IP多媒体子系统——IMS技术与应用
3GPP R5所规范的 IP多媒体子系统(IMS,IP Multl-media Subsystem),是为了在 3G核心网
中支持多媒体会话以及其它基于 SIP的业务而提出的。其主要目的是将蜂窝移动通信和互
联网技术有机结合起来,向用户提供一个具有电信级 QoS保证,能提供综合业务的下一代通
信 网络 。它的主要特点是采用了 SIP协议、独立于接入和承载技术。以 IMS为核心的
NON网络己被认为是适应未来固定网与移动网融合的网络架构。 IMS体系结构 IMS的体系
结构见图 1,包括以下功能实体 归属用户服务器(HSS,Home Subscriber Server) HSS是
存储用户相关信息的中心数据库,相当于传统移动网的 HLg。HSS除了存储用户的签约信息
与位置信息外,还保存有与用户相关的、用来处理多媒体会话的定制数据,包括:本地信
息、保密信息(证明与授权信息)、注册信息、业务触发信息、用户个人信息和分配给用户
的 S-CSCF等。 如果一个网络配置多于一个 HSS,则需要配置用户位置功能(SLF,
Subscriber Location Function)实体。SLF仅仅是一个映射用户地址到其所属 HSS的数据
库的节点。 呼叫会话控制功能(CSCF, GalI Session ControlFunction) 呼叫会话控制功
能(cSCF)实体是整个 IMS网络的核心,主要负责处理多媒体呼叫会话过程中的日 IP信令。
其功能包括:多媒体会话控制、地址转换、以及对业务协商进行服务转换等,相当于日旷服
务器。CSCF进一步可划分为: (1)代理 CSCF(P-CSCF) P-CSCF(Proxy-CSCF)是连接 MS终端
(UE)和 IMS网络的入口节点,所有 IMS终端发起和终止于 IMS终端的会话消息都要通过 P-
CSCF。P-CSCF实际上扮演了一个代理服务器的角色,它接收 SIP请求与响应,并向 IMS网络
或 Ms用户转发。P-CSCF可以处于拜访网络或归属网络。 (2)查询 CSCF(I-CSCF) I-
CSCF(Interrogating-CSCF)是处在外地网络的 IMS终端(包括本地漫游至外地的终端)进入
本地 IMs网络的入口节点,I-CSCF路由外地终端的 slP请求和响应到本地 S-CSCF。I-CSCF
处于归属网络,在特殊情况下,也可以处于拜访网络。 (3)服务 CSCF(S—CSCF) S-
CSCF(Servlng-CSCF)是 SIP信令平面的中心节点, 其作用类似于软交换系统中的软交换设
备。s—CSCF为 IMS终端执行会话控制服务,并保持会话状态。所有 IMS终端发出与接收的
SIP信令都要通过 S-CSCF,它检查这些 sIP信令,决定是否需要访问 应用 服务器,并将信
令转发至最终目的地。S-CSCF还提供 SIP路由服务,路由 SIP请求或响应到 PSTN或 CS
域。S-CSCF总是处于归属网络。 应用服务器(AS) 应用服务器(AS,Application Server)
是持有和执行服务的 SIP实体,可以起到 SIP用户代理的作用,用以提供各种 3G业务。 多
媒体资源功能(MRF) 多媒体资源功能为会话提供必要的媒体资源,如会议桥、多媒体彩铃/
彩话、录音通知、语音短信、动画、 音乐 等。其中的多媒体资源功能控制器(MRFC,Mul-
timedia Resource Function Controrler)负责管理与处理媒体资源,而媒体的具体处理则
由媒体资源功能处理器(MRFP, Multimedia Resource Function Processor)来完成。 出
口网关控制功能(BGCF,Breakout GatewayControl Function) BGCF实体是一个具有路由功
能的 SlP实体,是 IMS域与外部网络的分界点。当 IMS终端向 PSTN/CS域发起呼叫时,由
BGCF决定向那个网络转发信令,如果目的 PSTN/CS域为本地域,则 BGCF向与 PSTN/CS域接
口的 MGCF转发信令;否则, 向外地域的另一个 BGCF转发信令。 媒体网关控制功能
(MGCF,Media Gateway ControlFunction) MGCF实体是 IMS网络与传统电路交换网络实现
互通的功能实体。主要负责控制层面信令的互通,在 IMS的框架中已经考虑了和 PSTN域以
及与移动网络 CS域的互通。其中的 MOCF主要完成媒体网关/信令网关(Maw/SGW)注册、呼
叫控制和 MGW/SGW资源管理等功能。媒体网关(MGW)主要完成 IMS网络与电路交换网络之
间的媒体转换功能;信令网关(SGW)主要完成 IMS的 SIP信令与电路交换的 信令之间
的信令转换功能。 由上述可见 IMS与软交换相比较,对控制层面作了进一步的分解,实现
了会话控制功能(CSCF)实体与承载控制功能(MGCF)实体在功能上的分离。 IMS的会话建立
过程 为了理解 IMS网络的基本工作原理,以下是两个处于异地网络的 IMS漫游终端之间建
立会话的例子。在该例中介绍了 IMS终端对其归属网络进行注册的 SIP信令流程;以及 IMS
终端间呼叫建立的 SIP信令流程。 假设有 中国 移动的两个 IMS用户。一个为南京 wlh
用户,其 SDP地址(SIP URl)为:sip:wlz@;另一个为杭州 Iwz用户,其
日 JP地址为:SIP:Iwz@。 目前 他们均出差在外,其中的南京 wIh用
户去了广州();杭州 lwz用户去了深圳()。在南
京 wlh用户到达广州;杭州 lwz用户到达深圳后,将分别通过拜访网络进行 SIP注册(即 IMS
注册)。 用户注册 SIP信令流程 在建立多媒体会话之前,IMS终端必需完成归属网络的用
户认证、接入网络与 SIP注册。如果是拜访网络的漫游终端(UE),必需完成: (1)UE通过激
活 GPRS PDP移动场景(context)过程连接 lP网; (2)UE完成其归属网络的用户认证和接入
网络; (3)UE找到它要发送 SIP注册请求消息的拜访网络出口节点 P-CSCF,以完成 SIP注
册。
两漫游用户的 SIP注册(以下所提注册均为 SIP注册)过程如图 2所示,下面以 wlh用户注
册为例,通过具体注册 sIP信令流程,简述其通道建立过程如下: ①漫游至广州的 wlh用
户,发送 REGISTER消息,启动注册过程。注册报文中包含了用户标识、归属 网络 域名、
用户信息、会话描述信息等,并抵达拜访网络的 p- CSCF。 ②广州的 P-CSCF查询 DNS服务
器,该服务器对 w帅用户归属网络的入口节点 I-CSCF域名(即 wlh用户归属域的域名
)进行解析,给出 wlh用户归属网络 I-CSOF的 rP地址。 ③P-CSCF 将
REGISTER消息转发给南京的 I-OSOF。 ④I-OSCF 向 HSS提交用户信息,HSS对用户身份与
服务权限进行鉴权后,I-CSOF查询 HSS获得为 wlh用户服务的 S-CSCF;如果没有,HSS指示
I-CSCF根据需要的 S-CSCF能力与可用的 S-CSCF,分配一个 S-CSCF为该用户服务。 ⑤I-
OSCF转发 BEGISTER消息给该用户的 S-CSOF。 ⑥S-OSCF 从 HSS处下载该用户的相关信息
(签约信息、安全信息等)并将呃些信息存放在该 S-OSCF的数据库中。 ⑦如果存在与注册
相关的业务 应用 (例如:进入多媒体服务的提示音与提示页面等),即触发相关的应用服务
器。 lwz用户到达深圳后、进行了类似的 SIP注册流程。在注册的同时两用户各自建立了
用户设备(比)与 As之间的信令通道。 呼叫建立 SIP信令流程 假设 wlh用户发起对 lwz
用户的视频通话多媒体呼叫,其呼叫建立 sIP信令流程见图 3,具体流程如下: ①漫游至广
州的 wlh用户通过己建立的信令通道,向其南京的归属网络 S-CSCF发出 INVITE消息(SlP
请求报文中包含了被呼用户的 slP UBI、多媒体呼叫类型等); ②若 wlh用户签约了去话会
话应用,那么 S-GSOF触发相应的应用服务器; ③南京 S-CSCF根据被呼用户的日 lP URl,查
询 DNS服务器,得到被叫网络的 I-CSCF的尸地址; ④S-CSOF 转发 INVITE消息给杭州 IMS
网络的 I-CSCF; ⑤I-CSCF 查询 HSS,得到为 wlh用户服务的 S-CSCF; ⑥I-OSOF 将 INVITE
消息转发给 S-CSCF; ⑦若 1wz用户签约了来话会话应用(例:来话多媒体彩铃业务),那么
S-CSCF触发相应的应用服务器; ⑧S-CSCF 通过己建立的信令通道,将 INVITE消息发送至
漫游至深圳的 1wz用户师。此时,在两个 uE之间己建立了信令通道。在此过程中,呼叫请
求与响应 slF报文的消息体之中,已包括了由会话描述协议(sDP)所描述的媒体控制信息。
⑨双方终端为这次多媒体会话,激活话务用 GPESPDP场景。 ⑩请求策略决策功能(PDF)进
行 qoS策略服务,并与通过 SIP协商的 QoS进行比较。协商通过后,广州与深圳的两地用户
终端就可利用先前交换的 IP地址和端口号(不同媒体使用不同端口号)开始发送多媒体数
据。 MS的业务架构 IMS的业务架构为三层架构,第一层为业务控制层,第二层为业务使能
层,第三层为应用层。为了细化 IMS的业务分层架构, 引入了图 4的 IMS的业务架构框
图。 1.业务控制层 业务控制层由 S-GSOF构成,S-CSCF是日 lP的呼叫和会话控制器。S-
CSCF从归属用户服务器(㈠Ss)下载用户服务配置信息,并根据具体业务应用选择相应的应
用服务器类型,以提供用户所需的增值业务。 S-CSCF使用统一的 IMS业务控制(ISC)接口
与各种业务平台相连接。Isc的引入使业务与控制互相独立,各类业务应用服务器可以采用
一种统一的接口接入 IMS,为 IMS提供业务。 2.业务使能层 由于 S-OSCF和 ISC均采用
SIP协议,而不论是传统的 CAMEL业务环境还是开放业务体系应用编程接口(OSAAPI)都不支
持 SIP,故需引入业务使能层作为一个中间匹配层。该层中的业务使能服务器(SCS)可分
为:IM一 SSF和 OSA SCS两种实体。 (1)CAMEL是通过 CAP(CAMEL, Application Part)接
入网络中,CAMEL要接入 IMS网络需要通过 lP多媒体业务交换功能([M-SSF)实体对 CAP与
SlP进行转换。 (2)OSA业务使能服务器(osA SCS)负责业务使能和 OSA API与 ISC接口信
令的映射,使 IMS能够通过 SlP方式执行一个或几个 OSA业务能力特征(0SA SCF)。 (3)对
于 SIP应用服务器因为采用 SIP接口,故无需经过业务使能层,可通过 ISC直接连接 S-
CSCF。 3.应用层 AS层提供业务逻辑,用来支持 3G的各种增值业务。根据其所支持的业务
不同,可以划分为以下三种应用服务器: (1)SIP应用服务器(SlP AS) SIP AS可直接与 ISC
相连接,主要用于互联网业务,这种结构使互联网业务可直接移植到通信网中。 (2)OSA应
用服务器 OSA应用服务器可以提供基于开放业务体系应用程序接口(osA APl)开发的第三
方业务,该应用服务器群可位于用户的归属网络或第三方。3GPP定义了 OSA以允许第三方
业务提供商(CP、SP)进行 3G移动业务的开发。 (3)CAMEL服务环境 CAMEL服务环境完成
预付费、亲近号码、会议电话、彩铃等传统的移动智能网业务。CAMEL服务环境相当于固
话的智能网,以提供交互式语音应答(1VR)为主的业务。 目前 ,IMS所提供的典型业务为:
单键通话(PoC,Pushto Talk over Cellular)、全能数字助理、Web Conference、统一消
息业务(UMS,Unified Messaging Service)、一号通等业务。 IMS对 NGN的 影响 网络融
合是下一代网络(NGN)的重要特征。3GPP首先提出的 IP多媒体子系统(JMs)具有采用 SIP
协议进行呼叫控制、与接入无关和能够灵活提供多种业务等优点,得到了 ETSI、ITU-T等
国际标准化组织、全球通信网络产品供应商与电信运营商的关注,被认为是实现移动网与
固定网络融合、互联网与通信网融合, 发展 NGN的必经之路。因此对基于 IMS的网络融合
的 研究 将成为一个十分重要的课题,对 NGN的规划建设和发展具有十分重要的意义。 可
以说由于 IMS的出现,对原来在基于软交换技术的 NGN方面所达成的共识,提出了新的挑
战。使整个电信网络的演进思路变得复杂起来。但随着 IMS技术的发展,向 NGN演进的思
路将会逐渐变得清晰。
