Capítulo 2 Arquitectura IMS, elementos de red e interfaces
2.1 Diagrama de arquitectura IMS 3GPP
Lo primero de lo que hablar es de la evolución de la solución de voz 3GPP, de CS tradicional a softswitch a IMS, como se muestra en la siguiente figura:
La arquitectura IMS a los ojos de 3GPP se define en TS23.228. Como se muestra abajo:
2.2 Diagrama de arquitectura VoNR
Se puede ver que el diagrama de arquitectura IMS en TS23.228 solo se enfoca en la parte IMS y no incluye la red de acceso. Si la red de acceso 5G (NR+5GC) también está marcada, será la imagen de abajo.
En primer lugar, conozcamos estos elementos de red de IMS, que se pueden dividir aproximadamente en seis categorías principales:
- Gestión de sesión y clase de enrutamiento (CSCF);
- Base de datos (HSS/CLF);
- Procesamiento de servicios (AS, MRFC y MRFP para anuncios);
- Interfuncionamiento con otras redes (BGCF, MGCF, IBCF, IMS-MGW, etc.);
- Otros: funciones de soporte, facturación, emisión de datos de suscripción, eNUM, etc.
2.3 Funciones de los elementos de red del IMS
Primero use un diagrama de resumen para ver la función general del elemento de red IMS, como se muestra en el siguiente diagrama:
2.3.1 P-CSCF
P-CSCF (Función de control de sesión de llamada de proxy) es el nodo de entrada y frontera de la red IMS, es decir, toda la señalización SIP de los usuarios debe pasar a través de P-CSCF. Es responsable de recibir solicitudes del mundo exterior (como UE, red de acceso) enviadas a la red IMS y transferirlas a elementos internos de la red IMS (como I-CSCF) para su procesamiento. Al menos las siguientes tareas se asignan de forma exclusiva al P-CSCF: compresión SIP, asociación de seguridad IPsec (entre UE y P-CSCF), interacción de control de políticas con PCRF/PCF, detección de sesiones de emergencia, funciones de seguridad de borde (como ocultación de topología, NAT, etc.).
En una red real, P-CSCF generalmente se ubica junto con SBC (Session Border Control) Además, para admitir eSRVCC, también se ubicará junto con las funciones ATCF/ATGW. La dirección del P-CSCF generalmente se configura en el SMF/PGW-C y se entrega al UE a través del proceso de establecimiento de sesión de PDU 5G.
Las funciones realizadas por el P-CSCF incluyen:
Reenviar la solicitud de registro SIP del UE a la I-CSCF local (o visitada);
Reenviar mensajes SIP (como INVITE) recibidos desde el UE al S-CSCF doméstico;
reenviar la solicitud o respuesta SIP al UE;
Generar información de facturación relevante;
Establecer y mantener una asociación de seguridad con el UE;
Realizar compresión y descompresión de mensajes SIP;
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：
- 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 |