阮国伟 黄本雄
华中科技大学电子与信息工程系
摘要 在未来的移动通信网中，基于IP的多媒体业务将成为通信网的主要业务，为了适应未来移动通信网的发展，必须在核心网中增加专门处理IP多媒体业务的功能实体。本文先介绍UMTS的R5中引入的IP多媒体子系统，然后讨论该系统的业务架构。
关键词 UMTS IP多媒体子系统 业务架构
1 引言
当前，移动通信和Internet的发展正如火如荼，分别成为通信技术和计算机网络的热点，通信网络与计算机网络的融合已经成为未来发展的目标。业界已经达成共识，这两个网络将会在IP层上统一起来，未来所有的电信业务都是基于IP的。这就要求现在的通信网络进行较大的改变，逐步过渡到分组网络中去，并建立适应分组网络的呼叫控制机制以及业务模型。
2 移动通信网络的发展概述
回顾移动通信的发展历程，通信技术的发展已经经过了第一代的模拟通信、第二代的数字通信，现在正在进入第三代多媒体通信的时代。但是当前的通信技术还不能满足人们的要求，人们一直在探讨下一代网络的技术。随着移动通信和Internet的迅速发展， 移动Internet将在未来移动通信中扮演重要角色。当前，人们已经对下一代网络（NGN）达成一个共识，就是下一代网络将是基于软交换技术的全IP的开放的网络。下一代网络有三大特点：（1）是业务驱动型的网络，业务与控制完全分离，控制与承载完全分离。（2）采用分层的全开放网络，具有独立的模块化结构。（3）是基于统一协议的分组网络体系。所以NGN将是一个四层结构的网络，分别是业务层、控制层、承载层和接入层。
NGN的描绘为当前移动通信网的发展指明了方向。当前第二代移动通信系统向第三代移动通信系统演进的过程中也逐步向NGN的目标靠拢，在GSM向UMTS的演进过程中，3GPP分别提出了R99、R4和R5三个版本，为GSM向UMTS过渡提供了一条平滑的演进之路。在R5中，为了与NGN的目标一致，3GPP提出了全IP的核心网结构。在该网络中语音业务、数据业务以及新开发的多媒体业务都会运行在IP网之上。据预测，未来的业务将会是多媒体业务占主导地位，但是SGSN和GGSN将无法完成对多媒体业务的复杂控制，所以专门增加了IP多媒体子系统（IMS），用来处理日渐增多的IP多媒体业务以及控制整个呼叫流程。可以看到，IMS的核心功能实体是呼叫会话控制功能（CSCF）单元，它控制了整个呼叫的流程。另外，它还向上层的服务平台提供标准的接口，使业务独立于呼叫控制。
3 IP多媒体子系统（IMS）
3.1 IP多媒体子系统概念
IP多媒体核心网系统是由所有能提供多媒体服务的核心网功能实体组成，包括了与信令和承载相关的功能实体的集合。IP多媒体业务是基于IETF定义的会话控制能力，利用PS域和多媒体承载来实现的。
为了实现接入的独立性和支持无线终端与Internet互操作的平滑性，IP多媒体子系统尽量采用与IETF一致的因特网标准。因此，定义的接口跟IETF的因特网标准也是尽可能的一致，例如，采用了IETF的SIP协议。
IP多媒体核心网子系统使PLMN的运营商能给他们的用户提供基于因特网的应用、服务和协议的多媒体业务。这里并不是要把这些业务变成IP多媒体子系统的标准，而是为了让PLMN的运营商和第三方的业务提供者来发展这些业务。IP多媒体核心网子系统能集中语音、图像、消息、数据和基于Web的技术来为无线用户服务，并把因特网的发展和无线通信的发展结合起来。
支持IP多媒体应用的全套解决方案是由终端、GERAN或UTRAN无线接入网、GPRS核心网和IP多媒体核心网子系统的一些特殊的功能单元。这些功能单元包括呼叫会话控制功能（CSCF）、媒体网关控制功能（MGCP）、IP多媒体网关功能（IM-MGW）、多媒体资源功能控制器（MRFC）、多媒体资源功能处理器（MRFP）、签约定位功能（SLF）、出口网关控制功能（BGCF）、应用服务器（AS）、信令网关功能（SGW）。
IP多媒体子系统的结构，所有的功能实体被认为在不同的逻辑结点中实现，如果在同一个物理设备中实现两个逻辑结点的功能，那么这两个逻辑结点的接口就成为该设备的内部接口。
3.2 IP多媒体核心网子系统实体
IP多媒体子系统像CS域、PS域子系统一样，可以完成呼叫的发起、保持、释放等功能。另外，它还要对多媒体流进行转换控制以及对多媒体业务的支持，所以包含更多的功能实体，它们分别完成不同的功能。
3.2.1 呼叫会话控制功能CSCF（Call Session Control Function）
根据CSCF在网络中所处的位置不同，它所承担的作用也不一样，它可以分为如下三种类型：
（1）代理CSCF（P-CSCF）
在移动终端获得IMS服务时，代理CSCF是第一个联系节点。用户设备通过一个“本地CSCF发现流程”来得到P-CSCF的地址。P-CSCF的作用就像一个代理服务器，它把收到的请求和服务进行处理或转发。P-CSCF不会对SIP的INVITE消息中请求的URI进行修改。P-CSCF也可以看作是一个用户代理，在异常情况下，它可以中止或独立产生SIP的事务。
P-CSCF的主要功能有：
（ａ） 把ＵＥ发来的ＳＩＰ注册请求消息前转给Ｉ－ＣＳＣＦ，该Ｉ－ＣＳＣＦ由ＵＥ提供的域名决定。
（ｂ） 把ＵＥ发来的ＳＩＰ消息前转给ＳＩＰ服务器，该服务器的名字由Ｐ－ＣＳＣＦ在该ＵＥ发起注册规程时得到。
（ｃ） 生成计费记录。
（ｄ） 支持ＵＥ与Ｐ－ＣＳＣＦ间的加密过程。
（ｅ） 对ＳＩＰ消息进行压缩与解压缩。
（ｆ） 承载资源的鉴权和ＱｏＳ管理。
（２） 查询ＣＳＣＦ（Ｉ－ＣＳＣＦ）
查询ＣＳＣＦ可以充当网络所有用户的连接点，也可以用作当前网络服务区内漫游用户的服务接入点。在一个网络中可以有多个Ｉ－ＣＳＣＦ。它的主要功能是：
（ａ） 注册。为用户指定一个Ｓ－ＣＳＣＦ来执行ＳＩＰ注册。
（ｂ） 处理会话相关与会话不相关的消息流。包括： 将另一个网络收到的ＳＩＰ请求路由到Ｓ－ＣＳＣＦ； 从ＨＳＳ获得Ｓ－ＣＳＣＦ的地址；转发ＳＩＰ请求或响应给Ｓ－ＣＳＣＦ。
（ｃ） 生成计费记录。
（３）服务ＣＳＣＦ（Ｓ－ＣＳＣＦ）
服务ＣＳＣＦ执行会话控制功能。它可以根据网络运营商的需要，维持会话状态信息。在同一个运营商的网络中，不同的Ｓ－ＣＳＣＦ可以有不同的功能。但在一个呼叫过程中，Ｓ－ＣＳＣＦ要完成的功能有：
（ａ） 注册。它可以作为一个注册机，也就是接收注册请求后通过位置服务器来使该请求的信息生效。
（ｂ） 处理会话相关与会话不相关的消息流。包括：为已经注册的会话终端进行会话控制；可以作为一个代理服务器，也就是接收请求后，进行内部处理或是把它转发；可以作为一个用户代理，也就是它可以中断或是独立发起ＳＩＰ事务；与服务平台交互来向用户提供服务；提供终端相关的服务信息。
（ｃ） 当代表主叫的终端时，根据被叫的名字（如电话号码或ＳＩＰ ＵＲＬ）从数据库中获得为该被叫用户提供服务的网络的Ｉ－ＣＳＣＦ的地址。如果被叫在另一个网络，就把ＳＩＰ请求或响应前转给该Ｉ－ＣＳＣＦ；如果被叫与主叫在同一个网络，就把ＳＩＰ请求或响应前转给该网络中的Ｉ－ＣＳＣＦ。根据运营策略，把ＳＩＰ请求或响应前转给ＩＰ多媒体核心网子系统外的ＩＳＰ的ＳＩＰ服务器。当呼叫要路由到ＰＳＴＮ或是ＣＳ域时，就把ＳＩＰ请求或响应转发给ＢＧＣＦ。
（ｄ） 当代表被叫的终端时，如果用户在归属网络中，就把ＳＩＰ请求或响应前转给Ｐ－ＣＳＣＦ；如果用户在拜访网络中，就把ＳＩＰ请求或响应前转给Ｉ－ＣＳＣＦ。根据ＨＳＳ和业务控制功能的交互作用，把要路由到ＣＳ域的入局呼叫的ＳＩＰ请求进行修改。当呼叫要路由到ＰＳＴＮ或是ＣＳ域时，就把ＳＩＰ请求或响应转发给ＢＧＣＦ。
（ｅ） 生成计费记录。
3.2.2 媒体网关控制功能MGCP（Media Gateway Control Function）
媒体网关控制功能ＭＧＣＰ包括如下功能：
（１）控制ＩＭＳ－ＭＧＷ中的媒体信道的连接。
（２）与ＣＳＣＦ通信。
（３）根据路由号码，为从传统网络来的入局呼叫选择ＣＳＣＦ。
（４）执行ＩＳＵＰ协议和ＩＭＳ呼叫控制协议间的转换。
3.2.3 IP多媒体网关功能IM-MGW（IP Multimedia - Media Gateway Function）
一个IM-MGW可以终止来自电路交换网的承载信道和来自分组网的媒体流(例如：IP网中的RTP流)。IM-MGW可以支持媒体转换、承载控制和负荷处理(例如：多媒体数字信号编解码器、回声消除器、会议桥)。它包含如下功能：
（1）与MGCF交互来进行资源控制。
（2）拥有并维护回声消除器等资源。
（3）可能需要多媒体数字信号编解码器。
IMS-MGW要提供必要的资源来支持UMTS/
GSM的媒体传输。还需要对H.248协议进行进一步的调整来支持额外的多媒体数字信号编解码器等。
3.2.4 多媒体资源功能MRF（Multimedia Resource Function）
多媒体资源功能分成两部分，包括多媒体资源功能控制器MRFC（Multimedia Resource Function Controller）和多媒体资源功能处理器MRFP（Multimedia Resource Function Processor）。
多媒体资源功能控制器MRFC的主要功能如下：控制在MRFP中的媒体流资源；翻译来自AS和S-CSCF的信息(例如：会话标识符)，并相应的对MRFP进行控制；产生计费记录。
多媒体资源功能处理器MRFP的主要功能如下：控制Mb接口点的承载；提供MRFC需要的资源；混合输入的媒体流(例如：用于多方会议)；发出多媒体流(例如：用于多媒体广播)；处理多媒体流(例如：语音编码转换、媒体分析)。
3.2.5 签约定位功能SLF（Subscription Locator Function）
签约定位功能SLF的主要功能如下：在注册和会话建立期间，被I-CSCF查询，SLF向I-CSCF提供存储用户具体数据的HSS的名字；通过Dx接口来接入IMS。
在单一的HSS环境中，并不需要SLF。
3.2.6 出口网关控制功能BGCF（Breakout Gateway Control Function）
出口网关控制功能BGCF用来选择与PSTN（或CS域）接口点相连的网络。如果BGCF发现自己所在的网络与接口点相连，那么BGCF就选择一个MGCF，该MGCF负责与PSTN（或CS域）的交互。如果接口点在另一个网络，那么BGCF就把会话信令转发给另一个网络的BGCF。BGCF在选择与PSTN相连的网络的时候，会利用收到的其它协议的信息和管理信息。BGCF的主要功能如下：
（1）收到S-CSCF的请求后，为呼叫选择一个适当的PSTN（或CS域）接口点。
（2）选择一个与PSTN（或CS域）相连的网络。如果本网络没有与PSTN相连，那么BGCF就把SIP信令转发给与PSTN（或CS域）相连的网络的BGCF。
（3）在与PSTN（或CS域）相连的网络中，选择一个MGCF，并把SIP信令前转给MGCF。
（4）生成计费记录。
3.2.7 信令网关功能SGW（Signalling Gateway Function）
信令网关SGW完成传输层的信令转换，把基于SS7的信令与基于IP的信令进行转换（也就是在Sigtran SCTP/IP和SS7 MTP间进行转换）。SGW不对应用层的消息进行解释，但必须对底层的SCCP或SCTP消息进行解释来保证信令的正确路由。
4 IP多媒体子系统的业务架构
为了适应下一代网络业务与控制分离的原则，IMS必须提供开放的接口来接入各种业务服务器，允许各种业务提供商通过标准的接口来向网络提供服务。当前通信系统中主要有三种类型的业务，一种是GSM已有的智能业务Camel，另一种是基于OSA API开发的业务，最后一种是基于Internet的业务。IMS的业务架构也要能够适应不同业务的接入要求。
4.1 IMS业务架构功能实体
IMS业务架构，它由S-CSCF以及各种应用服务器组成。它跟当前的开放性业务结构是一致的，都是三层结构：最上层是应用服务器AS；第二层是业务能力服务器SCS；第三层是S-CSCF。
应用服务器AS有SIP应用服务器、OSA应用服务器和CAMEL IM-SSF，它们都提供IP多媒体增值业务，位于用户的归属网络或是第三方位置。第三方可以是一个网络或仅是一个单独的应用服务器。
S-CSCF使用统一的ISC接口与业务平台相连，在S-CSCF看来，SIP应用服务器、OSA服务能力服务器和IM-SSF都执行相同的接口行为。该接口使各种服务器都能接入IMS，为IMS提供业务。在ISC接口中使用的是SIP协议，它暂时不支持扩展的SIP协议。使用SIP协议大大方便了因特网丰富的业务直接连接到移动网中，实现了两网的融合。
对于OSA应用服务器，用户可以根据标准的API（如：Parlay）在该服务器上进行增值业务开发，不用了解底层的网络，大大缩短了业务的开发周期。未来的业务将主要采用标准的API来进行开发。在S-CSCF与OSA应用服务器间的业务能力服务器相当于一个网关，它把OSA API与ISC接口的信令进行映射，使业务与控制互相独立，实现网络的分层结构。
CAMEL业务是传统的智能业务。在智能网中，它是通过CAP协议接入到网络中的，为了使CAMEL业务接入到IMS中，在CAMEL服务器与S-CSCF之间需要一个功能实体来完成CAP协议与SIP协议的转换，该功能由IM-SSF完成。
对于SIP应用服务器，由于ISC接口采用了SIP协议，所以它可以直接与S-CSCF相连，减少了信令的转换过程。SIP应用服务器主要是为因特网业务服务，这种结构使因特网业务可以直接移植到通信网中。
5 结论
本文详细介绍了IP多媒体子系统的结构与各个功能模块，并阐述了IP多媒体子系统的业务构架。IMS的提出顺应了通信网络发展的趋势，在未来的全IP网络中，IMS将会是最为重要的部分。IMS的提出还最大程度的保护了电信运营商的利益，它完全兼容GSM与GPRS，使当前的网络能平滑的过渡到下一代网络中去。另外，IMS还提出完全开放的业务构架，打破原有网络封闭的业务提供模式，既为电信运营商能快速的接入新业务，又为业务提供商创造一个开放的公平的竞争环境，有力的促进了电信业务的繁荣发展。
参 考 文 献
[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
阮国伟：硕士研究生，主要研究方向：移动通信网络技术。
黄本雄：教授，硕士生导师，主要研究方向：移动通信网络和通信软件工程。
----《中国数据通信》
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