基于IMS的固定与移动网络的融合

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    0前言

    基于Internet服务的快速增长和VoIP的兴起以及巨大的利益驱动，使得以IP网络为核心的承载技术得到了广泛应用。

2G和3G移动网络通过分组域（PS）接入Internet，使得移动用户可以随时随地接受基于IP的服务，体现了固定网络和移动网络的融合。但这种以传统分组网络为基础的接入方式有极大的限制。首先，IP只能提供尽力而为的服务，并不能实现不同级别QoS的保障，这与传统电信网是不一致的；其次，第三方的服务提供和部署受到了网络运营商的制约；再者，移动用户使用不同的网络接入技术，也会影响QoS；最后，对于网络的不同QoS服务如何进行有效的管理和计费统计也是一项重要的任务。

    由于下一代移动通信的发展已融合进了以软交换为核心的下一代网络（NGN）的演进过程，并受到NGN技术发展的支持。遵循逐步发展、技术平滑过渡、兼容已有投资的策略，IMS[1]就是为了解决上述这些限制，由3GPP所提出的一种能实现解决方案的子系统。

    1IMS体系结构

    1.1逻辑功能结构

    IMS域中3种类型的呼叫会话控制功能（CSCF）承担着不同的功能。P-CSCF是SIP[2]中的代理服务器，它负责接受请求或响应并进行转发。S-CSCF执行会话控制服务，包括注册并维持会话的状态，担任SIP服务器的功能。而I-CSCF则是外部网络访问IMS与之进行交互通信的接口，通过这种方式可实现对本网络结构的隐藏。HSS由2G的归属位置寄存器（HLR）演化而来，是支持用户注册并存放用户身份、位置数据和过滤策略信息的网络数据库。HSS也负责用户进行网路接入的认证和授权控制信息的管理。

    3GPP在IMS中提供了对三类服务与应用的接入，基本涵盖了可能的应用：

    a）IMS中，SIP被引入作为核心信令协议，SIP应用服务器可被用来提供服务。

    b）由快速部署和第三方可提供服务所驱动的开放式应用编程接口（API），如OSA/ParlayAPI[3，4]，因此OSA/Parlay服务器等可用作服务的提供和控制。

    c）为了保护传统网络中已有的投资，利用已有的智能网服务，必须提供一种方法来实现传统智能网与新的IMS域的终端用户的互通，如CAMEL[5]等。

    这些应用服务器通过各自的服务平台，即SIPAS、OSASCS和IMSSF，与S-SCSF通信，为用户提供符合其配置策略的服务。

    作为对移动用户的媒体服务和应用的支持，IMS给用户提供服务的过程如下：

    a）移动用户已经通过GPRS的注册，获得了网络分配的IP地址，并执行P-CSCF发现；

    b）通过CSCF向IMS进行注册，并执行安全认证，业务配置信息有效地存储在HSS中；

    c）用户通过CSCF与应用服务器通信，请求相应的服务；

    d）应用服务器根据服务策略进行相应的响应，如提供服务或报错，最后拆除会话。

    1.2协议

    IMS为了支持基于IP的多媒体服务，实现移动网络与IP网络的融合，全面引入了IETF的协议，可分为下述几类。

    1.2.1信令和会话协议

    3GPP采用SIP作为IMS中的核心信令协议，用于会话的建立、更改和拆除，并且独立于媒体的传输，但SIP并不负责QoS的保障。SIP通过开发新的方法、头部字段、消息体类型来实现强大的可扩展性，支持了未来潜在的应用。会话中消息体的描述使用的是SDP协议。

    1.2.2媒体传输协议

    媒体传输与会话控制分离，使用实时传输协议（RTP）来传输，并同时利用实时传输控制协议（RTCP）为RTP提供与媒体流相关的信息。RTP中使用时间戳来为接收方提供媒体流的次序，利用序列号来测量数据包的丢失情况。RTCP统计并汇报RTP数据包的收发数量，同时还提供时间戳和参考时间之间的映射。而“参考时间”是确保在接收方确定媒体同步的重要参数。

    1.2.3验证和安全协议

    除了使用IP安全协议IPSec之外，IMS还引入了Diameter[6]协议，它是基于RADIUS协议发展而来，采用AAA客户—服务器结构，作为查询和访问HSS的安全协议。IMS中Cx、Dx和Sh接口使用了Diameter协议来执行验证功能。

    1.2.4支持运营管理的协议

    为了使运营商能对用户不同QoS等级的服务和计费信息进行管理，并验证用户相应的QoS策略的合法性，引入了IETF开发的普通开放策略服务协议（COPS）[7]。

    1.2.5媒体网关控制协议

    采用MEGACO/H.248协议，通过MGCF对媒体网关进行控制。媒体网关（MGW）和信令网关（SGW）互联了IMS与传统电路交换网络ISDN/PSTN。

    2服务平台

    IMS设计了3个平台来为用户提供多媒体的服务，统称为应用服务器（AS）。OSASCS用于接入基于OSA/ParlayAPI的第三方业务，SIPAS用于提供基于SIP的应用服务，而IM SSF是接入智能网业务的接口。它们都通过S-CSCF来进行业务的实施，与S-CSCF的接口定义为ISC，它是基于SIP及其扩展之上的标准接口。从S-CSCF角度来看，OSA SCS、SIP AS和IM SSF都呈现出同样的接口特性。S-CSCF根据从HSS取得的配置信息和收到SIP消息的不同，做出向应用服务器直接转发消息（直接方式），或是转化成一个新的SIP消息再传给AS（间接方式）。

    在具体的应用中，应用服务器在不同的环境下，也在SIP对话中充当了不同的SIP网元的角色，包括被叫UA或重定向服务器、主叫UA、SIP代理服务器、第三方呼叫控制器。在某些情况下，SIP对话直接通过S-CSCF进行转接，而并不通过应用服务器。前三种模式下的工作遵循RFC3261及其扩展协议。第三方的呼叫控制模式下，AS要新发起一个消息或呼叫，如执行预定的呼叫转移的情形等。

    虽然从ISC接口上，三类AS的行为以统一的方式与S-CSCF进行交互，但它们本身提供的业务方式以及与HSS的接口是有所区别的。

    2.1基于SIP的业务

    S-CSCF利用的是基于SIP及其扩展的呼叫信令协议，通过SIP应用服务器直接利用SIP协议可以获得SIPAS到IMS的接入。这种方式不需要进行呼叫会话协议之间的映射，因此S-CSCF和SIPAS之间没有中间的过渡平台，部署方便。SIPAS和HSS之间的接口是Sh，HSS负责控制提供何种信息给SIP AS。Sh上传输的是与用户相关的信息，也可以是对HSS透明的信息和数据。

    2.2基于开放式应用编程接口的业务

    下一代网络是一个开放的网络，允许第三方业务提供商通过标准的应用编程接口（API）接入网络资源，进行各种业务或应用。3GPP与Parlay组织合作制定了Parlay/OSA的标准,支持独立于网络的第三方业务的接入和利用网络功能的体系，为用户提供服务。

    在Parlay/OSAAPI中，提供给应用的网络功能实体被定义为若干业务能力特征（SCF）的集合，由业务能力服务器（SCS）支持，这些SCF为应用开发提供了必要的网络接入功能。Parlay/OSAAPI是分层结构，可分别提供网络安全、发现并接入SCF等功能。第三方应用服务器通过Parlay/OSAAPI和SCS相连接，而OSA SCS则在3rd AS和S-CSCF之间负责API和ISC之间的映射。此外，Parlay/OSA利用中间件技术实现对于特定厂家解决方案的独立性，并且也独立于所使用的编程语言和操作系统等。OSA SCS与HSS之间的接口也是Sh。

    2.3基于智能网的业务

    之前已经提到，已有的正在为现行通信提供强力支持的智能网不会在短期内消失，而且IMS系统必须考虑与UMTS的电路交换域的互联互通。要做到兼容已有的网络资源，实现技术和服务提供的平滑过渡，IMS需要接入现有的智能网。特别是3GPP提出的UMTS网络是在GSM/GPRS的基础上发展起来的，因此接入GSM/GPRS原有的移动智能网CAMEL就显得尤为重要。

    IMSSF就是供CAMEL与S-CSCF互联为IMS提供服务的平台。从CAMEL角度来看，IMSSF是智能网的服务交换节点SSP，相当于CAMEL中业务交换功能SSF和呼叫控制功能CCF。IMSSF在S-CSCF和CAMEL之间实现SIP消息和CAP信令的映射。Si是IM SSF与HSS交互通信的接口，传输的是CAMEL相关的信息。因此，通过IMS也可以得到在电路交换中智能网所提供的服务。

    3发展与应用

    3.1应用

    从以上描述可知，IMS中呼叫和会话的控制是基于SIP进行的，具体的信令流程和会话的状态变迁可参阅参考文献2。IMS体系结构和CSCF的设计利用了软交换技术，实现了业务与控制相分离、呼叫控制与媒体传输相分离。IMS虽然是3GPP为了移动用户接入多媒体服务而开发的系统，但由于它全面融合了IP域的技术，并在开发阶段就和其他组织进行密切合作，如Parlay，IETF等，就使得IMS实际已经不仅仅局限于只为移动用户进行服务。

    IMS的无线接入技术除了GSM/GPRS和WCDMA之外，WLAN通过SIPProxy也可以接入。此外，固定网络的LAN和xDSL接入技术也可以接入到IMS。而且IMS还提供了与ISDN/PSTN传统电路交换网络的互联机制。这样，IMS提供服务的终端除了移动终端之外，还包括固定的电话终端、多媒体智能终端、PC机的软终端等。

    移动通信和固定通信的融合以及声音、数据、图像多媒体的融合是未来通信发展的趋势，IMS则初步体现了这两大融合。IMS的优势和前景使得3GPP2组织也将之引入，作为其提供实时多媒体服务的系统平台。

    3.2待解决的问题

    IMS发展中，有以下两个问题比较突出。

    3.2.1QoS保障

    尽管IMS为用户的服务需求提供了一个统一的平台，但由于服务的多样性以及其对网络资源的依赖程度决定了在网络中实现QoS保障的复杂性。

    现行的IP网络中QoS保障机制有：资源预留协议（RSVP）、区分服务（Diffserv）、多协议标签交换（MPLS）等，但它们各有其局限性：

    a）RSVP采用会话前预留资源的方法，额外开销大，且不适合在较大型的网络内使用；

    b）Diffserv利用优先级分配资源的方法，实际上只是一种区分优先的技术，需要公认的QoS类别的划分机制；

    c）MPLS利用划分等价类的方法来提供QoS的保障，但需要大规模更新网络中的路由器。

    因此，为了实现所需的QoS，则需要综合利用各种不同的技术。此外，为了实现异构网络以及不同运营商之间网络互联中的QoS保障，网络间服务等级约定（SLAs）也是极其重要的。

    3.2.2安全问题

    移动终端在接入网络时要通过鉴权认证，在接入IMS时还要再进行安全认证。此外，IMS对SIP文本消息进行了加密保护。但对于固定用户而言，在接入网络的时候，并没有身份鉴权的过程，这使得IMS内网元受攻击的安全隐患加大。因此，为了实现固定和IMS的融合，必须考虑固定接入时的安全问题。

    4结束语

    基于IP技术之上的IMS的出现体现了固定、移动网络融合的需要，并且不限定下层接入技术，因此提供了极大的便利性和自由度，为网络的发展指出了方向。传统网络运营商希望可以借助于这一结构体系，充分利用现有网络资源来满足用户多媒体服务的需求，而新兴运营商则要求通过开放的接口快速部署业务和应用，尽快进入市场。IMS都满足了这些要求。

    在网络演进的过程中，不同运营商会根据自身情况考虑适合的演进策略，但需要遵循标准化发展的要求。虽然IMS为移动或是固定终端提供了相同的服务体系，但如何在网络中，特别是异构网络之间实现QoS的保障和安全也是必须考虑的重要问题，这方面的技术还需要进一步完善。

    作者：朱巍  张顺颐

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