多媒體體系架構(gòu)

1.1什么是因特网协议（IP）多媒体子系统（IMS）

固定和移动网络在过去20年里经历了巨大的转变。在移动领域中，第一代（1G）系统在20世纪80年代中期引入。这些网络为用户提供基本的业务，其重点是话音以及与话音相关的业务。20世纪90年代的第二代（2G）系统为用户带来了一些数据业务和更复杂的辅助业务。现在的第三代（3G）系统使得为用户提供更快的数据传输速率和丰富多彩的多媒体业务成为可能。在固定侧，传统的公共交换电话网（PSTN）和综合业务数字网（ISDN）已经主宰了传统的话音和视频通信。最近几年中，因特网的使用量呈爆炸态势，越来越多的用户使用更快、更便宜的因特网连接，例如非对称数字用户线（ADSL）。这些类型的因特网连接使得持续在线成为可能，这对开始使用实时通信方式的人们而言是非常必要的，如聊天应用、在线游戏、基于IP的话音（V6IP）等。

当前，我们正在经历着固定和移动网络的快速融合，随着移动设备渗透率的逐年递增，全球很快将拥有超过20亿的移动设备用户。这些移动设备拥有巨大、高清晰度的显示屏，有内嵌的相机以及很多用于各种应用的资源。它们是持续在线、持续连接的应用设备。这使得“应用”一词有了新的含义，应用不再是只通过用户界面交换信息的孤立实体。下一代更令人兴奋的应用是对等（peer-to-peer）实体，它使得共享更加容易：共享的浏览、共享的白板、共享的游戏体验、共享的双向无线会话（即基于蜂窝网络的按键通话）。连接状态的概念也被重新进行了定义。拨一个号码并交谈将很快被视为非常狭窄的网络子集。在支持因特网协议（IP）的新设备之间建立点到点连接的能力是这种网络所需的关键因素。这个新的通信范例已经远远超过了传统的老式电话业务（POTS）的能力。

为了实现交互通信，基于IP的应用必须有相应机制能与对端进行沟通。当前的电话网络通过建立点对点连接来完成这个必不可少的工作。通过拨打对方号码,这个网络可以在IP网络上的任意两个终端之间建立自组织(adhoc)连接。提供这种IP通道的重要能力只存在于因特网中孤立和单个业务提供商的环境中，封闭系统在用户数量基础上进行竞争，其中网络占有的用户是竞争的关键所在，而业务提供商之间的互连功能并不受欢迎。我们需要一个全球性系统——IP多媒体子系统(IMS),它允许支持IP设备上的应用能够很容易和安全地建立点对点以及点对内容的连接。

我们对IMS的定义是：IMS是一个全球性的、接入独立并且基于标准的IP通道和业务控制体系，它使得基于普通因特网协议的终端用户使用不同类型多媒体业务成为可能。

话音和数据业务的真正融合提高了生产力和整体效率，而整合话音、数据和多媒体的创新型应用的开发将形成新业务的更多需求，例如在线状态、多媒体聊天、按键通话以及移动会议。将移动性和IP网络合并的能力将是未来业务成功的关键所在。

图1-1给出了固定移动环境下的通信网络融合。IMS不仅在分组交换域引入了多媒体会话控制，同时它还在分组交换域实现了电路交换功能。IMS是这种网络融合的关键技术。

图1-1  融合网络中的IMS

1.2   IMS业务举例

假设我有一个可以使用因特网协议多媒体子系统（IMS）的设备，打开它之后设备将使用身份验证模块（例如USIM卡）中的信息自动注册到IMS网络。在注册过程中，设备和网络都会被验证，并且设备将从网络获得我的用户身份。在这个惟一的注册之后，我就可以使用所有业务，包括按键通话、在线状态、话音和视频会话、消息和多用户游戏等。而且，在线状态服务器会把有关设备可用的信息更新为“在线”，并且列出当前使用的应用。

当我需要联系我的朋友鲍勃时，我可以从设备的电话本中选择鲍勃，并且基于他的在线状态信息，可以马上看到他是否在线。按下设备上的“绿色按键”（译者注：通话键），我就可以发起一个“普通”的呼叫。IMS网络将负责在两个设备之间发现并且建立会话初始化协议（SIP）会话，即使呼叫时鲍勃在国外。当呼叫到达鲍勃的终端时，他可以知道这个呼叫来自于我，并且他还将看到我插入的一个文字信息“下周三有免费的电影票鲍勃接了电话，但是告诉我他不能确定到时候是否能赶回来。我们决定周日的时候再确认这个问题。在挂电话之前，鲍勃对我说：“你无法相信我今天看到了什么，等一下我展示给你。”鲍勃开始将一个视频流片断发送给我，并且在我观看这个视频的时候，鲍勃详细解释了当天早些时候在动物园发生的事情。

麦克发现今天是自己最好的朋友吉尔的生日。虽然他正在旅行并且无法与她约会，但是他想送给吉尔一条个性化的生日短信。当麦克坐在当地的咖啡馆里的时候，他一边享受咖啡一边使用其崭新的无线局域网（WLAN）设备阅读因特网上的最新新闻，他决定发送给她一个视频片断作为生日礼物。当吉尔听到她的电话振铃的时候，她正在洗澡。她看到手机提示接收到一条消息，于是检查了收件箱并保存了这个视频片断，同时她决定回复这条短信。她知道麦克很了解她所具有的独特的幽默感，于是将她自己正在洗澡的照片发了出去，如图1-2所示。

图1-2  多媒体消息

皮特•辛普森是伦敦人，并且是阿森纳队的铁杆球迷。他非常幸运地拿到了一张阿森纳队和托特纳姆热刺队德比战的球票，并且出发去观看比赛。当比赛过程中他坐在球场内，突然有压制不住的强烈欲望想让他的朋友们知道自己有这种机会。他拿起自己的移动电话并且给他的朋友，一个托特纳姆热刺队球迷，约翰•克拉克打了一个电话。约翰正坐在自己的座位上并接收到了电脑屏幕上弹出的来话提醒，通知他有来自皮特的呼叫。约翰接了电话并且两人开始交谈。皮特无法自制，于是打开了视频共享应用来聚焦比赛现场。约翰收到了视频请求，同意接收这个视频流。PC客户端启动并显示了比赛情况，约翰看到了阿森纳得分了。“美妙的进球，对吧？”皮特问到。“比赛还没有结束呢”，约翰说到，并且关了视频。他们开始在电话里对比赛和他们各自喜欢的球队进行争论。

上述所有通信都需要使用IMS提供的IP通道。IMS不仅提供了选择最好和最合适通信媒体的能力，而且提供了会话过程中自然地改变媒体类型以及在任何IP接入点使用首选(支持SIP的)通信设备的能力。

1.3   IMS从何而来

1.3.1从GSM到3GPP版本7

欧洲电信标准化委员会(ETSI)是20世纪80年代末到90年代间制订全球移动通信系统(GSM)规范的标准化组织。ETSI还制订了通用分组无线服务(GPRS)网络体系。最后一个GSM专门规范制订于1998年；同年，欧洲、日本、韩国、美国和中国的标准化机构成立了3GPP来制订由宽带码分多址(WCDMA)和时分/码分多址(TD-CDMA)无线接入与演进的GSM核心网所构成的第三代移动通信系统(http://www.3gpp.org/About/3gppagre.pdf)。其大部分工作和基础规范是从ETSI特别移动小组(SMG)继承而来。3GPP最初决定每年推出一版规范，第一个版本就是版本99[3GPPR99]。

1.3.23GPP版本99(3GPP R99)

版本1999的形成仅用了不到一年的时间。除少数基本规范的完成时间推迟到了2001年3月以外，该版本的主体功能于1999年12月冻结。如此快速的完成规范是因为实际工作是由两个组织：3GPP和ETSISMG分工完成的。3GPP负责完成业务、系统结构、WCDMA和TD-CDMA无线接入和通用核心网。ETSISMG开发了GSM/全球演进增强数据速率(EDGE)无线接入。

WCDMA无线接入是版本1999的3G系统相对于GSM的最大进步。除WCDMA以外，UTRAN(UMTS陆地无线接入网)还引入了lu接口。与A接口和Gb接口相比，lu接口有以下两个明显差别。首先，语音的编码转换在核心网进行。而在GSM网中这是BTS（基站控制器）的逻辑功能之一；其次,lu接口中加密和小区级移动性管理在RNC进行，而在GSM网中，GPRS业务的这些功能是由GPRS服务支持节点（SGSN）完成的。

图1-3  IMS在分组交换网络中的作用

该版本在业务生成方面还引入了开放业务体系(OSA)。业务方面规范的目标是不再对新业务进行规范而是转向专注于业务能力，例如各种工具集(CAMEL、SIM应用工具集和OSA)。这一原则得到了良好的贯彻，虽然虚拟归属环境(VHE)这一包容了所有业务生成的概念仍缺乏清晰的定义。

1.3.33 GPP版本4

继版本1999之后，3GPP开始定义版本2000,包括所谓的全IP网络即后来更名为IMS的部分。在2000年时，人们意识到IMS的开发不可能在2000年一年之内完成，因此版本2000被拆分为版本4和版本5两个阶段。

版本4可以独立于IMS而完成。3GPP版本4最主要的新功能包括移动交换中心(MSC)服务器和媒体网关(MGW)的概念、核心网协议的IP传输、UTRAN的位置业务(LCS)增强、多媒体消息以及Gb用户平面的IP传输。

3GPP版本4功能冻结并正式完成于2001年3月。而对无线接口所必需的用于协议改变的反向兼容性的直到2002年9月才得到增强。

1.3.43  GPP版本5、版本6和版本7

版本5最终将IMS引入到3GPP标准中。IMS是一个独立于接入技术的基于IP的标准体系，它与现存的话音和数据网络都可以互通，不论是固定网络用户（例如PSTN、ISDN、因特网）还是移动用户（例如GSM、CDMA）。IMS的体系使得通过各种类型的客户端都可以建立起对等的IP通信，并可以获得所需要的服务质量。除会话管理之外，IMS体系还涉及完成业务提供所必需的功能（例如注册、安全、计费、承载控制、漫游）。总之，IMS形成了IP核心网的核心。

版本5应包含哪些内容经历了热烈讨论，该版本的功能最终于2002年3月冻结。这一决定的结果是很多特性被推迟到下一个版本，即版本6中，内容冻结后工作仍在继续，到2004年初基本稳定。版本6的IMS弥补版本5中IMS的缺点,并引入新的功能。版本6于2005年9月完成。表1-1列举了版本5和版本6最主要的功能，还给出了版本7的候选功能。

从表1-1中可以看到，3GPP已经为基于SIP的IP多媒体业务集合定义了有限架构体系。它包含了逻辑单元的功能、各单元如何连接的描述、连接所选择的协议和进程的描述。还应注意IMS针对移动通信环境进行了优化，包括基于移动标识的用户认证和授权，以及用户网络接口上用于允许无线丢失与恢复检测的SIP消息压缩、安全和策略控制机制的规则定义。除此之外，从运营商的角度而言，很多重要方面应在体系的进一步发展中得到解决，例如计费体系、策略和业务控制。本书将解释这些方面是如何定义的。

表1-1    IMS特性