IP Multimedia Subsystem

Das IP Multimedia Subsystem (IMS) ist eine Sammlung von Spezifikationen des 3rd Generation Partnership Project (3GPP). Ziel von IMS ist ein standardisierter Zugriff auf Dienste aus unterschiedlichen Netzwerken. IMS verwendet ein All-IP-Netzwerk, dies bedeutet, dass sämtliche Kommunikation IP-basiert erfolgt. IMS unterstützt aber auch bestehende Netze wie GSM oder das herkömmliche analoge und das digitale (ISDN-)Telefonnetz. Typische Dienste sind VoIP-Telefonie oder Präsenzinformationen. Das Basisprotokoll von IMS ist das SIP, welches über ein dediziertes IP-Netz Verbindungen zwischen den Teilnehmern aufbaut.

Ziele

Die Grundlagen des IMS werden in der Technischen Spezifikation TS 23.228 beschrieben. Die Spezifikationen können auf der 3GPP-Website kostenfrei bezogen werden. Wie das IMS in die Gesamtarchitektur eingebunden ist, beschreibt 3GPP TS 23.002.

IMS bildet auch die Basis für das bei ETSI (European Telecommunications Standards Institute) in der Gruppe TISPAN beschriebene Next Generation Network Release 1.

Mit IMS wurden folgende wesentliche Punkte eingeführt:

• paketvermittelte Verbindungen zwischen zwei und mehr Teilnehmern
• Zusammenarbeit zwischen der leitungsvermittelnden und der paketorientierten Domäne
• eine End–to–End-Aushandlung der Dienstgüte (Quality of Service)
• dienstabhängige Kostenabrechnung
• Bereitstellung der Heimnetzumgebung in Fremdnetzen
• Unterstützung verschiedener Medientypen
• schnelle und flexible Erstellung von Diensten durch Service Enabler (vordefinierte Dienstbausteine)
• Dienste sollen unabhängig vom Zugangsnetz sein

Geschichte

IMS entstand beim 3GPP im Rahmen der UMTS-Standardisierung. Im 2001 veröffentlichten Release 4 wurden erste Ideen zu einem Sublayer mit diesen Eigenschaften erläutert. Bereits 2003 kamen mit dem Release 5 die ersten Spezifikationen zum IMS. Schon damals wurde das SIP für die Signalisierung benutzt. Die Interoperabilität zum GSM- und GPRS-Netz sollten auch sichergestellt werden.

Mit den Releases 6 und 7 kamen dann etliche weitere Features hinzu - WLAN und Festnetz als weitere Zugangsnetze sowie DRM, Dienste zur Standortbestimmung, Generische Benutzerprofile und weitere.

Architektur

IMS Architektur Übersicht

3GPP / TISPAN IMS Architectural Overview - HSS in IMS layer (as by standard)

Zugangsnetze

Möchte sich ein Benutzer zum IMS-Netzwerk verbinden, gibt es dafür verschiedene Möglichkeiten. Mit einem IMS-fähigen Endgerät (solche wie Mobiltelefone, PDAs und Computer) kann man sich direkt beim IMS-Netzwerk registrieren, sogar wenn man sich in einem fremden Netz oder Land befindet (Roaming genannt). Das Endgerät muss dazu lediglich IPv6 (in älteren Spezifikationen auch IPv4) unterstützen und einen Session Initiation Protocol (SIP) user agent ausführen.

Festnetzzugänge (zum Beispiel: Digital Subscriber Line (DSL), Kabelmodems, Ethernet), mobile Zugänge (zum Beispiel: W-CDMA, CDMA2000, GSM, GPRS) und drahtlose Zugänge (z.B.: WLAN, WiMAX) werden alle unterstützt. Andere Telefoniesysteme wie Plain old telephone service (POTS -- die alten analogen Telefone), H.323 und nicht-kompatible VoIP-Systeme, werden mittels Gateways ebenfalls unterstützt.

Kernnetz

Call Session Control Functions

Zentrales Element von IMS ist die Call Session Control Function (CSCF). Die CSCF etabliert, überwacht, unterstützt und löst Multimedia Sessions aus. Des Weiteren koordiniert sie auch die Service-Interaktionen des Nutzers. Die CSCF hat vier verschiedene Funktionalitätsformate: S-CSCF (Serving), P-CSCF (Proxy), I-CSCF (Interrogating) und E-CSCF (Emergency). Das SIP-Protokoll wird als Call Control-Protokoll für die Kommunikation zwischen den Netzelementen und den User Clients verwendet. Die CSCF erfüllt im Wesentlichen folgende Aufgaben:

• Proxy-Funktionalität P-CSCF: Sie ist der erste Kontaktpunkt des User Clients im Netz. Die P-CSCF kann sich im Besuchernetz befinden oder im Heimnetz (falls das Besuchernetz nicht IMS-kompatibel ist). Der User-Client kann die P-CSCF entweder mit DHCP oder über einen PDP Context (in GPRS-Netzen) ausfindig machen. Die P-CSCF hat folgende Aufgaben:
  • arbeitet als SIP-Proxy und leitet Anfragen zum S-CSCF und I-CSCF sowie Antworten und Anfragen zum User-Client weiter
  • Authentifizierung des Benutzers bei Netzeintritt
  • SIP-Nachrichten komprimieren und dekomprimieren
  • enthält die Policy Decision Function (PDF) welche Quality of Service für die darunter liegenden Netze aushandelt
  • generiert notwendige Daten für die Abrechnung

• Interrogation-Funktionalität I-CSCF: Dient als Kontaktpunkt zu anderen Operator Netzen und ist der erste Kontaktpunkt im Heimnetz. Die IP-Adresse der I-CSCF kann mittels DNS ermittelt werden. Entfernte Server können diese IP benutzen um SIP-Anfragen in die Domäne des I-CSCFs weiterzuleiten. Die I-CSCF benutzt Diameter um über das HSS (Home Subscriber Server) die korrekte S-CSCF zu erfahren. Die Interrogating-CSCF leitet dann die ankommenden SIP-Anfragen an die entsprechende S-CSCF weiter.

• Server-Funktionalität S-CSCF: Arbeitet als SIP Proxy und kümmert sich ums Session-Handling im IMS. Die S-CSCF lädt Benutzerprofile vom HSS runter und hoch. Sie speichert diese Informationen nicht zwischen, sondern überlässt die konsistente Speicherung dem HSS. Weitere Aufgaben sind:
  • behandelt die SIP-Registration eines Benutzers
  • leitet alle SIP-Nachrichten weiter
  • entscheidet aufgrund der benötigten Dienste und der gewählten Filter-Kriterien an welchen Application Server die Signalisierungsnachrichten weitergeleitet werden
  • setzt die Policy des Netzbetreibers durch
  • sammelt Sitzungsdaten für die Abrechnung

• Emergency-Funktionalität E-CSCF: Dient als Kontaktpunkt zu Notfall-Diensten (Polizei, Feuerwehr). Erhält von P-CSCF oder S-CSCF entsprechende Anforderungen. Baut über die Emergency Access Transfer Function (EATF) die Verbindung zu den Notfall-Diensten auf.

Media Server

Die Media Resource Function (MRF) stellt Möglichkeiten zur Verfügung, Medien zu manipulieren (zum Beispiel: Mischen mehrerer Sprachkanäle bei Konferenzschaltungen) oder abzuspielen (Sprachansagen, Voice Mail Box). Die MRF unterteilt sich in 2 Hauptfunktionalitäten, den Media Resource Function Controller (MRFC) und den Media Resource Function Processor (MRFP).

• Der Media Resource Function Controller kontrolliert die für die Medienströme verfügbaren Ressourcen des MRFP (über das Interface H.248). Application Server (AS) und S-CSCF stellen die nötigen Informationen für die Überwachung bereit.
• Im Media Resource Function Processor sind alle Medien-spezifischen Funktionen implementiert. Vom MRFC gesteuert kann er Medienströme mischen (zum Beispiel Konferenzschaltung), als Anbieter von Medienströmen dienen (zum Beispiel Multimedia Ansagen) oder Medienströme verarbeiten (zum Beispiel Sprach- und Bildtranskodierung, Analyse von Medien).

Breakout Gateway

Die Breakout Gateway Control Function (BGCF) ist ein-SIP Server, der in der Lage ist Routing-Entscheidungen aufgrund einer Telefonnummer zu treffen. Die BGCF kommt immer zum Einsatz, wenn aus dem IMS in ein leitungsvermittelndes Netz (engl. circuit switched network) eine Verbindung aufgebaut werden soll. Das wäre der Fall bei Anrufen ins Festnetz oder zum PLMN (Public Land Mobile Network), dem öffentlichen landgestützten Mobilfunknetz (in Deutschland GSM und UMTS).

Befinden sich Anrufer und Angerufener im selben Netz, wählt die BGCF eine passende MGCF (Media Gateway Control Function) aus, die die Signalisierung zum leitungsvermittelnden Netz übernimmt. Muss in ein anderes Netz vermittelt werden, so leitet die BGCF die Signalisierung an die BGCF des entsprechenden Netzes weiter.

Schnittstellen zum leitungsvermittelten Netz

Das leitungsvermittelte Netz (circuit switched (CS) network) und das IP-basierte IMS-Netz unterscheiden sich in einigen Punkten. Während IMS SIP zur Signalisierung einsetzt, wird in den CS-Netzen der Signalling System 7 (SS7) Protokollstapel häufig benutzt. ISDN verwendet zum Beispiel den ISDN User Part (ISUP), welcher über Message Transfer Part (MTP) geroutet wird. Bei der Übertragung von Medienströmen ist es ähnlich. Während IMS das Real-Time Transport Protocol (RTP) benutzt, wird in CS-Netzen die Puls-Code-Modulation verwendet. Um trotz dieser Unterschiede Daten zwischen den verschiedenen Netzen austauschen zu können, benötigt man einige Schnittstellen (engl. Gateways).

Die Media Gateway Controller Function (MGCF) dient als Schnittstelle zwischen SIP und ISUP sowie zum SGW über SCTP. Die MGCF überwacht die angeforderten Ressourcen im Media Gateway (MGW) über das H.248 Interface.

Ein Media Gateway (MGW) ist die Verbindung zwischen IMS und der CS-Domäne. Es konvertiert die RTP- und PCM-Ströme ins jeweils andere Format. Dabei kann das Gateway auch Anpassung am Datenstrom vornehmen, zum Beispiel wenn der verwendete Codec im anderen Netz nicht verstanden wird (zum Beispiel IMS benutzt AMR und PSTN G.711).

Das Signalling Gateway (SGW) ist für die Übersetzung der Signalisierung auf Transportebene zuständig - zum Beispiel Stream Control Transmission Protocol (SCTP, ein IP-Protokoll) zu Message Transfer Part (MTP, ein Signalling System 7 Protokoll).

Border Control

• Interconnect Border Control Function (I-BCF): Dient als Schnittstelle zu anderen Netzen oder Netz-Teilen, insbesondere zu leitungsvermittelneden Systemen. Über diese Funktion werden die Transport-Layer überwacht und gesteuert und die für einen Call notwendigen Ressourcen ermittelt und zugewiesen. Sonderfunktionen wie Notrufe oder Fernmeldeüberwachung werden von dieser Funktion unterstützt
• Interconnect Border Gateway Function (I-BGF). Steuert hierbei die unteren Transport-Schichten, beinhaltet Firewall-Funktionalitäten und setzt IP Adressen bei Medien-Verbindungen um. Hier werden auch Protokoll-Anpassunegn, die je nach Gegenstelle und Call-Typ erforderlich sind, durchgeführt. (z.B. Fax-Signale und Ruftöne interpretieren bzw. einspielen)
• Access Transfer Control Function (ATCF) / Application Layer Gateway (ALG). Ist ein Bestandteil der I-BCF und dient als Ankerpunkt für herein kommende und abgehende Calls. Zusammen mit der SCC-AS wird, soweit wie für den Call erforderlich, Unterbrechungsfreiheit umgesetzt (z.B. für Sprach-Calls). Unterstützt auch den Handover zu leitungsvermittelten Netzwerken
• Access Transfer Gateway (ATGW) / Application Gateway (AGW). Ist Bestandteil des I-BGF führt die Anpassungen an die Gegebenheiten der Gegenstelle im Detail durch (z.B. Protokoll-Anpassungen, umsetzen von Paket- auf Leitungs-vermittelte Daten). Diese Funktion wird auch als Trunking Gateway (TGW, TrGW) bezeichnet.
• Emergency Access Transfer Function (EATF). Stellt das Interface zu Notruf-Diensten (Polizei, Feuerwehr) her, arbeitet mit dem E_CSCF zusammen.

Applikationsschicht

Home Subscriber Server

Der Home Subscriber Server (HSS) oder User Profile Server Function (UPSF) ist eine Datenbank, in der Benutzerprofile gespeichert werden. Der HSS ist für die Authentifizierung und Autorisierung der Benutzer verantwortlich. Des Weiteren enthält er Informationen darüber, für welche Dienste und Medien ein Benutzer Berechtigungen besitzt. Die im HSS gespeicherten Filterkriterien werden bei der Wahl des zu verwendenden Application Servers benutzt.

Der HSS hat im IMS dieselbe Rolle wie das Home Location Register (HLR) und Authentisierungszentrale bei GSM. Falls ein Benutzer in mehreren HSS eingetragen ist, entscheidet die Subscription Locator Function (SLF), welches HSS benutzt wird. HSS und SLR benutzen beide das Diameter Protokoll. Alles zusammen ist auch als Triple-A-System (AAA) bekannt.

Application Server

Application Server (AS) verwalten Dienste und führen diese bei Bedarf aus. Die S-CSCF interagiert über SIP mit einem AS. Der AS kann dabei dem S-CSCF gegenüber als SIP UA (user agent), SIP Proxy oder SIP B2BUA (back-to-back user agent) auftreten. Als SIP UA kann er sowohl Anrufe entgegennehmen (zum Beispiel mail box), als auch als Anrufer agieren (zum Beispiel automatischer Weckdienst). Als SIP Proxy leitet er Anrufe weiter und als SIP B2BUA kann er Anrufe selbst initiieren (zum Beispiel Click2Dial). Befindet sich der AS im Heimatnetz, kann er beispielsweise über Diameter den HSS ansprechen.

Unter anderem gibt es:

• SIP AS: Standard IMS Application Server
• IP Multimedia Service Switching Function (IM-SSF): integriert die CAMEL-Dienste ins IMS; benutzt Camel Application Part (CAP)
• Open Service Access-Service Capability Server (OSA-SCS): Schnittstelle zum OSA framework Application Server
• Service Centralization and Continuity Application Server (SCC-AS), stellt sicher, dass Calls von Circuit Switched auf Packet Switched ohne Service-Unterbrechung vonstattengehen. Kommuniziert mit den Circuit-Switched-Systemen wie MSS. Arbeitet zusammen mit IM-SSF, MMTel und IP-SW-GW
• IP Multimedia Short Message Gateway (IP-SM-GW), Interface zum Versenden von SMS mit Hilfe des IMS System

Über den Application Layer ist es auch möglich, Multimedia-Standards einzubinden wie

• Multimedia Telephony Service (MMTel), 3GPP-Standard zur Integration einer großen Bandbreite von Services (Sprache, Echtzeit-Video, File Transfer, Verteilen von Bildern, Audio und Video Clips usw. Bietet ein standardisiertes Interface zu anderen Netzwerken.
• Rich Communication Suite (RCS) zur Übertragung von Kurznachrichten, Dateien, Sprache, Videotelefonie

Siehe auch

• Next Generation Network (NGN)
• Triple Play
• Fixed Mobile Convergence (FMC)
• Voice over IP (VoIP)
• Session Initiation Protocol (SIP)
• Diameter (Protokoll)

Literatur

• Gonzalo Camarillo u.a.: The 3G IP Multimedia Subsystem (IMS): Merging the Internet and the Cellular Worlds. John Wiley & Sons, 2006, ISBN 0-470-01818-6.
• Miikka Poikselka u.a.: The IMS: IP Multimedia Concepts and Services . John Wiley & Sons, 2006, ISBN 0-470-01906-9.

Weblinks

• 3GPP Homepage
• 3GPP Spezifikationen
• IETF Spezifikationen
• OpenIMSCore Homepage
• UCT IMS Client Homepage
• possibility to download LiveCD of OpenIMSCore project