软交换与IMS技术分析探讨

软交换与IMS技术分析探讨

2009-12-22 15:13

1 引言

随着互联网的蓬勃发展和社会经济的信息化，数据及多媒体业务将迅速超越传统语音业务，成为巨大的通信需求。在此背景下，下一代网络（NGN）应运而生。NGN 将基于IP 与Internet，其核心控制层形态目前正在经历软交换与IP 多媒体子系统（IMS）技术的竞争合作阶段。软交换是近年发展起来的一种新的呼叫控制技术。它具有分层的体系架构、基于分组传输、能提供多种接入方式等特点，并能综合提供语音、数据、多媒体业务。近年来的现场试验及规模商用结果证明，软交换体系在技术上已经基本成熟。

同样地，IMS 也是NGN 的主要技术之一。IMS 不仅可将单一类型的移动网络融合到全IP, 还是融合固定网、移动网和企业网的基础。同时由于IMS 具有SIP 标准化接口的特性，使其适应NGN 业务与控制分离的基本原则，为支持各种业务奠定了基础，从而被当前业界公认为未来融合的控制平台，是面向未来多媒体通信的NGN 核心技术。要解决好IMS 与软交换网络的融合问题，需要了解它们的技术特点与差别。

2 软交换

软交换是基于包交换网络，以软件来实现交换与呼叫控制管理的网络技术。它是网络演进以及下一代电信网络中的核心设备之一，独立于传输网络，主要完成呼叫控制、资源分配、协议处理、路由、认证、带宽管理、计费等功能，同时可以向用户提供现有电路交换机所能提供的所有业务以及多样化的第三方业务。

软交换技术从1998 年就开始出现并且已经历了实验、商用等多个发展阶段，目前已比较成熟。全球范围早已有多家电信运营商开展了软交换试验，发展至今，软交换技术已经具备了替代电路交换机的能力，并具备一定的宽带多媒体业务能力。

软交换的基本含义就是把呼叫控制功能从媒体网关中分离出来，通过服务器上的软件实现基本呼叫控制功能，从而实现呼叫控制与承载的分离。从广义上讲，软交换泛指一种体系结构，它包括四个功能层面：接入层、核心传输层、控制层和应用层。在NGN 的组成元素中，软交换是一个重要组件，是新老网络实现融合的枢纽，是NGN 业务的控制核心。基于软交换的NGN 层次结构如图1 所示。

图 1 以软交换为核心的NGN 层次结构

接入层的功能是将各种用户终端和外部网络连接至核心网络，由核心网络集中用户业务并将它们传送到目的地。接入层的主要网络部件有中继网关、用户接入网关、信令网关、无线接入网关等。

传输层可称为媒体传输平面或承载连接平面，提供各种媒体（语音、数据、视频等）的宽带传输通道，并将信息选录至目的地。传输层的主要网络部件为标准的IP 路由器（或ATM 交换机），基于分组网络的软交换系统用网络本身作为交换部件。

控制层的主要网络部件为软交换设备。负责呼叫逻辑，处理呼叫请求，并指示传输层建立合适的承载连接，控制层的核心设备是软交换，软交换需要支持众多的协议接口，以实现与不同类型网络的互通。控制层决定用户应该接受哪些业务、控制其他较低层的网络单元，并控制处理业务流。

应用层在呼叫建立的基础上提供附加服务，承担业务提供、业务生成和维护、管理、鉴权、计费功能，利用底层的各种资源为用户提供丰富多彩的网络服务。主要部件为应用服务器、业务控制点、AAA（鉴权、计费、记帐）服务器、策略服务器、网关服务器等。

3 IP 多媒体子系统 3.1 IMS 技术概念

IMS（IP Multimedia Subsystem）是IP 多媒体系统，是一种全新的多媒体业务形式，它能够满足现在的终端客户更新颖、更多样化多媒体业务的需求。目前，IMS 被认为是下一代网络的核心技术，也是解决移动与固网融合，引入语音、数据、视频三重融合等差异化业务的重要方式。但是，目前全球IMS 网络多数处于初级阶段，应用方式也处于业界探讨当中。

IMS 技术对控制层功能做了进一步分解，实现了会话控制实体和媒体网关控制实体在功能上的分离，使网络架构更为开放和灵活。IMS 以其业务、控制、承载完全分离的水平架构，集中的用户属性和接入无关等特性，一方面解决了目前软交换技术还无法解决的问题，如用户移动性支持、标准开放的业务接口、灵活的IP 多媒体业务提供等；另一方面，由于其接入无关性，也使得IMS 成为固定和移动网络融合演进的基础。

3.2 IMS 的定位

IMS 在3GPPRelease 5 版本中提出，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。其最初的出发点，是为了在移动网上以最大的灵活性提供IP 多媒体业务而设计一个业务体系框架。后来由于其良好的开放性和全分布式架构，能做到控制与业务分离、与接入无关和支持移动性管理，因而得到了ETSI、ITU-T 等NGN 相关标准化组织的认可，并作为所研究的下一代网络的基础。

3GPP R5 主要定义IMS 的核心结构、网元功能、接口和流程等内容；R6 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（WLAN）接入特性等；R7 版本加强了对固定、移动融合的标准化制订，要求IMS 支持数字用户线（xDSL）、电缆调制解调器等固定接入方式。

3.3 IMS 中的网元

IMS 是一个以SIP 为中心的分布式网络架构。SIP 是IMS 的核心协议，SIP 中定义了多种角色，而IMS 中也有多种网元，SIP 中的各种角色跟IMS 中的各种网元没有严格的一一对应关系，但是SIP 中定义的各种角色都在IMS 中的各种网元中得到了融合、改进。IMS的体系结构如图2 所示。[来源：中国论文发表网]

UE（用户终端）：这个比较显而易见，我们用的手机就是一个UE。IMS 中UE 可以大概理解为SIP 中的UA。

CSCF（Call Session Control Function，呼叫会话控制功能）：正如其名字，CSCF 是IMS中的会话控制功能体。CSCF 在IMS 中实现了多媒体呼叫中主要的软交换控制功能，可以看作SIP 中的各种基本Server 的集合。CSCF 又分为三类：P-CSCF、S-CSCF、I-CSCF，我们一般分别昵称之为：P,S,I。

P-CSCF（Proxy CSCF）：P 是用户接入核心网的节点，在IMS 的CSCF 中离用户最近。

对外转发着UE 的消息并且将从外面收到的SIP 消息返回给UE。P 可以看作SIP 中的Proxy。

S-CSCF（Serving CSCF）:S 是IMS 中核心中的核心，处于IMS 的核心控制地位，基本上任何SIP 消息都要经过它的处理，包括路由、AS 业务触发、重定向等主要控制功能。S可以看作SIP 中的Registrar、Proxy 以及Redirect Server。

I-CSCF（Interrogating-CSCF）：I 是一个网络的边界节点，主要对外来呼叫中的被叫的S 进行定位，从而隐藏该网络的拓扑结构，因为若所有外来呼叫都要经过该网络的I，则外面的用户无从知道该网络内部S 以及P 等网元的分布情况。I 是可选的，也就是说可以不需要这样一个网元，如果你不想刻意隐藏自己的网络结构。因为进入的呼叫都要经常I，虽然I 的功能较为单一，但负担比较重，因此一个网络一旦使用了I，一般就不止一个，以便进行负载均衡。I 可以看作 SIP 中的Proxy、Redirect Server。

HSS（Home Subscriber Server，归属签约用户服务器）：是用于集中存放用户数据（认证信息、业务信息、漫游信息、原始计费信息等）的地方，用户数据总是存放在其归属域（开户地）的HSS 中，可以跟HSS 打叫道的有I，S 和AS 等，UE 不会跟HSS 有直接接触。

AS（Application Server，应用服务器）：用于实现具体业务的服务器。通常AS 由S

根据用户请求以及触发条件进行触发，它是作为SIP 中的B2BUA 实现的。IMS 中的这种触发机制正是其支持业务与承载分离的基础。

各种网关（MGCF，BGCF 等）：用户实现SIP 与其他信令（PSTN,ISDN 等）的互联互通。

其他网元：实现媒体资源控制、QoS、计费等功能的网元，如PDF、MRFC 等。

4 软交换与IMS 的分析比较

从目前已有的技术来看，软交换和IMS 是下一代交换网络两种比较适合的网络技术。

前者用于NGN 初级阶段；后者是实现固定和移动融合的目标技术。如果从采用的基础技术上看，IMS 和软交换有很大的相似性：都是基于IP 分组网；都实现了控制与承载的分离；大部分的协议都是相似或者完全相同的；许多网关设备和终端设备甚至是可以通用的。由于IMS 只是NGN 的一个子系统，因此目前基于IMS 研究的NGN 都注重网络功能实体，而软交换更加注重物理实体的具体实现，是NGN 最现实的实现方式之一。

软交换和IMS 是固网向NGN 演进的不同阶段，但实现的目标是一致的，都是构建一个基于分组、层次分明、控制与承载分离、开放的下一代交换网络。不同点在于软交换技术提出较早，主要针对电话语音业务、IP 接入、非IP 接入以及与PSTN、VOIP 互通等方面，但对移动性管理、多媒体和增值业务的提供却考虑不多，故缺乏整体标准。IMS 在继承了软交换技术的基础上，进一步发展了软交换的技术特点，如体系架构的开放性、端到端的全IP架构、完全基于会话启动协议(SIP)的呼叫控制、用户数据的集中管理、对智能终端完善的控制机制、强大的多媒体业务提供能力等。此外，IMS 在标准化程度、移动性支持、接入无关性、QoS 等方面都比软交换有了很大提高。

IMS 和软交换最大的区别在于以下几个方面。

（1）定位上的区别软交换重点解决的是PSTN 的IP 化问题，同时考虑IP 化后新业务的提供方式。关注的侧重点是语音类业务，同时有一些语音与IP 网结合的业务。IMS

重点考虑的是IP 多媒体业务，包括文本、消息、视频、网络等综合业务。

（2）网络架构上的区别IMS 和软交换的区别主要是在网络构架上。软交换网络体系基于主从控制的特点，使得其与具体的接入手段关系密切，而IMS 体系由于终端与核心侧采用基于IP 承载的SIP 协议，IP 技术与承载媒体无关的特性使得IMS 体系可以支持各类接入方式，从而使得IMS 的应用范围从最初始的移动网逐步扩大到固定领域。软交换系统没有完整的网络架构的定义，在实际部署时，软交换设备会作为一个物理部件去部署。IMS 定义的子系统是一个网络架构，考虑了用户移动性需求，在用户注册、路由寻址等方面考虑了更多的分离性，同时基于对业务开放性的要求，在业务提供方面也采用了业务处理与业务分发分离的架构，因此，IMS 的各功能实体体现了更多的开放性和灵活性。 （3）SIP 协议应用上的区别软交换支持的SIP 协议的功能子集主要是基于连接、基于呼叫的应用。IMS 的SIP 协议在业务触发方式上采用多种通信方式，是SIP 协议的全面应用。在继承了软交换特点的同时，IMS 具有更加开放的分层结构和完整的系统，可以用于组建大网，同时业务能力更加强大，可以开发基于会话的下一代多媒体业务网。但IMS 还是有局限的。作为SIP 的业务系统，从本质上看，IMS 只是基于会话的IP 多媒体业务体系，而不是通用的多媒体业务平台，因而不可能提供面向会话以外的其他的多媒体业务。IMS 没有脱离PSTN 的业务集中控制思想。CSCF 是系统中业务控制的核心，所有的业务均由CSCF 发起，这种工作模式与下一代分组数据网的全分布式工作特点是不匹配的。因此，IMS 仍未摆脱PSTN 业务集中控制的阴影，它还不是NGN 的最合理的模型，只能作为PSTN 向分组语音电话过渡和演进过程中的中级阶段技术。