前言IMS是一个基于SIP协议的会话控制系统，由3GPP提出，目前已经成为NGN发展的主要技术方向之一。本文第一章主要介绍了IMS的背景知识与基本概念；第二章主要介绍了IMS的网络结构以及各网元的功能；第三章介绍了IMS的注册流程；第四章详细介绍了IMS的基本会话流程。 1. IMS背景知识与基本概念1.1 IMS 定义IMS（IP Multimedia Subsystem）是IP多媒体子系统的简称，它是通信发展的一个新的趋势，是NGN发展的第二阶段。 NGN（Next Generation Network，下一代网络）是目前国内炒的比较热的技术之一，它与目前各运营商已经建立的通信网络有所不同。它重点推崇IP通信网络，能提供很多现在的网络所不能实现的业务，并最终实现FMC—固网、移动融合。 NGN的发展可以大致分为两个阶段：软交换（Softswitch）阶段和IMS阶段。 1）基于固网的NGN演进模式——软交换 软交换设备(SoftSwitch)目前普遍的看法是一个电路交换网向分组网演进的核心设备，也是下一代电信网络的重要设备之一，它独立于底层承载协议，主要完成呼叫控制、媒体网关接入控制、资源分配、协议处理、路由、认证、计费等主要功能，并可以向用户提供现有电路交换机所能提供的所有业务以及多样化的第三方业务。而且也是下一代网路发展中所采用的理念。它的主要特点是： -----业务提供和呼叫控制分开； ----呼叫控制和承载连接分开； ----开放的接口，便于第三方提供业务； 软交换系统还提供了全新的运营模式。初期可以在多个区域同时进行，采用统一的软交换核心控制设备。当某个区域的用户发展到一定数量后，可以单独配置相应的控制设备及运营支撑系统，形成独立的可运营系统。 2）基于移动的NGN演进模式——IMS IMS阶段是NGN发展的第二个阶段。IMS概念是在3GPP的R5版本提出来的。IMS的引入使得业务的提供方式更加灵活多样，自然可以提供更多的服务，尤其是增值服务。同时IMS的组网方式使得业务与控制进一步分离，业务的开放性也增加，改变了过去那种封闭组网的方式，完成了多业务的融合。 IMS与软交换的继承关系体现在组网结构上，它同样采用了接入层、承载层、控制层、业务层的四层结构。 1.2 IMS的演进IMS是在3GPP的R5版本中出现的，所以IMS的整体架构与移动通信网是密不可分的，要了解IMS各网元的功能就要对移动网络的发展有所了解。 2G网络实现了移动电话的基本功能—移动通话功能和短信息功能。所有信号均在电路交换网络上进行传输，通过BSS（基站子系统）将UE接入网络，通过MSC/VLR（移动交换中心/拜访地位置寄存器）控制BSS，向存有用户签约信息的HLR（归属地位置寄存器）了解用户的信息，并通过GMSC（网关MSC）将其他网络接入到2G的移动网络当中来。这是移动网络发展的最初形态。 2.5G的移动网络添加了PS（分组交换）域的概念，即叠加了一个GPRS网络以实现数据业务。2G当中的网络成为CS（电路交换）域。传统的语音业务还是由CS域来实现，而补充的一些数据业务由PS域实现。SGSN（服务GPRS交换节点）将BSS的数据业务接入，GGSN（网关GPRS交换节点）与IP网相连，提供数据的交流。这种运营模式是GSM的现有形式之一，一定程度上扩展了业务种类，但同时也限制了业务的进一步开展。 3GPP的R99版本将BSS改名为RNS（无线网络子系统），并且将过去BSS与CS域的A接口和与PS域的Gb接口改为了RNS与CS域的Iu-CS接口和与PS域的Iu-PS接口，只是空中接口产生了变化，而CN（核心网）并没有产生改变。 R4版本继承了R99版本的无线侧结构和PS域结构，其变化的主要部分在CS域。它引入了软交换的控制和承载相分离的思想，将过去CS域的MSC单一网元分离成为专门进行媒体流传输的MGW（媒体网关）和对媒体流/MGW进行控制的MSC Server（移动交换中心服务器）/GMSC Server（网关 MSC Server）。MSC Server/GMSCServer上是不走媒体流的，只走控制流，初步显示了开放性网络结构，为网络的进一步向全IP优化创造了条件。 从R5版本开始,就引入了IMS的概念。它在过去网络的CS域和PS域上叠加了一个IMS域，实际上从R5版本开始，移动网络就开始了向全IP网络过渡的脚步。不仅仅叠加的IMS域是建立在IP网络基础上的，就连传统的CS域由于在R4版本进行了控制和承载的分离，也可以采取IP网络来进行承载。IMS域可以扩展移动网络的业务提供范围，丰富业务提供方式。可以说，只有有了IMS域，我们才真正体会到了3G给我们带来的革命性体验。 R6版本是在R5版本叠加IMS域的基础上，进一步优化了网络结构，以实现接入无关的特性，即无论终端采用哪种接入方式，不管是WLAN接入，或是PLMN接入，或者是移动终端接入，或者是Internet接入，都将能享受到同样的服务。 实际上，整个移动网络的演进都是向着一个目标前进—全IP网络。因为IP网络可以非常灵活地承载各种各样的业务，SP（业务提供商）无需了解网络的具体结构和底层协议，他们只需要通过标准的接口实现应用程序即可，这就降低了业务开发的难度，丰富了业务的种类。 移动网络得最终形态可能是CS域的消亡，所有的接入都通过PS域实现，这样就实现了一个“全分组交换网络”。 1.3 IMS特点：IMS 网络技术被认为是下一代网络的核心技术，也是解决互联网与语音应用相结合、固定移动融合的服务等差异化业务的重要方法，该技术主要有以下几个特点： 1、IMS是未来核心网的发展方向, 主要是因为IMS兼有网络融合的两个基本点： 技术融合的汇聚点——IP技术，包括互联网的应用技术。 业务融合的汇聚点——多媒体业务。 2、使用SIP控制协议 在控制层面使用SIP实现集中的信令控制， 在业务层面使用SIP给所有的业务提供统一的会话机制。 3、与接入不相关性 IMS的目的是建立与接入无关、能被移动网络与固定网络共用的融合核心网，能为使用2.5G、3G、WLAN和固定宽带等不同接入手段的用户提供融合的业务，同时也可与各种网络进行互通。 4、开放的业务环境 IMS的业务除由运营商自己提供以外，还允许由第三方提供。 5、提供一致的业务归属能力 所有的签约业务均由归属网络提供 ，支持用户的移动性。 图1-1 IMS主要特征
2. IMS网络架构2.1 IMS整体架构IMS与软交换的继承关系直接体现在组网结构上。可以发现，IMS同样采用了软交换的四层结构：接入层，承载层，控制层，业务层。IMS继承了软交换的业务与控制分离、控制与承载分离的OSA（OSA：OpenServices Architecture）体系架构。 图 2-1 IMS网络架构图 如上图所示，IMS总体架构通常分为四层，接入层、承载层、呼叫控制层、业务应用层，各个层的主要功能如下： 接入层和承载层：负责将各种接入网络汇总到IMS核心网中，完成对现有网络的互通及完成对承载的控制。 呼叫控制层：IMS的核心层，完成呼叫控制、安全管理、业务触发、资源控制、网络互通等核心功能。 业务应用层：提供各种业务实现，如PSTN仿真业务集、Centrex业务集、呈现业务、即时消息业务等。
2.2 IMS各网元功能IMS的网元种类繁多，下面就按照分层结构逐一介绍各网元的功能。 1. 接入层： l GGSN：GGSN的作用是将使用PS域的设备接入到IMS网络当中； l SBC：通过LAN接入的设备的语音流和控制流都要经过SBC才能接入IMS 网络，起到了宽带网关的作用； l MGW：将其他网络的媒体流接入IMS网络； l SGW：将其他网络的信令流接入IMS网络. 2. 承载层： 承载层就是IP网络，只要性能符合IMS的承载条件就可以承载IMS系统。 3. 控制层： l P-CSCF：P-CSCF提供代理（Proxy）功能，即接收请求和业务或转发它们。P-CSCF也可以提供用户代理（User Agent，UA）功能，即在异常情况下中断和独立产生SIP会话。 策略决定功能PDF是P-CSCF的一个逻辑实体，物理上可独立P-CSCF存在。 P-CSCF转发从IMS终端来的SIP注册请求给I-CSCF，I-CSCF是根据IMS终端提供的归属域名（homedomain name）来确定的； P-CSCF转发从IMS终端来的SIP消息给SIP服务器（如S-CSCF），在注册流程中P-CSCF会获得SIP服务器的域名。 l I-CSCF：I-CSCF是与某个运营商用户或“某个运营商网络内的漫游用户”通信时的连接点。每个运营商网络可以有多个I-CSCF。 I-CSCF分配S-CSCF来完成SIP注册流程，即能够根据用户业务的能力要求（从HSS处得到）等信息为用户分配S-CSCF； I-CSCF从HSS获得S-CSCF的地址，路由其他网络来的SIP请求给S-CSCF； I-CSCF转发SIP请求和响应给AS或S-CSCF； I-CSCF产生CDR信息。 l S-CSCF：S-CSCF在IMS核心网中处于核心的控制地位，负责对IMS终端的注册鉴权和会话控制，执行针对主叫端及被叫端IMS用户的基本会话路由功能，并根据用户签约的IMS触发规则，在条件满足时进行到SIPAS/IM-SSF/OSA SCS的增值业务路由触发及业务控制交互。 S-CSCF提供用户注册与鉴权控制； S-CSCF负责注册之外会话相关和独立的事务处理； S-CSCF通过Cx接口从HSS提取用户签约数据和接受用户签约数据更新。 l BGCF：BGCF负责选择PSTN/CS域网络出口。 BGCF选择MGCF并转发SIP信令给MGCF。BGCF一般可通过区号或者机构号选择MGCF； BGCF产生CDR信息。 l MRF：MRF分为MRFC和MRFP两部分，其中MRFP属于业务层。 MRFC与MRFP之间存在接口Mp，Mp接口支持H.248标准。 MRFC控制MRFP中的媒体流资源，解析从AS和S-CSCF来的信息和依此控制MRFP； MRFC产生CDR信息； MRFP提供MRFC控制的资源，混合到来的媒体流，作为媒体流（多媒体通知），进行媒体流处理（如音频编解码，媒体分析）。 l MGCF：MGCF是将CS域接入IMS的控制设备，它的功能有： A．执行ISUP和IMS呼叫控制协议之间的协议转换，支持与BICC协议的互通，支持IMS与H323/SIP协议的互通。 B．控制IMS-MGW上的资源。 C．与CSCF交互，支持业务互通。 D．接收带外信息并转发给CSCF/IMS-MGW。 l HSS：HSS主要负责用户签约信息的存储，基于这些信息完成呼叫控制和会话管理等功能，相当于以前移动网中的HLR 4. 业务层： l AS：应用服务器（AS）可以是SIP应用服务器、OSA应用服务器或CAMEL IM-SSF，为用户提供IM业务，可能处在用户归属网络或第三方网络。其中OSA应用服务器通过OSA SCS-s接口与IMS网络中的网元通信。 AS可以通过Sh和Si接口与HSS通信。 l PSS：即原来软交换架构中的软交换控制设备。在软交换架构中，SS既负责呼叫接续和控制，又负责提供基本的语音业务和一些补充业务。但在IMS架构中，呼叫接续和控制功能由S-CSCF承担，SS设备只提供基本语音业务和一些补充业务，上升到应用层，成为应用服务器之一的PSS。 2.3 IMS主要接口IMS中应用的协议主要有SIP、Diameter、COPS、H248等，接口主要涉及到Cx，Gm等 图 2-2 IMS主要接口示意图 表2-1 IMS网络的接口和涉及的网元 | 接口 | | | | | Cx | | | | | Gm | | | | | Mc | | | | | Mg | | | | | Mm | | | | | Mr | | | | | Mp | | | | | Mw | | | |
1. Gm参考点：Gm参考点连接UE和IMS，支持UE和CSCF间的信息交互，该参考点上的过程可以分为3类：注册、会话控制和事务处理。Gm参考点采用SIP协议。 2. Mw参考点：Mw参考点支持各CSCF间的信息交互，参考点中的过程也包括注册、会话控制和事务处理等。Mw参考点同样采用SIP协议。 3. Cx参考点：Cx参考点支持CSCF和HSS之间的信息交互，其上的主要过程被分为3类：位置管理、用户数据处理和用户认证。接口协议采用Diameter协议。 4. Dx参考点：Dx参考点是CSCF与SLF之间的接口，用于支持I-CSCF和S-CSCF查询SLF时的HSS地址解析过程，Dx参考点总是与Cx参考点结合使用。这个参考点上的协议基于Diameter协议。其功能是通过一个增强的Diameter重定向代理所提供的路由机制来实现的。 5. Mi参考点：Mi参考点在CSCF与BGCF之间，支持S-CSCF将会话信令向BGCF转发，以实现与PSTN网络的互通，接口协议采用SIP协议。 6. Mg参考点：Mg参考点位于CSCF与MGCF之间，接口协议采用SIP协议。Mg参考点将CS域的边缘功能（MGCF）连接到IMS（也就是I-CSCF），使得MGCF可以将来自CS域的会话信令转发到I-CSCF，以实现与PSTN网络的互通。 7. Mj参考点：Mj参考点位于BGCF与MGCF之间，使用SIP协议。当BGCF通过Mi参考点收到一个会话信令的时候，它会选择到CS域的出口。如果出口产生在相同的网络，那么它就会通过Mj参考点将这个会话转发给MGCF。 8. Mr参考点：Mr参考点位于CSCF与MRFC之间，支持S-CSCF和MRFC间的信息交互。当S-CSCF需要激活与承载相关的服务时，它就通过Mr参考点发送SIP信令给MRFC。Mr参考点采用SIP协议。 9. Mp参考点：Mp参考点位于MRFC与MRFP之间，支持MRFC控制MRFP提供的媒体资源能力（例如，为会议媒体创建连接或向用户发送语音通知）。Mp参考点采用的协议与H.248标准完全兼容。 10. Mn参考点：Mn参考点位于MGCF与IMS-MGW之间，MGCF通过该接口对接入与传送平面（即用户平面）资源进行控制。Mn参考点所使用H.248协议。 11. Mm参考点：Mm参考点位于CSCF与其他IP多媒体网络之间，负责接受并处理一个SIP服务器或终端的会话请求。Mm参考点使用SIP协议。 图 2-3 IMS应用的协议和接口
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发表于 2020-3-12 20:53:13