基于IMS的下一代網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)研究
孔松 柳曉雯 2007/06/05
一、引言
網(wǎng)絡(luò)融合即基于統(tǒng)一綜合的網(wǎng)絡(luò)進行各種信息的通信，使得用戶可以通過不同的終端在任何時候、任何地點都可以享受無縫統(tǒng)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網(wǎng)絡(luò)融合。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前的固定和移動網(wǎng)絡(luò)必將在向下一代網(wǎng)絡(luò)演進發(fā)展的過程中走向融合統(tǒng)一。
二、網(wǎng)絡(luò)融合的需求分析
1.網(wǎng)絡(luò)融合是通信市場的發(fā)展趨勢
終端用戶：希望業(yè)務(wù)個性化、多樣化，滿足不斷增長的通信需求；希望網(wǎng)絡(luò)支持通用移動性，不管用戶在哪(終端移動性)，不管其使用何種終端設(shè)備和接入技術(shù)(個人移動性)，都可以使用其簽約業(yè)務(wù)(業(yè)務(wù)移動性)；希望業(yè)務(wù)使用更加方便簡單，享受“一個號碼、一張計費賬單、一次簽約”的綜合服務(wù)和統(tǒng)一用戶體驗。
運營商：當(dāng)前運營商間的競爭日趨激烈，尤其是固網(wǎng)運營商的ARPU值不斷下降，運營商希望通過網(wǎng)絡(luò)融合來整合業(yè)務(wù)、開展差異化競爭，產(chǎn)生新的收入增長點；同時，基于統(tǒng)一融合的業(yè)務(wù)平臺為固定和移動用戶提供業(yè)務(wù)，會使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單清晰，管理維護統(tǒng)一便捷，大大降低網(wǎng)絡(luò)投資成本(CAPEX)和運營成本(OPEX)。
2.網(wǎng)絡(luò)融合是NGN的重要目標(biāo)
NGN是目前通信業(yè)界關(guān)注和探討的一個熱點話題。國際上有很多研究組織正在開展NGN相關(guān)的研究工作，如ITU-T，ETSI，3GPP/3GPP2，ATIS，IETF，OSA，OMA等，盡管目前各個研究組織的觀點尚未完全統(tǒng)一，所研究的內(nèi)容也遠(yuǎn)未成熟或?qū)嵱没�，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(qū)動的開放融合的網(wǎng)絡(luò)，人們希望通過NGN來解決目前各類網(wǎng)絡(luò)的多種問題，如統(tǒng)一開放的業(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(tǒng)IMS(IP Multimedia Subsystem)由于具有采用會話初始協(xié)議(SIP)進行呼叫控制、與接入無關(guān)和能夠靈活提供多種業(yè)務(wù)等優(yōu)點，近來受到了各標(biāo)準(zhǔn)組織和廣大運營商、設(shè)備制造商的熱烈關(guān)注和青睞，被認(rèn)為是實現(xiàn)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)相繼展開了基于IMS的NGN體系架構(gòu)研究工作。
三、3GPP IMS體系結(jié)構(gòu)
為了在IP平臺上支持豐富的移動多媒體業(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(jié)構(gòu)的示意圖。圖中粗線是用戶平面數(shù)據(jù)通道，細(xì)線是信令傳輸通道，可見其體系架構(gòu)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(tǒng)，用戶平面的多媒體數(shù)據(jù)由PS域的GSN通道承載。下面按照IMS的主要功能介紹相關(guān)功能實體。
1.呼叫會話控制相關(guān)功能實體
呼叫會話控制功能(CSCF)是IMS的核心功能實體，主要功能是實現(xiàn)IMS域的呼叫和會話控制。IMS中定義了三種CSCF：
(1)代理CSCF(P-CSCF)：位于訪問網(wǎng)絡(luò)中，是SIP用戶接入IMS的入口點。主要負(fù)責(zé)受理SIP用戶接入，SIP消息的轉(zhuǎn)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(fù)責(zé)對多媒體業(yè)務(wù)的QoS要求進行策略判決。P-CSCF也可用來提供緊急業(yè)務(wù)的本地控制。
(2)查詢CSCF(I-CSCF)：位于歸屬網(wǎng)絡(luò)中，是SIP消息進入歸屬IMS網(wǎng)絡(luò)的入口點。主要負(fù)責(zé)查詢HSS來為用戶選擇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?fù)涞墓δ�，從而允許各運營商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(jù)需要可設(shè)置多個。主要功能是接受用戶注冊，從歸屬地用戶服務(wù)器(HSS)下載并臨時存儲用戶相關(guān)數(shù)據(jù)；重定向路由，進行呼叫會話控制；觸發(fā)用戶簽約業(yè)務(wù)，協(xié)同業(yè)務(wù)平臺進行業(yè)務(wù)支持等。
圖1 IMS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖
2.用戶信息和業(yè)務(wù)提供相關(guān)實體
(1)歸屬地用戶服務(wù)器(HSS)：存儲用戶簽約信息和位置信息的用戶數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，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HSS，在SIP注冊或會話建立過程中，CSCF可通過查詢SLF來找到存儲相應(yīng)用戶信息的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)的功能實體：分別是SIP應(yīng)用服務(wù)器(SIP AS)、IP多媒體業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)換功能(IM-SSF)和OSA業(yè)務(wù)能力服務(wù)器(OSA-SCS)，分別用來支持運營商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(tǒng)移動智能網(wǎng)業(yè)務(wù)和第三方提供的業(yè)務(wù)。
3.媒體資源相關(guān)功能實體
(1)媒體資源功能控制部分(MRFC)：根據(jù)CSCF的要求，通過H.248協(xié)議控制MRFP完成相應(yīng)的媒體資源處理。
(2)媒體資源功能處理部分(MRFP)：根據(jù)MRFC的控制提供媒體相關(guān)的服務(wù)，包括多方會議、語音提示、鈴聲、語音識別、語音合成等。
4.與PSTN/電路交換(CS)域互通相關(guān)功能實體
(1)IMS媒體網(wǎng)關(guān)(IMS-MGW)：負(fù)責(zé)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(zhuǎn)換；并在MGCF的控制下完成呼叫的接續(xù)。
(2)媒體網(wǎng)關(guān)控制功能(MGCF)：采用H.248協(xié)議控制MGW進行呼叫會話接續(xù)；與CSCF通信；并提供應(yīng)用層上的信令轉(zhuǎn)換，即SIP信令和ISUP(ISDN用戶部分)信令之間的轉(zhuǎn)換。
(3)信令網(wǎng)關(guān)(SGW)：提供傳輸層上的信令轉(zhuǎn)換，即基于IP承載的信令和基于SS7的信令之間的轉(zhuǎn)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，它選擇在何處與PSTN/CS域互聯(lián)。
四、基于IMS實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)融合的發(fā)展趨勢
IMS體系結(jié)構(gòu)具有以下特點：
- 采用分層開放結(jié)構(gòu)。IMS進一步發(fā)揚了軟交換結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)更加清晰合理；層間采用標(biāo)準(zhǔn)化的開放接口，有利于新業(yè)務(wù)的快速生成和應(yīng)用。
- 統(tǒng)一采用SIP協(xié)議進行控制。SIP簡潔高效、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(xiàn)有固定IP數(shù)據(jù)網(wǎng)平滑對接，便于實現(xiàn)固定和無線網(wǎng)絡(luò)的互通。
- 經(jīng)過進一步完善可以具有與接入無關(guān)的特點，理論上可以實現(xiàn)不論用戶使用什么設(shè)備、在何地接入IMS網(wǎng)絡(luò)，都可以使用歸屬地的業(yè)務(wù)。
- 支持移動性。由于IMS最初是3GPP為移動網(wǎng)絡(luò)定義的，所以比較充分考慮了對用戶終端的漫游支持。
- 充分考慮了運營商實際運營的需求，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(guī)范。
IMS的上述特點為同時支持固定和移動接入提供了技術(shù)基礎(chǔ)，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(biāo)準(zhǔn)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(gòu)。部分先進的運營商如德國電信、英國電信和法國電信已經(jīng)明確了未來網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)融合的戰(zhàn)略目標(biāo)，并開始特別關(guān)注基于IMS的網(wǎng)絡(luò)融合研究。各大設(shè)備廠商也加大了對IMS在固網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用的研究，正積極參與并大力推進基于IMS的NGN的標(biāo)準(zhǔn)化工作。
五、基于IMS的下一代網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)
目前，在NGN標(biāo)準(zhǔn)和網(wǎng)絡(luò)融合研究方面，ETSI TISPAN工作組的推進速度最快，它在IMS基礎(chǔ)上展開的NGN標(biāo)準(zhǔn)化工作預(yù)計將會直接影響ITU-T的NGN標(biāo)準(zhǔn)，甚至可能成為NGN架構(gòu)的事實標(biāo)準(zhǔn)。TISPAN建議的NGN架構(gòu)中盡可能地重用IMS架構(gòu)，其NGN R1版本標(biāo)準(zhǔn)的功能架構(gòu)框架已基本穩(wěn)定，相關(guān)的業(yè)務(wù)流程和信令方面的工作尚在進行。
基于IMS的NGN融合架構(gòu)采用面向子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這樣的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)非常靈活方便，一方面可以方便地直接引入和修改其他標(biāo)準(zhǔn)組織定義的子系統(tǒng)，另一方面將來如果有新的業(yè)務(wù)類別需求時，定義添加一個新的子系統(tǒng)即可，對已有的子系統(tǒng)影響很小。
基于IMS的NGN融合架構(gòu)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(gòu)
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(tǒng)(IMS)：該子系統(tǒng)參考繼承了3GPP的IMS規(guī)范，提供基于SIP的IP多媒體業(yè)務(wù)，如VoIP話音、即時信息、呈現(xiàn)(Presence)、視頻會議、白板/應(yīng)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(tǒng)(PES)：為經(jīng)過網(wǎng)關(guān)連接到IP網(wǎng)的傳統(tǒng)電話終端仿真PSTN/ISDN網(wǎng)絡(luò)，保證傳統(tǒng)PSTN/ISDN業(yè)務(wù)的可用性和一致性，使得終端用戶不會意識到其實并沒有連接到PSTN/ISDN網(wǎng)絡(luò)。
- 其他業(yè)務(wù)子系統(tǒng)。計劃將來根據(jù)新業(yè)務(wù)的需求定義添加新的業(yè)務(wù)子系統(tǒng)，例如流媒體子系統(tǒng)(提供基于RTSP的流媒體業(yè)務(wù)，如視頻點播、遠(yuǎn)程教學(xué)等)，內(nèi)容廣播子系統(tǒng)(向一群終端提供多媒體內(nèi)容廣播服務(wù)，如TV頻道等)等。
- 公用部件，例如計費功能、用戶業(yè)務(wù)信息管理、安全管理和路由數(shù)據(jù)庫(如ENUM)等。
值得注意的是，上述網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和相關(guān)子系統(tǒng)都是邏輯上的功能結(jié)構(gòu)。每個子系統(tǒng)包括一系列功能實體和相關(guān)接口。實際應(yīng)用中，可根據(jù)商業(yè)模型環(huán)境和支持的業(yè)務(wù)能力在物理實體上組合復(fù)用這些功能實體。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的大部分功能實體一致(除了接入網(wǎng)關(guān)控制功能AGCF為PES專用外)，所以物理實體上可能共享一個通用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
2.傳送層
傳送層在網(wǎng)絡(luò)附著子系統(tǒng)和資源準(zhǔn)入控制子系統(tǒng)的控制下，向NGN終端提供IP連接性，這些子系統(tǒng)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(tǒng)：
- 網(wǎng)絡(luò)附著子系統(tǒng)(NASS)：提供IP地址分配(如利用DHCP)，IP層的鑒權(quán)，根據(jù)用戶業(yè)務(wù)檔案(Profile)進行網(wǎng)絡(luò)接入授權(quán)和接入網(wǎng)配置，負(fù)責(zé)發(fā)生在IP層的位置管理。
- 資源和準(zhǔn)入控制子系統(tǒng)(RACS)：提供準(zhǔn)入控制和網(wǎng)關(guān)控制功能。準(zhǔn)入控制即根據(jù)用戶業(yè)務(wù)檔案(Profile)、運營商的本地策略和可用資源決定是否允許用戶接入，并保證其QoS預(yù)留資源。網(wǎng)關(guān)控制包括網(wǎng)絡(luò)地址和端口轉(zhuǎn)換(NAPT)、區(qū)分業(yè)務(wù)碼點(DSCP)標(biāo)記等。
六、基于IMS實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)融合的關(guān)鍵問題
上述基于IMS的NGN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，只是給出了網(wǎng)絡(luò)框架，在具體技術(shù)實現(xiàn)和協(xié)議的層面尚待進一步研究。由于現(xiàn)階段IMS只支持2G和3G的移動接入方式，還不能支持固定接入方式，因此基于IMS實現(xiàn)下一代融合網(wǎng)絡(luò)需要擴充和修改現(xiàn)有3GPP IMS規(guī)范，包括以下關(guān)鍵問題：
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)及終端都沒有這方面的要求，所以為實現(xiàn)融合應(yīng)放寬該要求，可以使用IPv4并支持網(wǎng)絡(luò)地址端口轉(zhuǎn)換(NAPT)。NAPT可以解決IPv4地址缺乏的問題，它提供了一種可以隱藏終端地址并進行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)進行通信。
2.協(xié)調(diào)SIP協(xié)議的差異
雖然3GPP IMS呼叫控制使用的SIP來自IETF的SIP協(xié)議，但針對移動接入的特點進行了部分增強和舍棄，主要體現(xiàn)在登記、鑒權(quán)和會話策略等方面，為了實現(xiàn)統(tǒng)一的會話控制需要協(xié)調(diào)這些差別。例如3GPP IMS增加了AKA(認(rèn)證和密鑰協(xié)商)鑒權(quán)流程，以便符合移動網(wǎng)的鑒權(quán)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法滿足該條件。解決辦法是允許固定終端通過其他的方式(如軟件方式)進行接入鑒權(quán)。另外，由于無線空中接口資源十分有限，3GPP IMS增加了SIP壓縮(SigComp)要求，以節(jié)省無線資源。對于固定接入，帶寬資源很充足，所以就沒必要壓縮SIP消息了。
3.擴展多媒體會話的資源預(yù)留過程
由于IMS最初是為移動用戶設(shè)計的，所以3GPP規(guī)定移動終端可通過PDP語境激活來預(yù)留傳輸網(wǎng)絡(luò)資源。PDP語境是與在移動網(wǎng)絡(luò)分組域上傳輸數(shù)據(jù)相關(guān)的一系列配置和使用設(shè)置。移動終端在應(yīng)用級注冊之前可以激活一個PDP語境來獲得傳輸所需資源；之后，如果想重新協(xié)商QoS配置，可以再次激活新的PDP語境。而固定網(wǎng)絡(luò)卻沒有制定終端用戶(例如xDSL終端)預(yù)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(cè)發(fā)起資源預(yù)留請求。
4.增加對固定智能網(wǎng)業(yè)務(wù)的支持
3GPP IMS結(jié)構(gòu)中的IM-SSF只提供移動智能網(wǎng)CAP(CAMEL application part)協(xié)議至SIP的映射，所以IMS只能支持傳統(tǒng)移動智能網(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(tǒng)一用戶數(shù)據(jù)庫
目前，固定寬帶網(wǎng)絡(luò)的用戶簽約信息位于SIP注冊服務(wù)器，IMS中用戶簽約信息和位置信息位于歸屬用戶服務(wù)器HSS。這兩種數(shù)據(jù)庫應(yīng)該合并成一個固定業(yè)務(wù)和移動業(yè)務(wù)通用的公共用戶數(shù)據(jù)庫，其用戶的簽約信息和位置信息為各種業(yè)務(wù)所共享。這樣不管用戶采用何種接入技術(shù)，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)都可以及時地得到該用戶的簽約數(shù)據(jù)，從而為用戶提供相應(yīng)的業(yè)務(wù)和服務(wù)。
6.增強業(yè)務(wù)的交互協(xié)調(diào)能力
由于固定接入網(wǎng)和無線接入網(wǎng)具有不同的特點，有些業(yè)務(wù)主要是針對固定用戶或移動用戶設(shè)計的，例如寬帶視頻會議(NetMeeting)業(yè)務(wù)(主要是為固網(wǎng)用戶推出的)和文本短信息業(yè)務(wù)(主要是為移動用戶提供)等。在網(wǎng)絡(luò)融合背景下，這些區(qū)分應(yīng)該消除。運營商應(yīng)根據(jù)用戶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(diào)能力。SIP是未來多媒體應(yīng)用的最佳載體，所以這種業(yè)務(wù)交互能力自然也應(yīng)該使用SIP來實現(xiàn)。
七、結(jié)束語
網(wǎng)絡(luò)融合是通信發(fā)展的趨勢，也是NGN的重要目標(biāo)之一。3GPP提出的IMS憑借著多種優(yōu)勢得到了ETSI，ITU-等標(biāo)準(zhǔn)組織和廣大運營商、設(shè)備制造商的熱烈支持，被認(rèn)為是實現(xiàn)移動和固定網(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已成為未來技術(shù)的發(fā)展趨勢，但要將其真正付諸實施尚有很長的路要走。從技術(shù)方面看，在網(wǎng)絡(luò)融合的整體架構(gòu)、會話控制、業(yè)務(wù)體系、服務(wù)質(zhì)量(QoS)、安全機制和移動性管理等方面還有很多問題有待進一步探討和解決。從標(biāo)準(zhǔn)方面看，目前各標(biāo)準(zhǔn)組織的研究還處于功能需求研究階段，正式規(guī)范的發(fā)布和成熟尚需時日。另外，網(wǎng)絡(luò)融合還涉及到商業(yè)應(yīng)用、運營管理、政策監(jiān)管等諸多方面，因此面臨著一系列的挑戰(zhàn)。
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