IP多媒体子系统结构分析

摘要　IP多媒体子系统（IMS）是一个可以适应用户更高需求的一个标准化结构，能够满足终端用户多样化的多媒体业务需求。在目前，IMS被认为是下一代网络的核心技术。本文从IMS的发展和结构入手，分析IMS的协议体系结构，以及在固定和移动网络融合方面的应用。

一、概述

IP多媒体子系统（IMS）（IP Multimedia Subsystem）是在3GPP的Release 5版本中提出的，是对IP多媒体业务进行控制的网络核心层逻辑功能实体的总称。它与分组域一起实现实时和非实时的多媒体业务，也可与电路域进行互操作。作为一种能适应用户更高需求的一个标准化结构，它可以为移动用户提供多媒体通信和多方会话应用，确保不同的网络接入技术方式的服务质量（QoS），并且通过网络提供基本业务能力的选择和叠加，为第三方提供开放的业务接口，使新应用的种类更多，成本更低，速度更快。

IMS是一种全新的多媒体业务的承载形式，它能够满足终端用户日益多样化的多媒体业务需求。同时，IMS也被认为是下一代网络的核心技术，是解决移动和固定网络融合，使语音、视频、数据等差异化业务进行融合的重要方式。

二、IP多媒体子系统的发展和结构

1.IMS的系统发展

IMS是在3GPP的Release 5版本中提出的，它主要包括了对IP多媒体业务进行控制的网络核心层的各部分逻辑功能实体。它不同于原有的分组域和电路域的一种结构部分，可以实现与分组域和电路域进行互操作。移动网络的演进过程中3GPP制定的WCDMA网络标准，经历了R99、R4、R5和R6等发展阶段，由兼容传统的GSM和GPRS的网络逐渐转向全IP的网络架构，最终的发展方向是全IP的网络架构。

3GPP Release 5版本主要定义了IMS的核心结构、网元功能、接口和流程等内容；Release 6版本增加了部分IMS业务特性、IMS与其他网络的互通规范和无线局域网接入特性等；在Release 7版本加强了对固定、移动融合的标准化制定，要求IMS支持用户数字线和调制解调器等固定接入方式。R5版本是第一个全IP（分组化）的版本，其最大的变化就是在R4的基础上增加了IP多媒体子系统（IMS），它与分组域一起实现实时和非实时的多媒体业务，可以与电路域进行互操作。

IMS的主要特点有两点：一.使用SIP协议；二.接入的无关性。在使用SIP协议的IMS域内，为在3G网络上运行的IP业务提供了一个统一的会话管理机制。现在的IP网络中，基本上每一种应用都需要使用一套独特的会话信令协议；而SIP协议为大部分的IP业务提供了一套简化的统一会话控制机制，这会有助于在移动网络中开展不同的应用业务。SIP协议的特点使其可以提供的业务类型更加丰富，IMS即是使用SIP协议来实现IP多媒体域的会话呼叫控制。IMS的接入无关性是指其除了可以应用于移动网络外，还可以应用于固定网络、GPRS、WLAN和所有的IP网络等。从理论上可以实现用户无论采用什么样的设备，何时何地接入网络，都可以使用其归属地的业务；控制层和业务层之间的开放接口，使来自不同的接入网络呼叫/会话可以进行统一的处理。

IMS由呼叫状态控制功能CSCF（Call Session Control Function）、媒体网关控制功能MGCF（Media Gateway Control Function）、媒体网关MGW（Media Gateway）、归属地用户服务器HSS（Home Subscriber Server）等功能实体组成。其中CSCF包括了P-CSCF（Proxy-CSCF，代理CSCF）、I-CSCF（Interrogating CSCF，查询CSCF）和S-CSCF（Serving CSCF，服务CSCF），从本质上来说，它们都是SIP服务器，处理SIP信令。

IMS的提出是在移动网络引入软交换结构之后，利用软交换的思想，实现控制、承载、业务的分离；IMS继承了软交换分层的结构体系，改变了原有的业务和网络耦合的结构关系；模块化的结构设计方式和开放的接口使业务的管理维护、新业务的开发利用都十分方便。但是在业务和应用上，尤其是支持多媒体业务上还存在薄弱之处。

2.IMS的协议体系结构

在IMS结构中所定义的协议可以分为信令和会话控制层面、媒体协议层面、认证和安全协议层面等三种类型。

（1）信令和会话控制协议层面在IMS系统中，3GPP组织选择的用来进行会话控制的协议是会话初始化协议（SIP）。使用SIP协议的目的在于建立、更改、终止多媒体会话。SIP消息是独立于媒体消息进行传送的，相应地还要依靠使用其他的协议来保证它的传输和服务质量（QoS）。

在SIP结构中的主要实体部分是用户代理（UA）、注册服务器、代理服务器和重传服务器。用户代理初始化和接收SIP请求消息，并产生临时的和最终的应答消息。注册服务器用于跟踪和定位用户的位置信息，用户代理向注册服务器发送注册消息，注册服务器将消息存储在地址服务器中，便于以后的使用；代理服务器的功能更像是一个路由器，它对SIP请求和响应消息进行存储和转发；重传服务器在接收到SIP重传请求消息后，将地址更新为用户可以获得的地址，并进行重传操作。在一次SIP会话过程中，由用户代理产生一个请求消息，该消息经过一个或多个代理和重传服务器到达终端的用户代理。

SIP消息使用请求/响应这样的模式，并用UDP（用户数据报协议）或TCP（传输控制协议）作为传输协议。通常为了避免再使用TCP时，在连接建立和断开过程中产生的额外开销，会选择UDP作为传输协议。SIP是文本形式的消息，这样便于调试、扩展和应用。

使用SIP的控制协议，能跨越媒体和设备实现呼叫控制，支持丰富的媒体格式，可动态增／删媒体流，容易实现不同网络间的互联互通和更加丰富的业务特性；同时，SIP还可以支持智能化向应用和终端侧发展，减轻网络的负担。在业务提供和会话控制分层方面，业务和会话控制网络的关联减少，方便业务开展。SIP将从根本上改变通信服务提供的方式以及用户的通信消费习惯，集成视音频电话、消息、Web、电子邮件、同步浏览和视频会议等业务为一体的新的通信方式，为电信业创新、移动网与固定网的融合提供基础。

（2）媒体协议层面　在IMS中使用RTP（实时传输协议）和RTCP（实时传输控制协议）来进行媒体的传输。RTP使用UDP（用户数据报）来传送视频、音频这样的实时多媒体消息，RTP和RTCP经常一起使用，RTCP对媒体流进行统计及相关信息记录。媒体流数据包在IP网络上传送，就会出现数据包在传送过程中的时延，连续发送的两个数据包也会因为网络的时延和抖动出现到达顺序的先后差异。为了保证接收端在播放媒体数据时的质量，在媒体数据包中加入RTP时间戳；接收端可以在缓存区内按时间戳的顺序对收到的数据包进行排序，然后再开始播放。RTP数据包同样也有顺序号，依照顺序号可以判断网络的丢包情况，如果因为网络的拥塞引起大量数据包的丢失，发送方和接收方就会向可以提供较好的服务质量的方向调整。

（3）认证和安全协议层面在IMS系统结构中，需要进行认证的接口共有三个，这些接口所用到的认证协议是DLAMETER，DLAMETER是较早使用的认证协议RADIUS的改进版本，DLAMETER协议中包含基本协议和在基本协议基础上进行关于DLAMETER的扩展应用。DLAMETER协议主要应用于较可靠的传输协议，如：传输控制协议（TCP）和流控制传输协议（SCTP）。

3.客户机/服务器结构模式应用

IMS在3GPP的版本中被设计成可以适应实时的用户端到端的移动业务模式，如增强的语音业务和视频电话业务，并且IMS通过诸如会话协商和管理、业务质量（QoS）和移动管理等机制实现用户端到端的通信业务。

除了端到端的模式外，另一种典型的应用结构是客户机/服务器模式，这是一种基于SIP协议应用的结构。服务器是一个典型的包含构造模块的容器结构，这些模块联合起来，可以开发不同的应用。客户机通常是客户机程序。

SIP应用服务器（AS）就是IMS系统中的服务产生和执行平台。

呼叫服务呼叫功能服务器（S-CSCF），通过IMS的服务产生接口实现呼叫控制功能。

归属地用户服务器HSS通过Sh接口实现用户注册功能。

三、IMS的应用

IMS的应用主要集中在三个方面。

（1）在移动网络的应用。主要是在移动网络上利用IMS实现多媒体增值业务的实现方式。

（2）固定网络因为业务更新和网络演进的需要，在软交换架构的基础上为用户融合的应用和VoIP应用。

（3）通信业务和网络的融合，这是IMS的引入所带来的最突出的应用。随着通信网络的发展与演进，用户通信需求的不断提升，融合成为不可避免的发展方向。对现有通信网络，固定和移动的融合（FMC）更成为要解决的关键问题。固定和移动的融合主要体现在业务层、控制层、传送层和终端等多个层面上，通过网络的不同层面的融合实现业务融合的要求。

a）业务层的融合 采用开放的、标准的应用编程接口API可以实现将软交换的核心网络和业务功能相分离，形成独立的业务模块化设计。

b）控制层的融合 实现控制和承载的相互分离，控制层面由统一的设备实现对语音和多媒体呼叫的支持。

c）核心传送层的融合 对于传送层可以采用全IP传输的方法，使固定和移动网络共用一个核心传送网络。

d）终端的融合 对固定网络增加无线接入的设备和终端，使固网用户具备移动通信能力；对移动用户，可以使用复合式的多模终端，使其可以方便的接入这两个网络，获取融合的业务服务。

最理想的实现融合的方式是选择在控制层，这样能够由统一的控制设备同时控制固定和移动用户的业务，并用统一的媒体网关提供各种接口，支持移动和固定用户的接入。但目前，从网络的现实考虑，还很难将固定和移动这两方面相互独立的设备实现融合，可行的方法是考虑实现业务层和终端的融合。

四、总结

IMS作为可以提供全业务模式的应用系统，被认为是下一代网络的核心，本文从IMS系统的结构入手，分析在第三代移动系统网络中的IMS的结构，和技术优势。同时介绍了IMS在移动和固定网络融合方面的应用。

来源：中国联通网站