NGN中固定和移动网络融合

摘要　本文阐述了固定和移动网络融合的驱动力，分析比较了固定NGN和移动3G的异同，讨论了固网和移动网络融合的几个层面，介绍了基于IMS的固定与移动网络融合方案。

关键词　NGN　3G　网络融合　IMS

1、固定和移动网络融合的驱动力

　　能通过统一的网络提供综合业务一直是全球通信业追求的目标。早期提出的ISDN以及B-ISDN都体现了这种思想。融合已成为网络发展的趋势，下一代网络也充分体现了“融合”的思想，网络融合无疑是NGN最具特色的亮点之一。

　　固定与移动融合是下一代网络发展的必然要求。ITU-T给出了NGN的定义，即NGN是基于分组技术的网络；能够提供包括电信业务在内的多种业务；能够利用多种宽带和具有QoS支持能力的传送技术；业务相关功能与底层传送相关技术相互独立；能够使用户自由接入不同的业务提供商；能够支持通用移动性，从而向用户提供一致的和无处不在的业务。在NGN中，固定与移动只是不同的接入手段。

　　固定和移动融合能够为全业务运营商节省投资，减少运营成本。传统的固定网络和移动网络提供的许多业务基本一致，但是移动和固定网络是独立的两张业务网，使得运行维护费用高；而且当开发新业务时，对同类的业务也必须分别升级两张网络，使得新业务提供成本高。而固定和移动网络融合之后，将形成整体的一张网络，运维成本相对较低，业务的开发不必要分别升级固定和移动网络，只需要对统一的业务平台进行一次升级就能够同时为各种用户提供业务。固定与移动的融合将为业务创新带来新的机遇，可以扩大业务范围，丰富业务种类，提供更多新颖的个性化业务，满足用户随时随地沟通的业务需求，同时也增强运营商的差异化竞争能力。

2、固定NGN和移动3G对比分析

　　早在90年代初期，欧洲电信标准协会(ETSI)提出把3G技术统称之为UMTS(通用移动通信系统)。它采用了WCDMA作为FDD频段的空中接口技术。其标准化主要由3GPP完成，目前已有熟知的4个版本，即：R99、R4、R5、R6。

　　R99版本主要特点是在无线部分采用WCDMA技术，核心网部分保留了基于GSM的电路域部分，增加了分组域部分，用于支持基于分组交换的数据业务。

　　R4版本与R99版本比较，在无线接入网方面没有网络结构的变化，在核心网方面，最大的变化是在电路域引入了软交换的概念，将控制和承载分开，原来的MSC演变为MSC Server和媒体网关MGW，话音通过MGW由分组域来传送。

　　R5核心网增加了IMS-IP多媒体子系统，实现了会话控制实体CSCF和承载控制实体MGCF在物理上的分离，提出了分组域NGN解决方案。它以分组域作为承载传输，更好地实施了对多媒体业务的控制。

　　R6与R5采用相同的网络结构，在R6中进行IMS第二阶段的研究工作，主要是完善网络互通、安全性等方面的内容，同时制定IMS消息类业务相关的规范。

　　从UMTS的网络演进可以看出，同固定电话网软交换体系结构一样，在网络技术方面，移动通信正从基于电路交换向分组交换演进，3G与固定NGN在许多方面是相似的：

　　(1)固定NGN和3G都提出了分层的网络结构，即将网络分成4个层次，包括业务层、控制层、承载层和接入层。UMTS和固定NGN业务层与控制层采用开放的接口，由各种应用服务器和认证服务器来完成业务生成、业务认证、业务运行和业务计费等，使业务和控制相分离。同时UMTS和固定NGN能够提供相同的应用编程接口。UMTS和固定NGN承载层采用分组技术，即IP承载或ATM承载，信令、话音以及数据都以IP包或ATM信元的形式在网络中传输。UMTS中电路域媒体网关和多媒体子系统的媒体网关都位于接入层面，固定NGN中的各种网关设备如信令网关和接入网关也属于这个层面。

　　(2)固定NGN与UMTS所采用的协议许多都是一致的，主要包括以下协议：H.248/MEGACO、SIP、SIGTRAN协议。UMTS与固定NGN这些协议基本一致，只不过UMTS中增加了移动方面的扩展。SIP协议是由IETF提出的IP网络中多媒体通信的应用层协议，在UMTS网络中，SIP协议是IMS的主要协议，用于控制移动多媒体业务的建立修改和结束过程。随着网络演进，IP多媒体子系统的作用越来越重要，它将来可以实现目前电路域和分组域提供的所有业务，成为全IP网络的主体部分，当然这有赖于SIP协议的不断完善和发展。

　　(3)在业务方面，UMTS和固定NGN提供的业务种类是相似的，因此可以预见，业务层可以通过开放的接口使固定和移动网络共享，运营商只需要一次投资。而且UMTS与固定NGN业务层的发展趋势相同，都支持开放的业务接口PARLAY API/OSA，提供给应用服务器或者第三方内容开发商，有利于新业务的开发和部署。

　　UMTS与固定NGN在很多方面的相似性为固定和移动网络融合奠定了基础。但UMTS和固定NGN也存在许多不同之处，将UMTS的R4标准同固定NGN相比较，主要不同点有：

　　●用户标识码：NGN用户使用E.164号码，而R4使用MSISDN(Mobile Station International ISDN Number)；

　　●移动网络具有移动用户独有的移动性管理；

　　●信令方面：固定软交换间使用SIP协议，而3GPP指定为BICC协议；固定软交换网络呼叫服务器和媒体网关之间的协议包括H.248、MGCP、H.323，而R4呼叫服务器和媒体网关之间的协议为H.248及其扩展；

　　●移动与固定的中继媒体网关都承担着与传统电路交换网之间的语音编解码模式转换控制功能，但移动采用AMR/EFR，而固网采用的是G.723/G.729编解码算法；

　　●移动网络需要支持多于固定的传输承载，3G R4必须支持IP、ATM/AAL2、TDM。

3、固定和移动网络融合的4个层面

　　不管是固定接入还是移动接入都是NGN体系结构中多种接入方式的一个子集，移动网络和固定网络的最大区别在于接入方式的不同。移动和固定网络融合体现在业务层、控制层、传送层和终端等多个层面。

　　(1)业务层的融合

　　采用开放的、标准的应用编程接口PARLAY API能够实现将NGN核心网络和业务提供相分离，形成独立于网络提供商的业务提供商，形成一个由多方构成的开放价值链，各方共同提供和使用业务，共同获益。

　　实现移动和固定业务的融合是移动网络和固定网络融合的最终目的，是未来的全业务运营商盈利的主要模式。

　　(2)控制层的融合

　　实现控制和承载相互分离，控制层面由统一的设备实现对语音和多媒体呼叫的控制。业界目前非常重视对IMS的研究，IMS担任了融合固定NGN和移动NGN的重任。控制层面的融合是移动和固定网络融合的核心内容，只有实现了控制层面的融合，移动和固定网络才称得上真正的融合。

　　(3)核心传送层的融合

　　对于核心传送网，固定和移动NGN的需求完全一致，都要求采用IP/ATM网络，固定与移动NGN可以共用一个核心传送网络，所以核心传送层可以顺理成章地实现融合。

　　(4)终端的融合

　　首先可在固网中引入蓝牙网关和蓝牙终端设备以及WLAN的AP、WiFi手机等，使固网用户在一定的范围获得移动性。进一步可将3G终端、蓝牙终端/WiFi终端合成为双模或多模终端，采用多模终端后，用户可随意接入固定和移动网络，获得融合的业务；并且网络也能智能地为用户做出最佳选择(接入固定或移动网络)。

　　如果能在控制层实现融合当然是最理想的，这样统一的控制层设备能够同时控制移动和固定用户的各种业务，并且利用同一媒体网关提供各种接口，可同时支持移动、固定用户的接入。但目前移动和固定网络设备相互独立，还很难实现控制层面的融合。现阶段可将融合的重心放在业务层的融合与终端的融合，业务运营的融合可以先于网络层面的融合。

4、IMS简介

　　IMS是3GPP在R5版本中提出的，3GPP中所定义的IMS是由提供IP多媒体业务(如话音、视频、文本、聊天等)的所有构架在分组传送网上的核心网元构成。IMS体系架构如图1所示，IMS中的主要功能实体有CSCF、MGCF、BGCF、MRF等。


图1　3GPP中的IMS架构

　　(1)呼叫会话控制功能

　　呼叫会话控制功能CSCF主要由P-CSCF、I-CSCF、S-CSCF3个功能实体组成。

　　P-CSCF：用户设备(UE)和IMS子系统的第一个连接点，主要实现代理服务器的功能，同时也可以实现用户代理(UA)的功能。P-CSCF根据主叫/被叫SIP URI查询相应的归属域，完成用户的注册和呼叫连接。可以采用多个P-CSCF的方式来共同完成负载分担。

　　I-CSCF：IMS域的互通关口局，其功能主要有：①管理S-CSCF并可以为用户分配相应的S-CSCF来处理用户的登记请求：②隐藏网络的拓扑/容量/配置；③产生相关计费数据。

　　S-CSCF：具有SIP登记员和SIP代理服务器的功能，是整个IMS系统的控制核心。其主要功能有：用户管理、业务交换与业务控制、SIP消息处理、计费等。

　　(2)媒体网关控制功能

　　媒体网关控制功能(MGCF)：其控制媒体网关(MGW)中媒体通道的建立、释放以及呼叫的状态。它还提供根据被叫号码和来话情况选择CSCF，并完成ISUP与IMS之间的呼叫控制协议转换。

　　媒体网关(MGW)将一种网络中的媒体格式转换成另外一种网络的媒体格式。MGW的功能在MGCF控制下完成音频流、视频流和数据流以及这些组合流的转换，实现不同网络之间的媒体的互通功能。

　　(3)出口网关控制功能

　　出口网关控制功能(BGCF)完成网络的选择和MGCF的选择功能。当收到S-CSCF的请求时，BGCF根据号码和来话情况判定呼叫最终去向，从而决定要前转的网元实体。

　　(4)媒体资源功能

　　媒体资源功能(MRF)分媒体资源控制部分(MRFC)和媒体资源处理部分(MRFP)。

　　媒体资源功能控制部分控制MRFP中的媒体流资源，转化来源于应用服务器和S-CSCF的信令，并根据接收的信令消息控制相应的MRFP。它还产生计费数据格式。

　　MRFP(多媒体资源功能处理器)：它可以混合媒体流并提供多媒体放音资源，还可以提供音频代码转换。

　　上述IMS网络架构的核心特点就是采用SIP协议作为呼叫控制信令协议，其与接入无关并能较好地支持多媒体业务，主要优势有：

　　(1)普遍移动性：IMS架构首次为SIP用户提供了独立于接入网技术体制、强大的自动全网全程漫游能力和VHE虚拟归属业务环境能力。IMS终端无论在何时何地接入，均可获得拜访地SIP代理地址，并通过拜访地代理转接到归属地业务环境进行IMS业务处理和触发，从而享受到相同的业务。

　　(2)统一认证：针对同一用户的不同可寻址号码(对应不同的接入方式)，以及同一用户的所有增值业务(对应不同的AS)，IMS架构提供了一个统一的业务接入授权认证入口，使得不同业务应用、不同号码可以共用相同的安全上下文、避免了在开放式IP环境中用户鉴权机制的重复建设。

　　(3)集中数据库管理：IMS架构第一次真正实现了将相同个人用户的不同应用签约数据在网络层次的集中化统一管理，大大降低了由用户数据分散冗余所带来的建设及运维开销。

　　(4)有利于固定、移动的融合：公共共享组件架构使得网络业务控制层与具体业务的底层网络无关，提供了一个公共共享的业务控制层，使得网络融合和业务融合成为可能；同时IMS架构提供了一个抽象的、无冗余的、安全的、开放的、可扩展能力强的业务平台，确保新增值业务的开发定制快速化、新增业务所带来的网络重复建设的代价最小化。

　　(5)业务提供方便：其提供三类标准的业务开放接口：CAP/INAP、OSA/Parlay以及SIP接口。利用CAP/INAP接口可继承已有智能网提供的业务，利用OSA/Parlay可方便第三方业务开发，SIP接口可用于和应用服务器相互通信以提供多媒体增值业务。利用这些标准接口可方便、快速提供新业务。

　　(6)QoS和安全：IMS架构在网络安全和QoS方面均有较全面和完善的规范定义和指导，允许在不同运营商间进行IMS网络路由的拓扑隐藏，支持完善的IP QoS控制机制和网络安全机制。

5、基于IMS的固定与移动网络融合

　　正是由于IMS有上述优势，业界对其非常看好，3GPP、ETSI和ITU-T都在研究基于IMS的固定与移动融合解决方案。其中ETSI TISPAN提出的基于IMS的NGN架构是较为理想的网络融合方案，其思想已被其他许多组织所采纳。

　　图2是基于IMS的NGN架构图，包括的子系统有：IP多媒体子系统(IMS)、PSTN/ISDN仿真子系统、其他多媒体子系统和应用、其它多媒体子系统、NASS和RACS等。


图2　基于IMS的NGN体系架构

　　5.1　PSTN/ISDN仿真子系统

　　PSTN/ISDN仿真是为连接到IP网(经过网关)的传统电话终端仿真PSTN/ISDN网，所有PSTN/ISDN业务将继续保持可用，这样端用户并不会意识到没有连接到基于TDM的PSTN/ISDN。

　　5.2　IP多媒体子系统(IMS)

　　IP多媒体子系统的主要功能在上一节已经做了简单介绍。



　　5.3　流媒体子系统

　　随着宽带接入技术的成熟，网络传输的瓶颈正在被打破，实时的高质量流媒体传输已成为可能，这为流媒体的发展奠定了良好的基础。同时，音频和视频编解码技术的进步和网络流媒体协议的标准化也对流媒体的广泛应用起到重要的促进作用，使得基于流媒体传输的应用得到了越来越多的重视。

　　5.4　NASS(网络接入附着子系统)

　　NASS提供下列功能：

　　●IP地址分配(例如，使用DHCP)；

　　●发生在IP层的鉴权，可能是在地址分配程序期间或之前；

　　●根据用户业务清单(profile)的网络接入授权；

　　●根据用户业务清单(profile)的接入网配置；

　　●发生在IP层的位置管理。

　　5.5　RACS(资源和接纳控制子系统)

　　RACS应该提供接纳控制和关口控制功能(包含NAPT控制)。接纳控制涉及到根据运营者的具体策略规则和资源，检查网络接入附着子系统保存的签约数据的授权。检查资源可用性意味着接纳控制功能校对被请求的带宽是否与预定的带宽和用户使用的带宽一致。

　　ETSI的TISPAN组织更加关注NGN功能实体，而不太关注物理实体上的实现。TISPAN组织提出的基于IMS的NGN架构存在很多需要解决的问题，如：PSTN/ISDN网络/业务继承问题、各种业务引擎在固网中的应用问题、IMS Enabler的重用问题、用户标识问题、企业用户接入问题、统一鉴权认证的问题、安全问题、计费问题、编码问题等。另外，ITU-T FGNGN也在研究有关基于IMS的网络融合技术，其借鉴了TISPAN定义的基于IMS的NGN体系框架。

　　NGN是固定网络和移动网络的共同趋势，但是任何技术从兴起到成熟以至于完善都要经历相当长的发展时期。PSTN向固定软交换网络的演进是一个长期的渐进的过程；同样，3G网络是沿着R99/R4/R5道路向NGN演进，移动NGN的实现也不会一蹴而就。目前固定NGN和移动NGN的发展是独立的，各自有自己的演进方式，要实现两个网络的融合还有很长的路要走。可以考虑如下的融合策略：

　　(1)业务层融合是固定和移动网络融合的重点。业务层的融合可以先于核心网络的融合。无论3G采用哪个版本，都可以实现业务层的融合，如可以利用综合智能网实现固定和移动增值业务的融合。移动和固定融合的业务将是未来通信业务的亮点。

　　(2)3G网络如果选择R99或R4版本，在网络的控制层不会涉及融合问题；只有采用R5版本后，核心网络基于IMS，承载网络基于IP，固定和移动才有可能在核心控制层实现融合。

　　(3)在网络融合实现之前，还可以利用多模通信终端，使用户可以根据需要自由地接入固定和移动网络，获得融合的业务。
作者：左伯茹　庞韶敏　唐雄燕    来源：中国联通网站