IP多媒体子系统－IMS技术与应用（图）

3GPP R5所规范的IP多媒体子系统（IMS ，IP Multimedia 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NGN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HLR。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， Call Session Control Function）
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SIP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SIP服务器。CSCF进一步可划分为：

（1） 代理CSCF（P-CSCF）

P-CSCF（Proxy-CSCF）是连接IMS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IMS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SIP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（Serving- 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 ，Multimedia Resource Function Controller）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 Gateway Control Function）

BGCF实体是一个具有路由功能的SIP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 Control Function）

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的框架中己经考虑了和PSTN域以及与移动网络CS域的互通。其中的MGCF主要完成媒体网关/信令网关（MGW/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No.7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SIP地址（SIP URI）为：sip：wlz@chinamobile.25.com；另一个为杭州lwz用户，其SIP地址为：sip：lwz@chinamobile.571.com。目前他们均出差在外，其中的南京wlh用户去了广州（chinamobile.20.com）；杭州lwz用户去了深圳（chinamobile.755.com）。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IP网；

（2）UE完成其归属网络的用户认证和接入网络；

（3）E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wlh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chinamobile.25.com）进行解析，给出wlh用户归属网络I-CSCF的IP地址。

③ P-CSCF将REGISTER消息转发给南京的I-CSCF。

④ I-CSCF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-CSCF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。

⑤ I-CSCF转发REGISTER消息给该用户的S-CSCF。

⑥ S-CSCF从HSS处下载该用户的相关信息（签约信息、安全信息等）并将這些信息存放在该S-CSCF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（UE）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（SIP请求报文中包含了被呼用户的SIP URI、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-CSCF触发相应的应用服务器；

③ 南京S-CSCF根据被呼用户的SIP URI，查询DNS服务器，得到被叫网络的I-CSCF的IP地址；

④ S-CSCF转发INVITE消息给杭州IMS网络的I-CSCF；

⑤ I-CSCF查询HSS，得到为wlh用户服务的S-CSCF；

⑥ I-CSCF 将INVITE消息转发给S-CSCF；

⑦ 若lwz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；

⑧ S-CSCF通过己建立的信令通道，将INVITE消息发送至漫游至深圳的lwz用户UE。此時，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SIP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GPRS PDP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。

IMS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-CSCF构成，S-CSCF是SIP的呼叫和会话控制器。S-CSCF从归属用户服务器（HSS）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-CSCF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（OSA API）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-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IP多媒体业务交换功能（IM-SSF）实体对CAP与SIP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SIP方式执行一个或几个OSA业务能力特征（OSA 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（SIP 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 API）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（IVR）为主的业务。

目前，IMS所提供的典型业务为：单键通话（PoC ，Push to 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（IMS）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。

编辑/樊文辉fanwenhui @txbl.net