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基于IMS的下一代网络融合架构研究

孔松　柳晓雯 2007/06/05

一、引言

　　网络融合即基于统一综合的网络进行各种信息的通信，使得用户可以通过不同的终端在任何时候、任何地点都可以享受无缝统一的通信服务。网络融合的范畴很广，它既可指固定与移动网络的融合FMC(Fixed-Mobile Convergence)，也指电信网与广播电视网的融合等。本文中的网络融合特指固定与移动网络融合。随着网络技术的发展，当前的固定和移动网络必将在向下一代网络演进发展的过程中走向融合统一。

二、网络融合的需求分析

1.网络融合是通信市场的发展趋势

　　终端用户：希望业务个性化、多样化，满足不断增长的通信需求；希望网络支持通用移动性，不管用户在哪(终端移动性)，不管其使用何种终端设备和接入技术(个人移动性)，都可以使用其签约业务(业务移动性)；希望业务使用更加方便简单，享受“一个号码、一张计费账单、一次签约”的综合服务和统一用户体验。

　　运营商：当前运营商间的竞争日趋激烈，尤其是固网运营商的ARPU值不断下降，运营商希望通过网络融合来整合业务、开展差异化竞争，产生新的收入增长点；同时，基于统一融合的业务平台为固定和移动用户提供业务，会使网络结构简单清晰，管理维护统一便捷，大大降低网络投资成本(CAPEX)和运营成本(OPEX)。

2.网络融合是NGN的重要目标

　　NGN是目前通信业界关注和探讨的一个热点话题。国际上有很多研究组织正在开展NGN相关的研究工作，如ITU-T，ETSI，3GPP/3GPP2，ATIS，IETF，OSA，OMA等，尽管目前各个研究组织的观点尚未完全统一，所研究的内容也远未成熟或实用化，但也形成了一些重要共识。业界的普遍共识是NGN必将是业务驱动的开放融合的网络，人们希望通过NGN来解决目前各类网络的多种问题，如统一开放的业务环境、网络融合、网络安全、QoS等。

　　3GPP最先提出的IP多媒体子系统IMS(IP Multimedia Subsystem)由于具有采用会话初始协议(SIP)进行呼叫控制、与接入无关和能够灵活提供多种业务等优点，近来受到了各标准组织和广大运营商、设备制造商的热烈关注和青睐，被认为是实现下一代融合网络的核心技术。ETSI TISPAN工作组和ITU-T FGNGN工作组已经相继展开了基于IMS的NGN体系架构研究工作。

三、3GPP IMS体系结构

　　为了在IP平台上支持丰富的移动多媒体业务，3GPP在R5版本中引入了IMS。IMS基于SIP协议，叠加在分组交换(PS)域上。图1是IMS体系结构的示意图。图中粗线是用户平面数据通道，细线是信令传输通道，可见其体系架构采用的是控制与承载相分离的方式。IMS主要作为信令处理子系统，用户平面的多媒体数据由PS域的GSN通道承载。下面按照IMS的主要功能介绍相关功能实体。

1.呼叫会话控制相关功能实体

　　呼叫会话控制功能(CSCF)是IMS的核心功能实体，主要功能是实现IMS域的呼叫和会话控制。IMS中定义了三种CSCF：

　　(1)代理CSCF(P-CSCF)：位于访问网络中，是SIP用户接入IMS的入口点。主要负责受理SIP用户接入，SIP消息的转发、完整性保护和压缩处理。P-CSCF中的PDF(策略判决功能)模块负责对多媒体业务的QoS要求进行策略判决。P-CSCF也可用来提供紧急业务的本地控制。

　　(2)查询CSCF(I-CSCF)：位于归属网络中，是SIP消息进入归属IMS网络的入口点。主要负责查询HSS来为用户选择S-CSCF，并将SIP消息发到该S-CSCF；作为外部网络到IMS归属网络的网关，支持防火墙功能，并具有隐藏归属网络拓扑的功能，从而允许各运营商IMS网络保持配置独立安全。

　　(3)服务CSCF(S-CSCF)：位于归属网络中，根据需要可设置多个。主要功能是接受用户注册，从归属地用户服务器(HSS)下载并临时存储用户相关数据；重定向路由，进行呼叫会话控制；触发用户签约业务，协同业务平台进行业务支持等。

图1　IMS网络结构示意图

2.用户信息和业务提供相关实体

　　(1)归属地用户服务器(HSS)：存储用户签约信息和位置信息的用户数据库系统，由归属位置寄存器(HLR)演变而成。

　　(2)签约位置功能(SLF)：IMS网络中可能有多个HSS，在SIP注册或会话建立过程中，CSCF可通过查询SLF来找到存储相应用户信息的HSS。SLF在单一的HSS环境中并不需要。

　　(3)三种业务提供相关的功能实体：分别是SIP应用服务器(SIP AS)、IP多媒体业务转换功能(IM-SSF)和OSA业务能力服务器(OSA-SCS)，分别用来支持运营商IMS网络直接提供的SIP业务、CAMEL业务环境(CSE)提供的传统移动智能网业务和第三方提供的业务。

3.媒体资源相关功能实体

　　(1)媒体资源功能控制部分(MRFC)：根据CSCF的要求，通过H.248协议控制MRFP完成相应的媒体资源处理。

　　(2)媒体资源功能处理部分(MRFP)：根据MRFC的控制提供媒体相关的服务，包括多方会议、语音提示、铃声、语音识别、语音合成等。

4.与PSTN/电路交换(CS)域互通相关功能实体

　　(1)IMS媒体网关(IMS-MGW)：负责IMS与PSTN/CS域之间的媒体流互通，即IP媒体流与PCM媒体流之间的编解码转换；并在MGCF的控制下完成呼叫的接续。

　　(2)媒体网关控制功能(MGCF)：采用H.248协议控制MGW进行呼叫会话接续；与CSCF通信；并提供应用层上的信令转换，即SIP信令和ISUP(ISDN用户部分)信令之间的转换。

　　(3)信令网关(SGW)：提供传输层上的信令转换，即基于IP承载的信令和基于SS7的信令之间的转换。

　　(4)边界网关控制功能(BGCF)：是IMS域与外部网络的分界点，它选择在何处与PSTN/CS域互联。

四、基于IMS实现网络融合的发展趋势

IMS体系结构具有以下特点：

采用分层开放结构。IMS进一步发扬了软交换结构中业务与控制分离、控制与承载分离的思想，网络结构更加清晰合理；层间采用标准化的开放接口，有利于新业务的快速生成和应用。

统一采用SIP协议进行控制。SIP简洁高效、可扩展性和适用性好，使IMS能够灵活便捷地支持广泛的IP多媒体业务；并且SIP可与现有固定IP数据网平滑对接，便于实现固定和无线网络的互通。

经过进一步完善可以具有与接入无关的特点，理论上可以实现不论用户使用什么设备、在何地接入IMS网络，都可以使用归属地的业务。

支持移动性。由于IMS最初是3GPP为移动网络定义的，所以比较充分考虑了对用户终端的漫游支持。

充分考虑了运营商实际运营的需求，在网络框架、QoS、安全、计费以及和其他网络的互通方面都制定了相关规范。

　　IMS的上述特点为同时支持固定和移动接入提供了技术基础，使得网络融合成为可能。

　　目前除了3GPP外，IMS也得到了ETSI，ITU-T等标准化组织的青睐，它们都已经确定了将IMS作为NGN核心网的基本架构。部分先进的运营商如德国电信、英国电信和法国电信已经明确了未来网络和业务融合的战略目标，并开始特别关注基于IMS的网络融合研究。各大设备厂商也加大了对IMS在固网领域应用的研究，正积极参与并大力推进基于IMS的NGN的标准化工作。

五、基于IMS的下一代网络融合架构

　　目前，在NGN标准和网络融合研究方面，ETSI TISPAN工作组的推进速度最快，它在IMS基础上展开的NGN标准化工作预计将会直接影响ITU-T的NGN标准，甚至可能成为NGN架构的事实标准。TISPAN建议的NGN架构中尽可能地重用IMS架构，其NGN R1版本标准的功能架构框架已基本稳定，相关的业务流程和信令方面的工作尚在进行。

　　基于IMS的NGN融合架构采用面向子系统的网络结构。这样的网络架构非常灵活方便，一方面可以方便地直接引入和修改其他标准组织定义的子系统，另一方面将来如果有新的业务类别需求时，定义添加一个新的子系统即可，对已有的子系统影响很小。

基于IMS的NGN融合架构主要分为业务层和传送层，如图2所示。

图2　基于IMS的NGN融合架构

1.业务层

目前业务层主要包括以下部件：

核心IP多媒体子系统(IMS)：该子系统参考继承了3GPP的IMS规范，提供基于SIP的IP多媒体业务，如VoIP话音、即时信息、呈现(Presence)、视频会议、白板/应用共享，以及Push-to-X业务(Push-to-Talk，Push-to-Media)等。

PSTN/ISDN仿真子系统(PES)：为经过网关连接到IP网的传统电话终端仿真PSTN/ISDN网络，保证传统PSTN/ISDN业务的可用性和一致性，使得终端用户不会意识到其实并没有连接到PSTN/ISDN网络。

其他业务子系统。计划将来根据新业务的需求定义添加新的业务子系统，例如流媒体子系统(提供基于RTSP的流媒体业务，如视频点播、远程教学等)，内容广播子系统(向一群终端提供多媒体内容广播服务，如TV频道等)等。

公用部件，例如计费功能、用户业务信息管理、安全管理和路由数据库(如ENUM)等。

　　值得注意的是，上述网络架构和相关子系统都是逻辑上的功能结构。每个子系统包括一系列功能实体和相关接口。实际应用中，可根据商业模型环境和支持的业务能力在物理实体上组合复用这些功能实体。例如PES与IMS在逻辑上是分离的，前者基于H.248和SIP-I，而后者基于纯SIP。但由于PES和IMS的大部分功能实体一致(除了接入网关控制功能AGCF为PES专用外)，所以物理实体上可能共享一个通用的网络结构。

2.传送层

　　传送层在网络附着子系统和资源准入控制子系统的控制下，向NGN终端提供IP连接性，这些子系统可以隐藏接入网和核心网中IP层下使用的传送技术。传送层的控制功能主要包括以下子系统：

网络附着子系统(NASS)：提供IP地址分配(如利用DHCP)，IP层的鉴权，根据用户业务档案(Profile)进行网络接入授权和接入网配置，负责发生在IP层的位置管理。

资源和准入控制子系统(RACS)：提供准入控制和网关控制功能。准入控制即根据用户业务档案(Profile)、运营商的本地策略和可用资源决定是否允许用户接入，并保证其QoS预留资源。网关控制包括网络地址和端口转换(NAPT)、区分业务码点(DSCP)标记等。

六、基于IMS实现网络融合的关键问题

　　上述基于IMS的NGN网络架构，只是给出了网络框架，在具体技术实现和协议的层面尚待进一步研究。由于现阶段IMS只支持2G和3G的移动接入方式，还不能支持固定接入方式，因此基于IMS实现下一代融合网络需要扩充和修改现有3GPP IMS规范，包括以下关键问题：

1.放宽对承载网的要求

　　3GPP要求IMS网络和终端支持IPv6协议，而目前的固定网络及终端都没有这方面的要求，所以为实现融合应放宽该要求，可以使用IPv4并支持网络地址端口转换(NAPT)。NAPT可以解决IPv4地址缺乏的问题，它提供了一种可以隐藏终端地址并进行IP地址翻译的机制，使得终端可以采用私有IP地址与网络进行通信。

2.协调SIP协议的差异

　　虽然3GPP IMS呼叫控制使用的SIP来自IETF的SIP协议，但针对移动接入的特点进行了部分增强和舍弃，主要体现在登记、鉴权和会话策略等方面，为了实现统一的会话控制需要协调这些差别。例如3GPP IMS增加了AKA(认证和密钥协商)鉴权流程，以便符合移动网的鉴权机制，该机制要求终端具有通用集成电路卡(UICC)，而目前其他方式接入的终端无法满足该条件。解决办法是允许固定终端通过其他的方式(如软件方式)进行接入鉴权。另外，由于无线空中接口资源十分有限，3GPP IMS增加了SIP压缩(SigComp)要求，以节省无线资源。对于固定接入，带宽资源很充足，所以就没必要压缩SIP消息了。

3.扩展多媒体会话的资源预留过程

　　由于IMS最初是为移动用户设计的，所以3GPP规定移动终端可通过PDP语境激活来预留传输网络资源。PDP语境是与在移动网络分组域上传输数据相关的一系列配置和使用设置。移动终端在应用级注册之前可以激活一个PDP语境来获得传输所需资源；之后，如果想重新协商QoS配置，可以再次激活新的PDP语境。而固定网络却没有制定终端用户(例如xDSL终端)预留资源的机制，所以需要扩展P-CSCF以及Gq接口以支持网络侧发起资源预留请求。

4.增加对固定智能网业务的支持

　　3GPP IMS结构中的IM-SSF只提供移动智能网CAP(CAMEL application part)协议至SIP的映射，所以IMS只能支持传统移动智能网业务，为了支持固定智能网的业务，需扩展IM-SSF以支持INAP。

5.统一用户数据库

　　目前，固定宽带网络的用户签约信息位于SIP注册服务器，IMS中用户签约信息和位置信息位于归属用户服务器HSS。这两种数据库应该合并成一个固定业务和移动业务通用的公共用户数据库，其用户的签约信息和位置信息为各种业务所共享。这样不管用户采用何种接入技术，当前网络都可以及时地得到该用户的签约数据，从而为用户提供相应的业务和服务。

6.增强业务的交互协调能力

　　由于固定接入网和无线接入网具有不同的特点，有些业务主要是针对固定用户或移动用户设计的，例如宽带视频会议(NetMeeting)业务(主要是为固网用户推出的)和文本短信息业务(主要是为移动用户提供)等。在网络融合背景下，这些区分应该消除。运营商应根据用户的位置和使用的终端智能化地提供合适的业务。这就需要不同业务之间具有很强的交互协调能力。SIP是未来多媒体应用的最佳载体，所以这种业务交互能力自然也应该使用SIP来实现。

七、结束语

　　网络融合是通信发展的趋势，也是NGN的重要目标之一。3GPP提出的IMS凭借着多种优势得到了ETSI，ITU-等标准组织和广大运营商、设备制造商的热烈支持，被认为是实现移动和固定网络融合，发展下一代网络的必经之路。

　　虽然基于IMS的NGN已成为未来技术的发展趋势，但要将其真正付诸实施尚有很长的路要走。从技术方面看，在网络融合的整体架构、会话控制、业务体系、服务质量(QoS)、安全机制和移动性管理等方面还有很多问题有待进一步探讨和解决。从标准方面看，目前各标准组织的研究还处于功能需求研究阶段，正式规范的发布和成熟尚需时日。另外，网络融合还涉及到商业应用、运营管理、政策监管等诸多方面，因此面临着一系列的挑战。

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