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IMS-NGN标准演进及网络融合研究

陶志强 2007/03/15

　　NGN是网络演进的目标，而IMS是下一代网络融合中的关键技术。重点介绍了标准组织3GPP、TISPAN定义的IMS网络架构及基于IMS的NGN网络架构及主要的研究问题，最后讨论了网络融合的目标和趋势。

　　摘要：NGN是网络演进的目标，而IMS是下一代网络融合中的关键技术。

　　重点介绍了标准组织3GPP、TISPAN定义的IMS网络架构及基于IMS的NGN网络架构及主要的研究问题，最后讨论了网络融合的目标和趋势。

　　关键词：IMSNGN网络融合

　　1、引言

　　随着我国电信市场的开放和3G牌照的发放，我国传统的电信运营商将都会成为具有固定网络和移动网络的综合运营商，因此如何实现下一代网络(NGN)以进行网络融合已成为目前业界研究的一个热点。

　　而采用SIP协议并与接入方式无关的IMS(IPbasedmulitmediasubsystem)技术以其在网络融合方面的优势越来越受到广泛的关注。其中3GPP从R5以后主要的研究重点就在IMS域，目前3GPP也正在研究基于IMS的固网和移动网络融合，首先考虑的固定接入是WLAN(R6)和xDSL(R7)。

　　除了3GPP之外，还有很多标准化组织、电信运营商和设备制造商开始对NGN在移动网络和固定网络两个方面进行全面的研究，其中最主要的是ITU-T的FGNGN和ETSI的TISPAN。到目前为止，ETSI、ITU-T等都已基本确定以基于IMS的架构为基础来做为下一代网络的解决方案。欧洲ETSI在2003年9月把专门从事固网标准化的SPAN组织和进行VoIP研究的TIPHON进行合并，成立了TISPAN，在3GPPIMS的基础加入了固定接入网络，从而进一步对下一代网络的体系架构进行研究。ITU在2004年6月成立了ITU-TFGNGN(NGN专题组)开始对IMS进行研究，涉及业务需求、功能体系架构、移动性管理、IPQoS、控制和信令能力、网络安全、网络演进以及IP承载能力要求等方面。

　　2、3GPPIMS

　　IMS是3GPP在R5版本中为了解决如何向移动数据用户提供IP多媒体业务而提出来的。其主要特征是在R4核心网PS域基础上增加一个基于IP的多媒体子系统(IMS)。IMS利用PS域来传输呼叫控制信令和承载数据业务，并实现对通用移动性的支持。IMS独立于CS域的，但保持与CS域的互通。如图1所示。
　　

　　图1 3GPPIMS网络架构

　　从理论上讲，3GPP在R4版本的基础上提出IMS概念的最初想法主要是为了提供多媒体业务，而不是网络架构的进一步演进。随着时间的推移以及无线和终端全IP化。R4网络中的MSCServer架构将逐步退出，取而代之的是IMS网络的扩大和扩张。因此3GPP在R6和R7版本对IMS做了进一步的深入研究。其中IMSR6版本主要特点包括：

　　(1)IMS与CS的互通，支持SIP/ISUP互通和CS漫游情况;

　　(2)IP多媒体之间(如Internet)的互通，其中包括IPv4/IPv6互通;

　　(3)支持WLAN的接入方式;

　　(4)支持多种业务，如聊天、IMS会议、Presence等;

　　(5)支持基于IP流的计费。

　　IMSR7版本中主要研究以下的技术特征：

　　(1)通过电路域承载提供IMS话音;

　　(2)通过分组域提供紧急服务;

　　(3)提供基于WLAN的IMS话音与GSM网络的电路域互通功能;

　　(4)支持DSL或CableModem接入方式。

　　IMS在3GPP的定义中，主要包括了所有提供IP多媒体业务的核心网相关功能实体，主要包括如下：

　　(1)CSCF

　　CSCF是整个网络的核心，支持SIP协议处理SIP会话。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。根据各自不同的功能不同可分为P-CSCF(Proxy-CSCF)、I-CSCF(Interrogating-CSCF)和S-CSCF(Serving-CSCF)。其中P-CSCF是UE(UserEquipment)接入IMS系统的入口，主要功能是把UE发来的SIP注册请求转发给I-CSCF或把UE发来的SIP消息转发给S-CSCF;I-CSCF位于归属域中，是从访问域到归属域的入口点，用来为每个呼叫选择相应的S-CSCF，主要实现为用户指定S-CSCF来执行SIP注册、转发从HSS获取S-CSCF地址的SIP请求以及将其他网络传来的SIP请求路由到S-CSCF等功能;S-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。主要功能包括用来接受用户注册，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。S-CSCF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等。

　　(2)MGCF和IMS-MGW

　　MGCF和IMS-MGW是IMS与CS域和PSTN互通的功能实体。MGCF负责进行控制协议ISUP和BICC和SIP协议之间的转换并且将会话转发给IMS。IMS-MGW负责转换CS网络(PSTN,GSM)的承载信道和骨干网(如IP网络中的RTP流或ATM网中AAL2/ATM连接)的媒体流之间的转换，并且在需要时进行代码转换和信号处理。

　　(3)MRFC和MRFP

　　MRFC和MRFP是实现多方会议的功能实体，控制层面的MRFC解释从S-CSCF收到的SIP信令，通过H.248控制MRFP。MRFC用于支持和承载相关的服务或者进行承载代码转换。MRFP提供被MRFC所请求和指示的用户平面资源，如输入媒体流的混合等。

　　(4)BGCF

　　BGCF是IMS域与外部网络的分界点，负责选择到CS域的出口位置。

　　(5)HSS

　　HSS是所有和服务相关的数据的主要的数据存储器，主要包括用户身份、注册信息、接入参数和服务出发信息。

　　(6)PDF

　　PDF负责实现基于服务的本地策略(SBLP)，即根据从P-CSCF处获得的会话和媒体相关信息来制定相应的策略。在R5中，PDF是P-CSCF的一个逻辑实体;而在R6中PDF是一个独立的功能。

　　(7)SGW

　　SGW用户不同信令网的互联，如基于SCTP/IP信令网和SS7的信令网之间的信令转换。

　　3、TISPANNGN

　　2004年，ETSITISPAN提出了NGN的主体架构，目前正在制定NGN相关的规范，命名为TISPAN_NGNRelease1，预计在2005年完成整个Release 1。ETSI TISPAN提出的NGN架构包括应用层、控制层、承载层和接入层。其中控制层面包括基于SIP会话的子系统、PSTN/ISDN仿真子系统、基于RTSP的子系统和提供其他多媒体业务的子系统，其中基于SIP会话的核心网子系统重用了IMS的网络架构，并且尽可能重用IMS R6中的相关规范，但要求支持更多的接入方式，包括xDSL、WLAN、LAN、MAN等。此外，还定义了网络附着子系统和资源准入控制子系统(RACS)。在这样的框架下，NGN可以实现基于SIP的业务、基于SIP-I协议传统业务以及基于RTSP的业务等。ETSI TISPAN的这种网络架构是目前NGN的主要架构，ITU-T的NGN架构和ETSI TISPAN的基本相同。如图2所示。

　　3.1IP多媒体子系统(IMS)

　　IMS由提供IP多媒体业务、如话音、视频、文本、聊天等所有架构在分组传送网上的核心网单元构成，相关实体包括CSCF、MGCF、MRF等，参见第2节。

　　3.2PSTN/ISDN仿真子系统

　　PSTN/ISDN仿真子系统可为连接到IP网的传统电话终端提供接入，这样所有的PSTN/业务保持可用和一致，而终端用户并不会意识到没有连接到传统的PSTN/ISDN网。

　　3.3流媒体子系统

　　随着宽带接入即使的成熟，网络传输的瓶颈被打破和音频、视频的编解码技术的进步，基于流媒体传输的应用得到了越来越多的重视。流媒体子系统可为视频点播、远程教学、交互游戏等业务的应用和终端的接入。

　　3.4网络附着子系统

　　网络附着子系统主要提供IP地址分配、IP层的健全、网络接入授权、接入网配置和IP层的位置管理等功能。

　　3.5资源准入控制子系统

　　RACS主要提供接纳控制和关口控制功能(包含NAPT控制)。接纳控制指根据运营商的具体策略规则和实际的资源，检查接入网附着子系统保存的签约数据的授权，即校对被请求的带宽与预定的带宽和用户使用的带宽是否一致。关口控制功能包括根据IP地址/端口进行分组包过滤、为上行和下行业务流进行资源分配和带宽预约、NAPT功能、使用率和QoS的测量检测等。

　　关于对引入IMS的研究，TISPAN和3GPP成立了联合工作组来研究NGN-IMS的相关问题，其中热点问题的包括以下两个：

　　(1)在3GPP规范中，移动终端都配有UICC卡，其中包含了用户的识别信息和一些加密和鉴权的算法，用户可以通过AKA鉴权机制进行鉴权。TISPAN正在评估NGN终端是否也需要一个UICC卡，目前还没有统一意见。

　　(2)TISPAN在NGN的Release1中将重用3GPP定义的业务引擎和规范，从而提供3GPP的各种业务，如Presence、Messaging、GROUPManagementand Conference等。3GPP中规定所有呼叫都使用URI标识，而TISPAN倾向于除电话以外的SIP呼叫都采用URI标识，因此这个问题还需进一步讨论。关于GROUP Management and Conference，3GPP将MRFC和MRFP之间定义为采用H.248协议接口，TISPAN在研究是否需要定义该接口;关于Messaging，TISPAN正在研究是否需要在媒体通道上设置NAT或防火墙，如果设置则需要一个Message Relay功能，但3GPP目前没有相应的规范。

　　此外，TISPAN的相关工作组也针对IMS的安全、计费、QoS等其他问题正在做进一步研究，以制定NGNRelease1规范系列，包括IMSRelease 6版本规范。

　　4、网络融合

　　按照ITU-T最新发布的标准Y.2001对NGN的定义为：“NGN是一个基于分组的网络，它能够提供包括电信业务在内的各种业务并能够利用多种带宽、有QoS支持能力的传送技术;能够为用户提供无限制接入到多个运营商;能够支持普遍的移动性，确保用户的一致性、普遍的业务提供能力。”因此，从网络的角度来看，网络融合应是NGN发展的趋势和目标，其含义是通过不同的终端在任何时候、任何地点获取信息和享受多样化的业务。要达到这个目标，就要求网络具有以下的特征。

　　(1)首先，应用层与控制层分离，以便获得业务与用户的物理位置具备无关性;

　　(2)其次，控制层与传送层分离，便于呼叫或会话的控制独立于承载的控制，可实现基于不同承载提供相同的控制能力;

　　(3)再次，传送层与接入层需要完全分离，使得无论何种终端、何种接入方式都可以共享同一承载网络，从而充分利用网络资源，屏蔽网络的复杂性。

　　应该看到，网络融合是一个长期的过程，必须要综合考虑保护现有网络的投资，并且能够保证新旧网络之间的平滑过渡。而目前移动网和固定网还有各自的特殊需求和发展空间，短期内还无法直接通过一种网络架构实现。因此现有的移动网络和固定网络应该是在网络的演进中融合，而不是对现有网络的融合。对于演进的目标网络应具有以下特征，以符合最终网络融合的要求。如图3所示。

　　

　　图3 移动和固定网络的发展

　　(1)承载和控制分离，网络具有最大程度的可扩展性;

　　(2)应具有支持多业务的承载网络，并能够满足高层业务对于QoS和安全性等方面的要求;

　　(3)具有支持多种接入模式的能力;

　　(4)能够支持普遍的移动性，具有融合型业务的提供能力;

　　(5)具有开放的接口，可以提供第三方的业务平台等。

　　根据网络演进和融合的目标，对于移动网络而言，将毫无疑问地按照3GPP定义的R5、R6、R7或者3GPP2定义的ReleaseA、ReleaseB的基于IMS的方向发展;对于固定网络而言，可能会有两个方向，即基于IMS的逻辑架构或者基于软交换的具体设备形态。但是最终两个网络的发展方向将是一致的，未来的网络必然是一个融合的网络。随着电信运营商之间的竞争日趋激烈和3G牌照的发放，移动网络和固定网络融合也必将成为我国未来几年通信行业的重要发展趋势。

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