移动通信网引入IMS的相关探讨

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一、IMS概述
    IMS(IPMultimediaSubsystem)是3GPP在Release5版本中提出的支持IP多媒体业务的子系统，它的核心特点是采用SIP协议和与接入的无关性。IMS是一个在PS域上面的多媒体控制/呼叫控制平台，支持会话类和非会话类多媒体业务，为未来的多媒体应用提供一个通用的业务使能平台，它是向All IP Network业务提供体系演进的一步。
  二、为什么要引入IMS
    为什么移动运营商需要部署建设IMS这个新的核心网络?IMS给用户带来了什么样的新业务和业务体验?回答这个问题的最好方法就是将IMS与现有的CS、PS核心网络进行对比。
    CS域主要提供端到端的语音、可视电话和短消息等业务，随着运营商间竞争的加剧，这些基本业务变得越来越普通，需要通过新的差异化业务来吸引用户。PS域引入了IP传输和“永远在线”的能力，提供了新的数据业务，例如MMS，内容浏览等，但这些基于IP的数据业务却因为网络带宽、终端限制、贫乏的用户体验、不明朗的计费等因素而没有得到成功的应用。
    而IMS是专为实时的、端到端的移动业务而设计的，例如richCAll、videotelephony，IMS通过一些关键性技术来实现这些端到端的通信业务，这些技术包括：会话协商和管理、QoS管理、移动性管理等。同时，IMS使得运营商还可以提供一些非实时性的端到端业务，例如chat、IM；多方业务，multimediaconferencing、chat rooms；服务器到用户的业务，dynamic push services、click to dial等。
    可以说IMS是真正可以提升用户体验、提高运营商收益的核心网技术，这也是需要引入IMS的根本原因。
    三、IMS的关键技术
    1、IMS网络架构
    IMS网络架构如图1所示。

    图1  IMS网络架构图

    IMS的框架结构包括CSCF(CallSessionControlFunction)、MGCF(Media Gateway Control Function)、IMS-MGW(IMS-Media GateWay)、MRFC(Multimedia Resource Function Controller)、MRFP (Multimedia Resource Function Processor)、BGCF(Breakout Gateway Control Function)等功能实体。其中CSCF是整个网络的核心，支持SIP协议处理SIP会话。P-CSCF是UE接入IMS系统的入口，实现了在SIP协议中的Proxy和UserAgent功能；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域与外部网络的分界点，它选择在哪里跟CS域或PSTN互联。
    2、IMS协议
    IMS域中使用的主要协议有：SIP、Diameter、COPS。其中SIP主要用于呼叫和业务控制，Diameter主要用于AAA方面，COPS主要用于QoS授权。另外涉及到的相关协议还有：媒体相关协议—SDP/RTP/RTCP/RTSP、承载/QoS相关协议—IPv6/IPSec/RSVP等、传统域互通协议—H.248/BICC/ISUP等。
    3、IMS的业务架构
    IMS为业务开发商提供了开放的可编程环境，为运营商快速灵活的开发下一代新业务提供了一个开放的平台。IMS的业务架构是IMS系统比较成功的一个方面，通过基于SIP的ISC(InternalServiceControl)接口，由S-CSCF与各种应用服务器组成。由于IMS融合了语音和数据业务，又结合了IP网的灵活性和SIP的可扩展性，使得IMS支持的业务更加丰富。
    R5在业务方面除原有的CAMEL、OSA之外，新支持SIPAS。IMS的业务架构如图2所示：

    图2  IMS业务构架示意图

    IMS的业务架构要能适应不同业务的接入要求，其业务架构由S-CSCF以及各种应用服务器组成，与当前普遍采用的开放性业务架构一致，都是三层结构：第一层是应用服务器(AS)；第二层是业务能力服务器(SCS)；第三层是S-CSCF。业务可以在分布式架构中开发。
    4、IMS提供的业务
    IMS根据在CSCF上的业务平台的类型，分别支持不同种类的业务：
    (1)基于SIP的业务应用。
    在IMS业务体系中，S-CSCF相当于是软交换的呼叫控制平台，IMS基于SIP的业务平台是通过专用的SIPAS实现的，实现IM(即时通信)、点击呼叫、Web800、Presence、会议电话、数字传真、多媒体消息、VOD、彩铃、彩名、可视电话等丰富的实时和非实时的多媒体业务。
    (2)基于OSA的业务应用。
    IMS支持PAR-LAY/OSA标准业务接口，不仅可以完美地实现传统的基本电信业务，如：呼叫前转、呼叫等待、多方通话、主叫显示、主叫显示限制、呼叫限制等，而且可以为第三方业务供应商提供标准接口，大大提高运营商提供新业务的能力。
    (3)基于CAMEL的业务应用。
    为保护运营商已有的投资，还提供了对传统智能网络的接口，其可以通过SIP/INAP/CAMEL/WIN接口接入SCP，支持传统的智能业务，如预付费、虚拟专网、卡类业务等。目前移动网络中应用的预付费业务、VPN等业务都是采用这种方式实现的，从而实现了对已有智能业务的继承。
    四、引入IMS相关问题探讨
    1、IMS的引入方式
    对运营商而言，可行的一种IMS引入方式是通过具有市场前景的业务引入(例如PTT，IM，呈现等)驱动IMS发展。即点状试验，随着业务的开展，设备的成熟而逐渐大规模商用。
    规模商用后的IMS，不是替代PSTN/ISDN/CS等传统网络，而是互通和并存，逐渐吸收话务，最终随着PSTN/ISDN/CS等传统网络的消亡而演变为全IMS网络。
    对于移动网络向IMS演进，需要考虑以下问题：
    (1)承载网络的成熟性。
    (2)终端的成熟性。
    (3)IMS之上的业务定义和业务的市场机会。目前缺乏标准的业务定义(停留在POC/Presence/IM/Conference等)，以及非常有商业前景的业务。
    (4)运营商本身网络发展的阶段性。(例如国内大部分运营商正在或已经投资建设软交换网络，这部分网络有一定的生命周期。还有的运营商主体是传统PSTN/GSM等TDM网络，直接过渡到IMS不是一种很好的解决方案)。
    2、IMS与移动网CS域和PS域的关系
    IP多媒体子系统应用PS域来进行多媒体信号的承载和传输。PS域为IMS提供服务，终端的移动性对于IMS来说是屏蔽的。IMS建立了对呼叫/会话进行控制的软交换平台，控制信令在经过SGSN、GGSN节点后，就会与媒体平面的消息分开，信令消息将在CSCF间根据用户配置进行传送，媒体消息则在信令选择的路径上传送。
    IP多媒体子系统和CS域之间是相对独立的，只有一些网络设备可能需要和CS域进行通信。在部署一个IP多媒体子系统时，并不一定需要部署CS域。
    3、引入IMS对已有移动网的影响
    (1)IMS对核心网的影响。
    IMS是在PS域上的叠加，引入IMS对CS没有影响，需要对PS进行扩展。
    可以在R99/R4设备的基础上引入IMS，在PS域上叠加一个多媒体子系统。对核心网络的CS域基本没有影响，需要对PS域进行扩展，如增加PDF/PEP功能实现对QoS的控制，需要将IMS计费和PS承载计费进行关联等一系列问题。
    (2)IPv4和IPv6。
    在目前环境下部署可商用的IMS应该考虑IMS支持IPv4和IPv6，并对如何从IPv4平滑演进到IPv6进行研究。
    (3)对无线网络的影响。
    无线网络需要提供对QoS的支持、对RTP、RTCP压缩复用技术(ROHC)的支持。
    4、引入IMS对UE中SIM/USIM的影响
    IMS网络使用SIP作为会话控制协议，要求终端必须支持SIP协议。届时是否需要更换SIM卡问题视具体情况来确定，也可以不更换SIM卡，使用WCDMAR4的USIM卡，但是需要修改终端的客户软件来支持IMS业务。也可以更换USIM卡，换成ISIM卡。
    5、IMS与软交换网络的关系
    IMS网络与软交换网络的关系，需要分固定软交换和移动软交换网络(例如3GPPR4电路域核心网，3GPP2的LMSD)来分别加以分析。对固定网络中的软交换，是一个互通和演进的关系。对移动网络中的软交换，不是一个简单的演进关系，而是一个业务互补，网络互通，融合替代的关系。
    固定软交换已经具备了基于SIP的智能终端接入能力和SIP的会话控制能力，通过首先将用户数据从软交换中提取出来，建设独立的用户数据库并通过标准的信令进行访问，再将软交换的业务逻辑从交换中提取出来，通过支持基于SIP的ISC接口，实现业务与控制的分离。这时的软交换网络已经具备了IMS的核心技术特征。在网络的演进过程中，会自然的形成S-CSCF、P-CSCF、I-CSCF的分布。
    相比之下，移动网络的情况要复杂一些。以3GPP的R4的电路域(CS域)网络为例，首先CS域不支持端到端的SIP，终端不是通过IP而是通过基于ATM的Iu口接入网络的。其次，CS域不支持SIP信令，局间采用BICC进行互通。这使得移动软交换的CS域和IMS域不是平滑演进的关系，而是一个业务互补、网络互通、融合替代的关系。
    CS域是一个以提供话音业务为主要目标的网络，其引入软交换技术只实现了核心网的承载IP化，但没有解决多媒体业务的提供问题。IMS域具备了多媒体业务的提供能力，而3G网络的建设和运营一定是需要丰富的多媒体业务来充分发挥无线带宽的优势的。因此，IMS在3G网络中的引入，应该是以与CS互补的多媒体类业务来引入，例如POC，即时消息/呈现/视频会议等。
    6、IMS与NGN的关系
    目前NGN与IMS的关系是一个热点问题，一些炒作的观点把IMS等同于NGN，或者认为IMS无所不包，无所不能。
    NGN的发展还有很多不确认性。在国际上ITU和ETSI分别成立了NGN研究组织，开展了包括业务、网络结构、QoS、信令、安全、承载、测试、网管等多方面的研究。两个NGN组织研究方向虽然各有侧重，仍有大量领域相互重叠。从目前进展来看，TISPAN的进展比较快。
    NGN标准的业务列表还在讨论中，但是NGN需要包括基于SIP的业务(会话服务、呈现和及时消息)、非SIP的业务(例如视频流媒体和广播业务)、PSTN/ISDN的替代业务(即PSTN/ISDN仿真)，它包括下列子系统：
    ●PSTN/ISDN仿真子系统；
    ●IP多媒体子系统(IMS)；
    ●流媒体子系统；
    ●接入网附着子系统；
    ●资源和接纳控制子系统；
    IMS是NGN在会话和呼叫控制层的一个重要组件，提供基于IP的多媒体会话业务，但它不是NGN的全部。NGN在会话和呼叫控制层还包括了PSTN/ISDN仿真子系统和流媒体子系统等。
    总结
    通过以上的介绍和分析可以看到，IMS的提出顺应了通信网络发展的趋势，在未来的移动通信网、全IP网络中，IMS将会是最为重要的部分。特别是在移动通信网中，成熟的IMS系统可以提供更加丰富的应用。
    业界一直在寻找3G杀手锏应用，目前比较看好的有POC、IM等都需要IMS的支持。OMA组织对于POC和IM的标准制定也都是基于IMS的。在IMS之上可以开发丰富的IP多媒体应用。可以说，IMS是移动核心网的发展方向，是部署新业务的基石。
作者：夏勇