3G核心網(wǎng)演進和IMS研究分析報告

1、3g核心網(wǎng)演進和ims摘要文章介紹了3g核心網(wǎng)的演進歷程和ims的體系結(jié)構(gòu)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(wù)發(fā)展上的關(guān)系，最后分析了ims的幾個發(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，packetswitcheddomain）。cs域為用戶提供“電路型業(yè)務(wù)”或相關(guān)信令連接路由；ps域為用戶提供“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)上實現(xiàn)了功能擴展和增強，其最終目的是提

2、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(wù)發(fā)展上，cs域和ims是業(yè)務(wù)互補、網(wǎng)絡(luò)互通、融合替代的關(guān)系。 2、3g核心網(wǎng)演進 從3g

3、pp標(biāo)準(zhǔn)的演進可以較為清晰地說明3g核心網(wǎng)的演進過程。如表1所示。 表13gpp版本演進 3gpp版本 凍結(jié)時間 核心網(wǎng)電路域特點 核心網(wǎng)分組域特點 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，實現(xiàn)了呼叫控制和承載的分離基于ip/atm組網(wǎng)時可采用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 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(wǎng)關(guān)控制mgcf進一

4、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(wù)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(wǎng)絡(luò)互通、安全性等方面的內(nèi)容，同時制定ims消息類業(yè)務(wù)相關(guān)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(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 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

5、與cs域互通，以及與其他的ims網(wǎng)絡(luò)互通。ims網(wǎng)絡(luò)的功能實體大致分為以下幾類：會話管理和路由類（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1ims體系結(jié)構(gòu) 圖2描述了ims功能實體的地理分布。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2ims功能實體地理分布 3.1ims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(wǎng)絡(luò)功能實體 代理呼叫會話控制功能（p-cscf，proxy c

6、all session control function）：是ims系統(tǒng)中用戶的第一個接觸點，轉(zhuǎn)發(fā)所有sip客戶端的注冊和呼叫，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(yīng)s-cscf。 服務(wù)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(wǎng)絡(luò)。它完成用戶注冊認(rèn)證、會話控制、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

7、份、注冊信息、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(biāo)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(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)中起到會議橋和ivr的作用。 （3

8、）與cs域互通功能實體 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bgcf，并由其選擇mgcf來實現(xiàn)到cs域的出口。 3.2ims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、

9、diameter、cops和h.248。 （1）會話初始化協(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

10、冊、會話控制、事務(wù)處理； isc：s-cscf和業(yè)務(wù)平臺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(guān)信息。

11、 （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ps和cs的影響以及ims的發(fā)展分析 4.1ims對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

12、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(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(dān)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(nèi)容、實時、非實時的計費；為支持多媒體廣播組播業(yè)務(wù)（mbms

13、，multimediabroadcast/multicast service），sgsn，ggsn，rnc，node b乃至ue都需做相應(yīng)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(jù)傳輸?shù)臅r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 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，對于steaming和conve

14、rsation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(wù)，針對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廣泛應(yīng)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(wù)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

15、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。 （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(zhǔn)。 p-cscf發(fā)現(xiàn)功能 ggsn作為ims接入點，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

16、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(wù)數(shù)據(jù)流的計費，即針對用戶的不同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(nèi)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，

17、pcrf向ggsn提供策略控制和計費功能。 表2r6和r7中的計費控制 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引入了一系列的機制、sgsn、ggsn、rnc、node b乃至ue都需做相應(yīng)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(guān)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

18、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(wù)的并發(fā)，12個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。 4.2ims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(wù)器查詢，將tel url轉(zhuǎn)換為s

19、ipurl，因為ims路由原則不允許用tel url來進行路由。若enum服務(wù)器返回sipurl的格式，說明被叫用戶是ims用戶，可以進一步將會話路由到目標(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將會話請求轉(zhuǎn)到同一網(wǎng)絡(luò)中的bgcf。圖3ims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(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im

20、s用戶的e.164號碼時，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4cs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)和運營一

21、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(guān)系，而是一個業(yè)務(wù)互補、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(yīng)該是以與cs互補的多媒體類業(yè)務(wù)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(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voip無線資源效率問題的解決，ims逐漸具