简介
本文探讨IP多媒体子系统(IMS)通过软交换与现有网络基础设施集成的核心机制。我们将重点关注两个基本流程：
- 注册流程 – 用户设备如何通过软交换向IMS网络注册
- 呼叫流程 – 用户设备如何通过软交换向IMS网络发起呼叫
一、注册流程：UE通过软交换连接IMS
1.1 架构原理
在混合部署环境中，用户设备(UE)必须首先在软交换平台上进行认证，然后软交换作为代理向IMS网络注册。这种架构实现了传统系统与现代IMS功能的桥接。
此路径中的关键元素包括：
- 用户设备(UE)
- 软交换平台
- 边缘设备(协议适配器)
- IMS核心元素(P-CSCF、I-CSCF、S-CSCF)
- 归属用户服务器(HSS)
1.2 注册流程图
UE Softswitch Edge Device P-CSCF I-CSCF S-CSCF HSS
| | | | | | |
|---Register--->| | | | | |
|<--Auth/Resp-->| | | | | |
| | | | | | |
| |---Register--->| | | | |
| | |--Register->| | | |
| | | |--Register->| | |
| | | | |----UAR---->| |
| | | | |<---UAA-----| |
| | | | | | |
| | | | |--Register->| |
| | | | | |---MAR----->|
| | | | | |<---MAA-----|
| | | | | | |
| | | | |<-401 Unauth| |
| | | |<-401 Unauth| | |
| | |<-401 Unauth| | | |
| |<-401 Unauth---| | | | |
|<-401 Unauth---| | | | | |
| | | | | | |
|--Auth Resp--->| | | | | |
| |--Reg+Auth---->| | | | |
| | |--Reg+Auth->| | | |
| | | |--Reg+Auth->| | |
| | | | |----UAR---->| |
| | | | |<---UAA-----| |
| | | | |--Reg+Auth->| |
| | | | | |----SAR---->|
| | | | | |<---SAA-----|
| | | | |<---200 OK--| |
| | | |<---200 OK--| | |
| | |<---200 OK--| | | |
| |<---200 OK-----| | | | |
|<---200 OK-----| | | | | |
| | | | | | |1.3 关键流程分析
初始认证阶段
- UE向软交换发送注册请求
- 软交换使用专有机制对用户进行认证
- 认证成功后，软交换将标准化的SIP REGISTER转发给边缘设备
- 边缘设备调整和格式化请求以符合IMS标准
IMS注册阶段
- P-CSCF接收注册请求并转发给I-CSCF
- I-CSCF查询HSS(UAR/UAA)以确定适当的S-CSCF
- S-CSCF从HSS获取认证向量(MAR/MAA)
- 401 Unauthorized挑战沿路径发送回UE
- UE计算认证响应并通过软交换返回
- S-CSCF验证认证并从HSS下载用户配置文件(SAR/SAA)
- 200 OK完成注册，建立UE与IMS之间的绑定
协议适配机制
- 边缘设备将软交换专有格式转换为标准IMS SIP
- 根据3GPP规范正确格式化头部
- 调整安全参数以满足IMS要求
- 在路径的多个点维护注册状态
二、呼叫流程：UE通过软交换连接IMS
2.1 架构原理
从UE通过软交换到IMS的呼叫建立涉及跨多个域的会话信令。软交换既作为UE的终结点，又作为IMS网络接入的起源点。
2.2 呼叫流程图
UE Softswitch Edge Device P-CSCF S-CSCF AS Target UE
| | | | | | |
|--Call Request>| | | | | |
| |--Call Analys--| | | | |
| | | | | | |
| |--SIP INVITE-->| | | | |
| |<-100 Trying---| | | | |
| | |--INVITE--->| | | |
| | |<-100 Trying| | | |
| | | |--INVITE--->| | |
| | | |<-100 Trying| | |
| | | | |--Svc Logic>| |
| | | | | |--INVITE---->|
| | | | | |<-180 Ringing|
| | | | |<-180 Ringing| |
| | | |<-180 Ringing| | |
| | |<-180 Ringing| | | |
| |<-180 Ringing--| | | | |
|<----Ringing---| | | | | |
| | | | | | |
| | | | | |<--200 OK----|
| | | | |<--200 OK---| |
| | | |<--200 OK---| | |
| | |<--200 OK---| | | |
| |<--200 OK------| | | | |
|<-Call Connect-| | | | | |
| | | | | | |
|<================== Media Established (RTP) ======================>| |
| | | | | | |
|----Hangup---->| | | | | |
| |-----BYE------>| | | | |
| | |---BYE----->| | | |
| | | |---BYE----->| | |
| | | | |----BYE---->| |
| | | | | |<--200 OK----|
| | | | |<--200 OK---| |
| | | |<--200 OK---| | |
| | |<--200 OK---| | | |
| |<--200 OK------| | | | |
|<-Call Ended---| | | | | |
| | | | | | |2.3 呼叫流程分析
呼叫发起阶段
- UE向软交换发送呼叫请求(可能使用专有协议)
- 软交换分析呼叫目的地并确定需要IMS路由
- 软交换生成标准SIP INVITE并发送到边缘设备
- 边缘设备调整消息格式并转发到P-CSCF
- 每个网络元素返回100 Trying以确认接收
IMS中的呼叫处理
- P-CSCF将INVITE转发到分配给呼叫者的S-CSCF
- S-CSCF评估初始过滤条件(iFC)以执行服务
- 根据用户配置文件可能会涉及应用服务器(AS)
- S-CSCF通过适当路径将呼叫路由到终端侧
- 180 Ringing响应沿返回路径发送到发起UE
媒体建立
- 200 OK响应表示呼叫接受
- 媒体参数(编解码器、IP地址、端口)通过SDP协商
- 媒体通常在可能的情况下直接在终端之间流动
- 在边缘设备可能需要媒体适配，用于：
- 编解码器转码
- 网络地址转换
- 安全边界穿越
呼叫终止
- 任何一方都可以通过BYE请求发起呼叫终止
- BYE遵循呼叫设置期间建立的信令路径
- 200 OK确认终止
- 释放网络资源
2.4 技术挑战和解决方案
协议兼容性
- 挑战：软交换可能使用专有协议，而IMS需要标准SIP
- 解决方案：边缘设备实现具有语义映射的协议转换功能
媒体处理
- 挑战：编解码器不兼容和NAT穿越
- 解决方案：具有转码能力和NAT穿越机制的媒体网关
QoS管理
- 挑战：在各个域之间保持一致的QoS
- 解决方案：在网络边界执行策略和端到端QoS协商
三、关键技术组件
3.1 信令协议适配
软交换和IMS之间的边缘设备必须适配：
-
头部转换
- 确保正确的From/To/Contact头部
- 添加IMS特定头部(P-Asserted-Identity, P-Charging-Vector)
- 调整Route头部以获得正确的信令路径
-
认证机制桥接
- 将专有认证映射到IMS-AKA或摘要认证
- 在不同域之间维护安全上下文
-
会话描述协议(SDP)处理
- 确保编解码器兼容性
- 满足媒体参数要求
- 支持IMS媒体策略执行
3.2 网络接口
UE-软交换-IMS路径中的关键接口包括：
-
UE到软交换
- 可能使用SIP、H.323或专有协议
- 通常涉及简化的认证机制
-
软交换到边缘设备
- 带有潜在供应商扩展的标准SIP
- 安全性通常基于网络级机制
-
边缘设备到P-CSCF
- 符合3GPP标准的SIP
- 可能的IPSec或TLS安全关联
- 完全IMS头部支持
-
IMS内部接口
- 标准Cx、Dx、ISC接口
- 基于Diameter的认证和授权
四、部署考虑因素
4.1 迁移策略
-
分阶段方法
- 从基本语音服务集成开始
- 逐步添加补充服务
- 最终纳入高级多媒体功能
-
服务连续性
- 确保域之间的无缝切换
- 保持一致的用户体验
- 在过渡期间支持传统设备
4.2 可扩展性和性能
-
架构考虑
- 边缘设备的适当规划
- 冗余部署以实现高可用性
- 跨多个实例的负载均衡
-
优化技术
- SIP消息压缩
- 信令路径优化
- 尽可能的媒体路径优化