3G核心网演进和IMS研究分析报告

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， Packet SwitchedDomain）。 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 3GPP 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 1 3GPP 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 1 IMS 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 2 IMS 功能实体地理分布 3.1 IMS 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 Call 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）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。 3.2 IMS 协议分类 从图 2 中可以看出， IMS 网络中的主要协议有 SIP、 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。 （ 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 4.1 IMS 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， 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 Conversation 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 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， PCRF向 GGSN 提供策略控制和计费功能。 表 2 R6 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。 4.2 IMS 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 SIPURL，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 3 IMS 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 IMS 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 4 CS 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 V