“Тарификация современных услуг передачи данных в мобильных сетях связи и управление политиками обслуживания абонентов”
В статье рассматриваются вопросы тарификации услуг передачи данных, а также управления политиками обслуживания абонентов. Почему эти вопросы в настоящее время становятся наиболее актуальными для мобильных операторов связи? Казалось бы, будущее мобильного интернета безоблачно – крупные операторы нарастающими темпами развивают услуги передачи данных. За последние несколько лет в этом сегменте у мобильных операторов наблюдается самый высокий рост доходов, в среднем 30% в год, и эта тенденция сохранится еще на протяжении нескольких лет. Но объём потребляемого трафика растет еще большими темпами. Только за последний год он вырос в 3 раза. Пока ещё операторы защищают от перегрузок свои сети, вводя различные ограничения на скорость и объём трафика, но очень скоро этого будет недостаточно. Абоненты становятся более требовательными к качеству обслуживания, которое снижается в часы наибольшей нагрузки на сеть. Также пользователям потребуется гарантированная полоса пропускания для определенного вида трафика, например онлайн видео или отдельных приложений, таких как Skype. Поэтому оператору необходимо развивать новые методы управления оборудованием сети.
Доступ в Интернет с высоким качеством по любым каналам доступа становится одной из основных потребностей человека. В настоящее время ШПД операторы фиксированной связи предлагают скорости 50 -100 Мбит/с по приемлемой для абонентов цене. И пользователи, которые привыкли к таким скоростям, ждут сравнимых предложений от мобильных операторов. Сейчас мобильные операторы в своих 3G сетях предлагают скорости порядка 6 Мбит/с, и в ближайшее время ими будут освоены скорости 12-24 Мбит/с, но технологическое ограничение 3G сетей не позволяет увеличение скоростей более 42 Мбит/с. Поэтому операторы должны уже сейчас планировать построение сетей, которые позволят удовлетворить запросы абонентов в ближайшем будущем.
Также абонентам помимо скоростного доступа в интернет, требуются новые современные услуги:
· Фильтрация содержимого трафика на стороне оператора, а также ограничения по времени и длительности использования услуги. Этот вопрос встает остро в связи с тем, что среди пользователей интернета становится все больше детей.
· Услуги зависящие от местоположения абонента, которое точно знает только оператор связи, например, для качественной контекстной рекламы.
· Защита от вредоносных программ и сайтов, нарушающих безопасность.
· Обеспечение тарификации в зависимости от приложения.
· Гибкие тарифы с учетом потребностей и финансовых возможностей абонентов.
Таким образом, перед операторами связи стоит несколько важных задач:
· Реализация политики предоставления услуг, которая, с одной стороны, с увеличением потребления трафика позволит избежать деградации производительности сети, а с другой позволит гарантировать абонентам качество обслуживания.
· Реализация новых услуг и обеспечение тарификации в зависимости от типа трафика, приложения и местоположения абонента.
· Исключение возможности возникновения задолженности абонента перед оператором.
Для решения данных проблем консорциум 3GPP (3rd Generation Partnership Project) предложил концепцию сетей связи следующего поколения 4G, в которую введены новые функциональные элементы. Сети четвертого поколения основываются на технологии LTE (Long Term Evolution). Уже сейчас в мире построено более 20 сетей LTE, около 50 операторов объявили о развертывании сетей LTE в 2012 году и примерно 60 рассматривают возможность построения сети в ближайшем будущем. Таким образом, в процессе уже участвуют более 130 операторов, что позволяет с уверенностью говорить, что сети LTE в ближайшие годы ждет такая же популярность, как в свое время получили операторы GSM связи. В России первая и пока единственная (на конец 2011 года) лицензия на LTE выдана универсальному оператору связи “Вайнах Телеком”.
Преимущество сетей LTE, прежде всего в скоростях трафика – до 652 Мбит/сек, а также в наличии новых элементах сети, которые позволят гибко управлять качеством обслуживания и предоставлять новые услуги. Рассмотрим кратко эволюцию услуг передачи данных в мобильных сетях связи.
Первое поколение мобильной связи 1G – это аналоговые мобильные сети, построенные на стандартах AMPS и NMT 450. В них была только голосовая связь.
Следующее поколение 2G – цифровая сотовая связь стандартов GSM 900/1800 и CDMA. В GSM сетях стала возможна передача данных на скоростях 9,6-14,4 Кбит/с. После внедрения услуги GPRS на GSM сетях скорость передачи данных возросла до 171,2 Кбит/с, а технология EDGE, реализованная поверх GPRS, повысила скорость до 473,6 Кбит/с.
В связи с развитием интернета в фиксированных сетях связи, эти скорости перестали устраивать абонентов, и операторы связи стали строить сети связи следующего поколения 3G. 3G – это широкополосная цифровая сотовая связь, использующая стандарт UMTS или CDMA2000. В сетях UMTS возможна скорость до 14,4 Мбит/сек, а при использовании технологии HSPA+ до 42 Мбит/сек. Максимальная возможная скорость в сетях 3G достигается при использовании технологии HSPA-Adv – 336 Мбит/сек.
Сети LTE относят к поколению pre-4G со скоростями до 173 Мбит/сек, а LTE-Advanced к 4G со скоростями до 652 Мбит/сек. Также к поколению 4G относят и сети WiMAX, в которых возможна скорость до 100 Мбит/с.
Принципы управления качеством и тарификацией в сетях 3GPP
Открытые стандарты 3GPP описывают узлы сети связи, интерфейсы взаимодействия между ними и дают рекомендации, какие протоколы использовать в качестве этих интерфейсов. Эта логика позволяет по мере развития протоколов изменять рекомендации, но архитектуру сети оставлять без изменения.
Центральным понятием сетей построенных по стандартам 3GPP является понятие PCC (Policy and Charging Control) - контроль качества обслуживания и управление тарификацией. Для реализации данного контроля вводится понятие PPC-правил, исходя из которых, принимаются PCC-решения. Узлом принятия PCC-решений в сетях 3GPP является элемент PCRF (Policy Control and Charging Rules Function). Рассмотрим назначение и место PCRF в 3GPP сетях связи.
PCRF – это функциональный элемент в 3GPP сетях связи, который осуществляет решения по применению политик обслуживания абонентов, например: разрешение/запрещение сервисов или установление параметров QoS (качества обслуживания). Также PCRF устанавливает правила тарификации в зависимости от различных условий, таких как: параметры абонентского профиля, время суток, местоположение абонента, объём потребленного трафика и других.
Рассмотрим взаимосвязь PCRF (схема 1), работающего в сети связи LTE, построенной по стандартам 3GPP.
Схема 1: Взаимосвязь PCRF-сервера с элементами 3GPP сети
PCRF взаимодействует с рядом узлов сети связи. При этом функциональность PCRF зависит от наличия и функциональности данных узлов. Например, без наличия в PCEF функции ADC (Application Detection and Control) - Определения и Контроля трафика приложений, PCRF не сможет управлять качеством обслуживания на уровне отдельных приложений прикладного уровня.
Рассмотрим функциональные элементы и интерфейсы, с которыми может взаимодействовать PCRF:
· PCEF (Policy and Charging Enforcement Function) – функциональный элемент в 3GPP сетях связи, который осуществляет применение PCC-правил, полученных от PCRF, к проходящему через него трафику. Осуществляет тарификацию этого трафика в системе тарификации оператора связи OCS/OFCS. Может быть совмещен с P-GW (Public Data Network- Gateway) – шлюзом доступа к внешним сетям связи. PCEF взаимодействует с PCRF по интерфейсу Gx (интерфейс описан в стандарте 3GPP TS 29.212 PCC over Gx/Sd reference point). Gx интерфейс используется для передачи нотификации о событиях из PCEF на PCRF и управления PCC-правилами на PCEF. По этому интерфейсу PCEF передает на PCRF информацию, необходимую для принятия PCC-решений: идентификатор абонента, информацию о местоположении и часовом поясе, в котором находится абонент, IP адрес устройства, с которого осуществляется доступ, параметры канала, и другие.
· BBERF (Bearer Binding and Event Reporting Function) – функциональный элемент в 3GPP сетях связи, который осуществляет нотификацию PCRF об установлении сессии с посылкой идентификатора абонента и дополнительных параметров для корректного определения QoS-правил обслуживания. Может быть совмещен с S-GW (Serving Gateway) - обслуживающим шлюзом сети, который предназначен для обработки и маршрутизации пакетных данных, поступающих из подсистемы базовых станций. Взаимодействует с PCRF по интерфейсу Gxx (интерфейс описан в стандарте 3GPP TS 29.212 PCC over Gx/Sd reference point).
· TDF (Traffic Detection Function) - функциональный элемент в 3GPP сетях связи, который осуществляет определение трафика определенных приложений и нотификацию о нем PCRF. В зависимости от полученных правил осуществляет пропуск данного трафика абоненту, перенаправление и ограничение скорости. Взаимодействует с PCRF по интерфейсу Sd (интерфейс описан в стандарте 3GPP TS 29.212 PCC over Gx/Sd reference point). Sd интерфейс используется для установления установки ADC (Application Detection and Control) правил управления параметрами трафика конкретных приложений. Если PCEF поддерживает ADC функцию, то Sd интерфейс не используется, а используется Gx интерфейс к PCEF.
· UDR (User Data Repository)- функциональный элемент в 3GPP сетях связи, который осуществляет хранение данных пользователей. Взаимодействует с PCRF по интерфейсу Ud (интерфейс описан в стандарте 3GPP TS 29.335 User Data Convergence (UDC)) Ud интерфейс используется для получения/изменения пользовательских профилей, в которых хранится информация о сервисах, доступных абоненту, параметрах QoS и других, необходимых для принятия PCC-решений. Также интерфейс Ud используется для подписки и получения нотификаций об изменениях в профилях абонентов. UDR и интерфейс Ud заменяет функциональный элемент SPR (Subscription Profile Repository) и интерфейс Sp в ранних стандартах.
· AF (Application Function) - функциональный элемент в 3GPP сетях связи, который предоставляет описание потока данных сервиса и осуществляет информирование о требуемых сервису ресурсах. Взаимодействует с PCRF по интерфейсу Rx (интерфейс описан в стандарте 3GPP TS 29.214 Policy and Charging Control over Rx reference point).
· OCS (Online Charging System) - сервер кредитного контроля в режиме реального времени - функциональный элемент в 3GPP сетях связи, который осуществляет тарификацию услуг, контролирует баланс абонента, обрабатывает информацию о начислениях и списаниях средств на балансе абонента, применяет скидки, осуществляет подсчет объёма потребленных услуг. Также может использоваться для авторизации абонентов и предоставления информации о стоимости услуг (Advice of Charge). Взаимодействует с PCRF по интерфейсу Sy (интерфейс описан в стандарте 3GPP TS 29.219 Policy and Charging Control over Sy reference point). Sy интерфейс используется для учета объёмов потребленных услуг и нотификации о преодолении порогов счётчиков из OCS на PCRF. Помимо PCRF, OCS взаимодействует с PCEF по интерфейсу Gy с помощью которого осуществляется тарификация услуг.
Для реализации интерфейсов Gx, Rx, Sy, Sd стандарты рекомендуют использовать Diameter протокол (описан в стандартах IETF RFC 3588 Diameter Based Protocol и RFC 4006 Diameter Credit-Control Application) с расширениями для поддержки специфики 3GPP стандартов (IETF RFC 5516 Diameter Command Code Registration for 3GPP). Для реализации интерфейса Ud рекомендуется использовать протокол LDAP (IETF RFC 4510 Lightweight Directory Access Protocol).
В 3GPP сетях передачи данных заложены сценарии работы в роуминге. Рассмотрим схему сети при нахождении абонента в роуминге (схема 2), при условии, что PCEF находится в визитерской сети.
Схема 2: Взаимосвязь PCRF-сервера в роуминге
В схему 3GPP сети добавляется дополнительный элемент V-PCRF, который осуществляет взаимодействие с домашним PCRF-H для получения PCC-правил для обслуживания абонента в роуминге. Взаимодействует с H-PCRF по интерфейсу S9 (интерфейс описан в стандарте 3GPP TS 29.215 PCC over S9 reference point). Для реализации интерфейса S9 также рекомендуется использовать Diameter протокол с расширениями для поддержки специфики 3GPP стандартов.
· PCC и QoS-правила
Рассмотрим подробнее, что собой представляют PCC-правила, которыми обмениваются между собой элементы 3GPP сети PCRF и PCEF. Назначение PCC-правил – это разделять физический поток данных (IP-CAN) на логические сессии SDF (Service Data Flow), определять к каким приложениям и услугам относится трафик, предоставлять параметры QoS и информацию для тарификации. Существует два типа PCC-правил: динамические PCC-правила, которые передаются с PCRF на PCEF через Gx интерфейс и предопределенные на PCEF. Предопределенные правила могут быть активизированы либо PCRF либо самим PCEF. PCC-правило состоит из набора атрибутов: имя правила, идентификатор сервиса, параметры QoS, параметры для тарификации и другие. Обмен PCC-правилами между PCRF и PCEF может проходить в двух режимах: либо PCEF запрашивает PCC-правила на PCRF (PULL процедура), либо PCRF в соответствии со своей внутренней логикой нотифицирует PCEF (PUSH процедура) об изменении правил или о новых правилах обслуживания. Правила, которыми обмениваются между собой элементы 3GPP сети PCRF и BBERF называются QoS-правилами и также разделяются на динамические и предопределенные.
Взаимодействие элементов 3GPP сети
Сценарии взаимодействия элементов 3GPP сети описаны в стандарте TS 29.213 PCC Signalling flows and Quality of Service (QoS) parameter mapping. Для примера рассмотрим логику взаимодействия узлов сети при установлении и завершении сессии передачи данных (схема 3) и логику изменения параметров соединения (схема 4).
Схема 3: Последовательность взаимодействия в мобильной сети передачи данных
1. Абонент начинает сессию передачи данных. При этом BBERF посылает на PCEF запрос на создание сессии для пропуска трафика (IP-CAN).
2. PCEF формирует запрос по интерфейсу Gx и посылает его на PCRF. Это заключается в формировании Diameter CCR (Credit-Control-Request) запроса с информацией об абоненте и запрашиваемых услугах.
3. PCRF осуществляет запрос профиля абонента по интерфейсу Ud.
4. Получает профиль с параметрами услуг абонента.
5. Осуществляет подписку на нотификацию об изменениях профиля.
6. PCRF принимает PCC-решение о возможности предоставлении услуг абоненту и с какими параметрами качества. Формирует PCC-правила, которые отправляет на PCEF по интерфейсу Gx. Это заключается в формировании Diameter CCA (Credit-Control-Answer) ответа с включенным набором PCC-правил.
7. При получении ответа PCEF устанавливает сессию кредитного контроля с OCS по интерфейсу. Gy с помощью обмена сообщениями Diameter CCR/CCA.
8. PCEF разрешает установку IP-CAN сессии.
9. Поток трафика (Service Data Flow) начинает проходить между устройством абонента и внешними сетями связи.
10. Через некоторое время абонент завершает сессию передачи данных и BBERF посылает на PCEF запрос на разрыв IP-CAN сессии.
11. PCEF осуществляет завершение Diameter сессий на PCRF по интерфейсу Gx. Завершение сессий заключается также в обмене сообщениями Diameter CCR/CCA.
12. PCEF осуществляет завершение Diameter сессий на OCS по интерфейсу Gy.
Изменить параметры соединения может быть необходимо, например, если абонент хочет увеличить скорость трафика за определенную плату. Для этого абонент активизирует “турбо кнопку” в своем кабинете самообслуживания. После этого происходит следующее (схема 4):
Схема 4: Последовательность взаимодействия при изменении параметров обслуживания
1. Информация о данном событии попадает в UDR и по интерфейсу Ud происходит нотификация PCRF.
2. PCRF анализирует пришедшие параметры и принимает PCC-решение увеличить скорость доступа абоненту и изменить правила тарификации трафика. PCRF формирует PCC-правило и по интерфейсу Gx посылает его на PCEF. Это заключается в формировании Diameter запроса RAR (Re-Auth-Request).
3. PCEF отправляет Diameter ответ RAA (Re-Auth-Answer).
4. По интерфейсу Gy PCEF обменивается с OCS сообщениями Diameter CCR/CCA, в результате чего завершается старая сессии кредитного контроля и создается новая с новыми параметрами тарификации.
5. После этого PCEF дает команду BBERF на создание потока данных (Service Data Flow) с увеличенной скоростью.
Перечислим функциональные возможности, которыми должен обладать PCRF сервер:
· Поддержка максимального числа интерфейсов и возможность поддержки новых.
· Возможность для оператора связи создавать и гибко конфигурировать PCC-правила.
· Управление мониторингом использования услуги (Usage Monitoring Control). Функциональность дает возможность PCRF осуществлять подсчет использованного объёма услуги на PCEF, а не хранить у себя или в OCS счетчики потребления услуг. Включение мониторинга осуществляется с помощью PCC-правила. При превышении заданного значения PCEF посылает запрос на PCRF по интерфейсу Gx c информацией об использованном трафике.
· Установление триггеров на события (Event-Triggering). PCRF может устанавливать триггеры на события, например, обнаружение трафика определенного приложения или смена местоположения абонента. При наступлении данных событий на PCRF будет производится запрос новых PCC-правил обслуживания.
· Установка времени активации услуги (Time of Day). PCRF может устанавливать на PCEF время суток или время, через которое PCEF пошлет запрос на новое PCC-правило.
· Управление трафиком определенных приложений (Application Detection and Control). PCRF может передавать через Gx-интерфейс правила для управления трафиком конкретных приложений. Если функция TDF реализована в отдельном узле, то данная информация должна передаваться по протоколу Sd.
· Учет лимитов потребленного трафика (Subscriber Spending Limits). С помощью интерфейса Sy PCRF может запрашивать статусы накопителей трафика, реализованных на стороне OCS. Также OCS может нотифицировать PCRF о факте преодоления порогов и на основании этой информации PCRF принимает новое PCC-решение.
· Возможность установки нескольких PCRF-серверов для резервирования данных. В процессе работы PCRF-сервера обмениваются данными между собой, таким образом, в случае отказа одного сервера резервный продолжит обслуживание абонентов.
· Применение настроечных параметров и изменения в профилях абонентов не должно прерывать обслуживание.
· Возможность управления и получение статистической информации из PCRF по стандартным протоколам, например, SNMP или Telnet.
· Мультиплатформенность. Чем больше операционных систем поддерживает PCRF-сервер, тем лучше, т.к. это увеличивает возможности оптимизации оборудования для операторов связи.
Чтобы удовлетворять требованиям ближайшего будущего операторов связи, PCRF-сервер должен реализовать:
· Поддержку разнообразного оборудования.
· Отказоустойчивость и резервирование всех компонентов.
· Гибкость настройки для поддержки существующих и будущих тарифов и услуг оператора связи.
В настоящее время ряд производителей телекоммуникационного оборудования предлагают PCRF-сервера для операторов связи. Компания ПЕТЕР-СЕРВИС разработала продукт PCCM (Policy & Сharging Control Manager), который полностью удовлетворяет требованиям к PCRF-серверам и является оптимальным решением для операторов, которые используют или собираются использовать биллингувую систему производства компании ПЕТЕР-СЕРВИС.
· 3GPP TS 23.203 Policy and charging control (PCC) architecture;
· 3GPP TS 29.212 Policy and Charging Control (PCC) over Gx/Sd reference point;
· 3GPP TS 29.213 Policy and Charging Control signaling flows and Quality of Service (QoS) parameter mapping;
· 3GPP TS 29.214 Policy and Charging Control (PCC) over Rx reference point;
· 3GPP TS 29.215 Policy and Charging Control (PCC) over S9 reference point;
· 3GPP TS 29.335 User Data Convergence (UDC); User Data Repository Access Protocol over the Ud interface;
· 3GPP TS 23.335 User Data Convergence (UDC); Technical realization and information flows;
Стандарты IETF www.ietf.org
· IETF RFC 3588 Diameter Based Protocol;
· IETF RFC 4006 Diameter Credit-Control Application;
· IETF RFC 4510 Lightweight Directory Access Protocol (LDAP);
· IETF RFC 5516 Diameter Command Code Registration for the Third Generation Partnership Project (3GPP) Evolved Packet.
|
3GPP |
3rd Generation Partnership Project - консорциум, разрабатывающий спецификации для мобильной телефонии |
|
EDGE |
Enhanced Data rates for GSM Evolution - улучшенная система передачи данных в GSM сетях связи |
|
GPRS |
General Packet Radio Service – мобильная пакетная передача данных |
|
GSM |
Аббревиатура от названия группы Groupe Spécial Mobile, позже переименованная в Global System for Mobile Communications |
|
IP-CAN
|
IP-Connectivity Access Network - совокупность сущностей и интерфейсов, которая предоставляет возможность проходить трафику между устройством абонента и внешними сетями связи. Данный термин обычно употребляется, в словосочетании “IP-CAN сессия”, которая означает физический поток данных между устройством абонента и внешними сетями связи. |
|
LTE |
Long Term Evolution – долгосрочная эволюция сетей связи по стандартам 3GPP |
|
OCS |
Online Charging System - сервер кредитного контроля в режиме реального времени |
|
OFCS |
Online Charging System - сервер кредитного контроля, который осуществляет тарификацию услуг после их фактического предоставления абонентам |
|
PCEF |
Policy and Charging Enforcement Function - функциональный элемент в 3GPP сетях связи, который осуществляет применение решений PCRF |
|
PCRF
|
Policy Control and Charging Rules Function - функциональный элемент в 3GPP сетях связи, который осуществляет решения по применению политик обслуживания и управление правилами тарификации |
|
SDF |
Service Data Flow – логический поток данных, который включает в себя как сами данные, разделенные по услугам, так и правила по этому разделению |
|
UDR |
User Data Repository – репозиторий пользовательских профилей |
|
ШПД |
Широкополосный доступ к фиксированным сетям передачи данных |