3G 核心網(wǎng)演進(jìn)和 IMS 摘要 文章介紹了 3G 核心網(wǎng)的演進(jìn)歷程和 IMS 的體系結(jié)構(gòu)及協(xié)議，闡述了 IMS 對(duì) PS 域的要求，與 CS 域的互通，及其和 CS 域在業(yè)務(wù)發(fā)展上的關(guān)系，最后分析了 IMS 的幾個(gè)發(fā)展階段。 1、引言 3G 核心網(wǎng)分為電路交換域（ CS 域， Circuit SwitchedDomain）和分組交換域（ PS 域， Packet SwitchedDomain）。 CS 域?yàn)橛脩籼峁?“電路型業(yè)務(wù) ”或相關(guān)信令連接路由； PS 域?yàn)橛脩籼峁?“分組型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù) ”。PS 域源于通用無線分組業(yè)務(wù)（ GPRS， General Packet RadioService），在 GPRS（ 2.5G 技術(shù)）的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了功能擴(kuò)展和增強(qiáng)，其最終目的是提供高速的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。 IMS 以 IP 分組網(wǎng)絡(luò)作為承載，可以通過 GPRS 接入，為 3G 用戶服務(wù)還可以有其他接入方式如 WLAN、 xDSL等，為非 3G 用戶服務(wù)。 IMS 作為融合 IP 網(wǎng)絡(luò)中的統(tǒng)一的呼叫控制核心，促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)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(guān)系，即 3G 核心網(wǎng)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(wù)，對(duì) PS 域提出了新要求，如 Go 接 口、 P-CSCF 發(fā)現(xiàn)機(jī)制、基于流的計(jì)費(fèi)等。對(duì)于基本的語音呼叫和視頻呼叫，可以通過 IMS 和 CS 域互通實(shí)現(xiàn)。在業(yè)務(wù)發(fā)展上， CS 域和 IMS 是業(yè)務(wù)互補(bǔ)、網(wǎng)絡(luò)互通、融合替代的關(guān)系。 2、 3G 核心網(wǎng)演進(jìn) 從 3GPP 標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)可以較為清晰地說明 3G 核心網(wǎng)的演進(jìn)過程。如表 1 所示。 表 1 3GPP 版本演進(jìn) 3GPP版本 凍結(jié)時(shí)間 核心網(wǎng)電路域特點(diǎn) 核心網(wǎng)分組域特點(diǎn) R99 2000 年底 和 GSM 核心網(wǎng)相同 接入網(wǎng)已分組化的 AAL2話音仍須經(jīng)過編解碼轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為 64k TDM 語音，傳輸資源利用率低 。 和 GPRS 核心網(wǎng)基本相同 R4 2001 年 3 月 利用了軟交換思想，實(shí)現(xiàn)了呼叫控制和承載的分離 基于 IP/ATM組網(wǎng)時(shí)可采用TrFO，節(jié)省傳輸資源 和 R99 GPRS 核心網(wǎng)基本相同 R5 2002 年 3 月凍結(jié)，之后有改動(dòng) 對(duì)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(wǎng)關(guān)控制 MGCF 進(jìn)一步分離） 由于以分組域作為承載傳輸，更好地實(shí)施對(duì)多媒體業(yè)務(wù)的控制 R6 2004 在 對(duì)電路域不作要求 WLAN 可以通過 PDG 接入到 IMS； 完善網(wǎng) 絡(luò)互通、安全性等方面的內(nèi)容，同時(shí)制定 IMS 消息類業(yè)務(wù)相關(guān)的規(guī)范。 R7 推遲到 2006 年 對(duì)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(jié)論： R5 以后， 3GPP 核心網(wǎng)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(dān)原有的提供分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)以外，還需要為 IMS 提供承載。 3、 IMS 體系結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) 圖 1 描述了 IMS 的體系結(jié)構(gòu)。 IMS 網(wǎng)絡(luò)可以通過 PS 接入，也可以通過其他網(wǎng)絡(luò)接入（如 WLAN 和 xDSL），可以與 CS 域互通，以及與其他的 IMS 網(wǎng)絡(luò)互通。 IMS 網(wǎng)絡(luò)的功能實(shí)體大致分為以下幾類：會(huì)話管理和路由類（ CSCF）、數(shù)據(jù)庫類（ HSS， SLF）、網(wǎng)間配合類（ BGCF， MGCF， MGW， SGW）、服務(wù)類（ MRFC， MRFP）、支撐類（ PDF）。 圖 1 IMS 體系結(jié)構(gòu) 圖 2 描述了 IMS 功能實(shí)體的地理分布。 P-CSCF 位于拜訪網(wǎng)絡(luò)， I-CSCF、 S-CSCF、 HSS、 SLF、 MRFC 和 MRFP位于歸屬網(wǎng)絡(luò)。 圖 2 IMS 功能實(shí)體地理分布 3.1 IMS 主要功能實(shí)體 按照 IMS 的功能實(shí)體 的地理分布和功能特點(diǎn)， IMS 的主要功能實(shí)體可分類為： （ 1）拜訪網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)體 代理呼叫會(huì)話控制功能（ P-CSCF， Proxy Call Session Control Function）：是 IMS 系統(tǒng)中用戶的第一個(gè)接觸點(diǎn)，轉(zhuǎn)發(fā)所有 SIP 客戶端的注冊(cè)和呼叫，根據(jù)主叫被叫的 SIP URI 去找到其相應(yīng)的歸屬域。 （ 2）歸屬網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)體 代理呼叫會(huì)話控制功能（ I-CSCF， Interrogating CSCF）：是歸屬域的入口，為每個(gè)呼叫找到相應(yīng) S-CSCF。 服務(wù)呼叫會(huì)話控制功 能（ S-CSCF， Serving CSCF）：是整個(gè) IMS 的控制核心，位于歸屬網(wǎng)絡(luò)。它完成用戶注冊(cè)認(rèn)證、會(huì)話控制、 URI 解析、應(yīng)用服務(wù)器觸發(fā)等功能。 歸屬用戶服務(wù)器（ HSS， Home Subscriber Server）：是用戶數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，包括用戶身份、注冊(cè)信息、接入?yún)?shù)和服務(wù)觸發(fā)信息等。 簽約關(guān)系定位功能（ SLF， Subscription Location Function）：當(dāng)部署了多個(gè) HSS 時(shí)，能夠找到給定用戶簽約的 HSS，向 I-CSCF 和 S-CSCF 提供用戶標(biāo)識(shí)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(jù) S-CSCF 和 /或應(yīng)用服務(wù)器的調(diào)用， MRFC 通過 H.248 協(xié)議控制 MRFP 完成相應(yīng)的媒體流編解碼、轉(zhuǎn)換、混合和播放，在系統(tǒng)中起到會(huì)議橋和 IVR 的作用。 （ 3）與 CS 域互通功能實(shí)體 媒體網(wǎng)關(guān)控制功能（ MGCF， Media Gateway Controller Function）：是使 IMS 用 戶和 CS 用戶可以進(jìn)行通信的網(wǎng)關(guān)； 媒體網(wǎng)關(guān)（ MGW， Media Gateway）：提供 CS 網(wǎng)絡(luò)（ PSTN、 GSN）和 IMS 之間的用戶平面鏈路； 出口網(wǎng)關(guān)控制功能（ BGCF， Breakout Gateway ControlFunction）：負(fù)責(zé)選擇到 CS 域的出口位置，其一是選擇同一網(wǎng)絡(luò)中的 MGCF 和 MGW，其二是選擇不同 IMS 網(wǎng)絡(luò)中的另一個(gè) BGCF，并由其選擇 MGCF 來實(shí)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(wǎng)絡(luò)中的主要協(xié)議有 SIP、 Diameter、 COPS 和 H.248。 （ 1）會(huì)話初始化協(xié)議（ SIP， Session InitiationProtocol）：根據(jù)其功能分為網(wǎng)絡(luò)接口（ NNI， Network and NetworkInterface）、用戶網(wǎng)絡(luò)接口（ UNI， User and Network Interface）和 IMS 服務(wù)控制接口（ ISC， IMSService Control）。 NNI：完成會(huì)話控制消息交換。在 CSCF 之間，以及與其他功能實(shí)體間接口消息； BGCF 之間，以及與其他功能實(shí)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(cè)、會(huì)話控制、事務(wù)處理； ISC： S-CSCF 和業(yè)務(wù)平臺(tái) AS 之間接口，用于服務(wù)控制。 （ 2） Diameter 協(xié)議基于遠(yuǎn)程撥入用戶認(rèn)證服務(wù)（ 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(jù)處理和認(rèn)證； Sh 接口，在 AS 和 HSS 之間，用于數(shù)據(jù)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(gè) 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(jì)費(fèi)相關(guān)信息。 （ 3）公共開放策略服務(wù)（ 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(guān)的信息。 （ 4） H.248 協(xié)議用于媒體網(wǎng)關(guān)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(duì) PS 和 CS 的影響以及 IMS 的發(fā)展分析 4.1 IMS 對(duì) PS 域的要求 在 R5 版本中，通過核心網(wǎng)分組交換域（ PS 域）接入 IMS 服務(wù)。 PS 域要為 IMS 信令和媒體建立一個(gè)或者多個(gè) 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(qiáng)的功能包括：長期在線所需要的保留功能、 QoS 增強(qiáng)、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(jīng)要求的功能，但是由于業(yè)務(wù)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(duì) IMS 需要增強(qiáng)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(shí)現(xiàn) IMS 所需的策略決策；GGSN 要承擔(dān) P-CSCF 發(fā)現(xiàn)功能； GGSN 支持基于流的計(jì)費(fèi)功能（ Flow BasedCharging），以提供基于內(nèi)容、實(shí)時(shí)、非實(shí)時(shí)的計(jì)費(fèi)；為支持多媒體廣播組播業(yè)務(wù)（ MBMS， MultimediaBroadcast/Multicast Service）， SGSN， GGSN，RNC， Node B 乃至 UE 都需做相應(yīng)的擴(kuò)展和功能增強(qiáng)。 （ 1）增強(qiáng)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(fèi)的問題。也就是說，在激活 PDP 上下文的用戶長時(shí)間沒有數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候，釋放無線資源，保留核心網(wǎng)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(jù)。 QoS 增強(qiáng) R99 和 R4 的主要業(yè)務(wù)是以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)承載為主，涉及的 QoS 類型為 Backgroud 和 Interactive。 R5IMS 的引入，對(duì)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(guān) QoS 類型的時(shí)延、抖動(dòng)、丟包率等方面都需要增強(qiáng)。 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(gè) APN和同一個(gè) IP 地址創(chuàng)建不同的 QoS 的 PDP上下文。對(duì)于 IMS 來說，如果要更好的為用戶提供業(yè)務(wù)，針對(duì) SIP 信令、不同業(yè)務(wù)的媒體，都應(yīng)該采用不同的 QoS承載。這樣，二次 PDP 上下文激活功能就會(huì)廣泛應(yīng)用。 PDP Context 修改 IMS 允許 SIP 信令、媒體承載在同一個(gè) PDP 上下文上，但是信令和不同的業(yè)務(wù)媒體對(duì)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(jù)不同的承載內(nèi)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(qiáng)。 （ 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(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì) QoS 資源 的批準(zhǔn)。 P-CSCF 發(fā)現(xiàn)功能 GGSN 作為 IMS 接入點(diǎn)，自然要承擔(dān) 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(yīng)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(jì)費(fèi) R5 的計(jì)費(fèi)方式是針對(duì)承載 PDPContext 的計(jì)費(fèi)， R6 則引入了基于流的計(jì) 費(fèi)，實(shí)現(xiàn)針對(duì)不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的計(jì)費(fèi)，即針對(duì)用戶的不同 APN、 QoS、不同應(yīng)用、不同業(yè)務(wù)流類型、甚至不同的業(yè)務(wù)流速率進(jìn)行區(qū)分計(jì)費(fèi)。基于流的計(jì)費(fèi)大大提高了計(jì)費(fèi)的靈活性，使得從承載層面解決基于內(nèi)容計(jì)費(fèi)成為可能。 如表 2 所示， R6 中引入了計(jì)費(fèi)規(guī)則功能實(shí)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(jì)費(fèi)功能實(shí)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(jì)費(fèi)功能。 表 2 R6 和 R7 中的計(jì)費(fèi)控制 多媒體廣播組播業(yè)務(wù) R6 提出了多媒體廣播組播業(yè)務(wù)（ MBMS）的概念，為此需要引入廣播組播業(yè)務(wù)中心（ BM-SC，Broadcast/Multicast ServiceCenter），集中為多媒體內(nèi)容提供者提供廣播和組播承載。為了高效實(shí)現(xiàn)多媒體內(nèi) 容在 PS 和無線接口的傳輸、 MBMS 引入了一系列的機(jī)制、 SGSN、 GGSN、 RNC、 Node B 乃至 UE 都需做相應(yīng)的擴(kuò)展和功能增強(qiáng)。 增加支持的 PDP Context 個(gè)數(shù) 在 3GPP R99、 R4 規(guī)范關(guān)于 NSAPI 定義方面，每個(gè) UE 支持的 PDPContext 個(gè)數(shù)最多是 16 個(gè)，其中四個(gè)作為保留值，實(shí)際上能夠使用的只有 12 個(gè)。在 R99、 R4 階段， 12 個(gè) PDPContext 對(duì)于用戶來說是足夠的。但是由于IMS 的引入，以及多種業(yè)務(wù)的并發(fā)， 12 個(gè) PDPContext 有可能成為業(yè)務(wù)開展的瓶頸，目前 3GPP 正 在探討如何擴(kuò)展 PDPContext 支持的個(gè)數(shù)，其中有兩種做法，一種是使用原來保留的 4 個(gè) NSAPI 的值，另外一種做法是擴(kuò)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(dāng) IMS 用戶發(fā)起一次到 CS 網(wǎng)絡(luò)的呼叫請(qǐng)求時(shí)，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(wù)器查詢，將 tel URL 轉(zhuǎn)換為 SIPURL，因?yàn)?IMS 路由原則不允許用 tel URL來進(jìn)行路由。若 ENUM 服務(wù)器返回 SIPURL 的格式， 說明被叫用戶是 IMS 用戶，可以進(jìn)一步將會(huì)話路由到目標(biāo) IMS網(wǎng)絡(luò)；若 ENUM 服務(wù)器不能返回 SIPURL，返回轉(zhuǎn)換失敗消息給 S-CSCF，說明被叫用戶是 CS 用戶， S-CSCF 將會(huì)話請(qǐng)求轉(zhuǎn)到同一網(wǎng)絡(luò)中的 BGCF。 圖 3 IMS 用戶呼叫 CS 域用 戶 BGCF 通過被叫號(hào)碼分析而得到被叫用戶所歸屬的 BGCF，被叫 BGCF 選擇一個(gè)被叫網(wǎng)絡(luò)的 MGCF， MGCF 將SIP 信令轉(zhuǎn)換為 ISUP/BICC 信令，信令路由到被叫側(cè) 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(dāng) CS 網(wǎng)絡(luò)用戶撥打 IMS 用戶的 E.164 號(hào)碼時(shí)，經(jīng)過路由分析，被送到 IMS 用戶歸屬網(wǎng)絡(luò)中的MGCF。在收到該 ISUP/BICC 信令消息后， MGCF 將 ISUP/BICC 信令轉(zhuǎn)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(wù)關(guān)系 CS 域是一個(gè)以提供話音業(yè)務(wù)為主要目標(biāo) 的網(wǎng)絡(luò)，其引入軟交換技術(shù)只實(shí)現(xiàn)了核心網(wǎng)的承載 IP 化，但沒有解決多媒體業(yè)務(wù)的提供問題。 IMS 域具備了多媒體業(yè)務(wù)的提供能力，而 3G 網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和運(yùn)營一定是需要豐富的多媒體業(yè)務(wù)來充分發(fā)揮無線帶寬的優(yōu)勢(shì)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(jìn)的關(guān)系，而是一個(gè)業(yè)務(wù)互補(bǔ)、網(wǎng)絡(luò)互通、融合替代的關(guān)系。 6、 IMS 發(fā)展階段分析 從引進(jìn)和發(fā)展角度來看， IMS 分為以下幾個(gè)階段： （ 1）第一階段，即現(xiàn)階段 IMS 的引入，應(yīng)該是以與 CS 互補(bǔ)的多媒體類業(yè)務(wù)來引入，例如 PoC、即時(shí)消息、呈現(xiàn)、視頻會(huì)議等等。 IMS雖然在 R5 中被提出，但并不意味著只有等網(wǎng)絡(luò)到了 R5 階段才能部署 IMS，在 R99/R4 的基礎(chǔ)上、甚至是在現(xiàn)有2G 的 GPRS 基礎(chǔ)上，都可以部署 IMS 系統(tǒng)。 （ 2）第二階段 通過 GPRS 引入 IMS 網(wǎng)絡(luò)后，隨著無線接入帶寬的逐步加寬和 V