IMS业务架构研究

IMS业务架构研究

摘 要：3GPP在UMTS R5中提出的IP多媒体子系统（IMS）采用无线技术，能使任何移动用户能随时随地享用到Internet业务，UMTS前面版本中提出的PS域也可提供实时多媒体业务，但PS域是在没有QoS条件下，提供尽力而为的服务，这样导致了实时多媒体会话的质量难以保证。R5中提出的IMS在以下三个方面进行了改善：QoS、计费和对不同业务的融合，为进一步在PS域上开展新业务提供了很好的平台基础。本文主要对IMS系统的网络结构进行了详细分析，包括实现IMS处理多媒体会话控制的各种功能单元，并在此基础上研究了IMS的业务框架。
关键字：IP多媒体子系统 CSCF 业务体系架构 ISC接口 AS（应用服务器）

一、IMS系统概述

　　IMS是基于UMTS核心网分组域（PS域）上的，用PS域来传输呼叫控制信令，并负责承载数据业务，是独立于CS域的，但保持与CS域的互通。IMS建立了对呼叫/会话进行控制的软交换平台，控制信令在经过SGSN、GGSN节点后，就会与媒体平面的消息分开，信令消息将在CSCF间根据用户配置进行传送，媒体消息则在信令选择的路径上传送。3GPP在定义IMS时，并没有对节点标准化，而更多的是定义了很多功能，这些功能间由标准接口来连接。其在核心网络中位置如图1所示。详图见2005第三期杂志

二、IMS网络单元分析

　　下面详细分析IMS系统结构的各个网络单元，可以从以下几个方面来看：由于IMS是在PS域的基础上架构的，如果网络是基于IP的，呼叫控制的实现主要是通过CSCF、HSS来实现，但考虑到现存的各种CS域网元，便通过一些互通实体BGCF、MGCF、MGW、SGW等来实现与PSTN/CS域的通信，而为了实现多方通信，便增加了MRF媒体资源功能。

1. IMS呼叫控制功能

　　（1）CSCF（Call Session Control Function，呼叫会话控制功能）IMS中最重要的功能实体是呼叫会话控制功能（CSCF），负责对用户多媒体会话进行处理，其功能包括多媒体会话控制、地址翻译以及对业务协商进行服务转换等。CSCF在IMS中实现了多媒体呼叫中主要的软交换控制功能，可以看作IETF架构中的SIP Server，用于完成呼叫网关功能、呼叫业务触发功能和路由选择功能，根据各自不同的功能分为以下三种：

①P-CSCF（Proxy-CSCF）

　　此单元是接入网到IMS的最先连接点，位于访问域中。从SIP观点看，P-CSCF是作为一个出界、入界的SIP代理服务器。P-CSCF从接入网中收到UA（User Agent）发来的SIP注册和会话建立消息，转发到归属域中的I-CSCF，再发至相应的S-CSCF，反之也是。P-CSCF不会对SIP的INVITE消息中请求的URL进行修改，仅将收到的请求消息进行转发。其内部的策略判决功能（PDF）模块对多媒体业务的QoS要求进行策略判决。

主要功能：

◆ 把UE发来的SIP注册请求转发给I-CSCF，该I-CSCF由UE提供的域名决定；

◆ 把UE发来的SIP消息转发给S-CSCF，该S-CSCF由P-CSCF在UE发起注册流程时得到。

②I-CSCF（Interrogating-CSCF）

　　此单元位于归属域中，是从访问域到归属域的入口点，也是IMS与其他PLMN的主要连接点，能屏蔽用户信息和网络拓扑，是可选节点。可将I-CSCF看作SIP Proxy，用来给每个呼叫灵活选择相应的S-CSCF，向HSS请求，查找HSS中的用户属性来确定是由哪个（些）S-CSCF来为该用户服务；另外若有多个S-CSCF来完成负载分担，I-CSCF就是用来完成这些S-CSCF的分配，可能基于轮询或者其他机制。主要功能：

◆ 注册功能：为用户指定一个S-CSCF来执行SIP注册。

◆ 对消息流的处理功能：从HSS中获取S-CSCF的地址，转发SIP请求；将其他网络传来的SIP请求路由到S-CSCF。

③S-CSCF（Serving-CSCF）

　　与I-CSCF一起位于归属域中，是整个IMS的控制核心、IMS会话管理的执行节点，控制呼叫和业务的相关状态，与SCP中的应用服务器互通。

　　可看作是SIP Registrar 和SIP Proxy，用来接受用户注册，进行URI分析和重定向路由、触发应用服务器以及完成呼叫的控制和接续。维持了用户位置和用户SIP地址的绑定，S-CSCF包含有网络运营上所需的状态信息，以协助进行IMS网络的注册、会话控制和业务支持。

主要功能：

◆ 注册功能：作为一个注册机，接收注册请求后，通过HSS使注册请求生效。

◆ 对消息流的处理：对已注册的会话终端进行会话控制，可作为Proxy-Server，接收请求后，进行内部的处理或转发，也可作为UA，中断或发起SIP事务。

◆ 与业务平台进行交互，提供多媒体业务。

呼叫控制流程：

◆ 当代表主叫终端时，从数据库中取出为被叫用户提供服务的I-CSCF地址，判断若在另一网络，把SIP请求转发给该网络的I-CSCF；若呼叫要路由到PSTN电路域，则转发给BGCF。

◆ 当代表被叫终端时，若用户在归属网中，把SIP请求转发到P-CSCF；若用户在访问域中，就将SIP请求发给I-CSCF；当呼叫要路由到PSTN/CS域，就将SIP呼叫转给BGCF。

④基于SIP的各单元接口

　　IMS中呼叫控制的具体接口如图2所示，其中各CSCF间接口为Mw，CSCF与其他网络接口为Mm，CSCF与MGCF接口为Mg。各接口采用的协议均是基于对话的SIP。

　　（2）HSS（Home Subscriber Server，归属签约用户服务器）HSS是集中的用户数据库系统，存放着用户的认证信息、用户的业务信息、用户的漫游信息等等。HSS也用来记录用户的原始计费数据，并提供给分拣系统出账单。HSS是由归属位置寄存器（HLR）和鉴权中心（AUC）演进而来，保存了用户文件和现在正由哪个核心网络对这个用户服务的有关信息。它也支持用户认证和授权功能（AAA）。HSS使用的Cx接口是惟一一个不基于IETF的协议，而是基于IP的（类似于DNS）。

　　网络可能配有多个HSS，这时需要配置SLF（Subscriber Location Function，签约用户位置功能），SLF是一个简单的数据库，将用户地址映射到HSS，以用户地址作为SLF的输入，请求获得包含了该用户配置信息的HSS作为输出。HSS和SLF都执行Diameter协议，作为认证和鉴权的应用。

（3）基于IP的网络单元间的通信流程

　　如果所处的环境是所有会话均在支持IP的终端上进行的，那么仅需要CSCF和HSS就够了，其通信流程如图3所示。(详图请见2005第三期杂志)

2. IMS与现存网络互通节点

　　实际上所处的环境中，并非所有会话均在支持IP的终端上进行，还有很长的与现存PSTN和移动网络的过渡时期，所以IMS提供了与现存网络互通的节点，主要有：

（1）MGCF（Media Gateway Control Function，媒体网关控制功能）

　　控制一个或多个IM-MGW中媒体信道的连接，管理PSTN承载和IP流间的连接，从CSCF那里收到SIP消息，确定IM-MGW要建立什么内容，并创建适当的ISUP消息，送到T-SGW。

　　MGCF根据被叫号码和来话情况选择CSCF，并完成PSTN与IMS之间的呼叫控制协议转换。主要是将IP消息转换成ISUP或Megaco消息。

（2）BGCF（Breakout Gateway Call Function，出口网关控制功能）

　　BGCF主要实现呼叫路由功能，用来选择与PSTN/CS域切入点相连的网络，收到S-CSCF请求，为呼叫选择适当的PSTN接口点。

①若发现该接口点与自己在同一网络，则选一个MGCF，由MGCF来负责与PSTN交互。

②若发现接口点在另一网络时，BGCF会把会话信令转发给另一网络相应的BGCF。

（3）IM-MGW（IP Multimedia-MGW，IP多媒体媒体网关控制器）在MGCF控制下完成资源控制，通过回波消除器和码转换器，实现媒体转换和帧协议转换功能，将媒体从一个形式转换到另一个形式，UMTS中一般是PSTN的PCM和基于IP的编解码格式。

（4）T-SGW（Signal Gateway，信令网关）

　　完成传输层的信令转换，不对应用层消息解释，仅对底层的SCTP进行解释，保证信令正确路由。IMS中多数通信都是基于IP的，仅在与PSTN和现存的移动网互通的信令路径上不是，PSTN目前只能理解SS7，T-SGW就是将SS7向IP转换（即SCTP/IP和SS7 MTP间），如果将来MGCF能支持SS7，就不再需要SGW了。

（5）互通时的通信流程

　　移动终端发送一个请求消息，来建立一个业务，从SGSN到GGSN，该请求被发送给S-CSCF（经P-CSCF和I-CSCF），由S-CSCF来确定如何建立通信链路。

①与PSTN互通

　　若S-CSCF判定呼叫要传往PSTN，则将INVITE消息转发给网内的BGCF，BGCF依据Local Policy来选择互通发生的网络，若判断互通发生在同一网络内，BGCF会选择MGCF来执行互通，若不在同一网络内，传给该网中的BGCF，由MGCF来控制MGW转换媒体，并执行互通。流程图如图4所示。

②与承载互通

　　IMS上的语音承载需与其他网络互通，由MGW来支持，该MGW需能支持双方的编解码转换。与CS网（PSTN、ISDN、PLMN的CS域）互通，是支持AMR到G.711实现的。

3. IMS多方会话功能单元

　　如果遇到多方会话时，加入了MRF模块。MRF分为MRFC（Media Resource Function - Controller Part，多媒体资源功能控制部分）和MRFP（Media Resource Function - Process Part，多媒体资源功能处理部分），分别完成媒体流的控制和承载功能，根据S-CSCF和/或应用服务器的调用，MRFC通过H.248和RTSP协议控制MRFP完成相应的媒体流编解码、转换、混合和播放。

　　（1）MRFC（Media Resource Function Controller Part）控制MRFP中的媒体流资源，翻译来自应用服务器和S-CSCF的信息。

　　（2）MRFP（Media Resource Function Process Part）控制Mb接口点的承载，处理多媒体流（如语音编码的转换、媒体流分析等），在多方会议时，混合输入的媒体流。

三、IMS组网结构分析

　　为了表示其具有自组网能力，可以将其组件分处在三个逻辑区域：归属域（Home Network）、访问域（Visit Network）和网关域（Gateway Network）。

1. IMS归属域与访问域

　　网关域的功能非常简单，就是完成IMS和话音交换网（PSTN、PLMN以及MSC-S域等等）的互通。媒体网关MGW完成媒体流的转换，即PCM媒体流到RTP媒体流的编解码转换，并在媒体网关控制器MGC的控制下完成呼叫的接续，控制协议采用的是H.248或者MGCP，它也要同时处理来自话音交换网的ISUP信息和来自IMS的SIP信息，并完成被叫定位，路由分析等相关事件；信令网关SGW使基于MTP的ISUP（SCCP）信息能在IP网上转送到MGC，通常采用的是ISUP（SCCP）/M3UA/SCTP/IP方式。

　　访问域包含SIP客户端和P-CSCF（Proxy CSCF），P-CSCF其本质是一个SIP Proxy，其作用是受理所有SIP客户端的注册和呼叫，根据主叫/被叫的SIP URI去找到其相应的归属域，完成注册过程和呼叫接续。多个P-CSCF可以共同存在用来完成负载分担，在规划网络的时候，可以根据该区域内活动用户数目（包括本地用户和漫游用户）来配置P-CSCF的数量。

　　归属域对应于SIP URI（SIP：user@domain）中的domain，一般来说，每个domain都应该有自己的归属域，但是对于用户数目不多的domain来说，其实几个domain可以共享一套归属域设备，这也意味着运营商可以将归属域设备租用给企业用户，因此企业用户不需要购置相对昂贵的归属域设备。

　　采用这种分为访问域和归属域的结构，优点在于，由归属域来提供业务特征，这就意味着移动终端不受限于访问网络的性能，避免了像当前网络中业务的提供非常受MSC配置的影响。

2. 从访问域和归属域来看的数据流程

　　从移动终端到SGSN，经GGSN发到目标网络，可能是另一个R5网的GGSN，或者是到PSTN的MGW，或者是基于IP的Internet，而将CSCF全部旁路掉。

　　可见，在IMS中还是信令与用户数据不同路的方式来进行通信的。具体流程如图6所示。(详图请参见2005第三期杂志)

四、IMS业务体系介绍

　　3GPP标准为业务的开发提供了三种机制，即针对IP业务的CAMEL功能、开放业务结构（简称OSA）和会话初始协议（简称SIP），并在不同的版本中给出了相应的定义。在UMTS R5中，开放、融合的业务架构改变了业务提供和业务开发模式，这种改变可快速提供新业务。在以往的业务开发模式中，业务的开发是一种“垂直型”模型，与下层网络紧密结合：

（1）业务的发布与网络结构有关，不同的网络可能需要发布不同的版本；

（2）不同的网络之间，业务交互困难，业务融合难度大；

（3）业务实现复杂，开发周期长，投资收益低，不利于第三方开发。

IMS引入了新型业务开发模式，业务的开发呈现“水平型”结构，业务与下层网络松耦合：

（1）符合协议标准的业务，可发布于任何网络，只需一个版本；

（2）具有快速、易用、灵活、动态的业务开发环境；

（3）通过SIP、API（如Parlay），使业务间具有良好的集成关系；

（4）开发难度和周期大大减少，投资收益高，第三方开发者只需要了解SIP、API，而不需深入了解电信网络知识。

1. IMS支持的业务架构

　　为了适应下一代网络业务与控制分离的原则，IMS必须提供开放的接口来接入各种业务服务器，允许各种业务提供商通过标准的接口向网络提供服务。

　　IMS的业务框架是IMS系统比较成功的一个方面，通过基于SIP的ISC（Internal Service Control）接口，由S-CSCF与各种应用服务器组成。由于IMS融合了语音和数据业务，又结合了IP网的灵活性和SIP的可扩展性，使得IMS支持的业务更加丰富。R5在业务方面除原有的CAMEL、OSA之外，新支持SIP AS。IMS的业务架构要能适应不同业务的接入要求，IMS业务架构由S-CSCF以及各种应用服务器组成，与当前普遍采用的开放性业务架构一致，都是三层结构：第一层是应用服务器（AS）；第二层是业务能力服务器（SCS）；第三层是S-CSCF。业务可以在分布式架构中开发，如图7所示。(详图请见2005第三期杂志)

（1）应用服务器层

　　应用服务器层：AS（Application Server）提供业务逻辑，用来支持用户的各种业务属性。根据所支持业务类型的不同分为以下三种：

　　①SIP应用服务器：完成Internet业务，由于ISC采用了SIP，故可直接于S-CSCF相连，CSCF能以SIP服务器的方式直接调用这些业务，减少了信令转换。SIP基于C/S模式，是一种多媒体会话的应用层控制信令，完成双方或多方多媒体会话的创建、修改和终止等工作，以提供IP电话和基于IP的多媒体会话业务。其业务逻辑的提供可通过脚本语言、SIP-CGI或API（如Servlet等）编程实现。

　　②OSA应用服务器：完成基于OSA API开发的第三方业务。UMTS定义了OSA来允许第三方业务提供商进行新业务的开发，由OSA提供的安全API来接入UMTS，使用网络的性能，而不再受限于运营商提供的业务。不同的应用提供商就可以通过开放的网络访问接口获得底层网络的承载能力，并进行应用开发。

　　③CAMEL SE：完成传统的移动智能网业务。

（2）业务能力服务器层

　　由于OSA API和CAMEL环境不支持基于SIP和扩展SIP的ISC接口，所以出现了中间层——业务能力服务器层。

　　①OSA SCS：完成OSA API与ISC接口的信令进行映射。通过SIP方式执行一个或多个OSA业务能力特征（OSA SCF）

　　②IM-SSF：其行为类似于传统智能网的呼叫控制功能和业务转换功能，使现有的基于CAMEL业务环境的增值业务能继续提供，并生成新的增值业务。SSF完成了CAP与SIP的转换，是SIP和CAMEL间互通模块。

（3）业务控制层S-CSCF

　　S-CSCF通过ISC接口与业务平台相连，在S-CSCF看来，SIP AS、OSA SCS和IM-SSF都执行相同的接口行为，ISC使得各种Server都能接入IMS。这里S-CSCF检测是否并如何包含业务逻辑来提供增值业务。同时，S-CSCF使用Cx接口从HSS中提取用户配置信息，再由S-CSCF使用ISC接口与不同业务平台互相通信。

　　AS和CSCF之间采用ISC通信，选择采用单一的业务控制接口是为了避免增加S-CSCF的复杂性。AS通过VXML来调用MRFC，从而支配系统资源，来实现用户服务。现在的AS一般基于J2EE规范，应用可以是基于EJB的，通过SIP Servlet和SIP实体对话，通过HTTP Servlet和Web实体对话。

2. IMS业务提供框架

　　IMS中的业务提供是基于在归属域中的业务控制，如所有消息都是通过在归属域中的S-CSCF路由的。在其业务提供框架中，S-CSCF根据从HSS下载的触发信息，直接将SIP消息转发给AS，完成将业务逻辑转换成业务配置的应用。

3. IMS三种支持业务分析

　　IMS提供的连在CSCF上的三种业务平台，分别针对不同种类的业务提出的。

（1）基于SIP的业务应用

　　SIP是由IETF提出的 IP 电话信令协议。主要目的是为了解决IP网中的信令控制，以及同软交换的通信，从而构成下一代的增值业务平台，对电信、银行、金融等行业提供更好的增值业务。

　　在IMS业务体系中，S-CSCF相当于是软交换的呼叫控制平台，IMS基于SIP的业务平台是通过专用的SIP AS实现的，实现IM（即时通信）、点击呼叫、Web800、Presence、会议电话、数字传真、多媒体消息、VOD、彩铃、彩名、可视电话等丰富的实时和非实时的多媒体业务。

（2）基于OSA的业务应用

　　IMS支持PARLAY/OSA标准业务接口，不仅可以完美地实现传统的基本电信业务，如：呼叫前转、呼叫等待、多方通话、主叫显示、主叫显示限制、呼叫限制等，而且可以为第三方业务供应商提供标准接口，大大提高运营商提供新业务的能力。

（3）基于CAMEL的业务应用

　　CAMEL业务是一种网络特性而不是补充业务，它采用智能网的原理，通过增加智能网的功能模块，即使当用户漫游出归属PLMN，网络运营者也可以为用户提供运营者特定的业务。为保护运营商已有的投资，IMS提供了对传统的智能网络的接口，可以通过SIP/INAP/CAMEL/WIN接口接入SCP，支持传统的智能业务，如预付费、虚拟专网、卡类业务等，目前移动网络中应用的预付费业务、VPN等业务都是采用这种方式实现的，从而实现了对已有智能业务的完美继承。

五、结束语

　　以上详细介绍了IMS各个网络功能单元，IMS采用了SIP作为控制信令协议，规范了基于IP的多媒体业务的呼叫流程，但IMS并不对用户之间的媒体流做任何控制，用户之间可以自由协商，因而业务的类型更加丰富了，从而提供了分组数据业务的新增长点。