Nessa seção será apresentada de forma objetiva funções de entidades da rede IMS e da rede de 4G necessárias para o entendimento de alguns cenários como registro e estabelecimento de chamadas.

Algumas das entidades que serão apresentadas, como ATCF, TrGW, IBCF e TrGW, não estão na topologia básica apresentada anteriormente porque atuam em cenários mais específicos com SRVCC e interconexão entre redes IMS.

CSCF

O CSCF (Call Session Control Function) é o ponto central para controle de tráfego na rede IMS. O CSCF agrega várias funções como, I-CSCF, S-CSCF, BGCF, E-CSCF, ATCF e IBCF, porém nesse primeiro contato não falaremos sobre todas essas funções.

S-CSCF

O S-CSCF (Serving CSCF) é o elemento central do core IMS. Ele é responsável pelo tratamento do processo de registro, pelo roteamento SIP. Para tráfego inbound direcionando as sessões para o P-CSCF cujo endereço foi armazenado durante o registro e para tráfego outbound consulta o DNS/ENUM para o roteamento das chamadas.

Ele também é responsável por baixar o perfil de usuário do HSS que inclue os iFC, que é um conjunto de triggers para acionamento dos Application Server.

Resumindo suas funções:

• Comunicação com o Application Server (Ex.: TAS e IP-SMS-GW).
• Roteamento das sessões inbound para o P-CSCF identificado durante o registro.
• Para tráfego SIP outbound, o S-CSCF interroga o DNS/ENUM para determinar o roteamento da chamada.
• O S-CSCF interage com o HSS para obter os dados do cliente e faz a troca de informações de autenticação usando mensagens Diameter.

I-CSCF

O I-CSCF (Interrogating CSCF) é o ponto de contato na rede para todas as requisições SIP destinadas os usuários VoLTE da operadora tendo com função encontrar o S-CSCF que será responsável pelo usuário. Para isso o I-CSCF através da interface Cx envia uma mensagem diameter LIR (Location Info Request) para o HSS que responderá com uma mensagem diameter LIA (Location Info Answer) o endereço do S-CSCF caso o tenha armazenado em processo de registro anterior ou responderá com o código do Service Capability que está associado ao service profile. O I-CSCF terá em suas tabelas de endereçamento a associação do código do Service Capabilite e o endereço de S-CSCF.

Resumindo suas funções:

• Encaminhar as solicitações de registro do usuário para o S-CSCF.
• Consultar o HSS para obter o endereço IP do S-CSCF para viabilizar o registro do usuário.
• Fazer o roteamento de mensagens SIP encaminhadas pelo S-CSCF para outras redes.

BGCF

O BGCF (Breakout Gateway Control Funcition) é uma entidade lógica implementada no CSCF para gerenciamento de sessões iniciadas na rede IMS e terminadas em redes não IMS.

Resumindo suas funções:

• É usado para selecionar o MGCF para endereçar as chamadas destinadas a rede 2G/3G.
• Possibilita modificar o Request-URI do SIP Invite antes da entrega na mensagem no MGCF.

TAS

O TAS (Telephony Application Server) é um application server e um dos principais elementos do core IMS e fornece duas funções: MMTEL e SCCAS.

A ilustração abaixo mostra a sequência de trigger ao TAS (SCC AS e MMTel) de acordo com o cenário (registro, chamada origina ou terminada). A ordem dos triggers é definida de acordo com a prioridade dos iFC que estão dentro service profile configurado no HSS e associado ao perfil do assinante. No item que falarei sobre HSS mostrarei detalhes.

MMTEL

O MMTel (Multimedia Telephony) é responsável pelos serviços dos assinantes e sendo assim podemos compará-lo ao HLR da rede 2G/3G. No MMTEL estão, por exemplo, os serviços de desvio de chamada, conferência, restrição de chamada, desvio para caixa postal, etc.

SCCAS

O SCCAS (Service Centralization and Continuity Application Server) de maneira geral é uma função lógica dentro TAS, mas também pode implementado separadamente.

A sua função é fazer o controle da chamada no estabelecimento da chamada no VoLTE, no core CS ou no handover do VoLTE para o 3G (SRVCC).

Abaixo destaque para as suas funções:

• Terminating service domain selection (T-SDS): tem a função de ancorar a chamada no VoLTE durante toda a chamada estando terminal de destino registrado no VoLTE ou na rede 3G.
• Terminating access domain selection (T-ADS): tem a função de entregar as chamada terminada no core CS caso o terminal não esteja registrado no VoLTE naquele momento.
• Service Domain Selection (SDS): consiste no envio de trigger camel através da implementação do gsmSCF para geração de InitialDP (IDP) a partir da MSC/gsmSSF. Essa funcionalidade é conhecida como break-in e pode ser de originação ou terminação. Como resposta ao IDP camel é enviado um IMRN para O-SDS (Originating-SDS) de um pool de IMRN ou no caso do T-SDS (Terminating-SDS) um prefixo seguido MSISDN.
• Single Radio Voice Call Continuity (SR-VCC): tem a função de garantir que a chamada não será desconectada caso ocorra um handover do VoLTE (core PS) para a rede 3G (core CS).

P-CSCF

O P-CSCF (Proxy CSCF) é o primeiro ponto de contato (no plano de sinalização) entre o terminal IMS e a rede IMS. Do ponto de vista do SIP, o P-CSCF está agindo como um SIP Proxy Server de entrada e saída.

O P-CSCF pode estar localizado na rede local ou na rede visitada e está interconectado no plano de mídia ao BGF (Border Gateway Function).

Resumindo suas funções:

• O P-CSCF é alocado ao terminal durante o registro e permanece enquanto durar este registro.
• Estabelece o Modo Transporte IPSec para proteção de integridade.
• Detecção de sessão de chamada de emergência.
• Integração com o PCRF.
• Permite a manipulação de mensagens de SIP.

BGF

O BGF (Border Gateway Function) é responsável pelo tratamento da mídia (User Plane) dentro do core IMS e entre o core IMS e outras redes baseadas em IP.

Ele é controlado pelo SBG através de uma interface H.248 e uma de suas principais funções é fazer o transcoding de Codec.

IPSMGW

O IPSMGW (IP Short Message Gateway) é um Application Server acionado pelo S-CSCF que tem a função de roteamento de sinalização SMS entre a rede IMS e a rede CS. Essa interação entre as redes permite disponibilizar ao assinante VoLTE todos os serviços SMS existentes.

ENUM

Os números telefones utilizam a recomendação E.164 (E.164 Number Resolution) da ITU-T para definição da numeração. A IETF definiu um mecanismo para conversão de números E.164 para o endereço que permite roteamento na rede IP.

A função do ENUM é traduzir o número de telefone para o formato URI (Uniform Resource) para ser transportado através de uma rede baseada em IP que é caso da rede IMS. Esse processo de traduzir as informações do destino para o formato conhecido pela rede IP é conhecido como “number resolution”.

HSS/UDC

O HSS (Home Subscriber Server) junto com o UDC (Unified Data Convergence) forma a base de dados dos perfis LTE e VoLTE. O HSS é o front end com os elementos de sinalização e é onde são definidos os parâmetros necessários para o funcionamento dos serviços LTE e VoLTE já o UDC é efetivamente o local onde ficam armazenados os perfis dos assinantes. A cada requisição recebida pelo HSS ele estabelece comunicação com o UDC.

O HSS também é responsável por armazenar a base de autenticação que permitirá registro na rede. É importante destacar que é possível manter a base de autenticação (AuC) junto a base 3G e nesse caso o HSS ao receber requisição de autenticação estabelecerá comunicação com o HLR/AuC via interface MAP para extrair as chaves de autenticação.

O HSS tem dois módulos, o HSS-EPS para parametrização da base LTE e o HSS-ISM os parâmetros do VoLTE. Podemos destacar os IFC.

O HSS faz interface com vários elementos do core IMS, como: I-CSCF, S-CSCF, TAS, E-CSCF, AAA.

Tabela com informações sobre as interfaces com HSS.

ATGF

O ATCF (Access Transfer Control Function) é um nó de sinalização que ancora as sessões de SRVCC sendo responsável por alocar o Session Transfer Number for Single Radio (STN-SR). O STN-SR é um parâmetro aprovisionado no perfil do assinante no HSS-EPS com valor “fake” e atualizado com o endereço do ATCF durante o processo de registro.

O ATCF aloca um ATGW para ancorar a mídia para sessões originadas e terminadas. Ele também monitora o estado da sessão para realizar a transferência de sessão caso ocorra um SRVCC. Após o SRVCC ou transferência de sessão o ATCF atualiza o service Centralization and Continuity Application Server (SCCAS) garantindo que o Terminating Acess Domain Seletion (T-ADS) estará atualizado com o atual acesso utilizado pelo usuário.

ATGW

O ATGW (Access transfer gateway) responsável por ancorar a mídia durante o SRVCC (Handover LTE para CS) ou transferência de sessão e ele é controlado pelo ATCF.

IBCF

O IBCF (Interconnect Border Control Function) é posicionado nas bordas das redes IMS para controle de acesso a essas redes IMS com objetivo de oferecer segurança no nível de sinalização.
Essa entidade oculta os IP de sinalização da sua rede através do Topology Hiding Inter-network Gateway (THIG), realiza a triagem de sessão e traduções IPv4-IPv6 com base em endereços de sinalização de origem e destino. O IBCF também pode interagir com o TrGW para controle de mídia.

TrGW

O TrGW (Transition Gateway) é posicionado na entrada/saída da rede IMS para o tráfego de mídia. A sua principal função é facilitar a interconexão entre redes distintas evitando conflitos, fazendo ajuste de codecs, etc. O TrGW é controlado pelo IBCF e o protocolo utilizado para comunicação entre eles é o H.248.

Elementos de Packet Core e Rede de acesso

Alguns elementos são comuns para a rede 4G/LTE e para a rede IMS que provê o serviço de VoLTE e por isso será feita a descrição das suas principais funções.

eNodeB

A eNodeB (Evolved NodeB) é responsável pelo controle das funções das funções de rádio e age como uma ponte entre o terminal (UE – user equipament) e o EPC (Evolved Packet Core).

A eNodeB trata tanto funções da camada de controle sendo responsável por estabelecer, manter e liberar as conexões do terminal como camada de usuário quanto pela camada de usuário assegurando o transporte da conexão estabelecida pelo usuário da rede.
Para atender ao serviço VoLTE é necessário ativação de feature na eNodeB para suporte aos QCI do VoLTE como, por exemplo, QCI 1 que é o bearer do serviço de voz.

Funções:

• Gerenciamento dos recursos de rádio (RRM, Radio Resource Management) fazendo a alocação dos recursos de rádio para uplink e downlink de acordo com a demanda.
• Gerenciamento de mobilidade possibilitando a eNodeB monitorar o nível de sinal de rádio do UE permitindo tomar a decisão de Handover para o terminal.
• Compressão de Dados com objetivo de maximizar a quantidade de dados transferidos.
• Proteção dos dados visa garantir a integridade das mensagens de sinalização RRC e criptografar os dados do usuário na interface aérea.
• Roteamento visando entrega da sinalização para o MME e o tráfego de dados para o SGW.
• Classificação dos pacotes e aplicação de políticas de QoS. A Classificação ou marcação dos pacotes de uplink relaciona as informações da assinatura do assinante com as políticas ou regras da operadora.

MME

O MME (Mobility Management Entity) é o principal elemento do EPC (Evolved Packet Core) atuando apenas no plano de controle ou de sinalização. Ele tem a função de selecionar o SGW baseado na localização e o PGW geralmente baseado na APN (Access Point Name) ou serviço que será utilizado.

Destaco a seguir algumas de suas funções:

• Autenticação onde faz interface com o HSS através da interface S6a obtendo as informações necessárias autorização do registro do usuário na rede móvel.
• Mobilidade inter MME quando há necessidade de Handover envolvendo mais de um MME. O MME onde os assinantes estão registrado ou MME Server tem a função de selecionar o novo MME ou MME Target.
• Seleção do S-GW e do P-GW, gerenciamento de bearer e estabelecimento do bearer dedicado
• Gerenciamento do perfil do assinante. O MME armazena temporariamente as informações que estão aprovisionadas no perfil do assinante no HSS. Essas informações são usadas para determinar quais os serviços serão alocados para o cliente, como por exemplo: serviço de dados, XCAP, IMS, etc.

PGW

O PGW (Packet Data Network Gateway) é o roteador de borda entre o EPS e as redes PDN. Para o PGW a rede IMS, por exemplo, é uma rede PDN.
Ele desempenha funções de gateway, filtragem de pacotes, alocação de endereço IP, tarifação através da interação, etc.

A comunicação entre PGW e SGW para tráfego de pacote IP pode ocorrer através da interface S5 caso ambos pertençam a mesma operadora ou através da interface S8 quando PGW e SGW pertencem a operadoras diferentes.

O PGW mapeia os fluxos de dados IP para os túneis GTP (bearers GTP) estabelecendo os bearers baseado no pedido através do PCRF ou do S-GW.

Outra importante interação do PGW é com o PCRF que tem por objetivo receber as informações de políticas e regras de tarifação.

SGW

O SGW (Serving Gateway) é responsável por transportar todos os pacotes IP de/para o terminal do usuário, além de atuar como âncora de mobilidade durante o handover inter-eNodeB ou inter 3GPP.

O SGW suporta o protocolo GTP (PGRS Tunneling Protocols) que oferece funções para gerenciamento de conexões e mobilidade. O GTP tem funções para o plano de controle para o plano de usuário, sendo o GTP-U (GPRS Tunneling Protocols, user plane) responsável pelo tunelamento dos pacotes entre S-GW e eNodeB e também por criar um túnel IP entre S-GW e P-GW e o GTPv2-C (GPRS Tunneling Protocols, version 2, control plane) permite o transporte de sinalização entre MME e o S-GW.

Ele também faz a marcação dos pacotes de acordo com o QCI (quality of service class indicator) associado ao EPS bearer atribuído ao usuário.

Resumo das suas funções:

• É ponto de ancoragem de mobilidade entre handover inter-eNodeB ou inter 3GPP
• Suporte ao protocolo GTP (PGRS Tunneling Protocols) que oferece funções para gerenciamento de conexões e mobilidade.
• Marcação dos pacotes de acordo com o QCI

PCRF

O PCRF (Policy and Charging Rules Function) fornece serviço de controle e gerenciamento de serviços 4G fornecendo controle de QoS (Quality os Service), de tarifação, de quota e de admissão. O PCRF atua em tempo real para aplicação das políticas de controle estabelecida pela operadora.

O PCRF é parte fundamental para o VoLTE porque atua como mediador para liberação do serviço através da alocação do bearer de voz (QCI=1).

Do ponto de vista do VoLTE destacamos duas interfaces do PCRF: a interface Gx (PGW x PCRF) e interface Rx (P-CSCF x PCRF).

A figura a seguir mostra o trecho de uma troca de mensagens envolvendo PCRF pelas interfaces Gx e Rx durante o estabelecimento de uma chamada.