NGN學習筆記5——IMS技術

1.移動網絡的發展--引子

20世紀80年代，商業性移動通訊網絡獲得發展

第一代移動通訊系統：TACS、NMT等模擬系統

第二代移動通訊系統：GSM、IS-9五、DECT、IS-136等數字系統，目前建設的2G移動網絡使用兩種主要技術，GSM網絡使用TDMA技術，大約佔70%，IS-95網絡基於CDMA技術，大約佔25%。

1992年開始對3G移動通訊系統進行研究：R9九、R四、R五、R六、R七、R八、R9……

2G (GSM), 基於電路交換

2.5G (GPRS), 引入分組交換

3G時代的到來

1992年ETSI發起對即將到來的3G移動通訊系統進行研究。採用2GHz附近的頻率，支持多種空中接口：

• WCDMA——使用2GHz頻譜的寬帶碼分多址接入
• EDGE——用於GSM演進的加強數據傳輸速率
• CDMA2000（1xRTT）——多載波SCDMA系統，用於在與IS-95相同的頻帶上建設CDMA網絡
• TD-SCDMA——由中國提出

支持分組數據業務，採用通用體系結構——UMTS（由3GPP負責制定），已有6個版本: 3GPP R9九、R四、R五、R六、R7和R8

具體的：

3G (R99), 引入全新的UTRAN

3G (R4),電路域採用移動軟交換

3G (R5), 引入IMS域

3G (R6),引入WLAN接入

3G (R7), 功能加強：

• CSI (Combination of CS and IMS services)：研究如何將CS承載和IMS結合起來爲用戶提供統一的業務，CS傳遞實時業務，IMS分組域傳遞非實時業務
• VCC (Voice Call Continuity)：解決CS域和IMS之間語音業務切換的連續性問題
• SMSIP: 研究如何經過IPCAN來提供短消息/多媒體消息業務
• FBI: IMS如何支持固定接入，借鑑TISPAN的研究成果
• LCS3: 如何在WLAN接入IMS的系統中提供定位業務
• E2EQos: 研究端到端的Qos機制，研究IMS中計費和策略控制框架的合併
• EC: 研究經過IMS如何提供緊急呼叫業務

2.IMS與現有通訊系統之間的關係

標準化組織在IMS上的協做

3.IMS與軟交換

IMS在3GPPRelease 5版本中提出，是對IP多媒體業務進行控制的網絡核心層邏輯功能實體的總稱。3GPP R5主要定義IMS的核心結構，網元功能、接口和流程等內容：R6版本增長了部分IMS業務特性、IMS與其餘網絡的互通規範和無線局域網（WLAN）接 入特性等；R7版本增強了對固定、移動融合的標準化制訂，要求IMS支持數字用戶線（xDSL）、電纜調制解調器等固定接入方式。

軟交換技術從1998年就開始出現而且已經歷了實驗、商用等多個發展階段，目前已比較成熟。全球範圍早已有多家電信運營商開展了軟交換試驗，發展至今，軟 交換技術已經具有了替代電路交換機的能力，並具有必定的寬帶多媒體業務能力。在軟交換技術已發展如此成熟的今天，IMS的出路在何方?又該如何發展和定位 呢?首先須要對IMS和軟交換進行較爲全面的比較和分析。

若是從採用的基礎技術上看，IMS和軟交換有很大的類似性：都是基於IP分組網；都實現了控制與承載的分離；大部分的協議都是類似或者徹底相同的；許多網關設備和終端設備甚至是能夠通用的。

IMS和軟交換最大的區別在於如下幾個方面。

（1）在軟交換控制與承載分離的基礎上，IMS更進一步的實現了呼叫控制層和業務控制層的分離；
（2）IMS起源於移動通訊網絡的應用，所以充分考慮了對移動性的支持，並增長了外置數據庫——歸屬用戶服務器（HSS），用於用戶鑑權和保護用戶業務觸發規則；
（3）IMS所有采用會話初始協議（SIP）做爲呼叫控制和業務控制的信令，而在軟交換中，SIP只是可用於呼叫控制的多種協議的一種，更多的使用媒體網關協議（MGCP）和H.248協議。
整體來說，IMS和軟交換的區別主要是在網絡構架上。軟交換網絡體系基於主從控制的特色，使得其與具體的接入手段關係密切，而IMS體系因爲終端與核心側 採用基於IP承載的SIP協議，IP技術與承載媒體無關的特性使得IMS體系能夠支持各種接入方式，從而使得IMS的應用範圍從最初始的移動網逐步擴大到 固定領域。此外，因爲IMS體系架構能夠支持移動性管理而且具備必定的服務質量（QoS）保障機制，所以IMS技術相比於軟交換的優點還體如今寬帶用戶的 漫遊管理和QoS保障方面。

3.IMS的特色和體系結構

1）特色：

• 採用分層的架構，便於網絡演進和業務部署：接入層、承載層、會話控制層、業務應用層
• 接入無關性，提供優越的融合特性：核心功能與接入技術無關
• 基於SIP的會話控制，具有良好的多媒體業務支持能力
• 採用分佈式開放性的體系結構，提供良好的可擴展性：開放的業務控制接口，擁有SIP的靈活和可擴展性
• 統一的用戶數據管理（HSS）
• 歸屬網絡服務控制，提供一致的用戶通訊體驗
• 基於iFC（初始過濾規則）的業務觸發機制，實現呼叫控制和業務邏輯的分離

2）分層體系結構：

3）功能實體簡要歸類

a)會話管理和路由類

• 服務呼叫會話控制功能S-CSCF
• 詢問呼叫會話控制功能I-CSCF
• 代理呼叫會話控制功能S-CSCF

b）數據庫

• 歸屬用戶服務器HSS
• 用戶定位功能SLF

c）網間配合實體

• 出口網關控制功能BGCF
• 媒體網關控制功能MGCF
• IP多媒體媒體網關功能IM-MGW
• 信令網關SGW

d）服務

• 應用服務器AS
• 媒體資源控制功能
• 媒體資源處理功能

e）支撐實體

• 拓撲隱藏功能 THIG
• 安全網關SEG
• 策略決策功能

f）計費

4.功能實體詳解

1）應用服務器

AS位於用戶的歸屬網絡或第三方網絡

• 負責提供應用邏輯和應用的運行環境
• 處理和影響從IMS發來的SIP會話
• 發起SIP請求
• 發送計費信息給CCF和OCS

根據提供業務的方式不一樣，AS分三類

• SIP AS：提供基於SIP的多媒體業務，如Presence
• OSA AS：由第三方提供基於OSA API開發的應用
• CSE：提供傳統的智能網業務

2）CSCF——Call Session Control Function

IMS系統中完成呼叫控制功能的核心組件，主要功能：信令路由，會話管理，資源分配，安全認證，業務觸發，計費控制。

a）P-CSCF：代理呼叫會話控制功能

IMS系統中用戶的第一個接觸點 ，主要功能：

• 做爲SIP Proxy，在UE和S/I-CSCF間轉發SIP請求和響應信令消息
• 異常會話釋放/註冊時，充當SIP UA發起SIP事務
• 檢測緊急會話
• 向CCF（計費採集功能）提供計費信息
• SIP信令完整性和機密性保護
• SIP消息的壓縮和解壓
• 向S-CSCF訂閱註冊事件包
• 執行媒體監管
• 維護會話計時器

b）I-CSCF：問詢呼叫會話控制功能

運營商歸屬網絡中爲全部鏈接到該運營商網絡的用戶的鏈接提供的一個聯繫點，主要功能：

• 註冊階段指定S-CSCF
• 獲取S-CSCF的名字
• 前轉SIP消息和響應給S-CSCF
• 向CCF提供計費信息
• 拓撲隱藏功能

c）S-CSCF：服務呼叫會話控制功能

IMS的核心所在，位於歸屬網絡，提供註冊和呼叫控制服務，主要功能：

• 註冊服務功能
• 基於AKA的認證
• 從HSS下載用戶信息和業務數據
• 消息路由和轉發
• 會話控制功能
• 與業務平臺交互
• E.164號碼與SIP URI之間的轉換
• 維護會話計時器、執行媒體監管、支持緊急呼叫
• 向CCF或OCS提供計費信息

d）HSS：歸屬用戶服務器

IMS中全部與用戶和業務相關數據的主要存儲器，主要數據包括:用戶身份、註冊信息、接入參數、業務觸發信息。

HSS功能包括三部分：

• IMS功能
• CS域HLR/AUC功能
• PS域HLR/AUC功能

e）MRF：媒體資源功能，多用於多方會話

MRFC：媒體資源功能控制器--對IMS域內部的媒體資源進行控制，經過H.248協議維護、控制MRFP中的媒體資源，與S-CSCF交互，間接接受AS的控制，向CCF或OCS提供計費信息。

MRFP：媒體資源功能處理器--對IMS域內部的媒體資源進行處理，接受MRFC的控制：H.248，完成對媒體流的編解碼、轉換、混合和播放等功能。

f）網關功能

• BGCF：外出網關控制功能--負責在IMS與PSTN/CS域互通時候選擇到CS域的出口的位置，即選擇MGCF或BGCF
• MGCF：媒體網關控制功能--IMS用戶與CS用戶互通的控制網關，控制IMS-MGW中媒體信道的鏈接，選擇CSCF，進行協議轉換：SIP與ISUP，並與SGW交互
• IMS-MGW：IMS媒體網關功能--在IMS與CS間提供用戶平面鏈路，在MGCF的控制下，完成媒體協議轉換、回聲消除、轉碼等功能
• SGW：信令網關--SIP與SS7之間的轉換，支持SIGTRAN

5.參考點

• ISC：S-CSCF與AS平臺之間，提供IMS業務控制機制的重要接口，基於SIP協議，傳送AS提供的業務相關的SIP消息。
• Cx：CSCF與HSS之間，提供S-CSCF分配、路由查詢、認證受權、業務過濾控制等功能，基於Diameter協議。
• Gm：UE與P-CSCF之間，基於SIP協議，完成註冊、呼叫控制、事務處理等功能。
• Mw：CSCF與CSCF之間，基於SIP協議，完成註冊、呼叫控制、事務處理等功能。
• Mg：MGCF與CSCF之間，基於SIP協議，負責將邊緣功能MGCF鏈接到IMS上。
• Mr：CSCF與MRFC之間，基於SIP協議，支持S-CSCF與MRFC之間的交互，是IMS域內實現多方會議的通道。
• Mp：MRFC與MRFP之間，MRF內部通道，兼容H.248/Megaco，支持MRFC對MRFP提供的資源的控制。
• Mn：MGCF與IMS-MGW之間，採用H.248，用於控制用戶平面資源。
• Mi：CSCF與BGCF之間，基於SIP協議，是IMS域內部與CS域互通的通道。
• Mj：BGCF與MGCF之間，基於SIP協議，是IMS內部與CS域互通的通道。
• Sh：HSS與AS（SIP AS及OSA AS）之間，基於Diameter協議，完成數據處理、訂購通知。
• Si：HSS與CAMEL SE之間，採用MAP協議，傳輸CAMEL訂購關係信息。

6.IMS的主要協議

主要是SIP，SDP，H.248/Megaco，Diameter。

1）IMS對SIP的擴展

SIP壓縮：SigComp

安全

CSCF路由

網絡發起的呼叫釋放

RFC3455定義了專用於3GPP IMS的SIP頭
P-Charging-Vector
P-Charging-Function-Address
P-Visited-Network-ID
P-Access-Network-Info
P-Associated-URI

2）Diameter協議

Diameter是IETF開發的用於認證、受權和計費（AAA）的協議，基於遠程撥入用戶認證服務（RADIUS）協議構建而成。

Diameter基本協議基於RFC3588，客戶/服務器協議，傳遞Diameter數據單元、協商能力集、處理錯誤並提供可擴展性，基於TCP或SCTP進行傳輸。

Diameter應用：定義了特定應用的功能和數據單元，有Diameter移動IP應用和Diameter SIP應用，應用於IMS系統。

3）Diameter SIP應用

定義了一個被SIP服務器用來實現對不一樣SIP資源進行受權的應用。

應用的接口：

• Cx：I/S-CSCF與HSS之間
• Dx：SLF與I-CSCF之間
• Sh：HSS與SIP AS及OSA AS之間
• Dh：SLF與AS之間

命令：

7.IMS標識

1）IMS用戶標識：私有用戶身份和公共用戶身份

a）私有用戶身份：

由歸屬網絡運營商定義的具備惟一性的全球身份，可用於在歸屬網絡中從網絡的角度惟一地標識用戶。私有用戶身份並非標識用戶自己，而是標識了用戶與 運營商的訂購/簽約關係，主要用於註冊過程當中對用戶進行認證，也能夠用於計費和管理目的。存儲在ISIM (身份模塊) 應用中，採用NAI (網絡接入標識符) 的形式： form_user@realm 。

b）公共用戶身份：

IMS網絡中的用戶身份，用於請求與其餘用戶進行通訊時使用的身份，能夠被公佈到號碼簿、主頁等上，ISIM中至少要存儲一個公共用戶身份。經過注 冊過程在網絡中註冊，網絡不對公共用戶身份進行認證，公共用戶身份的兩種形式：SIP URI sip:joe.doer@rims.example.com  、 tel URL tel:+358 50 1234567。

公共用戶身份與私有用戶身份之間的關係：

c）公共業務身份：

公共業務身份，對AS提供的業務進行標識，由用戶根據須要在AS中建立，使用以前不須要進行註冊。採用SIP URI形式，如標識消息列表業務的公共業務身份：sip:messagelist_joe@ims.example.com

d）網絡實體標識：

處理SIP路由的網絡節點經過SIP URI標識，例子： sip:finland.scscf@ims.example.com。

2）IMS身份模塊——ISIM

ISIM是位於UICC上的應用，用於存儲由運營商提供的IMS專用數據。

8.IMS的業務控制機制

1）IMS 用戶配置

用戶與運營商肯定訂購關係時，由運營商給用戶分配IMS用戶配置，永久存儲在HSS中。

2）初始過濾規則

初始過濾規則用來表示業務觸發信息，描述了S-CSCF什麼時候將到來的SIP消息進一步路由到一個特定的應用服務器。

初始過濾規則的建立：

初始過濾規則在用戶得到IMS訂購關係時建立

建立初始過濾規則須要考慮的問題：觸發點是什麼？當觸發點被匹配時，正確的AS是什麼？各初始過濾規則的優先級是什麼？若是應用服務器沒有應答，應該怎麼作？

初始過濾規則的結構：

3）IMS業務提供

IMS自己不是業務，而是基於SIP的控制體系，IMS業務觸發由S-CSCF完成。IMS爲業務的提供提供了必要的方法，包含3個步驟：

• 定義可能的業務或業務集
• 在用戶註冊時，以初始過濾規則的形式建立用戶特定的業務配置數據
• 根據業務配置數據中的初始過濾規則將到達S-CSCF的SIP請求轉發給AS

4）AS的選擇與AS的行爲

AS的選擇（業務控制）：S-CSCF下載初始過濾規則，註冊階段完成；S-CSCF進行業務控制，選擇AS；存在多個過濾規則時，須要進行屢次業務控制。

AS的可能行爲：UAC、UAS、Proxy Server、Redirect Server、B2BUA。

9.IMS的典型流程

1）P-CSCF的發現

a）使用DHCP和DNS發現P-CSCF：IP-CAN做爲DHCP中繼代理，經過DHCP機制給出P-CSCF的域名或IP地址

b）使用PDP上下文激活信令發現P-CSCF

2）用戶註冊/註銷

註冊：特色是歸屬域註冊，註冊先後及註冊期間的信息存儲：

a）用戶初始註冊：

b）用戶刷新註冊/註銷：

c）隱性註冊

經過一次註冊過程註冊多個公共用戶身份的機制。需先在HSS中定義隱性註冊集，經過訂閱/通知機制，UE能夠得到隱性註冊的公共用戶身份。

d）多個UE共享單個公共用戶身份進行通訊

前提：IMS支持多個UE註冊相同的公共用戶身份

多個UE共享單個公共用戶身份的方法：

• 基於用戶定義的優先級
• 基於SIP的Forking機制（順序、並行）

3）會話創建

漫遊移動發起端MO：

歸屬移動發起端MO：

漫遊移動終止端MT：

歸屬移動終止端MT：

4）會話創建（S-CSCF到S-CSCF）

a）會話的發起和終止由不一樣的網絡運營商來服務

b）會話的發起和終止由相同網絡運營商來服務

c）IMS會話創建

d）PSTN->IMS

e）IMS-> PSTN

如下是摘自http://blog.ixpub.net/html/96/12690296-146875.html的一篇關於IMS和軟交換的對比，寫的不錯：

1、       業務提供方式對比

1.     軟交換業務架構

因爲軟交換並未徹底實現業務與控制的分離，所以傳統的基本業務和一些補充業務仍然是經過軟交換來實現（方式一）。但對於更多的增值業務，軟交換還提供了多種方式進行業務提供，如圖 1 所示。

圖 1 軟義換多方式業務提供示意圖  

方式二：智能網業務方式。業務邏輯在 SCP 中駐留和運行，軟交換設備實現業務交換功能（ SSP ）觸發智能業務到智能網 SCP ，與 SCP 配合實現智能網提供的業務。  

方式三： SIP 應用服務器 方式。由運營商提供 SIP 應用服務器，其中的業務邏輯可直接訪問和控制軟交換設備提供的網絡能力，一般實現運營商的自營業務。  

方式四：第三方應用服務器方式。由運營商或者第三方服務提供商提供 Parlay 應用服務器，而運營商提供業務能力網關， Parlay 應用服務器中的業務邏輯經過業務能力網關間接訪問和控制軟交換設備提供的網絡能力，多用於運營商與第三方合做的業務，也可用於運營商自營業務。

2.   IMS 業務架構

       在 IMS 系統中，實現了業務與控制的徹底分離，全部的業務都是經過應用服務器來提供的，業務邏輯駐留於應用服務器中，用戶數據統一存儲 在 HSS ，如圖 2 所示。圖中的應用服務器包括三類： SIP 應用服務器， OSA 應用服務器及 IM-SSF 。 SIP 應用服務器 (SIP AS) 用於實現基於 SIP 的增值應用； SIP/OSA 應用服務器 (SIP/OSA AS) 經過 OSA 業務能力服務器（ OSA SCS ）與 IMS 核心網進行交互；而 IM-SSF 用於支持 IMS 用戶使用 現有智能網的能力。目前 IM-SSF 支持使用 CAMEL 的業務能力，爲考慮固定網絡的智能網業務， IM-SSF 的功能能夠擴展到對 INAP 的支持。

 

圖 2 IMS 業務架構

在這一架構中， IMS 的核心網元 S-CSCF 只經過 ISC 接口與應用平臺交互，從而使得業務接口和觸發方式得以標準 化，進而得到更好的開放性。對三種應用服務器的具體應用以下：

（ 1 ）基於 SIP 的應用服務器 （ SIP AS ）

SIP 應用服務器和 S-CSCF 之間直接利用 SIP 及其擴展的呼叫信令協議，所以不須要進行呼叫信令協議之間的轉換工做。另外因爲基於 SIP 能夠很是方便的實現語音 、數據以及視頻 等多媒體類的會話，所以基於 SIP 的應用服務器能夠高效率的提供各類新型的融合業務。

（ 2 ）基於 OSA 的應用服務器 （ OSA SCS ）

在對第三方應用方面， IMS 採用 Parlay/OSA API 。在 Parlay/OSA API 中，提供給應用的網絡功能實體被定義爲若干業務能力特徵（ SCF ）的集合，由業務能力服務器（ SCS ）支持，這些 SCF 爲應用開發提供了必要的網絡接入 功能。第三方應用服務器經過 Parlay/OSA API 和 SCS 相鏈接，而 OSA SCS 則在第三方應用服務器和 S-CSCF 之間負責 API 和 ISC 之間的映射。

（ 3 ）基於智能網的業務服務器 （ IM-SSF ）

現有的移動智能網以及固定智能網都已經提供了豐富的智能網業務，而且有着龐大的用戶羣，爲了兼容已有的網絡資源，實現技術和服務提供的平滑過渡， IMS 須要接入現有的智能網，而且還能夠實現將現有智能網的業務延伸到 IMS 用戶。目前經過 IM-SSF 接入現有移動智能網 CAMEL 已經完備。從 CAMEL 角度來看， IM SSF 是智能網的服務交換節點 SSP ，至關於 CAMEL 中業務交換功能 SSF 和呼叫控制功能 CCF 。 IM SSF 在 S-CSCF 和 CAMEL 之間實現 SIP 消息和 CAP 信令的映射。爲支持固定智能網， IM-SSF 須要支持 INAP 協議，相關的研究還正在進行中。

 

       從上面的分析能夠看出，軟交換和 IMS 均可以實現智能網提供業務和應用服務器提供業務，而且均可以開放接口給第三方使用，供第三方開發業務。可是因爲軟交換與不一樣的業務平臺之間採用的接口不一樣，而 IMS 則統一採用 ISC 接口，另外對於 IMS ，因爲 3GPP ， OMA 等組織造成了大量的基於應用服務器的業務規範，並能夠做爲業務引擎，供其餘的業務調用。所以 IMS 在業務提供的方便性、靈活性以及擴展性等方面都顯示出了優點。

2、       業務觸發機制對比

1.   軟交換觸發機制

       軟交換觸發機制有兩類：

（ 1 ）基於智能網的觸發機制

軟交換可做爲 SSP ，根據用戶的主叫屬性以及被叫屬性（ DP 點觸發）完成業務觸發，在 SCP 或者應用服務器的智能業務邏輯控制下實現智能業務。

（ 2 ）基於應用服務器的觸發機制

        根據用戶的 profile 或呼叫相關信息觸發到應用服務器。應用服務器提供標準接口與前端服務器鏈接 , 接受來自前端服務器的業務觸發信息和交互業務處理過程的信息。業務觸發信息可能包括鑑權信息（如主叫號碼、帳號、密碼）、發起方主機 IP 地址、被叫號碼、業務標識、業務配置信息。

2.   IMS 觸發機制

       IMS 的業務觸發機制是基於 iFC(Initial Filter Criteria) 實現的。業務的觸發在 S-CSCF 中完成，業務數據在註冊階段從 HSS 中下載到 S-CSCF 中，包括 Initial Filter Criteria 。在收到用戶會話請求後， S-CSCF 首先檢查 Initial Filter Criteria 中的觸發標準是否知足，而後再進行到用戶的路由 和呼叫控制。若是知足則經過 ISC 接口的 SIP 消息，將業務觸發到對應的業務平臺。業務平臺而後根據業務的既定邏輯流程，經過 SIP 消息對 S-CSCF 中的業務進行後續控制。

 

       從上述分析能夠看出，軟交換的業務觸發機制表現爲多樣性，既有基於傳統智能網模式的又有基於用戶業務數據的。而對於基於應用服務器的業務