3G核心网演进和IMS研究分析报告

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1、3G核心网演进和IMS摘要文章介绍了3G核心网的演进历程和IMS的体系结构及协议，阐述了IMS对PS域的要求，与CS域的互通，及其和CS域在业务发展上的关系，最后分析了IMS的几个发展阶段。 1、引言 3G核心网分为电路交换域（CS域，Circuit SwitchedDomain）和分组交换域（PS域，PacketSwitchedDomain）。CS域为用户提供“电路型业务”或相关信令连接路由；PS域为用户提供“分组型数据业务”。PS域源于通用无线分组业务（GPRS，General Packet RadioService），在GPRS（2.5G技术）的基础上实现了功能扩展和增强，其最终目的是提

2、供高速的分组数据业务。 IMS以IP分组网络作为承载，可以通过GPRS接入，为3G用户服务还可以有其他接入方式如WLAN、xDSL等，为非3G用户服务。IMS作为融合IP网络中的统一的呼叫控制核心，促进了网络融合。从功能上来说，IMS作为新的子系统，和电路域、分组域有着并列关系，即3G核心网在3GPPR5版本以后可以分为CS域、PS域和IMS。通过PS域接入IMS服务，对PS域提出了新要求，如Go接口、P-CSCF发现机制、基于流的计费等。对于基本的语音呼叫和视频呼叫，可以通过IMS和CS域互通实现。在业务发展上，CS域和IMS是业务互补、网络互通、融合替代的关系。 2、3G核心网演进 从3G

3、PP标准的演进可以较为清晰地说明3G核心网的演进过程。如表1所示。 表13GPP版本演进 3GPP版本 冻结时间 核心网电路域特点 核心网分组域特点 R99 2000年底 和GSM核心网相同接入网已分组化的AAL2话音仍须经过编解码转换器转化为64k TDM语音，传输资源利用率低。 和GPRS核心网基本相同 R4 2001年3月 利用了软交换思想，实现了呼叫控制和承载的分离基于IP/ATM组网时可采用TrFO，节省传输资源 和R99 GPRS核心网基本相同 R5 2002年3月冻结，之后有改动 对电路域不作要求 在分组域上叠加了IP多媒体子系统IMS（呼叫控制CSCF和媒体网关控制MGCF进一

4、步分离）由于以分组域作为承载传输，更好地实施对多媒体业务的控制 R6 2004在 对电路域不作要求 WLAN可以通过PDG接入到IMS；完善网络互通、安全性等方面的内容，同时制定IMS消息类业务相关的规范。 R7 推迟到2006年 对电路域不作要求 IMS支持xDSL/Cable接入方式 从表1中可以得出结论：R5以后，3GPP核心网的电路域不再有发展，而发展变化是以IMS为核心在分组域展开的。分组域除了承担原有的提供分组数据业务以外，还需要为IMS提供承载。 3、IMS体系结构和特点 图1描述了IMS的体系结构。IMS网络可以通过PS接入，也可以通过其他网络接入（如WLAN和xDSL），可以

5、与CS域互通，以及与其他的IMS网络互通。IMS网络的功能实体大致分为以下几类：会话管理和路由类（CSCF）、数据库类（HSS，SLF）、网间配合类（BGCF，MGCF，MGW，SGW）、服务类（MRFC，MRFP）、支撑类（PDF）。 图1IMS体系结构 图2描述了IMS功能实体的地理分布。P-CSCF位于拜访网络，I-CSCF、S-CSCF、HSS、SLF、MRFC和MRFP位于归属网络。 图2IMS功能实体地理分布 3.1IMS主要功能实体 按照IMS的功能实体的地理分布和功能特点，IMS的主要功能实体可分类为： （1）拜访网络功能实体 代理呼叫会话控制功能（P-CSCF，Proxy C

6、all Session Control Function）：是IMS系统中用户的第一个接触点，转发所有SIP客户端的注册和呼叫，根据主叫被叫的SIP URI去找到其相应的归属域。 （2）归属网络功能实体 代理呼叫会话控制功能（I-CSCF，Interrogating CSCF）：是归属域的入口，为每个呼叫找到相应S-CSCF。 服务呼叫会话控制功能（S-CSCF，Serving CSCF）：是整个IMS的控制核心，位于归属网络。它完成用户注册认证、会话控制、URI解析、应用服务器触发等功能。 归属用户服务器（HSS，Home Subscriber Server）：是用户数据库服务器，包括用户身

7、份、注册信息、接入参数和服务触发信息等。 签约关系定位功能（SLF，Subscription Location Function）：当部署了多个HSS时，能够找到给定用户签约的HSS，向I-CSCF和S-CSCF提供用户标识到HSS名的解析。 媒体资源控制器（MRFC，Media Resource FunctionController）和媒体资源处理器（MRFP，Media Resource FunctionProcessor）的功能：根据S-CSCF和/或应用服务器的调用，MRFC通过H.248协议控制MRFP完成相应的媒体流编解码、转换、混合和播放，在系统中起到会议桥和IVR的作用。 （3

8、）与CS域互通功能实体 媒体网关控制功能（MGCF，Media Gateway Controller Function）：是使IMS用户和CS用户可以进行通信的网关； 媒体网关（MGW，Media Gateway）：提供CS网络（PSTN、GSN）和IMS之间的用户平面链路； 出口网关控制功能（BGCF，Breakout Gateway ControlFunction）：负责选择到CS域的出口位置，其一是选择同一网络中的MGCF和MGW，其二是选择不同IMS网络中的另一个BGCF，并由其选择MGCF来实现到CS域的出口。 3.2IMS协议分类 从图2中可以看出，IMS网络中的主要协议有SIP、

9、Diameter、COPS和H.248。 （1）会话初始化协议（SIP，Session InitiationProtocol）：根据其功能分为网络接口（NNI，Network and NetworkInterface）、用户网络接口（UNI，User and Network Interface）和IMS服务控制接口（ISC，IMSService Control）。 NNI：完成会话控制消息交换。在CSCF之间，以及与其他功能实体间接口消息；BGCF之间，以及与其他功能实体间都是SIP消息。包括的接口有Mw、Mm、Mr、Mg、Mi、Mj、Mk； UNI：是UE与P-CSCF之间的Gm接口，完成注

10、册、会话控制、事务处理； ISC：S-CSCF和业务平台AS之间接口，用于服务控制。 （2）Diameter协议基于远程拨入用户认证服务（RADIUS，Remote Authentication Dial In User Service），包含的接口有： Cx接口，在I-CSC/S-CSC和HSS之间，用于位置管理、用户数据处理和认证； Sh接口，在AS和HSS之间，用于数据处理和订阅通知； Dx接口和Dh接口，分布位于I-CSC/S-CSCF和SLF之间，以及在AS和SLF之间，都用于在多个HSS环境中查找正确的HSS； Gq接口，在P-CSCF和PDF之间，用于交换承载控制和计费相关信息。

11、 （3）公共开放策略服务（COPS，Common Open Policy Service）用于PDF和GGSN之间的Go接口，交换与策略决策相关的信息。 （4）H.248协议用于媒体网关控制和媒体资源的控制，包括： Mp接口，在MRFC与MRFP之间； Mn接口，MGCF与IM-MGW之间。 4、IMS对PS和CS的影响以及IMS的发展分析 4.1IMS对PS域的要求 在R5版本中，通过核心网分组交换域（PS域）接入IMS服务。PS域要为IMS信令和媒体建立一个或者多个PDP Context，提供UE到IMS之间信令和媒体的下层承载。 引入IMS后，PS域需要增强的功能包括：长期在线所需要的保

12、留功能、QoS增强、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的分组域已经要求的功能，但是由于业务局限性，有些功能显得并不重要。引入IMS以后，这些功能变得尤其重要，因此这些功能是PS针对IMS需要增强的功能。 另外PS域需要新增一些功能，包括：GGSN和P-CSCF之间需支持Go接口，以实现IMS所需的策略决策；GGSN要承担P-CSCF发现功能；GGSN支持基于流的计费功能（Flow BasedCharging），以提供基于内容、实时、非实时的计费；为支持多媒体广播组播业务（MBMS

13、，MultimediaBroadcast/Multicast Service），SGSN，GGSN，RNC，Node B乃至UE都需做相应的扩展和功能增强。 （1）增强功能 长期在线所需要的保留功能 保留（Preservation）功能是为了解决用户长期在线带来的无线资源浪费的问题。也就是说，在激活PDP上下文的用户长时间没有数据传输的时候，释放无线资源，保留核心网资源，一旦出现上下行激活，用户可以尽快获得无线资源，传输数据。 QoS增强 R99和R4的主要业务是以数据业务承载为主，涉及的QoS类型为Backgroud和Interactive。R5IMS的引入，对于Steaming和Conve

14、rsation类型的QoS也有了明确的需求。因此PS域在如何保证相关QoS类型的时延、抖动、丢包率等方面都需要增强。 二次PDP上下文激活 3GPP定义的二次PDP上下文激活功能是为了用户的同一个APN和同一个IP地址创建不同的QoS的PDP上下文。对于IMS来说，如果要更好的为用户提供业务，针对SIP信令、不同业务的媒体，都应该采用不同的QoS承载。这样，二次PDP上下文激活功能就会广泛应用。 PDP Context修改 IMS允许SIP信令、媒体承载在同一个PDP上下文上，但是信令和不同的业务媒体对于QoS有着不同的要求，因此IMS要求PDPContext的QoS可以重新协商，这样PS可以

15、根据不同的承载内容选择不同的QoS。因此该功能在IMS中属于基本功能，需得到增强。 （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功能通过Go接口交互实现策略控制的功能，Go接口采用COPS协议。通过Go接口消息交互，实现对QoS资源的批准。 P-CSCF发现功能 GGSN作为IMS接入点，自然要承担P-CSCF发现功能。3GPP定义了两种P-CSCF发现的方式。一种是在PDP Context激活的过程中，由GGSN获得P-CSCF的IP地址，并且以PDPContext成功激活响应通知终端；另外一种是在PDPContext

16、激活成功以后，终端通过DHCP获得P-CSCF的域名，然后通过DNS解析获得P-CSCF的IP地址。 基于流的计费 R5的计费方式是针对承载PDPContext的计费，R6则引入了基于流的计费，实现针对不同业务数据流的计费，即针对用户的不同APN、QoS、不同应用、不同业务流类型、甚至不同的业务流速率进行区分计费。基于流的计费大大提高了计费的灵活性，使得从承载层面解决基于内容计费成为可能。 如表2所示，R6中引入了计费规则功能实体（CRF），从而引入了Rx和Gx接口；在R7中将PDF和CRF合并成了策略控制和计费功能实体（PCRF），将Rx和Gq合并成Rx+接口，将Gx和Go合并成Gx+接口，

17、PCRF向GGSN提供策略控制和计费功能。 表2R6和R7中的计费控制 多媒体广播组播业务 R6提出了多媒体广播组播业务（MBMS）的概念，为此需要引入广播组播业务中心（BM-SC，Broadcast/Multicast ServiceCenter），集中为多媒体内容提供者提供广播和组播承载。为了高效实现多媒体内容在PS和无线接口的传输、MBMS引入了一系列的机制、SGSN、GGSN、RNC、Node B乃至UE都需做相应的扩展和功能增强。 增加支持的PDP Context个数 在3GPP R99、R4规范关于NSAPI定义方面，每个UE支持的PDPContext个数最多是16个，其中四个作为

18、保留值，实际上能够使用的只有12个。在R99、R4阶段，12个PDPContext对于用户来说是足够的。但是由于IMS的引入，以及多种业务的并发，12个PDPContext有可能成为业务开展的瓶颈，目前3GPP正在探讨如何扩展PDPContext支持的个数，其中有两种做法，一种是使用原来保留的4个NSAPI的值，另外一种做法是扩展NSAPI字段定义长度。 4.2IMS和CS域的互通 （1）IMS用户呼叫CS域用户 如图3所示，当IMS用户发起一次到CS网络的呼叫请求时，使用E.164地址。主叫用户的S-CSCF收到tel URL类型用户身份后，必须到ENUM服务器查询，将tel URL转换为S

19、IPURL，因为IMS路由原则不允许用tel URL来进行路由。若ENUM服务器返回SIPURL的格式，说明被叫用户是IMS用户，可以进一步将会话路由到目标IMS网络；若ENUM服务器不能返回SIPURL，返回转换失败消息给S-CSCF，说明被叫用户是CS用户，S-CSCF将会话请求转到同一网络中的BGCF。图3IMS用户呼叫CS域用户 BGCF通过被叫号码分析而得到被叫用户所归属的BGCF，被叫BGCF选择一个被叫网络的MGCF，MGCF将SIP信令转换为ISUP/BICC信令，信令路由到被叫侧CS域的MSC，呼叫被叫UE。 （2）CS域用户呼叫IMS用户 如图4所示，当CS网络用户拨打IM

20、S用户的E.164号码时，经过路由分析，被送到IMS用户归属网络中的MGCF。在收到该ISUP/BICC信令消息后，MGCF将ISUP/BICC信令转换成SIP信令，并向I-CSCF发送一条SIP INVITE消息。I-CSCF在HSS的帮助下找到被叫用户的S-CSCF。接着，S-CSCF通过P-CSCF将SIPINVITE消息传递给被叫UE，发起呼叫。 图4CS域用户呼叫IMS用户 5、IMS和CS域的业务关系 CS域是一个以提供话音业务为主要目标的网络，其引入软交换技术只实现了核心网的承载IP化，但没有解决多媒体业务的提供问题。 IMS域具备了多媒体业务的提供能力，而3G网络的建设和运营一

21、定是需要丰富的多媒体业务来充分发挥无线带宽的优势的。 CS域不支持SIP协议，这使得CS域的软交换和IMS域不是平滑演进的关系，而是一个业务互补、网络互通、融合替代的关系。 6、IMS发展阶段分析 从引进和发展角度来看，IMS分为以下几个阶段： （1）第一阶段，即现阶段 IMS的引入，应该是以与CS互补的多媒体类业务来引入，例如PoC、即时消息、呈现、视频会议等等。IMS虽然在R5中被提出，但并不意味着只有等网络到了R5阶段才能部署IMS，在R99/R4的基础上、甚至是在现有2G的GPRS基础上，都可以部署IMS系统。 （2）第二阶段 通过GPRS引入IMS网络后，随着无线接入带宽的逐步加宽和

22、VoIP无线资源效率问题的解决，IMS逐渐具备了大规模建网的可能，这时需要进行IMS与CS域的互通，并逐渐吸收CS域的话务，逐渐替代。 （3）第三阶段 随着技术的成熟，可以通过WLAN、xDSL，或Cable方式接入IMS，并可以享有IMS上的服务，如Presence/SMS/MMS/Voice Mail/Streaming等业务。 （4）第四阶段，远期 远期，会形成以IMS为核心的分层网络结构，依次是终端层、接入层、核心网层、业务层。 终端层：终端类型有GSM/WCDMA/Wi-Fi/WiMAX等双模或多模手机终端，或固定电话、软终端。这些终端通过不同的接入技术、不同的接入网络，接入到IMS

23、网络。 接入层：接入网类型有2G RAN、3G RAN、WiMAX、Wi-Fi、xDSL、Cable等无线和固定网络。 核心网层：融合的IP核心网以IMS为呼叫控制的核心。 业务层：包括的应用有PoC、Presence、SMS、MMS、Voice Mail、Streaming、Location Service、UMS等业务，还可以有第三方应用。各种终端类型都可以通过IMS网络，访问到统一的业务平台的各种应用。 7、IMS促进网络融合 目前，在NGN标准发展中，ITU-T、ETSITISPAN都把固定与移动的网络融合（FMC，Fixed and MobileConvergence）放在了NGN标准化工作的核心位置，而IMS是NGN体系中会话控制的核心。IMS代表了NGN核心网未来的发展方向，是固定移动融合的心脏。IMS使得固定和无线用户能够完全进行无缝通信的网络融合，让运营商将来使用一个公共的核心网络和统一的业务平台来提供固定与移动业务。