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IMS标准及演进方向0

智能
来源: 作者: 2019-03-13 14:31:06

1引言

到2006年底我国的互联用户总数超过1.1亿,其中宽带上人数超过6400万,各种视音频业务成为新的业务增长点,娱乐业务成为增长最快的业务之一。端到端业务的急剧膨胀,对通信络产生深远的影响。与此相对应,移动通信络与固定通信络都在向IP化大步迈进,语音IP化、数据业务多媒体化成为必然趋势。终端的智能化程度越来越高,为新业务的支持和推广提供了条件。在移动络中,无线速率和承载能力的提高带动了数据业务的发展。

在这样的背景下,第三代移动通信标准化的伙伴项目(3GPP)提出了IP多媒体子系统(IMS),通过高速的分组数据络,为用户提供IP语音、消息业务、电子商务、游戏和各种多媒体业务等新的数据业务。IMS系统支持新的无线接入技术和固定络的接入,实现了络的无关性。作为电信与互联技术的一种结合,IMS系统采用互联协议,解决了两之间的互联互通。

IMS最初是3GPP制定的3G络核心技术标准,目前已被ITU-T和ETSI(欧洲电信标准化委员会)认可,纳入NGN(下一代络)的核心标准框架,并被认为是实现未来FMC(固定/移动络融合)的重要技术基础。

2标准化进程和现状

2004年3GPP完成了R5系列标准,主要提出了IMS、HSDPA(高速下行分组接入)和UTRAN(陆地无线接入)的IP传输等。HSDPA是一种增强的无线接口技术,它将下行峰值数据速率提高到14.4~100Mbit/s,AN(接入)在原有ATM技术上增加了对IP技术的支持,具有络资源利用率高、节省运营成本等优点,符合络向全IP方向发展趋势。在核心络中,R5引入全新的IMS系统,提出了全IP的络架构,采用SIP进行控制,实现移动性管理、多媒体会话信令和承载业务传输,实现端到端的IP业务。R5IMS是一个早期的版本,它支持用户的基本业务,定义了IMS的基本功能,包括:

·支持会话业务;

·接入安全;

·完整性保护;

·节点间SIP信令安全;

·用户鉴权;

·SIP压缩;

·计费;

·与CS互通;

·对CAMEL的支持。

2005年3GPP完成了R6版本的系列标准,主要包括IMSv2、GPRS的增强、WLAN(无线局域)/UMTS(通用移动通信系统)互通、MBMS(组播和广播业务)和HSUPA(高速上行分组接入)等。为了接入和承载IMS络,GPRS对QoS、计费、隧道消息进行了增强或修改。WLAN通过新增的互通设备和接口,也能接入UMTS络,向终端用户提供IMS业务,并且在业务能力、QoS和计费上达到与GPRS接入相当的功能。为了有效地利用移动络资源,R6提出了MBMS,不仅实现纯文本低速率的消息类组播和广播,而且还能实现高速多媒体业务的组播和广播。对于VoIP和其他端到端的多媒体业务,单纯提高下行速率是不够的,因为语音和媒体流是对称的,R6又提出HSUPA技术,将用户上行数据速率提高到5.76~50Mbit/s。R6标准中IMS提供了与各种现有络的互通,支持新业务的需求,在计费和QoS功能上的增强使得IMS对用户和业务的控制功能更加完善,主要功能包括:

·IMS与CS络互通;

·IMS与IP络互通;

·与WLAN互通(指WLAN接入包括IMS在内的业务络);

·基于IPv4的IMS;

·IMS组管理;

·IMS业务支持:包括PoC、DRM、Presence、IMS会议、IMS消息;

·基于流计费;

·Gq接口的QoS增强。

R6版本延续核心络和业务向全IP化的演进趋势,对络性能和络资源上做了进一步优化,面向全IP的无线接入络和核心络标准趋于成熟。

2006年9月3GPP冻结了R7版本的系列标准,主要特性包括IMSv3、HSPA+(HSPA演进)、AIPN(全IP络)/SAE(系统架构演进)/LTE(长期演进)等。HSPA+进一步对HSDPA、HSUPA进行增强,在频谱效率、峰值数据速率、时延性能等方面都有所提高,同时强调向前兼容性,提供平滑的演进路径。AIPN/LTE/SAE是面向未来10年的长期演进项目,其中AIPN提出全IP络中业务和络的端到端需求;LTE是无线接入络的架构和功能的演进;SAE是分组数据系统的架构和功能的演进,这3个项目的标准实际上将在R8中完成。R7版本将IMS系统改为IP多媒体核心络(IMCN),对固定络接入进行了标准化,增强与传统电路交换络的互操作和业务结合,R7的IMS是第一个面向融合IMS标准版本,主要特性有:

·固定络的接入;

·承载控制的增强;

·业务连续性;

·与CS业务的结合;

·多媒体业务;

·SMS/MMSover IMS;

·IMS紧急业务;

·维护管理、计费的增强。

R7版本全面地考虑了与传统络的向前兼容,以固定接入为基础提出多络融合的基本架构和功能,向全IP的融合络迈进一步。但是R7是一个短版本,还有诸多融合络的问题留待下一个版本解决。

目前3GPP已经启动了R8版本,将要继续IMS、AIPN/SAE/LTE等方面的技术演进。3GPP将优化整个无线络和分组络架构和功能,以提供更高数据速率、更低时延、数据包优化、适于多接入技术。在无线侧通过先进的无线技术实现更高的峰值速率:100Mbit/s(下行)和50Mbit/s(上行)。IMS络将向统一的、优化的、多接入技术的方向演进,不仅要实现全IP的无线络和面向融合的核心,多络之间的无缝漫游也是未来的演进目标。

3 固定宽带络的接入

IMS系统主要在注册和鉴权、接入、信令路由等方面进行了技术增强,支持固定宽带络接入的新需求。IMS络向固定络用户提供3种鉴权方式:

·IMSAKA(authentication and key agreement):AKA认证方式安全性较高,能提供加密和信令一致性,适合终端中含有ISIM/USIM的情况。

·NBA(NASS-bundled authentication):它主要适用于接入络与IMS络属于同一个运营商或者IMS络运营商与接入络运营商存在信任关系的场景,通过NASS对用户认证。

·HTTP digest。

为了实现不同IP域的互通,特别是非GPRS系统接入IMS络和不同IMS络之间互通,IMS增加了边界控制功能。边界控制功能可以解决IP地址不足,IPv4/IPv6地址翻译,企业内部拓扑和地址隐藏,络防火墙穿越等需求。如图1所示,在IMSR7体系架构中定义新的逻辑功能信令关(IMS-ALG)、翻译关(TrGW)和新的互通接口Mx和Ix。IMS应用层关工作在应用协议层,具备SIP/SDP栈,执行SIP的B2BUA(B2B用户代理)功能。应用层关实现基于SIP/SDP的地址信息翻译,对SIP/SDP信令消息中的IP地址信息进行双向转换。翻译关作为NA(P)T-PT,完成用户平面的络地址(端口)转换功能。

图1 边界控制功能

4 承载控制的增强

基于对R5/R6的“IP策略控制”和“基于流计费”两大功能和架构的合并,对接入络的承载提供统一和优化的控制,R7提出策略和计费控制(PCC)。如图2所示,通过统一的架构和接口,应用层可以控制各种IP接入络的数据流。

图2 策略和计费控制

策略计费规则功能(PCRF)提供计费和策略控制,控制粒度细化到业务数据流,提供数据流与高层业务之间关联。PCRF控制可依据签约信息、业务需求和PCRF预置的规则和策略。业务需求来自IMS或者其他系统在内的应用层,在IMS中可以由P-CSCF和AS提供。签约信息来自签约数据存储单元(SPR),在IMS中可以由HSS(归属用户服务器)提供。策略计费执行功能(PCEF)一般位于接入承载络的关,负责将上述规则映射成承载层的QoS,实施门控、事件报告、QoS控制、IP-CAN承载建立,同时按照规则进行相应的流计费。在GPRS络中PCEF功能位于GGSN(关支持节点)中。基于流的计费是通过IP过滤器来区分在用户上下行数据中的业务流,对业务实施相应的计费规则。过滤规则一般基于5元组(源IP地址、目的IP地址、源端口号、目的端口号和协议ID)以及深层过滤器。流计费对目前GPRS络基于PDP(分组数据协议)会话计费功能进行了补充和功能增强,可以用于GGSN的计费(在R6中GGSN增加了计费功能)和离线计费。

5 业务连续性

由于存在电路交换络、多种分组数据络的多个接入点,而用户在这些接入点间移动时,络应保障业务的互操作和连续性。业务连续性是一个长期的研究课题,包括电路交换(CS)与分组络承载的IMS之间的业务连续性、分组IP-CAN之间的业务连续性,近期提供连续性的业务包括语音和视频业务。

R7提出了语音呼叫连续性(VCC)功能,提供在CS域和IMS域之间的语音呼叫互操作功能的一种业务,包括始呼、终呼、域切换几个子功能。R8还将提供CS和IMS视频和其他数据业务的连续性,继续解决多种IP-CAN的业务连续性。

VCC业务部署在用户IMS归属络,VCC用户发起或接收的呼叫都要经由归属域VCC业务实体进行锚定以提供业务连续性。在CS域进行的呼叫会使用标准的CS域技术以改向路由到IMS域进行锚定。VCC业务实体作为B2BUA对会话进行锚定,在域切换过程中使用第三方呼叫控制方式对会话进行控制。域切换功能可以根据运营商需要配置为提供单向或双向切换功能。VCC业务实体能够对一个VCC会话进行多次切换,如图3所示。另外VCC还具有域选择的功能,终端建立语音呼叫时可以选择CS或IMS络来建立语音连接,VCC应用服务器也可以对被叫用户选择CS或IMS络来建立语音连接。

图3 VCC域切换

R7不提供紧急呼叫及其他非语音业务(如CS域视频业务、数据业务、传真业务等)的业务连续性,对会话是否锚定取决于运营商的策略,如果不对会话进行锚定,则会话应该按照普通CS/IMS会话处理原则进行处理。

6 IMS与CS结合业务CSI

由于IP-CAN承载的IMS语音业务在服务质量上与电路域相比存在不足,R7提出IMS与CS结合业务CSI。CSI业务本质上是利用现有的CS承载语音,而IP-CAN承载IMS上的其他数据媒体。

在R7完成的CSI第一阶段中CSI的功能由终端实现,如图4所示,CSI终端在一个上下文中把CS呼叫和IMS会话呈现给用户,终端实现两个业务之间的关联。CSI第一阶段对络侧的影响较小,CS呼叫和IMS会话都是参照现有的流程和机制。

图4 IMS与CS结合业务

CSI的主要功能包括终端能力交换,在一个正在进行的CS呼叫上增加一个IMS会话的能力,在一个正在进行的IMS会话上增加一个CS呼叫的能力,另外CSI终端还可以与不支持CSI业务的终端通过IMS建立语音通信。

CSI业务主要用在GPRS接入IMS的场景,是CS/IMS双模终端的一大增强功能。

7 SMS/MMS over IMS

消息业务是IMS近期发展的新业务,IMS中的消息业务可以采用立即消息和基于会话消息两种机制。立即消息类似于传统短消息业务,采用SIP信令传送短消息的信息体,适合于信息内容不大的消息业务,在IMS上实现的短消息业务(SMSoverIMS)采用立即消息机制。基于会话消息参照IMS会话的标准流程和机制,建立IMS会话后通过IP-CAN传送信息内容。IMS的即时消息、在IMS上提供的多媒体消息(MMSover IMS)业务采用的就是基于会话消息机制。SMS/MMS over IMS还应具备与传统SMS/MMS业务、IMS即时消息系统之间的互通能力。

R7支持的SMSoverIMS业务,基本上实现传统短信的全部功能,其参考架构如图5所示,SMSover IMS业务沿用传统的消息存储转发方式,通过新增的IP-SM-GW应用服务器将SIP消息中的信息体取出,再重组成传统短信的MAP消息,这个架构要重用原来已经存在的消息协议来实现SMS服务,SMS over IMS重用SMSC、HLR/HSS,按照传统MAP接口进行消息转发和被叫用户查询。

图5 SMS/MMS over IMS架构

SMSoverIMS的基本功能包括:

·注册和鉴权;

·移动用户发送短消息;

·移动用户接收短消息;

·消息路由;

·发送报告;

·通知。

下一版本R8将提供MMSoverIMS业务。

8 统一IMS

作为UMTS/GSM络的标准组织3GPP不仅仅将IMS视为移动络标准,近期还牵头成立了一个临时特别工作组,主要参与成员有6个OP(organizationalpartner),包括:CCSA、TTA、TTC、ETSI、ATIS、ARIB,其他被邀请成员有:3GPP2/TIA、CableLabs、ETSITISPAN、ITU和WiMAX 论坛,讨论维护、开发一个统一的IMS。统一IMS应该包括如下部分:

·IMS业务(如补充业务);

·基于IMS的仿真;

·资源和接入控制子系统(RACS);

·络接入子系统(NASS);

·控制控制和计费(PCC);

·Web业务;

·运营维护;

·接入和应用安全;

·IMS的驻地络接口;

·IMS的公司络接口;

·测试。

StandardandEvolutionof IMS

SunYuanning

(ChinaAcademyofTelecommunication Research of MII, Beijing 100045,China)

AbstractBasedon summary and analyse of 3GPP standards evolvement and status, this document refers chiefly to evolvement progressing and trend of IMS standards. This document also introduces the main new technology involved in IMS and activity recently, including fixed network access, bearer control improvement, service continuity, combination of IMS and CS services, SMS/MMS over IMS and common IMS.

KeywordsIMS, AKA, common IMS

(收稿日期:)

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