Evolução das Redes de Telecomunicação: Arquitetura IMS
Samuel R. Lauretti
Graduado em Engenharia Elétrica pela USP-São Carlos em 1987, com Mestrado em Telecomunicações pela UNICAMP em 1993. Completou o MBA em Administração de Empresas pela Fundação Getulio Vargas em 2002.
Atualmente é aluno de Doutorado em Telecomunicações na UNICAMP. Iniciou sua carreira no CPqD em 1988, trabalhando em desenvolvimento de equipamentos de microondas e tecnologia CDMA. Em 1995, juntou-se à Celtec Tecnologia de Telecomunicações, trabalhando como Engenheiro de RF em diversos projetos de telefonia móvel celular no Brasil e Estados Unidos.
Desde 1999 atua na Lucent Technologies do Brasil, como Gerente de Engenharia, provendo suporte pré-venda à tecnologias móveis e fixas.
Arquitetura IMS: Introdução
Ocorrem há algum tempo discussões sobre a evolução das redes de comunicação atualmente existentes (baseadas em operação modo circuito), para uma nova geração de redes com base em operação modo pacote.
Estas novas redes são freqüentemente chamadas de "All IP", "NGN" (New Generation Network) ou referidas como suporte à aplicação VoIP (Voice over IP). Entretanto, antes de discutirmos esta nova rede, é importante entender seus principais requisitos:
• Suporte a sofisticados serviços multimídia; • Conexões orientadas à sessão;
• Rede orientada a pacote com convergência de voz e dados;
• Mobilidade sem restrições, permitindo inclusive controle de serviços a partir da rede de origem ( Home Control );
• Convergência Fixo/Móvel de serviços e operação da rede; • Serviços agnósticos ao tipo de acesso (fixo e móvel); • Interfaces abertas para todos os elementos;
• Possibilidade de evitar a proliferação de protocolos ( standards ); • Base de Dados centralizada para simplificação de operação; • Suporte aos assinantes e serviços legados.
A resposta da indústria a estes requerimentos é a arquitetura chamada de IMS ( IP Multimedia Sub-System ). Esta arquitetura de rede é patrocinada pelo 3GPP/3GPP2, com apoio dos mais importantes órgãos de padronização (ITU / ANSI / ETSI /OMA / IETF).
Inicialmente desenvolvido para aplicação em redes móveis 3G, a arquitetura de rede definida no 3GPP R5 (3 rd Generation Partnership Project) e 3GPP2 está gerando interesse também em operadoras de rede fixa. Esta arquitetura é vista como o caminho adequado para implementação de redes de nova geração (NGN - New Generation Network ). Dois elementos merecem especial destaque nesta nova arquitetura:
• Soft Switch (SS), com importante função de controle;
• Protocolo SIP, como agente de comunicação entre os principais elementos desta nova rede.
O objetivo deste artigo é apresentar uma visão geral desta arquitetura, assim como demonstrar os benefícios proporcionados por esta nova geração de redes de comunicação.
Arquitetura IMS: A arquitetura IMS como plataforma de serviços sofisticados
A arquitetura IMS propõe-se a fornecer uma série de vantagens conforme listado anteriormente. É muito comentada a diminuição de custos na operação das redes, dada a convergência de voz & dados e móvel & fixo.
É muito importante também mencionar um dos maiores benefícios da arquitetura IMS: a possibilidade de se introduzir sofisticados serviços para os assinantes. Evidentemente, as redes atuais já permitem a disponibilização de vários serviços de valor agregado para os assinantes. Entretanto, as seguintes limitações ocorrem:
• Baixa interação entre plataformas de serviços. Por exemplo, é conveniente que se possam criar serviços diferenciados que combinem duas ou mais capacidades da rede (e.g. um serviço que utilize simultaneamente a informação de localização do usuário e sua disponibilidade e permita ainda simultaneamente uma conversação ou troca de arquivos);
• Baixa eficiência na administração de bases de dados. Frequentemente, cada plataforma de serviços requer sua própria base de dados de assinantes para provisionamento. Obviamente esta não é uma maneira eficiente de se implementar e operar novos serviços.
A Figura 1 abaixo mostra uma representação simplificada da implementação de serviços em uma rede IMS. Por exemplo, o Serviço A pode utilizar a informação de presença do assinante (disponível na Plataforma 1) e permitir ainda que uma sessão PTT (Push to Talk) ou PTS (Push to Show) ocorra simultaneamente (disponível na Plataforma 2).
A arquitetura IMS fornece então uma forma eficiente de se implementar estes novos serviços sofisticados. Por exemplo, o HSS ( Home Subscriber System ) contém uma base de dados centralizada dos assinantes. Esta base de dados pode ser acessada através de protocolos abertos pelas plataformas de serviços. O Serviço 3, por sua vez, pode utilizar outras capacidades da rede disponíveis nas Plataformas 2 e 3.
A seguir, são discutidos os elementos de uma rede IMS e suas funções. É importante que se entenda estes elementos e suas funções, para uma completa compreensão das vantagens desta nova geração de redes.
Arquitetura IMS: Definição geral dos componentes da arquitetura IMS A arquitetura IMS se divide basicamente em três camadas:
• Camada de Aplicações: contém as plataformas de serviços (e.g. PTT - Push to Talk , Serviços de Localização - LBS, Serviços de Mensagem Curta e Multimídia - SMS/MMS, Plataforma de Vídeo, etc.).
• Camada de Controle: responsável pelo controle, incluindo estabelecimento das sessões. O Soft Switch é o elemento principal desta camada.
• Camada de Acesso: meios de acesso, incluindo as interfaces wireless (e.g. cdma2000, UMTS/WCDMA e WiFi), e interfaces cabeadas (e.g ADSL).
A Figura 2 abaixo mostra uma representação da arquitetura IMS.
Conforme mencionado, o Soft Switch (SS) possui um papel central na arquitetura IMS. O SS contém as funções de servidor IMS, sendo responsável pelo controle da chamada/sessão provido pelo IMS na rede de origem do assinante ( Home Network ). O SS gerencia as sessões IP, provê os serviços, coordena o controle da sessão com outros elementos da rede, e aloca recursos de mídia.
A seguir são descritas as funções e os componentes de um servidor IMS. Lembramos que as funções do servidor IMS são implementadas em uma Soft Switch. Note que os elementos descritos a seguir representam entidades lógicas, podendo estar fisicamente implementas em uma mesma SS ou não. Em algumas situações, pode ser interessante a flexibilidade de implementação destas funcionalidades em SS diferentes.
Uma representação mais detalhada da arquitetura IMS, seus elementos e interfaces, pode ser vista na Figura 3.
Figura 3: Componentes da Rede IMS.
Call Session Control Function (CSCF)
O elemento Serving CSCF gerencia as sessões SIP e coordena com outros elementos da rede o controle das chamadas/sessões. O S-CSCF é responsável pelas seguintes funções:
Registro SIP - processa solicitações de registro SIP (SIP REGe de dados e condição de assinantes durante a duração da sessão de registro;
Controle da Sessão - executa o estabelecimento da chamada/sessão, modificação e terminação.
Controle de Serviço - interage com os Servidores de Aplicação (Application Server) para suporte de serviços e aplicações.
• Monitoração da chamada e geração de registros de tarifação (bilhetes) • Provê segurança para a sessão.
O Proxy CSCF é o primeiro contato para um móvel SIP obter acesso à rede IMS a partir de uma rede orientada a pacotes. O elemento P-CSCF:
• Provê o roteamento SIP entre os móveis SIP e a rede IMS; • Executa a política de controle definida pela operadora da rede;
• Coordena com a rede de acesso, autorizando o controle de recursos e qualidade das chamadas/sessões (QoS);
• Adicionalmente, operadores podem oferecer localmente serviços controlados pelo P-CSCF. Para serviços que são oferecidos pela rede IMS de origem ( Home Network ), o P-CSCF repassa a sinalização SIP para o servidor IMS na rede de origem.
O Interrogating-CSCF é o ponto de contato na rede de um operador para todas as conexões destinadas a um assinante da rede deste operador, ou para um assinante visitando sua rede. Podem existir múltiplos I-CSCF em uma rede. As funções executadas pelo I-CSCF são:
• Designar um S-CSCF para um usuário executando um registro SIP; • Rotear uma requisição SIP recebida de outra rede em direção ao S-CSCF; • Obter do HSS (Home Subscriber Subsystem) o endereço do S-CSCF;
• Encaminhar a requisição SIP ou resposta ao S-CSCF determinada no estágio acima;
• Encaminhar a requisição SIP ou resposta para a designação ótima do MGW ( Home Control of roamers );
• Enviar requisições/respostas SIP ao I-CSCF em uma rede de outro operador para designação ótima de um Media Gateway (MGW), para terminação de uma chamada em na rede pública comutada (STFC).
Ao executar estas funções citadas acima, o operador pode usar o I-CSCF ou outras técnicas para ocultar a configuração, capacidade e topologia de sua própria rede do mundo externo. Quando o I-CSCF é escolhido para ocultar a configuração da rede, então para sessões atravessando diferentes redes, o I-CSCF pode enviar requisições/respostas SIP para outro I-CSCF (permitindo a independência de configuração entre redes).
Breakout Gateway Control Function (BGCF)
O BGCF seleciona a rede na qual o acesso à rede pública comutada (STFC) deve ocorrer. Se o BGCF determina que o acesso vai ocorrer na mesma rede onde o BGCF está localizado, então o BGCF seleciona um MGCF.
O MGCF será responsável pelo interfuncionamento com a rede STFC. Se o ponto de acesso está em outra rede, o BGCF irá enviar a sinalização desta sessão a um BGCF ou MGCF (dependendo da configuração) na outra rede. O objetivo final é minimizar o percurso da chamada/sessão.
Media Gateway Control Function (MGCF)
O MGCF provê a função de interfuncionamento de sinalização entre os elementos da rede IMS e as redes legadas (STFC). O MGCF controla um conjunto de MGWs através da sinalização H.248. A sinalização H.248 permite o estabelecimento de percursos para as sessões que necessitam interfuncionamento (sob a perspectiva de tráfego) entre a STFC e a rede IMS.
Multimedia Resource Function Controller (MRFC)
O MFRC controla os recursos de mídia do elemento MultiMedia Resource Function Processor (MRFP). Por exemplo, recursos necessários para prover tons, anúncios e conferência.
Policy decision function (PDF)
PDF é a função lógica que implementa a decisão em relação à política a ser aplicada, fazendo uso de mecanismos de QoS na camada de conectividade IP.
Home Subscriber Server (HSS)
O HSS contém a base de dados principal, com os dados de todos os usuários (incluindo serviços autorizados), o qual as várias entidades lógicas de controle (CSCF) acessam ao gerenciar os assinantes. O HSS contém os dados do usuário, que são passados ao CSCF, e armazena a informação temporária com a localização do S-CSCF onde o usuário está registrado em um dado momento.
A Figura 4 abaixo mostra um exemplo de estabelecimento de sessão/chamada em uma rede IMS.
Não estão demonstrados todos os elementos (por exemplo o HSS não está representado). Neste exemplo, o assinante Fernando Lima em Brasília deseja estabelecer uma sessão de voz e dados com o assinante Carlos Machado (que se encontra em Manaus).
É mostrada a troca de sinalização SIP entre os vários Soft-Switches (passos 1 a 6), até que se determine um percurso para uma chamada de voz sobre IP (VoIP) no passo 7. É importante notar que os terminais móveis utilizados são compatíveis com o protocolo SIP.
Arquitetura IMS: Comentários Finais
As redes atuais de telecomunicações irão migrar para um novo modelo de rede, chamado de IMS - IP Multimídia Subsystem. Este novo modelo de redes - IMS - é baseado em protocolos abertos, com o apoio dos principais fóruns de padronização (3GPP/3GPP2/ANSI/ETSI/IETF e outros).
O Soft Switch possui papel central de controle nesta arquitetura. Entretanto, as Soft Switch tradicionais (executando atualmente a função de Media Gateway Controller), necessitarão evoluir de forma a suportar as novas funções de controle de sessão (P-CSCF, I-CSCF e P-CSCF).
O protocolo SIP também possui função importante, como elemento de comunicação padronizado entre os principais elementos desta nova rede. Mais especificamente, o protocolo SIP-SDP ( Session Description Protocol ) será utilizado para definição do tipo de mídia utilizada. Por exemplo, o protocolo SIP-SDP será aplicado para definir o tipo de vocoder em uma chamada VoIP.
A expectativa é de que estas novas redes estejam em operação em 2006. Por exemplo, além dos elementos citados, serão necessários terminais de usuário suportando o protocolo SIP. Para a realização de chamadas VoIP, também serão necessárias interfaces aéreas com mecanismos de qualidade de serviço (QoS). A tecnologia 1xEV-DO Rev A fornecerá estes mecanismos de QoS em 2006. Da mesma forma, a tecnologia WCDMA vai proporcionar mecanismos de QoS para suporte de VoIP.
Finalmente, deve ser comentado que, embora as redes IMS devam estar implementadas em sua plenitude em 2006, é importante que se inicie desde já o planejamento desta implementação. Por exemplo, é importante que plataformas sendo implantadas a partir de agora tenham um caminho claro de evolução e adequação a uma rede IMS.
A Lucent possui uma solução totalmente compatível com a arquitetura IMS. Esta solução da Lucent é chamada de AccelerateTM, e contém um portifólio completo de produtos e serviços necessários para a implementação das redes de nova geração.
Arquitetura IMS: Teste seu Entendimento
1) Quais das alternativas abaixo são exemplos de requerimentos das redes de proxima geração, ou seja os requerimentos de uma rede ideal ?
Suporte a sofisticados serviços multimídia, orientada a pacote com convergência de voz & dados e acesso móvel & fixo, redução de custos e complexidade de operação;
Rede orientada a circuito, utilizando múltiplas bases de dados;
Utiliza protocolos proprietários para comunicação entre seus elementos; nenhuma das alternativas anteriores.
2) Que tipo de beneficios a arquitetura IMS vai oferecer às operadoras ?
Manutenção de várias redes especializadas para prestação de serviços especificos;
Manutenção de uma única rede convergente, com redução dos custos de operação e oferta de sofisticados serviços multimídia;
Serviços limitados, utilizando protocolos variados para comunicação entre elementos; nenhuma das alternativas anteriores.
3) Qual o papel do Softswitch e do protocolo SIP nesta nova rede ? Acesso na interface aérea e coleta de dados de desempenho da rede; Autenticação dos usuários e geração de bilhetes de tarifação;
Controle das sessões e atuação como principal protocolo de comunicação entre os elementos de rede; nenhuma das alternativas anteriores.
4) Como as operadoras podem se preparar para a implementação destas novas redes? Introduzindo elementos com interfaces proprietárias em suas redes;
Introduzindo elementos com clara evolução para a arquitetura IMS; Multiplicando a quantidade de base de dados de seus assinantes; nenhuma das alternativas anteriores.
