IMS中的承载控制和计费控制
1.3GPP R5定义的承载控制和计费控制
在IMS会话建立时，UE通过SDP协议为实时业务、非实时业务请求相应的媒体参数(编码方案、媒体类型、带宽等)。IMS会话控制根据用户的个人业务/媒体信息以及所应用的本地策略控制，进行相应媒体参数的授权。所授权的参数返回给用户终端为建立传输承载作资源预留。
IMS网络与接入网络相互独立，IMS会话控制并不直接控制传输承载网络的资源分配，这需要在IMS会话层和传输承载层间建立一套交互机制，其结构如图 1 会话层和承载层的交互机制所示：
★ IP 承载管理器 (IP BS Manager)
用标准的IP机制来管理IP承载业务，IP BS在UE中是可选的，在GGSN是必须的，它通过翻译功能与UMTS承载管理器进行通信，提供IP承载业务与UMTS承载业务的互通。
★ 策略控制功能(PDF)
PDF采用标准的IP机制实现在承载层中的基于业务的本地策略控制。
★ IMS会话层与传输承载层间的联接
在3GPP R5规范中Go接口用来提供IMS会话层中的PDP与传输承载层中的PEP间的联接，从而实现了本地的QoS策略控制从IMS会话层映射到传输层。在IMS网络中PDF是PDP，GGSN是PEP。
★ 翻译/映射功能
翻译/映射功能提供了不同机制和不同参数间的互通
★ UE: UE把IMS会话所授权的媒体参数映射为用于建立承载的PDPC Activation / Modification请求所携带的QoS参数。
★ PDP - PEP: PDP把IMS会话层授权的媒体参数应设为QoS参数发送给PEP，由PEP执行UE所要求的承载资源的控制
★ Service-Based Local Policy (SBLP)
SBLP提供在“ Best Effort”以外更好的QoS的支持。
一个通过SBLP进行承载授权的操作过程如图2 承载授权过程所示：
Step 1
★ UE向 CSCF发送SIP信令
★ P-CSCF向PDF转发相关的SDP信息，并指出会话的发起者。P-CSCF从PDF获得授权令牌 (Token)
★ PDF对IP流进行记录(流标识符、数据速率、QoS类别)并授权。通过SDP参数映射到所授权的IP QoS参数而实现，并通过Go接口传送到GGSN
Step 2
★ UE为承载资源进行PDPC的激活或更改时，必须执行将SDP参数映射到UMTS QoS参数，作为PDPC中的QoS Profile的内容。PDPC的激活或更改还包括：PDF分配的授权令牌和流标识符(用作绑定信息)
★ 收到UE的PDPC激活或更改请求，GGSN向PDF申请授权信息。PDF比较收到的绑定信息和存储得到授权信息，并返回授权决策。如果绑定信息被验证是正确的，PDF将承载授权的信息告知GGSN，包括：与PDPC相关的IP QoS和分组分类器。
★ GGSN将授权的IP QoS映射为UMTS QoS，GGSN将此UMTS QoS与UE PDPC激活或更改所请求的QoS进行比较，如果在PDF的授权范围内则PDPC激活或更改被接受。
IMS允许所建立的会话包含不同的媒体成分(例如：音频和视频)，为了计费的目的所有媒体成分必须是唯一标识的，并且对于会话中的每个媒体成分进行单独计费。然而R5中的GGSN只能为PDPC产生一个G-CDR，在一个PDPC下不能区分不同媒体成分的业务流，因此：
★ PDF授权的每一个PDPC用于特定的媒体成分(IP Flow)
★ 不允许同一个Secondary PDPC媒体流的复用
★ 在授权期间，PDF将ICID(IMS Charging ID)传给GGSN，GGSN将GCID(GPRS Charging ID)传给PDF，实现计费关联功能(Charging Correlation)。把IMS会话层的计费信息和承载使用的计费信息绑定在一起。
★ 承载控制和计费控制是针对于GPRS/UMTS 分组域特有的PDP Context，这种机制不适用于其它的接入网络
2.基于流计费(FBC)
2.1 R6 定义的FBC
R5的计费方式是针对承载PDP Context的计费，随着IMS规范和市场需求的发展，其局限性主要表现为：
★ 低带宽、短时长的的承载业务变得越来越重要
★ 例如：Messaging, gaming, Rich call content……
★ 这些业务是不需要第二个PDP Context
★ 3GPP R5计费方式没有区别不同的IP Flow，计费方式不适用于其它接入方式(WLAN、xDSL、Cable…..)
★ 支持二次PDP Context的终端数量有限，二次PDP Context占用手机终端的处理和存储资源，并缩短电池寿命
★ PDP Context的激活和去激活，会大量增加GPRS/UMTS系统中的信令开销，并增加了业务建立的时延
针对R5计费方式的局限性，R6引入了FBC(flow based charging)，其优点表现在：
★ 支持更灵活的业务模式
★ 使用基于Primary PDP Context的承载业务，不再依靠二次 PDP Context
★ 比Go + SBLP具有更好的业务适应性
★ 适用于其它的网络接入技术
★ PDP context仅针对UMTS/GPRS，IP flow的概念具有通用性
FBC结构解决了承载层而不是应用层计费问题，应用层CDR将在CSCF、Application Server上产生。Ro/Rf用于向离线计费系统或在线计费系统传送应用层计费数据，包括：会话类型、会话的起始时间和终止时间、业务流使用信息。其操作过程如下所示：
Step 1
★ UE向 CSCF发送SIP信令
★ P-CSCF 通知CRF(Charging Rule Function) 数据流的相关信息 (IP流标识、带宽/速率、QoS类别)
★ CRF向GGSN发送流信息 ：IP Flow Detail + Charging Key
Step 2
★ UE开启承载流 (使用已有PDP C或启用新的PDPC)
FBC要求P-CSCF/PDF或RFC选择一个Charging Key作为所采用的计费规则。FBC不需要计费关联(Charging Correlation)，因为Charging Key中已包含了影响承载计费的IMS会话信息。GGSN向计费系统 (Offline or Online Charging System)发送IP Flow计费信息和Charging Key。
2.2FBC的发展方向－PCC(Policy and Charging Control)
基于FBC的架构来演进，但是不同于R6的FBC，将是对策略控制和计费控制结合起来实现的一个架构：把策略控制功能(PDF)和基于流的计费功能(FBC)合并成一个功能实体PCC(Policy and Charging Control)。策略控制和计费控制在消息内容上很多是相似或重复的(比如：IP 5-tuple定义、SDP信息)，接口的融合不仅可以提高通信效率，降低业务建立时延，还可以保证对GGSN/TPF控制的一致性。
★ 将Go和Gx接口合并为Gx+，分别向GGSN/TPF提供计费规则和策略控制规则，Gx接口将比较容易升级而支持策略控制功能，称之为基于流的策略控制(FBP)。
★ PCC面向会话层和应用层的接口Gq和Rx合并为Rx+，Gq和Rx接口在功能上很相似，把会话控制层有关IMS会话和媒体参数的信息传递给PCC
★ 引入新的解决方案来解决承载与业务的绑定问题，不同于现有的SBLP使用的授权令牌(token)机制。基于流的策略控制将使用数据流模板TFT(TFT包含在PDP Context内)，TFT通过IP地址和端口号识别流，其方法与CRF/PDF识别IP流的方法类似。
3.北电基于FBC的实时计费
图 5 北电基于FBC的实时计费方案图
5 北电基于FBC的实时计费方案：
北电的基于FBC的实时计费方案已部署于GPRS/UMTS网络，并可平滑过渡到支持IMS的实时计费功能。对于GPRS/UMTS网络。GGSN 通过预先配置的过滤器，过滤分析用户的上下行数据包。
通过内容过滤功能，GGSN对于特定的IP流建立分组分类器和相应的Content ID。当GGSN 得出用户的上下行数据流的属性时(由Content ID进行标识)， GGSN 便会向在线计费系(Online Charging System - OCS，通常位于BOSS系统)，提出相关业务信用额度的申请，OCS从用户的帐户中预留出适当的金额，并把相应的资源数量(时长或数据流量)返回GGSN，当资源用尽或业务终止，GGSN将消耗的资源数量通知OCS，OCS扣除相应的金额。根据3GPP 的规定，GGSN 和OCS 间应通过DIAMETER CC 协议来互通。GGSN 上的基于内容计费功能实现了3GPP 23.125 标准中定义的话务平面功能(TPF-Traffic Plane Function)。
事实上基于GPRS/UMTS的FBC方案，就是IMS中的基于FBC的承载计费功能(BCF)，主要的区别在于IP flow信息的获得方式：
★ GPRS/UMTS方案：IP Flow的信息来源于GGSN预置的内容过滤规则，这种静态的过滤规则能够满足GPRS/UMTS的分组业务需求
★ IMS方案：IP Flow的信息来源于CRF向GGSN/TPF发送的Charging Key，这是一种动态规则，在会话建立时，由PDF/CRF创建并保存流标识符，GGSN/TPF根据流标识符建立分组分类器和Content ID
北电的GGSN已经支持R6定义的话务平面功能(TPF)，只需增加Gx接口，就可以平滑的支持IMS基于FBC的实时计费：
★ 符合3GPP R6关于FBC的相关标准
★ 简化QoS策略控制和计费控制的实现，符合3GPP R7的PCC (Policy and Charging Control)的发展方向
★ PDF/CRF融合为Policy Server，它与GGSN间的接口为Gx+接口，协议采用Diameter
★ Gq/Rx接口合二为一，并采用Diameter协议
★ 提供访问GGSN的QoS控制功能
★ 策略控制、流量整形、 优先级、 DiffServ…(北电)
在IMS会话建立时，UE通过SDP协议为实时业务、非实时业务请求相应的媒体参数(编码方案、媒体类型、带宽等)。IMS会话控制根据用户的个人业务/媒体信息以及所应用的本地策略控制，进行相应媒体参数的授权。所授权的参数返回给用户终端为建立传输承载作资源预留。
IMS网络与接入网络相互独立，IMS会话控制并不直接控制传输承载网络的资源分配，这需要在IMS会话层和传输承载层间建立一套交互机制，其结构如图 1 会话层和承载层的交互机制所示：
★ IP 承载管理器 (IP BS Manager)
用标准的IP机制来管理IP承载业务，IP BS在UE中是可选的，在GGSN是必须的，它通过翻译功能与UMTS承载管理器进行通信，提供IP承载业务与UMTS承载业务的互通。
★ 策略控制功能(PDF)
PDF采用标准的IP机制实现在承载层中的基于业务的本地策略控制。
★ IMS会话层与传输承载层间的联接
在3GPP R5规范中Go接口用来提供IMS会话层中的PDP与传输承载层中的PEP间的联接，从而实现了本地的QoS策略控制从IMS会话层映射到传输层。在IMS网络中PDF是PDP，GGSN是PEP。
★ 翻译/映射功能
翻译/映射功能提供了不同机制和不同参数间的互通
★ UE: UE把IMS会话所授权的媒体参数映射为用于建立承载的PDPC Activation / Modification请求所携带的QoS参数。
★ PDP - PEP: PDP把IMS会话层授权的媒体参数应设为QoS参数发送给PEP，由PEP执行UE所要求的承载资源的控制
★ Service-Based Local Policy (SBLP)
SBLP提供在“ Best Effort”以外更好的QoS的支持。
一个通过SBLP进行承载授权的操作过程如图2 承载授权过程所示：
Step 1
★ UE向 CSCF发送SIP信令
★ P-CSCF向PDF转发相关的SDP信息，并指出会话的发起者。P-CSCF从PDF获得授权令牌 (Token)
★ PDF对IP流进行记录(流标识符、数据速率、QoS类别)并授权。通过SDP参数映射到所授权的IP QoS参数而实现，并通过Go接口传送到GGSN
Step 2
★ UE为承载资源进行PDPC的激活或更改时，必须执行将SDP参数映射到UMTS QoS参数，作为PDPC中的QoS Profile的内容。PDPC的激活或更改还包括：PDF分配的授权令牌和流标识符(用作绑定信息)
★ 收到UE的PDPC激活或更改请求，GGSN向PDF申请授权信息。PDF比较收到的绑定信息和存储得到授权信息，并返回授权决策。如果绑定信息被验证是正确的，PDF将承载授权的信息告知GGSN，包括：与PDPC相关的IP QoS和分组分类器。
★ GGSN将授权的IP QoS映射为UMTS QoS，GGSN将此UMTS QoS与UE PDPC激活或更改所请求的QoS进行比较，如果在PDF的授权范围内则PDPC激活或更改被接受。
IMS允许所建立的会话包含不同的媒体成分(例如：音频和视频)，为了计费的目的所有媒体成分必须是唯一标识的，并且对于会话中的每个媒体成分进行单独计费。然而R5中的GGSN只能为PDPC产生一个G-CDR，在一个PDPC下不能区分不同媒体成分的业务流，因此：
★ PDF授权的每一个PDPC用于特定的媒体成分(IP Flow)
★ 不允许同一个Secondary PDPC媒体流的复用
★ 在授权期间，PDF将ICID(IMS Charging ID)传给GGSN，GGSN将GCID(GPRS Charging ID)传给PDF，实现计费关联功能(Charging Correlation)。把IMS会话层的计费信息和承载使用的计费信息绑定在一起。
★ 承载控制和计费控制是针对于GPRS/UMTS 分组域特有的PDP Context，这种机制不适用于其它的接入网络
2.基于流计费(FBC)
2.1 R6 定义的FBC
R5的计费方式是针对承载PDP Context的计费，随着IMS规范和市场需求的发展，其局限性主要表现为：
★ 低带宽、短时长的的承载业务变得越来越重要
★ 例如：Messaging, gaming, Rich call content……
★ 这些业务是不需要第二个PDP Context
★ 3GPP R5计费方式没有区别不同的IP Flow，计费方式不适用于其它接入方式(WLAN、xDSL、Cable…..)
★ 支持二次PDP Context的终端数量有限，二次PDP Context占用手机终端的处理和存储资源，并缩短电池寿命
★ PDP Context的激活和去激活，会大量增加GPRS/UMTS系统中的信令开销，并增加了业务建立的时延
针对R5计费方式的局限性，R6引入了FBC(flow based charging)，其优点表现在：
★ 支持更灵活的业务模式
★ 使用基于Primary PDP Context的承载业务，不再依靠二次 PDP Context
★ 比Go + SBLP具有更好的业务适应性
★ 适用于其它的网络接入技术
★ PDP context仅针对UMTS/GPRS，IP flow的概念具有通用性
FBC结构解决了承载层而不是应用层计费问题，应用层CDR将在CSCF、Application Server上产生。Ro/Rf用于向离线计费系统或在线计费系统传送应用层计费数据，包括：会话类型、会话的起始时间和终止时间、业务流使用信息。其操作过程如下所示：
Step 1
★ UE向 CSCF发送SIP信令
★ P-CSCF 通知CRF(Charging Rule Function) 数据流的相关信息 (IP流标识、带宽/速率、QoS类别)
★ CRF向GGSN发送流信息 ：IP Flow Detail + Charging Key
Step 2
★ UE开启承载流 (使用已有PDP C或启用新的PDPC)
FBC要求P-CSCF/PDF或RFC选择一个Charging Key作为所采用的计费规则。FBC不需要计费关联(Charging Correlation)，因为Charging Key中已包含了影响承载计费的IMS会话信息。GGSN向计费系统 (Offline or Online Charging System)发送IP Flow计费信息和Charging Key。
2.2FBC的发展方向－PCC(Policy and Charging Control)
基于FBC的架构来演进，但是不同于R6的FBC，将是对策略控制和计费控制结合起来实现的一个架构：把策略控制功能(PDF)和基于流的计费功能(FBC)合并成一个功能实体PCC(Policy and Charging Control)。策略控制和计费控制在消息内容上很多是相似或重复的(比如：IP 5-tuple定义、SDP信息)，接口的融合不仅可以提高通信效率，降低业务建立时延，还可以保证对GGSN/TPF控制的一致性。
★ 将Go和Gx接口合并为Gx+，分别向GGSN/TPF提供计费规则和策略控制规则，Gx接口将比较容易升级而支持策略控制功能，称之为基于流的策略控制(FBP)。
★ PCC面向会话层和应用层的接口Gq和Rx合并为Rx+，Gq和Rx接口在功能上很相似，把会话控制层有关IMS会话和媒体参数的信息传递给PCC
★ 引入新的解决方案来解决承载与业务的绑定问题，不同于现有的SBLP使用的授权令牌(token)机制。基于流的策略控制将使用数据流模板TFT(TFT包含在PDP Context内)，TFT通过IP地址和端口号识别流，其方法与CRF/PDF识别IP流的方法类似。
3.北电基于FBC的实时计费
5 北电基于FBC的实时计费方案：
北电的基于FBC的实时计费方案已部署于GPRS/UMTS网络，并可平滑过渡到支持IMS的实时计费功能。对于GPRS/UMTS网络。GGSN 通过预先配置的过滤器，过滤分析用户的上下行数据包。
通过内容过滤功能，GGSN对于特定的IP流建立分组分类器和相应的Content ID。当GGSN 得出用户的上下行数据流的属性时(由Content ID进行标识)， GGSN 便会向在线计费系(Online Charging System - OCS，通常位于BOSS系统)，提出相关业务信用额度的申请，OCS从用户的帐户中预留出适当的金额，并把相应的资源数量(时长或数据流量)返回GGSN，当资源用尽或业务终止，GGSN将消耗的资源数量通知OCS，OCS扣除相应的金额。根据3GPP 的规定，GGSN 和OCS 间应通过DIAMETER CC 协议来互通。GGSN 上的基于内容计费功能实现了3GPP 23.125 标准中定义的话务平面功能(TPF-Traffic Plane Function)。
事实上基于GPRS/UMTS的FBC方案，就是IMS中的基于FBC的承载计费功能(BCF)，主要的区别在于IP flow信息的获得方式：
★ GPRS/UMTS方案：IP Flow的信息来源于GGSN预置的内容过滤规则，这种静态的过滤规则能够满足GPRS/UMTS的分组业务需求
★ IMS方案：IP Flow的信息来源于CRF向GGSN/TPF发送的Charging Key，这是一种动态规则，在会话建立时，由PDF/CRF创建并保存流标识符，GGSN/TPF根据流标识符建立分组分类器和Content ID
北电的GGSN已经支持R6定义的话务平面功能(TPF)，只需增加Gx接口，就可以平滑的支持IMS基于FBC的实时计费：
★ 符合3GPP R6关于FBC的相关标准
★ 简化QoS策略控制和计费控制的实现，符合3GPP R7的PCC (Policy and Charging Control)的发展方向
★ PDF/CRF融合为Policy Server，它与GGSN间的接口为Gx+接口，协议采用Diameter
★ Gq/Rx接口合二为一，并采用Diameter协议
★ 提供访问GGSN的QoS控制功能
★ 策略控制、流量整形、 优先级、 DiffServ…(北电)
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