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IMS版本演进浅析

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来源: 作者: 2019-03-13 12:42:25

随着3G时代的到来,用户对移动通信有了更高的期望,用户不仅要求有稳定的语音通信,而且还要求能够以数据和多媒体等多种方式进行通信。针对这些需求,3GPP在R5版本中提出了IMS标准。而随着络技术的发展,各种标准组织也开始了IMS版本演进方面的研究。

IP多媒体子系统(IMS,IPMultimediaSubsystem)最初是由3GPP在Release5标准中提出的基于SIP会话控制的络体系架构,目的是满足用户对移动多媒体业务的需求,从而丰富移动的业务种类,加快业务提供过程。IMS的出现不仅能带来丰富的移动多媒体业务,而且将使移动通信络结构和应用模式发生前所未有的改变。

IMS具有分布式、与接入无关、有标准开放的业务控制接口等特点,被业界公认为未来融合的控制平台,成为下一代络(NGN)的核心技术。目前,IMS在3GPP、3GPP2、ETSI、ITU-T等标准组中都占有一席之地,相关标准的制定和完善工作正在紧张进行中,世界各大设备提供商纷纷推出IMS的商用或试验产品,部分运营商也开始进行IMS业务的试商用或试验。

3GPP IMS络架构

3GPP所定义的IMS络架构包括:呼叫会话控制功能(CSCF)、归属用户服务器(HSS)、媒体关控制功能(MGCF)、多媒体资源功能控制器(MRFC)、多媒体资源功能处理器(MRFP)、签约定位器功能(SLF)、策略决策功能(PDF)、IP多媒体-媒体关功能(IM-MGW)、中断关控制功能(BGCF)、信令关(SGW)、应用服务器(AS)、IP多媒体业务交换功能(IM-SSF)、业务能力服务器(OSA-SCS)、计费功能实体等。

CSCF又可划分为I-CSCF、P-CSCF和S-CSCF三种。

P-CSCF是IMS拜访络的统一入口点。所有IMS终端发起和终止于IMS终端的会话消息都要通过P-CSCF。P-CSCF的功能有:与接入络无关的用户鉴权、IPSec管理、络防攻击与安全保护、为节约无线络资源进行SIP信令压缩与解压、用户的漫游控制、通过PDF进行承载面的NAT、QoS功能等。

I-CSCF是IMS归属络的入口点。在注册过程中,I-CSCF通过查询HSS,为用户选择一个S-CSCF;在呼叫过程中,去往IMS络的呼叫首先路由到I-CSCF,由I-CSCF从HSS获取用户所注册的S-SCSCF地址,将消息路由到S-CSCF。

S-CSCF是整个络的核心,支持SIP协议,负责用户鉴权、会话处理和业务触发等。

HSS作为整个络的用户数据库,存储IMS用户的鉴权信息、签约信息、业务透明数据等。

MGCF和IMS-MGW是与CS域和PSTN互通的功能实体,分别负责控制信令和媒体流的互通。

MRFC和MRFP是实现多方会议的功能实体,控制层面的MRFC通过H.248控制MRFP。

BGCF是IMS域与外部络的分界点,它选择在哪里跟CS域或PSTN互联。

IBCF负责络间互通和边界控制。

E-CSCF负责紧急呼叫的相关处理。

IMS的注册流程为:第一,终端发起注册请求给P-CSCF,P-CSCF通过DNS查询该用户的归属络,并将注册请求前转给对应的I-CSCF(如果就是在归属络,则无需IBCF中转)。第二,I-CSCF向HSS提交用户信息,HSS对用户身份与服务权限进行鉴权后,I-CSCF查询HSS获得为用户服务的S-CSCF;如果没有结果,HSS指示I-CSCF根据需要的与可用的S-CSCF,分配一个S-CSCF为该用户服务。第三,S-CSCF收到请求后,从HSS处下载该用户的相关信息(签约信息、安全信息等)并存放在该S-CSCF的数据库中,同时HSS记录为S-CSCF信息。第四,如果存在与注册相关的业务应用,S-CSCF触发相关的应用服务器AS(如图1所示)。

图1 IMS注册流程

3GPP IMS版本演进

R5

3GPP在R5版本中首次提出IMS,并在R6和R7版本中对其进一步完善,目前正在制定的版本为R8版本。

R5版本提出和定义了IMS的基本框架及3G接入的能力,R5阶段侧重于基本架构、3G接入能力、功能实体、信令流程的规定,并对鉴权、计费、安全、QoS等进行了基本定义。

R6

R6版本对IMS接口和功能更加细化,定义了WLAN接入的能力、IMS和外部络之间的互通、IMS支持各种业务的能力等方面。R6版本在2005年3月冻结,是第一个完善的IMS标准版本。

相对R5,R6主要完善、增强了以下功能:

定义了SBLP(ServiceBasedLocalPoicy)的QoS框架、端到端的QoS概念和框架结构,将PDF从P-CSCF中分离出来,并定义了相关Go/Gq接口。

接入安全方面,强化了IPSec的机密性保护功能;同时针对传统移动终端接入IMS的需求,提出了EarlyIMS的鉴权机制。

3GPP制定了PSTN、CS域和其他IP多媒体系统的互通,对络互通的框架结构、与传统电路交换络的互通协议都已经完成定义;对SIP协议和BICC/IUSP协议的映射基于ITU-T的Q.1912.5作了适当调整。

IPv4和IPv6互通问题:在IMS规范制定初期,考虑到IPV4的地址资源非常紧张,因此要求IMS内使用IPV6。但是由于IPV6技术和商用情况的限制,很多国家提出使用IPV4尽早实现IMS的要求,R6中引入ALG和TrGW完成了信令和承载层面的IPv4和IPv6的互通问题。

R7

R7版本在2007年冻结,其主要增强功能为:

FBI(Systemenhancementsforfixed Broadband access to IMS):增加对固定接入的支持,如NAT穿越、IMS汇接络、IBCF(IMS Border Control Function)边界控制等。

紧急呼叫(EmergencyCall):引入了E-CSCF这个新元,使IMS建立紧急呼叫成为可能。

VCC(VoiceCallContinuity):实现双模在IMS域和CS域进行语音呼叫切换,采用IMS控制方案,切换控制由应用层实现。

CSI(CombiningCSIMSservices):其实质是不同业务分别由两个络提供,实时类业务由CS域提供,非实时业务由IMS域提供。在第1阶段,CSI由终端实现。

PCC(PolicyControlandCharging):把QoS的策略控制和流计费合并,生成一个新的元PCRF,使用基于DIAMETER的Rx、Gx接口传递相应的策略控制和计费控制信息。这一功能框架的改变是对R6 SBLP框架的重大更新和改进。

多媒体(补充)业务:基于TISPANNGNR1的PSS(PSTN/ISDN模拟业务)。

R8

3GPPR8的主要增强功能有:

CommonIMS:集中TISPAN和3GPP2的IMS研究成果,并以此为基础制定统一IMS标准。

ICS(IMSCentralizedServiceControl):解决用户在CS接入的情况下,业务逻辑集中在IMS控制的问题。目前有终端升级和络升级两种方案,前者负责在UE与IMS-AS之间建立业务逻辑控制通道,同时通过现有的CS域IMS互通机制建立CS到IMS的承载;后者升级VMSC,使之具备接入IMS的能力,将CS呼叫接入到IMS以进行业务逻辑控制。

MMSC(MultiMediaSessionContinuity):解决用户在同时接入CS和PS情况下,多媒体会话在不同域之间的切换和连续性问题。方案沿用了R7VCC的架构,在IMS域设置SC-AS,锚定CS和PS会话,并进行会话切换控制,完成与对端UE的重协商。

SB(ServiceBroker):增强业务交互管理。其中增强iFC处理方案进展比较顺利,引入业务代理(ServiceBroker)方案进展不佳。

IMSCAT:在IMS主叫络和被叫络中增设彩铃服务器,将主叫彩铃服务器和被叫彩铃服务器串到会话请求路径中,通过EarlyMedia或者EarlySession的方式向主叫用户提供彩铃服务。

SMS和IM的业务互通:在CS和IMS域之间增设一个消息互通关,消息互通关对应CS域为MSC以及SMSrouter,消息互通关对应IMS则为AS。

ETSI TISPAN IMS版本演进

ETSITISPAN目前研究的焦点是如何在短期内实现NGN,TISPANNGN的核心包含的范围很广,它涵盖了多种子系统,其中包括基于SIP的核心。在这样的框架下,NGN可以实现基于SIP、SIP-I、RTSP的业务。TISPANR1 NGN核心中基于SIP的核心将采用3GPP定义的IMS平台,并尽可能重用IMS Release 6的相关规范,但要求支持更多的接入方式,包括xDSL、WLAN、LAN、MAN等。

TISPAN于2005年12月发布了NGNR1版本规范,R2阶段的研究工作接近完成,目前正在定义R3的内容。

R1阶段,TISPAN采用3GPPR7定义的IMS架构,针对固定接入的特定要求进行了相关修订。针对固定接入(特别是xDSL接入),提出了络连接子系统(NASS)和资源控制子系统(RACS),定义了用于PSTN替换的、基于IMS的PSTN/ISDN仿真子系统(PES)实现方案。业务方面,定义了传统电信络的补充业务在IMS中的实现,即PSTN/ISDN模拟业务。对3GPP已经定义的相关接口协议,针对固定的特殊需求进行了修订。

R2阶段的主要工作包括PES/PSS的完善、RACS增强,以及IPTV、企业络、家庭络的定义。详细内容如下:

PSS:在NGNR1的基础上,增加了以下业务:AoC、CW、CCBS/CCNR、3PTY、UUS、SUB等。除CW、CCBS/CCNR、3PTY外,其它规范均已发布,2008年开始转移到3GPPCT1维护。3GPPCT1已经完成了CW和CCBS/CCNR两个项目的立项。

PES:在NGNR1的基础上增加了对ISDN终端接入和Overlap信令的支持。

RACS增强:主要是支持组播、计费、多种络部署模式以及与3GPPPCC融合的技术规定。R2功能结构规范已经完成,协议实现规范接近完成。

IPTV:定义了IPTV的业务需求以及对NGN络的要求。功能结构上,分为专用架构和基于IMS的架构两种,均强调与NGN的集成,有别于传统IPTV(即非NGN的IPTV)。基于IMS的IPTV架构将直接基于R1阶段的研究成果,重用IMS核心功能实体,通过增加媒体控制功能和媒体传输功能,实现对IPTV业务的支持,从而实现多媒体和IPTV的统一体系架构。专用IPTV架构仅重用IMS中的NASS/RACS以及UPSF等功能,业务层面与IMS为互通关系,已完成功能结构规范和协议规范。

企业:定义了企业的需求(包括漫游场景、安全)和功能结构,包括IMS转接(即BusinessTrunking)、托管企业业务(HostedEnterpriseServices)两种模式。功能结构规范已经完成。

家庭络:侧重定义IPTV客户络设备的功能结构以及接口协议,尚在进行中。

其他标准组织的IMS演进进展

CCSATC5(无线通信技术工作委员会)旗下的WG9负责移动络IMS相关规范的制定,已经完成基于3GPPR6的IMS系统设备和接口协议技术及测试规范的制定。WG4则负责制定3GPP2移动IMS核心络相关的规范,已完成MMD的相关研究报告。

CCSATC3(络与交换技术工作委员会)自2006年启动了IMS研究项目,创造了TISPANNGNR1的成果,2007年开始制定IMS业务方面的标准,包括PSS业务、多媒体会议、多媒体彩铃/振铃等业务。

CCSATC5和TC3自2006年开始了统一IMS的相关研究(UnifiedIMS,有别于3GPPCommon IMS)。至2008年6月,主要完成了统一IMS的需求(第一阶段)、功能体系架构(第一阶段)、组总体技术要求(第一阶段)等规范的制定。

TC35联席会议还将继续以下规范的制定:统一IMS(第一阶段)I/S-CSCF设备技术要求、统一IMS(第一阶段)P-CSCF设备技术要求、IMS(第一阶段)归属用户服务器设备技术要求、统一IMS(第一阶段)组安全要求、会话初始协议技术要求等。

2004年6月成立的ITU-TFGNGN(NGN专题组)也已经开始对IMS的业务和络框架进行研究。FGNGN研究NGN业务的需求,把IMSRelease6中定义的业务作为业务研究的起点,但同时强调业务应具有灵活的生成能力;还研究有关IMS的络融合技术等问题。

FGNGN工作组加快了ITU-T关于IMS的标准制定工作,现阶段IMS的规范主要为SG13负责制定。NGNIMS的框架结构是一个与接入技术无关的络,尽可能多地支持各种接入技术;对基于SIP会话的业务将以IMS为基础开展工作,并参考3GPP的一些列相关规范。

统一IMS成为络融合的终极目标

传统交换技术经历了向模拟交换和数字交换技术的转变,无论是模拟交换还是数字交换,它的特点都是面向连接的,并且交换控制、承载连接、业务提供、用户信息不分离,集中在一个物理实体即交换设备中。

智能的产生,引入了业务提供与呼叫控制分离的概念;而软交换的提出,引入了呼叫控制和承载连接分离的思想。这些都是核心交换络所发生的重大变革,每一次变革都对业务提供、络结构产生了很大的影响。由于智能的引入,电信业务愈加丰富;而由于软交换的部署,络趋于扁平化,结构更加清晰,维护管理更加方便。

IMS的产生,使得络层次分离得更加彻底,接口更加标准化,业务提供、呼叫控制、承载连接、用户数据分别由不同的实体提供,从接入到核心,从承载到业务,各个环节都可以成为产业链的重要角色。IMS体系这种分离的标准化架构为络融合提供了充分的技术条件。统一IMS的产生,真正体现了核心会话控制层面的融合,是络融合的终极目标。

促进络融合一直是电信行业多年来的工作目标,ISDN和B-ISDN都被赋予了这样的使命,后来出现的软交换也曾被寄予厚望。电信运营商希望改变一类业务、一个络的状况,从而降低络建设和维护成本;用户也希望通过一个号码、一个络获得各种各样的业务,方便使用。统一IMS的产生为固定和移动融合创造了有利条件,为全业务运营提供了充分的技术保障。

全业务运营在一定程度上驱动了统一IMS的产生与发展。以统一IMS为核心的下一代络是一个不断演进、逐渐融合的络,其业务范围覆盖了话音、数据业务和应用。目前业界正在研究如何使用IMS架构支持IPTV等流媒体业务,IMS被赋予的使命越来越多。统一IMS作为下一代络交换部分的核心和基础,在由电路交换向分组交换演进的过程中,在全业务运营的环境下,将继续保持主导地位。

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