IMS呈现业务互通研究
2008-02-25
作者：段 姣，王卫星
摘 要：在研究3G IMS网络结构和业务的基础上，分析了3G IMS与GSM/GPRS" title="GSM/GPRS">GSM/GPRS域业务实现互通的方案，提出了一种基于业务网关" title="业务网关">业务网关的Presence业务互通" title="业务互通">业务互通的方法。
关键词：IMS Presence 即时消息业务 业务网关 业务互通
电信市场竞争日益激烈，移动、固定网络不断融合，在这种趋势下，如何快速、灵活地生成和部署基于IP的实时、非实时结合的多媒体业务以及如何使不同类型的业务在现有网络基础上实现互通将是业界关注的焦点。3GPP从R5版本开始，逐步向全IP的网络结构演进，并在核心网中引入了IP多媒体子系统（IMS）[1]。IMS域的引入，为实时和非实时业务的用户提供了一个端到端的通用多媒体业务使能平台。基于IMS的典型业务包括：Presence（呈现业务）、Instant Message（即时消息业务）、多媒体会议等。然而面对如此丰富且极具吸引力的业务，目前大量存在着的GSM/GPRS网络却无法支持直接与这些业务的互通，不但给新业务" title="新业务">新业务的开展带来了障碍，也不利于对现有网络和设备的利用。为了增强GSM/GPRS网络的业务提供能力，将现有系统与3G IMS网络更好地结合起来，急需解决IMS网络的新业务与GSM/GPRS网络的互通问题。
1 IMS介绍
1.1 IMS结构及网元功能
IMS是叠加在原有电路域和分组域基础上一个相对独立的多媒体子域。IMS体系结构如图1所示，它提供开放的业务接口，实现了用户平面、控制平面、业务平面的分离， 使得业务的实现能够独立于下层的承载网络，也为开展更加灵活、丰富多彩的业务提供了一个契机，为多网络融合和多业务互通提供了条件。
IMS具备完整的IP核心网功能，包括会话管理、承载控制、漫游、计费、安全、服务质量管理等。其主要的功能实体有CSCF、HSS、MRF（包括MRFC和MRFP）、IMS-MGW、MGCF、BGCF、AS等。
CSCF（Call Session Control Function）作为IMS网络的核心控制实体主要完成对会话进程的控制。它又分为三个不同的逻辑实体：P-CSCF（Proxy-CSCF）、I-CSCF（Interrogating-CSCF）、S-CSCF（Serving-CSCF）。P-CSCF是用户终端接入IMS网络的第一个网元，具有地址翻译功能，能够把SIP消息发送到用户终端归属地的I-CSCF，起到了安全管理和隐藏接入网络差异的作用。I-CSCF是多个IMS网络域之间的接口，是拜访域到归属域的入口点，负责用户信息的询问和用户S-CSCF的查找。I-CSCF用于隐藏网络内部拓扑结构，同时还起到负载均衡和流量控制的作用。S-CSCF在IMS中处于核心控制地位，是IMS多进程控制的关键所在。它负责记录并控制用户进程状态，执行会话路由功能，并不断与应用服务和计费功能进行交互，根据规则进行增值业务路由触发与业务控制。
HSS（Home Subscriber Server）是一个升级的HLR，用于存储用户和服务相关数据。HSS以XML形式记录了用户身份、注册信息、接入参数和服务触发信息。
MRF（Multimedia Resource Function）包括控制部分（MRFC）和用户平面的处理部分（MRFP），对与承载相关的业务服务提供支持，能够完成数据媒体流的混合、媒体流的分发、承载代码的转换、计费信息的发送等。
IMS-MGW（IMS-Media Gateway）和MGCF（Media Gateway Control Function）提供IMS与传统CS域之间的网关功能。它能够将CS域的信令与SIP信令相互转换，并且能够提供计费信息。
BGCF（Breakout Gateway Control Function）也是与传统CS网络相关的功能实体，能够控制网关完成信令转换和呼叫路由功能。
AS（Application Server）并不完全属于IMS，它是架构在IMS之上的功能实体，它主要对外提供增值多媒体服务。IMS的核心控制网元通过分析用户签约数据的初始过滤规则（iFC），触发到规则制定的应用服务器" title="应用服务器">应用服务器，由应用服务器完成业务逻辑处理。
1.2 IMS Presence业务
Presence（状态呈现）是一种实现告知一个用户关于另一个用户的可达性、可用性和通信意愿的业务。它提供大量实时的用户优先选择状态、用户终端状态以及一些用户业务的状态信息。Presence业务能够显示出其他用户是否在线，若在线则显示他们的状态是空闲还是繁忙。Presence业务还可让用户给出通信方式和通信能力的详细信息（例如，是否具有音频、视频、即时消息等能力）。例如：一个用户的Presence信息如果显示用户状态为“会议进行中”并且支持SMS，其他用户则可以通过SMS向该用户提供业务，而不会打扰他的会议工作。
Presence业务最主要的操作是获取并呈现订阅该业务的用户信息。一个用户可以通过使用SUBSCRIBE向资源列表服务器（RLS）请求订阅一个资源列表或单个资源，当订阅被接受，资源列表服务器就会返回该列表的状态信息。此外，不同的观察者可以获得不同级别和不同范围的在线状态信息，这意味着不同的观察者可以被授权观看在线状态实体的在线状态信息的不同部分，在线状态实体使用XCAP定义的方案以许可声明的形式设置这些授权。
1.2.1 IMS Presence业务模型
Presence业务主要涉及三个逻辑实体：信息提供者（Presentity）、Presence服务器、信息请求者（Watcher），业务模型如图2所示[2]。
信息提供者：是为Presence业务提供呈现状态信息的逻辑实体，又分为用户代理和网络代理两大类。用户代理可以使用户主动提供自己的Presence信息，网络代理可以让网络系统作为信息源发布Presence信息。
Presence服务器：获取并整合Presence信息，在系统可管理、用户隐私有保证的条件下，允许其他请求者主动查询和订阅Presence信息。
信息请求者：通过Presence业务从Presence服务器订阅和获取呈现状态信息的逻辑实体，一般驻留在客户终端侧。订阅者通过两种模式获取在线信息：请求模式即请求者主动查询，通知模式即请求者需要事先定制并由Presence服务器主动发送给请求者。
概括地说，用户设备(UE)和网络设备均可作为信息源(Presence Source)为某个用户发布Presence信息。Presence业务服务器接收并保存来自信息源发布的Presence信息，根据订阅和授权来决定如何分发给该信息的订阅者。
1.2.2 IMS Presence业务映射的网络实体
Presence业务中各逻辑功能在IMS网络中由x-CSCF组合实现。
Presence业务映射的实体结构如图3所示[3]。Watcher的Presence业务代理由网络中的P-CSCF和S-CSCF协作完成。当Watcher要订阅或查看某Presentity的在线信息时，由Watcher所属的Presence业务代理进行目标网络的地址解析、用户的鉴权并完成发送请求和接收响应的工作。Presentity的Presence业务代理由I-CSCF和S-CSCF协作完成。当有Watcher订阅和使用Presence业务时，由Presentity所属的Presence业务代理查找Presentity对应的Presence业务服务器、用户鉴权并完成接收请求和发送响应的工作。Watcher既可以作为终端直接接入IMS网络，也可以作为一种应用驻留在应用服务器中。当Watcher作为终端进入IMS网络时，会通过IMS网络的入口点P-CSCF连接进入；当Watcher作为一个应用驻留在应用服务器时，它将通过ISC接口与S-CSCF相连接。Presence业务服务器与Presence业务代理中的S-CSCF相连接，由S-CSCF过滤请求并触发业务服务器中的业务逻辑。Presence业务列表与Presence业务代理中的S-CSCF相连接，这个列表中记录了Watcher订阅的所有Presentity信息。
当终端1（UE1）订阅了终端2（UE2）的Presence信息并且双方同时在线时，UE1会首先向所属的WA（Watcher Application）询问对方的在线状态，WA经过鉴权会把该询问信息转发给Watcher的Presence业务代理（WPP）。WPP从询问信息中获得UE2的网络信息，然后会继续把询问请求发给UE2所属网络的Presentity的Presence业务代理（PPP）。PPP从HSS中获得UE2的Presence业务服务器（PS）地址并向该地址转发询问信息，PS会根据UE1的订阅属性把UE2的在线信息沿询问路径返回。
2 业务网关实现业务互通
2.1 业务互通
业务互通是指一个网络中的业务可以被其他不同类型网络的用户共同使用。即一个业务不仅可以被原网络上的用户使用，也可以被原网络之外的其他网络用户使用，不同网络用户之间可以通过该业务实现正常通信。文中的业务互通特指3G IMS网络中的Presence业务能够被GSM/GPRS终端用户使用，并且两个网络中的用户可以通过Presence业务实现在线状态互访功能。
具体地讲，业务互通是不同网络间业务能力的映射，也就是把IMS网络中支持Presence业务的业务能力映射为GSM/GPRS网络中支持相应数据业务的业务能力。当然要实现Presence业务的互通还需要解决很多实际问题，例如：业务在通信过程中是如何标识的，通信双方的协议地址又是如何映射，消息内容格式的转换机制等。
首先，由于Presence业务逻辑的执行在3G IMS网络中，为了实现业务互通，需要在3G IMS网络中明确标识已经订阅了Presence业务的GSM/GPRS用户。当用户在使用Presence业务时，IMS网络的Presence业务实体就会根据其私有标识进行注册、查找、鉴权，根据其公有标识建立会话并进行业务通信和用户信息查询。
其次，由于IMS网络和GSM/GPRS网络对用户的标识采用了不同的机制，在IMS网络中用户采用有效的SIP URI来标识[4]，而在GSM网络中用户则用MSISDN号码来标识，所以需要解决用户地址的映射问题，使业务双方能够顺利定位目标用户。
最后，由于IMS网络和GSM/GPRS网络中业务能力携带业务信息的格式不尽相同，所以要使Presence业务双方都能够正确查看Presentity信息就需要建立消息内容的转换机制。
除此之外，要使Presence业务顺利实现互通还要对业务能力进行增强，用来对用户业务及所属网络进行标识。同时业务的运营管理和计费功能也同样需要相应增强。总之，业务互通对现有网络的保护和利用以及新业务的推广都将起到积极的作用。
2.2 业务网关
业务网关是一个应用层网关，是两个异构网络之间进行业务互通的桥梁。通过这个网关，可以完成GSM/GPRS网络业务与IMS网络业务之间的业务能力映射、业务标识、地址转换和业务消息格式转换等功能。业务网关位置示意图如图4所示。业务网关作为GSM/GPRS网络与IMS网络之间的一个网络实体，处在GSM终端用户与Presence业务应用服务器之间，用来完成两个网络之间的业务互通。
业务网关需要解决业务能力的映射问题。它可以将IMS域中用SIP协议支撑的Presence业务转换成GSM/GPRS网络的以短信（SMS）、彩信（MMS）或WAP等方式进行承载的业务。
为了在3G IMS网络中标识GSM/GPRS网络中的Presence用户，业务网关还需要将订阅Presence业务的GSM/GPRS用户的签约信息记录在3G网络域的HSS中。这样，当业务网关收到GSM终端的业务请求时，它首先会根据用户的业务标识查找与业务网关关联的HSS，对用户信息进行鉴权，通过后用户就可以继续使用Presence业务。
为了解决地址的映射问题，业务网关对位于不同网络的用户地址进行映射。在IMS网络中，用户采用SIP URI的格式标识用户，具体格式为“sip:username@domain.com”。在业务网关中，将订阅Presence业务的GSM/GPRS用户的MSISDN号码转换为相同格式，如：“sip:msisdn@gateway.com”，并将签约用户信息保存在业务网关中。当业务双方建立业务关联之后会生成一个地址对应表，对应表中保存了SIP地址和MSISDN号码的对应关系。通过查找这个地址对应表，可以顺利找到目标用户，并把SIP地址与MSISDN号码进行转换[5]。
业务网关还要对业务消息内容的表达方式进行转换。在IMS网络中Presentity消息内容采用状态呈现信息数据格式(PIDF)来表达呈现信息，PIDF采用XML对状态呈现信息进行编码。而在GSM/GPRS网络中消息内容采用ASCII码进行编码。要使业务双方都能够正确查看Presence信息就需要建立消息内容的转换机制，把由XML描述的消息转换为相应的数据格式。
因为涉及到大量消息内容的转换，业务网关还应该增加消息缓存机制，对不同用户的群组信息进行分类存储。业务网关还应就地址对应表增加更新和管理功能等[6]。
采用业务网关的思想实现业务互通可以使业务和业务的提供具有更大的灵活性，为非IMS终端用户接入IMS域并使用相应业务提供了条件，是实现IMS网络与GSM/GPRS网络业务互通的捷径。
2.3 业务网关的位置讨论
业务网关在IMS网络中可以担任不同的角色[7]，既可以作为一个模拟终端协助GSM/GPRS用户与IMS网络用户进行业务互通，又可以作为一个IMS网络的应用服务器扮演GSM/GPRS网络的业务网关[8]。
当业务网关作为一个IMS网络的模拟终端时，它只是作为一个普通的用户终端与IMS终端进行通信；但从GSM/GPRS网络一侧看，业务网关则被看作是一个IMS业务的应用服务器，能够为GSM/GPRS终端提供IMS业务。作为模拟终端的业务网关在网络中的位置如图3所示，位于P-CSCF的Watcher应用服务器处。当GSM/GPRS网络用户希望订阅IMS业务时，会发送订阅请求到业务网关，业务网关将收到的请求消息解析并转换成SIP消息格式，模拟IMS终端转发给IMS业务应用服务器进行订阅。在订阅成功后，订阅该业务的用户信息会被保存在HSS中，并把该信息与业务网关地址进行关联。保证IMS网络应用服务器返回信息后，该信息能够通过业务网关正确转发给GSM/GPRS网络的用户。总之，业务网关可以作为IMS域的模拟终端，使GSM/GPRS用户能够通过它使用IMS业务并与IMS终端进行通信。
业务网关也可以在IMS网络中处于应用服务器的位置，即与Presence业务服务器同属应用层，通信时的信息交互可以略去很多核心控制设备，简化了通信过程。当IMS域的用户发送一个SIP会话请求给S-CSCF来初始化一个SIP会话时，S-CSCF会评估业务触发点（SPT）并检查它们是否与到应用服务器的初始过滤标准相匹配。若匹配则把该请求转发到应用服务器，然后根据业务键执行必要的业务逻辑，并将SIP请求发送给S-CSCF。S-CSCF再次评估SPT，若匹配则重复前面的过程；若不再匹配则根据路由决策将请求转发至下一跳（即业务网关）。业务网关会把询问消息转换成短信或彩信的形式发送给订阅IMS业务的GSM/GPRS在线用户，该用户则把自己的当前状态以短信或彩信的形式返回给业务网关，实现双方用户的业务交互。这类业务网关通过ISC接口与S-CSCF相连，处在应用服务器的位置如图3所示。这种方式有利于第三方服务的加载，不需要考虑底层的设置可以更专注于业务的开发。
业务网关的引入不但促进了在现有网络基础上的新业务开发，还保证了业务之间的互通，同时满足了用户不断发展和更新的业务需求。
参考文献
[1] 3GPP TS 23.228 V6.8.0 technical specification group services and system aspects; IP multimedia subsystem
（IMS）; Stage 2（Release 6）, 2004.12.
[2] 3GPP TS 22.141 V6.3.0 technical specification group services and system aspects; Presence service; Stage 1 (Release 6) 2005-01.
[3] 3GPP TS 23.141 V6.7.0 technical specification group services and system aspects; Presence service; Architecture and functional description (Release 6) 2004-09.
[4] 3GPP TR 24.841 V6.0.0 technical specification group core network; Presence service based on Session Initiation Protocol (SIP); Functional models, information flows and protocol details (Release 6) 2004-06.
[5] MIIKKA P, GEORGE M, HISHAM K，et al. The IMS: IP multimedia concepts and services in the mobile domain.
John Wiley & Sons, 2004.
[6] 邹华,熊文剑,杨放春. 下一代网络业务能力开放的若干安全问题探究[J]. 电子学报,2004,32(S1).
[7] 瞿敏,李新,糜正琨. 基于代理的下一代网络业务平台实现技术研究[J]. 南京邮电学院学报,2004,(3).
[8] 李凯,杨放春. 一种新的基于软交换的业务提供方案[J]. 高技术通讯,2004,(4).