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華中科技大學電子與信息工程系
摘要 在未來的移動通信網中，基于IP的多媒體業(yè)務將成為通信網的主要業(yè)務，為了適應未來移動通信網的發(fā)展，必須在核心網中增加專門處理IP多媒體業(yè)務的功能實體。本文先介紹UMTS的R5中引入的IP多媒體子系統(tǒng)，然后討論該系統(tǒng)的業(yè)務架構。
關鍵詞 UMTS IP多媒體子系統(tǒng) 業(yè)務架構
1 引言
當前，移動通信和Internet的發(fā)展正如火如荼，分別成為通信技術和計算機網絡的熱點，通信網絡與計算機網絡的融合已經成為未來發(fā)展的目標。業(yè)界已經達成共識，這兩個網絡將會在IP層上統(tǒng)一起來，未來所有的電信業(yè)務都是基于IP的。這就要求現(xiàn)在的通信網絡進行較大的改變，逐步過渡到分組網絡中去，并建立適應分組網絡的呼叫控制機制以及業(yè)務模型。
2 移動通信網絡的發(fā)展概述
回顧移動通信的發(fā)展歷程，通信技術的發(fā)展已經經過了第一代的模擬通信、第二代的數字通信，現(xiàn)在正在進入第三代多媒體通信的時代。但是當前的通信技術還不能滿足人們的要求，人們一直在探討下一代網絡的技術。隨著移動通信和Internet的迅速發(fā)展， 移動Internet將在未來移動通信中扮演重要角色。當前，人們已經對下一代網絡（NGN）達成一個共識，就是下一代網絡將是基于軟交換技術的全IP的開放的網絡。下一代網絡有三大特點：（1）是業(yè)務驅動型的網絡，業(yè)務與控制完全分離，控制與承載完全分離。（2）采用分層的全開放網絡，具有獨立的模塊化結構。（3）是基于統(tǒng)一協(xié)議的分組網絡體系。所以NGN將是一個四層結構的網絡，分別是業(yè)務層、控制層、承載層和接入層。
NGN的描繪為當前移動通信網的發(fā)展指明了方向。當前第二代移動通信系統(tǒng)向第三代移動通信系統(tǒng)演進的過程中也逐步向NGN的目標靠攏，在GSM向UMTS的演進過程中，3GPP分別提出了R99、R4和R5三個版本，為GSM向UMTS過渡提供了一條平滑的演進之路。在R5中，為了與NGN的目標一致，3GPP提出了全IP的核心網結構。在該網絡中語音業(yè)務、數據業(yè)務以及新開發(fā)的多媒體業(yè)務都會運行在IP網之上。據預測，未來的業(yè)務將會是多媒體業(yè)務占主導地位，但是SGSN和GGSN將無法完成對多媒體業(yè)務的復雜控制，所以專門增加了IP多媒體子系統(tǒng)（IMS），用來處理日漸增多的IP多媒體業(yè)務以及控制整個呼叫流程�？梢钥吹�，IMS的核心功能實體是呼叫會話控制功能（CSCF）單元，它控制了整個呼叫的流程。另外，它還向上層的服務平臺提供標準的接口，使業(yè)務獨立于呼叫控制。
3 IP多媒體子系統(tǒng)（IMS）
3.1 IP多媒體子系統(tǒng)概念
IP多媒體核心網系統(tǒng)是由所有能提供多媒體服務的核心網功能實體組成，包括了與信令和承載相關的功能實體的集合。IP多媒體業(yè)務是基于IETF定義的會話控制能力，利用PS域和多媒體承載來實現(xiàn)的。
為了實現(xiàn)接入的獨立性和支持無線終端與Internet互操作的平滑性，IP多媒體子系統(tǒng)盡量采用與IETF一致的因特網標準。因此，定義的接口跟IETF的因特網標準也是盡可能的一致，例如，采用了IETF的SIP協(xié)議。
IP多媒體核心網子系統(tǒng)使PLMN的運營商能給他們的用戶提供基于因特網的應用、服務和協(xié)議的多媒體業(yè)務。這里并不是要把這些業(yè)務變成IP多媒體子系統(tǒng)的標準，而是為了讓PLMN的運營商和第三方的業(yè)務提供者來發(fā)展這些業(yè)務。IP多媒體核心網子系統(tǒng)能集中語音、圖像、消息、數據和基于Web的技術來為無線用戶服務，并把因特網的發(fā)展和無線通信的發(fā)展結合起來。
支持IP多媒體應用的全套解決方案是由終端、GERAN或UTRAN無線接入網、GPRS核心網和IP多媒體核心網子系統(tǒng)的一些特殊的功能單元。這些功能單元包括呼叫會話控制功能（CSCF）、媒體網關控制功能（MGCP）、IP多媒體網關功能（IM-MGW）、多媒體資源功能控制器（MRFC）、多媒體資源功能處理器（MRFP）、簽約定位功能（SLF）、出口網關控制功能（BGCF）、應用服務器（AS）、信令網關功能（SGW）。
IP多媒體子系統(tǒng)的結構，所有的功能實體被認為在不同的邏輯結點中實現(xiàn)，如果在同一個物理設備中實現(xiàn)兩個邏輯結點的功能，那么這兩個邏輯結點的接口就成為該設備的內部接口。
3.2 IP多媒體核心網子系統(tǒng)實體
IP多媒體子系統(tǒng)像CS域、PS域子系統(tǒng)一樣，可以完成呼叫的發(fā)起、保持、釋放等功能。另外，它還要對多媒體流進行轉換控制以及對多媒體業(yè)務的支持，所以包含更多的功能實體，它們分別完成不同的功能。
3.2.1 呼叫會話控制功能CSCF（Call Session Control Function）
根據CSCF在網絡中所處的位置不同，它所承擔的作用也不一樣，它可以分為如下三種類型：
�。�1）代理CSCF（P-CSCF）
在移動終端獲得IMS服務時，代理CSCF是第一個聯(lián)系節(jié)點。用戶設備通過一個“本地CSCF發(fā)現(xiàn)流程”來得到P-CSCF的地址。P-CSCF的作用就像一個代理服務器，它把收到的請求和服務進行處理或轉發(fā)。P-CSCF不會對SIP的INVITE消息中請求的URI進行修改。P-CSCF也可以看作是一個用戶代理，在異常情況下，它可以中止或獨立產生SIP的事務。
P-CSCF的主要功能有：
（ａ） 把ＵＥ發(fā)來的ＳＩＰ注冊請求消息前轉給Ｉ－ＣＳＣＦ，該Ｉ－ＣＳＣＦ由ＵＥ提供的域名決定。
（ｂ） 把ＵＥ發(fā)來的ＳＩＰ消息前轉給ＳＩＰ服務器，該服務器的名字由Ｐ－ＣＳＣＦ在該ＵＥ發(fā)起注冊規(guī)程時得到。
（ｃ） 生成計費記錄。
（ｄ） 支持ＵＥ與Ｐ－ＣＳＣＦ間的加密過程。
（ｅ） 對ＳＩＰ消息進行壓縮與解壓縮。
（ｆ） 承載資源的鑒權和ＱｏＳ管理。
（２） 查詢ＣＳＣＦ（Ｉ－ＣＳＣＦ）
查詢ＣＳＣＦ可以充當網絡所有用戶的連接點，也可以用作當前網絡服務區(qū)內漫游用戶的服務接入點。在一個網絡中可以有多個Ｉ－ＣＳＣＦ。它的主要功能是：
（ａ） 注冊。為用戶指定一個Ｓ－ＣＳＣＦ來執(zhí)行ＳＩＰ注冊。
（ｂ） 處理會話相關與會話不相關的消息流。包括： 將另一個網絡收到的ＳＩＰ請求路由到Ｓ－ＣＳＣＦ； 從ＨＳＳ獲得Ｓ－ＣＳＣＦ的地址；轉發(fā)ＳＩＰ請求或響應給Ｓ－ＣＳＣＦ。
（ｃ） 生成計費記錄。
（３）服務ＣＳＣＦ（Ｓ－ＣＳＣＦ）
服務ＣＳＣＦ執(zhí)行會話控制功能。它可以根據網絡運營商的需要，維持會話狀態(tài)信息。在同一個運營商的網絡中，不同的Ｓ－ＣＳＣＦ可以有不同的功能。但在一個呼叫過程中，Ｓ－ＣＳＣＦ要完成的功能有：
（ａ） 注冊。它可以作為一個注冊機，也就是接收注冊請求后通過位置服務器來使該請求的信息生效。
（ｂ） 處理會話相關與會話不相關的消息流。包括：為已經注冊的會話終端進行會話控制；可以作為一個代理服務器，也就是接收請求后，進行內部處理或是把它轉發(fā)；可以作為一個用戶代理，也就是它可以中斷或是獨立發(fā)起ＳＩＰ事務；與服務平臺交互來向用戶提供服務；提供終端相關的服務信息。
（ｃ） 當代表主叫的終端時，根據被叫的名字（如電話號碼或ＳＩＰ ＵＲＬ）從數據庫中獲得為該被叫用戶提供服務的網絡的Ｉ－ＣＳＣＦ的地址。如果被叫在另一個網絡，就把ＳＩＰ請求或響應前轉給該Ｉ－ＣＳＣＦ；如果被叫與主叫在同一個網絡，就把ＳＩＰ請求或響應前轉給該網絡中的Ｉ－ＣＳＣＦ。根據運營策略，把ＳＩＰ請求或響應前轉給ＩＰ多媒體核心網子系統(tǒng)外的ＩＳＰ的ＳＩＰ服務器。當呼叫要路由到ＰＳＴＮ或是ＣＳ域時，就把ＳＩＰ請求或響應轉發(fā)給ＢＧＣＦ。
（ｄ） 當代表被叫的終端時，如果用戶在歸屬網絡中，就把ＳＩＰ請求或響應前轉給Ｐ－ＣＳＣＦ；如果用戶在拜訪網絡中，就把ＳＩＰ請求或響應前轉給Ｉ－ＣＳＣＦ。根據ＨＳＳ和業(yè)務控制功能的交互作用，把要路由到ＣＳ域的入局呼叫的ＳＩＰ請求進行修改。當呼叫要路由到ＰＳＴＮ或是ＣＳ域時，就把ＳＩＰ請求或響應轉發(fā)給ＢＧＣＦ。
（ｅ） 生成計費記錄。
3.2.2 媒體網關控制功能MGCP（Media Gateway Control Function）
媒體網關控制功能ＭＧＣＰ包括如下功能：
（１）控制ＩＭＳ－ＭＧＷ中的媒體信道的連接。
（２）與ＣＳＣＦ通信。
（３）根據路由號碼，為從傳統(tǒng)網絡來的入局呼叫選擇ＣＳＣＦ。
（４）執(zhí)行ＩＳＵＰ協(xié)議和ＩＭＳ呼叫控制協(xié)議間的轉換。
3.2.3 IP多媒體網關功能IM-MGW（IP Multimedia - Media Gateway Function）
一個IM-MGW可以終止來自電路交換網的承載信道和來自分組網的媒體流(例如：IP網中的RTP流)。IM-MGW可以支持媒體轉換、承載控制和負荷處理(例如：多媒體數字信號編解碼器、回聲消除器、會議橋)。它包含如下功能：
�。�1）與MGCF交互來進行資源控制。
�。�2）擁有并維護回聲消除器等資源。
�。�3）可能需要多媒體數字信號編解碼器。
IMS-MGW要提供必要的資源來支持UMTS/
GSM的媒體傳輸。還需要對H.248協(xié)議進行進一步的調整來支持額外的多媒體數字信號編解碼器等。
3.2.4 多媒體資源功能MRF（Multimedia Resource Function）
多媒體資源功能分成兩部分，包括多媒體資源功能控制器MRFC（Multimedia Resource Function Controller）和多媒體資源功能處理器MRFP（Multimedia Resource Function Processor）。
多媒體資源功能控制器MRFC的主要功能如下：控制在MRFP中的媒體流資源；翻譯來自AS和S-CSCF的信息(例如：會話標識符)，并相應的對MRFP進行控制；產生計費記錄。
多媒體資源功能處理器MRFP的主要功能如下：控制Mb接口點的承載；提供MRFC需要的資源；混合輸入的媒體流(例如：用于多方會議)；發(fā)出多媒體流(例如：用于多媒體廣播)；處理多媒體流(例如：語音編碼轉換、媒體分析)。
3.2.5 簽約定位功能SLF（Subscription Locator Function）
簽約定位功能SLF的主要功能如下：在注冊和會話建立期間，被I-CSCF查詢，SLF向I-CSCF提供存儲用戶具體數據的HSS的名字；通過Dx接口來接入IMS。
在單一的HSS環(huán)境中，并不需要SLF。
3.2.6 出口網關控制功能BGCF（Breakout Gateway Control Function）
出口網關控制功能BGCF用來選擇與PSTN（或CS域）接口點相連的網絡。如果BGCF發(fā)現(xiàn)自己所在的網絡與接口點相連，那么BGCF就選擇一個MGCF，該MGCF負責與PSTN（或CS域）的交互。如果接口點在另一個網絡，那么BGCF就把會話信令轉發(fā)給另一個網絡的BGCF。BGCF在選擇與PSTN相連的網絡的時候，會利用收到的其它協(xié)議的信息和管理信息。BGCF的主要功能如下：
（1）收到S-CSCF的請求后，為呼叫選擇一個適當的PSTN（或CS域）接口點。
�。�2）選擇一個與PSTN（或CS域）相連的網絡。如果本網絡沒有與PSTN相連，那么BGCF就把SIP信令轉發(fā)給與PSTN（或CS域）相連的網絡的BGCF。
�。�3）在與PSTN（或CS域）相連的網絡中，選擇一個MGCF，并把SIP信令前轉給MGCF。
�。�4）生成計費記錄。
3.2.7 信令網關功能SGW（Signalling Gateway Function）
信令網關SGW完成傳輸層的信令轉換，把基于SS7的信令與基于IP的信令進行轉換（也就是在Sigtran SCTP/IP和SS7 MTP間進行轉換）。SGW不對應用層的消息進行解釋，但必須對底層的SCCP或SCTP消息進行解釋來保證信令的正確路由。
4 IP多媒體子系統(tǒng)的業(yè)務架構
為了適應下一代網絡業(yè)務與控制分離的原則，IMS必須提供開放的接口來接入各種業(yè)務服務器，允許各種業(yè)務提供商通過標準的接口來向網絡提供服務。當前通信系統(tǒng)中主要有三種類型的業(yè)務，一種是GSM已有的智能業(yè)務Camel，另一種是基于OSA API開發(fā)的業(yè)務，最后一種是基于Internet的業(yè)務。IMS的業(yè)務架構也要能夠適應不同業(yè)務的接入要求。
4.1 IMS業(yè)務架構功能實體
IMS業(yè)務架構，它由S-CSCF以及各種應用服務器組成。它跟當前的開放性業(yè)務結構是一致的，都是三層結構：最上層是應用服務器AS；第二層是業(yè)務能力服務器SCS；第三層是S-CSCF。
應用服務器AS有SIP應用服務器、OSA應用服務器和CAMEL IM-SSF，它們都提供IP多媒體增值業(yè)務，位于用戶的歸屬網絡或是第三方位置。第三方可以是一個網絡或僅是一個單獨的應用服務器。
S-CSCF使用統(tǒng)一的ISC接口與業(yè)務平臺相連，在S-CSCF看來，SIP應用服務器、OSA服務能力服務器和IM-SSF都執(zhí)行相同的接口行為。該接口使各種服務器都能接入IMS，為IMS提供業(yè)務。在ISC接口中使用的是SIP協(xié)議，它暫時不支持擴展的SIP協(xié)議。使用SIP協(xié)議大大方便了因特網豐富的業(yè)務直接連接到移動網中，實現(xiàn)了兩網的融合。
對于OSA應用服務器，用戶可以根據標準的API（如：Parlay）在該服務器上進行增值業(yè)務開發(fā)，不用了解底層的網絡，大大縮短了業(yè)務的開發(fā)周期。未來的業(yè)務將主要采用標準的API來進行開發(fā)。在S-CSCF與OSA應用服務器間的業(yè)務能力服務器相當于一個網關，它把OSA API與ISC接口的信令進行映射，使業(yè)務與控制互相獨立，實現(xiàn)網絡的分層結構。
CAMEL業(yè)務是傳統(tǒng)的智能業(yè)務。在智能網中，它是通過CAP協(xié)議接入到網絡中的，為了使CAMEL業(yè)務接入到IMS中，在CAMEL服務器與S-CSCF之間需要一個功能實體來完成CAP協(xié)議與SIP協(xié)議的轉換，該功能由IM-SSF完成。
對于SIP應用服務器，由于ISC接口采用了SIP協(xié)議，所以它可以直接與S-CSCF相連，減少了信令的轉換過程。SIP應用服務器主要是為因特網業(yè)務服務，這種結構使因特網業(yè)務可以直接移植到通信網中。
5 結論
本文詳細介紹了IP多媒體子系統(tǒng)的結構與各個功能模塊，并闡述了IP多媒體子系統(tǒng)的業(yè)務構架。IMS的提出順應了通信網絡發(fā)展的趨勢，在未來的全IP網絡中，IMS將會是最為重要的部分。IMS的提出還最大程度的保護了電信運營商的利益，它完全兼容GSM與GPRS，使當前的網絡能平滑的過渡到下一代網絡中去。另外，IMS還提出完全開放的業(yè)務構架，打破原有網絡封閉的業(yè)務提供模式，既為電信運營商能快速的接入新業(yè)務，又為業(yè)務提供商創(chuàng)造一個開放的公平的競爭環(huán)境，有力的促進了電信業(yè)務的繁榮發(fā)展。
參 考 文 獻
[1] 3GPP TR 23922 V1.0.0 Architecture for an All IP network 1999.10
[2] 3GPP TS 23.002 V5.12.0 Network architecture 2003.9
[3] 3GPP TS 23.228 V5.3.0 IP Multimedia Subsystem (IMS) 2002.1
[4] 3GPP TS 22.228 V5.6.0 Service requirements for the IP Multimedia Core Network Subsystem (Stage 1) 2002.6
阮國偉：碩士研究生，主要研究方向：移動通信網絡技術。
黃本雄：教授，碩士生導師，主要研究方向：移動通信網絡和通信軟件工程。
----《中國數據通信》
