网络融合的趋势分析和展望

    作者:卢美莲 程时端

    要害词：网络融合；下一代网络；IP多媒体子系统；软交换

    Abstract:NGN,characterizedbythe separation of services from control and transport, creates a framework for the future network convergence. Network convergence encompasses service convergence, core network convergence, access network convergence, terminal convergence and centralized network Operation and management. The next generation converged network will use IP Multimedia Subsystem (IMS) as core control; use Internet PRotocol/Multiprotocol Label Switching (IP/MPLS) as the transport vehicle for the core bearer layer; creates an open service environment at the application layer; integrates disparate access technologies at the access layer. The handset development, meanwhile, will be centered on intelligent and multimode operations, and eventually achieve the goal of “many services on one terminal” meaning that users will have just one device / bill / number / core network.

    KeyWords:networkconvergence;Next Generation Network (NGN); IP Multimedia Subsystem (IMS); Softswitch

    随着IP应用的普及，在20世纪90年代中期，业界提出了电信、计算机、广电三网合一的设想，但是由于技术和治理体制等方面的原因，三网合一一直未能有实质性的进展。21世纪初，电信界基于IP电话的网关功能分解的思想，提出了以软交换为核心的下一代网络体系架构，这就是早期的下一代网络(NGN)。NGN革命性的贡献在于采用了业务、控制、承载与接入分离的分层体系结构，支持水平业务提供模式，摒弃了传统的垂直业务提供模式，从而大大方便了新业务的快速开发和有效提供，可以支持语音、数据、图像等多媒体业务。早期以软交换为核心的NGN架构比较适合传统的固网(如PSTN)向下一代网络的演进。基于固网软交换的思想，第三代合作伙伴计划(3GPP)在其R4版本中引入了移动软交换的概念，并在R5版本中提出了以IP多媒体子系统(IMS)为核心的第三代移动通信(3G)网络架构。目前业界普遍认为，IMS将取代软交换，成为NGN业务层的核心控制技术，基于IMS的下一代网络代表了未来固定和移动网络融合(FMC)的趋势。

    1 网络融合的概念和内容

    1.1网络融合的概念

    融合是未来网络发展的必然趋势，其覆盖范围非常广，涉及用户、运营商、网络技术、设备与解决方案等各个方面。从用户的角度来看，希望能够通过有线无线融合的接入方式和简单易行的通信方式来享受无处不在的个性化服务。对于运营商来说，希望通过统一的方式向用户提供全业务运营，提高市场份额和利润。

    网络融合是采用通用的、开放的技术实现不同网络或网络元素的合并或融合[1]。融合可以充分利用网络资源，降低运营成本，增强竞争力；融合可以向用户提供各种形式的业务和一站式的服务，使用户不论在固定环境中，还是在移动环境中都能享受到相同的服务；融合还给运营商带来增加收入的机遇，减少引入新业务的风险，使其很快成为全业务运营商。

    1.2网络融合的内容

    网络融合包括业务融合、核心网融合、接入网融合、终端融合和运维融合等多个方面。

    业务融合是指运营商通过业务捆绑的方式，将多种分离的业务捆绑在一起，以更优惠的价格向用户提供一站式的服务。业务捆绑提供的是一种商务的融合或经营层面的融合，不涉及底层网络技术的融合，其业务与接入网络和终端有关。其好处是在不对现有网络架构进行改造的情况下，充分利用已有网络资源，满足用户对统一通信业务的需求。这种融合早已开始，如美国地方贝尔运营商早在2002年就推出了业务捆绑服务，将本地电话、长途电话、互联网和移动业务以打折的形式捆绑在一起，同时提供唯一的号码和账单。

    核心网融合包括多个层面：核心承载层的融合、核心控制层的融合以及业务层的融合。

    核心承载层的融合表现为一个统一的基于因特网协议/多协议标记交换(IP/MPLS)的核心承载网将成为多业务融合网络，可以支撑所有有线和无线、移动和固定以及语音、数据和多媒体业务。基于IP/MPLS的融合可以简化网络层次结构，节省网络运营和维护成本。采用多协议标签交换(MPLS)技术的IP网络可以较好地提供业务的服务质量(QoS)和安全保障。

    核心控制层的融合体现为通过软交换或IMS技术为各种多媒体业务和终端用户提供统一的会话控制和治理功能。但由于移动软交换网络和固定软交换网络在功能与协议方面存在较大的差异，目前的一种趋势是采用IMS实现核心控制层的融合，提供面向未来的下一代融合网络。

    在业务层，通过采用NGN的开放业务环境，可以使得业务的提供独立于底层网络资源，向通过各种接入网接入的用户提供统一的融合业务。目前已得到广泛认同的业务与控制分离的下一代网络体系结构，以及得到广泛支持的Parlay/开放式业务架构(Parlay/OSA)应用编程接口(API)，为业务层融合提供了技术保障，使得业务开发更方便、快捷和经济。实际上，业务融合才是网络融合的最终目的，其中业务类型既可以是简单的业务或资费组合业务，也可以是有深度的融合业务，如基于呈现业务(Presence)提供的蜂窝一键通(PoC)业务。

    接入网融合也是整个网络融合中重要的组成部分。未来的接入网络包括各种有线、无线、宽带、窄带接入网，以便最大限度地保证网络的覆盖。因此，构建以IP为基础的公共承载平台，实现宽带和窄带业务、有线和无线业务的融合接入，以及业务在各种接入网络之间的无缝切换是接入网融合的要害。在终端方面，融合体现为同一终端可以支持多种接入技术和业务，如同时支持有线、无线接入以及语音、数据和多媒体接入。

    运维融合主要出于商业考虑，指的是运营商对自己拥有的固定网络和移动网络采用统一的计费营账系统和运营维护系统，为用户提供统一的治理界面，如统一的订购服务、统一的账单服务等，并实现用户数据的统一存放和治理。用户数据的融合将带来更多的个性化融合业务，如混合放号、号码携带、统一号码等。

    2 基于IMS的核心网融合趋势

    近两年，FMC成为业界关注的热点。其中，核心网络的融合是FMC的核心内容，也是最要害的一步，包括核心承载层的融合、核心控制层的融合以及业务层的融合。MPLS技术和IMS体系结构的发展为FMC扫清了道路。MPLS技术能够帮助解决IP网络业务的QoS、安全、流量工程等多方面的问题，而IMS也凭借其多种优势得到了广泛的支持，被认为是实现移动和固定网络融合和发展下一代网络的必经之路。

    2.1 IMS的分层结构和特点

    IMS是3GPP在其R5版本中提出的支持IP多媒体业务的子系统[1]，它基于会话初始协议(SIP)体系，使用SIP呼叫控制机制来创建、治理和终结各种多媒体业务，是一种基于全IP分组传送的与接入无关的网络架构，如图1所示。

    作为网络融合的基础架构，IMS体系包含4个层面，从上至下分别为：业务层、核心控制层、核心承载层和接入层。业务层可以支持3类应用服务器：Parlay/OSA应用服务器、SIP应用服务器以及移动网络增强定制应用逻辑(CAMEL)应用服务器，分别用于提供不同类型的应用；核心控制层基于SIP对会话进行控制和治理，包括网络终端的注册以及SIP信令消息的路由等；核心承载层基于IP/MPLS的分组网络，为各种业务提供承载服务；最底层是接入层，提供IP连接接入网(IP-CAN)的接入功能，各种终端通过IP-CAN接入到IMS核心网络。

    IMS包括的功能实体有呼叫会话控制功能(包括代理呼叫会话控制功能(P-CSCF)、询问呼叫会话控制功能(I-CSCF)和服务呼叫会话控制功能(S-CSCF))、出口网关控制功能(BGCF)、媒体网关控制功能(MGCF)、归属用户服务器(HSS)、签约定位功能(SLF)、多媒体资源功能(MRF)、IMS媒体网关(IMS-MGW)以及信令网关(SGW)等，IMS通过在业务层和核心控制层之间提供开放的业务接口，保证了业务提供与网络控制的分离。

    作为下一代融合网络的核心，IMS的特点包括：采用增强的分层开放体系结构，网络结构更加清楚合理；业务开发独立于接入技术，业务开发速度快；统一采用SIP进行多媒体业务的控制，可以实现真正的端到端的IP通信；经过进一步完善可以具有与接入无关的特点；支持移动性；采用统一的HSS集中治理和维护用户数据，方便实现号码与人的绑定；支持灵活的计费模式，能提供会话的业务类别、业务流量、业务时段等信息，供运营商制订不同的计费策略。

    2.2 基于IMS进行网络融合的原因

    软交换技术的出现使人们曾经考虑核心控制层的融合可以采用软交换技术。但由于软交换起初是针对固定网络提出的演进方案，后来针对移动网络进行改造又提出基于移动软交换的移动GSM网络的演进方案。虽然体系架构基本相同，但固定软交换与移动软交换在功能与协议方面的差异较大，使软交换成为核心控制层融合焦点的可能性减小。

    IMS虽然是针对3G移动网络提出的，但由于IMS采用与固网相同的SIP体系结构，具有接入无关性、支持用户漫游和用户数据的集中治理等优点，从而使利用IMS实现网络融合成为可能。具体来说，主要有以下几个方面的原因：

    (1)IMS顺应了网络IP化和业务多媒体化的趋势。IP代表了技术融合的汇聚点，通过与MPLS等技术的结合，IP技术能够出色地解决多媒体融合业务的承载；而多媒体化则代表了业务融合的汇聚点。

    (2)IMS符合NGN业务、控制、承载与接入分离的要求，是软交换的延伸，并在软交换的基础上对控制功能进一步细分，以形成一个更加灵活的通信控制平台，不仅可以实现人到内容服务器的多媒体通信，而且还可以实现人到人的多媒体通信。

    (3)IMS得到了多个标准化组织的支持，不断发展和完善，大大加快了标准化进程，使IMS可能成为未来网络统一的核心控制技术。3GPP/3GPP2定义了IMS的网络组件和基础架构，3GPP/3GPP2、ETSI TISPAN和ITU-T等组织都在研究基于IMS的下一代网络融合方案，使IMS成为基于SIP的通用控制平台，同时支持固定和移动的多种接入方式，实现全网络的融合。因特网工程任务组(IETF)则定义了IMS框架下的SIP、会话描述协议(SDP)等及其扩展；开放移动联盟(OMA)定义了IMS框架下的系列业务，如即时消息、一键通等。

    (4)IMS在核心控制层引入了HSS。通过采用移动性治理技术以及集中设置的网络数据库支持用户漫游和切换。

    (5)IMS位于核心控制层，对会话提供控制和治理能力，用户可以通过任何IP接入网接入，如GPRS、通用陆地无线接入网(UTRAN)、无线网格网络(WMN)、无线局域网(WLAN)、宽带码分多址接入(WCDMA)、CDMA2000、数字用户线(DSL)、电缆(Cable)等，这些接入网络统称IP-CAN。IMS提供的核心控制层面与接入无关，因此可以实现真正的固定移动融合。

    2.3 基于IMS的下一代融合网络架构

    图2给出了基于IMS的下一代融合网络架构[2]。基于IMS的NGN的目标是提供一个多业务、多接入、基于IP的安全可靠的网络，支持实时或非实时的业务。用户数据集中存储，业务应用以统一的方式提供。

    在基于IMS的NGN体系结构中，业务层定义了两个业务子系统：IP多媒体子系统和PSTN/ISDN仿真子系统。PSTN/ISDN仿真子系统为连接到IP网的传统电话终端仿真PSTN/ISDN业务，使所有PSTN/ISDN业务保持可用性和一致性；IP多媒体子系统则由提供IP多媒体业务的所有构架在分组网络上的核心网络单元构成。

    在接入层，在IMS的基础上增加了对固网接入的支持，以向传统终端提供PSTN/ISDN等传统业务。其中，网络附着子系统(NASS)和资源和接纳控制子系统(RACS)是专为增强IMS的接入能力和QoS保障而提出的。NASS的功能包括IP地址分配、接入认证和授权、业务数据的配置和治理，以及相关的位置治理等。RACS则负责提供资源接纳控制和关口控制功能，检查NASS保存的签约数据的授权。

    2.4基于IMS进行核心网络融合的要害

    从目前的研究进度来看，IMS应用于移动核心网的标准已经成熟，可以支持2G和3G的移动接入方式。但是基于IMS的网络融合的技术标准还处于发展阶段。

    由于有线和无线网络在网络带宽、终端鉴权、位置信息和资源治理等多方面存在差异，固定和移动网络在业务能力、体系架构、协议、编码方式等方面还存在差异[3]。这些问题将成为IMS能否实现NGN核心网络融合的要害。因此还需要对3GPP IMS规范进行扩充和修改。高级网络电信与因特网融合业务和协议(TISPAN)正在对IMS加以扩展以实现固定接入。

    虽然IMS已经被业界认为是下一代融合核心网的技术，一些综合运营商也在进行IMS试验，希望通过IMS实现固定和移动网络的融合。但IMS无论从技术、标准，还是运营政策等方面，都面临一系列的挑战，基于IMS的网络融合尚有很长的路要走。

    3 接入网和终端的融合趋势分析

    接入网融合和终端融合也是整个网络融合中重要的组成部分。

    虽然核心网的融合实现了业务、控制和承载多个层面上的融合，但接入网中还存在各种直接面向用户的有线、无线、宽带或窄带接入网，以最大限度地保证网络的覆盖。在无线接入技术方面，融合表现为2G/2.5G/3G接入网络的融合和终端的融合、CDMA和WCDMA的融合、GSM/WCDMA以及GSM/CDMA终端融合、移动接入和固定无线接入的融合。随着DSL/WLAN/WiMAX/WMN技术的日渐成熟，未来的融合网络还应该能够支持DSL、WLAN、WiMAX、WMN等接入方式及相应的业务，并解决好用户漫游的问题。另外，随着数字电视等流媒体技术应用规模的日渐扩大，未来融合网络还应支持数字视频广播(DVB)等流媒体技术的接入方式以及相应业务的提供方式。因此，构建以IP为基础的公共承载平台，实现宽窄带业务、有线和无线业务的融合接入，以及业务在各种接入网络之间的无缝切换是接入网融合的核心。

    在终端方面，融合体现为同一终端可以支持多种接入技术和业务，如同时支持有线、无线接入以及语音、数据和多媒体接入。随着一些多模终端(如3G/WiFi双模手机等)的出现，目前终端融合正在一定程度上进行。在使用融合终端接入时，终端应能够在不同的接入网络之间无缝切换，这就要求核心网络中必须有相应的设备，如GSM网络的归属位置寄存器或3GPP IMS网络的HSS，能够识别终端是从哪个接入网接入的。因此，从严格来说，终端融合需要在网络实现融合之后才会逐渐呈现旺盛的需求。

    4 结束语

    未来网络融合的根本目标是业务的融合。从网络融合的发展趋势来看，3G业务以及其他已有业务将承载在统一的IP/MPLS核心承载网上，核心控制层将采用IMS技术，在业务层采用统一开放的业务提供架构。随着网络融合的加深，传统固网、移动网、宽带互联网甚至有线电视网等网络之间的界限将会逐步消失。在核心网领域，将逐步采用IMS技术，在接入网领域，将呈现多样化和IP化的趋势，可以支持固定、移动、窄带、宽带等多种接入技术。终端则呈现多模化和智能化的趋势[4]，网络运营商将实现全业务运营。最终实现一个用户、一个号码、一个终端、一个账单、一个核心网络、随时随地享受的全业务模式。

    5 参考文献

    [1]3GPPTS23.228 v6.5.0. IP Multimedia Subsystem (IMS) Stage 2 [S]. 2004.

    [2]ITU-TY.NGN-FRA.NGN functional requirements and architecture of the NGN [S]. 2006.

    [3]张园.基于IMS网络融合的要害技术问题分析[N]. 人民邮电报, 2006-03-07.

    [4]张雪丽.下一代网络业务提供模式及发展趋势[J]. 中兴通讯技术, 2006,12(5):7-10.

    作者简介：

    卢美莲，北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室副教授，硕士生导师。先后主持和参加近20项国家级项目和国际合作项目。已发表论文近20篇，申请发明专利7项。主要研究领域为下一代网络技术、基于IMS的移动通信技术、移动增值服务等。

    程时端，北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室教授，博士生导师。主要研究领域为互联网性能及服务质量、IP网络测量、宽带无线接入、NGN和NGI等。（宁一编辑）