7.4.3 基于IMS的NGN
IP多媒体业务子系统(IP Multimedia Subsystem，IMS)与软交换技术一样，体系架构都采用了应用、控制和承载相互分离的分层架构思想;但IMS比软交换更进一步，能够将蜂窝移动通信网技术和Internet技术进行有机的结合。
1.IMS的概念
近年来，竞争的加剧和技术的进步，使得移动运营商需要考虑帮助用户获得更有竞争力的固网替代业务，而固网运营商则需要设法为固定宽带网络赋予移动的性能。此时，构建一个统一、融合的通信网络，成为电信业的共识。
要全面实现固定移动融合，新的体系架构应该满足以下3个方面的要求。
(a)应能提供电信级的QoS保证，即在会话建立的同时按需进行网络资源的分配，使用户能够随时随地享受到满意的实时多媒体通信服务。
(b)应能提供融合各类网络能力的综合业务，特别是电信和Internet相结合的业务。采用开放式业务提供结构，支持第三方业务开发，提供用户所需的个性化的多媒体业务。
(c)应能对业务进行有效而灵活的计费，即根据会话的业务类别、业务流量、业务时段等基本信息，制订不同的计费策略。
3GPP提出的IMS技术标准，很好地满足上述要求，实现了蜂窝移动通信网技术和Internet技术有机结合。由于其与接入无关、统一采用SIP协议进行控制、业务与控制分离、用户数据与交换控制分离等特性，IMS已经得到国际标准化组织的普遍认可，目前是NGN发展的一个主要技术方向。
2.IMS的体系结构
3GPP IMS的体系采用了分层结构，由下往上分为IP连通接入网络(IP Connectivity Accsess Netwrok，IP-CAN)、IP多媒体核心网络(IM CN)和业务网络3个层次，如图7-40所示。
图7-40 3GPP IMS的体系结构
IP-CAN位于网络的边缘，主要负责发起和终结各类SIP会话，实现IP分组承载与其他各种承载之间的转换，根据业务部署和会话层的控制实现各种QoS策略，以及完成与传统PSTN/PLMN间的互联互通。WCDMA的无线接入网络(RAN)以及分组域(PS Domain)、cdma2000网、WLAN或者ADSL、Cable都是常见的IP-CAN。
IM CN位于网络的核心，呼叫会话控制功能(Call Session Control Function，CSCF)、多媒体资源控制器(Multimedia Resource Function Controller，MRFC)、出口网关控制功能(Breakout Gateway Control Function，BGCF)和IP多媒体业务交换功能(IP Multimedia-Services Switching Function，IM-SSF)等都是这一层重要的功能实体。IM CN全部基于IP协议，主要完成基本会话的控制，完成用户注册、SIP会话路由控制，与应用服务器交互执行应用业务中的会话、维护管理用户数据、管理业务QoS策略等功能。
业务网络则通过CAMEL、OSA/Parlay和SIP技术提供多媒体业务的应用平台，可以实现传统的基本电话业务，如呼叫前转、呼叫等待、会议等业务，也可以向用户提供多媒体业务逻辑。
3.IMS的特点
IMS基于全IP，采用SIP协议进行控制，可以同时支持固定和移动的多种接入方式，实现固定网与移动网的融合。IMS体系架构具有如下特点。
(1)与接入无关
IMS架构中终端通过IP与网络连通，而不需要通过综合接入设备(IAD)、接入网关(AG)等设备来适配，真正实现与接入无关。
(2)协议统一
统一采用SIP协议进行控制。SIP简洁高效、可扩展性和适用性好，使IMS能够灵活便捷地支持广泛的IP多媒体业务;并且SIP可与现有固定IP数据网平滑对接，便于实现固定和无线网络的互通。
(3)业务与控制分离
IMS定义了标准的基于SIP的IP多媒体业务控制接口(IP Multimedia Service Control，ISC)。IMS网络中的CSCF不再处理业务逻辑，而是只为业务提供基础能力支持，包括用户注册、地址解析和路由、安全、计费、SIP压缩等。通过分析用户签约数据的初始过滤规则，CSCF触发到规则指定的应用服务器，由应用服务器完成业务逻辑处理。这样的方式使得CSCF成为一个真正意义上的控制层设备，实现了业务与控制的完全分离。
(4)用户数据与交换控制分离
用户数据与交换控制功能分离是移动网络的特点，而IMS实现固定网与移动网的融合，因此也具有此优势。IMS在用户数据分离方面的一个特点是与HSS(Home Subsciber Server)的访问接口利用IETF定义的Diameter协议替换了原先移动网络中的MAP协议，利于固定移动网络融合和向全IP网络演进。
(5)归属服务控制
IMS要求用户从拜访地接入网络后，必须回到归属地，由归属的CSCF进行用户的注册、呼叫控制和业务触发。这种控制方式有利于运营商对网络的控制和管理，尤其是计费和服务质量的管理。
(6)水平体系架构
IMS采用水平的体系结构，业务使能和公共功能都可以重新用于其他多种应用，运营商无须再为特定应用建设单独的网络，从而避免了传统网络结构在计费管理、状态属性管理、组群和列表管理、路由和监控管理方面的功能重叠。
(7)策略控制和QoS保证
IMS中提供策略控制和QoS保证机制。终端在会话建立时协商媒体能力并提出QoS要求，策略控制单元则在会话建立之前在传输层为媒体流预留资源，从而保证QoS。
4.IMS的功能实体
IMS的系统结构如图7-41所示，主要的功能实体包括:呼叫会话控制功能(CSCF)、归属用户服务器(HSS)、媒体网关控制功能(MGCF)、IP多媒体-媒体网关功能(IM-MGW)、多媒体资源功能控制器(MRFC)、多媒体资源功能处理器(MRFP)、签约定位器功能(SLF)、出口网关控制功能(BGCF)、信令网关(SGW)、应用层网关(ALG)、翻译网关(TrGW)、策略决策功能(PDF)、应用服务器(AS)、多媒体域业务交换功能(IM-SSF)和业务能力服务器(OSA-SCS)。其中IMS的核心处理部件CSCF按功能可分为P-CSCF、ICSCF、S-CSCF三个逻辑实体。
(1)代理CSCF(P-CSCF)
P-CSCF是IMS中用户的第一个接触点。所有的SIP信令，无论是来自用户终端设备(User Equipment，UE)的还是发给用户终端设备的，都必须经过P-CSCF。P-CSCF就像一个代理服务器，负责验证请求，将它转发给指定的目标，并且处理和转发响应。
P-CSCF具有如下功能。
(a)将UE发来的注册请求消息转发给I-CSCF，该I-CSCF由UE提供的归属域名决定。
(b)将从UE收到的SIP请求和响应转发给S-CSCF。
(c)将SIP请求和响应转发给UE。
图7-41 IMS的功能实体和接口
(d)发送计费相关的信息给计费采集功能CCF。
(e)提供SIP信令的完整性和机密性保护，并且维持UE和P-CSCF之间的安全联盟。
(f)可以执行SIP消息压缩/解压缩。
(g)和PDF交互，授权承载资源并进行QoS管理。
(h)向S-CSCF订阅一个注册事件包，这是为了下载隐式注册的公有用户标识和获取网络发起的注销事件的通知。
(2)查询CSCF(I-CSCF)
I-CSCF可以充当网络所有用户的连接点，也可以用作当前网络服务区内漫游用户的服务接入点。在一个运营商的网络中可以有多个I-CSCF。
I-CSCF具有如下功能。
(a)为一个发起SIP注册请求的用户分配一个S-CSCF，即S-CSCF指派。
(b)在对会话相关和会话无关的处理中，将从其他网络来的SIP请求路由到S-CSCF;查询HSS，获取为某个用户提供服务的S-CSCF的地址;根据从HSS获取的S-CSCF的地址将SIP请求和响应转发到S-CSCF。
(c)生成计费记录，发给CCF。
(d)提供网间拓扑隐藏网关功能，对外隐藏运营商网络的配置、容量和网络拓扑结构。
(3)服务CSCF(S-CSCF)
S-CSCF是IMS的核心，它位于归属网络，为UE进行会话控制和注册服务。它可以根据网络运营商的需要，维持会话状态信息，并根据需要与服务平台和计费功能进行交互。
在一个呼叫过程中，S-CSCF具有如下功能。
(a)充当注册服务器接收注册请求，接收注册请求后，通过位置服务器(如HSS)来使该请求的信息生效，得到UE的IP地址以及哪个P-CSCF正在被UE用作IMS入口等信息。
(b)通过IMS认证和密钥协商AKA机制来实现UE和归属网络间的相互认证。
(c)处理会话相关与会话不相关的消息流，包括:为已经注册的会话终端进行会话控制;作为一个代理服务器，把收到的请求进行处理或转发;作为一个用户代理，中断或独立发起SIP事务;与服务平台交互来向用户提供服务;提供终端相关的服务信息。
(d)当代表主叫的终端时，根据被叫的名字(如电话号码或SIP URL)从数据库中获得为该被叫用户提供服务的I-CSCF的地址，把SIP请求或响应转发给该I-CSCF;或者根据运营策略，把SIP请求或响应转发给IP多媒体核心网于系统外的SIP服务器;当呼叫要路由到PSTN或CS域时，把SIP请求或响应转发给BGCF。
(e)当代表被叫的终端时，若用户在归属网络中，则把SIP请求或响应转发给P-CSCF;若用户在拜访网络中，则把SIP请求或响应转发给I-CSCF。根据HSS和业务控制功能的交互作用，把要路由到CS域的入局呼叫的SIP请求进行修改。当呼叫要路由到PSTN或是CS域时，把SIP请求或响应转发给BGCF。
(f)使用ENUM服务器将E.164数字翻译成SIP URI。
(g)发送计费相关的信息给CCF进行离线计费，或者把计费相关信息发送给在线计费系统OCS进行在线计费。
(4)归属用户服务器(HSS)
HSS是IMS中所有与用户和服务器相关的数据的主要存储服务器。存储在HSS的IMS相关数据主要包括用户身份信息(用户标识、号码和地址)、用户安全信息(用户网络接入控制的鉴权和授权信息)、用户的位置信息和用户的签约业务信息。
HSS具有如下功能。
(a)支持用户在CS域、PS域和IMS域的移动性管理。
(b)支持CS域、PS域和IMS域的呼叫/会话建立。对于被叫业务，它提供当前用户的呼叫/会话的控制实体信息。
(c)支持接入CS域、PS域和IMS域的鉴权过程。
(d)提供CS域、PS域和IMS域使用的业务签约数据。
(e)处理用户在各系统(CS域、PS域和IMS)的所有标识之间恰当的关联关系。例如，CS域的IMSI和MSISDN，PS域的IMSI、MSISDN和IP地址，IMS域的用户私有标识和用户公有标识。
(f)在MSC/VLR、SGSN或CSCF请求的用户移动接入时，HSS通过检查用户是否允许漫游到此拜访网络，进行移动接入授权。
(g)为被叫的会话建立提供基本的授权，提供业务触发，同时负责把用户业务相关的更新信息提供给相关网络实体，如MSC/VLR、SGSN和CSCF。
(h)支持应用业务和CAMEL业务。
(5)签约定位器功能(SLF)
SLF主要用于确定包含某用户数据的HSS的域名，但一个单HSS的IMS系统不需要SLF。
(6)出口网关控制功能(BGCF)
BGCF用来选择与PSTN/CS域接口点相连的网络。当BGCF发现与被叫PSTN/CS用户会话实现互通的MGCF与自己处于同一运营商网络中时，直接选择一个本地MGCF，由该MGCF负责与PSTN/CS域进行交互。若与被叫PSTN/CS用户会话实现互通的MGCF与自己处于不同的运营商网络，则BGCF会选择对方运营商网络中的一个BGCF，由后者最终选择互通MGCF。若网络运营需要隐藏网络拓扑，则BGCF会将消息首先发给本网的I-CSCF进行SIP路由拓扑隐藏处理，然后由I-CSCF转发到对方运营商网络的BGCF。此外，BGCF可支持计费功能，生成计费相关的信息并送往CCF。
(7)媒体网关控制功能(MGCF)
MGCF是使IMS用户和PSTN/CS用户之间进行通信的网关，其基本功能如下。
(a)实现IMS与PSTN/CS的控制面交互，支持IMS的SIP协议与PSTN/CS域呼叫控制协议ISUP/BICC的交互及会话互通。
(b)通过控制IM-MGW完成PSTN/CS域承载与IMS域用户面RTP的实时转换，以及必要的编解码转换。
(c)对来自PSTN/CS域指向IMS用户的呼叫进行号码分析，选择合适的CSCF。
(d)生成计费相关的信息并送往CCF。
(8)IP多媒体-媒体网关(IM-MGW)
IM-MGW主要用于IMS用户面IP承载与PSTN/CS域承载之间的转换，可以根据来自MGCF的资源控制命令，完成互通两侧的承载连接的建立/释放和映射处理，并控制用户面的特殊资源处理，包括音频Codec转换、回声抑制控制等。
(9)信令传输网关功能(T-SGW)
T-SGW完成信令传输层的转换，即在Sigtran/SCTP/IP和No.7信令系统MTP间进行转换。T-SGW不对应用层的消息进行解释，但必须对底层的SCCP或SCTP消息进行解释从而保证信令的正确路由。
(10)应用层网关(ALG)
IMS ALG在SIP/SDP协议层提供特定的功能，它使IPv6和IPv4 SIP应用间能够互通，因而用于在两个运营商域间进行互连。
(11)多媒体资源功能控制器(MRFC)
MRFC位于IMS控制面，其基本功能如下。
(a)接收来自AS或S-CSCF的SIP控制命令并控制MRFP上的媒体资源，支持增强媒体控制(高级会议、IVR等)。
(b)控制MRFP中的媒体资源，包括输入媒体流的混合(如多媒体会议)、媒体流发送源处理(如多媒体公告)、媒体流接收的处理(如音频的编解码转换、媒体分析)等。
(c)生成MRFP资源使用的相关计费信息，并传送到CCF或OCS。
(12)多媒体资源功能处理器(MRFP)
MRFP位于IMS承载面，其基本功能包括:
(a)在MRFC的控制下进行媒体流及特殊资源的控制。
(b)对外部提供RTP/IP的媒体流连接和相关资源。
(c)支持多方媒体流的混合的功能(如音频/视频多方会议)。
(d)支持媒体流发送源处理的功能(如多媒体公告)。
(e)支持媒体流的处理的功能(如音频的编解码转换、媒体分析)。
5.IMS的接口和协议
IMS不同的功能实体之间使用不同的接口通信，现将这些接口及功能列举如下。
(a)Gm接口:用于UE和CSCF之间的通信，主要完成UE注册、鉴权和会话控制。该接口采用SIP协议。
(b)Mw接口:用于连接不同CSCF，在各类CSCF之间转发注册、会话控制及其他事务处理消息，例如P-CSCF使用该接口来将注册请求发送到I-CSCF，然后I-CSCF将该请求发送到S-CSCF。该接口采用SIP协议。
(c)Cx接口:用于在HSS和CSCF之间传递用户的安全参数;注册用户指派S-CSCF;查询路由信息;检查用户漫游是否许可;过滤规则控制，从HSS下载用户的过滤参数到S-CSCF上。该接口采用Diameter协议。
(d)Mg接口:用于S-CSCF与MGCF之间，实现主叫用户S-CSCF到各MGCF以及各MGCF到被叫用户S-CSCF的SIP会话双向路由功能。该接口采用SIP协议。
(e)Mi接口:用在IMS网络和CS域互通时，在CSCF和BGCF之间传递会话控制信令。该接口采用SIP协议。
(f)Mk接口:用于BGCF将会话控制信令转发到另一个BGCF。该接口采用SIP协议。
(g)Mm接口:用于CSCF与其他IP网络之间，负责接收并处理一个SIP服务器或终端的会话请求。该接口采用SIP协议。
(h)Mj接口:用在IMS网络和CS域互通时，在BGCF和MGCF之间传递会话控制信令。该接口采用SIP协议。
(i)Mn接口:用于MGCF和IM-MGW之间，完成灵活的连接处理，支持不同的呼叫模型和不同的媒体处理，以及IMS-MGW物理结点上资源的动态共享。该接口采用H.248协议。
(j)Mr接口:用于CSCF与MRCF之间，由CSCF将来自SIP AS的资源请求消息转发到MRFC，由MRFC最终控制MRFP完成与IMS终端用户之间的用户面承载建立。该接口采用SIP协议。
(k)Mp接口:用于MRFC与MRFP之间，采用H.248协议。MRFC通过该接口控制MRFP处理媒体资源，如放音、会议、DTMF收发等资源。
(l)Dx接口:用于CSCF和SLF之间的通信，确定用户签约数据所在的HSS的地址。该接口采用Diameter协议。
(m)Gq接口:用于P-CSCF与PDF之间传输策略配置信息，接口采用Diameter协议。
(n)Go接口:用于PDF与GGSN之间，完成PDF在GGSN里承载策略的应用，即在会话建立过程中，GGSN向PDF请求QoS承载资源的授权，PDF向GGSN下发QoS控制策略授权结果，指示其在接入网内执行接入技术的指定策略控制和资源预留;资源预留成功且会话接通后PDF通知GGSN最终执行QoS策略，并打开Gate控制;会话结束后，PDF将释放该策略。该接口采用COPS协议。
6.IMS业务的实现
通过IMS体系架构为用户提供的业务有很多种类，按照业务特点，这些业务可以分为三类，即IP多媒体电话业务、业务引擎(Enabler)和增强业务。
(a)IP多媒体电话业务包括实时的语音、视频或数据通信业务，如紧急呼叫业务、合法侦听业务等。这些业务类似于传统交换机提供的基本业务和补充业务。
(b)业务引擎实现一些基本的业务能力，其他的业务通过调用业务引擎，能够实现不同功能的业务。业务引擎主要包括Presence业务、即时消息(Instant Message)和组管理等。
(c)增强业务包括传统智能网业务和通过开放的、标准的API接口开发部署的业务。这类业务种类繁多，并且不同运营商、不同厂家叫法不同。
IMS业务架构由S-CSCF以及各种应用服务器组成，共分三层:最上层是应用服务器(AS)，第二层是业务能力服务器(SCS)，第三层是S-CSCF，如图7-42所示。应用服务器有Camel IM-SSF、SIP应用服务器和OSA(Open Services Access-Gateway)应用服务器。
图7-42 IMS业务架构
相应地，3GPP IMS有三种实现业务的方式:IM SSF方式、SIP应用服务器方式和OSA应用服务器方式。
(1)IM SSF方式
IMS通过IM-SSF和传统智能业务(CAMEL、INAP等)的互通，很好地继承了CS和PS已有的智能业务。
(2)SIP应用服务器方式
IMS通过AS可以提供基于SIP的非传统电信业务，如IM、PTT、Presence等IP多媒体电话业务和业务引擎。此时，业务逻辑在SIP应用服务器执行。
(3)OSA应用服务器方式
IMS允许由第三方提供业务，通过OSA-GW为第三方应用服务提供开放和安全的使用网络资源的能力。