IMS网络演进中的关键问题探讨

在三大全业务运营商对固定和移动业务的融合、与互联网业务的融合、拓展新业务等多重需求下,IMS从2009年开始重新成为业界关注的焦点。不同的运营商对于IMS现阶段的规划与期冀不全一样,但基于IMS的固定和移动网络融合的架构以实现真正的全业务运营,利用网络和业务能力开放实现与互联网业务的融合,均是运营商的长远目标。为综述国内电信运营商的IMS发展现状,研究IMS网络演进过程中需要解决的关键技术问题及实现方案,探讨运营商如何在现有网络中引入IMS、如何实现跨IMS域和电路域的多业务协同、如何实现互联网与通信业务的混搭等问题,《移动通信》于本期特别推出"IMS与网络融合"专题,以期能明晰IMS尚待解决的技术问题,并着眼于解决之道,为IMS在中国理性务实发展进行有益的探讨。

1 引言

作为下一代网络控制技术的核心,IMS技术已经逐步走向成熟,能够满足消费者对业务质量、可靠性及可用性的要求,可以促进实现固定和移动业务的融合,甚至可确保LTE语音及短信业务的国际漫游与互操作性,从而确保业务的连续性。全球TOP10的运营商均已进入全业务运营领域,来自Heavy Reading对全球179家运营商的调查显示,大部分主流运营商认识到部署IMS的重要性并选择IMS做全业务运营网络。目前全球已部署100多个IMS试验网、试商用及商用网络,IMS已被业界接受为全业务网络解决方案。

2 IMS网络演进问题

从传统TDM交换、软交换到IMS的演进在业内已经成为不争的事实。从技术标准角度来看,无论是ITU-T、TISPAN还是3GPP,都将IMS作为固定电话网和移动核心网演进的唯一目标。

对于移动核心网,从技术标准和国际运营商的倾向来看,演进的唯一目标是EPS/IMS架构,但随着网络的发展,仍需要考虑CS用户接入IMS、语音业务连续性问题、LTE语音解决方案等问题。从标准的角度分析,对于CS用户接入IMS网络,可以采用ICS解决方案,实现IMS网络对业务的统一控制,实现业务一致性要求;对于语音业务连续性问题,可以采用SR-VCC保持语音业务的连续性;对于LTE语音解决方案,国际运营商已倾向采用3GPP IMS为LTE提供语音业务,"One Voice"标准研究计划也已经于2009年11月启动,目的就是为LTE语音及短信业务制定应用层技术规范,解决LTE传递语音服务的问题,达到加速LTE网络建设目标。

下面将重点分析IMS网络演进过程中ICS、SR-VCC、One Voice等关键技术。

3 关键技术

3.1 ICS

ICS(IMS Centralized Services,IMS集中业务)是3GPP R8的重要研究课题之一,由3GPP SA2工作组提出。ICS重点研究CS域如何接入IMS,由IMS统一提供业务,该方案将业务剥离到IMS,而CS则演进为一种接入方式,因此可以认为ICS是软交换网络向IMS演进的一种重要方式和必经阶段。

(1)ICS参考架构

ICS架构在现有的CS和IMS网络中增加了以下内容:

◆SCC AS

SCC AS是归宿网络中的IMS应用服务器,通过主叫或被叫iFC插入到会话路径中,位于主叫路径的第一个AS,或被叫路径的最后一个AS。SCC AS可以作为SIP用户代理代替CS用户接入IMS,完成IMS会话的建立和控制,实现ICS用户代理的功能。如果在使用I1(USSD)接口时,SCC AS负责处理USSD完成和其他IMS网元之间的交互,实现CS接入适配的功能。另外,对于选择终呼的接入方式,如果选择CS域,那么SCC AS还需要协助将呼叫发送给ICS用户,从而完成终呼接入域选择功能。

◆MSC Server

如果MSC Server具备ICS增强能力,那么它可以处理A/Iu和E接口的用户信令,完成和SIP信令的交互;并能够通过I3接口控制IMS-MGW,完成CS接入和RTP的交互;当支持多媒体业务时,还要求MSC Server能够执行H.245和SIP/SDP之间的交互。

对于普通用户,如果不使用ICS功能,对MSC Server的功能没有增强要求,同样对于ICS UE,即使使用ICS功能,也不要求MSC Server具有ICS增强功能。

◆ICS UE

ICS UE增加了ICS能力,ICS UE可以通过业务控制路径和SCC AS通信,通过CS域建立承载控制路径。此外在主叫过程中,ICS UE应能执行接入域选择功能,在被叫过程中,ICS UE需协助SCC AS执行终呼接入域选择功能T-ADS。

(2)ICS解决方案

目前,根据终端能力和对网络的影响,将ICS的解决方案分为ICS UE方案和增强的MSC Server两种,ICS的参考架构涵盖了这两种解决方案。简单来说,ICS UE方案,引入支持ICS能力的UE,通过现有的CS网络,或通过采用MSC-centric增强的CS网络接入IMS,实现ICS业务。增强的MSC Server方案,通过升级CS网络,将non-ICS UE,即传统终端接入到IMS网络,实现ICS业务。

◆ICS UE方案:业务控制信令路径从Gm接口发起

如图2所示,该方案的主要工作流程为:业务控制信令路径用来在ICS UE和SCC AS之间传送IMS业务控制信息。发起会话时,ICS UE首先使用Gm接口,通过PS域建立业务控制信令路径(Service Control Signalling Path),ICS UE还需要使用标准CS域流程建立CS承载控制信令路径(CS Bearer Control Signalling Path)以建立电路域承载。然后SCC AS将业务控制信令路径和CS承载控制信令路径进行绑定,形成接入分支(Access Leg),而在远端分支(Remote Leg),由SCC AS代表UE建立IMS会话。

◆ICS UE方案:业务控制信令路径从I1接口发起

如图3所示,该方案的主要工作流程为:发起会话时,ICS UE采用I1接口,通过CS网络,和SCC AS交互IMS业务所需要的信息,建立业务控制信令路径。同时ICS UE还需要使用标准CS域流程建立CS承载控制信令路径以建立电路域媒体承载。然后SCC AS将业务控制信令路径和CS承载控制信令路径进行绑定,形成接入分支,而在远端分支,由SCC AS代表UE建立IMS会话。

◆增强的MSC Server方案

该方案通过升级CS网络,引入增强的MSC Server,在完成基本的MSC Server功能的同时代替UE作为SIP UA接入IMS,实现SIP呼叫过程和CS呼叫过程的交互,从而实现传统CS终端接入IMS的目的,由IMS统一提供电话业务。其会话建立示意图如图4所示:

会话建立过程中,UE和SCC AS之间增强的MSC Server,代替UE执行IMS的注册流程,并完成CS呼叫流程和SIP会话流程的交互。

通过对以上方案的分析研究,我们发现ICS UE的解决方案主要依赖于终端的功能,要求终端必须支持ICS,因此对终端市场有很强的掌控力的运营商,可以通过升级终端,采用ICS UE的方案,引入专门的ICS UE实现ICS业务。而对于终端市场相对开放的运营商,重点关注传统终端的问题,则可以采用增强的Msc Server方案,通过网络升级,将传统终端接入IMS网络,从而解决传统通过CS域接入IMS网络的问题。

3.2 SR-VCC

SR-VCC架构利用IMS核心网络提供LTE VoIP语音业务的路由、控制和业务触发,并提供LTE向GERAN/UTRAN切换时的语音连续性保证。不同于CSFB架构,SR-VCC架构中移动语音业务真正能够基于LTE分组网络实施。

SR-VCC架构,需要部署IMS SCC AS、增强MSC网元,结合MME的切换控制保证LTE语音能够平滑地向GERAN/UTRAN CS网络切换。为了支持SR-VCC切换处理,MSC Server和MME之间要求提供Sv接口。MME在eNode B发出向GERAN/UTRAN切换请求后,通知增强MSC网元,MSC网元则基于3GPP CS网络成熟的切换控制协议向控制RNC/BSC的MSC发起CS切换请求。在SR-VCC方案中,MME需要兼顾语音的SR VCC切换和非语音的PS切换处理。

SR-VCC关注呼叫会话的连续性,因此本质上是个切换流程,包括传输层和会话层的切换;该切换过程包括承载层的PS-CS切换和业务层的IMS域切换两部分。这两部分切换处理相互独立。图6描述了E-UTRAN到UTRAN/GERAN的SR-VCC典型切换流程。

首先,源eNode B根据测量报告,决定发起SR-VCC过程;eNode B发起切换请求并指示MME该切换是PS到CS域的切换或PS到CS和PS的切换;然后进行承载分离,对于QCI=1的承载(VoIP bearer),切换到CS域;其余承载切换到UTRAN网络或挂起;如果GERAN不支持DTM,那么只能挂起,接下来准备切换,增强的MSC Server向SCC AS发起建立CS分支,SCC AS将会话切换至CS分支,并更新远端同时释放IMS分支;最后将语音切换到CS域并完成PS域业务的切换。至此,整个SR-VCC过程结束。

SR-VCC不要求LTE网络的全覆盖,在部署LTE的地区不需要采用CS网络处理语音;前提是部署IMS网络。当UE驻扎在LTE或HSPA网络时,采用通常的IMS呼叫流程建立语音呼叫。

SR-VCC解决方案反映了网络发展方向,可以随着SAE/LTE的广泛部署平滑地向全IP网络过渡,是大多数运营商比较认可一种SAE部署过渡的解决方案。3GPP对SR-VCC的研究,最初只包含EPC到CS的切换,后期引入IMS over HSPA下的SR-VCC。但在SR-VCC方案中,由于IMS侧切换时间可能比较长,会导致切换过程和中断时间比较长,无法满足SA1提出的最大中断时间300ms的需求。因此,3GPP在R10开展了旨在提高SR-VCC切换性能的增强研究,通过评估目前Rel-8 SR-VCC方案的性能,在尽可能少地改动SR-VCC架构的前提下,减小切换时延,提高SR-VCC性能。

3.3 One Voice

3GPP定义IMS网络是一个与接入无关的、基于标准的IP连接和业务控制的架构,使用通用的Internet协议执行各种多媒体业务。在固网,已经或正在部署VoIP,然而,在移动侧,将展开部署采用CS语音的组合应用,比如RCS。

未来几年,将在更高的速率上部署更加有效的无线方案以适应分组域的增长需求。接入和核心网向基于分组的迁移,必然引起从目前CS语音到使用IMS的LTE语音的演进。

尽管3GPP在IMS方面的工作已经进行了将近十年,目前有上千页的文档,多种不同标准,涵盖了IMS相关功能。此外3GPP提供了多种方式完成同一功能(例如鉴权、会话建立、补充业务、承载建立等)这些都增加了IMS的复杂性。在刚开始部署基于IMS的VoIP网络时,并不需要所有的功能都满足,为了帮助业界获得通用的标准IMS语音方案,One Voice定义了通用推荐特征集,并对单一功能存在多个解决方案的情况给出推荐方案。

目前,One Voice的工作在GSMA VoLTE工作组开展。One Voice的内容主要基于3GPP R8版本,初步解决方案的应用层规范(V1.0.0)已最终定稿,包含的内容有:IMS通用要求,如注册、鉴权、寻址等;业务要求,如呼叫建立过程的考虑因素、补充业务、短信;媒体要求以及无线和分组域要求。

可以说,One Voice定义了UE和网络需要执行的最小集合,以保证在LTE无线接入上部署基于IMS的电话业务,包含IMS基本能力和语音补充业务、实时媒体协商、传输和编码、LTE无线和EPC能力、跨协议栈和子系统相关的功能。

由于One Voice解决方案是基于3GPP IMS相关标准提炼而成的,因此,在One Voice的规范中基本没有开发新技术,目的就是为了尽快部署基于IMS的VoIP网络。

目前,已经有多家网络运营商和设备商加入One Voice,包括AT&T、Orange、Telefonica、Verizon、沃达丰等全球知名运营商以及阿尔卡特朗讯、爱立信、诺基亚西门子、诺基亚、三星、索尼爱立信等设备商。

4 总结与展望

随着移动通信网络的不断发展,PS网络将最终替代CS网络,而CS域语音业务也将逐步演进到PS域,IMS成为网络演进的有力保障。为了保证业务一致性,采用增强的MSC Server的ICS技术,将CS终端接入IMS网络,由IMS网络统一提供业务。在VoLTE没有全覆盖的阶段,如果用户通话过程中从LTE网络漫游到CS网络,将采用SR-VCC技术完成PS域到CS域语音的无缝切换。初期,如果LTE不支持语音业务,当用户发起语音业务时,则可以采用CS FallBack技术,使用户回落到CS网络,建立语音业务。未来,全网部署LTE,那么One Voice将成为LTE语音的最佳解决方案。