IP多媒體子系統(tǒng)體系

2.1体系上的要求

在IMS体系的创建过程和未来发展中，一系列基本要求起到了指导作用。本节涵盖了其中最主要的要求。第三代合作项目(3GPP)的IMS要求参见文件［3GPPTS22.228］。

2.1.1IP多媒体会话

现有的通信网络能够使用电路交换承载提供话音、视频和消息类型的业务，因此，当用户转换到分组交换域并且开始使用IMS的时候，终端用户的业务提供自然就不应该拒绝这些业务类型。IMS通过提供丰富的通信方式开创了通信的新高度。IMS用户能够在单个通信会话期间以他们选择的任何方式将多种基于IP的业务进行混合和匹配。用户能够将语音、视频、文字、内容共享以及在线状态整合作为他们通信的一部分，并且能够随心所欲地增加或者停止业务提供。例如，两个人可以开始一个语音会话，并且稍后在相同会话中增加游戏或者视频单元。

2.1.2 IP连接

正如IP多媒体子系统这个名字所指出的，一个基本要求就是设备必须由IP连接来接入这个系统。点对点应用需要端到端的可到达性，并且这个连接应该非常容易地支持IP版本6(IPv6),因为IPv6不会存在地址短缺的现象。因此，3GPP协商了相关事宜来使得IMS完全支持IPv6［3GPPTS23.221］。不过，早期的IMS实现和配置可能会使用IP版本4(IPv4)。3GPP已经建立了IMS中如何处理IP版本间互连的相关规范［3GPPTS23.981］,从而可以与早期的IMS配置兼容。在3.17节将对此进行进一步介绍。

IP连接可以通过归属网络或拜访网络来获得。图2-1左边的部分表示用户设备（UE）通过拜访网络获得IP地址的一种选项。通用移动通信系统（UMTS）网络中，这意味着用户漫游到拜访网络时所使用的无线接入网（RAN）、GPRS服务支持节点（SGSN）和GPRS网关支持节点（GGSN）都位于拜访网络。图2-1右边部分表示UE从归属网络获得IP地址的情况。在UMTS网络中这意味着用户漫游到拜访网络时，RAN和SGSN位于拜访网络。显然，当用户位于归属网络时，所有必需的网元都位于归属网络，IP连接也应该在这个网络中获得。

图2-1    用户漫游时的IP连接选项.

特别需要注意的是，用户要能够漫游并且能够像图中所示那样从归属网络获得IP连接。这使得用户即使漫游到一个没有IMS但是可以提供IP连接的网络中,也可以使用新鲜有趣的IMS业务。从理论上讲，可以在某一个地区或国家建设IMS网络，并通过诸如通用分组无线服务（GPRS）漫游将用户连接到该归属网络。实际上这种方式由于路由效率不够高而无法实用。可以设想将实时传输协议（RTP）话音分组从美国传送到欧洲再返回美国将会是什么后果。但是，当运营商建设IMS网络时，或者在IMS的初期阶段，仅仅提供非实时或准实时多媒体业务时，这种部署方式还是很重要的。

2.1.3   IP多媒体服务的服务质量保证

在公众因特网中，时延一般比较高，并且波动也不确定，分组的到达顺序会颠倒，并且有些分组会丢失或被丢弃。在IMS中将不再是这样。底层接入和传输

网络与IMS一起提供了端到端服务质量（QoS）。通过IMS,终端通过会话初始化协议（SIP）的会话建立或者会话变更过程来协商它的能力并提出其QoS需求。终端可以协商以下参数：

•  媒体类型、业务流方向；

•  媒体类型的比特率、分组大小、分组传输频率；

•  各媒体类型的RTP净荷的用法；

•  带宽的自适应。

在应用层协商了这些参数之后，终端在接入网中预留适当的资源。当端到端QoS建立起来之后，终端用适当的协议（例如RTP）将各个媒体类型进行编码和分组，并通过IP上的某种传输层协议（例如TCP或UDP）将这些媒体分组传递到接入网和传输网。运营商之间应该协商达成应用级协定，从而在彼此互连的骨干网上保证所需的QoSo在UMTS中，运营商间可使用GPRS漫游交换骨干网。

2.1.4  为确保正确使用媒体资源的IP策略控制

IP策略控制是指基于IMS会话中的信令参数，对IMS媒体预计的承载业务的使用进行授权和控制的能力。这要求IP连接接入网与IMS之间的交互。建立交互的方式可以分为三类［3GPPTS22.228,23.207,23.228］：

•  策略控制单元能够确保按照SIP信令中的参数为媒体流激活承载。这可以使运营商确保其承载资源没有被误用（例如，源IP地址和目的IP地址以及承载级的带宽确实与SIP会话建立时要求的一模一样）；

•  策略控制单元能够严格遵守SIP会话两端间媒体流的启动和终止时间。这可以防止在会话建立起来之前就使用承载资源，并且使业务流的启动和终止与IMS会话计费的启动和停止相同步。

•  IP连接接入网络中的业务将与会话相关的用户承载进行变更、挂起或释放时，策略控制单元可以得到通知。这使得在例如用户离开覆盖区这类情况发生时，IMS可以将正在进行的会话释放掉。

基于业务的局部策略（SBLP）在IMS中用作IP策略控制的同义词，并且它将在3.9节中进一步说明。

2.1.5 通信的安全性

安全性是每个电信系统的基本要求，IMS也不例外。除了接入网络过程（例如，GPRS网络）之外，IMS在UE和IMS网络之间有它自己的鉴权和授权机制。而且，不管向下延伸的核心网（例如，RAN和GPRS）如何，在UE和IMS网络之间以及IMS网络实体之间提供了SIP消息的完整性和可选的保密性。因此，IMS至少提供了与相应的GPRS和电路交换网络相似级别的安全。例如，IMS要确保用户开始使用业务之前都已经进行了鉴权，并且会话中的用户也能够请求隐私保护。3.6节将深入讨论安全特征的细节。图2-2中给出了得到应用的IMS安全解决方案概述。

图2-2  IMS安全概述

2.1.6 计费的安排

从运营商和业务提供商的角度而言，对用户的计费能力是任何一个网络都必须具备的。IMS体系允许使用不同的计费模型，这也就是说，包括根据传输层所使用的资源，只对主叫方单向计费或者对主被叫双方都计费的能力。在后一种计费方式中，主叫方可以完全基于IMS级会话进行计费，换言之，在传输层和IMS层可以采用不同的计费机制。实际上，运营商可能对在传输和IMS（业务和内容）计费层生成的计费信息进行关联更有兴趣。如果某个运营商使用策略控制参考点,那么就可以具备这个能力。计费关联机制在3.11.6节中将进一步阐述，而策略控制在3.10节中说明。

由于IMS会话可能包含多种媒体元素（例如音频和视频），这就需要IMS提供一种对每个媒体元素进行计费的方式。如果被叫方在会话中增加了一个新的媒体元素，这就使得对被叫方计费成为可能，同时也就需要不同的IMS网络能够交换用于当前会话计费的信息［3GPP TS 22.101,TR 23.815］。

IMS体系对在线和离线两种计费能力都支持。在线计费是这样一种计费过程:计费信息可以实时地影响服务的提供，因此直接与会话和服务的控制相配合。实际上，运营商可以在允许用户进行会话之前检查用户账户，也可以在账户内金额全部用完时终止会话。预付费服务就是需要这种在线计费能力的应用。离线计费是计费信息不实时影响服务提供的一种计费过程。这是传统的计费模型，一段时间内的计费信息被收集起来，运营商在这段时间结束时将账单寄给顾客。

图2-3给出了IMS环境中通用计费体系的简单说明。关键性的事实就是：IMS为IP业务增加了从比以前更细小的粒度上进行计费的可能性。

图2-3  IMS计费概述

2.1.7对漫游的支持

从用户角度而言，非常重要的一点是，无论他身处何处都要能够访问到所需服务。漫游特征使得用户即使不在归属网络的服务区域内也能正常使用服务。2.1.2节已经描述了两个漫游的例子，分别称为GPRS漫游和IMS漫游。除此之外，还有IMS电路交换（CS）漫游。GPRS漫游是指拜访网络提供SGSN和RAN,而归属网络提供GGSN和IMS的情况下接入IMS的能力。IMS漫游模型是指一种网络配置，此时拜访网络提供IP连接（例如RAN、SGSN、GGSN）和IMS接入点（即P-CSCF）,而归属网络提供IMS功能的剩余部分。和GPRS漫游模型相比，这种漫游模型的主要好处在于它对用户平面的资源进行了最优化的利用。在IMS和CSCN域之间的漫游是指IMS和CS之间的域间漫游。当用户在某个域内没有注册或者无法找到时，会话就可以被转发到另一个域。需要注意的是，CSCN域和IMS域都有自己的服务，这些服务无法被另外一个域所使用；而有些服务则非常相似，并且在两个域内都可以使用（例如IMS中的VoIP和CSCN中的语音电话）。图2-4给出了IMS/CS漫游的各种情况。

图2-4  IMS/CS漫游的各种情况

2.1.8 与其他网络的配合

显然，IMS不可能在世界上同时铺设，而且人们也不可能很快地更换他们的终端和签约信息。这就提出了一个问题，即无论人们拥有什么样的终端，也无论他们居住在什么地方，用户信息都是可达的。作为一个新的、成功的通信网络技术和结构，IMS必须连接尽可能多的用户。因此，IMS支持与PSTN、ISDN、移动网和因特网用户间的通信。另外，也可以支持与非3GPP组织开发的因特网应用之间进行会话[3GPP TS 22.228]。

2.1.9 服务控制模型

在2G移动网络中使用了拜访服务控制。这意味着，当一个用户漫游时，拜访网络中的一个实体为用户提供服务并控制业务流。在2G移动网络中，这个实体称作拜访移动服务交换中心。在版本5的早期，对拜访和归属服务控制模型都支持。同时支持两个模型会导致每个问题都有不止一个解决方案，而且由于简单的方案可能无法同时适合两个模型，因而减少了最优体系方案的个数。同时支持两个模型还意味着需要对因特网工程任务组（IETF）协议进行附加扩展，并且会增加注册与会话流程中的工作量。因此，拜访服务控制被放弃。因为与归属服务控制相比，它过于复杂而且不提供任何重要的附加价值，相反还造成了一些限制；它需要运营商之间存在一种多重关系和漫游模型，服务速度会变慢，因为需要拜访网络和归属网络支持相似的服务，否则漫游用户将会感到服务变差；另外，运营商内部参考点的数目也将增加，这就需要复杂的解决方案（例如在安全和计费方面）。因此，IMS仅采用了归属服务控制，换言之，访问用户数据库并且与服务平台直接交互的实体将总是位于用户的归属网络。

2.1.10 服务开发

拥有可扩展的服务平台与快速启动新服务的可能性是非常重要的，这就意味着过去对于全套的电信服务、应用和附加服务进行标准化的旧方法不再合适。因此，3GPP正在进行服务能力的标准化，而不是服务本身的标准化[3GPPTS22.101]。IMS体系实际上应当包含一个服务框架，该框架提供必要的能力，以便在IMS中支持语音、视频、多媒体、消息、文件共享、数据传输、游戏和基本附加服务。3.13节深入阐述了IMS服务控制如何工作，第4~8章更详细地描述了如何提供在线状态、消息、蜂窝网络上的按键通话、会议以及成组管理业务。

2.1.11分层设计

3GPP已经决定使用分层的方法来进行体系设计，这意味着传输和承载服务被从IMS信令网和会话管理服务中分离出去，更高层的服务都运行在IMS信令网之上。图2-5描述了这种设计。

图2-5  IMS和分层体系

注：平面内连接以及用户平面与AS的连接没有给出。

在一些情况下，分辨上层和下层之间的功能是不可能的。分层的方法是为了最小化各层之间的依赖性。这样做的好处是，以后新的接入网加入到IMS系统将变得非常容易。在版本6中已经增加了无线本地网（WLAN）接入IMS,而在版本7中固定宽带接入IMS也将被标准化。

分层的方法提高了应用层的重要性，因为业务被设计为与具体接入网相独立,网络配备IMS作为业务和接入网两者之间的桥梁。无论用户使用移动电话还是PC客户端进行通信，IMS中都将使用相同的在线状态信息和成组列表功能。不同的业务有不同的需求，这些需求包括：

•  带宽；

•  延时；

•  设备的处理功耗。

这意味着为了让不同的业务能够正确执行，网络必须为多媒体业务配备接入感知（access-aware）控制和业务逻辑。IMS体系结构中嵌入多种接入功能体，以便为固定和移动运营商提供固定网络和移动网络融合解决方案。这也将使得业务提供商能够使用并且动态适应选定的现有设备的特点和能力及其网络接入方法。

2.1.12接入无关性

IMS最初的设计思想是与具体的接入方式无关，以便IMS业务可以通过任何IP连接网络（例如，GPRS、WLAN、宽带xDSL）提供。遗憾的是，版本5的IMS规范中包含了一些GPRS特有的特性。在版本6中，与接入方式相关（例如GPRS）的问题将从核心的IMS描述中分离出来，并且IMS体系结构将回归到它最初的设计状态（也就是接入独立性）。图2-6说明了IMS可以运行的各种不同类型的接入独立的网络。这些网络包括了固定宽带网络、WLAN,GPRS以及UMTS。本书中将以GPRS为例。

图2-6  IMS接入独立性