Evolución de las Redes de Telecomunicación: Arquitectura IMS

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1 Evolución de las Redes de Telecomunicación: Arquitectura IMS Samuel R. Lauretti Graduado en Ingeniería Eléctrica por la USP-São Carlos en 1987, con Maestría en Telecomunicación por la UNICAMP en Completó el MBA en Administración de Empresas por la Fundación Getulio Vargas en el Actualmente es alumno de Doctorado en Telecomunicación en la UNICAMP. Inició su carrera en el CPqD en 1988, trabajó en el desarrollo de equipamientos de microondas y tecnología CDMA. En 1995, se unió a Celtec Tecnología de Telecomunicaciones, trabajó como Ingeniero de RF en diversos proyectos de telefonía móvil celular en Brasil y Estados Unidos. Desde 1999 actúa en Lucent Technologies de Brasil, como Gerente de Ingeniería, proveyendo soporte preventa a las tecnologías móviles y fijas. Duración estimada: 15 minutos Publicado el: 06/12/

2 Arquitectura IMS: Introducción Hace algún tiempo que ocurren discusiones sobre la evolución de las redes de comunicación actualmente existentes (basadas en operación modo circuito), para una nueva generación de redes con base en operación modo paquete. Estas nuevas redes son frecuentemente llamadas de "All IP", "NGN" (New Generation Network) o referidas como soporte a la aplicación VoIP (Voice over IP). Sin embargo, antes de que discutamos esta nueva red, es importante entender sus principales requisitos: Soporte a sofisticados servicios multimedia; Conexiones orientadas a la sesión; Red orientada a paquete con convergencia de voz y datos; Mobilidad sin restricciones, permitiendo incluso el control de servicios a partir de la red de origen ( Home Control ); Convergencia Fijo/Móvil de servicios y operación de la red; Servicios agnósticos al tipo de acceso (fijo y móvil); Interfaces abiertas para todos los elementos; Posibilidad de evitar la proliferación de protocolos ( standards ); Base de Datos centralizada para simplificación de operación; Soporte a los suscriptores y servicios legados. La respuesta de la industria a estos requerimientos es la arquitectura llamada de IMS ( IP Multimedia Sub- System ). Esta arquitectura de red es patrocinada por el 3GPP/3GPP2, con apoyo de los más importantes órganos de estandarización (ITU / ANSI / ETSI /OMA / IETF). Inicialmente desarrollado para aplicaciones en redes móviles 3G, la arquitectura de red definida en el 3GPP R5 (3 rd Generation Partnership Project) y 3GPP2 está generando interés también en operadoras de red fija. Esta arquitectura es vista como el camino adecuado para la implementación de redes de nueva generación (NGN - New Generation Network ). Dos elementos merecen especial destaque en esta nueva arquitectura: Soft Switch (SS), con importante función de control; Protocolo SIP, como agente de comunicación entre los principales elementos de esta nueva red. El objetivo de este artículo es presentar una visión general de esta arquitectura, así como demonstrar los benefícios proporcionados por esta nueva generación de redes de comunicación. 2

3 Arquitectura IMS: La arquitectura IMS como plataforma de servicios sofisticados La arquitectura IMS se propone a suministrar una serie de ventajas conforme listado anteriormente. Es muy comentada la disminución de costos en la operación de las redes, dada la convergencia de voz & dados y móvel & fixo. Es muy importante también mencionar uno de los mayores beneficios de la arquitectura IMS: la posibilidad de introducirse sofisticados servicios para los suscriptores. Evidentemente, las redes actuales ya permiten la disponibilización de varios servicios de valor agregado para los suscriptores. Sin embargo, las siguientes limitaciones ocurren: Baja interacción entre plataformas de servicios. Por ejemplo, es conveniente que se puedan crear servicios diferenciados que combinen dos o más capacidades de la red (e.g. un servicio que utilice simultaneamente la información de localización del usuario y su disponibilidad y permita aun simultaneamente una conversación o intercambio de archivos); Baja eficiencia en la administración de bases de datos. Frecuentemente, cada plataforma de servicios requiere su propia base de datos de suscriptores para provisionamiento. Obviamente esta no es una manera eficiente de implementarse y operar nuevos servicios. La figura 1 abajo muestra una representación simplificada de la implementación de servicios en una red IMS. Por ejemplo, el Servicio A puede utilizar la información de presencia del suscriptor (disponible en la Plataforma 1) y permitir aun que una sesión PTT (Push to Talk) o PTS (Push to Show) ocurra simultaneamente (disponible en la Plataforma 2). La arquitectura IMS suministra entonces una forma eficiente de implementarse estos nuevos servicios sofisticados. Por ejemplo, el HSS ( Home Subscriber System ) contiene una base de datos centralizada de los suscriptores. Esta base de datos puede ser accedida a través de protocolos abiertos por las plataformas de servicios. El Servicio 3, por su parte, puede utilizar otras capacidades de la red, disponibles en las Plataformas 2 y 3. A continuación, son discutidos los elementos de una red IMS y sus funciones. Es importante que se entiendan estos elementos y sus funciones, para una completa comprensión de las ventajas de esta nueva generación de redes. 3

4 Figura 1: Implementación de Servicios en una red IMS. 4

5 Arquitectura IMS: Definición general de los componentes La arquitectura IMS se divide basicamente en tres capas: Capa de Aplicaciones: contiene las plataformas de servicios (e.g. PTT - Push to Talk, Servicios de Localización - LBS, Servicios de Mensaje Corta y Multimedia - SMS/MMS, Plataforma de Vídeo, etc.); Capa de Control: responsable por el control, incluyendo establecimiento de las sesiones. El Soft Switch es el elemento principal de esta capa; Capa de Acceso: medios de acceso, incluyendo las interfaces wireless (e.g. cdma2000, UMTS/WCDMA y WiFi), e interfaces cabeadas (e.g ADSL). La Figura 2 abajo muestra una representación de la arquitectura IMS. Conforme mencionado, el Soft Switch (SS) posee un papel central en la arquitectura IMS. El SS contiene las funciones de servidor IMS, siendo responsable por el control de la llamada/sesión proveído por el IMS en la red de origen del suscriptor ( Home Network ). El SS gerencia las sesiones IP, provee los servicios, coordina el control de la sesión con otros elementos de la red, y aloca recursos de mídia. A continuación son descritas las funciones y los componentes de un servidor IMS. Recordamos que las funciones del servidor IMS son implementadas en una Soft Switch. Fíjese que los elementos descritos a continuación representan entidades lógicas, podiendo estar físicamente implementas en una misma SS o no. En algunas situaciones, puede ser interesante la flexibilidad de implementación de estas funcionalidades en SS diferentes. Figura 2: Visión simplificada de la Arquitectura IMS. 5

6 Una representación más detallada de la arquitectura IMS, sus elementos e interfaces, puede ser vista en la Figura 3. Figura 3: Componentes de la Red IMS. Call Session Control Function (CSCF) El elemento Serving CSCF gerencia las sesiones SIP y coordina con otros elementos de la red el control de las llamadas/sesiones. El S-CSCF es responsable por las seguientes funciones: Registro SIP procesa solicitaciones de registro SIP (SIP REGe de datos y condición de suscriptores durante la duración de la sesión de registro; Control de la Sesión ejecuta el establecimiento de la llamada/sesión, modificación y terminación; Control de Servicio interactúa con los Servidores de Aplicación (Application Server) para soporte de servicios y aplicaciones; Monitoreo de la llamada y generación de registros de tarifación (billetes); Provee seguridad para la sesión. El Proxy CSCF es el primer contacto para que un móvil SIP obtenga acceso a la red IMS a partir de una red orientada a paquetes. El elemento P-CSCF: Provee el roteamiento SIP entre los móviles SIP y la red IMS; Ejecuta la política de control definida por la operadora de la red; Coordina con la red de acceso, autorizando el control de recursos y calidad de las llamadas/sesiones (QoS); Adicionalmente, operadores pueden ofrecer localmente servicios controlados por el P-CSCF. Para servicios que son ofrecidos por la red IMS de origen ( Home Network ), el P-CSCF repasa la señalización SIP para el servidor IMS en la red de origen. 6

7 El Interrogating-CSCF es el punto de contacto en la red de un operador para todas las conexiones destinadas a un suscriptor de la red de este operador, o para un suscriptor visitando su red. Pueden existir múltiplos I- CSCF en una red. Las funciones ejecutadas por el I-CSCF son: Designar un S-CSCF para un usuario ejecutando un registro SIP; Rotear una requisición SIP recebida de otra red en dirección al S-CSCF; Obtener del HSS (Home Subscriber Subsystem) la dirección del S-CSCF; Encaminar la requisición SIP o respuesta al S-CSCF determinada en el estagio arriba; Encaminar la requisición SIP o respuesta para la designación óptima del MGW ( Home Control of roamers ); Enviar requisiciones/respuestas SIP al I-CSCF en una red de otro operador para designación óptima de un Media Gateway (MGW), para terminación de una llamada en la red pública conmutada (STFC). Al ejecutar estas funciones citadas arriba, el operador puede usar el I-CSCF u otras técnicas para ocultar la configuración, capacidad y topología de su propia red del mundo externo. Cuando el I-CSCF es escogido para ocultar la configuración de la red, entonces para sesiones cruzando diferentes redes, el I-CSCF puede enviar requisiciones/respuestas SIP para otro I-CSCF (permitiendo la independencia de configuración entre redes). Breakout Gateway Control Function (BGCF) El BGCF selecciona la red en la cual el acceso a la red pública conmutada (STFC) debe ocurrir. Si el BGCF determina que el acceso va a ocurrir en la misma red en donde el BGCF está localizado, entonces el BGCF selecciona un MGCF. El MGCF será responsable por el interfuncionamiento con la red STFC. Si el punto de acceso está en otra red, el BGCF enviará la señalización de esta sesión a un BGCF o MGCF (dependiendo de la configuración) en la otra red. El objetivo final es minimizar el recorrido de la llamada/sesión. Media Gateway Control Function (MGCF) El MGCF provee la función de interfuncionamiento de señalización entre los elementos de la red IMS y las redes legadas (STFC). El MGCF controla un conjunto de MGWs a través de la señalización H.248. La señalización H.248 permite el establecimiento de recorridos para las sesiones que necesitan interfuncionamiento (bajo la perspectiva de tráfico) entre la STFC y la red IMS. Multimedia Resource Function Controller (MRFC) El MFRC controla los recursos de media del elemento MultiMedia Resource Function Processor (MRFP). Por ejemplo, recursos necesarios para proveer tonos, anuncios y conferencia. Signaling gateway Provee la conversión de señalización en ambas direcciones en la capa de transporte entre SS7 y señalización basada en IP (por ejemplo ISUP/SS7 e ISUP/SCTP/IP). Policy decision function (PDF) PDF es la función lógica que implementa la decisión en relación a la política a ser aplicada, y hace uso de mecanismos de QoS en la capa de conectividad IP. 7

8 Home Subscriber Server (HSS) El HSS contiene la principal base de datos, con los datos de todos los usuarios (incluyendo servicios autorizados), el cual varias entidades lógicas de control (CSCF) acceden al gerenciar los suscriptores. El HSS contiene los datos del usuario, que son pasados al S-CSCF, y almacena la información temporaria con la localización del S-CSCF donde el usuario está registrado en un dado momento. La Figura 4, abajo, muestra un ejemplo de establecimiento de sesión/llamada en una red IMS. No están demonstrados todos los elementos (por ejemplo el HSS no está representado). En este ejemplo, el suscriptor Fernando Lima en Brasilia desea establecer una sesión de voz y datos con el suscriptor Carlos Machado (que se encuentra en Manaus). Es mostrado el intercambio de señalización SIP entre los varios Soft-Switches (pasos 1 a 6), hasta que se determine un recorrido para una llamada de voz sobre IP (VoIP) en el paso 7. Es importante notar que los terminales móviles utilizados son compatibles con el protocolo SIP. Figura 4: Ejemplo de establecimiento de sesión/llamada en una red IMS. 8

9 Arquitectura IMS: Consideraciones Finales Las redes actuales de telecomunicaciones irán a migrar para un nuevo modelo de red, llamado de IMS - IP Multimídia Subsystem. Este nuevo modelo de redes - IMS - es basado en protocolos abiertos, con el apoyo de los principales foros de estandarización (3GPP/3GPP2/ANSI/ETSI/IETF y otros). El Soft Switch posee papel central de control en esta arquitectura. Sin embargo, las Soft Switch tradicionales (que ejecutan actualmente la función de Media Gateway Controller), necesitarán evolucionar de forma a soportar las nuevas funciones de control de sesión (P-CSCF, I-CSCF e P-CSCF). El protocolo SIP también posee función importante, como elemento de comunicación estandarizado entre los principales elementos de esta nueva red. Más especificamente, el protocolo SIP-SDP ( Session Description Protocol ) será utilizado para la definición del tipo de media utilizada. Por ejemplo, el protocolo SIP-SDP será aplicado para definir el tipo de vocoder en una llamada VoIP. La expectativa es que estas nuevas redes estén en operación en el Por ejemplo, además de los elementos citados, serán necesários terminales de usuario soportando el protocolo SIP. Para la realización de llamadas VoIP, también serán necesarias interfaces aéreas con mecanismos de calidad de servicio (QoS). La tecnología 1xEV-DO Rev A suministrará estos mecanismos de QoS en el De la misma forma, la tecnología WCDMA va a proporcionar mecanismos de QoS para soporte de VoIP. Finalmente se debe comentar que, aunque las redes IMS deben estar implementadas en su plenitud en el 2006, es importante que se inicie desde ahora la planificación de esta implementación. Por ejemplo, es importante que plataformas, que estén siendo implantadas a partir de ahora, tengan un camino claro de evolución y adecuación a una red IMS. Lucent posee una solución totalmente compatible con la arquitectura IMS. Esta solución de Lucent es llamada de AccelerateTM, y contiene un portfolio completo de productos y servicios necesarios para la implementación de las redes de nueva generación. 9

10 Arquitectura IMS: Evalúe su Entendimiento 1. Cuáles de las alternativas abajo son ejemplos de requerimentos de las redes de próxima generación, o sea, los requerimientos de una red ideal? Soporte a sofisticados servicios multimedia, orientado a paquete con convergencia de voz & datos y acceso móvill & fijo, reducción de costos y complexidad de operación. Red orientada a circuito, utilizando múltiplas bases de datos. Utiliza protocolos propitários para la comunicación entre sus elementos. Ninguna de las anteriores. 2. Qué tipo de beneficios la arquitectura IMS va a ofrecer a las operadoras? Manutención de varias redes especializadas para prestación de servicios específicos. Manutención de una única red convergente, con reducción de los costos de operación y oferta de sofisticados servicios multimedia. Servicios limitados, utilizando protocolos variados para la comunicación entre elementos. Ninguna de las alternativas anteriores. 3. Cuál es el papel del Softswitch y del protocolo SIP en esta nueva red? Acceso en la interface aérea y colecta de datos de desempeño de la red. Autenticación de los usuarios y generación de billetes de tarifación. Control de las sesiones y actuación como principal protocolo de comunicación entre los elementos de red. Ninguna de las alternativas anteriores. 4. Cómo las operadoras pueden prepararse para la implementación de estas nuevas redes? Introduciendo elementos con interfaces propietarias en sus redes. Introduciendo elementos con clara evolución para la arquitectura IMS. Multiplicando la cantidad de base de datos de sus suscriptores. Ninguna de las alternativas anteriores. 10

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