第2章 IMS架构、网元、接口

第2章 IMS架构、网元、接口

2.1 3GPP的IMS架构图

首先要说的是3GPP的语音方案的演进,从传统的CS到软交换再到IMS,如下图所示:

在TS23.228中定义了3GPP眼中的IMS架构。如下图:

2.2 VoNR架构图

可以看到,在TS23.228的IMS架构图本身只专注于IMS的部分,并没有包含接入网络。如果将5G接入网络(NR+5GC)也标上去的话,就是下面这个图。

首先来认识下IMS的这些网元,大体上可以分为6种主要类别:

- 会话管理和路由类(CSCF);

- 数据库(HSS/CLF);

- 业务处理(AS、放音的MRFC和MRFP);

- 与他网的互通(BGCF、MGCF、IBCF、IMS-MGW等);

- 其他:支撑功能、计费、签约数据发放、eNUM等。

2.3 IMS网元功能

先用一个汇总的图来看一下IMS网元的整体功能,如下图:

2.3.1 P-CSCF

P-CSCF(Proxy Call Session Control Function)是IMS网络的入口和边界节点,也就是所有来自用户的SIP信令都必须经过P-CSCF。它负责接收外界(如UE、接入网)发给IMS网络的请求并转给内部的IMS网元(如I-CSCF)来处理。至少有以下几个任务是独一无二分配给P-CSCF的:SIP压缩、IPsec安全关联(UE与P-CSCF之间)、与PCRF/PCF的策略控制交互、紧急会话检测、边界的安全功能(如拓扑隐藏、NAT等)。

在实际网络中,P-CSCF通常是和SBC(会话边界控制)合设,除此以外,为了支持eSRVCC,还会和ATCF/ATGW功能合设。P-CSCF的地址通常配置在SMF/PGW-C中,通过5G的PDU会话建立流程下发给UE。

由P-CSCF执行的功能包括:

  1. 转发UE的SIP注册请求到归属(或拜访地)I-CSCF;

  1. 转发从UE接收的SIP消息(如INVITE)到归属的S-CSCF;

  1. 转发SIP请求或响应到UE;

  1. 产生相关的计费信息;

  1. 建立和维持与UE之间安全关联;

  1. 执行SIP消息的压缩、解压缩;

  1. 承载资源的授权和Qos管理。

2.3.2 I-CSCF

I-CSCF(Interrogating CSCF:查询CSCF)是存在于归属地网络的第一个节点,是无状态的,不记录会话相关的信息的。正因为是无状态的,I-CSCF不会记录S-CSCF的信息,即每次I-CSCF收到P-CSCF的请求要去找S-CSCF时,都要去查HSS。

I-CSCF还是(呼叫流程中)被叫侧的第一个接入点网元。类似于GSM网络中的GMSC。

I-CSCF的主要功能包括:

1) 在初始注册时分配S-CSCF。(通过查询HSS,获取UE注册在哪个S-CSCF下来得到S-CSCF的地址)。

2)路由从其他网络收到的SIP请求到S-CSCF。

3)从HSS获取S-CSCF的地址。并转发SIP请求到S-CSCF。

4)产生计费相关信息。

在实际网络中,由于不换卡不换号平滑升级到5G的缘故,导致UE继续使用USIM卡中的IMSI来完成VoNR注册流程。但由于IMSI不包含省份标签,因此注册流程无法选择归属地的I-CSCF,这样现网VoLTE/VoNR注册流程中的I-CSCF都位于拜访地,但呼叫流程中的I-CSCF都位于归属地,且通常与S-CSCF合设。

2.3.3 S-CSCF

S-CSCF(Serving CSCF:服务CSCF)位于归属地,提供注册服务、会话控制和相关的选路功能。它是一个状态化(Stateful)的节点,会记录用户会话信息。S-CSCF的主要功能有:

1)完成用户的注册登记。并维护用户的注册状态。

2)从HSS下载用户的profile以及业务触发数据(后面要提到的iFC Trigger)。

3)根据HSS下载的触发数据的描述,通知AS(application server),用于触发多媒体业务。

4)和HSS交互完成用户鉴权。

5)路由SIP请求到其他IMS服务器(例如MGC)

6)查询ENUM/DNS,完成SIP URI的查询翻译。

2.3.4 E-CSCF

E-CSCF(Emergency CSCF:紧急CSCF)用于从P-CSCF接受紧急呼叫建立请求,并完成用户接入位置查询和紧急呼叫路由的功能。并不是所有的1xx号码都是紧急号码(比如114就不是),在我国是有严格规定的,比如110、119、120都属于紧急号码。拨打这些号码时,会在SIP消息里打上一个特殊的sos标记,来表示这是紧急呼叫。

2.3.5 HSS

HSS(Home Subscriber Server)是IMS用户签约的主数据库,虽然不是IMS专有组件(是CS、PS、IMS域共用的网络实体,实际网络中也可能是合设的。)但它在IMS中却起这举足轻重的地位。

HSS负责保存以下主要用户相关的签约信息:

  1. 用户ID(IMPI、IMPU等);

  1. 用户鉴权相关的信息;

  1. 登记用户注册的S-CSCF信息;

  1. AS存放在HSS中的透明数据,如UE的呼转号码等。

2.3.6 SLF

SLF(Subscription Locator Function:签约定位功能)用于在网络中有多个HSS的场景下选择HSS。在IMS注册和呼叫建立流程中,I-CSCF/S-CSCF都可以查询SLF获得HSS的信息。实际网络中,SLF通常与HSS合设。

2.3.7 AS

AS泛指IMS网络中处理上层语音业务的服务器网元,包括基本音视频业务和补充业务等的处理。AS按功能又分为MMTel AS(处理基本音视频业务和补充业务)、SCC AS(负责eSRVCC的信令控制和被叫接入域选择)这两个主要的AS。这两个AS可以独立设置,也可以合设。

除此以外,现网还有一些运营商自有或特色业务的AS,如彩铃、彩印AS、智能网相关的AS等等。

2.3.8 MRF

MRF(Media Resource Function,媒体资源功能。),负责对媒体资源的控制和处理,实现音视频播放、会议、DTMF收号和音频录音等功能。MRF包括媒体资源控制器MRFC和媒体资源处理器MRFP。MRF可以和AS合设。

2.3.9 BGCF

BGCF(Breakout Gateway Control Function,出口网关控制功能),用于IMS到CS/PSTN网络的路由,BGCF收到S-CSCF来的呼叫请求后,根据本地配置选择合适的MGCF进行转发。BGCF也可以和S-CSCF合设。

2.3.10 MGCF/IM-MGW

MGCF(Media Gateway Control Function,媒体网关控制功能)用于IMS域与CS/PSTN域的互通,负责完成控制面信令的互通(PSTN/CS域侧ISUP/BICC协议与CM-IMS侧SIP协议的交互和互通),并控制IM-MGW完成用户面媒体面的互通、号码规整、号码分析和路由、放音、放音抑制、视频回落等功能。

IM-MGW负责在MGCF的控制下完成VoLTE/VoNR用户面IP承载与CS域承载之间的转换,提供编解码转换、承载资源管理和放音功能。

2.4 IMS参考点

了解了架构和网元后,看看相关的参考点:

2.4.1 Gm参考点

Gm参考点是UE和P-CSCF之间的接口,用于传输UE和IMS之间的所有SIP信令消息。当然这个是逻辑接口,物理路径的话还需要经过接入网(如4G的eNB+SGW-U+PGW-U、5G的gNB+UPF)。

2.4.2 Mw参考点

Mw参考点是CSCF之间的接口,基于SIP协议。Mw接口的相关流程包括三大类:

  1. 注册:

- 注册过程中,P-CSCF使用Mw接口将来自UE的注册请求转给I-CSCF。然后I-CSCF使用Mw参考点传送这个请求给S-CSCF。

  1. 会话控制过程:

- 会话控制包括MO(UE发起的会话)和MT(UE终止的会话)。在MO的会话中,Mw用于转发从P-CSCF到S-CSCF(主叫侧)以及从S-CSCF到I-CSCF(被叫侧)的请求。该参考点也用于网络侧发起的会话释放。例如,P-CSCF收到了PCRF/PCF的媒体承载丢失指示(也就是4/5G专载建立失败),它可以向S-CSCF请求发起一个会话释放。另外,计费相关的信息也是通过Mw接口传输的。

  1. 非会话的处理过程

- 非会话的处理过程是指和呼叫无关的独立请求(如MESSAGE请求)和接收该请求所对应的所有响应(如200 OK)。这些也需要Mw接口传输。

2.4.3 ISC参考点

ISC(IMS Service Control:IMS服务控制)参考点是S-CSCF和AS的接口,用于IMS的业务触发。该接口采用SIP协议。所谓的触发就是AS负责处理业务,但AS和UE又没有接口,需要S-CSCF通过ISC接口将和业务有关的SIP消息(主要是INVITE)转给AS处理。AS通过该接口来控制IMS业务处理(如来电显示)。AS处理完业务后,还需要通过ISC接口把处理完的INVITE消息发回给S-CSCF。

2.4.4 Sh参考点

Sh参考点是HSS和AS的接口,采用Diameter协议,用于HSS为AS存储透明和非透明数据。简单来看,就是HSS作为AS的后端用户签约数据库。

2.4.5 Ut参考点

Ut参考点是UE和AS的接口,采用HTTP/XCAP协议,UE可以通过该接口完成补充业务签约数据的自管理。比如UE希望修改一下呼转号码,自己在手机设置里就可以了,然后通过Ut接口通知网络侧更新就生效了。不用跑营业厅去办。但需要注意Ut接口是逻辑接口,即UE并不能直接访问AS,中间需要经过业务配置代理网关。

2.4.6 Cx参考点

Cx参考点是HSS和I-CSCF以及HSS和S-CSCF的接口,采用Diameter协议,用于注册过程中的S-CSCF选择、 用户鉴权数据、签约数据下载;呼叫过程中的S-CSCF选择等。

2.4.7 Mg参考点

Mg参考点是MGCF和CSCF的接口,采用SIP协议,用于MGCF转发进入的会话信令(如PSTN)到I-CSCF,或者反过来。用以实现IMS与PSTN/CS的互通。

2.4.8 Mr参考点

Mr参考点是S-CSCF和MRFC的接口,采用SIP协议,用于S-CSCF控制MRFC执行放音和提供所需资源。

2.4.9 Mp参考点

Mp参考点是MRFC和MRFP的接口,采用H.248标准协议,用于MRFC控制MRFP来提供放音所需的媒体流资源。比如“您拨打的用户是空号”这样的音频资源。

2.4.10 Mi参考点

Mi参考点是S-CSCF和BGCF的接口,采用SIP协议,用于S-CSCF转发呼叫信令给BGCF,用于实现IMS与CS/PSTN的互通。

2.4.11 Mj参考点

Mj参考点是BGCF和MGCF的接口,采用SIP协议。通过该接口,BGCF会向选择的MGCF转发呼叫信令,用于实现IMS与CS/PSTN的互通。

2.4.12 Mx参考点

Mx参考点是CSCF和IBCF的接口,采用SIP协议,用于不同运营商间的IMS的信令互通。

2.4.13 Ro/Rf参考点

Ro/Rf参考点是AS到融合计费系统的接口,实现IMS的在线和离线计费功能。

2.4.14 参考点总结

参考点名称

连接网元

接口

协议

接口功能

Gm

UE和P-CSCF

SIP

UE到IMS的信令接口,处理注册、呼叫等流程

Mw

CSCF之间

SIP

不同CSCF之间转发SIP信令,处理呼叫、

路由等流程与功能

Mx

CSCF和IBCF

SIP

不同运营商IMS网络的互通

Mg

MGCF和CSCF

SIP

实现IMS与PSTN/CS的互通

Mi

S-CSCF和BGCF

SIP

实现IMS与PSTN/CS的互通

Mj

BGCF和MGCF

SIP

实现IMS与PSTN/CS的互通

Mr

S-CSCF和MRFC

SIP

用于S-CSCF控制MRFC执行放音和提供所需资源

Mp

MRFC和MRFP的接口

SIP

用于MRFC控制MRFP来提供放音所需的媒体流资源

ISC

AS和S-CSCF

SIP

实现IMS业务触发

Ut

UE和AS

XCAP

实现补充业务自管理

Cx

HSS和I-CSCF以及

HSS和S-CSCF

Diameter

用于注册过程中的S-CSCF选择、 用户鉴权数据、签约数据下载;呼叫过程中的S-CSCF选择等

Sh

HSS和AS

Diameter

用于HSS为AS存储透明和非透明数据

Ro/Rf

AS到IMS计费系统

Diameter

实现IMS的在线和离线计费

本图文内容来源于网友网络收集整理提供,作为学习参考使用,版权属于原作者。
THE END
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