3G核心網演進和IMS研究分析報告

3G 核心網演進和 IMS 摘要 文章介紹了 3G 核心網的演進歷程和 IMS 的體系結構及協(xié)議，闡述了 IMS 對 PS 域的要求，與 CS 域的互通，及其和 CS 域在業(yè)務發(fā)展上的關系，最后分析了 IMS 的幾個發(fā)展階段。 1、引言 3G 核心網分為電路交換域（ CS 域， Circuit SwitchedDomain）和分組交換域（ PS 域， Packet SwitchedDomain）。 CS 域為用戶提供 “電路型業(yè)務 ”或相關信令連接路由； PS 域為用戶提供 “分組型數(shù)據業(yè)務 ”。PS 域源于通用無線分組業(yè)務（ GPRS， General Packet RadioService），在 GPRS（ 2.5G 技術）的基礎上實現(xiàn)了功能擴展和增強，其最終目的是提供高速的分組數(shù)據業(yè)務。 IMS 以 IP 分組網絡作為承載，可以通過 GPRS 接入，為 3G 用戶服務還可以有其他接入方式如 WLAN、 xDSL等，為非 3G 用戶服務。 IMS 作為融合 IP 網絡中的統(tǒng)一的呼叫控制核心，促進了網絡融合。從功能上來說， IMS作為新的子系統(tǒng)，和電路域、分組域有著并列關系，即 3G 核心網在 3GPPR5 版本以后可以分為 CS 域、 PS 域和IMS。通過 PS 域接入 IMS 服務，對 PS 域提出了新要求，如 Go 接 口、 P-CSCF 發(fā)現(xiàn)機制、基于流的計費等。對于基本的語音呼叫和視頻呼叫，可以通過 IMS 和 CS 域互通實現(xiàn)。在業(yè)務發(fā)展上， CS 域和 IMS 是業(yè)務互補、網絡互通、融合替代的關系。 2、 3G 核心網演進 從 3GPP 標準的演進可以較為清晰地說明 3G 核心網的演進過程。如表 1 所示。 表 1 3GPP 版本演進 3GPP版本 凍結時間 核心網電路域特點 核心網分組域特點 R99 2000 年底 和 GSM 核心網相同 接入網已分組化的 AAL2話音仍須經過編解碼轉換器轉化為 64k TDM 語音，傳輸資源利用率低 。 和 GPRS 核心網基本相同 R4 2001 年 3 月 利用了軟交換思想，實現(xiàn)了呼叫控制和承載的分離 基于 IP/ATM組網時可采用TrFO，節(jié)省傳輸資源 和 R99 GPRS 核心網基本相同 R5 2002 年 3 月凍結，之后有改動 對電路域不作要求 在分組域上疊加了 IP 多媒體子系統(tǒng) IMS（呼叫控制 CSCF 和媒體網關控制 MGCF 進一步分離） 由于以分組域作為承載傳輸，更好地實施對多媒體業(yè)務的控制 R6 2004 在 對電路域不作要求 WLAN 可以通過 PDG 接入到 IMS； 完善網 絡互通、安全性等方面的內容，同時制定 IMS 消息類業(yè)務相關的規(guī)范。 R7 推遲到 2006 年 對電路域不作要求 IMS 支持 xDSL/Cable 接入方式 從表 1 中可以得出結論： R5 以后， 3GPP 核心網的電路域不再有發(fā)展，而發(fā)展變化是以 IMS 為核心在分組域展開的。分組域除了承擔原有的提供分組數(shù)據業(yè)務以外，還需要為 IMS 提供承載。 3、 IMS 體系結構和特點 圖 1 描述了 IMS 的體系結構。 IMS 網絡可以通過 PS 接入，也可以通過其他網絡接入（如 WLAN 和 xDSL），可以與 CS 域互通，以及與其他的 IMS 網絡互通。 IMS 網絡的功能實體大致分為以下幾類：會話管理和路由類（ CSCF）、數(shù)據庫類（ HSS， SLF）、網間配合類（ BGCF， MGCF， MGW， SGW）、服務類（ MRFC， MRFP）、支撐類（ PDF）。 圖 1 IMS 體系結構 圖 2 描述了 IMS 功能實體的地理分布。 P-CSCF 位于拜訪網絡， I-CSCF、 S-CSCF、 HSS、 SLF、 MRFC 和 MRFP位于歸屬網絡。 圖 2 IMS 功能實體地理分布 3.1 IMS 主要功能實體 按照 IMS 的功能實體 的地理分布和功能特點， IMS 的主要功能實體可分類為： （ 1）拜訪網絡功能實體 代理呼叫會話控制功能（ P-CSCF， Proxy Call Session Control Function）：是 IMS 系統(tǒng)中用戶的第一個接觸點，轉發(fā)所有 SIP 客戶端的注冊和呼叫，根據主叫被叫的 SIP URI 去找到其相應的歸屬域。 （ 2）歸屬網絡功能實體 代理呼叫會話控制功能（ I-CSCF， Interrogating CSCF）：是歸屬域的入口，為每個呼叫找到相應 S-CSCF。 服務呼叫會話控制功 能（ S-CSCF， Serving CSCF）：是整個 IMS 的控制核心，位于歸屬網絡。它完成用戶注冊認證、會話控制、 URI 解析、應用服務器觸發(fā)等功能。 歸屬用戶服務器（ HSS， Home Subscriber Server）：是用戶數(shù)據庫服務器，包括用戶身份、注冊信息、接入參數(shù)和服務觸發(fā)信息等。 簽約關系定位功能（ SLF， Subscription Location Function）：當部署了多個 HSS 時，能夠找到給定用戶簽約的 HSS，向 I-CSCF 和 S-CSCF 提供用戶標識到 HSS 名的解析。 媒體資源控制器（ MRFC， Media Resource FunctionController）和媒體資源處理器（ MRFP， Media Resource FunctionProcessor）的功能：根據 S-CSCF 和 /或應用服務器的調用， MRFC 通過 H.248 協(xié)議控制 MRFP 完成相應的媒體流編解碼、轉換、混合和播放，在系統(tǒng)中起到會議橋和 IVR 的作用。 （ 3）與 CS 域互通功能實體 媒體網關控制功能（ MGCF， Media Gateway Controller Function）：是使 IMS 用 戶和 CS 用戶可以進行通信的網關； 媒體網關（ MGW， Media Gateway）：提供 CS 網絡（ PSTN、 GSN）和 IMS 之間的用戶平面鏈路； 出口網關控制功能（ BGCF， Breakout Gateway ControlFunction）：負責選擇到 CS 域的出口位置，其一是選擇同一網絡中的 MGCF 和 MGW，其二是選擇不同 IMS 網絡中的另一個 BGCF，并由其選擇 MGCF 來實現(xiàn)到 CS域的出口。 3.2 IMS 協(xié)議分類 從圖 2 中可以看出， IMS 網絡中的主要協(xié)議有 SIP、 Diameter、 COPS 和 H.248。 （ 1）會話初始化協(xié)議（ SIP， Session InitiationProtocol）：根據其功能分為網絡接口（ NNI， Network and NetworkInterface）、用戶網絡接口（ UNI， User and Network Interface）和 IMS 服務控制接口（ ISC， IMSService Control）。 NNI：完成會話控制消息交換。在 CSCF 之間，以及與其他功能實體間接口消息； BGCF 之間，以及與其他功能實體間都是 SIP 消息。包括的接口有 Mw、 Mm、 Mr、 Mg、 Mi、 Mj、 Mk； UNI：是 UE 與 P-CSCF 之間的 Gm 接口，完成注冊、會話控制、事務處理； ISC： S-CSCF 和業(yè)務平臺 AS 之間接口，用于服務控制。 （ 2） Diameter 協(xié)議基于遠程撥入用戶認證服務（ RADIUS， Remote Authentication Dial In User Service），包含的接口有： Cx 接口，在 I-CSC/S-CSC 和 HSS 之間，用于位置管理、用戶數(shù)據處理和認證； Sh 接口，在 AS 和 HSS 之間，用于數(shù)據處理和訂閱 通知； Dx 接口和 Dh 接口，分布位于 I-CSC/S-CSCF 和 SLF 之間，以及在 AS 和 SLF 之間，都用于在多個 HSS 環(huán)境中查找正確的 HSS； Gq 接口，在 P-CSCF 和 PDF 之間，用于交換承載控制和計費相關信息。 （ 3）公共開放策略服務（ COPS， Common Open Policy Service）用于 PDF 和 GGSN 之間的 Go 接口，交換與策略決策相關的信息。 （ 4） H.248 協(xié)議用于媒體網關控制和媒體資源的控制，包括： Mp 接口，在 MRFC 與 MRFP 之間； Mn 接口， MGCF 與 IM-MGW 之間。 4、 IMS 對 PS 和 CS 的影響以及 IMS 的發(fā)展分析 4.1 IMS 對 PS 域的要求 在 R5 版本中，通過核心網分組交換域（ PS 域）接入 IMS 服務。 PS 域要為 IMS 信令和媒體建立一個或者多個 PDP Context，提供 UE 到 IMS 之間信令和媒體的下層承載。 引入 IMS 后， PS 域需要增強的功能包括：長期在線所需要的保留功能、 QoS 增強、二次 PDP 上下文激活（ Sencordary PDP Context Activation）、 PDPContext 修改。以上功能 是 3GPP 在 R99 和 R4 的分組域已經要求的功能，但是由于業(yè)務局限性，有些功能顯得并不重要。引入 IMS 以后，這些功能變得尤其重要，因此這些功能是 PS 針對 IMS 需要增強的功能。 另外 PS 域需要新增一些功能，包括： GGSN 和 P-CSCF 之間需支持 Go 接口，以實現(xiàn) IMS 所需的策略決策；GGSN 要承擔 P-CSCF 發(fā)現(xiàn)功能； GGSN 支持基于流的計費功能（ Flow BasedCharging），以提供基于內容、實時、非實時的計費；為支持多媒體廣播組播業(yè)務（ MBMS， MultimediaBroadcast/Multicast Service）， SGSN， GGSN，RNC， Node B 乃至 UE 都需做相應的擴展和功能增強。 （ 1）增強功能 長期在線所需要的保留功能 保留（ Preservation）功能是為了解決用戶長期在線帶來的無線資源浪費的問題。也就是說，在激活 PDP 上下文的用戶長時間沒有數(shù)據傳輸?shù)臅r候，釋放無線資源，保留核心網資源，一旦出現(xiàn)上下行激活，用戶可以盡快獲得無線資源，傳輸數(shù)據。 QoS 增強 R99 和 R4 的主要業(yè)務是以數(shù)據業(yè)務承載為主，涉及的 QoS 類型為 Backgroud 和 Interactive。 R5IMS 的引入，對于 Steaming 和 Conversation 類型的 QoS 也有了明確的需求。因此 PS 域在如何保證相關 QoS 類型的時延、抖動、丟包率等方面都需要增強。 二次 PDP 上下文激活 3GPP定義的二次 PDP 上下文激活功能是為了用戶的同一個 APN和同一個 IP 地址創(chuàng)建不同的 QoS 的 PDP上下文。對于 IMS 來說，如果要更好的為用戶提供業(yè)務，針對 SIP 信令、不同業(yè)務的媒體，都應該采用不同的 QoS承載。這樣，二次 PDP 上下文激活功能就會廣泛應用。 PDP Context 修改 IMS 允許 SIP 信令、媒體承載在同一個 PDP 上下文上，但是信令和不同的業(yè)務媒體對于 QoS 有著不同的要求，因此 IMS 要求 PDPContext 的 QoS 可以重新協(xié)商，這樣 PS 可以根據不同的承載內容選擇不同的 QoS。因此該功能在 IMS 中屬于基本功能，需得到增強。 （ 2）新增功能 Go 接口 IMS 引入了策略控制（ Police Control）的功能， GGSN 跟 P-SCSF 中的 PDF 功能通過 Go 接口交互實現(xiàn)策略控制的功能， Go 接口采用 COPS 協(xié)議。通過 Go 接口消息交互，實現(xiàn)對 QoS 資源 的批準。 P-CSCF 發(fā)現(xiàn)功能 GGSN 作為 IMS 接入點，自然要承擔 P-CSCF 發(fā)現(xiàn)功能。 3GPP 定義了兩種 P-CSCF 發(fā)現(xiàn)的方式。一種是在 PDP Context 激活的過程中，由 GGSN 獲得 P-CSCF 的 IP 地址，并且以 PDPContext 成功激活響應通知終端；另外一種是在 PDPContext 激活成功以后，終端通過 DHCP 獲得 P-CSCF 的域名，然后通過 DNS 解析獲得 P-CSCF 的 IP地址。 基于流的計費 R5 的計費方式是針對承載 PDPContext 的計費， R6 則引入了基于流的計 費，實現(xiàn)針對不同業(yè)務數(shù)據流的計費，即針對用戶的不同 APN、 QoS、不同應用、不同業(yè)務流類型、甚至不同的業(yè)務流速率進行區(qū)分計費。基于流的計費大大提高了計費的靈活性，使得從承載層面解決基于內容計費成為可能。 如表 2 所示， R6 中引入了計費規(guī)則功能實體（ CRF），從而引入了 Rx 和 Gx 接口；在 R7 中將 PDF 和 CRF合并成了策略控制和計費功能實體（ PCRF），將 Rx 和 Gq 合并成 Rx+接口，將 Gx 和 Go 合并成 Gx+接口， PCRF向 GGSN 提供策略控制和計費功能。 表 2 R6 和 R7 中的計費控制 多媒體廣播組播業(yè)務 R6 提出了多媒體廣播組播業(yè)務（ MBMS）的概念，為此需要引入廣播組播業(yè)務中心（ BM-SC，Broadcast/Multicast ServiceCenter），集中為多媒體內容提供者提供廣播和組播承載。為了高效實現(xiàn)多媒體內 容在 PS 和無線接口的傳輸、 MBMS 引入了一系列的機制、 SGSN、 GGSN、 RNC、 Node B 乃至 UE 都需做相應的擴展和功能增強。 增加支持的 PDP Context 個數(shù) 在 3GPP R99、 R4 規(guī)范關于 NSAPI 定義方面，每個 UE 支持的 PDPContext 個數(shù)最多是 16 個，其中四個作為保留值，實際上能夠使用的只有 12 個。在 R99、 R4 階段， 12 個 PDPContext 對于用戶來說是足夠的。但是由于IMS 的引入，以及多種業(yè)務的并發(fā)， 12 個 PDPContext 有可能成為業(yè)務開展的瓶頸，目前 3GPP 正 在探討如何擴展 PDPContext 支持的個數(shù)，其中有兩種做法，一種是使用原來保留的 4 個 NSAPI 的值，另外一種做法是擴展NSAPI 字段定義長度。 4.2 IMS 和 CS 域的互通 （ 1） IMS 用戶呼叫 CS 域用戶 如圖 3 所示，當 IMS 用戶發(fā)起一次到 CS 網絡的呼叫請求時，使用 E.164 地址。主叫用戶的 S-CSCF 收到 tel URL 類型用戶身份后，必須到 ENUM 服務器查詢，將 tel URL 轉換為 SIPURL，因為 IMS 路由原則不允許用 tel URL來進行路由。若 ENUM 服務器返回 SIPURL 的格式， 說明被叫用戶是 IMS 用戶，可以進一步將會話路由到目標 IMS網絡；若 ENUM 服務器不能返回 SIPURL，返回轉換失敗消息給 S-CSCF，說明被叫用戶是 CS 用戶， S-CSCF 將會話請求轉到同一網絡中的 BGCF。 圖 3 IMS 用戶呼叫 CS 域用 戶 BGCF 通過被叫號碼分析而得到被叫用戶所歸屬的 BGCF，被叫 BGCF 選擇一個被叫網絡的 MGCF， MGCF 將SIP 信令轉換為 ISUP/BICC 信令，信令路由到被叫側 CS 域的 MSC，呼叫被叫 UE。 （ 2） CS 域用戶呼叫 IMS 用戶 如圖 4 所示，當 CS 網絡用戶撥打 IMS 用戶的 E.164 號碼時，經過路由分析，被送到 IMS 用戶歸屬網絡中的MGCF。在收到該 ISUP/BICC 信令消息后， MGCF 將 ISUP/BICC 信令轉換成 SIP 信令，并向 I-CSCF 發(fā)送一條 SIP INVITE 消息。 I-CSCF 在 HSS 的幫助下找到被叫用戶的 S-CSCF。接著， S-CSCF 通過 P-CSCF 將 SIPINVITE 消息傳遞給被叫 UE，發(fā)起呼叫。 圖 4 CS 域用戶呼叫 IMS 用戶 5、 IMS 和 CS 域的業(yè)務關系 CS 域是一個以提供話音業(yè)務為主要目標 的網絡，其引入軟交換技術只實現(xiàn)了核心網的承載 IP 化，但沒有解決多媒體業(yè)務的提供問題。 IMS 域具備了多媒體業(yè)務的提供能力，而 3G 網絡的建設和運營一定是需要豐富的多媒體業(yè)務來充分發(fā)揮無線帶寬的優(yōu)勢的。 CS 域不支持 SIP 協(xié)議，這使得 CS 域的軟交換和 IMS 域不是平滑演進的關系，而是一個業(yè)務互補、網絡互通、融合替代的關系。 6、 IMS 發(fā)展階段分析 從引進和發(fā)展角度來看， IMS 分為以下幾個階段： （ 1）第一階段，即現(xiàn)階段 IMS 的引入，應該是以與 CS 互補的多媒體類業(yè)務來引入，例如 PoC、即時消息、呈現(xiàn)、視頻會議等等。 IMS雖然在 R5 中被提出，但并不意味著只有等網絡到了 R5 階段才能部署 IMS，在 R99/R4 的基礎上、甚至是在現(xiàn)有2G 的 GPRS 基礎上，都可以部署 IMS 系統(tǒng)。 （ 2）第二階段 通過 GPRS 引入 IMS 網絡后，隨著無線接入帶寬的逐步加寬和 V