IMS与固定移动网络的融合

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IP技术是当今技术融合的热点，多媒体则是下一代网络的主要服务方向，因此结合了二者的IP多媒体子系统（IMS，IP Multimedia Subsystem）在众多的融合技术中备受关注，被公认为是固定移动网络融合（FMC，Fixed-Mobile Convergence）比较合适的架构。本文首先介绍3GPP IMS的体系结构，然后分析基于IMS实现固定移动网络融合的优势，并提出基于IMS的网络融合方案，最后总结了采用IMS面临的困难和问题。一、IMS简介
　　IMS是3GPP在Release 5版本提出的支持IP多媒体业务的子系统，其目的是通过互联网为移动用户提供多媒体服务。IMS的主要特点为：（1）基于IP的多媒体业务与会话控制核心网络；（2）支持各种融合业务的公共平台，不依赖于任何接入技术和接入方式；（3）采用灵活的SIP协议和标准化的开放接口，为支持广泛业务提供可能；（4）由多个标准组织定义并发展完善（3GPP/3GPP2定义了IMS网络组件及基础架构，并尽可能协调保持一致性；ITU-T、ETSI均采纳了基于IMS的NGN体系架构并在其基础上进一步发展）。
　　3GPP R5版本中增加了基于软交换架构的IP多媒体（IMS）域，并在R6版本中对IMS进行了完善。IMS架构实体主要包括CSCF、HSS、MGCF、IM-MGW、MRF等[1-4]。R5网络定义了IMS的基本结构，如图1所示。

图1　IMS的基本结构

　　呼叫会话控制功能（CSCF，Call Session Control Function）主要是对会话进程的控制。它又分为三个不同实体：P-CSCF（Proxy-CSCF）、I-CSCF（Interrogating-CSCF）、S-CSCF（Serving-CSCF）。P-CSCF是IMS网络中用户的第一个接触点。主要负责验证请求，处理和转发响应。P-CSCF起到了安全管理和隐藏接入网络差异的作用。在R5中，P-CSCF还包括一个用于资源授权和管理的功能实体PDF。I-CSCF是多个IMS网络域之间接口，负责用户信息的询问和用户S-CSCF的查找。I-CSCF用于隐藏网络内部拓扑结构，同时还起到负载均衡和流量控制的作用。S-CSCF在IMS中处于核心控制地位，是IMS多进程控制的关键所在。其负责记录并控制用户进程状态，执行会话路由功能，并不断与应用服务和计费功能进行交互，根据规则进行增值业务路由触发与业务控制。
　　HSS（Home Subscriber Server）是一个存储用户和服务相关数据的数据库，是一个升级的HLR。HSS以XML形式记录了用户身份、注册信息、接入参数和服务触发信息。
　　IM-MGW（IP Multimedia-Media Gateway）和MGCF（Media Gateway Control Function）是IMS和传统CS网络之间的网关，如IMS与PSTN之间，使得两个网络的用户可以进行通信。它能够将CS网络的信令与SIP信令相互转换，并且能够报告计费信息。
　　MRF（Multimedia Resource Function）包括控制部分（MRFC）和用户平面的处理部分（MRFP），是对与承载相关的业务服务提供支持，如视频会议、用户公告等，能够完成数据媒体流的混合、媒体流的分发、承载代码的转换、计费信息的发送等。
　　AS（Application Server）并不完全属于IMS。它是架构在IMS之上的功能实体，能充分利用IMS提供的各种功能，如呼叫控制、帐户管理、计费等。它主要是对外提供增值多媒体服务。基于IMS的AS能够提供很多独特的功能，如在线状态、消息和会议服务等。由于有开放的接口，因此AS可以由运营商提供，也可以由第三方提供。
二、基于IMS实现FMC的优势
　　固网与移动网的融合可以从网络层次与演进阶段两个角度加以分析。从网络层次来看，融合可采取承载融合、运维融合、业务融合、设备融合等形式。从演进阶段来看，融合可基于CS融合也可基于IMS融合。基于CS融合难度较大，主要是因为固定网和移动网的CS域都要兼顾现有的PSTN和PLMN，导致二者的体系结构、实体划分、协议接口和网络组织都不完全相同。基于IMS的融合难度较小，这是由于移动网IMS与固定网NGN的实现目标、体系结构、信令协议、业务功能都比较类似。
　　基于IMS进行移动网和固定网的融合具有如下优势：
　　1.融合难度小
　　IMS与固网NGN互通的地方很多，融合难度小。IMS与固网NGN都采用分层开放结构，将网络分为业务层、控制层、承载层和接入层。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。IMS与NGN都采用SIP协议，在控制层面均采用软交换技术完成呼叫控制和处理，在承载层都采用分组技术。在接入层，在与传统PSTN网络互通方面，固网软交换和IMS系统采用了相同的网关互通方式。
　　2.升级平滑
　　固网软交换可提供到IMS系统架构的平滑升级。IMS支持移动多媒体终端的直接接入，固网软交换目前可通过网关与MSC的互通来实现移动终端接入。但3GPP仍未制定IMS对固网接入的规范，而固网软交换已有商用经验，不仅具有良好的固网接入支持性，同时可在先期通过网关方式与移动终端互通，然后提供平滑升级到IMS系统架构。
　　3.投资保护
　　现阶段IMS尚不成熟，而固网NGN可以有效保护现有网络改造的投资。这种保护主要体现在交换智能化、汇接局/端局替代和网络组织等三个方面。目前将出现固网NGN和CS并存，固网NGN IP多媒体应用能高度包容传统的CS功能，将来可以完全取代CS的功能。
　　4.一致的业务归属能力
　　基于IMS的融合方案可以提供一致的业务归属能力。在CS和PS域以及PSTN，业务提供能力都与用户当前所在的设备有关系。在归属网络，已经开通的业务在漫游地设备并不一定能够提供。在IMS中所有业务处理信令都要回到归属网络，业务环境也由归属网络提供。IMS采用分层结构的会话控制功能P-CSCF，I-CSCF和S-CSCF来对用户信令作归属地控制，支持用户移动性，用户无论漫游到任何地方，信令信息都会发送回归属网。此外，采用集中式的HSS数据库，实现用户一致的注册和业务触发功能。漫游用户的所有业务都由拜访地的P-CSCF路由到归属地。由归属地的S-CSCF控制用户业务并根据用户签约数据将业务触发到本网AS或者第三方的应用上，从而保障了业务的一致性、简单性，使得用户无论在何处接入，采用何种接入方式均可享受与在归属地一样的业务感受。IMS向用户提供了VHE（虚拟归属业务环境）的能力。
三、基于IMS的FMC方案
　　移动网与固定网的融合目标应该是实现用统一的网络生成丰富的业务。在基于IMS的NGN体系下，固定网络和移动网络的最大区别仅在于接入层的不同，而固定和移动融合将体现在接入层、承载层、控制层、业务层以及终端等多个层面。
　　1.接入层
　　接入层支持各种无线和有线终端的接入。IMS可以与各种网络互通，比如CDMA2000，GPRS，UMTS和WLAN等。各种固定和移动SIP宽带终端均可通过IP接入网直接接入IMS核心网。而其他非SIP宽带终端则必须先通过终端适配接口（TAI）完成与SIP协议的转换后才能接入。各种宽带IP终端通过MGCF、MGW和SGW等功能实体实现与PSTN/PLMN CS域的普通窄带终端的互通。控制层和业务层之间的开放接口，使得来自不同接入网络的呼叫/会话可以进行统一的处理。
　　2.承载层
　　在承载层上，固定NGN和移动NGN（3G或B3G）都采用IP/ATM骨干网络，两者可以共享一个分组承载网。因此，承载层的融合是易于实现的。
　　3.控制层[5]
　　控制层的融合是固网NGN和移动网络融合的核心内容，也是最困难的地方。只有实现了控制层的融合，固定网络和移动网络才能称得上是真正的融合。所谓控制层的融合也就是不论对固定形式的接入还是移动形式的接入，都由统一的设备实现对CS和PS呼叫的控制。目前固定软交换与3GPP R4的MSC Server有较大的区别，控制层的融合只有寄希望于R5和R6的IMS。当然IMS只有进行适应固网环境的改造和发展后才能担此重任。融合后的固定网络和移动网络将共用同一核心网，统一的控制层设备能够同时控制移动和固定用户的各种业务，并且利用同一媒体网关（MG）提供各种接口，同时支持移动、固定用户的接入。
　　4.业务层
　　实现固定业务和移动业务的融合是固定和移动融合的最终目的，也是未来通信业务的亮点和全业务运营商实施差异化竞争的重要手段。因此，业务层融合是固定和移动融合的重点，而且业务层的融合可以先于核心网络的融合。
　　由于核心网络和业务提供的分离，IMS的业务除由运营商自己提供以外，还允许由第三方业务提供商提供。这将形成良性的开放式产业价值链，促进业务的发展。IMS提供标准接口，开放网络能力，而业务开发基于API而不是直接面对复杂的网络协议，屏蔽了网络协议的复杂性。为了给通信业务提供简单的API接口，Parlay论坛和3GPP以及ETSI组织已经制定了电信网Parlay API，而Parlay API和SIP的互通是在属于IMS应用层的OSA-GW（Open Services Access-Gateway）实现的。Parlay应用注册到OSA-GW，接入、使用网络资源。它可通过OSA-GW得到当前状态及呼叫状态信息，建立、终止呼叫。目前，无论是固定软交换网还是3G，都支持Parlay API。这为建立统一的业务平台提供了很好的基础。无论3G采用哪个版本，都可以实现固定软交换网和3G在业务层的互通和逐步融合。近期，还可以通过建立综合智能网平台，利用综合智能网实现固定增值业务和移动增值业务的融合。
　　5.终端
　　终端的融合，也就是采用多模通信终端。这并不算真正意义上固定和移动网络的融合，只是在固定和移动网络融合实现之前，为使用户可以根据需要接入固定网络或移动网络享受融合业务的“权宜之计”。当然多模终端在固定和移动的网络融合之后也可使用，只是到那时业务与接入无关，采用多模就没有必要了。目前实行多模通信可在固网中引入蓝牙网关和蓝牙终端设备以及WLAN AP、WiFi手机等，使固网用户在一定的范围获得移动性；还可将3G终端、蓝牙终端/WiFi终端集成为双模或多模终端。采用多模终端后，不但用户可根据自己的意愿选择接入固定网络或移动网络，而且网络本身也能智能地为用户的接入方式做出最佳选择。
四、面临的问题
　　从IMS的结构来看，用IMS实现网络融合具有不可比拟的优势，但IMS仍然面临很多变数，还涉及到网络、业务、管理、运营和管制等多个层面的问题，许多功能尚需完善。由于IMS最初并未考虑到固定接入的需求，使得规范需要作许多扩展；而且由于多种固定接入方式的引入，整个网络的复杂度大大提高了，所以，IMS需要同时考虑到各种固定和移动接入网络的特征，确保为各种终端提供服务，同时还要避免和现有网络的机制发生冲突。这些都给标准的制订带来了一定难度。
　　在业务融合方面，IMS还不是完备的分组业务网技术体系。目前正在制订完善该业务网技术体系。另外，由于涉及承载层，因此QoS、安全、地址不够、用户管理、业务管理、监管合法监听都是需要进一步考虑的问题。目前，应用于网络融合的IMS还处在研究初期，有很多技术标准问题有待解决，归纳如下：
　　（1）SIP协议的互通问题。虽然固定和移动网络都使用了IMS的体系架构及SIP协议，但IETF和3GPP分别针对IMS在固定网络和移动网络中的应用，对SIP协议做了不同的扩展，而这二者之间缺乏互通性。现在，在VoIP环境中可以用会话边缘控制（SBC）来解决这一问题，但对于其他业务还缺少解决方案。
　　（2）固定用户鉴权问题。固定终端没有UICC（Universal Integrated Circuit Card，通用集成电路卡）卡。固定终端通常只有公有用户标志（E.164号码或SIP URI），而没有私有用户标志，不支持3GPP IMS中规定移动用户要采用的AKA（Authentication and Key Agreement，认证与密钥协商）[6]的鉴权认证方式。目前TISPAN规定，IMS对移动、固定用户推荐采用基于ISIM（IP多媒体SIM）/USIM（通用SIM）的AKA鉴权认证方式。对于没有ISIM/USIM的终端，可采用SIPDigest的鉴权认证方式，但要求固定终端能够具有私有用户标志、公有用户标志和归属网络域名等参数用于鉴权。
　　（3）编码方式问题。目前固网VoIP网络和终端支持的语音编码方式有G.711、G.729和G.723，视频编码方式有H.261、H.263和MPEG-4。移动网络和终端支持的语音编解码方式为AMR，视频编解码方式为H.263和MPEG-4。显然固定网络和移动网络支持的编码方式有所差异，因此，要实现网络融合，就需要对编解码方式进行重新定义，要求固定和移动终端具有相同的编解码方式，否则就需要特定的网关设备来支持编解码的转换。然而，编解码的转换可能降低语音质量，应当尽量避免进行编码转换，这就要求固定和移动终端尽量采用相同的编码方式。
　　（4）必须满足IPv4，以及在何处执行NAT。
　　（5）特定NGN计费要求的鉴定，可能和3G IMS目前的定义不同。
　　（6）服务质量问题以及资源分配问题。
五、结束语
　　融合是移动网和固定网发展的必然趋势。IMS是基于SIP的，与接入无关，无疑是最理想完美的FMC最终解决方案。目前四大运营商都已展开了对IMS的试验，但现有的IMS网络设备在QoS、安全以及VCC等方面尚需完善，各个厂家也缺乏相应的产品支持。当前IMS仍然处于一种初级化的生存状态，基于视频流的业务功能仍尚需完善。但可以肯定，IMS在未来的成熟期内必将给用户带来丰富的业务，给运营商和设备提供商带来广阔的发展前景。
　　参考文献
　　[1]　3GPP TS 23.228 V7.3.0.IP Multimedia Subsystem(IMS)Stage 2(Release 7)，Mar 2006.
　　[2]　3GPP TS 23.002 V7.1.0.Network architecture(Release 7)，Mar 2006.
　　[3]　3GPP TS 23.207 V6.6.0.End-to-end Quality of Service(QoS)concept and architecture(Release 6)，Sep 2005.
　　[4]　3GPP TR 23.922 V1.0.0.Architecture for an All IP network，Oct 1999
　　[5]　唐雄燕.IMS与网络融合[J].电信技术.2005(7).
　　[6]　邢燕霞，赵慧玲.基于IMS的网络融合研究进展[EB/OL].http：//www.chinatelecom.com.cn/tech/05/rh/rhzlims/t20060206.17702.html