基于IMS的语音融合方案的研究

基于IMS的语音融合方案的研究摘要文章探讨了在网络和业务分阶段融合的前提和背景下，语音业务在各个阶段的主要功能扩展和实现方案，提出了一种分阶段融合的思路，并重点研究了在融合的后期阶段，利用IMS提供语音连续性（VCC）业务的解决方案。1、引言随着各运营商向着全业务经营的方向不断迈进，国内的运营商也在越来越深入的研究多张网络之间的融合问题。运营商可以通过移动网、固定电话网、宽带接入网和小灵通等多种网络为用户提供话音和数据业务，在没有以融合的概念处理这些网络之前，这些独立的接入网络之间必然形成竞争关系。因此，迫切需要一种独立于接入层的控制技术，来把各种接入资源整合在一起，提供统一的多媒体业务，使这些网络之间形成互补的关系。IMS（IP多媒体子系统）最早是3GPP组织在R5版本中提出的3G核心网的标准，现在已经被ITU-T和ESTI（欧洲电信标准化委员会）两大标准组织接受。IMS具有分布式、和接入无关以及标准开放的业务控制接口等特点，将网络分为业务层、控制层、承载层与接入层等相对独立的层面。IMS采用基于SIP的会话控制协议，可以更容易的实现与会话相关的业务在固定网络和移动网络上的融合。目前，很多厂家都推出了基于IMS的FMC（固网移动融合）解决方案，将IMS作为统一的核心网为包括3G移动网、固定网络、宽带互联网在内的多种接入方式提供融合的业务。这些业务包括IM（即时消息）、Presence（状态呈现）、PoC（语音短信）、文件和视频共享、群组管理以及话音等业务，还可能为企业用户提供会议管理、白板等附加功能。其中话音业务在今后一段较长时间内仍将是运营商的主要收入来源。在整个IMS体系架构中，语音通信是与IM/Presence并列的基础业务。2、语音融合的阶段划分和方案一般来说，语音融合有下面这几个阶段性目标：在初期阶段，可以在用户UE进行融合，如采用双模或多模手机可以使用户同时接入IMS网络和2G/3G的CS网络，或者PHS网络等，如图1所示。但在这一阶段，由于用户双模终端可以随意连接在不同的运营商网络内，因此会牵涉到双模/多模终端的入网许可、资费和政策限制，在融合的初期推广起来有一定的难度。同样在融合的初期阶段，随着多业务甚至全业务运营商的兴起，越来越多的运营商本身就可以支持多种接入方式和业务网络，在业务支撑网络和运营支撑网络这个层面，运营商可以给开通多种接入用户提供单一的话单、统一的界面和用户、技术支撑接口，如为多种话音网络提供统一业务的开通方式、统一的计费点和用户投诉号码。图1初期语音业务融合方案示意图语音业务在这一阶段可以通过软交换和媒体网关等方式进行互通，并利用增加智能网元和扩展功能提供一些增值业务。利用软交换提供被叫一号通和Centrex等语音增值业务，或利用SHLR提供号码携带等业务。但总的来说，初期语音业务的融合是功能相对简单的集成，并没有涉及网络内部的融合。随着业务的丰富以及接入网类型的多样化，运营商会考虑为各种用户提供尽可能统一的业务体验；在一些阶段运营商会引入统一的业务管理平台，从用户体验，也就是从终端上来看，融合或者说集成更加深入，拥有多种终端的用户从不同的接入网都能使用相同或相近的业务，如图2所示：图2第二阶段的网络融合架构示意图并且为了减少网络复杂性、提高业务的可运营性（如计费、管理的手段），在这一阶段还要尽可能采用统一的核心网、业务网以及支撑网。运营商在这个阶段会引入统一的业务管理平台，和IMS/FMC的解决方案配合来达到上述目标，实际上这里的FMC涉及的范围更广，不仅仅支持固定和移动两种网络，运营商还会在业务层对各种接入网络进行融合。在这一阶段，由于业务层（包括业务提供层和业务管理层）的融合并且引入了IMS，互联互通主要会在IMS和其他各种接入网络的媒体和信令控制层之间进行。本身支持IP的终端可以选择连接IMS网络（这里省略了网络可达、协议栈匹配和业务开通的问题），也可以选择连接其他IP网络，如软交换和Internet等；本身不支持IP的终端仍然通过传统网络使用业务。即：在此阶段IMS不能管理所有的接入网，但在和其他多种网络需要互通的时候，IMS可以在其中扮演网关（信令和媒体转换）的角色。IMS在这一阶段被看作是可以支持IP多媒体业务的、功能强大的智能网，由IMS管理的用户终端（UE）都可以提供统一的IMS业务。但由于IMS并不能管理全部的UE，因此在和其他域的互通过程中IMS的能力会受到限制，而UE在跨越不同的接入网时也会感到业务的不连续，甚至不能使用。随着核心网进一步IP化，IMS会成为全网网络与业务的交换中心。运营商可以通过IMS域增强对其他类型接入网（包括2G/3G）和CS域核心网的控制，将CS域和固定网也看作是IMS控制下的一种资源，进而实现在不同的接入网上支持统一、连续的语音补充业务和增值业务的方案。VCC也是其中的研究目标之一。3、语音呼叫连续性（VCC）研究3GPP组织在R6规范的制订过程中就已经研究了如何通过WLAN接入网和IMS互操作的问题（TS23.234）。在接下来的阶段，需要研究并实现可同时支持I-WLAN（InterworkingWLAN）和GSM/UMTS等接入手段的双模终端在WLAN和电路域（CS）网络之间切换时，如何保证语音业务连续性的问题。VCC（VoiceCallContinuity）正是为解决这个问题而提出来：用户在WLAN和GSM都能覆盖到的范围内可以选择资费较低的一种方式发起或接听语音呼叫，并且可以使用IMS域提供的多种增值和补充业务；而运营商借助VCC，可以节约较为昂贵的电路域资源，增加业务收入比。作为语音会话主叫方的VCC过程状态转换如图3所示：图3VCC过程（主叫方）呼叫状态示意图VCC的关键技术是在呼叫过程中实现了呼叫锚定（CallAnchoring），并在域选择功能发生切换时触发呼叫传递（CallDelivery）过程，通过快速建立新的语音通道保证语音连续性。需要注意的是，在发生切换的时候，既可能是从切换后的新切入域发出的呼叫（IMS控制模型），也可能仍然是从发起域发起呼叫（发起域控制模型，OringialDomainControlModel）。在3GPP定义的规范中，为了实现VCC功能，需要引入的功能单元有：呼叫连续性控制功能（CCCF，CallContinuityControlFunction）和域选择功能（NeDS，NetworkDomainSelection）。两个功能也可以集成在一个网元内，一般也称为VCC-AS，即：保证语音呼叫连续功能的应用服务器，可跨越IMS和CS两个域。除了需要增加CCCF/NeDS网元外，还需要扩展一些相关的接口以及相连的网元。图4是基于IMS控制模型绘制的VCC相关网元拓扑图。CCCF/NeDS作为IMS的一个应用服务器存在，通过ISC接口和CSCF相连。所有VCC相关流程都在应用层执行，这样就做到了和接入层的切换完全无关。并且对从CS到IMS的切换，以及从IMS到CS的切换提供了集中控制。这使得业务的配置和部署都比较简单。3GPP另外提出了一种模型称作发起域控制模型，本文在后面做了两种模型的比较。图4VCC网络拓扑示意图——基于IMS控制模型CCCF是基于IP连接的一个逻辑功能实体，完成电路域和IMS域之间呼叫连续性控制。因此CCCF必须存在于每个有连续性要求的语音呼叫中。CCCF为呼叫连续性提供下列功能：（1）向CS域、IMS域的网元或者用户UE通告自身的公共服务标识（CCCFPSI），这样其他网元可以在呼叫过程中将语音信令路由到CCCF。这个过程也称为呼叫锚定。（2）接收和处理呼叫连续性请求，这些请求一般是由于无线侧信号发生变化时（如获得或丢失信号）产生的事件。（3）把语音呼叫从CS域转移到IMS域（或从IMS域转移到CS域）时，需要建立/释放Call-leg。这个过程也称为呼叫传递。NeDS功能是一个呼叫的控制点，通过获取用户UE在IMS域和CS域的通话能力和当前的通话状态；判断当前的连接是否可以支持VCC语音通话；并用来选择是用CS域还是用IMS域来终结呼叫。例如，当双模终端收到一个本来期望终结在CS域的呼叫，但CS侧没有连接，同时IMS已经注册成功，那么呼叫的终结域就可以选择为IMS。总的来说，下面这些因素会影响NeDS的网络选择：UE在CS域和IMS域的注册状态；当IMS注册完成后，IP连接的状态；用户会根据使用习惯、网络覆盖情况和资费等方面定义自己的优先接入策略；运营商预定义的两个域优先策略等参数。在实现的时候，NeDS和CCCF功能一般做在一起，称为CCCF/NeDS或VCC-AS。VCC的主要有注册、呼叫锚定、域选择和切换几个基本过程。3.1注册注册的目的是要使CCCF/NeDS通过用户UE在CS域和IMS域的注册情况获取UE的可达性。VCC支持双域注册（DualRegistration）：既可以在CS域注册，也可以在IMS域注册，或是在两个域同时注册。（1）CS域的注册CS域的注册过程为正常的位置更新（LocationUpdate）过程，3GPP定义在24.008。当IMS域的第三方注册完成后，用户UE将CS域的连接状态告知CCCF/NeDS（如：无连接、已连接空闲、已连接活动）。（2）IMS域的注册用户UE在IMS域注册时，也需要和CSCF以及HSS配合完成HTTP-Digest或者AKA认证过程。和普通认证过程不同的是S-CSCF要在完成和HSS注册过程后，从HSS下载第三方注册的过滤条件，然后通过ISC接口向CCCF/NeDS发起第三方注册过程。IMS域注册过程如图5所示。图5IMS域注册过程如果UE已经完成了IMS域的注册，那么在CS域连接上以后要把CS连接状态告知CCCF/NeDS。当UE在IMS域注册完成后，需要通过移动性事件包MEP（MobilityEventPackage）和CCCF/NeDS交互以下信息：◆UE在MEP报文中把收集到的与CS域的连接状态和用户的优先配置策略等信息发给CCCF。◆UE和NeDS交换运营商和用户配置优先策略信息。◆CCCF把把运营商的策略、相关联的公共服务标识（PSI，PublicServiceIdentity）和CS域的号码传给UE。3.2呼叫锚定呼叫锚定是语音会话过程的一部分，目的是使CCCF/NeDS成为在会话过程中的锚点，即：CCCF/NeDS作为VCC会话信令必须经过的一个网元负责终结主叫方所在域的呼叫并向被叫方所在的域发起呼叫。为之后可能发生的跨域切换VCC过程做好准备。在呼叫锚定过程中，CCCF/NeDS实际上是作为一个会话的B2BUA应用服务器，整个VCC过程是在IMS域完成集中控制的。锚定过程分为起呼域中的处理和终呼域的处理两个阶段。起呼域根据发起域的不同可以分为：◆UE由IMS域发起的呼叫锚定。S-CSCF根据UE在HSS中配置的Profile决定是否发送给CCCF；CCCF收到SIP：INVITE报文后，从Requst-URI中提取被叫标识，而在P-Asserted-ID中提取被P-CSCF确认过的主叫标识；然后CCCF发起到远端的会话。图6IMS域起呼锚定流程示意图图6是从IMS域发起VCC呼叫时锚定过程的示意图，其中忽略了资源预留过程（SBLP）、中间过程响应（SIP：180Ringing）等流程。◆UE由CS域发起的呼叫锚定，如图7所示。CCCF收到MGCF发来的（实际需要I-CSCF中继的）SIP：INVITE报文。同样，在Requst-URI中携带被叫标识，而在P-Asserted-ID中携带被主叫标识。这个过程需要VMSC支持CAMEL的呼叫触发流程，这样VMSC在接到UE在CS域的语音会话建立请求时会通过gsmSCF和CCCF/NeDS交互InitialDP消息，使VMSC获取CCCFPSI标识，这样VMSC就可以把呼叫重新路由到CCCF上。实际上，此时CCCF可以被VMSC看作是gsmSCF。如果VMSC不支持CAMEL，那么gsmSCF将指示VMSC仅做普通呼叫。图7CS域起呼锚定流程示