IMS体系研究与网络架构演进浅议 --中国3G通信网 WWW.CHN3G.CN

摘要　本文主要介绍了NGN的发展历程，再进一步探讨IMS体系结构及其优点。在综合考虑业务发展需求和保护运营商现有投资的基础上，分析移动通信网络的演进策略以及IMS在网络融合和演进中的角色和地位。最后提出了GSM网络向IMS演进的方案，为运营商制定网络演进策略提供参考。
传统电路交换机是一种集成的、封闭的系统结构，无法快速满足多样化的用户需求，无法快速部署全网业务。为了解决这种矛盾，NGN通过控制承载分离，构成一个分布的系统结构，使整体建网成本大大降低，网络升级容易，便于加快新业务和新应用的开发和部署，快速实现低成本全网统一业务覆盖。简化了网络层次结构，提高了网络资源利用率，减少了传统电路交换机中继互联的复杂性和降低了承载网的成本。
IMS（IP多媒体子系统）的提出为下一代基于IP的移动网络提供了面向分组数据包交换的多媒体服务及平台，它的核心特点是基于SIP协议和接入的无关性。由于采用SIP作为核心控制协议，并通过SIP进行业务管理，IMS可以使运营商充分利用SIP的优势，更快速、更灵活地开发管理移动多媒体业务。
1、NGN、软交换与IMS
1.1　NGN
NGN是指基于分组技术的网络，能够提供包括电信业务在内的多种业务，能够利用多种宽带和具有QoS支持能力的传送技术，业务相关功能与底层传送相关技术相互独立，能够让用户自由接入不同的业务提供商，能够支持通用移动性，从而向用户提供一致的和无处不在的业务。NGN采用分层结构，包括业务层、控制层、传输层以及用户终端，能提供多种业务类型有语音、数据、视频、多媒体等。
1.2　软交换
软交换可以理解为一种分层、开放的NGN体系结构，是NGN核心控制层技术之一。软交换实际上是“控制”，而非“交换”，因为“交换”更多体现在承载层，“软交换网是下一代语音网或下一代分组通信网”的说法可能更贴切。
在固网通信界形成软交换概念的同时，移动通信界也产生了类似的思想。3GPP所推出的WCDMA标准分为R99、R4、R5和R6等不同版本（Release），其中R4版本主要特征是在核心网电路域中将传统移动交换机（MSC）分离为媒体网关（MGW）和MSC服务器（MSC Server）两部分，实现了承载与控制的分离，称为“移动软交换”，但与固网软交换在控制协议等方面还是存在许多差异。
以控制和承载分离为基本特征的软交换技术的基本定位是在一个基于IP技术的网络上提供传统的长途和5类语音业务。软交换的灵活部署和高集成度为运营商带来了网络建设成本和维护成本的大幅度降低，但由于受到终端能力、QoS、安全以及业务接口标准化等诸多方面的限制，目前较为成熟的软交换（包括固定软交换和3GPP R4）的应用也仅限于此，它没有给最终用户带来新的业务。
1.3　IMS
IMS（IP Multimedia Subsystem）即IP多媒体子系统，是由3GPP标准组织在R5版本提出，是在基于IP的网络上提供多媒体业务的通用网络架构，R5版本主要定义IMS的核心结构、网元功能、接口和流程等内容；R6版本对IMS进行了完善，增加了部分IMS业务特性，IMS与其他网络的互通规范和WLAN接入等特性；R7加强了对固定、移动融合的标准化制定，要求IMS支持xDSL、Cable等固定接入方式。
IMS技术对控制层功能做了进一步分解，实现了会话控制实体CSCF（call Session Control Function）和承载控制实体MGCF（Media Gateway Control Function）在功能上的分离，使网络架构更为开放、灵活，所以IMS实际上比传统软交换更“软”。
IMS以其业务、控制、承载完全分离的水平架构，集中的用户属性和接入无关等特性，一方面解决目前软交换技术还无法解决的问题，如用户移动性支持、标准开放的业务接口、灵活的IP多媒体业务提供等；另一方面，由于其接入无关性，也使得IMS成为固定和移动网络融合演进的基础。
IMS业务架构如图1所示，IMS的目的是建立与接入无关，能被移动网络与固定网络共用的融合核心网。

图1　基于IMS的业务架构图
在无线接入技术方面，IMS除了GSM/GPRS和WCDMA之外，WLAN通过SIP Proxy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。
IMS能够为使用不同接入手段的用户提供融合的业务，但固定接入与移动接入终究有不同的特征，所以要将基于移动通信发展起来的IMS体系应用到固网中还需要进行大量的改进，标准化工作依然任重而道远。移动通信界提出的IMS与固网通信界提出的软交换的基本思想和目标是一致的，都希望建立基于IP的融合与开放的网络平台。
2、IMS体系研究
2.1　IMS体系结构
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，使得IMS实际已经不仅仅局限于只为移动用户进行服务。IMS体系结构如图2所示。

图2　IMS体系结构示意图
最底层为承载层，用于提供IMS SIP会话的接入和传输，承载网必须是基于分组交换的。图2中以移动分组网的承载方式为例，描述了IMS用户通过手机进行IMS会话的方式，主要的承载层设备有SGSN（GPRS业务支撑节点）、GGSN（网关GPRS业务支撑节点），以及MGW（媒体网关）。其中SGSN和GGSN可以完全重用现网设备，不需要硬件升级，仅通过做相关配置就可以支持IMS了。MGW是负责媒体流在IMS域和CS（电路交换）域互通的功能实体，主要解决语音互通问题。无论具体采用哪一种接入方式，只要基于IP技术，所有的IMS用户信令就可以很好地传送到控制层。
中间层为信令控制层，由网络控制服务器组成，负责管理呼叫或会话设置、修改和释放，所有IP多媒体业务的信令控制都在这一层完成。主要的功能实体有CSCF、HSS（Home Subscriber Server，归属用户服务器）、MGCF等，这些网元执行不同的角色，如信令控制服务器、数据库、媒体网关服务器等，协同完成信令层面的处理功能，如SIP会话的建立、释放。这一层仅对IMS信令负责，最终的IMS业务流是不经过这一层的，而是完全通过底层承载层做路由实现端到端通信。
最上面一层是应用层，由应用和内容服务器组成，负责为用户提供IMS增值业务，主要网元是一系列通过CAMEL、OSA/Parlay和SIP技术提供多媒体业务的应用平台。运营商可以在自行开发一些基于SIP的应用，通过标准SIP接口与IMS系统连接；如果运营商需要连接第三方SP的应用，IMS可以和标准的API，如OSA API连接，通过OSA/Parlay GW对第三方非信任的SP业务进行鉴权和管理等。
2.2　IMS的优势
（1）IMS由于采用的是分组网络，对于数据业务的支持有着天然的优势，适应于新业务的高速宽带和低成本的需要。
（2）由于采用了SIP协议，能够提供终端到终端和终端到服务器直接的通信。SIP业务的灵活和扩展能力也是比较强大的。IMS的终端由于直接支持SIP，所以它的终端智能是比较高的，从而导致业务拓展也比较容易。
（3）IMS系统不是一个简单的SIP网络，它加强了对用户和业务的控制，从而运营商可以掌握资源的使用。
（4）IMS和接入网络之间的独立性。
（5）IMS整合了各种业务平台，通过一个统一的IMS系统，这样有利于各种业务平台之间的兼容。IMS和目前国际化标准组织OMA共同开发业务平台，从而为IMS系统增值。
（6）IMS因为采用的是IP的承载网络，向全IP网络架构迈进了一步。
3、IMS与网络架构演进
3.1　网络演进的驱动力
不管是固定网络运营商还是移动网络运营商，如何借助灵活开放的业务平台快速部署新业务是他们在市场竞争中保持优势的关键因素，是网络演进的驱动力之一。
传统的业务网络是一个业务一个网络的垂直架构，业务完全依赖于网络的能力，这种业务和网络紧密相关的架构导致新业务开发比较困难，无法实现跨网络的业务。而IMS则以其业务、控制、承载完全分离的水平架构，集中的用户属性、开放标准的应用接口以及接入无关等特性，彻底解决了传统网络中业务与网络相关的弊端，为运营商提供了固定移动融合的业务和应用平台。
另外，用户对全新多媒体业务的需求也是网络演进的驱动力之一。用户希望能够以跨越固定和移动网络的便捷的使用方式来获得多媒体业务。因此，运营商需要一个可控制、可管理和可盈利的网络架构，来提供用户所期待的全新业务。基于IP技术、与接入无关、业务和控制分离的IMS网络架构正是满足这一需求的全新架构。
3.2　IMS与FMC（固定和移动融合）
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。
用户的业务需求是固定和移动融合的基本驱动力。对用户而言，有线网络与无线网络相结合，可以实现真正的随时随地沟通；在通信手段和通信方式上也有了更多的选择和更大的灵活性；同时还可以享受到更多固定和移动融合所带来的新业务。
固定和移动融合能为全业务运营商节省投资、减少运营成本。传统的固定网络和移动网络提供的许多业务基本一致，但是移动网络和固定网络是独立的两张业务网，致使运营维护费用高；而且当开发新业务时，即使同样的业务也必须分别升级两张网络才能够为移动网络和固定网络用户分别提供新业务，致使新业务提供成本高。固定和移动融合之后将形成整体的网络，运维成本将显著降低，而且新业务的开发不必再分别升级固定网络和移动网络，只需要对统一的业务平台进行一次升级就能够同时为各类用户提供业务。
固定和移动融合还有助于增强运营商的差异化竞争能力。依赖固定和移动融合，运营商能够更加灵活地开展业务；为用户提供整体解决方案；提供个性化服务，降低用户的离网率；通过业务捆绑提高ARPU值。
固定和移动融合也是NGN发展的必然趋势，因为全IP网络是固定网络和移动网络的共同发展方向，在NGN体系架构下，固定和移动只是NGN的不同接入方式。固定网络与移动网络的演进路线在很多方面相似，PSTN将向固定软交换网演进，而基于WCDMA的移动网络则是沿着3GPP R99/R4/R5的道路演进。虽然目前固定NGN和移动NGN（即3G或B3G）的发展是独立的，但两者在演进过程中所遵从的分层网络体系结构，所采用的许多通信协议和接口规范都相同或类似，尤其是IMS的发展有望实现两者在核心网络层和业务层的完全融合。
3.3　GSM网络向IMS演进探讨
（1）目前G网的投入相对少于C网，G网的状况基本是没有很完善的GPRS/EDGE网络。所以第一步要建立完善的覆盖的GPRS网络，以提供端到端高数据交换服务。
（2）在核心网中引入软交换，形成控制和承载相分离的网络结构，目前很多厂家不太支持不经过软交换阶段的IMS。
（3）经过软交换阶段之后我们慢慢在全国范围内引入IMS，以实现全IP化的接口。
IMS的部署并不意味着替换电路域，相反，在IMS部署初期，由于语音业务还无法直接由IMS域提供，语音业务还将由电路域承担。语音从电路域到IMS域的迁移只有当语音成为丰富的多媒体业务的一部分，而且IMS达到一定的渗透率之后才能真正开始。
从增加业务收入角度看，3G技术的引入开始提供更高的带宽和更吸引人的业务，但更多的新的业务必须依赖于IMS。IMS能够作为现有GPRS网络的叠加网络来部署，另外需要增加PDF、CSCF、HSS以及IMS AS等。依赖于IMS提供IP多媒体业务，将是移动运营商的首选。同时由于IMS核心网元和固定运营商IMS所使用的是一样的，因此也有利于固定移动融合网络部署和业务开展。
（4）最后我们要把现有的C网、固定网等全部接入到IMS网络，并把现网的相关业务迁移到IMS网络。
4、结束语
从标准化和技术成熟度来看，基于软交换构建固定的NGN更为现实，难度也较小；而从技术趋势来看，开放与融合程度更高的IMS则代表了未来的发展方向，代表着固定与移动融合的趋势，更有前途。可以说基于软交换的网络只是NGN发展的初级阶段，而IMS是NGN发展的高级阶段。
各运营商都将网络和业务融合作为长远的战略目标，长远目标一定和近期的部署相结合，在具体部署时则根据市场需求和网络实际情况进行。总地来说，IMS和移动软交换将同时存在，它们之间通过网络互通实现部分业务的互通。从长期来看，电路域用户最终会迁移到IMS域，但大规模的迁移不会在近期出现。