UMTS中的IP多媒體子系統及業務架構

2019-11-03 09:17:15

字體：大中小

來源：轉載

供稿：網友

阮國偉黃本雄

華中科技大學電子與信息工程系

　　摘要在未來的移動通信網中，基于ip的多媒體業務將成為通信網的主要業務，為了適應未來移動通信網的發展，必須在核心網中增加專門處理IP多媒體業務的功能實體。本文先介紹UMTS的R5中引入的IP多媒體子系統，然后討論該系統的業務架構。

　　關鍵詞 UMTS IP多媒體子系統業務架構

1 引言

　　當前，移動通信和Internet的發展正如火如荼，分別成為通信技術和計算機網絡的熱點，通信網絡與計算機網絡的融合已經成為未來發展的目標。業界已經達成共識，這兩個網絡將會在IP層上統一起來，未來所有的電信業務都是基于IP的。這就要求現在的通信網絡進行較大的改變，逐步過渡到分組網絡中去，并建立適應分組網絡的呼叫控制機制以及業務模型。

2 移動通信網絡的發展概述

　　回顧移動通信的發展歷程，通信技術的發展已經經過了第一代的模擬通信、第二代的數字通信，現在正在進入第三代多媒體通信的時代。但是當前的通信技術還不能滿足人們的要求，人們一直在探討下一代網絡的技術。隨著移動通信和Internet的迅速發展，移動Internet將在未來移動通信中扮演重要角色。當前，人們已經對下一代網絡（NGN）達成一個共識，就是下一代網絡將是基于軟交換技術的全IP的開放的網絡。下一代網絡有三大特點：（1）是業務驅動型的網絡，業務與控制完全分離，控制與承載完全分離。（2）采用分層的全開放網絡，具有獨立的模塊化結構。（3）是基于統一協議的分組網絡體系。所以NGN將是一個四層結構的網絡，分別是業務層、控制層、承載層和接入層。

　　NGN的描繪為當前移動通信網的發展指明了方向。當前第二代移動通信系統向第三代移動通信系統演進的過程中也逐步向NGN的目標靠攏，在GSM向UMTS的演進過程中，3GPP分別提出了R99、R4和R5三個版本，為GSM向UMTS過渡提供了一條平滑的演進之路。在R5中，為了與NGN的目標一致，3GPP提出了全IP的核心網結構。在該網絡中語音業務、數據業務以及新開發的多媒體業務都會運行在IP網之上。據預測，未來的業務將會是多媒體業務占主導地位，但是SGSN和GGSN將無法完成對多媒體業務的復雜控制，所以專門增加了IP多媒體子系統（IMS），用來處理日漸增多的IP多媒體業務以及控制整個呼叫流程?？梢钥吹?，IMS的核心功能實體是呼叫會話控制功能（CSCF）單元，它控制了整個呼叫的流程。另外，它還向上層的服務平臺提供標準的接口，使業務獨立于呼叫控制。

3 IP多媒體子系統（IMS）

3.1 IP多媒體子系統概念

　　IP多媒體核心網系統是由所有能提供多媒體服務的核心網功能實體組成，包括了與信令和承載相關的功能實體的集合。IP多媒體業務是基于IETF定義的會話控制能力，利用PS域和多媒體承載來實現的。

　　為了實現接入的獨立性和支持無線終端與Internet互操作的平滑性，IP多媒體子系統盡量采用與IETF一致的因特網標準。因此，定義的接口跟IETF的因特網標準也是盡可能的一致，例如，采用了IETF的SIP協議。

　　IP多媒體核心網子系統使PLMN的運營商能給他們的用戶提供基于因特網的應用、服務和協議的多媒體業務。這里并不是要把這些業務變成IP多媒體子系統的標準，而是為了讓PLMN的運營商和第三方的業務提供者來發展這些業務。IP多媒體核心網子系統能集中語音、圖像、消息、數據和基于Web的技術來為無線用戶服務，并把因特網的發展和無線通信的發展結合起來。

　　支持IP多媒體應用的全套解決方案是由終端、GERAN或UTRAN無線接入網、GPRS核心網和IP多媒體核心網子系統的一些特殊的功能單元。這些功能單元包括呼叫會話控制功能（CSCF）、媒體網關控制功能（MGCP）、IP多媒體網關功能（IM-MGW）、多媒體資源功能控制器（MRFC）、多媒體資源功能處理器（MRFP）、簽約定位功能（SLF）、出口網關控制功能（BGCF）、應用服務器（AS）、信令網關功能（SGW）。

　　IP多媒體子系統的結構，所有的功能實體被認為在不同的邏輯結點中實現，如果在同一個物理設備中實現兩個邏輯結點的功能，那么這兩個邏輯結點的接口就成為該設備的內部接口。

3.2 IP多媒體核心網子系統實體

　　IP多媒體子系統像CS域、PS域子系統一樣，可以完成呼叫的發起、保持、釋放等功能。另外，它還要對多媒體流進行轉換控制以及對多媒體業務的支持，所以包含更多的功能實體，它們分別完成不同的功能。

3.2.1 呼叫會話控制功能CSCF（Call session Control Function）

　　根據CSCF在網絡中所處的位置不同，它所承擔的作用也不一樣，它可以分為如下三種類型：

　?。?）代理CSCF（P-CSCF）

　　在移動終端獲得IMS服務時，代理CSCF是第一個聯系節點。用戶設備通過一個“本地CSCF發現流程”來得到P-CSCF的地址。P-CSCF的作用就像一個代理服務器，它把收到的請求和服務進行處理或轉發。P-CSCF不會對SIP的INVITE消息中請求的URI進行修改。P-CSCF也可以看作是一個用戶代理，在異常情況下，它可以中止或獨立產生SIP的事務。

　　P-CSCF的主要功能有：（ａ）把ＵＥ發來的ＳＩＰ注冊請求消息前轉給Ｉ－ＣＳＣＦ，該Ｉ－ＣＳＣＦ由ＵＥ提供的域名決定。

（ｂ）把ＵＥ發來的ＳＩＰ消息前轉給ＳＩＰ服務器，該服務器的名字由Ｐ－ＣＳＣＦ在該ＵＥ發起注冊規程時得到。

（ｃ）生成計費記錄。

（ｄ）支持ＵＥ與Ｐ－ＣＳＣＦ間的加密過程。

（ｅ）對ＳＩＰ消息進行壓縮與解壓縮。

（ｆ）承載資源的鑒權和ＱｏＳ管理。

（２）查詢ＣＳＣＦ（Ｉ－ＣＳＣＦ）

查詢ＣＳＣＦ可以充當網絡所有用戶的連接點，也可以用作當前網絡服務區內漫游用戶的服務接入點。在一個網絡中可以有多個Ｉ－ＣＳＣＦ。它的主要功能是：

（ａ）注冊。為用戶指定一個Ｓ－ＣＳＣＦ來執行ＳＩＰ注冊。

（ｂ）處理會話相關與會話不相關的消息流。包括：將另一個網絡收到的ＳＩＰ請求路由到Ｓ－ＣＳＣＦ；從ＨＳＳ獲得Ｓ－ＣＳＣＦ的地址；轉發ＳＩＰ請求或響應給Ｓ－ＣＳＣＦ。

（ｃ）生成計費記錄。

（３）服務ＣＳＣＦ（Ｓ－ＣＳＣＦ）

服務ＣＳＣＦ執行會話控制功能。它可以根據網絡運營商的需要，維持會話狀態信息。在同一個運營商的網絡中，不同的Ｓ－ＣＳＣＦ可以有不同的功能。但在一個呼叫過程中，Ｓ－ＣＳＣＦ要完成的功能有：

（ａ）注冊。它可以作為一個注冊機，也就是接收注冊請求后通過位置服務器來使該請求的信息生效。

（ｂ）處理會話相關與會話不相關的消息流。包括：為已經注冊的會話終端進行會話控制；可以作為一個代理服務器，也就是接收請求后，進行內部處理或是把它轉發；可以作為一個用戶代理，也就是它可以中斷或是獨立發起ＳＩＰ事務；與服務平臺交互來向用戶提供服務；提供終端相關的服務信息。

（ｃ）當代表主叫的終端時，根據被叫的名字（如電話號碼或ＳＩＰＵＲＬ）從數據庫中獲得為該被叫用戶提供服務的網絡的Ｉ－ＣＳＣＦ的地址。如果被叫在另一個網絡，就把ＳＩＰ請求或響應前轉給該Ｉ－ＣＳＣＦ；如果被叫與主叫在同一個網絡，就把ＳＩＰ請求或響應前轉給該網絡中的Ｉ－ＣＳＣＦ。根據運營策略，把ＳＩＰ請求或響應前轉給ＩＰ多媒體核心網子系統外的ＩＳＰ的ＳＩＰ服務器。當呼叫要路由到ＰＳＴＮ或是ＣＳ域時，就把ＳＩＰ請求或響應轉發給ＢＧＣＦ。

（ｄ）當代表被叫的終端時，如果用戶在歸屬網絡中，就把ＳＩＰ請求或響應前轉給Ｐ－ＣＳＣＦ；如果用戶在拜訪網絡中，就把ＳＩＰ請求或響應前轉給Ｉ－ＣＳＣＦ。根據ＨＳＳ和業務控制功能的交互作用，把要路由到ＣＳ域的入局呼叫的ＳＩＰ請求進行修改。當呼叫要路由到ＰＳＴＮ或是ＣＳ域時，就把ＳＩＰ請求或響應轉發給ＢＧＣＦ。

（ｅ）生成計費記錄。

3.2.2 媒體網關控制功能MGCP（Media Gateway Control Function）

媒體網關控制功能ＭＧＣＰ包括如下功能：

（１）控制ＩＭＳ－ＭＧＷ中的媒體信道的連接。

（２）與ＣＳＣＦ通信。

（３）根據路由號碼，為從傳統網絡來的入局呼叫選擇ＣＳＣＦ。

（４）執行ＩＳＵＰ協議和ＩＭＳ呼叫控制協議間的轉換。

3.2.3 IP多媒體網關功能IM-MGW（IP Multimedia - Media Gateway Function）

一個IM-MGW可以終止來自電路交換網的承載信道和來自分組網的媒體流(例如：IP網中的RTP流)。IM-MGW可以支持媒體轉換、承載控制和負荷處理(例如：多媒體數字信號編解碼器、回聲消除器、會議橋)。它包含如下功能：

　?。?）與MGCF交互來進行資源控制。

　?。?）擁有并維護回聲消除器等資源。

　?。?）可能需要多媒體數字信號編解碼器。

　　IMS-MGW要提供必要的資源來支持UMTS/GSM的媒體傳輸。還需要對H.248協議進行進一步的調整來支持額外的多媒體數字信號編解碼器等。

3.2.4 多媒體資源功能MRF（Multimedia Resource Function）

　　多媒體資源功能分成兩部分，包括多媒體資源功能控制器MRFC（Multimedia Resource Function Controller）和多媒體資源功能處理器MRFP（Multimedia Resource Function Processor）。

　　多媒體資源功能控制器MRFC的主要功能如下：控制在MRFP中的媒體流資源；翻譯來自AS和S-CSCF的信息(例如：會話標識符)，并相應的對MRFP進行控制；產生計費記錄。

　　多媒體資源功能處理器MRFP的主要功能如下：控制Mb接口點的承載；提供MRFC需要的資源；混合輸入的媒體流(例如：用于多方會議)；發出多媒體流(例如：用于多媒體廣播)；處理多媒體流(例如：語音編碼轉換、媒體分析)。

3.2.5 簽約定位功能SLF（Subscription Locator Function）

　　簽約定位功能SLF的主要功能如下：在注冊和會話建立期間，被I-CSCF查詢，SLF向I-CSCF提供存儲用戶具體數據的HSS的名字；通過Dx接口來接入IMS。在單一的HSS環境中，并不需要SLF。

3.2.6 出口網關控制功能BGCF（Breakout Gateway Control Function）

　　出口網關控制功能BGCF用來選擇與PSTN（或CS域）接口點相連的網絡。如果BGCF發現自己所在的網絡與接口點相連，那么BGCF就選擇一個MGCF，該MGCF負責與PSTN（或CS域）的交互。如果接口點在另一個網絡，那么BGCF就把會話信令轉發給另一個網絡的BGCF。BGCF在選擇與PSTN相連的網絡的時候，會利用收到的其它協議的信息和管理信息。BGCF的主要功能如下：

　　（1）收到S-CSCF的請求后，為呼叫選擇一個適當的PSTN（或CS域）接口點。

　?。?）選擇一個與PSTN（或CS域）相連的網絡。如果本網絡沒有與PSTN相連，那么BGCF就把SIP信令轉發給與PSTN（或CS域）相連的網絡的BGCF。

　?。?）在與PSTN（或CS域）相連的網絡中，選擇一個MGCF，并把SIP信令前轉給MGCF。

　?。?）生成計費記錄。

3.2.7 信令網關功能SGW（Signalling Gateway Function）

　　信令網關SGW完成傳輸層的信令轉換，把基于SS7的信令與基于IP的信令進行轉換（也就是在Sigtran SCTP/IP和SS7 MTP間進行轉換）。SGW不對應用層的消息進行解釋，但必須對底層的SCCP或SCTP消息進行解釋來保證信令的正確路由。

4 IP多媒體子系統的業務架構

　　為了適應下一代網絡業務與控制分離的原則，IMS必須提供開放的接口來接入各種業務服務器，允許各種業務提供商通過標準的接口來向網絡提供服務。當前通信系統中主要有三種類型的業務，一種是GSM已有的智能業務Camel，另一種是基于OSA API開發的業務，最后一種是基于Internet的業務。IMS的業務架構也要能夠適應不同業務的接入要求。

4.1 IMS業務架構功能實體

　　IMS業務架構，它由S-CSCF以及各種應用服務器組成。它跟當前的開放性業務結構是一致的，都是三層結構：最上層是應用服務器AS；第二層是業務能力服務器SCS；第三層是S-CSCF。

　　應用服務器AS有SIP應用服務器、OSA應用服務器和CAMEL IM-SSF，它們都提供IP多媒體增值業務，位于用戶的歸屬網絡或是第三方位置。第三方可以是一個網絡或僅是一個單獨的應用服務器。

　　S-CSCF使用統一的ISC接口與業務平臺相連，在S-CSCF看來，SIP應用服務器、OSA服務能力服務器和IM-SSF都執行相同的接口行為。該接口使各種服務器都能接入IMS，為IMS提供業務。在ISC接口中使用的是SIP協議，它暫時不支持擴展的SIP協議。使用SIP協議大大方便了因特網豐富的業務直接連接到移動網中，實現了兩網的融合。

　　對于OSA應用服務器，用戶可以根據標準的API（如：Parlay）在該服務器上進行增值業務開發，不用了解底層的網絡，大大縮短了業務的開發周期。未來的業務將主要采用標準的API來進行開發。在S-CSCF與OSA應用服務器間的業務能力服務器相當于一個網關，它把OSA API與ISC接口的信令進行映射，使業務與控制互相獨立，實現網絡的分層結構。

　　CAMEL業務是傳統的智能業務。在智能網中，它是通過CAP協議接入到網絡中的，為了使CAMEL業務接入到IMS中，在CAMEL服務器與S-CSCF之間需要一個功能實體來完成CAP協議與SIP協議的轉換，該功能由IM-SSF完成。

　　對于SIP應用服務器，由于ISC接口采用了SIP協議，所以它可以直接與S-CSCF相連，減少了信令的轉換過程。SIP應用服務器主要是為因特網業務服務，這種結構使因特網業務可以直接移植到通信網中。

5 結論

　　本文詳細介紹了IP多媒體子系統的結構與各個功能模塊，并闡述了IP多媒體子系統的業務構架。IMS的提出順應了通信網絡發展的趨勢，在未來的全IP網絡中，IMS將會是最為重要的部分。IMS的提出還最大程度的保護了電信運營商的利益，它完全兼容GSM與GPRS，使當前的網絡能平滑的過渡到下一代網絡中去。另外，IMS還提出完全開放的業務構架，打破原有網絡封閉的業務提供模式，既為電信運營商能快速的接入新業務，又為業務提供商創造一個開放的公平的競爭環境，有力的促進了電信業務的繁榮發展。

參考文獻

[1] 3GPP TR 23922 V1.0.0 Architecture for an All IP network 1999.10

[2] 3GPP TS 23.002 V5.12.0 Network architecture 2003.9

[3] 3GPP TS 23.228 V5.3.0 IP Multimedia Subsystem (IMS) 2002.1

[4] 3GPP TS 22.228 V5.6.0 Service requirements for the IP Multimedia Core Network Subsystem (Stage 1) 2002.6

阮國偉：碩士研究生，主要研究方向：移動通信網絡技術。

黃本雄：教授，碩士生導師，主要研究方向：移動通信網絡和通信軟件工程。

----《中國數據通信》