第2章 IMS架构、网元、接口-Toy模板网

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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：

转发UE的SIP注册请求到归属（或拜访地）I-CSCF；

转发从UE接收的SIP消息（如INVITE）到归属的S-CSCF；

转发SIP请求或响应到UE；

产生相关的计费信息；

建立和维持与UE之间安全关联；

执行SIP消息的压缩、解压缩；

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：

用户ID（IMPI、IMPU等）；

用户鉴权相关的信息；

登记用户注册的S-CSCF信息；

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：

- 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。

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。

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