IP多媒体子系统——IMS技术与应用
发布时间：2015-07-09 11:08
3GPP R5所规范的IP多媒体子系统(IMS,IP Multl-media Subsystem),是为了在3G核心网中支持多媒体会话以及其它基于SIP的业务而提出的。其主要目的是将蜂窝移动通信和互联网技术有机结合起来,向用户提供一个具有电信级QoS保证,能提供综合业务的下一代通信网络。它的主要特点是采用了SIP协议、独立于接入和承载技术。以IMS为核心的NON网络己被认为是适应未来固定网与移动网融合的网络架构。
IMS体系结构
IMS的体系结构见图1,包括以下功能实体
540)=540" vspace=5>
归属用户服务器(HSS,Home Subscriber Server)
HSS是存储用户相关信息的中心数据库,相当于传统移动网的HLg。HSS除了存储用户的签约信息与位置信息外,还保存有与用户相关的、用来处理多媒体会话的定制数据,包括:本地信息、保密信息(证明与授权信息)、注册信息、业务触发信息、用户个人信息和分配给用户的S-CSCF等。
如果一个网络配置多于一个HSS,则需要配置用户位置功能(SLF, Subscriber Location Function)实体。SLF仅仅是一个映射用户地址到其所属HSS的数据库的节点。
呼叫会话控制功能(CSCF, GalI Session ControlFunction)
呼叫会话控制功能(cSCF)实体是整个IMS网络的核心,主要负责处理多媒体呼叫会话过程中的日IP信令。其功能包括:多媒体会话控制、地址转换、以及对业务协商进行服务转换等,相当于日旷服务器。CSCF进一步可划分为:
(1)代理CSCF(P-CSCF)
P-CSCF(Proxy-CSCF)是连接MS终端(UE)和IMS网络的入口节点,所有IMS终端发起和终止于IMS终端的会话消息都要通过P-CSCF。P-CSCF实际上扮演了一个代理服务器的角色,它接收SIP请求与响应,并向IMS网络或Ms用户转发。P-CSCF可以处于拜访网络或归属网络。
(2)查询CSCF(I-CSCF)
I-CSCF(Interrogating-CSCF)是处在外地网络的IMS终端(包括本地漫游至外地的终端)进入本地IMs网络的入口节点,I-CSCF路由外地终端的slP请求和响应到本地S-CSCF。I-CSCF处于归属网络,在特殊情况下,也可以处于拜访网络。
(3)服务CSCF(S—CSCF)
S-CSCF(Servlng-CSCF)是SIP信令平面的中心节点, 其作用类似于软交换系统中的软交换设备。s—CSCF为IMS终端执行会话控制服务,并保持会话状态。所有IMS终端发出与接收的SIP信令都要通过S-CSCF,它检查这些sIP信令,决定是否需要访问应用服务器,并将信令转发至最终目的地。S-CSCF还提供SIP路由服务,路由SIP请求或响应到PSTN或CS域。S-CSCF总是处于归属网络。
应用服务器(AS)
应用服务器(AS,Application Server)是持有和执行服务的SIP实体,可以起到SIP用户代理的作用,用以提供各种3G业务。
多媒体资源功能(MRF)
多媒体资源功能为会话提供必要的媒体资源,如会议桥、多媒体彩铃/彩话、录音通知、语音短信、动画、音乐等。其中的多媒体资源功能控制器(MRFC,Mul-timedia Resource Function Controrler)负责管理与处理媒体资源,而媒体的具体处理则由媒体资源功能处理器(MRFP, Multimedia Resource Function Processor)来完成。
出口网关控制功能(BGCF,Breakout GatewayControl Function)
BGCF实体是一个具有路由功能的SlP实体,是IMS域与外部网络的分界点。当IMS终端向PSTN/CS域发起呼叫时,由BGCF决定向那个网络转发信令,如果目的PSTN/CS域为本地域,则BGCF向与PSTN/CS域接口的MGCF转发信令;否则, 向外地域的另一个BGCF转发信令。
媒体网关控制功能(MGCF,Media Gateway ControlFunction)
MGCF实体是IMS网络与传统电路交换网络实现互通的功能实体。主要负责控制层面信令的互通,在IMS的框架中已经考虑了和PSTN域以及与移动网络CS域的互通。其中的MOCF主要完成媒体网关/信令网关(Maw/SGW)注册、呼叫控制和MGW/SGW资源管理等功能。媒体网关(MGW)主要完成IMS网络与电路交换网络之间的媒体转换功能;信令网关(SGW)主要完成IMS的SIP信令与电路交换的NO.7信令之间的信令转换功能。
由上述可见IMS与软交换相比较,对控制层面作了进一步的分解,实现了会话控制功能(CSCF)实体与承载控制功能(MGCF)实体在功能上的分离。
IMS的会话建立过程
为了理解IMS网络的基本工作原理,以下是两个处于异地网络的IMS漫游终端之间建立会话的例子。在该例中介绍了IMS终端对其归属网络进行注册的SIP信令流程;以及IMS终端间呼叫建立的SIP信令流程。
假设有中国移动的两个IMS用户。一个为南京wlh用户,其SDP地址(SIP URl)为:sip:wlz@;另一个为杭州Iwz用户,其日JP地址为:SIP:Iwz@。目前他们均出差在外,其中的南京wIh用户去了广州();杭州lwz用户去了深圳()。在南京wlh用户到达广州;杭州lwz用户到达深圳后,将分别通过拜访网络进行SIP注册(即IMS注册)。
用户注册SIP信令流程
在建立多媒体会话之前,IMS终端必需完成归属网络的用户认证、接入网络与SIP注册。如果是拜访网络的漫游终端(UE),必需完成:
(1)UE通过激活GPRS PDP移动场景(context)过程连接lP网;
(2)UE完成其归属网络的用户认证和接入网络;
(3)UE找到它要发送SIP注册请求消息的拜访网络出口节点P-CSCF,以完成SIP注册。
两漫游用户的SIP注册(以下所提注册均为SIP注册)过程如图2所示,下面以wlh用户注册为例,通过具体注册sIP信令流程,简述其通道建立过程如下:
540)=540" vspace=5>
①漫游至广州的wlh用户,发送REGISTER消息,启动注册过程。注册报文中包含了用户标识、归属网络域名、用户信息、会话描述信息等,并抵达拜访网络的p-
CSCF。
②广州的P-CSCF查询DNS服务器,该服务器对w帅用户归属网络的入口节点I-CSCF域名(即wlh用户归属域的域名)进行解析,给出wlh用户归属网络I-CSOF的rP地址。
③P-CSCF将REGISTER消息转发给南京的I-OSOF。
④I-OSCF向HSS提交用户信息,HSS对用户身份与服务权限进行鉴权后,I-CSOF查询HSS获得为wlh用户服务的S-CSCF;如果没有,HSS指示I-CSCF根据需要的S-CSCF能力与可用的S-CSCF,分配一个S-CSCF为该用户服务。
⑤I-OSCF转发BEGISTER消息给该用户的S-CSOF。
⑥S-OSCF从HSS处下载该用户的相关信息(签约信息、安全信息等)并将呃些信息存放在该S-OSCF的数据库中。
⑦如果存在与注册相关的业务应用(例如:进入多媒体服务的提示音与提示页面等),即触发相关的应用服务器。
lwz用户到达深圳后、进行了类似的SIP注册流程。在注册的同时两用户各自建立了用户设备(比)与As之间的信令通道。
呼叫建立SIP信令流程
假设wlh用户发起对lwz用户的视频通话多媒体呼叫,其呼叫建立sIP信令流程见图3,具体流程如下:
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①漫游至广州的wlh用户通过己建立的信令通道,向其南京的归属网络S-CSCF发出INVITE消息(SlP请求报文中包含了被呼用户的slP UBI、多媒体呼叫类型等);
②若wlh用户签约了去话会话应用,那么S-GSOF触发相应的应用服务器;
③南京S-CSCF根据被呼用户的日lP URl,查询DNS服务器,得到被叫网络的I-CSCF的尸地址;
④S-CSOF转发INVITE消息给杭州IMS网络的I-CSCF;
⑤I-CSCF查询HSS,得到为wlh用户服务的S-CSCF;
⑥I-OSOF将INVITE消息转发给S-CSCF;
⑦若1wz用户签约了来话会话应用(例:来话多媒体彩铃业务),那么S-CSCF触发相应的应用服务器;
⑧S-CSCF通过己建立的信令通道,将INVITE消息发送至漫游至深圳的1wz用户师。此时,在两个uE之间己建立了信令通道。在此过程中,呼叫请求与响应slF报文的消息体之中,已包括了由会话描述协议(sDP)所描述的媒体控制信息。
⑨双方终端为这次多媒体会话,激活话务用GPESPDP场景。
⑩请求策略决策功能(PDF)进行qoS策略服务,并与通过SIP协商的QoS进行比较。协商通过后,广州与深圳的两地用户终端就可利用先前交换的IP地址和端口号(不同媒体使用不同端口号)开始发送多媒体数据。
MS的业务架构
IMS的业务架构为三层架构,第一层为业务控制层,第二层为业务使能层,第三层为应用层。为了细化IMS的业务分层架构, 引入了图4的IMS的业务架构框图。
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1.业务控制层
业务控制层由S-GSOF构成,S-CSCF是日lP的呼叫和会话控制器。S-CSCF从归属用户服务器(㈠Ss)下载用户服务配置信息,并根据具体业务应用选择相应的应用服务器类型,以提供用户所需的增值业务。
S-CSCF使用统一的IMS业务控制(ISC)接口与各种业务平台相连接。Isc的引入使业务与控制互相独立,各类业务应用服务器可以采用一种统一的接口接入IMS,为IMS提供业务。
2.业务使能层
由于S-OSCF和ISC均采用SIP协议,而不论是传统的CAMEL业务环境还是开放业务体系应用编程接口(OSAAPI)都不支持SIP,故需引入业务使能层作为一个中间匹配层。该层中的业务使能服务器(SCS)可分为:IM一SSF和OSA SCS两种实体。
(1)CAMEL是通过CAP(CAMEL, Application Part)接入网络中,CAMEL要接入IMS网络需要通过lP多媒体业务交换功能([M-SSF)实体对CAP与SlP进行转换。
(2)OSA业务使能服务器(osA SCS)负责业务使能和OSA API与ISC接口信令的映射,使IMS能够通过SlP方式执行一个或几个OSA业务能力特征(0SA SCF)。
(3)对于SIP应用服务器因为采用SIP接口,故无需经过业务使能层,可通过ISC直接连接S-CSCF。
3.应用层
AS层提供业务逻辑,用来支持3G的各种增值业务。根据其所支持的业务不同,可以划分为以下三种应用服务器:
(1)SIP应用服务器(SlP AS)
SIP AS可直接与ISC相连接,主要用于互联网业务,这种结构使互联网业务可直接移植到通信网中。
(2)OSA应用服务器
OSA应用服务器可以提供基于开放业务体系应用程序接口(osA APl)开发的第三方业务,该应用服务器群可位于用户的归属网络或第三方。3GPP定义了OSA以允许第三方业务提供商(CP、SP)进行3G移动业务的开发。
(3)CAMEL服务环境
CAMEL服务环境完成预付费、亲近号码、会议电话、彩铃等传统的移动智能网业务。CAMEL服务环境相当于固话的智能网,以提供交互式语音应答(1VR)为主的业务。
目前,IMS所提供的典型业务为:单键通话(PoC,Pushto Talk over Cellular)、全能数字助理、Web Conference、统一消息业务(UMS,Unified Messaging Service)、一号通等业务。
IMS对NGN的影响
网络融合是下一代网络(NGN)的重要特征。3GPP首先提出的IP多媒体子系统(JMs)具有采用SIP协议进行呼叫控制、与接入无关和能够灵活提供多种业务等优点,得到了ETSI、ITU-T等国际标准化组织、全球通信网络产品供应商与电信运营商的关注,被认为是实现移动网与固定网络融合、互联网与通信网融合,发展NGN的必经之路。因此对基于IMS的网络融合的研究将成为一个十分重要的课题,对NGN的规划建设和发展具有十分重要的意义。
可以说由于IMS的出现,对原来在基于软交换技术的NGN方面所达成的共识,提出了新的挑战。使整个电信网络的演进思路变得复杂起来。但随着IMS技术的发展,向NGN演进的思路将会逐渐变得清晰。
IMS体系结构
IMS的体系结构见图1,包括以下功能实体
540)=540" vspace=5>
归属用户服务器(HSS,Home Subscriber Server)
HSS是存储用户相关信息的中心数据库,相当于传统移动网的HLg。HSS除了存储用户的签约信息与位置信息外,还保存有与用户相关的、用来处理多媒体会话的定制数据,包括:本地信息、保密信息(证明与授权信息)、注册信息、业务触发信息、用户个人信息和分配给用户的S-CSCF等。
如果一个网络配置多于一个HSS,则需要配置用户位置功能(SLF, Subscriber Location Function)实体。SLF仅仅是一个映射用户地址到其所属HSS的数据库的节点。
呼叫会话控制功能(CSCF, GalI Session ControlFunction)
呼叫会话控制功能(cSCF)实体是整个IMS网络的核心,主要负责处理多媒体呼叫会话过程中的日IP信令。其功能包括:多媒体会话控制、地址转换、以及对业务协商进行服务转换等,相当于日旷服务器。CSCF进一步可划分为:
(1)代理CSCF(P-CSCF)
P-CSCF(Proxy-CSCF)是连接MS终端(UE)和IMS网络的入口节点,所有IMS终端发起和终止于IMS终端的会话消息都要通过P-CSCF。P-CSCF实际上扮演了一个代理服务器的角色,它接收SIP请求与响应,并向IMS网络或Ms用户转发。P-CSCF可以处于拜访网络或归属网络。
(2)查询CSCF(I-CSCF)
I-CSCF(Interrogating-CSCF)是处在外地网络的IMS终端(包括本地漫游至外地的终端)进入本地IMs网络的入口节点,I-CSCF路由外地终端的slP请求和响应到本地S-CSCF。I-CSCF处于归属网络,在特殊情况下,也可以处于拜访网络。
(3)服务CSCF(S—CSCF)
S-CSCF(Servlng-CSCF)是SIP信令平面的中心节点, 其作用类似于软交换系统中的软交换设备。s—CSCF为IMS终端执行会话控制服务,并保持会话状态。所有IMS终端发出与接收的SIP信令都要通过S-CSCF,它检查这些sIP信令,决定是否需要访问应用服务器,并将信令转发至最终目的地。S-CSCF还提供SIP路由服务,路由SIP请求或响应到PSTN或CS域。S-CSCF总是处于归属网络。
应用服务器(AS)
应用服务器(AS,Application Server)是持有和执行服务的SIP实体,可以起到SIP用户代理的作用,用以提供各种3G业务。
多媒体资源功能(MRF)
多媒体资源功能为会话提供必要的媒体资源,如会议桥、多媒体彩铃/彩话、录音通知、语音短信、动画、音乐等。其中的多媒体资源功能控制器(MRFC,Mul-timedia Resource Function Controrler)负责管理与处理媒体资源,而媒体的具体处理则由媒体资源功能处理器(MRFP, Multimedia Resource Function Processor)来完成。
出口网关控制功能(BGCF,Breakout GatewayControl Function)
BGCF实体是一个具有路由功能的SlP实体,是IMS域与外部网络的分界点。当IMS终端向PSTN/CS域发起呼叫时,由BGCF决定向那个网络转发信令,如果目的PSTN/CS域为本地域,则BGCF向与PSTN/CS域接口的MGCF转发信令;否则, 向外地域的另一个BGCF转发信令。
媒体网关控制功能(MGCF,Media Gateway ControlFunction)
MGCF实体是IMS网络与传统电路交换网络实现互通的功能实体。主要负责控制层面信令的互通,在IMS的框架中已经考虑了和PSTN域以及与移动网络CS域的互通。其中的MOCF主要完成媒体网关/信令网关(Maw/SGW)注册、呼叫控制和MGW/SGW资源管理等功能。媒体网关(MGW)主要完成IMS网络与电路交换网络之间的媒体转换功能;信令网关(SGW)主要完成IMS的SIP信令与电路交换的NO.7信令之间的信令转换功能。
由上述可见IMS与软交换相比较,对控制层面作了进一步的分解,实现了会话控制功能(CSCF)实体与承载控制功能(MGCF)实体在功能上的分离。
IMS的会话建立过程
为了理解IMS网络的基本工作原理,以下是两个处于异地网络的IMS漫游终端之间建立会话的例子。在该例中介绍了IMS终端对其归属网络进行注册的SIP信令流程;以及IMS终端间呼叫建立的SIP信令流程。
假设有中国移动的两个IMS用户。一个为南京wlh用户,其SDP地址(SIP URl)为:sip:wlz@;另一个为杭州Iwz用户,其日JP地址为:SIP:Iwz@。目前他们均出差在外,其中的南京wIh用户去了广州();杭州lwz用户去了深圳()。在南京wlh用户到达广州;杭州lwz用户到达深圳后,将分别通过拜访网络进行SIP注册(即IMS注册)。
用户注册SIP信令流程
在建立多媒体会话之前,IMS终端必需完成归属网络的用户认证、接入网络与SIP注册。如果是拜访网络的漫游终端(UE),必需完成:
(1)UE通过激活GPRS PDP移动场景(context)过程连接lP网;
(2)UE完成其归属网络的用户认证和接入网络;
(3)UE找到它要发送SIP注册请求消息的拜访网络出口节点P-CSCF,以完成SIP注册。
两漫游用户的SIP注册(以下所提注册均为SIP注册)过程如图2所示,下面以wlh用户注册为例,通过具体注册sIP信令流程,简述其通道建立过程如下:
540)=540" vspace=5>
①漫游至广州的wlh用户,发送REGISTER消息,启动注册过程。注册报文中包含了用户标识、归属网络域名、用户信息、会话描述信息等,并抵达拜访网络的p-
CSCF。
②广州的P-CSCF查询DNS服务器,该服务器对w帅用户归属网络的入口节点I-CSCF域名(即wlh用户归属域的域名)进行解析,给出wlh用户归属网络I-CSOF的rP地址。
③P-CSCF将REGISTER消息转发给南京的I-OSOF。
④I-OSCF向HSS提交用户信息,HSS对用户身份与服务权限进行鉴权后,I-CSOF查询HSS获得为wlh用户服务的S-CSCF;如果没有,HSS指示I-CSCF根据需要的S-CSCF能力与可用的S-CSCF,分配一个S-CSCF为该用户服务。
⑤I-OSCF转发BEGISTER消息给该用户的S-CSOF。
⑥S-OSCF从HSS处下载该用户的相关信息(签约信息、安全信息等)并将呃些信息存放在该S-OSCF的数据库中。
⑦如果存在与注册相关的业务应用(例如:进入多媒体服务的提示音与提示页面等),即触发相关的应用服务器。
lwz用户到达深圳后、进行了类似的SIP注册流程。在注册的同时两用户各自建立了用户设备(比)与As之间的信令通道。
呼叫建立SIP信令流程
假设wlh用户发起对lwz用户的视频通话多媒体呼叫,其呼叫建立sIP信令流程见图3,具体流程如下:
540)=540" vspace=5>
①漫游至广州的wlh用户通过己建立的信令通道,向其南京的归属网络S-CSCF发出INVITE消息(SlP请求报文中包含了被呼用户的slP UBI、多媒体呼叫类型等);
②若wlh用户签约了去话会话应用,那么S-GSOF触发相应的应用服务器;
③南京S-CSCF根据被呼用户的日lP URl,查询DNS服务器,得到被叫网络的I-CSCF的尸地址;
④S-CSOF转发INVITE消息给杭州IMS网络的I-CSCF;
⑤I-CSCF查询HSS,得到为wlh用户服务的S-CSCF;
⑥I-OSOF将INVITE消息转发给S-CSCF;
⑦若1wz用户签约了来话会话应用(例:来话多媒体彩铃业务),那么S-CSCF触发相应的应用服务器;
⑧S-CSCF通过己建立的信令通道,将INVITE消息发送至漫游至深圳的1wz用户师。此时,在两个uE之间己建立了信令通道。在此过程中,呼叫请求与响应slF报文的消息体之中,已包括了由会话描述协议(sDP)所描述的媒体控制信息。
⑨双方终端为这次多媒体会话,激活话务用GPESPDP场景。
⑩请求策略决策功能(PDF)进行qoS策略服务,并与通过SIP协商的QoS进行比较。协商通过后,广州与深圳的两地用户终端就可利用先前交换的IP地址和端口号(不同媒体使用不同端口号)开始发送多媒体数据。
MS的业务架构
IMS的业务架构为三层架构,第一层为业务控制层,第二层为业务使能层,第三层为应用层。为了细化IMS的业务分层架构, 引入了图4的IMS的业务架构框图。
540)=540" vspace=5>
1.业务控制层
业务控制层由S-GSOF构成,S-CSCF是日lP的呼叫和会话控制器。S-CSCF从归属用户服务器(㈠Ss)下载用户服务配置信息,并根据具体业务应用选择相应的应用服务器类型,以提供用户所需的增值业务。
S-CSCF使用统一的IMS业务控制(ISC)接口与各种业务平台相连接。Isc的引入使业务与控制互相独立,各类业务应用服务器可以采用一种统一的接口接入IMS,为IMS提供业务。
2.业务使能层
由于S-OSCF和ISC均采用SIP协议,而不论是传统的CAMEL业务环境还是开放业务体系应用编程接口(OSAAPI)都不支持SIP,故需引入业务使能层作为一个中间匹配层。该层中的业务使能服务器(SCS)可分为:IM一SSF和OSA SCS两种实体。
(1)CAMEL是通过CAP(CAMEL, Application Part)接入网络中,CAMEL要接入IMS网络需要通过lP多媒体业务交换功能([M-SSF)实体对CAP与SlP进行转换。
(2)OSA业务使能服务器(osA SCS)负责业务使能和OSA API与ISC接口信令的映射,使IMS能够通过SlP方式执行一个或几个OSA业务能力特征(0SA SCF)。
(3)对于SIP应用服务器因为采用SIP接口,故无需经过业务使能层,可通过ISC直接连接S-CSCF。
3.应用层
AS层提供业务逻辑,用来支持3G的各种增值业务。根据其所支持的业务不同,可以划分为以下三种应用服务器:
(1)SIP应用服务器(SlP AS)
SIP AS可直接与ISC相连接,主要用于互联网业务,这种结构使互联网业务可直接移植到通信网中。
(2)OSA应用服务器
OSA应用服务器可以提供基于开放业务体系应用程序接口(osA APl)开发的第三方业务,该应用服务器群可位于用户的归属网络或第三方。3GPP定义了OSA以允许第三方业务提供商(CP、SP)进行3G移动业务的开发。
(3)CAMEL服务环境
CAMEL服务环境完成预付费、亲近号码、会议电话、彩铃等传统的移动智能网业务。CAMEL服务环境相当于固话的智能网,以提供交互式语音应答(1VR)为主的业务。
目前,IMS所提供的典型业务为:单键通话(PoC,Pushto Talk over Cellular)、全能数字助理、Web Conference、统一消息业务(UMS,Unified Messaging Service)、一号通等业务。
IMS对NGN的影响
网络融合是下一代网络(NGN)的重要特征。3GPP首先提出的IP多媒体子系统(JMs)具有采用SIP协议进行呼叫控制、与接入无关和能够灵活提供多种业务等优点,得到了ETSI、ITU-T等国际标准化组织、全球通信网络产品供应商与电信运营商的关注,被认为是实现移动网与固定网络融合、互联网与通信网融合,发展NGN的必经之路。因此对基于IMS的网络融合的研究将成为一个十分重要的课题,对NGN的规划建设和发展具有十分重要的意义。
可以说由于IMS的出现,对原来在基于软交换技术的NGN方面所达成的共识,提出了新的挑战。使整个电信网络的演进思路变得复杂起来。但随着IMS技术的发展,向NGN演进的思路将会逐渐变得清晰。
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