基于IMS的固定和移动业务网络融合研究

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固定和移动网络融合是目前人们讨论的一个热点话题，根据下一代网络分层体系结构，融合应从业务、承载、控制和终端接入等几个层次展开。从技术角度来看，短期内控制层的融合较为困难，业务层的融合相对简单；从用户角度来看，用户并不关心网络间是如何融合的，更关心的是网络能否提供给他们丰富多彩的业务，且这些业务不再有移动和固定之分。因而，业务网络的融合是固定和移动网络融合中的一个重要内容，可以先于控制层的融合。业务网络的融合是指通过统一的业务创建平台，通过独立的核心网络和接入网络，为不同接入类型的用户提供业务。融合的关键是建立统一的业务创建平台，通过开放、标准的应用程序接口（API）实现核心网络和业务提供的分离。目前的固定和移动软交换网络都支持Parlay/OSA API，这为建立统一的业务平台提供了良好的基础。本文从固定和移动业务网络融合入手，结合IP多媒体子系统（IMS）的业务生成环境特点，提出了基于IMS的业务网络融合架构。一、基础融合网络平台的选择
　　在固定和移动业务融合基础网络平台的选择上，首先应该明确是基于固定软交换网络或移动软交换网络，还是基于一个全新的基础网络。目前，固定软交换网络（狭义的NGN）和移动软交换网络（3GPP R4）彼此独立，两者独立发展，由于固定软交换和移动软交换间存在着较大差异，两者均无法承担固定和移动业务融合基础网络平台的角色。为此，我们选择了IMS作为固定和移动业务网络融合的基础网络平台。目前，IMS已成为未来核心网络的发展方向，也是公认的多媒体、业务控制和网络融合平台。基于IMS的固定移动网络融合（FMC）之所以得到认同，是因为IMS具有诸多有利于网络融合的优点。
　　1.统一的业务触发机制[1]
　　IMS核心控制部分（呼叫控制功能（CSCF）、出口网关控制功能（BGCF）和媒体资源功能控制器（MRFC）等）不实现具体的业务，所有的业务都通过业务平台来实现。IMS只根据初始过滤规则进行业务触发，从而消除了核心控制相关功能实体和业务之间的绑定关系。无论固定接入还是移动接入都可以使用IMS中定义的业务触发机制实现统一触发，从而为移动和固定业务网络提供了必要的融合基础。
　　2.统一用户数据库[1]
　　IMS与用户相关的数据（如用户标识、认证和授权信息，业务触发信息等）可以统一存储，数据库本身不再区分固定和移动用户，特别是业务触发机制中的初始过滤规则，对IMS的数据库完全是透明的，屏蔽了固定和移动用户在业务属性上的差异，从而为移动和固定业务网络提供了必要的融合基础。
　　3.归属网络控制
　　与目前的移动网络不同，IMS全部由归属网络为用户提供服务。我们知道，业务提供能力和用户当前所在网络有关，在归属网络开通的业务，在漫游网络中并不一定能够提供。IMS由归属网络提供用户的业务执行环境。用户漫游到任何地方，所有业务都由拜访网络的代理CSCF（P-CSCF）路由到归属网络，再由归属网络的服务CSCF（S-CSCF）控制用户业务并根据用户签约数据进行业务触发，从而保障了业务的一致性，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网络中相同的业务。
　　4.基于SIP的业务处理方式
　　IMS采用会话初始化协议（SIP）作为会话与业务控制协议，SIP是一种开放的多媒体控制协议，在语音、数据业务结合和互通方面具有天然优势，可以跨越不同媒体和设备实现呼叫控制，支持丰富的媒体格式，容易实现丰富多彩的业务特性。同时，SIP具有良好的可扩展性，便于扩展新业务。此外，SIP可以提供集视音频电话、消息、Web、电子邮件、同步浏览、会议等业务为一体的新的通信方式，为开发适用于固定和移动用户的融合业务创造了有利条件。
　　5.通过S-CSCF向应用服务器（AS）提供IP多媒体业务控制（ISC）接口
　　IMS业务可以全部由与控制相分离的业务平台来提供，新业务加载不会影响到SIP路由、在线和离线计费、登记和安全，提高了业务的部署速度。同时，IMS具有同Internet业务的互操作能力，支持外部接入，扩大了业务的应用范围。此外，由于IMS业务由归属网络提供，基于IMS的业务能够从各种拜访网络中接入，固定和移动用户可以通过各种形式的接入网来调用IMS业务。
二、IMS的业务生成环境
　　如图1所示，IMS业务网络中定义了三种业务控制实体：SIP AS、IP多媒体业务交换功能（IM-SSF）和OSA业务能力服务器（OSA SCS）[2]。负责会话处理和移动性管理的S-CSCF（归属网络中的S-CSCF）是三种业务控制实体对用户进行业务控制的接口点，归属签约用户服务器（HSS）作为网络的中心数据库为三种业务控制实体提供用户的签约和移动性数据信息。从S-CSCF角度来看，三种业务控制实体的行为是相同的，也就是说，三种业务控制实体对于S-CSCF是透明的，通过相同的ISC接口与其相连。

图1　IMS的业务生成环境

　　从图1中可以看出，IMS存在三种业务提供方式，分别是：①利用IM-SSF提供业务，通过与传统的智能网（IN）/CAMEL互通来提供现有的智能网业务（如预付费和号码翻译业务等）。IM-SSF具有传统智能网的呼叫控制功能（CCF）和业务交换功能（SSF），后者提供了基本呼叫状态模型（BCSM）以及SIP到CAMEL应用环境（CSE）协议（CAP、CAMEL应用协议）的转换功能[3]。此业务提供方式的出发点是利用现有智能网基础设施，将传统的IN/CAMEL业务引入到IMS系统，增加IMS网络的业务收入。②利用SIP AS提供业务，S-CSCF作为一种SIP服务器直接调用AS提供的业务，此业务提供方式不需使用基本呼叫状态模型控制和监控SIP AS的状态，只需配置和使用基本的呼叫/会话控制功能即可，SIP应用服务器与S-CSCF之间不需要特别配置。③基于OSA SCS的业务提供方式，这是IMS最开放的一种业务提供方式，通过向第三方开放与底层网络无关的OAS API，让第三方业务提供商（SP）或内容提供商（CP）使用核心网络能力来开发各种新业务[4]。
　　从严格意义上来说，IM-SSF和OSA SCS并不是一种自身提供业务的应用服务器，而是一个接入到其他业务执行环境（SCE）的网关设备。如前所述，对于S-CSCF来说，这些业务控制实体都是透明的，S-CSCF可以通过相同的接口（ISC）接入到所需的应用服务器。三种业务提供方式的主要区别在于S-CSCF是直接接入AS，还是通过OSA SCS或IM-SSF间接接入OAS AS或CAMEL应用环境。不管是哪种业务提供方式，业务平台在向用户提供业务时都将经历以下几个步骤。
　　1.用户登记过程
　　为正确接收和建立IP多媒体会话，用户首先应向IMS网络（归属网络中的S-CSCF）登记。登记过程相关学术论文已介绍得较多，此处不再赘述。需要说明的是，根据IMS的归属网络控制特点，所登记的S-CSCF始终位于归属网络中，但用户是随时移动的，如果用户漫游到另一拜访网络，拜访网络中的P-CSCF将充当用户设备（UE）和S-CSCF之间的代理，负责登记消息（REGISTER及其响应消息）的转发。
　　2.业务属性检索
　　登记过程中，S-CSCF从HSS中获取用户的归属业务属性，用户的业务属性数据包含了有效的初始过滤规则列表或预先设定的触发数据等。从HSS中获取的信息还可能包含了签约指针（如果需要）和对应第三方业务提供商/平台的地址信息。最初，HSS负责为S-CSCF提供用户业务属性和第三方平台地址等所需信息，一旦接入到第三方平台，将会向S-CSCF提供更多的签约和特征信息。图2给出了IMS的业务触发机制。

图2　IMS业务触发机制

　　3.业务调用
　　业务调用过程从触发操作开始，根据业务触发结果确定调用哪种业务、哪个业务平台，调用业务通过归属业务或第三方签约业务列表进行标识。下面我们以预付费业务为例（如图3所示），对IMS的业务调用过程做一简要说明。

图3　预付费业务流程举例

　　主叫用户（UEa）发送INVITE请求，启动一个会话过程（步骤1）。S-CSCF收到此消息后，从用户业务属性检查初始过滤规则。如果满足初始过滤规则，则S-CSCF将INVITE消息发送给AS（步骤2）。对于预付费业务来说，主要考虑用户是否有足够的余款来建立此次会话过程。假定用户有足够的余额，则AS将INVITE消息发送给主被叫S-CSCF和被叫用户（UEb）（步骤3、4）确定允许建立此次会话过程。被叫用户（UEb）在接收到INVITE请求后向主叫S-CSCF回送一个带有会话进展的响应消息（步骤5a），常见的SIP响应有100 Trying、180 Ringing、200 OK等，其中200 OK响应中携带了会话描述协议（SDP）信息。主叫S-CSCF将200 OK响应消息转发给AS（步骤5b）。需要注意的是，此时AS是IMS的业务提供平台，负责控制整个预付费业务的会话过程，与此业务相关的所有消息都需转发给AS。在接收到200 OK消息后，若AS认可被叫的媒体描述信息，便将此消息转发给主叫S-CSCF（步骤5c），并由S-CSCF转发给主叫UEa（步骤5d）。随后，通信双方（UEa和UEb）开始建立会话承载通道并通话（步骤6）。整个会话建立阶段，AS工作于SIP代理模式（此工作模式下，AS根据过滤规则的设置接收部分或所有SIP消息，并可以根据业务逻辑增加、删除或修改SIP消息中的头部字段）。
　　预付费业务开始时，AS将根据设定的费率计算出最大通话时长，并启动一个计时器，如果计时器已满，便要求S-CSCF执行实时断线，结束此次会话过程。假设此次会话出现了余额不足情况，AS将向通信双方发送会话结束消息（步骤7和8）。此时，AS工作于第三方呼叫控制代理模式（此工作模式下，AS向S-CSCF发送新的SIP消息，为通信双方建立不同的SIP呼叫腿），由S-CSCF将此消息转发给通信双方（步骤9和10）。
三、基于IMS的融合业务网络架构
　　目前，固定与移动软交换网络都支持以下几种业务提供方式[5]：软交换（Softswtich和MSC Server）自身提供一些传统业务和补充业务；通过与传统智能网互通提供现有智能网业务；通过AS提供一些新型增值业务；通过Parlay/OSA API由第三方提供业务等。其中，在与智能网互通提供业务方式中，软交换与固定或移动智能网业务平台间的互通协议各有不同。例如，PSTN网络为智能网应用协议（INAP），GSM网络为CAMEL应用协议（CAP），CDMA网络为无线智能网移动应用部分（WIN MAP）协议。在利用AS提供业务中，目前固定与移动软交换网络都可以支持SIP应用服务器。但是，由于固定和移动网络提供的业务不同，SIP应用服务器的业务逻辑与配置也有所不同。另外，针对移动业务环境3GPP对SIP协议作了大量扩展，这些扩展未必适用于固定网络业务。基于Parlay/OSA API的第三方业务提供方式最为开放，由于Parlay/OSA API是一种开放、与具体技术无关的网络接口规范，屏蔽了底层网络的差异，为实现移动和固定业务的融合打下了坚实的基础。
　　在基于IMS的业务网络融合方案的设计中，关键在于设计一套统一的业务创建平台。目前IMS系统主要有三种业务提供方式，因而存在多种构建业务平台的选择。根据上述分析，结合IMS的业务生成环境特点，笔者采用了基于Parlay/OSA的业务创建平台，主要考虑如下：
　　第一，IMS中所有业务都是通过业务平台提供，核心控制部分不实现具体的业务。因而，在基于IMS的业务网络融合方案中，将不再采用由软交换设备（S-CSCF）提供业务的方式。实际上，IMS系统是一个更“软”的软交换系统，对控制层功能做了进一步分解，实现了会话控制实体CSCF和承载控制实体MGCF在功能上的分离，使网络架构更为开放、灵活。
　　第二，如果采用IM-SSF作为融合方案的业务创建平台，则只能为IMS用户提供现有的CAMEL/IN业务，无法为IMS用户提供更多的增值业务，就连现有的PSTN智能网业务和无线智能网业务都将难以提供，违背了固定和移动业务网络融合的目的。
　　第三，如果选择SIP AS作为融合方案的业务创建平台，虽然可以向IMS用户提供基于SIP的增值业务，但存在着业务平台不够开放的问题。由于SIP AS位于电信网络侧，相应的业务由电信运营商或AS设备提供商开发，难以快速引入第三方SP或CP开发的业务。
　　第四，如果采用Parlay/OSA作为融合方案的业务创建平台，便可大大提高业务开发的开放性。Parlay/OSA是一种通用的技术标准，通过对底层网络的抽象定义出一系列的API，屏蔽了底层网络细节，第三方SP或CP不必了解网络细节便可直接使用底层网络能力进行业务开发，方便了第三方业务的快速引入和部署。而且，目前固定和移动软交换网络都支持基于Parlay/OSA的业务提供方式，采用Parlay/OSA作为融合方案的业务创建平台，可以很好地兼容现有固定和移动软交换网络，实现与现有固定和移动网络业务层的完全统一。此外，通过对Parlay/OSA网关的扩展，还可以很好地与传统PSTN/PLMN网络互通，使传统PSTN/PLMN用户通过各自的基础网络接入到基于IMS的融合业务网络平台，享用此业务平台的业务（具体方案见后）。
　　综上所述，在基于IMS的业务网络融合方案中，采用Parlay/OSA业务创建平台，再结合IMS网络的特点（统一的业务触发和用户数据库等），很好地实现了用户接入、核心网络和业务提供之间的完全分离，可以为固定和移动用户提供各种融合业务，这些业务除了由电信运营商本身提供以外，还可以由第三方SP或CP来提供。
　　如图4所示，Parlay/OSA网关由框架（Frame-work）和业务能力服务器组成，业务能力服务器由一个或多个业务能力特征（SCF）组成，框架用来保证业务能力服务器访问的安全性。Parlay/OSA网关对上向Parlay/OSA AS提供各种标准的API接口，Parlay/OSA AS根据这些接口函数实现业务开发，而不用考虑底层网络细节。Parlay/OSA网关对下通过各种专用资源接口与底层网络交互，实现对底层网络能力的调用。例如，通过INAP、CAP与PSTN和GSM中的业务交换点（SSP）交互；通过SIP协议与IMS中的S-CSCF交互；通过H.323与VoIP中的网守（GK）交互等。本方案中由于Parlay/OSA网关通过ISC接口与S-CSCF交互，因而只需完成Parlay/OSA API到SIP协议的映射即可，具体映射过程可参考文献[6]。Parlay/OSA AS是业务的开发场所，可以位于电信网络侧也可以位于第三方，由电信运营商或第三方向固定和移动用户提供各种融合业务。

图4　基于IMS的融合业务网络结构

　　为了进一步提高API的抽象层次，简化SP或CP的业务开发过程，方案中还可以引入基于Web Service的API接口——Parlay X API。Parlay x API扩展了Parlay/OSA API接口标准，抽象层次更高，并利用Web业务技术来简化网络编程。Parlay X API的引入可以通过以下两种方式实现，一种是在AS和Parlay/OSA网关之间增加Parlay X Web Service网关，完成Parlay X API与Parlay/OSA API之间的映射，如图4中虚线框部分。另一种是直接将Parlay X Web Service网关与S-CSCF相连，完成Parlay X API与SIP之间的映射。
　　本方案还考虑了对POTS终端的支持，如何在这些终端上向用户提供补充业务，目前讨论较多的是采用PSTN/ISDN仿真（PES）的方式，在IMS中增加一个功能实体——接入网关控制功能（AGCF）。补充业务可以在AGCF上实现，也可以通过统一的业务平台实现。考虑到业务的统一性，本方案中建议统一由Parlay/OSA应用服务器提供业务，将补充业务相关数据和用户其他数据进行统一存储，由S-CSCF负责进行业务触发。
　　为了兼容现有网络，实现与固定和移动软交换网络以及传统PSTN/PLMN网络的互通，使传统电信用户能够享用基于IMS的融合业务网络中的业务，需要考虑本方案的可扩展性和兼容性问题。在本文所提的融合业务网络结构中，只需对Parlay/OSA网关作相应扩展即可，即在Parlay/OSA网关上配置各种专用资源接口与PSTN/PLMN的SSP或软交换设备进行交互，通过Parlay/OSA API向各种资源接口协议（如INAP、CAP、WIN MAP、SIP、MGCP/MeGaCo）的映射来调用各底层网络资源/能力，如图5所示。目前，Parlav/OSA API向底层网络协议映射方面的研究较多，相应的技术标准已较为成熟，3GPP已对OSA API中的部分SCF的映射进行了规范。如用户交互（User Interaction）SCF到CAP、INAP、MeGaCo、SMS的映射[7-10]，通用呼叫控制（Generic Call Control）SCF到CAP、INAP、MeGaCo的映射[11-13]，多方呼叫控制（Multiparty Call Control）SCF到ISC的映射[14]等。
四、结语
　 基于Parlay/OSA的业务平台是一种最开放、最能代表下一代电信网业务特征的业务提供方式，目前已得到了广泛认可。然而，Parlay组织并未对Parlay/OSA的具体实现给予标准化，由各设备提供商自主实现，使得Parlay/OSA网关之间的互通存在着一定问题，致使第三方SP或CP持观望态度，影响了此业务平台的应用。接下来，应积极对Parlay/OSA的实现进行规范，引导第三方加入电信产业链，开发各种基于Parlay/OSA的新业务，促进Parlay/0SA业务平台在基于IMS的下一代融合业务网络中的应用，加快新业务的开发和部署速度，驱动固定和移动网络融合的进一步发展。
　　参考文献
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　　2　Jong-choul Yim，Young-il Choi，Byung-sun Lee.Third Party Call Control in IMS using Parlay Web Service Gateway [A].In：ISBN-89 5519-129-4.ICAOT2006.2006.2
　　3　万晓榆，樊自甫.传统IN向下一代网络的演进[J].电信科学，2003(3)
　　4　Parlay Group-2005.1.IMS and Parlay：Finding the optimum strategy for real-world deployments [S]
　　5　万晓榆，樊自甫等.下一代网络的业务生成技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2005
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　　7　3GPP TR 29.998-05-1-2004.12.Open Service Access　(0SA)Application Programming Interface(API)Mapping for Open Service Access；Part 5：User Interaction Service Mapping；Subpart 1：API to CAP Mapping (Release 6)[S]
　　8　3GPP TR 29.998-05-2-2003.1.Open Service Access(0SA)Application Programming Interface(API)Mapping for Open Service Access；Part 5：User Interaction Service Mapping；Subpart 2：INAP mapping (Release5)[S]
　　9　3GPP TR 29.998-05-3-2003.1.Open Service Access(0SA)Application Programming Interface(API)Mapping for Open Service Access；Pan 5：User Interaction Service Mapping；Subpart 3：MEGAC0 mapping (Release5)[S]
　　10　3GPP TR 29.998-05-4-2001.6.Open Service Access (0SA)Application Programming Interface(API)Mapping for Open Service Access；Part 5：User Interaction Service Mapping；Subpart 4：API to SMS Mapping (Release4)[S]
　　11　3GPP TR 29.998 04-1-2004.12.Open Service Access(0SA)Application Programming Interface (API)Mapping for Open Service Access；Part 4：Call Control Service Mapping；Subpart 1：API to CAP Mapping (Release 6)[S]
　　12　3GPP TR 29.998-04-2-2002.3.Open Service Access (0SA) Application Programming Interface(API)Mapping for Open Service Access；Part 4：Call Control Service Mapping；Subpart 2：INAP (Release5)[S]
　　13　3GPP TR 29.998-04-3-2003.1.Open Service Access(0SA)Application Programming Interface (API)Mapping for Open Service Access；Part 4：Call Control Service Mapping；Subpart 3：MEGAC0 mapping (Release5)[S]
　　14　3GPP TR 29.998-04-4-2004.12.Open Service Access (0SA) Application Programming Interface(API)Mapping for Open Service Access；Part 4：Call Control Service Mapping；Subpart 4：Multiparty Call Control ISC (Release 6)[S]