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專題報道
IMS關(guān)鍵技術(shù)、運(yùn)營考慮及演進(jìn)策略
張云勇 彭天煒 張智江等
1、IMS的關(guān)鍵技術(shù)
IMS的關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在IMS安全、IMS的QoS、IMS基于流的計費(fèi)要求等幾個方面。
1.1 IMS安全
在IMS安全體系中，從UE(用戶設(shè)備)到網(wǎng)絡(luò)的各個實(shí)體(P-CSCF、S-CSCF和HSS)涉及到接入和網(wǎng)絡(luò)兩部分的安全概念，采用IPSec的安全特性為IMS系統(tǒng)提供安全保護(hù)。對于接入部分UE和P-CSCF之間，涉及到接入安全與身份認(rèn)證，IMS AKA(鑒權(quán)與密鑰協(xié)商)實(shí)現(xiàn)了UE與網(wǎng)絡(luò)的雙向認(rèn)證功能以及UE與P-CSCF之間協(xié)商SA(安全關(guān)聯(lián))，并通過IPSec提供接入安全保護(hù)。網(wǎng)絡(luò)部分引入了安全域概念。安全域是一個由獨(dú)立權(quán)威機(jī)構(gòu)管理的網(wǎng)絡(luò)，同一安全域內(nèi)，有典型的安全水平和安全服務(wù)。接入網(wǎng)絡(luò)的安全和IP網(wǎng)絡(luò)的安全，分別在33.203和33.210中定義。
具體而言，IMS主要保證以下5方面的安全：通過HSS(歸屬用戶服務(wù)器)、ISIM(IP多媒體SIM)功能和AKA機(jī)制提供雙向鑒權(quán)；UE和P-CSCF之間的Gm接口安全，包括信令的完整性、加密等；網(wǎng)絡(luò)域的Cx接口安全；不同網(wǎng)絡(luò)間SIP節(jié)點(diǎn)之間的安全；同一網(wǎng)絡(luò)中SIP節(jié)點(diǎn)之間的安全。
其中，UE到P-CSCF之間的安全由接入網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制(33.203)提供；IMS網(wǎng)絡(luò)之上的安全由IP網(wǎng)絡(luò)的安全機(jī)制(33.210)保證；UE與IMS的承載層分組網(wǎng)絡(luò)的安全仍由原有的安全機(jī)制(33.102)支持。所有IP網(wǎng)絡(luò)的端到端安全基于IPSec，密鑰管理基于IKE協(xié)議，直接引用了IETF的規(guī)范。
1.2 IMS的QoS
IMS的QoS主要包括IM CN子系統(tǒng)會話的QoS要求和IM CN子系統(tǒng)信令的QoS要求兩個方面。
(1)IM CN子系統(tǒng)會話的QoS要求
QoS信令和資源分配的選擇、配置、起始和終止必須考慮以下要求，以保證與IM CN子系統(tǒng)會話相關(guān)的QoS要求。
●QoS信令和會話控制之間的獨(dú)立性：QoS信令和資源分配方案的選擇應(yīng)獨(dú)立于選定的會話控制協(xié)議，以便允許IM CN(IP多媒體核心網(wǎng)絡(luò))子系統(tǒng)中的QoS控制和會話控制的獨(dú)立發(fā)展。
●端到端QoS信令和資源分配的必要性：在IM CN子系統(tǒng)中會話建立期間，端到端QoS指示、協(xié)商和資源分配應(yīng)該得到支持。
●IP承載業(yè)務(wù)層的QoS信令/協(xié)商和資源分配：IP承載業(yè)務(wù)層的QoS信令映射為IP多媒體應(yīng)用層的QoS要求，并通過與外部網(wǎng)絡(luò)的交互實(shí)現(xiàn)端到端的QoS。用戶設(shè)備和GGSN里的IP承載業(yè)務(wù)管理器為處理IP承載業(yè)務(wù)層QoS信令的功能實(shí)體。
●UMTS承載業(yè)務(wù)層的QoS信令/協(xié)商和資源分配：UMTS承載業(yè)務(wù)層的QoS信令在用戶設(shè)備UE、RAN(無線接入網(wǎng))、CN(核心網(wǎng)絡(luò))和IP承載業(yè)務(wù)管理器之間傳送QoS要求，在此合適的QoS協(xié)商和資源分配相應(yīng)地被激活。當(dāng)采用UMTS的QoS協(xié)商機(jī)制協(xié)商端到端QoS時，GGSN(網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn))里的轉(zhuǎn)換功能將調(diào)整UMTS承載業(yè)務(wù)管理器和IP承載業(yè)務(wù)過濾器之間的資源分配。UMTS特有的QoS信令、協(xié)商和資源分配機(jī)制[例如，RAB(無線接入承載)QoS協(xié)商和PDP(分組數(shù)據(jù)協(xié)議)上下文建立]將在UMTS承載業(yè)務(wù)層用到。其他QoS信令機(jī)制(例如，在IP承載業(yè)務(wù)層的RSVP)將僅僅在IP承載業(yè)務(wù)層用到。在UMTS承載業(yè)務(wù)層可能協(xié)商一個單獨(dú)的資源分配，并在IP承載業(yè)務(wù)層用它進(jìn)行多方會話。
●IP承載業(yè)務(wù)層資源獲得的限制：接入資源和在IP承載業(yè)務(wù)層的QoS提供，通過IP策略控制單元用合適的QoS策略授權(quán)。
●UMTS承載業(yè)務(wù)層資源獲得的限制：接入資源和在UMTS承載業(yè)務(wù)層的QoS提供，通過用現(xiàn)存的UMTS登記/安全/QoS策略控制機(jī)制授權(quán)。
●會話控制和QoS信令/資源分配之間的調(diào)整：在建立一個IMS會話時應(yīng)該可以終止應(yīng)用，以便允許目標(biāo)用戶參與決定應(yīng)該建立哪個承載。成功的承載建立包括多種要求的端到端QoS信令、協(xié)商和資源分配的完成。不同網(wǎng)段的端到端QoS信令、協(xié)商和資源分配處理的發(fā)起，將在一個會話建立要求被發(fā)起和發(fā)送之后發(fā)生。
●QoS信令和資源分配的效率：端到端QoS信令、協(xié)商和資源分配處理的次序?qū)⑹紫瓤紤]協(xié)商的端到端QoS的延遲并為會話建立延遲儲備資源。
●應(yīng)支持動態(tài)的QoS協(xié)商和資源分配。
●應(yīng)能防止業(yè)務(wù)竊取。
●業(yè)務(wù)拒絕防止：由于業(yè)務(wù)拒絕，系統(tǒng)不可用的概率發(fā)生在IM CN子系統(tǒng)應(yīng)不高于相應(yīng)的GPRS和電路交換業(yè)務(wù)。
(2)IM CN子系統(tǒng)信令的QoS要求
用戶設(shè)備應(yīng)能夠為IM子系統(tǒng)相關(guān)的信令建立一個單獨(dú)的PDP上下文。用戶設(shè)備也應(yīng)能為IM子系統(tǒng)信令通信應(yīng)用通用目的的PDP上下文。如果運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)不支持專門的PDP上下文，用戶設(shè)備將為IM子系統(tǒng)信令應(yīng)用通用目的的PDP上下文。
IM子系統(tǒng)相關(guān)信令的PDP上下文應(yīng)可以為信令提供增強(qiáng)的QoS。在建立PDP上下文時，GGSN應(yīng)能決定該P(yáng)DP上下文是否用于IM子系統(tǒng)相關(guān)的信令。如果該P(yáng)DP上下文用于IM子系統(tǒng)相關(guān)的信令，可以根據(jù)運(yùn)營商的執(zhí)行情況給出承載應(yīng)用的規(guī)則和限制。
為使上述機(jī)制能夠工作且支持漫游，要求用戶設(shè)備知道拜訪網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商應(yīng)用的規(guī)則和限制。由于在R5里仍然沒有機(jī)制提供關(guān)于規(guī)則/限制傳回到用戶設(shè)備的信息，R5中對于收到規(guī)則/限制的信令PDP上下文定義應(yīng)用的最小能力集，如在信令PDP上下文中，從用戶設(shè)備來的所有信息將把目的地限制為該用戶設(shè)備分配的P_CSCF，或者可能為該用戶設(shè)備分配的P-CSCF集合中的任意一個。
1.3 基于流的計費(fèi)技術(shù)
(1)概述
IMS階段提出了離線計費(fèi)(0ffline Charging)和在線計費(fèi)(Online Charging)的概念，離線計費(fèi)收集CDR計費(fèi)信息，在線計費(fèi)通過事件觸發(fā)實(shí)施計費(fèi)。IMS域的離線計費(fèi)節(jié)點(diǎn)包括CSCF(呼叫會話控制功能)、BGCF(出口網(wǎng)關(guān)控制功能)、MGCF(媒體網(wǎng)關(guān)控制功能)、AS(應(yīng)用服務(wù)器)和MRFC(媒體資源功能控制器)。IMS域配置有CCF(計費(fèi)控制功能)實(shí)體，用于IMS域的話單收集，與分組域的CG功能類似。IMS域的在線計費(fèi)涉及到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)S-CSCF、AS和MRFC。
R6前的分組域計費(fèi)是基于時長、流量或者PDP(APN和QoS)的，隨著移動因特網(wǎng)的應(yīng)用不斷增多，基于時長、流量和PDP的計費(fèi)已不能滿足需要，需要應(yīng)用流機(jī)制來區(qū)分用戶數(shù)據(jù)中的業(yè)務(wù)流并配以相關(guān)的收費(fèi)。
基于流的計費(fèi)(IP Flow Based Charging)是通過IP過濾器來區(qū)分在用戶上下行數(shù)據(jù)中的業(yè)務(wù)流，過濾器規(guī)則由運(yùn)營商定義。過濾規(guī)則一般基于5元組(源IP地址、目的IP地址、源端口號、目的端口號和協(xié)議ID)以及深層過濾器(對于用戶IP包進(jìn)行更深層的分析并識別用戶業(yè)務(wù)的狀態(tài))，在同一PDP中可同時實(shí)施多個業(yè)務(wù)流過濾器。
(2)基于IP流的計費(fèi)對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響及存在問題
目前，為了實(shí)施基于IP流的計費(fèi)，計費(fèi)采集的實(shí)施點(diǎn)正從SGSN改為GGSN、由拜訪地改為歸屬地，而且基于流的計費(fèi)與GPRS計費(fèi)的關(guān)系、與IMS系統(tǒng)的關(guān)系、與WLAN系統(tǒng)的關(guān)系以及在OCS(在線計費(fèi)系統(tǒng))、CRF(計費(fèi)規(guī)則功能)和TPF(流量平面功能)分別屬于拜訪地或歸屬地網(wǎng)絡(luò)時對于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響還有待進(jìn)一步研究。
另外，關(guān)于SBBC(Service Based Bearer Control，防止控制與承載分離后用戶旁路計費(fèi))、基于流的計費(fèi)尚在研究之中。
2、IMS運(yùn)營考慮
2.1 用戶識別和用戶數(shù)據(jù)管理
(1)私有用戶身份
每個IM CN子系統(tǒng)將有一個私有用戶身份。私有用戶身份采用網(wǎng)絡(luò)接入標(biāo)識(Network Access Identifier，NAI)的形式定義并由歸屬網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商分配，用于登記、鑒權(quán)、準(zhǔn)入和計費(fèi)等目的。對于用戶私有身份，IMSI的表示可能包含在NAI里。
私有用戶身份具有如下特征：不用于SIP信息的路由；包含在所有的登記請求中，從用戶設(shè)備傳到歸屬網(wǎng)絡(luò)；將安全地存儲在USIM(通用SIM)上；全球惟一的身份并且在歸屬網(wǎng)絡(luò)可以使用；長久地分配給用戶，在歸屬網(wǎng)絡(luò)，用戶的在簽約期一直有效；用于識別存儲在HSS內(nèi)的用戶信息(如鑒權(quán)信息)；可出現(xiàn)在基于運(yùn)營商計費(fèi)的記錄中；僅在用戶登記期間鑒權(quán)，包括重登記和去登記；HSS和S-CSCF需要獲得并存儲私有用戶身份。
(2)公共用戶身份
每一個IM CN子系統(tǒng)用戶將有一個或者多個公共用戶身份，任何要求與其他用戶通信的用戶都可以使用該公共用戶身份。
公共用戶身份具有如下特征：根據(jù)用戶所擁有的公共用戶身份，電話號碼和因特網(wǎng)命名兩種方案都可表示用戶地址；采取SIP URL的形式(在RFC 2543中和RFC 2396中定義)或者E.164號碼；至少一個公共用戶身份將安全地存儲在USIM上，但不要求所有的附加公共用戶身份存儲在USIM上；一個簽約用戶可以有多于一個的公共身份進(jìn)行全球登記；在登記期間，公共用戶身份不由網(wǎng)絡(luò)鑒權(quán)；用于識別在HSS內(nèi)的用戶信息。
(3)私有用戶身份和公共用戶身份的關(guān)系
歸屬網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商負(fù)責(zé)私有用戶身份和公共用戶身份的分配。與同一業(yè)務(wù)功能清單相關(guān)的所有公共用戶身份將有相同的業(yè)務(wù)集；與不同業(yè)務(wù)功能清單有關(guān)的公共用戶身份可能有不同的業(yè)務(wù)集。每個公共用戶身份僅與一個業(yè)務(wù)功能清單有關(guān)。所有業(yè)務(wù)功能清單分享與同一S-CSCF相關(guān)的同一私有用戶身份。以后IMS可能允許不同業(yè)務(wù)功能清單分享與不同S-CSCFs相關(guān)的同一私有用戶身份。簽約者的歸屬域名應(yīng)該安全地存儲在USIM上。
目前沒有實(shí)現(xiàn)一個用戶能夠代替另外一個用戶進(jìn)行登記或者一個設(shè)備能代替另外一個設(shè)備進(jìn)行登記。
(4)IP多媒體子系統(tǒng)內(nèi)的SIP信令的路由
IMS內(nèi)的SIP信令的路由將采用SIP URL E.164格式，基于E.164格式的公共用戶身份的會話要求轉(zhuǎn)換到SIP URL格式。
2.2 漫游
3GPP R6的IMS只定義了本地業(yè)務(wù)(Local Service)功能，可將漫游用戶歸屬簽約業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)控制(Service Control)設(shè)在歸屬網(wǎng)絡(luò)中，業(yè)務(wù)平臺是歸屬或者漫游地的(無論是本地還是漫游用戶)，也應(yīng)可以申請第三方網(wǎng)絡(luò)提供的業(yè)務(wù)。
有兩種可能的業(yè)務(wù)提供方法：通過歸屬網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)平臺和通過外部業(yè)務(wù)平臺(例如第三方或者拜訪網(wǎng)絡(luò))。
2.3 編號和路由
(1)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的識別
在支持SIP協(xié)議的那些接口(如Gm、Mw、Mm和Mg)上，用一個有效的SIP URL(主機(jī)域名或者網(wǎng)絡(luò)地址)應(yīng)該可以確定CSCF、BGCF和MGCF節(jié)點(diǎn)。當(dāng)在SIP信息的頭域里識別這些節(jié)點(diǎn)時，將用到這些SIP URL。
(2)IM CN子系統(tǒng)地址命名的解決方法
S-CSCF支持翻譯，并包含在非SIP URL“tel”格式的E.164地址到SIP可路由的SIP URL的RFC 2916格式。如果翻譯失敗，該會話可以路由到PSTN或者向移動臺發(fā)出相應(yīng)的通知。
(3)接入IM CN子系統(tǒng)業(yè)務(wù)的地址和路由
接入IM CN子系統(tǒng)業(yè)務(wù)的用戶設(shè)備要求一個IP地址，它是IM CN子系統(tǒng)IP地址域的邏輯部分，用一個合適的PDP上下文建立。為了有效地路由，此上下文可以通過鏈接到拜訪網(wǎng)絡(luò)里的一個GGSN而起作用。
2.4 IMS Bootstrap
Bootstrap可以看成是移動服務(wù)提供商用來驗證移動服務(wù)訂購者的身份，然后為移動服務(wù)訂購者配置所需參數(shù)的過程。Bootstrap有以下兩種認(rèn)證模式：MSP的Bootstrap，MIPv6認(rèn)證獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)接入認(rèn)證；IASP的Bootstrap，MIPv6認(rèn)證依賴于網(wǎng)絡(luò)接入認(rèn)證。
在3GPP TS 33.220規(guī)范中定義了Bootstrap結(jié)構(gòu)。其中，BSF為Bootstrap服務(wù)實(shí)體，HSS為用戶訂閱服務(wù)實(shí)體，NAF為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實(shí)體。
3、IMS演進(jìn)策略
IMS演進(jìn)是漸進(jìn)的、分階段的。大致可以分為LMDS(遺留移動終端域)/R4、準(zhǔn)IMS和IMS共3個階段。LMSD/R4階段建立分離架構(gòu)，通過互通網(wǎng)關(guān)與傳統(tǒng)語音網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)；準(zhǔn)IMS階段主要為業(yè)務(wù)層面、運(yùn)維體系的融合，同時發(fā)展CSI，在2G電路網(wǎng)絡(luò)中開展IMS業(yè)務(wù)；IMS階段主要為呼叫控制、業(yè)務(wù)提供的全面融合，為全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)。
(1)R4/LMSD階段
本階段特征：分離架構(gòu)，電路域網(wǎng)絡(luò)不再繼續(xù)擴(kuò)張，分組域網(wǎng)絡(luò)開始擴(kuò)張。
本階段任務(wù)：完成IMS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)實(shí)驗，使其成熟穩(wěn)定；完善QoS、網(wǎng)絡(luò)安全等分組網(wǎng)的關(guān)鍵問題。
(2)準(zhǔn)IMS階段
本階段特征：開放的業(yè)務(wù)提供平臺，實(shí)現(xiàn)一些非實(shí)時性的增值業(yè)務(wù)，如UC以及對帶寬要求不高的流媒體業(yè)務(wù)。電路域網(wǎng)絡(luò)開始萎縮，分組域網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)擴(kuò)張。
本階段任務(wù)：完成業(yè)務(wù)提供層面的融合，探索開放業(yè)務(wù)提供模式下的運(yùn)營模式和繼續(xù)完善QoS以及網(wǎng)絡(luò)安全等關(guān)鍵問題，另外提供CSI(電路承載和IMS綁定)。
(3)IMS階段
本階段特征：全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，電路域網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)萎縮，成為網(wǎng)絡(luò)的邊緣；移動網(wǎng)絡(luò)和固定網(wǎng)絡(luò)全面融合，實(shí)現(xiàn)綜合接入；IPv6與IPv4的混合應(yīng)用及QoS、網(wǎng)絡(luò)安全、帶寬等問題得到解決；流媒體業(yè)務(wù)得到普遍應(yīng)用。
本階段任務(wù)：在培養(yǎng)用戶的多媒體業(yè)務(wù)使用習(xí)慣以及研究開放業(yè)務(wù)的架構(gòu)下，聯(lián)合第三方業(yè)務(wù)提供商為用戶提供更多個性化的業(yè)務(wù)。
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