Call Session Control Functions

Bei einem IMS-System werden alle Gespräche, Datentransfers, Herunterladen von Dateien usw. als „Multimedia Sessions“ angesehen. Zentrales Element von IMS ist die Call Session Control Function (CSCF), die diese „Multimedia Sessions“ aufbaut, deren Betrieb überwacht und unterstützt und diese am Ende auch wieder abbaut. Die Gateways und deren Controller regeln, gesteuert von der CSCF, den Datentransfer für diese „Multimedia Sessions“. Die „Service Applications“ werden von der CSCF eingebunden, um zusätzliche Dienste bereitzustellen, die von den Teilnehmern gewünscht werden oder die für die Art des Gespräches bzw. der Session, das der Teilnehmer führt, erforderlich sind.

Die CSCF besteht aus vier verschiedenen Komponenten: S-CSCF (Service), P-CSCF (Proxy), I-CSCF (Interrogating) und E-CSCF (Emergency). Das SIP-Protokoll wird als Call Control-Protokoll für die Kommunikation zwischen den IMS-Komponenten und zu den „User Clients“ verwendet. Die Komponenten der CSCF erfüllen im Wesentlichen folgende Aufgaben:

• Proxy-Call Session Control Function P-CSCF: Benutzt ein Teilnehmer einen Dienst, der die Einbindung des IMS-Systems erfordert, stellt die P-CSCF den ersten Kontaktpunkt für diese Dienste-Anfrage dar. Befindet sich der Teilnehmer in einem fremden Netz, so kann die P-CSCF des besuchten Netzes genutzt werden, oder es kann die P-CSCF des Heimnetzes genutzt werden (z. B. falls das besuchte Netz nicht IMS-kompatibel ist). Die P-CSCF kann 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 zur I-CSCF und S-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
• Interrogating-Call Session Control Function I-CSCF: Aufgabe der I-CSCF ist es, die S-CSCF zu erfragen, die die angestrebte „Multimedia Session“ verwalten soll. 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 erfragt mit Hilfe des Diameter-Protokolls am HSS (Home Subscriber Server) die S-CSCF, in der der Teilnehmer eingebucht ist. Befindet sich der Teilnehmer in einem fremden Netz, so wird mit Hilfe der I-CSCF der Kontakt zum Heimatnetz hergestellt. Die I-CSCF leitet dann die ankommenden SIP-Anfragen an die entsprechende S-CSCF weiter.
• Service-Call Session Control Function S-CSCF: Die S-CSCF ist die zentrale Einheit des IMS, die die Multimedia-Sessions des IMS steuert. Alle Aktionen für die Sitzungsverwaltung (Aufbau, Abbau, Überwachung) werden durch die S-CSCF koordiniert. S-CSCF lädt Benutzerprofile vom HSS herunter und hoch. Sie speichert diese Informationen nicht zwischen, sondern überlässt die konsistente Speicherung dem HSS. Weitere Aufgaben sind:
  • Behandlung der SIP-Registrierung eines Benutzers
  • Weiterleiten aller SIP-Nachrichten
  • Entscheidung aufgrund der benötigten Dienste und der gewählten Filter-Kriterien, an welchen „Application Server“ die Signalisierungsnachrichten weitergeleitet werden
  • Durchsetzen der Richtlinien (engl. „policy“) des Netzbetreibers
  • Sammeln der Sitzungsdaten für die Abrechnung
• Emergency-Call Session Control Function E-CSCF: Dient als Kontaktpunkt zu Notfall-Diensten (Polizei, Feuerwehr). Notruf-Anforderungen werden von der P-CSCF oder der S-CSCF an die E-CSCF weitergeleitet. Die E-CSCF baut mit Hilfe der Emergency Access Transfer Function (EATF) die Verbindung zu den Notfall-Diensten auf.

Media Server

Sollen die Datenströme einer Multimedia Session bearbeitet werden oder sollen zusätzlich Daten eingespielt werden, so wird die Multimedia Resource Function (MRF) hierzu von der S-CSCF getriggert. Mit Hilfe der MRF können Datenströme manipuliert werden (zum Beispiel: Mischen mehrerer Sprachkanäle bei Konferenzschaltungen), oder es können Daten aus anderen Quellen abgespielt werden (Sprachansagen, Voice Mail Box). Die MRF unterteilt sich in 2 Hauptfunktionalitäten, den Multimedia Resource Function Controller (MRFC) und den Multimedia Resource Function Processor (MRFP).

• Der Multimedia Resource Function Controller (MRFC) kontrolliert die für die Medienströme verfügbaren Ressourcen des MRFP (über das Interface H.248). Application Server (AS) und S-CSCF stellen die nötigen Informationen hierzu bereit.
• Der Multimedia Resource Function Processor (MRFP) behandelt die entsprechenden Datenströme. Vom MRFC gesteuert kann der MRFP 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

Sind die Einzelheiten einer Session festgelegt und soll eine Session aufgebaut werden, so müssen die Datenströme von der Quelle zum Ziel gelenkt werden. Das heißt, die Gateway Controller müssen informiert werden, wie die Datenströme zu lenken sind. Hierzu wird mit Hilfe der Breakout Gateway Control Function (BGCF) festgelegt, über welches Gateway und welchen Gateway-Controller die Session geführt werden soll.

Die BGCF ist ein SIP-Server, der Routing-Entscheidungen aufgrund einer Telefonnummer trifft. 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 über die I-BCF an die BGCF des entsprechenden Netzes weiter.

Home Subscriber Server

Das IMS-System benötigt den Zugriff auf eine Teilnehmer-Datenbank, in der alle für einen Session-Aufbau relevanten Teilnehmerdaten abgelegt sind. Mit Hilfe der Teilnehmer-Datenbank wird der Teilnehmer als Mitglied des eigenen Netzes identifiziert, es werden die erlaubten Dienste des IMS mitgeteilt, sodass das IMS darauf die Session, den Teilnehmereigenschaften entsprechend, aufbauen kann.

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. Weiterhin 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 die 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.

Signalling Gateway

Das Signaling 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).

Proxy Call Session Control Function (P-CSCF)

Benötigt ein Endgerät innerhalb eines Telekommunikationsnetzes einen Dienst mit IMS-Unterstützung (z. B. Sprache über LTE bei Mobiltelefonen), wird eine entsprechende Anforderung an die zuständige P-CSCF (Proxy Call Session Control Function) gestellt. Die P-CSCF kann hierbei vom Endgerät vorgegeben werden (z. B. über einen entsprechenden Eintrag auf der SIM-Karte des Mobiltelefons), sie kann aber auch vom Netz bestimmt werden (z. B. bei der Einwahlprozedur ins Datennetz über einen entsprechenden PDP-Context) oder über DHCP.

Die P-CSCF führt eine Authentifizierung des Benutzers durch. Die P-CSCF kann mit der PCRF Informationen über die Teilnehmerdienste und die Datenraten austauschen und auch Gebühreninformationen (Charging Records) erstellen. Über die PCRF kann auch Einfluss auf die Eigenschaften der Verbindung genommen werden (z. B. Datenraten drosseln, Priorität des Teilnehmers festlegen usw.)

Die P-CSCF leitet die eingegangene IMS-Dienstanforderung weiter:

• Befindet sich der Teilnehmer im beheimateten Netz, so wird die vom System erfragte Anforderung an die I-CSCF weitergegeben, in dem der Teilnehmer eingebucht ist.
• Erkennt die P-CSCF, dass der Teilnehmer sich nicht im eigenen Netz befindet, kann die P-CSCF die Anforderung auch an die I-BCF weiterleiten und damit die Dienstanfrage an ein anderes Netz weitergeben (z. B. an das Heimatnetz des Teilnehmers).
• Erkennt die P-CSCF, dass es sich um einen Notruf handelt, wird die Anforderung sofort an die E-CSCF weitergegeben, die Notrufe behandelt.

Deren Antworten und Anfragen werden entsprechend über die P-CSCF an das Endgerät zurückgegeben.

Interrogating Call Session Control Function (I-CSCF)

Die I-CSCF ist der Kontaktpunkt für alle Verbindungsanfragen zu Teilnehmern des eigenen Netzes. Hauptaufgabe ist, das S-CSCF-System zu bestimmen, in dem der Teilnehmer eingebucht ist.

Die I-CSCF (Interrogating Call Session Control Function) erfragt die für den Verbindungsaufbau benötigten Teilnehmerdaten vom Home Subscriber Server (HSS). Sind mehrere HSS-Systeme im eigenen Netz vorhanden, kann über eine Anfrage bei der Subscriber Locator Function (SLF) das HSS bestimmt werden, in dem die Teilnehmerdaten gespeichert sind. Die Teilnehmerdaten enthalten unter anderem die Adresse des S-CSCF-Systems, in dem der Teilnehmer zurzeit eingebucht ist. Aus dieser Adresse geht hervor, ob der Teilnehmer im eigenen IMS-System oder in einem fremden IMS-System eingebucht ist. Ist der Teilnehmer in einem fremden IMS-System eingebucht, kann über die I-BCF das fremde IMS-System über die Verbindungsanfrage informiert werden.

Die I-CSCF leitet die Verbindungsanfrage an die zuständige S-CSCF weiter. Das I-CSCF erzeugt auch Gebühreninformationen (Charging Records).

Service Call Session Control Function (S-CSCF)

Die S-CSCF (Service Call Session Control Function) ist die zentrale Instanz, die die Dienstanfrage bzw. den Verbindungsaufbau des Teilnehmers steuert. Der Teilnehmer wird über die S-CSCF in das IMS-System eingebucht. Hierzu erfragt die S-CSCF aus dem HSS die Teilnehmer-Profile und erhält so Informationen über die Dienste und Funktionen, die für den Teilnehmer relevant werden. Die S-CSCF steuert dann den Verbindungsausbau, überwacht die Verbindung und baut am Ende die Verbindung auch wieder ab. Außerdem überwacht sie während der gesamten Zeit die Gebührenberechnung für den Teilnehmer.

Gewährleisten von Unterbrechungsfreiheit

Anfragen an andere Service-Systeme

Versenden von SMS

Ruftöne und Ansagen

Organisieren des Datenstroms

Die S-CSCF organisiert auch den nach dem Verbindungsaufbau einsetzenden Datenstrom im eigenen Netz bzw. zu fremden Netzen. Ist für den Verbindungsaufbau der Rückgriff auf „klassische“, leitungsvermittelte Telefonnetze erforderlich, organisiert die S-CSCF mit Hilfe der BGCF den Zugriff auf leitungsvermittelte Festnetz und Mobilfunk-Netzwerke. Bleibt die Verbindung im paketvermittelten Netz, organisiert die S-CSCF mit Hilfe der I-BCF ggf. die Weiterleitung an andere IMS-Netzwerke oder innerhalb des eigenen paketvermittelten Netzwerks.

Emergency Call Session Control Function (E-CSCF)

Handelt es sich bei der Verbindungsanforderung um einen Notruf, so löst die P-CSCF oder die S-CSCF die E-CSCF (Emergency Call Session Control Function) aus, die den Notruf organisiert. Anstelle der S-CSCF wird aber dann der Verbindungsaufbau durch die E-CSCF gesteuert.

Die E-CSCF verbindet den Teilnehmer mit der Notrufzentrale. Ist die Notrufzentrale über das klassische leitungsvermittelte Telefonnetz angebunden, wird mit Hilfe der BGCF der Übergangspunkt zum klassischen Telefonnetz bestimmt. Ist die Notrufzentrale über Voice-over-IP angebunden, bzw. liegt in einem anderen IMS-Netz, wird über die I-BCF die Verbindung organisiert.

Emergency Access Transfer Function (EATF)

Die Überwachung der Verbindungsqualität für Notrufe wird nicht, wie bei normalen Verbindungen über sie SCC-AS durchgeführt, sondern über die Emergency Access Transfer Function (EATF). In der EATF wird die Notruf-Verbindung verankert und überwacht, um Unterbrechungsfreiheit und gute Verbindungsqualität zu gewährleisten.

Breakout Gateway Control Function (BGCF)

Ist ein Verbindungsaufbau zu Zielen außerhalb der IMS-Netze erforderlich (z. B. in das Festnetz oder in Bereiche von Mobilfunknetzen, in denen nur GSM oder UMTS zur Verfügung stehen), so wird die BGCF (Breakout Gateway Control Function) von der S-CSCF ausgelöst (engl.: trigger), die Übergabe ins leitungsvermittelte Netz zu organisieren. Hierzu ermittelt die BGCF den Weg ins leitungsvermittelte Netz.

Liegt der Übergabepunkt im eigenen Netz, leitet die BGCF den Vorgang an die entsprechende MGCF (Media Gateway Control Function) weiter, die die Übergabe organisiert. Liegt der Übergabepunkt in einem anderen IMS-Netz so leitet die BGCF den Trigger an die I-BCF weiter, die den Übergang in das fremde IMS Netz koordiniert.

Media Gateway Control Function (MGCF)

Die MGCF (Media Gateway Control Function) organisiert den Übergang ins leitungsvermittelte Netz mit Hilfe des IM-MGW. In der MGCF erfolgt eine Protokollumwandlung in die ISUP/BICC-Protokolle, die im leitungsvermittelten Netz den Verkehr steuern. Die MGCF steuert direkt die Ressourcen im IM-MGW, d. h. wie im Detail die Verbindung aufgebaut werden soll.

IMS Multi Media Gateway (IM-MGW)

Während alle bisher erwähnten IMS-Funktionen nur die Signalisierung und die Organisation des Verbindungsaufbaus betreffen, werden im IM-MGW (IMS Multi Media Gateway) die Datenpakete bzw. Datenleitungen verwaltet. Das IM-MGW stellt die Schnittstelle zwischen Paket- und Leitungsvermittelten Systemen dar. Hier werden Daten, die von den leitungsvermittelten System auf den entsprechenden Datenleitungen eintreffen, in Datenpakete für das paketvermittelte Netzwerk umgewandelt und umgekehrt. Gesteuert wird dies von der MGCF, die genau angibt, wie die auf einer bestimmten Leitung eintreffenden Daten in Datenpakete umgewandelt werden sollen und umgekehrt.

Interconnection Border Control Function (I-BCF)

Die I-BCF (Interconnection Border Control Function) organisiert den Übergang in andere IMS-Netzwerke. Befindet sich ein Teilnehmer in einem anderen IMS-Netzwerk, so werden über die I-BCF die Daten- und Signalisierungs-Verbindungen zu dem anderen IMS Netz organisiert. Das I-BCF steuert direkt die Ressourcen im I-BGF. Als Schnittstelle zu fremden Netzwerken überwachen I-BCF und I-BGF die Schnittstelle sicherheitstechnisch und verschlüsseln den Verkehr.

Wird aus einem fremden Netz eine Verbindung zu einem Teilnehmer des eigenen Netzes gewünscht, so nimmt die I-BCF diesen Verbindungswunsch entgegen. Falls erforderlich, werden hierzu die Nachrichten und auch der Datenverkehr an die im eigenen Netz verwendeten Protokolle angepasst. Die I-BCF reserviert die für die Verbindung erforderlichen Ressourcen und überwacht den Verkehr. Der eigentliche Datenstrom wird über die I-BGF geführt, wobei die I-BCF diesen Datenstrom steuert.

Um den eigenen Teilnehmer zu finden, wird der Verbindungswunsch dann an die P-CSCF weitergegeben.

Die I-BCF kann auch den Übergang ins eigene paketvermittelte Netz organisieren. Die Unterfunktion der I-BCF zum Übergang ins eigene paketvermittelte Netz ist die Access Transfer Control Function (ATCF). Diese Funktion kann aber statt als Bestandteil des I-BCF auch als eigenständige Funktion ausgeführt sein.

Interconnection Border Gateway Function (I-BGF)

Das I-BGF (Interconnection Border Gateway Function) steht analog zum IM-MGW im IMS Datenstrom. Über das I-BGF wird der Datenverkehr zu fremden IMS Netzwerken weitergeleitet. Die I-BGF stellt die datenseitige Schnittstelle zwischen fremden IMS-Netzwerken und dem eigenen Netzwerk dar. Der Verkehr von und zu fremden IMS-Netzwerken wird an die paketvermittelnden Netzelemente des eigenen Netzes weitergeleitet (z. B. GGSN, SAE-GW) oder zum IM-MGW, wo, falls erforderlich, der Übergang ins eigene leitungsvermittelnde Netz erfolgt.

Die I-BGF kann auch als Schnittstelle für den Datenverkehr ins eigene paketvermittelte Netz dienen. Die Unterfunktion der I-BGF zum Übergang ins eigene paketvermittelte Netz ist das Access Transfer Gateway (ATGW). Diese Funktion kann aber statt als Bestandteil des I-BGF auch als eigenständige Funktion ausgeführt sein.

Access Transfer Control Function (ATCF)

Die ATCF (Access Transfer Control Function) organisiert den Übergang in das eigene paketvermittelte Netz. Für Teilnehmer des eigenen Netzes, die über paketvermittelte Dienste erreichbar sind, werden über ATCF die Daten- und Signalisierungs-Verbindungen organisiert. Die ATCF steuert direkt die Ressourcen im ATGW. Diese Schnittstelle wird benutzt, wenn IMS-Datendienste vom Teilnehmer benutzt werden (wie MMTel, RCS usw.) oder wenn IP-Sprachdienste benutzt werden (wie Voice over IP, Voice over LTE).

Für Verbindungswünsche aus und zu dem eigenen Netz stellt die ATCF das Interface zur Verfügung, über das Signalisierungsinformationen zwischen dem eigenen Netz und dem IMS System ausgetauscht werden. Die ATCF reserviert die für die Verbindung erforderlichen Ressourcen und überwacht den Verkehr. Der eigentliche Datenstrom wird über das ATGW geführt, wobei die ATCF diesen Datenstrom kontrolliert.

Die ATCF kann als Bestandteil des I-BCF ausgeführt werden, dann übernimmt die I-BCF sowohl die Organisation des Verkehrs zum eigenen als auch zu fremden Netzen. Die ATCF kann aber auch als eigenständige IMS-Funktion aufgebaut sein. In diesem Fall wird die ATCF manchmal auch als Access Border Control Function A-BCF bezeichnet.

Access Transfer Gateway (ATGW)

Das ATGW (Access Transfer Gateway) steht analog zum IM-MGW und zur I-BGF im IMS-Datenstrom. Wenn der benutzte IMS-Dienst einen Übergang in das eigene paketvermittelten Netz erfordert, wird über das ATGW der IMS-Datenverkehr an die paketvermittelnden Netzelemente des eigenen Netzes weitergeleitet (z. B. GGSN, SAE-GW).

Das ATGW kann als Bestandteil der I-BGF ausgeführt werden, dann werden über die I-BGF sowohl die Datenströme zum eigenen Netz als auch zu fremden Netzen geleitet. Das ATGW kann aber auch als eigenständige IMS-Funktion aufgebaut sein. In diesem Fall wird das ATGW manchmal auch als Access Border Gateway Function (A-BGF) bezeichnet.