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基于IMS的下一代網(wǎng)絡(luò )融合架構研究

孔松　柳曉雯 2007/06/05

一、引言

　　網(wǎng)絡(luò )融合即基于統一綜合的網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行各種信息的通信，使得用戶(hù)可以通過(guò)不同的終端在任何時(shí)候、任何地點(diǎn)都可以享受無(wú)縫統一的通信服務(wù)。網(wǎng)絡(luò )融合的范疇很廣，它既可指固定與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的融合FMC(Fixed-Mobile Convergence)，也指電信網(wǎng)與廣播電視網(wǎng)的融合等。本文中的網(wǎng)絡(luò )融合特指固定與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )融合。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，當前的固定和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )必將在向下一代網(wǎng)絡(luò )演進(jìn)發(fā)展的過(guò)程中走向融合統一。

二、網(wǎng)絡(luò )融合的需求分析

1.網(wǎng)絡(luò )融合是通信市場(chǎng)的發(fā)展趨勢

　　終端用戶(hù)：希望業(yè)務(wù)個(gè)性化、多樣化，滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的通信需求；希望網(wǎng)絡(luò )支持通用移動(dòng)性，不管用戶(hù)在哪(終端移動(dòng)性)，不管其使用何種終端設備和接入技術(shù)(個(gè)人移動(dòng)性)，都可以使用其簽約業(yè)務(wù)(業(yè)務(wù)移動(dòng)性)；希望業(yè)務(wù)使用更加方便簡(jiǎn)單，享受“一個(gè)號碼、一張計費賬單、一次簽約”的綜合服務(wù)和統一用戶(hù)體驗。

　　運營(yíng)商：當前運營(yíng)商間的競爭日趨激烈，尤其是固網(wǎng)運營(yíng)商的ARPU值不斷下降，運營(yíng)商希望通過(guò)網(wǎng)絡(luò )融合來(lái)整合業(yè)務(wù)、開(kāi)展差異化競爭，產(chǎn)生新的收入增長(cháng)點(diǎn)；同時(shí)，基于統一融合的業(yè)務(wù)平臺為固定和移動(dòng)用戶(hù)提供業(yè)務(wù)，會(huì )使網(wǎng)絡(luò )結構簡(jiǎn)單清晰，管理維護統一便捷，大大降低網(wǎng)絡(luò )投資成本(CAPEX)和運營(yíng)成本(OPEX)。

2.網(wǎng)絡(luò )融合是NGN的重要目標

　　NGN是目前通信業(yè)界關(guān)注和探討的一個(gè)熱點(diǎn)話(huà)題。國際上有很多研究組織正在開(kāi)展NGN相關(guān)的研究工作，如ITU-T，ETSI，3GPP/3GPP2，ATIS，IETF，OSA，OMA等，盡管目前各個(gè)研究組織的觀(guān)點(diǎn)尚未完全統一，所研究的內容也遠未成熟或實(shí)用化，但也形成了一些重要共識。業(yè)界的普遍共識是NGN必將是業(yè)務(wù)驅動(dòng)的開(kāi)放融合的網(wǎng)絡(luò )，人們希望通過(guò)NGN來(lái)解決目前各類(lèi)網(wǎng)絡(luò )的多種問(wèn)題，如統一開(kāi)放的業(yè)務(wù)環(huán)境、網(wǎng)絡(luò )融合、網(wǎng)絡(luò )安全、QoS等。

　　3GPP最先提出的IP多媒體子系統IMS(IP Multimedia Subsystem)由于具有采用會(huì )話(huà)初始協(xié)議(SIP)進(jìn)行呼叫控制、與接入無(wú)關(guān)和能夠靈活提供多種業(yè)務(wù)等優(yōu)點(diǎn)，近來(lái)受到了各標準組織和廣大運營(yíng)商、設備制造商的熱烈關(guān)注和青睞，被認為是實(shí)現下一代融合網(wǎng)絡(luò )的核心技術(shù)。ETSI TISPAN工作組和ITU-T FGNGN工作組已經(jīng)相繼展開(kāi)了基于IMS的NGN體系架構研究工作。

三、3GPP IMS體系結構

　　為了在IP平臺上支持豐富的移動(dòng)多媒體業(yè)務(wù)，3GPP在R5版本中引入了IMS。IMS基于SIP協(xié)議，疊加在分組交換(PS)域上。圖1是IMS體系結構的示意圖。圖中粗線(xiàn)是用戶(hù)平面數據通道，細線(xiàn)是信令傳輸通道，可見(jiàn)其體系架構采用的是控制與承載相分離的方式。IMS主要作為信令處理子系統，用戶(hù)平面的多媒體數據由PS域的GSN通道承載。下面按照IMS的主要功能介紹相關(guān)功能實(shí)體。

1.呼叫會(huì )話(huà)控制相關(guān)功能實(shí)體

　　呼叫會(huì )話(huà)控制功能(CSCF)是IMS的核心功能實(shí)體，主要功能是實(shí)現IMS域的呼叫和會(huì )話(huà)控制。IMS中定義了三種CSCF：

　　(1)代理CSCF(P-CSCF)：位于訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò )中，是SIP用戶(hù)接入IMS的入口點(diǎn)。主要負責受理SIP用戶(hù)接入，SIP消息的轉發(fā)、完整性保護和壓縮處理。P-CSCF中的PDF(策略判決功能)模塊負責對多媒體業(yè)務(wù)的QoS要求進(jìn)行策略判決。P-CSCF也可用來(lái)提供緊急業(yè)務(wù)的本地控制。

　　(2)查詢(xún)CSCF(I-CSCF)：位于歸屬網(wǎng)絡(luò )中，是SIP消息進(jìn)入歸屬I(mǎi)MS網(wǎng)絡(luò )的入口點(diǎn)。主要負責查詢(xún)HSS來(lái)為用戶(hù)選擇S-CSCF，并將SIP消息發(fā)到該S-CSCF；作為外部網(wǎng)絡(luò )到IMS歸屬網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)關(guān)，支持防火墻功能，并具有隱藏歸屬網(wǎng)絡(luò )拓撲的功能，從而允許各運營(yíng)商IMS網(wǎng)絡(luò )保持配置獨立安全。

　　(3)服務(wù)CSCF(S-CSCF)：位于歸屬網(wǎng)絡(luò )中，根據需要可設置多個(gè)。主要功能是接受用戶(hù)注冊，從歸屬地用戶(hù)服務(wù)器(HSS)下載并臨時(shí)存儲用戶(hù)相關(guān)數據；重定向路由，進(jìn)行呼叫會(huì )話(huà)控制；觸發(fā)用戶(hù)簽約業(yè)務(wù)，協(xié)同業(yè)務(wù)平臺進(jìn)行業(yè)務(wù)支持等。

圖1　IMS網(wǎng)絡(luò )結構示意圖

2.用戶(hù)信息和業(yè)務(wù)提供相關(guān)實(shí)體

　　(1)歸屬地用戶(hù)服務(wù)器(HSS)：存儲用戶(hù)簽約信息和位置信息的用戶(hù)數據庫系統，由歸屬位置寄存器(HLR)演變而成。

　　(2)簽約位置功能(SLF)：IMS網(wǎng)絡(luò )中可能有多個(gè)HSS，在SIP注冊或會(huì )話(huà)建立過(guò)程中，CSCF可通過(guò)查詢(xún)SLF來(lái)找到存儲相應用戶(hù)信息的HSS。SLF在單一的HSS環(huán)境中并不需要。

　　(3)三種業(yè)務(wù)提供相關(guān)的功能實(shí)體：分別是SIP應用服務(wù)器(SIP AS)、IP多媒體業(yè)務(wù)轉換功能(IM-SSF)和OSA業(yè)務(wù)能力服務(wù)器(OSA-SCS)，分別用來(lái)支持運營(yíng)商IMS網(wǎng)絡(luò )直接提供的SIP業(yè)務(wù)、CAMEL業(yè)務(wù)環(huán)境(CSE)提供的傳統移動(dòng)智能網(wǎng)業(yè)務(wù)和第三方提供的業(yè)務(wù)。

3.媒體資源相關(guān)功能實(shí)體

　　(1)媒體資源功能控制部分(MRFC)：根據CSCF的要求，通過(guò)H.248協(xié)議控制MRFP完成相應的媒體資源處理。

　　(2)媒體資源功能處理部分(MRFP)：根據MRFC的控制提供媒體相關(guān)的服務(wù)，包括多方會(huì )議、語(yǔ)音提示、鈴聲、語(yǔ)音識別、語(yǔ)音合成等。

4.與PSTN/電路交換(CS)域互通相關(guān)功能實(shí)體

　　(1)IMS媒體網(wǎng)關(guān)(IMS-MGW)：負責IMS與PSTN/CS域之間的媒體流互通，即IP媒體流與PCM媒體流之間的編解碼轉換；并在MGCF的控制下完成呼叫的接續。

　　(2)媒體網(wǎng)關(guān)控制功能(MGCF)：采用H.248協(xié)議控制MGW進(jìn)行呼叫會(huì )話(huà)接續；與CSCF通信；并提供應用層上的信令轉換，即SIP信令和ISUP(ISDN用戶(hù)部分)信令之間的轉換。

　　(3)信令網(wǎng)關(guān)(SGW)：提供傳輸層上的信令轉換，即基于IP承載的信令和基于SS7的信令之間的轉換。

　　(4)邊界網(wǎng)關(guān)控制功能(BGCF)：是IMS域與外部網(wǎng)絡(luò )的分界點(diǎn)，它選擇在何處與PSTN/CS域互聯(lián)。

四、基于IMS實(shí)現網(wǎng)絡(luò )融合的發(fā)展趨勢

IMS體系結構具有以下特點(diǎn)：

采用分層開(kāi)放結構。IMS進(jìn)一步發(fā)揚了軟交換結構中業(yè)務(wù)與控制分離、控制與承載分離的思想，網(wǎng)絡(luò )結構更加清晰合理；層間采用標準化的開(kāi)放接口，有利于新業(yè)務(wù)的快速生成和應用。

統一采用SIP協(xié)議進(jìn)行控制。SIP簡(jiǎn)潔高效、可擴展性和適用性好，使IMS能夠靈活便捷地支持廣泛的IP多媒體業(yè)務(wù)；并且SIP可與現有固定IP數據網(wǎng)平滑對接，便于實(shí)現固定和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的互通。

經(jīng)過(guò)進(jìn)一步完善可以具有與接入無(wú)關(guān)的特點(diǎn)，理論上可以實(shí)現不論用戶(hù)使用什么設備、在何地接入IMS網(wǎng)絡(luò )，都可以使用歸屬地的業(yè)務(wù)。

支持移動(dòng)性。由于IMS最初是3GPP為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )定義的，所以比較充分考慮了對用戶(hù)終端的漫游支持。

充分考慮了運營(yíng)商實(shí)際運營(yíng)的需求，在網(wǎng)絡(luò )框架、QoS、安全、計費以及和其他網(wǎng)絡(luò )的互通方面都制定了相關(guān)規范。

　　IMS的上述特點(diǎn)為同時(shí)支持固定和移動(dòng)接入提供了技術(shù)基礎，使得網(wǎng)絡(luò )融合成為可能。

　　目前除了3GPP外，IMS也得到了ETSI，ITU-T等標準化組織的青睞，它們都已經(jīng)確定了將IMS作為NGN核心網(wǎng)的基本架構。部分先進(jìn)的運營(yíng)商如德國電信、英國電信和法國電信已經(jīng)明確了未來(lái)網(wǎng)絡(luò )和業(yè)務(wù)融合的戰略目標，并開(kāi)始特別關(guān)注基于IMS的網(wǎng)絡(luò )融合研究。各大設備廠(chǎng)商也加大了對IMS在固網(wǎng)領(lǐng)域應用的研究，正積極參與并大力推進(jìn)基于IMS的NGN的標準化工作。

五、基于IMS的下一代網(wǎng)絡(luò )融合架構

　　目前，在NGN標準和網(wǎng)絡(luò )融合研究方面，ETSI TISPAN工作組的推進(jìn)速度最快，它在IMS基礎上展開(kāi)的NGN標準化工作預計將會(huì )直接影響ITU-T的NGN標準，甚至可能成為NGN架構的事實(shí)標準。TISPAN建議的NGN架構中盡可能地重用IMS架構，其N(xiāo)GN R1版本標準的功能架構框架已基本穩定，相關(guān)的業(yè)務(wù)流程和信令方面的工作尚在進(jìn)行。

　　基于IMS的NGN融合架構采用面向子系統的網(wǎng)絡(luò )結構。這樣的網(wǎng)絡(luò )架構非常靈活方便，一方面可以方便地直接引入和修改其他標準組織定義的子系統，另一方面將來(lái)如果有新的業(yè)務(wù)類(lèi)別需求時(shí)，定義添加一個(gè)新的子系統即可，對已有的子系統影響很小。

基于IMS的NGN融合架構主要分為業(yè)務(wù)層和傳送層，如圖2所示。

圖2　基于IMS的NGN融合架構

1.業(yè)務(wù)層

目前業(yè)務(wù)層主要包括以下部件：

核心IP多媒體子系統(IMS)：該子系統參考繼承了3GPP的IMS規范，提供基于SIP的IP多媒體業(yè)務(wù)，如VoIP話(huà)音、即時(shí)信息、呈現(Presence)、視頻會(huì )議、白板/應用共享，以及Push-to-X業(yè)務(wù)(Push-to-Talk，Push-to-Media)等。

PSTN/ISDN仿真子系統(PES)：為經(jīng)過(guò)網(wǎng)關(guān)連接到IP網(wǎng)的傳統電話(huà)終端仿真PSTN/ISDN網(wǎng)絡(luò )，保證傳統PSTN/ISDN業(yè)務(wù)的可用性和一致性，使得終端用戶(hù)不會(huì )意識到其實(shí)并沒(méi)有連接到PSTN/ISDN網(wǎng)絡(luò )。

其他業(yè)務(wù)子系統。計劃將來(lái)根據新業(yè)務(wù)的需求定義添加新的業(yè)務(wù)子系統，例如流媒體子系統(提供基于RTSP的流媒體業(yè)務(wù)，如視頻點(diǎn)播、遠程教學(xué)等)，內容廣播子系統(向一群終端提供多媒體內容廣播服務(wù)，如TV頻道等)等。

公用部件，例如計費功能、用戶(hù)業(yè)務(wù)信息管理、安全管理和路由數據庫(如ENUM)等。

　　值得注意的是，上述網(wǎng)絡(luò )架構和相關(guān)子系統都是邏輯上的功能結構。每個(gè)子系統包括一系列功能實(shí)體和相關(guān)接口。實(shí)際應用中，可根據商業(yè)模型環(huán)境和支持的業(yè)務(wù)能力在物理實(shí)體上組合復用這些功能實(shí)體。例如PES與IMS在邏輯上是分離的，前者基于H.248和SIP-I，而后者基于純SIP。但由于PES和IMS的大部分功能實(shí)體一致(除了接入網(wǎng)關(guān)控制功能AGCF為PES專(zhuān)用外)，所以物理實(shí)體上可能共享一個(gè)通用的網(wǎng)絡(luò )結構。

2.傳送層

　　傳送層在網(wǎng)絡(luò )附著(zhù)子系統和資源準入控制子系統的控制下，向NGN終端提供IP連接性，這些子系統可以隱藏接入網(wǎng)和核心網(wǎng)中IP層下使用的傳送技術(shù)。傳送層的控制功能主要包括以下子系統：

網(wǎng)絡(luò )附著(zhù)子系統(NASS)：提供IP地址分配(如利用DHCP)，IP層的鑒權，根據用戶(hù)業(yè)務(wù)檔案(Profile)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )接入授權和接入網(wǎng)配置，負責發(fā)生在IP層的位置管理。

資源和準入控制子系統(RACS)：提供準入控制和網(wǎng)關(guān)控制功能。準入控制即根據用戶(hù)業(yè)務(wù)檔案(Profile)、運營(yíng)商的本地策略和可用資源決定是否允許用戶(hù)接入，并保證其QoS預留資源。網(wǎng)關(guān)控制包括網(wǎng)絡(luò )地址和端口轉換(NAPT)、區分業(yè)務(wù)碼點(diǎn)(DSCP)標記等。

六、基于IMS實(shí)現網(wǎng)絡(luò )融合的關(guān)鍵問(wèn)題

　　上述基于IMS的NGN網(wǎng)絡(luò )架構，只是給出了網(wǎng)絡(luò )框架，在具體技術(shù)實(shí)現和協(xié)議的層面尚待進(jìn)一步研究。由于現階段IMS只支持2G和3G的移動(dòng)接入方式，還不能支持固定接入方式，因此基于IMS實(shí)現下一代融合網(wǎng)絡(luò )需要擴充和修改現有3GPP IMS規范，包括以下關(guān)鍵問(wèn)題：

1.放寬對承載網(wǎng)的要求

　　3GPP要求IMS網(wǎng)絡(luò )和終端支持IPv6協(xié)議，而目前的固定網(wǎng)絡(luò )及終端都沒(méi)有這方面的要求，所以為實(shí)現融合應放寬該要求，可以使用IPv4并支持網(wǎng)絡(luò )地址端口轉換(NAPT)。NAPT可以解決IPv4地址缺乏的問(wèn)題，它提供了一種可以隱藏終端地址并進(jìn)行IP地址翻譯的機制，使得終端可以采用私有IP地址與網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信。

2.協(xié)調SIP協(xié)議的差異

　　雖然3GPP IMS呼叫控制使用的SIP來(lái)自IETF的SIP協(xié)議，但針對移動(dòng)接入的特點(diǎn)進(jìn)行了部分增強和舍棄，主要體現在登記、鑒權和會(huì )話(huà)策略等方面，為了實(shí)現統一的會(huì )話(huà)控制需要協(xié)調這些差別。例如3GPP IMS增加了AKA(認證和密鑰協(xié)商)鑒權流程，以便符合移動(dòng)網(wǎng)的鑒權機制，該機制要求終端具有通用集成電路卡(UICC)，而目前其他方式接入的終端無(wú)法滿(mǎn)足該條件。解決辦法是允許固定終端通過(guò)其他的方式(如軟件方式)進(jìn)行接入鑒權。另外，由于無(wú)線(xiàn)空中接口資源十分有限，3GPP IMS增加了SIP壓縮(SigComp)要求，以節省無(wú)線(xiàn)資源。對于固定接入，帶寬資源很充足，所以就沒(méi)必要壓縮SIP消息了。

3.擴展多媒體會(huì )話(huà)的資源預留過(guò)程

　　由于IMS最初是為移動(dòng)用戶(hù)設計的，所以3GPP規定移動(dòng)終端可通過(guò)PDP語(yǔ)境激活來(lái)預留傳輸網(wǎng)絡(luò )資源。PDP語(yǔ)境是與在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )分組域上傳輸數據相關(guān)的一系列配置和使用設置。移動(dòng)終端在應用級注冊之前可以激活一個(gè)PDP語(yǔ)境來(lái)獲得傳輸所需資源；之后，如果想重新協(xié)商QoS配置，可以再次激活新的PDP語(yǔ)境。而固定網(wǎng)絡(luò )卻沒(méi)有制定終端用戶(hù)(例如xDSL終端)預留資源的機制，所以需要擴展P-CSCF以及Gq接口以支持網(wǎng)絡(luò )側發(fā)起資源預留請求。

4.增加對固定智能網(wǎng)業(yè)務(wù)的支持

　　3GPP IMS結構中的IM-SSF只提供移動(dòng)智能網(wǎng)CAP(CAMEL application part)協(xié)議至SIP的映射，所以IMS只能支持傳統移動(dòng)智能網(wǎng)業(yè)務(wù)，為了支持固定智能網(wǎng)的業(yè)務(wù)，需擴展IM-SSF以支持INAP。

5.統一用戶(hù)數據庫

　　目前，固定寬帶網(wǎng)絡(luò )的用戶(hù)簽約信息位于SIP注冊服務(wù)器，IMS中用戶(hù)簽約信息和位置信息位于歸屬用戶(hù)服務(wù)器HSS。這兩種數據庫應該合并成一個(gè)固定業(yè)務(wù)和移動(dòng)業(yè)務(wù)通用的公共用戶(hù)數據庫，其用戶(hù)的簽約信息和位置信息為各種業(yè)務(wù)所共享。這樣不管用戶(hù)采用何種接入技術(shù)，當前網(wǎng)絡(luò )都可以及時(shí)地得到該用戶(hù)的簽約數據，從而為用戶(hù)提供相應的業(yè)務(wù)和服務(wù)。

6.增強業(yè)務(wù)的交互協(xié)調能力

　　由于固定接入網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)具有不同的特點(diǎn)，有些業(yè)務(wù)主要是針對固定用戶(hù)或移動(dòng)用戶(hù)設計的，例如寬帶視頻會(huì )議(NetMeeting)業(yè)務(wù)(主要是為固網(wǎng)用戶(hù)推出的)和文本短信息業(yè)務(wù)(主要是為移動(dòng)用戶(hù)提供)等。在網(wǎng)絡(luò )融合背景下，這些區分應該消除。運營(yíng)商應根據用戶(hù)的位置和使用的終端智能化地提供合適的業(yè)務(wù)。這就需要不同業(yè)務(wù)之間具有很強的交互協(xié)調能力。SIP是未來(lái)多媒體應用的最佳載體，所以這種業(yè)務(wù)交互能力自然也應該使用SIP來(lái)實(shí)現。

七、結束語(yǔ)

　　網(wǎng)絡(luò )融合是通信發(fā)展的趨勢，也是NGN的重要目標之一。3GPP提出的IMS憑借著(zhù)多種優(yōu)勢得到了ETSI，ITU-等標準組織和廣大運營(yíng)商、設備制造商的熱烈支持，被認為是實(shí)現移動(dòng)和固定網(wǎng)絡(luò )融合，發(fā)展下一代網(wǎng)絡(luò )的必經(jīng)之路。

　　雖然基于IMS的NGN已成為未來(lái)技術(shù)的發(fā)展趨勢，但要將其真正付諸實(shí)施尚有很長(cháng)的路要走。從技術(shù)方面看，在網(wǎng)絡(luò )融合的整體架構、會(huì )話(huà)控制、業(yè)務(wù)體系、服務(wù)質(zhì)量(QoS)、安全機制和移動(dòng)性管理等方面還有很多問(wèn)題有待進(jìn)一步探討和解決。從標準方面看，目前各標準組織的研究還處于功能需求研究階段，正式規范的發(fā)布和成熟尚需時(shí)日。另外，網(wǎng)絡(luò )融合還涉及到商業(yè)應用、運營(yíng)管理、政策監管等諸多方面，因此面臨著(zhù)一系列的挑戰。

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