что современные сети, в том числе имеющие в своей
структуре домены коммутации пакетов и каналов мобильные, могут и так
предоставлять услуги мультимедиа. В таком случае, для чего разрабатываются
IMS сети?
Цель IMS – предоставить в равной степени абонентам беспроводных и
проводных сетей весь разнообразный спектр инфокоммуникационных
мультимедийных услуг и интерактивных сервисов нового поколения, с
гарантированной скоростью обмена данными и малыми задержками на всем
протяжении сессии в домашней и гостевой сетях, отвечающих ожиданиям
абонентов, посредством единой унифицированной IP-платформы из единого
центра с единой системой тарификации, абстрагируясь от особенностей и
деталей конкретной сети, обеспечивая тем самым реальную сетевую
мультимедийность и мультисервисность, и в конечном счёте добиться
объединения функций биллинга, аутентификации, персонализации сервисов,
управления сеансами связи и безопасности, средств передачи мультимедийного
и голосового трафика, простоты управления; интеграции и бесшовной
конвергенции разделённых технологическими границами коммуникационных
сервисов и услуг; создания однородной среды для передачи информации любого
типа (голос, видео, текстовые и графические данные, мультимедиа) слияния
сотовых сетей подвижной связи (СПС) и стационарных сетей (ТфОП – телефонная
сеть общего пользования, СПД - сеть передачи данных) в единую современную
мультимедиа сеть. Фундаментом концепции IMS и средством достижения
намеченной цели служат следующие принципы:
- принцип разделения на уровни функций контроля сеансами и приложений,
способствующий простоте управления сетью;
- принцип поддержки качества обслуживания QoS и роуминга;
- принцип полного перехода к коммутации пакетов на базе IP – необходимое
условие мультимедийности, передачи трафика разных типов в рамках одного
сеанса связи.
Фактически IMS является примером реализации принципа ABC (Always Best
Connection) наилучшего соединения с требуемым сервисом в любое необходимое
клиенту время по наилучшей инфраструктуре доступа.
При этом необходимо подчеркнуть, что подсистема IMS представляет собой,
по сути, удобный механизм доставки и тарификации сервисов, а не набор
сервисов. Сама по себе платформа IMS не предоставляет услуги. Ядро IMS
только реализует базовый комплект внутрисетевых услуг типа авторизации и
управления мультимедийными сессиями. Роль организатора представляющих
интерес дополнительных услуг отводится сервисным платформам (SDP) и
инструментальным средствам (серверам приложений – AS). Таким образом,
услуги возникают лишь в случае наличия соответствующих приложений.
1.3 Функциональная архитектура IMS
В основе построения концепции IMS лежит следующий принцип: доставка
любой услуги совершенно не связана с коммуникационной инфраструктурой,
кроме случаев ограничений по пропускной способности. Реализация данного
принципа на практике путём так называемого многоуровневого подхода
позволяет организовать открытый независимый от технологий доступа механизм
доставки услуг, делающий возможным внедрение в сети приложений сторонних
поставщиков услуг.
Партнёрство 3GPP стандартизирует не сетевые узлы, не сетевое
оборудование, а именно функции, выполняемые элементами сети на базе одной
либо нескольких аппаратных платформ, а это значит, что архитектура IMS, как
и архитектура Softswitch, по сути, является набором функций, соединённых
друг с другом посредством стандартных интерфейсов и взаимодействующих с
помощью стандартных протоколов. Получается, что 3GPP в процессе разработки
IMS перенёс идеологию Softswitch на мобильные сети. Разработчики
коммерческого сетевого оборудования могут сконцентрировать в одном
физическом объекте несколько различных функций или, напротив, распределить
одну функцию между несколькими сетевыми элементами, но обычно каждую
функцию осуществляют в отдельном элементе и приравнивают физическую
архитектуру к функциональной. Преимуществом реализации нескольких функций в
одном сетевом элементе является упрощение управления и контроля сети за
счёт уменьшения общего количества сетевого оборудования, недостатком –
отсутствие гибкой взаимозаменяемости функций при использовании сетевого
оборудования нескольких производителей.
Итак, в концепции телекоммуникационных сетей будущего NGNIMS
определяются функции. Несмотря на то, что определённые функции сложно
отнести к какому-либо уровню, благодаря такому подходу зависимость между
уровнями архитектуры IMS минимальна. Подсистема передачи мультисервисных
сообщений IMS TISPAN специфицируется как многоуровневая архитектура
мультисервисной сети связи, в которой выделяют три уровня (плоскости)
(рисунок 1.1):
1) пользовательский транспортный уровень, или уровень передачи данных,
или уровень доступа и транспорта (User Plane) отвечает за подключение
абонентов к инфраструктуре IMS, включает пользовательское оборудование,
терминальное оборудование сети доступа с различными технологиями (Wi-Fi,
WiMAX, GPRS, HFC, xDSL, PON и др.), единую транспортную IP-сеть и
транспортные медиашлюзы (MGW), ядра NGN, а также две важные подсистемы не
IMS, стандартизированные ETSI TISPAN: подсистему сетевой привязки NASS и
подсистему контроля входящего потока RACS.
Рисунок 1.1 Упрощенная функциональная архитектура IMS
2) уровень управления сессиями, или уровень контроля (Control Plane)
несёт ответственность за все действия по управлению сессиями (за
регистрацию абонентских устройств и направление сигнальных сообщений SIP
протокола к соответствующим серверам приложений), содержит несколько
подсистем услуг, включает ядро сети IMS, сервер пользовательских данных HSS
(Home Subscriber Server) и сигнальные шлюзы.
3) уровень услуг и приложений (Application Plane) обслуживает конечных
потребителей, состоит из сервера приложений AS (Application Server),
который управляет IMS услугами, и сервера пользователей домашней сети HSS.
На рисунке 1.2 представлена полная архитектура IMS с учётом всех её
элементов.
Рисунок 1.2 Архитектура IMS (пунктирная линия — сигнализация, сплошная —
данные)
Рассмотрим основные функциональные элементы IMS.
Уровень управления вызовами и сеансами
Уровень управления – это совокупность функций IMS, осуществляющих все
действия по управлению сеансами связи и регистрации пользователя в сети
IMS. Логические элементы уровня управления:
- CSCF (Call Session Control Function) – функция управления вызовами
(сессиями и маршрутизацией) – сердце и душа IMS – центральный базовый
элемент опорной архитектуры IMS, основная функция на плоскости управлении
IMS-платформы, реализующаяся на SIP-сервере, обрабатывающая SIP-
сигнализацию, задающая централизованный механизм маршрутизации сигнального
трафика SIP, направляя сигнальные сообщения протокола SIP к соответствующим
серверам приложений, и, используя протокол SIP, обеспечивающая
предоставление большого количества услуг реального времени посредством
транспорта IP, выделяя требуемые ресурсы и регистрируя абонентские
устройства. CSCF применяет динамическую информацию для продуктивного
управления сетевыми ресурсами (пограничные устройства, шлюзы и серверы
приложений) и взаимодействием пользовательских услуг в зависимости от
профиля пользователей и приложений. Функция CSCF обращается к уровню
транспорта и доступа для обеспечения QoS по всем сервисам. CSCF
устанавливает, контролирует, поддерживает и прекращает мультимедийные
сеансы связи, а также управляет взаимодействием услуг абонента. Модуль CSCF
включает три области ответственности: обслуживание, управление сеансом
прокси и взаимодействие и три главные функции соответственно, вместе
составляющие ядро сети IMS, используемое для установления сессий и медиа-
контроля:
1) S-CSCF (Serving CSCF) – обслуживающая функция, или сервер
обслуживания CSCF. Обрабатывает все SIP-coобщения, посредством которых
обмениваются оконечные абонентские терминалы;
2) P-CSCF (Proxy CSCF) – проксирующая (представительная) функция, или
прокси-сервер, через который в систему IMS поступает весь пользовательский
трафик;
3) I-CSCF (Interrogating CSCF) – запрашивающая функция, или сервер
взаимодействия. Обычно точка соединения с домашней сетью. I-CSCF обращается
к HSS с целью нахождения S-CSCF для определённого пользователя.
Существует ещё одна дополнительная, но вместе с тем очень важная функция
CSCF – E-CSCF экстренных служб (Emergency CSCF). Все четыре типа CSCF
обеспечивают механизм SIP маршрутизации, участвуют в регистрации
пользовательского оборудования в сети, в установлении сессии, генерируют
тарификационные данные и направляют их в функции offline тарификации.
- S-CSCF (Serving CSCF) – обслуживающая центральная интеллектуальная
функция управления сеансом связи на сигнальном уровне, обеспечивающая
установление сессии SIP, управляющая сеансами доставки мультимедийных
сообщений через транспортную сеть IP и обрабатывающая этапы сеанса связи в
сети. Кроме функции SIP-сервера обслуживания, S-CSCF осуществляет функцию
регистрирующего сервера сети SIP (SIP-registrar), поддерживая привязку
местонахождения абонента к его SIP-адресу PUI (Public User Identity) и
регистрируя терминалы. Адрес S-CSCF определяется в ходе регистрации
абонента. Основной функцией S-CSCF является маршрутизация SIP-сообщений,
которыми обмениваются абонентские терминалы. Вся сигнальная информация SIP,
передаваемая и принимаемая абонентским IMS-терминалом, проходит через
элемент S-CSCF, к которому прикреплен абонент. S-CSCF обрабатывает и
проводит анализ каждого SIP сообщения и определяет необходимость его
прохождения сквозь предоставляющие абоненту услуги серверы приложений по
пути к пункту назначения. S-CSCF поддерживает сеанс в течение всего времени
его продолжения и, если нужно, взаимодействует с базами данных сети,
аналогично I-CSCF: с домашним абонентским сервером HSS по протоколу
Diameter и серверами аутентификации, авторизации и учёта ААА (сервисными
платформами), а также функциями начисления платы. Итак, S-CSCF управляет
сетевыми ресурсами: шлюзами, серверами, пограничными устройствами в
зависимости от приложений и профиля абонента.
- P-CSCF (Proxy CSCF) – центральный для работы прокси-сервер CSCF,
посредник для взаимодействия с абонентскими терминалами (оборудованием
доступа), функция, служащая первой контактной точкой на сигнальном уровне в
ядре IMS взаимодействия IMS-сети и абонентских IMS-терминалов данной сети
(UE), находящаяся в сетях, абсолютно совместимых с IMS: гостевой (чаще
всего) или домашней. С точки зрения SIP функция P-CSCF рассматривается как
входящийисходящий прокси-сервер, выполняющий функции прикладного уровня,
через который к IMS и в обратном направлении проходит весь сигнальный
трафик протокола SIP. За принятие и маршрутизацию запросов от терминала и
ответов SIP к элементам ядра IMS (узлам I-CSCF, S-CSCF и т.п) отвечает
именно P-CSCF. Элементы P-CSCF, идеально подходящие для сбора данных о
сессиях, выполняют регистрацию абонентов, генерацию учётных записей и
записей биллинга, их накопление, передачу их в биллинг-сервер.
Обслуживаемый абонентский терминал прикрепляется к P-CSCF на все время
регистрации, и упомянутая связь сохраняется до её отмены, то есть P-CSCF не
заменяется. Адрес P-CSCF на всё время регистрации в IMS хранится в S-CSCF
для трансляции данных к пользователю и установления входящего соединения. В
ходе аутентификации P-CSCF извещает о новом абоненте остальные функции ядра
IMS, чтобы им не нужно было повторно выполнять эту же процедуру. P-CSCF
управляет NAT (механизмом преобразования сетевых IP адресов) и шлюзом сети
доступа IMS-AGW. P-CSCF обеспечивает выполнение требований к безопасности,
а именно: аутентификацию пользователя посредством установления нескольких
защищенных IPsec ассоциаций, проверку правильности построения передаваемых
IMS терминалом сигнальных SIP сообщений, защиту конфиденциальности SIP
сигнализации, сбор данных о предоставленных пользователю сервисах,
организацию СОРМ, а также выбор и управление QoS. P-CSCF осуществляет
компрессию и декомпрессию сообщений текстового SIP протокола между UE и P-
CSCF для того, чтобы ускорить время их передачи и сократить время
установления соединения и оказания услуги. P-CSCF включает режим
компрессии, когда абонентский терминал индицирует потребность в нём.
P-CSCF выбирает политику использования приложений и сетевых ресурсов
посредством PDF, авторизует доступ к ним. PDF (Policy Decision Function) –
функция, ответственная за выработку политики об изменении параметров
сеанса, управляющая QoS через медиаплоскость. Согласно 3GPP, в определённых
случаях PDF может быть включен в P-CSCF, но чаще всего реализуется как
отдельный функциональный блок. На основании информации о характере сеанса и
о передаваемом трафике (транспортные адреса, ширина полосы и т.д.),
полученной от P-CSCF, PDF принимает решения об организации сеанса или о его
запрете, а также о запрете передачи определённого трафика, проведении
повторной авторизации при изменении параметров сеанса и т.д.
- I-CSCF (Interrogating CSCF) - посредник для взаимодействия с внешними
сетями - запрашивающая CSCF функция, по сути SIP прокси-сервер,
расположенный на границе административного операторского домена домашней
сети, создающий первую контактную точку домашней сети IMS на сигнальном
уровне внутри ядра IMS в следующих случаях: в процессе регистрации
пользователей, находящихся в визитной сети; при установлении соединения
между абонентами различных домашних сетей; для всех внешних соединений IMS
как с местными абонентами (абонентами данной сети), так и с гостевыми
(визитными) абонентами, временно находящимися в данной сети, то есть для
всех входящих соединений к абонентам данного провайдера. I-CSCF часто
выполняет задачи межсетевого шлюза, скрывающего топологию (Topology Hiding
Internetwork Gateway, THIG): скрывает топологию, конфигурацию, возможности
и ёмкость сети от злоумышленников, шифрует части SIP-сообщений, содержащие
ценные сведения о домене, о количестве серверов в домене, их DNS-именах и
т.д. В THIG отсутствует необходимость при наличии на границе сети
провайдера пограничного контроллера SBC (Session Border Controller).
Посредством протокола Diameter I-CSCF обращается к пользовательской базе
данных HSS и SLF для того, чтобы получить информацию о местонахождении
определённого абонента и обслуживающей его S-CSCF, определить место
предоставления услуг и назначить S-CSCF. I-CSCF определяет, зарегистрирован
ли конкретный абонент в данной сети, есть ли возможность его регистрации,
собирает данные о функциональном объекте S-CSCF.
- E-CSCF (Emergency Call Session Control Function) – это выделенная
функция, служащая для обработки экстренных запросов (вызов полиции,
пожарной бригады, скорой помощи) и выбора соответствующего центра
экстренных служб, куда перенаправляются поступившие запросы, на основе
данных о местоположении абонента ... продолжение
Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.
Похожие работы
Дисциплины
- Информатика
- Банковское дело
- Оценка бизнеса
- Бухгалтерское дело
- Валеология
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Религия
- Общая история
- Журналистика
- Таможенное дело
- История Казахстана
- Финансы
- Законодательство и Право, Криминалистика
- Маркетинг
- Культурология
- Медицина
- Менеджмент
- Нефть, Газ
- Искуство, музыка
- Педагогика
- Психология
- Страхование
- Налоги
- Политология
- Сертификация, стандартизация
- Социология, Демография
- Статистика
- Туризм
- Физика
- Философия
- Химия
- Делопроизводсто
- Экология, Охрана природы, Природопользование
- Экономика
- Литература
- Биология
- Мясо, молочно, вино-водочные продукты
- Земельный кадастр, Недвижимость
- Математика, Геометрия
- Государственное управление
- Архивное дело
- Полиграфия
- Горное дело
- Языковедение, Филология
- Исторические личности
- Автоматизация, Техника
- Экономическая география
- Международные отношения
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности), Защита труда
