Зачем IMS: одно ядро для любых сетей доступа и услуг

Когда мобильные сети перешли на 4G LTE, а затем на 5G NR, их ядро стало чисто пакетным: ядро EPC (в 5G — 5GC) умеет только доставлять IP-пакеты. Привычной «телефонной половины» — домена коммутации каналов CS — в нём больше нет. Но людям по-прежнему нужен обычный звонок по номеру: чтобы он соединялся за пару секунд, звучал чисто в час пик, работал в роуминге, дозванивался до 112 и правильно тарифицировался. В этом уроке разберём, почему эту задачу не решают интернет-мессенджеры, и как стандарт 3GPP TS 23.228 решил её с помощью IMS — одного ядра для любых сетей доступа и любых услуг.

Цель и что нужно знать

После урока вы сможете:

• объяснить, почему ядро EPC / 5GC без домена CS само по себе не даёт телефонной связи и почему временное решение CSFB тормозит оператора;
• сравнить звонок в мессенджере (OTT) с операторским звонком по шести признакам: гарантия качества QCI 1, экстренные вызовы, биллинг, законный перехват, роуминг и единый номер E.164;
• назвать три главных принципа IMS по 3GPP TS 23.228: независимость от сети доступа, сквозной контроль качества через связку с PCC и отделение логики услуг от управления сессиями;
• объяснить, что такое конвергенция фиксированной и мобильной связи (FMC), и посчитать, сколько оператор экономит, заменив несколько старых сетей одним ядром.

Что нужно знать заранее:

• курс sip, уроки 1–10: что такое SIP, запрос INVITE, описание сеанса SDP и голосовые пакеты RTP;
• курс ngn, уроки 1–5: переход от TDM к Softswitch и медиашлюзам;
• курс lte: уроки 3–5 (ядро EPC без домена CS, узлы MME, S-GW, P-GW, HSS, PCRF, интерфейсы Gx, SGs и возврат голоса CSFB), урок 24 (сжатие заголовков ROHC), урок 42 (точка доступа APN), урок 72 (выделенный канал Dedicated EPS Bearer по запросу через Rx / Gx) и урок 97 (роуминг Home Routed).

Задача из жизни

Национальный оператор обслуживает 6 миллионов мобильных абонентов (4G LTE и строящаяся 5G NR) и 900 тысяч квартир на фиксированной сети (GPON и медный xDSL). Сеть росла десятилетиями, поэтому у оператора параллельно работают четыре отдельные сети — «колодца»:

1. Мобильный голос 2G/3G (домен CS: MSC-Server, MGW, HLR). Смартфон в 4G при каждом звонке уходит в 3G/2G по процедуре CSFB. Из-за этого оператор не может выключить 3G и отдать 15 MHz спектра под 4G/5G.
2. Фиксированная телефония (старые АТС TDM и Softswitch) — со своей базой абонентов и своим биллингом.
3. Пакетное ядро 4G/5G (EPC / 5GC) — даёт быстрый интернет, но звонков не понимает.
4. Платформа для бизнеса (офисные АТС и SIP-транки) — никак не связана с мобильными номерами сотрудников.

На совете директоров финансовый директор спрашивает: «Абоненты и так звонят друг другу в WhatsApp и Telegram через мобильный интернет. Зачем нам новое ядро? Давайте оставим один интернет-канал и выключим все телефонные станции!»

Вам, архитектору ядра сети, нужно ответить цифрами и фактами: почему оператор не может отдать голос мессенджерам, как одно ядро IMS заменяет четыре «колодца» и сколько это сэкономит.

1. Ядро 4G/5G без домена CS: в чём проблема

В сетях 2G и 3G ядро состояло из двух половин: домена коммутации каналов (CS) для голоса и домена коммутации пакетов (PS) для интернета. Создавая 4G, консорциум 3GPP оставил только пакетную половину. Ядро EPC (а потом и 5GC) — это транспорт IP-пакетов: узлы S-GW и P-GW доставляют пакеты и применяют к ним правила качества, но не знают, что такое номер телефона, гудок, «занято», переадресация или конференция.

Аналогия: ядро 4G — это современная автомагистраль. Она отлично возит любые грузы, но на ней нет ни диспетчерской такси, ни службы доставки писем. Дорогу построили — а сервис, который принимает заказ «соедините меня с номером +994…», нужно создать отдельно.

Пока такого сервиса не было, операторы пользовались временным решением CSFB (курс lte, урок 5): при звонке узел MME по интерфейсу SGs сообщает старому коммутатору о вызове, и смартфон на время разговора уходит из 4G в 3G или 2G. Это работает, но дорого обходится:

• Медленный дозвон. По измерениям в реальных сетях установление вызова через CSFB занимает примерно 4–7 секунд, а звонок, который целиком идёт в 4G через IMS, — примерно 1,5–2,5 секунды.
• Интернет во время звонка проседает. В 3G скорость падает в разы, а в 2G передача данных во время разговора часто вообще останавливается.
• Замороженный спектр. Пока голос держится на CSFB, оператор обязан держать включёнными 2G/3G и занимать под них частоты, которые в 4G/5G передавали бы в несколько раз больше данных.
• Тупик для 5G и Wi-Fi. Там, где 2G/3G уже выключили, возвращаться некуда. А старый коммутатор не умеет принимать звонки через домашний Wi-Fi.
• Четыре «колодца». Каждая новая услуга (например, фильтр спам-звонков) делается четыре раза — на четырёх несовместимых платформах, с четырьмя командами инженеров.

2. Операторский звонок против мессенджера OTT

OTT (Over-The-Top, «поверх сети») — это сервис, который работает поверх интернет-канала оператора, никак не договариваясь с его ядром: WhatsApp, Telegram, FaceTime. Для оператора такой звонок — просто зашифрованные пакеты в общем интернет-канале.

Аналогия: OTT-звонок — это посылка, отправленная обычной почтой вместе с тысячами других. Операторский звонок — это та же посылка, но с курьером, отдельной полосой на дороге, страховкой и квитанцией.

Разница проходит по шести границам — именно их перечисляет программа урока:

Главная техническая причина — в первой строке. Базовая станция eNodeB и шлюз P-GW не знают, что внутри интернет-канала идёт разговор. Когда в соте вечером сотни людей смотрят видео, очередь канала QCI 9 переполняется — и голос в мессенджере начинает «булькать».

В IMS всё иначе. Когда абонент набирает номер в обычной «звонилке» телефона:

1. Запрос SIP INVITE с описанием SDP уходит по отдельной точке доступа APN ims в канале QCI 5 — у него самый высокий приоритет, он нужен для сигнализации.
2. Ядро IMS читает из SDP, какой голосовой поток нужен, и сообщает об этом узлу политик PCRF по интерфейсу Rx (курс lte, урок 72).
3. PCRF по интерфейсу Gx командует шлюзу P-GW, и тот через S-GW, MME и eNodeB создаёт выделенный канал QCI 1 только для этого разговора. Базовая станция включает для него сжатие заголовков ROHC (курс lte, урок 24).
4. После отбоя (SIP BYE) канал QCI 1 удаляется, ресурсы соты освобождаются.

Параметры классов QCI заданы стандартом 3GPP TS 23.203 (таблица стандартизованных характеристик). Ниже — сравнение в загруженной соте: параметры классов взяты из стандарта, а значения задержки и качества — условный пример для иллюстрации.

# Загруженная сота 4G в час пик (условный пример)
сота:
  активных_абонентов: 120
  загрузка_радиоресурса: "94%"

классы_QCI_по_TS_23_203:
  QCI_9: {тип: "non-GBR", приоритет: 9, бюджет_задержки_мс: 300}  # интернет
  QCI_5: {тип: "non-GBR", приоритет: 1, бюджет_задержки_мс: 100}  # сигнализация IMS
  QCI_1: {тип: "GBR",     приоритет: 2, бюджет_задержки_мс: 100}  # разговор

звонок_OTT:
  канал: "APN internet, QCI 9"
  что_видит_сеть: "зашифрованные UDP-пакеты, как у скачивания файла"
  результат_в_час_пик: {джиттер_мс: 185, потери_процент: 4.8, оценка: "плохо"}

звонок_через_IMS:
  сигнализация: "APN ims, QCI 5"
  голос: "выделенный канал QCI 1 (создан через Rx -> PCRF -> Gx -> P-GW)"
  результат_в_час_пик: {джиттер_мс: 14, потери_процент: 0.08, оценка: "чисто"}

Чем меньше номер приоритета, тем раньше планировщик базовой станции обслуживает пакеты. Поэтому QCI 5 (приоритет 1) и QCI 1 (приоритет 2) проходят раньше интернета QCI 9 (приоритет 9).

3. Три принципа IMS по 3GPP TS 23.228

IMS (IP Multimedia Subsystem, «подсистема IP-мультимедиа») — это ядро, которое на основе протокола SIP устанавливает голосовые, видео- и текстовые сеансы поверх любой IP-сети. Его архитектура описана в спецификации 3GPP TS 23.228 и держится на трёх принципах.

Принцип 1. Независимость от сети доступа

Ядру IMS всё равно, как абонент подключён к сети — лишь бы был IP:

• 4G LTE — через ядро EPC (голос по LTE часто называют VoLTE);
• 5G NR — через ядро 5GC;
• Wi-Fi — дома, в офисе или в отеле за границей: смартфон строит защищённый туннель через интернет до шлюза оператора, а шлюз подключает его к тому же ядру;
• GPON / xDSL — домашний оптический терминал или офисный IP-телефон регистрируется в том же ядре по SIP.

Аналогия: IMS — как банковская карта. Платить можно в магазине, в интернете или через телефон — счёт и правила одни и те же. Способ доступа меняется, «банк» остаётся один.

Принцип 2. Сквозной контроль качества через связку с PCC

Обычный SIP-прокси (курс sip, урок 4) пересылает сигнализацию «вслепую» и не знает, хватит ли сети пропускной способности. IMS связан с транспортом через архитектуру PCC (Policy and Charging Control — управление политиками и тарификацией, курс lte). Для каждого медиапотока ядро IMS заказывает ресурсы у PCRF, и разговор получает свой канал с гарантией — аудио QCI 1, видео QCI 2. Заодно PCC даёт данные для тарификации.

Принцип 3. Логика услуг отделена от управления сессиями

Вместо вертикальных «колодцев» IMS делит сеть на три горизонтальных слоя:

1. Слой доступа и транспорта — базовые станции 4G/5G, Wi-Fi, GPON, шлюзы S-GW / P-GW.
2. Слой управления сессиями — узлы ядра IMS, которые регистрируют абонента, проверяют его, маршрутизируют SIP и заказывают качество. Профиль абонента хранится в базе HSS (знакома по курсу lte).
3. Слой услуг — отдельные серверы, где «живёт» логика: переадресация, удержание, конференции, голосовая почта, сообщения, офисная АТС.

Управление сессиями не содержит логики конкретных услуг — оно лишь передаёт вызов нужному серверу услуг.

Аналогия: диспетчер такси (управление сессиями) принимает заказ и передаёт его нужной службе: эконом, грузовое, детское кресло (услуги). Чтобы добавить «доставку цветов», не нужно перестраивать диспетчерскую — достаточно подключить новую службу.

Как называются узлы управления сессиями и серверы услуг и как они общаются, разберём в следующих уроках раздела.

Конвергенция фиксированной и мобильной связи (FMC)

Три принципа вместе дают FMC (Fixed-Mobile Convergence):

• один профиль в HSS — домашний телефон на GPON, софтфон на ноутбуке и смартфон в 4G/5G могут принадлежать одному абоненту; на входящий звонок звонят все устройства сразу (это ветвление вызова, курс sip, урок 80);
• одна услуга — везде — новую функцию подключают один раз на сервере услуг, и она сразу работает в 4G, 5G, Wi-Fi и GPON;
• один биллинг и одна команда эксплуатации вместо четырёх.

Разбор примера: технико-экономическое обоснование одного ядра IMS

Посчитаем ответ финансовому директору для оператора из «Задачи из жизни». Все суммы — условные исходные данные задачи.

Дано:

• Абоненты: 6 000 000 мобильных (4G/5G) и 900 000 фиксированных линий (GPON/xDSL).
• Вариант А — оставить всё как есть:
• мобильное ядро CS (MSC-Server, MGW, HLR): OPEX $4,2 млн / год;
• удержание 3G ради CSFB: 15 MHz на 4 500 базовых станциях; если отдать их 4G/5G, не придётся строить новые станции на $6,5 млн / год (в пересчёте на год);
• фиксированные АТС и офисная платформа: $3,1 млн / год;
• отток клиентов из-за медленного дозвона (CSFB в среднем 5,2 с) и плохой связи в зданиях: $2,4 млн / год.
• Вариант Б — одно облачное ядро IMS для всех сетей доступа:
• OPEX ядра IMS: $3,4 млн / год;
• минимальный слой 2G для старых счётчиков и терминалов: $0,8 млн / год;
• разовые затраты CAPEX на внедрение и перенос абонентов: $8,2 млн;
• дозвон через IMS: в среднем 2,0 с.

Решение по шагам:

# Шаг 1. Годовые затраты и потери без IMS (вариант А), млн USD
вариант_А:
  мобильное_ядро_CS: 4.2
  фиксированные_АТС_и_офисная_платформа: 3.1
  упущенная_выгода_от_спектра_3G_15MHz: 6.5
  отток_абонентов: 2.4
  итого_в_год: 16.2          # 4.2 + 3.1 + 6.5 + 2.4

# Шаг 2. Годовые затраты с одним ядром IMS (вариант Б), млн USD
вариант_Б:
  ядро_IMS: 3.4
  остаточный_слой_2G: 0.8
  итого_в_год: 4.2           # 3.4 + 0.8

# Шаг 3. Эффект
эффект:
  экономия_в_год_млн_usd: 12.0      # 16.2 - 4.2
  capex_млн_usd: 8.2
  окупаемость_месяцев: 8.2          # 8.2 / 12.0 * 12
  дозвон_с: {было_CSFB: 5.2, стало_IMS: 2.0}
  освобождённый_спектр: "15 MHz из 3G переходят в 4G/5G"

Строка за строкой:

• Шаг 1 складывает всё, что оператор платит или теряет, сохраняя четыре сети: 16,2 млн в год.
• Шаг 2 — то же самое с одним ядром: 4,2 млн в год. Слой 2G остаётся только для старых устройств, которые не умеют IMS.
• Шаг 3: экономия 16,2 − 4,2 = 12,0 млн в год. Разовые 8,2 млн возвращаются за 8,2 / 12,0 × 12 ≈ 8,2 месяца.

💡 Архитектурный вердикт: заменить операторский голос мессенджерами нельзя: OTT не даёт гарантированного канала QCI 1, не выполняет требования к вызовам 112 и законному перехвату и не работает с номерами E.164 за пределами своего приложения. Сохранять четыре старые сети невыгодно. Одно ядро IMS в условиях задачи окупается примерно за 8 месяцев, экономит $12,0 млн в год, ускоряет дозвон с 5,2 с до 2,0 с и освобождает 15 MHz спектра 3G для 4G/5G.

Что может сломаться и как это найти

⚠️ Типичная ошибка: «для простоты» пустить голос IMS через интернет-точку доступа в канале QCI 9 и не настраивать связку с PCRF. В тестовой лаборатории всё работает, а в первый же вечерний час пик голос рассыпается вместе с интернетом.

Практика

1. Предскажите. Ниже — каналы смартфона во время звонка, пока абонент листает сайт. Что станет с каждым каналом, когда абонент положит трубку, а браузер оставит открытым?

# Каналы EPS Bearer одного смартфона во время звонка
каналы:
  - ebi: 5
    apn: internet
    тип: default
    qci: 9
    gbr_kbps: 0
  - ebi: 6
    apn: ims
    тип: default
    qci: 5
    gbr_kbps: 0
  - ebi: 7
    apn: ims
    тип: dedicated
    qci: 1
    gbr_kbps: 44     # пример гарантированной скорости для голоса

2. Проверьте. Верны ли утверждения (сверьтесь с таблицей QCI из раздела 2): а) канал QCI 5 даёт гарантированную скорость; б) у QCI 1 и QCI 5 одинаковый бюджет задержки 100 ms; в) пакеты QCI 9 обслуживаются раньше пакетов QCI 1.
3. Объясните. Почему шлюз P-GW не может сам выделить канал QCI 1 под звонок в мессенджере, даже если оператор этого хочет?
4. Измените. Оператор купил провайдера со 150 000 абонентов GPON, у которых в оптическом терминале есть телефонный порт с SIP-клиентом. Финансовый отдел предлагает купить для них отдельный Softswitch с отдельным автоинформатором. Что вы предложите вместо этого, опираясь на три принципа IMS?
5. Сделайте сами ⭐. Оператор держит под 3G 10 MHz только ради CSFB. Спектральная эффективность 3G в этой полосе — 0,45 бит/с/Гц, а после перевода в 4G/5G — 2,70 бит/с/Гц. Посчитайте ёмкость полосы до и после и во сколько раз она вырастет, когда голос переедет в IMS и 3G выключат.

Самопроверка

1. Почему базовая станция гарантирует качество звонку через IMS, но не может гарантировать его звонку в мессенджере?
   Разбор: звонок в мессенджере идёт внутри общего интернет-канала QCI 9 и зашифрован приложением. Сеть не знает, когда он начался и какая скорость ему нужна: для неё это такие же пакеты, как скачивание файла. При звонке через IMS сигнализация SIP с описанием SDP проходит через ядро оператора. Ядро сообщает PCRF по Rx параметры потока, PCRF по Gx командует P-GW, и сеть создаёт выделенный канал QCI 1 с гарантированной скоростью и бюджетом задержки 100 ms.
2. Что даёт оператору отделение логики услуг от управления сессиями?
   Разбор: управление сессиями только регистрирует абонентов, маршрутизирует SIP и заказывает качество. Логика услуг живёт на отдельных серверах. Поэтому новую услугу подключают один раз в слое услуг, и она сразу доступна всем абонентам — в 4G, 5G, Wi-Fi и GPON. Перестраивать ядро и сети доступа не нужно.

Ответы к практике

• Задание 1: канал ebi 5 (internet, QCI 9) остаётся — браузер продолжает работать. Канал ebi 6 (ims, QCI 5) остаётся — он постоянный, по нему телефон держит связь с ядром IMS и примет следующий звонок. Канал ebi 7 (QCI 1) удаляется сразу после SIP BYE — он нужен только на время разговора.
• Задание 2: а) неверно — QCI 5 относится к типу non-GBR; б) верно — у обоих 100 ms; в) неверно — у QCI 9 приоритет 9 (самый низкий), у QCI 1 — 2, поэтому раньше обслуживается QCI 1.
• Задание 3: мессенджер не сообщает ядру оператора о начале звонка, а его трафик зашифрован. Никто не отправляет в PCRF запрос по Rx с параметрами потока, поэтому PCRF не знает, когда, для каких пакетов и с какой скоростью создавать канал. Выделенный канал создаётся по запросу ядра IMS, которое участвует в звонке.
• Задание 4: отдельный Softswitch не нужен. По принципу независимости от доступа терминалы GPON регистрируются в том же ядре IMS по SIP. Профили абонентов заводятся в тот же HSS, а автоинформатор, переадресация и биллинг берутся из уже работающего слоя услуг. Так появляется FMC: один номер и одни услуги для фиксированной и мобильной связи.
• Задание 5: до перевода — $10\text{ MHz} \times 0{,}45 = 4{,}5\text{ Мбит/с}$; после — $10\text{ MHz} \times 2{,}70 = 27{,}0\text{ Мбит/с}$. Рост: $27{,}0 / 4{,}5 = 6$ раз — без покупки новых частот.

Повторение и критерий перехода

• Ядро EPC / 5GC — чисто пакетное, домена CS в нём нет. Временный CSFB замедляет дозвон (примерно 4–7 с против 1,5–2,5 с через IMS), тормозит интернет и держит спектр под 3G.
• Мессенджер OTT работает в общем канале QCI 9 и не даёт оператору ни гарантии качества QCI 1, ни вызовов 112, ни биллинга, ни законного перехвата, ни роуминга и номеров E.164.
• IMS по 3GPP TS 23.228 держится на трёх принципах: независимость от сети доступа (LTE, 5G NR, Wi-Fi, GPON/xDSL), сквозной контроль качества через связку с PCC (Rx → PCRF → Gx → канал QCI 1) и отделение логики услуг от управления сессиями. Вместе они дают FMC.

Критерий перехода: вы можете своими словами объяснить, зачем голосу отдельный канал QCI 1 и как он появляется; перечислить шесть отличий операторского звонка от OTT; назвать три принципа IMS и привести пример FMC.

Дальше — урок 2 «История и релизы IMS: Rel-5, 6, 7 (TISPAN, Common IMS), 3GPP2 MMD»: как IMS появилась в 3GPP и как мобильная и фиксированная ветки стандартов сошлись в одно ядро.

Стандарты и источники

• 3GPP TS 23.228 — IP Multimedia Subsystem (IMS); Stage 2: архитектура и принципы IMS.
• 3GPP TS 23.203 — Policy and Charging Control architecture: архитектура PCC и таблица стандартизованных характеристик QCI.
• 3GPP TS 29.214 — Policy and Charging Control over Rx reference point: интерфейс Rx между ядром IMS и PCRF.
• 3GPP TS 23.401 — GPRS enhancements for E-UTRAN access: ядро EPC и каналы EPS Bearer.
• 3GPP TS 23.272 — Circuit Switched (CS) fallback in Evolved Packet System: процедура CSFB.