NGN学习笔记5——IMS技术

1.移动网络的发展--引子

20世纪80年代，商业性移动通信网络得到发展

第一代移动通信系统：TACS、NMT等模拟系统

第二代移动通信系统：GSM、IS-95、DECT、IS-136等数字系统，目前建设的2G移动网络使用两种主要技术，GSM网络使用TDMA技术，大约占70%，IS-95网络基于CDMA技术，大约占25%。

1992年开始对3G移动通信系统进行研究：R99、R4、R5、R6、R7、R8、R9……

2G (GSM), 基于电路交换

2.5G (GPRS), 引入分组交换

3G时代的到来

1992年ETSI发起对即将到来的3G移动通信系统进行研究。采用2GHz附近的频率，支持多种空中接口：

• WCDMA——使用2GHz频谱的宽带码分多址接入
• EDGE——用于GSM演进的增强数据传输速率
• CDMA2000（1xRTT）——多载波SCDMA系统，用于在与IS-95相同的频带上建设CDMA网络
• TD-SCDMA——由中国提出

支持分组数据业务，采用通用体系结构——UMTS（由3GPP负责制定），已有6个版本: 3GPP R99、R4、R5、R6、R7和R8

具体的：

3G (R99), 引入全新的UTRAN

3G (R4),电路域采用移动软交换

3G (R5), 引入IMS域

3G (R6),引入WLAN接入

3G (R7), 功能增强：

• CSI (Combination of CS and IMS services)：研究如何将CS承载和IMS结合起来为用户提供统一的业务，CS传递实时业务，IMS分组域传递非实时业务
• VCC (Voice Call Continuity)：解决CS域和IMS之间语音业务切换的连续性问题
• SMSIP: 研究如何通过IPCAN来提供短消息/多媒体消息业务
• FBI: IMS如何支持固定接入，借鉴TISPAN的研究成果
• LCS3: 如何在WLAN接入IMS的系统中提供定位业务
• E2EQos: 研究端到端的Qos机制，研究IMS中计费和策略控制框架的合并
• EC: 研究通过IMS如何提供紧急呼叫业务

2.IMS与现有通信系统之间的关系

标准化组织在IMS上的协作

3.IMS与软交换

IMS在3GPPRelease 5版本中提出，是对IP多媒体业务进行控制的网络核心层逻辑功能实体的总称。3GPP R5主要定义IMS的核心结构，网元功能、接口和流程等内容：R6版本增加了部分IMS业务特性、IMS与其他网络的互通规范和无线局域网（WLAN）接 入特性等；R7版本加强了对固定、移动融合的标准化制订，要求IMS支持数字用户线（xDSL）、电缆调制解调器等固定接入方式。

软交换技术从1998年就开始出现并且已经历了实验、商用等多个发展阶段，目前已比较成熟。全球范围早已有多家电信运营商开展了软交换试验，发展至今，软 交换技术已经具备了替代电路交换机的能力，并具备一定的宽带多媒体业务能力。在软交换技术已发展如此成熟的今天，IMS的出路在何方?又该如何发展和定位 呢?首先需要对IMS和软交换进行较为全面的比较和分析。

如果从采用的基础技术上看，IMS和软交换有很大的相似性：都是基于IP分组网；都实现了控制与承载的分离；大部分的协议都是相似或者完全相同的；许多网关设备和终端设备甚至是可以通用的。

IMS和软交换最大的区别在于以下几个方面。

（1）在软交换控制与承载分离的基础上，IMS更进一步的实现了呼叫控制层和业务控制层的分离；
（2）IMS起源于移动通信网络的应用，因此充分考虑了对移动性的支持，并增加了外置数据库——归属用户服务器（HSS），用于用户鉴权和保护用户业务触发规则；
（3）IMS全部采用会话初始协议（SIP）作为呼叫控制和业务控制的信令，而在软交换中，SIP只是可用于呼叫控制的多种协议的一种，更多的使用媒体网关协议（MGCP）和H.248协议。
总体来讲，IMS和软交换的区别主要是在网络构架上。软交换网络体系基于主从控制的特点，使得其与具体的接入手段关系密切，而IMS体系由于终端与核心侧 采用基于IP承载的SIP协议，IP技术与承载媒体无关的特性使得IMS体系可以支持各类接入方式，从而使得IMS的应用范围从最初始的移动网逐步扩大到 固定领域。此外，由于IMS体系架构可以支持移动性管理并且具有一定的服务质量（QoS）保障机制，因此IMS技术相比于软交换的优势还体现在宽带用户的 漫游管理和QoS保障方面。

3.IMS的特点和体系结构

1）特点：

• 采用分层的架构，便于网络演进和业务部署：接入层、承载层、会话控制层、业务应用层
• 接入无关性，提供优越的融合特性：核心功能与接入技术无关
• 基于SIP的会话控制，具备良好的多媒体业务支持能力
• 采用分布式开放性的体系结构，提供良好的可扩展性：开放的业务控制接口，拥有SIP的灵活和可扩展性
• 统一的用户数据管理（HSS）
• 归属网络服务控制，提供一致的用户通信体验
• 基于iFC（初始过滤规则）的业务触发机制，实现呼叫控制和业务逻辑的分离

2）分层体系结构：

3）功能实体简要归类

a)会话管理和路由类

• 服务呼叫会话控制功能S-CSCF
• 询问呼叫会话控制功能I-CSCF
• 代理呼叫会话控制功能S-CSCF

b）数据库

• 归属用户服务器HSS
• 用户定位功能SLF

c）网间配合实体

• 出口网关控制功能BGCF
• 媒体网关控制功能MGCF
• IP多媒体媒体网关功能IM-MGW
• 信令网关SGW

d）服务

• 应用服务器AS
• 媒体资源控制功能
• 媒体资源处理功能

e）支撑实体

• 拓扑隐藏功能 THIG
• 安全网关SEG
• 策略决策功能

f）计费

4.功能实体详解

1）应用服务器

AS位于用户的归属网络或第三方网络

• 负责提供应用逻辑和应用的运行环境
• 处理和影响从IMS发来的SIP会话
• 发起SIP请求
• 发送计费信息给CCF和OCS

根据提供业务的方式不同，AS分三类

• SIP AS：提供基于SIP的多媒体业务，如Presence
• OSA AS：由第三方提供基于OSA API开发的应用
• CSE：提供传统的智能网业务

2）CSCF——Call Session Control Function

IMS系统中完成呼叫控制功能的核心组件，主要功能：信令路由，会话管理，资源分配，安全认证，业务触发，计费控制。

a）P-CSCF：代理呼叫会话控制功能

IMS系统中用户的第一个接触点 ，主要功能：

• 作为SIP Proxy，在UE和S/I-CSCF间转发SIP请求和响应信令消息
• 异常会话释放/注册时，充当SIP UA发起SIP事务
• 检测紧急会话
• 向CCF（计费采集功能）提供计费信息
• SIP信令完整性和机密性保护
• SIP消息的压缩和解压
• 向S-CSCF订阅注册事件包
• 执行媒体监管
• 维护会话计时器

b）I-CSCF：问询呼叫会话控制功能

运营商归属网络中为所有连接到该运营商网络的用户的连接提供的一个联系点，主要功能：

• 注册阶段指定S-CSCF
• 获取S-CSCF的名字
• 前转SIP消息和响应给S-CSCF
• 向CCF提供计费信息
• 拓扑隐藏功能

c）S-CSCF：服务呼叫会话控制功能

IMS的核心所在，位于归属网络，提供注册和呼叫控制服务，主要功能：

• 注册服务功能
• 基于AKA的认证
• 从HSS下载用户信息和业务数据
• 消息路由和转发
• 会话控制功能
• 与业务平台交互
• E.164号码与SIP URI之间的转换
• 维护会话计时器、执行媒体监管、支持紧急呼叫
• 向CCF或OCS提供计费信息

d）HSS：归属用户服务器

IMS中所有与用户和业务相关数据的主要存储器，主要数据包括:用户身份、注册信息、接入参数、业务触发信息。

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：媒体资源功能，多用于多方会话

MRFC：媒体资源功能控制器--对IMS域内部的媒体资源进行控制，通过H.248协议维护、控制MRFP中的媒体资源，与S-CSCF交互，间接接受AS的控制，向CCF或OCS提供计费信息。

MRFP：媒体资源功能处理器--对IMS域内部的媒体资源进行处理，接受MRFC的控制：H.248，完成对媒体流的编解码、转换、混合和播放等功能。

f）网关功能

• BGCF：外出网关控制功能--负责在IMS与PSTN/CS域互通时候选择到CS域的出口的位置，即选择MGCF或BGCF
• MGCF：媒体网关控制功能--IMS用户与CS用户互通的控制网关，控制IMS-MGW中媒体信道的连接，选择CSCF，进行协议转换：SIP与ISUP，并与SGW交互
• IMS-MGW：IMS媒体网关功能--在IMS与CS间提供用户平面链路，在MGCF的控制下，完成媒体协议转换、回声消除、转码等功能
• SGW：信令网关--SIP与SS7之间的转换，支持SIGTRAN

5.参考点

• ISC：S-CSCF与AS平台之间，提供IMS业务控制机制的重要接口，基于SIP协议，传送AS提供的业务相关的SIP消息。
• Cx：CSCF与HSS之间，提供S-CSCF分配、路由查询、认证授权、业务过滤控制等功能，基于Diameter协议。
• Gm：UE与P-CSCF之间，基于SIP协议，完成注册、呼叫控制、事务处理等功能。
• Mw：CSCF与CSCF之间，基于SIP协议，完成注册、呼叫控制、事务处理等功能。
• Mg：MGCF与CSCF之间，基于SIP协议，负责将边缘功能MGCF连接到IMS上。
• Mr：CSCF与MRFC之间，基于SIP协议，支持S-CSCF与MRFC之间的交互，是IMS域内实现多方会议的通道。
• Mp：MRFC与MRFP之间，MRF内部通道，兼容H.248/Megaco，支持MRFC对MRFP提供的资源的控制。
• Mn：MGCF与IMS-MGW之间，采用H.248，用于控制用户平面资源。
• Mi：CSCF与BGCF之间，基于SIP协议，是IMS域内部与CS域互通的通道。
• Mj：BGCF与MGCF之间，基于SIP协议，是IMS内部与CS域互通的通道。
• Sh：HSS与AS（SIP AS及OSA AS）之间，基于Diameter协议，完成数据处理、订购通知。
• Si：HSS与CAMEL SE之间，采用MAP协议，传输CAMEL订购关系信息。

6.IMS的主要协议

主要是SIP，SDP，H.248/Megaco，Diameter。

1）IMS对SIP的扩展

SIP压缩：SigComp

安全

CSCF路由

网络发起的呼叫释放

RFC3455定义了专用于3GPP IMS的SIP头
P-Charging-Vector
P-Charging-Function-Address
P-Visited-Network-ID
P-Access-Network-Info
P-Associated-URI

2）Diameter协议

Diameter是IETF开发的用于认证、授权和计费（AAA）的协议，基于远程拨入用户认证服务（RADIUS）协议构建而成。

Diameter基本协议基于RFC3588，客户/服务器协议，传递Diameter数据单元、协商能力集、处理错误并提供可扩展性，基于TCP或SCTP进行传输。

Diameter应用：定义了特定应用的功能和数据单元，有Diameter移动IP应用和Diameter SIP应用，应用于IMS系统。

3）Diameter SIP应用

定义了一个被SIP服务器用来实现对不同SIP资源进行授权的应用。

应用的接口：

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

命令：

7.IMS标识

1）IMS用户标识：私有用户身份和公共用户身份

a）私有用户身份：

由归属网络运营商定义的具有唯一性的全球身份，可用于在归属网络中从网络的角度唯一地标识用户。私有用户身份并不是标识用户本身，而是标识了用户与 运营商的订购/签约关系，主要用于注册过程中对用户进行认证，也可以用于计费和管理目的。存储在ISIM (身份模块) 应用中，采用NAI (网络接入标识符) 的形式： form_user@realm 。

b）公共用户身份：

IMS网络中的用户身份，用于请求与其他用户进行通信时使用的身份，可以被公布到号码簿、主页等上，ISIM中至少要存储一个公共用户身份。通过注 册过程在网络中注册，网络不对公共用户身份进行认证，公共用户身份的两种形式：SIP URI sip:[email protected]  、 tel URL tel:+358 50 1234567。

公共用户身份与私有用户身份之间的关系：

c）公共业务身份：

公共业务身份，对AS提供的业务进行标识，由用户根据需要在AS中创建，使用之前不需要进行注册。采用SIP URI形式，如标识消息列表业务的公共业务身份：sip:[email protected]

d）网络实体标识：

处理SIP路由的网络节点通过SIP URI标识，例子： sip:[email protected]。

2）IMS身份模块——ISIM

ISIM是位于UICC上的应用，用于存储由运营商提供的IMS专用数据。

8.IMS的业务控制机制

1）IMS 用户配置

用户与运营商确定订购关系时，由运营商给用户分配IMS用户配置，永久存储在HSS中。

2）初始过滤规则

初始过滤规则用来表示业务触发信息，描述了S-CSCF何时将到来的SIP消息进一步路由到一个特定的应用服务器。

初始过滤规则的创建：

初始过滤规则在用户获得IMS订购关系时创建

创建初始过滤规则需要考虑的问题：触发点是什么？当触发点被匹配时，正确的AS是什么？各初始过滤规则的优先级是什么？如果应用服务器没有应答，应该怎么做？

初始过滤规则的结构：

3）IMS业务提供

IMS本身不是业务，而是基于SIP的控制体系，IMS业务触发由S-CSCF完成。IMS为业务的提供提供了必要的方法，包含3个步骤：

• 定义可能的业务或业务集
• 在用户注册时，以初始过滤规则的形式创建用户特定的业务配置数据
• 根据业务配置数据中的初始过滤规则将到达S-CSCF的SIP请求转发给AS

4）AS的选择与AS的行为

AS的选择（业务控制）：S-CSCF下载初始过滤规则，注册阶段完成；S-CSCF进行业务控制，选择AS；存在多个过滤规则时，需要进行多次业务控制。

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

9.IMS的典型流程

1）P-CSCF的发现

a）使用DHCP和DNS发现P-CSCF：IP-CAN作为DHCP中继代理，通过DHCP机制给出P-CSCF的域名或IP地址

b）使用PDP上下文激活信令发现P-CSCF

2）用户注册/注销

注册：特点是归属域注册，注册前后及注册期间的信息存储：

a）用户初始注册：

b）用户刷新注册/注销：

c）隐性注册

通过一次注册过程注册多个公共用户身份的机制。需先在HSS中定义隐性注册集，通过订阅/通知机制，UE可以获得隐性注册的公共用户身份。

d）多个UE共享单个公共用户身份进行通信

前提：IMS支持多个UE注册相同的公共用户身份

多个UE共享单个公共用户身份的方法：

• 基于用户定义的优先级
• 基于SIP的Forking机制（顺序、并行）

3）会话建立

漫游移动发起端MO：

归属移动发起端MO：

漫游移动终止端MT：

归属移动终止端MT：

4）会话建立（S-CSCF到S-CSCF）

a）会话的发起和终止由不同的网络运营商来服务

b）会话的发起和终止由相同网络运营商来服务

c）IMS会话建立

d）PSTN->IMS

e）IMS-> PSTN

以下是摘自http://blog.ixpub.net/html/96/12690296-146875.html的一篇关于IMS和软交换的对比，写的不错：

一、       业务提供方式对比

1.     软交换业务架构

由于软交换并未完全实现业务与控制的分离，因此传统的基本业务和一些补充业务仍然是通过软交换来实现（方式一）。但对于更多的增值业务，软交换还提供了多种方式进行业务提供，如图 1 所示。

图 1 软义换多方式业务提供示意图  

方式二：智能网业务方式。业务逻辑在 SCP 中驻留和运行，软交换设备实现业务交换功能（ SSP ）触发智能业务到智能网 SCP ，与 SCP 配合实现智能网提供的业务。  

方式三： SIP 应用服务器 方式。由运营商提供 SIP 应用服务器，其中的业务逻辑可直接访问和控制软交换设备提供的网络能力，通常实现运营商的自营业务。  

方式四：第三方应用服务器方式。由运营商或者第三方服务提供商提供 Parlay 应用服务器，而运营商提供业务能力网关， Parlay 应用服务器中的业务逻辑通过业务能力网关间接访问和控制软交换设备提供的网络能力，多用于运营商与第三方合作的业务，也可用于运营商自营业务。

2.   IMS 业务架构

       在 IMS 系统中，实现了业务与控制的完全分离，所有的业务都是通过应用服务器来提供的，业务逻辑驻留于应用服务器中，用户数据统一存储 在 HSS ，如图 2 所示。图中的应用服务器包括三类： SIP 应用服务器， OSA 应用服务器及 IM-SSF 。 SIP 应用服务器 (SIP AS) 用于实现基于 SIP 的增值应用； SIP/OSA 应用服务器 (SIP/OSA AS) 通过 OSA 业务能力服务器（ OSA SCS ）与 IMS 核心网进行交互；而 IM-SSF 用于支持 IMS 用户使用 现有智能网的能力。目前 IM-SSF 支持使用 CAMEL 的业务能力，为考虑固定网络的智能网业务， IM-SSF 的功能可以扩展到对 INAP 的支持。

 

图 2 IMS 业务架构

在这一架构中， IMS 的核心网元 S-CSCF 只通过 ISC 接口与应用平台交互，从而使得业务接口和触发方式得以标准 化，进而获得更好的开放性。对三种应用服务器的具体应用如下：

（ 1 ）基于 SIP 的应用服务器 （ SIP AS ）

SIP 应用服务器和 S-CSCF 之间直接利用 SIP 及其扩展的呼叫信令协议，因此不需要进行呼叫信令协议之间的转换工作。另外由于基于 SIP 可以非常方便的实现语音 、数据以及视频 等多媒体类的会话，因此基于 SIP 的应用服务器可以高效率的提供各种新型的融合业务。

（ 2 ）基于 OSA 的应用服务器 （ OSA SCS ）

在对第三方应用方面， IMS 采用 Parlay/OSA API 。在 Parlay/OSA API 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。第三方应用服务器通过 Parlay/OSA API 和 SCS 相连接，而 OSA SCS 则在第三方应用服务器和 S-CSCF 之间负责 API 和 ISC 之间的映射。

（ 3 ）基于智能网的业务服务器 （ IM-SSF ）

现有的移动智能网以及固定智能网都已经提供了丰富的智能网业务，并且有着庞大的用户群，为了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，并且还可以实现将现有智能网的业务延伸到 IMS 用户。目前通过 IM-SSF 接入现有移动智能网 CAMEL 已经完备。从 CAMEL 角度来看， IM SSF 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 。 IM SSF 在 S-CSCF 和 CAMEL 之间实现 SIP 消息和 CAP 信令的映射。为支持固定智能网， IM-SSF 需要支持 INAP 协议，相关的研究还正在进行中。

 

       从上面的分析可以看出，软交换和 IMS 都可以实现智能网提供业务和应用服务器提供业务，并且都可以开放接口给第三方使用，供第三方开发业务。但是由于软交换与不同的业务平台之间采用的接口不同，而 IMS 则统一采用 ISC 接口，另外对于 IMS ，由于 3GPP ， OMA 等组织形成了大量的基于应用服务器的业务规范，并可以作为业务引擎，供其他的业务调用。因此 IMS 在业务提供的方便性、灵活性以及扩展性等方面都显示出了优势。

二、       业务触发机制对比

1.   软交换触发机制

       软交换触发机制有两类：

（ 1 ）基于智能网的触发机制

软交换可作为 SSP ，根据用户的主叫属性以及被叫属性（ DP 点触发）完成业务触发，在 SCP 或者应用服务器的智能业务逻辑控制下实现智能业务。

（ 2 ）基于应用服务器的触发机制

        根据用户的 profile 或呼叫相关信息触发到应用服务器。应用服务器提供标准接口与前端服务器连接 , 接受来自前端服务器的业务触发信息和交互业务处理过程的信息。业务触发信息可能包括鉴权信息（如主叫号码、账号、密码）、发起方主机 IP 地址、被叫号码、业务标识、业务配置信息。

2.   IMS 触发机制

       IMS 的业务触发机制是基于 iFC(Initial Filter Criteria) 实现的。业务的触发在 S-CSCF 中完成，业务数据在注册阶段从 HSS 中下载到 S-CSCF 中，包括 Initial Filter Criteria 。在收到用户会话请求后， S-CSCF 首先检查 Initial Filter Criteria 中的触发标准是否满足，然后再进行到用户的路由 和呼叫控制。如果满足则通过 ISC 接口的 SIP 消息，将业务触发到对应的业务平台。业务平台然后根据业务的既定逻辑流程，通过 SIP 消息对 S-CSCF 中的业务进行后续控制。

 

       从上述分析可以看出，软交换的业务触发机制表现为多样性，既有基于传统智能网模式的又有基于用户业务数据的。而对于基于应用服务器的业务