基于IMS架構的IPTV系統(tǒng)的研究及解決方案
楊維 2007/07/03
摘要：文章提供一種在IP多媒體子系統(tǒng)(IMS)網(wǎng)絡中實現(xiàn)交互式網(wǎng)絡電視(IPTV)業(yè)務的方案。方案采用超文本傳輸呼叫會話控制功能設備(H-CSCF)提供Mw接口，接入IMS核心網(wǎng)，實現(xiàn)IPTV和IMS業(yè)務的融合組網(wǎng)。使得運營商無需對現(xiàn)有大量的IPTV終端進行升級和改造，就能在基于IMS的電信融合網(wǎng)絡中提供IPTV業(yè)務；同時提供統(tǒng)一的用戶管理、服務質量(QoS)保證、并支持與下一代網(wǎng)絡其他業(yè)務的融合。對于已經(jīng)布置了基于IMS通信網(wǎng)絡的運營商，采用該方案可以簡單地提供IPTV業(yè)務，也可以支持IPTV與其他通信業(yè)務的融合；同樣對于已經(jīng)布置了IPTV系統(tǒng)的運營商，采用該方案可以通過對核心設備的簡單升級和改造，實現(xiàn)和IMS核心網(wǎng)的融合，降低運營成本。
IP多媒體子系統(tǒng)(IMS)作為下一代網(wǎng)絡(NGN)標準架構下的多媒體子系統(tǒng)，為固定軟交換網(wǎng)與移動軟交換網(wǎng)提供了融合的體系架構；通過設置獨立的歸屬用戶服務器(HSS)數(shù)據(jù)庫促進了控制層面與數(shù)據(jù)層面的分離，實現(xiàn)了運營商對用戶數(shù)據(jù)和業(yè)務數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理等；更重要的是IMS系統(tǒng)架構實現(xiàn)了業(yè)務和控制層面的分離，運營商可以在這一架構下培育更多新業(yè)務。近期的標準研究表明，IMS的架構應用于交互式網(wǎng)絡電視(IPTV)等流媒體業(yè)務正成為一個新的發(fā)展趨勢。可以充分利用IMS的架構優(yōu)勢，如呼叫會話控制功能(CSCF)應用到IPTV的用戶認證、業(yè)務觸發(fā)等方面，而HSS則可以更好地管理IPTV的用戶數(shù)據(jù)。隨著IMSBasedPES標準技術的日益成熟，已經(jīng)形成了一種基于IMS核心網(wǎng)架構來解決公共交換電話網(wǎng)/綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)(PSTN/ISDN)業(yè)務提供的新型模式。同樣，對應到IPTV系統(tǒng)，也可以采用類似基于IMS核心網(wǎng)的架構來解決IPTV業(yè)務提供的模式問題[1-4]。
1.1內容運營平臺
內容運營平臺主要包括內容運營商平臺以及第三方業(yè)務提供商提供的應用服務。內容運營商平臺主要負責相關視音頻節(jié)目播放系統(tǒng)和監(jiān)管系統(tǒng)的建設與管理。其功能包含業(yè)務邏輯處理、業(yè)務數(shù)據(jù)處理，視音頻節(jié)目內容的組織、制作、審核、存儲、轉播、內容安全等。第三方業(yè)務提供商主要提供在線游戲、信息服務、電子商務、互動節(jié)目等應用服務，通過內容運營商平臺發(fā)布，供用戶訂購后使用。
1.2業(yè)務運營平臺
業(yè)務運營平臺是運營商有效管理IPTV用戶、內容提供商、業(yè)務提供商等的多功能平臺。包括業(yè)務管理、服務提供商/內容提供商(SP/CP)管理、用戶管理、內容管理和內容計費等功能，并實現(xiàn)與外部的運營支持系統(tǒng)/商業(yè)支持系統(tǒng)(OSS/BSS)互連。業(yè)務運營平臺主要由業(yè)務處理系統(tǒng)、內容管理系統(tǒng)、運營支撐系統(tǒng)、內容分發(fā)系統(tǒng)、電子節(jié)目指南(EPG)系統(tǒng)、機頂盒版本管理系統(tǒng)、話單服務系統(tǒng)、接口系統(tǒng)以及各種業(yè)務功能模塊等組成。
1.3CDN業(yè)務網(wǎng)絡
業(yè)務網(wǎng)絡的基本原理是把業(yè)務內容(視音頻節(jié)目內容)推送到網(wǎng)絡邊緣，為用戶就近提供服務，從而有效提高服務質量，降低骨干網(wǎng)絡的傳輸壓力。同時，通過靈活配置邊緣視頻服務器的部署方式，有效解決視頻網(wǎng)絡的伸縮性問題。
業(yè)務網(wǎng)絡的核心技術是內容服務分發(fā)機制。內容傳送業(yè)務網(wǎng)絡性能特點如下：
(1)完備的內容分發(fā)功能。主要的分發(fā)技術主要包括：推(PUSH)分發(fā)、拉(PULL)分發(fā)、鏡像分發(fā)。無論何種分發(fā)技術都能夠支持多種媒體文件的分發(fā)播放。
(2)支持兩級調度機制：面向運營商的節(jié)目內容調度機制、CDN網(wǎng)絡節(jié)點間雙向對等調度機制。
(3)獨特的直播中繼與轉發(fā)功能。對直播業(yè)務，如果城域網(wǎng)組播能力比較弱，在暫時無法通過全網(wǎng)組播方式開展直播業(yè)務的情況下，可借助CDN分發(fā)網(wǎng)絡實現(xiàn)直播業(yè)務的中繼和轉發(fā)。
(4)高性能計算，CDN中的服務器是一個典型的多線程體系結構的軟件服務器，無論從內存預測調度，節(jié)目分盤存儲，還是多并發(fā)視頻流穩(wěn)定輸出，都采用了多線程技術。
(5)采用統(tǒng)一的視頻泵支持多種流媒體格式。可解決支持多種流媒體文件格式并發(fā)困難以及實現(xiàn)全面負載均衡等問題。
(6)為了支持大規(guī)模并發(fā)和各種復雜的傳輸網(wǎng)絡，CDN業(yè)務網(wǎng)絡采用流結構實現(xiàn)視頻信息傳輸。
(7)CDN系統(tǒng)分盤存儲技術全面利用了硬盤資源和系統(tǒng)輸入輸出(IO)性能，不但能夠提高系統(tǒng)的并發(fā)能力，而且平衡了硬盤的負載，能夠有效延長硬盤的平均使用壽命。
(8)直播中繼。在不支持全網(wǎng)組播的情況下，將直播節(jié)目通過CDN網(wǎng)絡，經(jīng)由一級節(jié)點、二級節(jié)點層層中繼到邊緣節(jié)點，邊緣節(jié)點再結合網(wǎng)絡具體情況以單播或組播的方式為最終用戶提供直播服務。
(9)內存預讀緩沖技術(Caching&PreDissuTech)和服務質量(QoS)控制。
(10)CDN系統(tǒng)采用開放式結構，可支持直接附加存儲(DAS)、網(wǎng)絡附加存儲(NAS)、存儲區(qū)域網(wǎng)(SAN)等多種共享存儲設備。
(11)可擴展技術將網(wǎng)絡平滑擴展成分級分布式流媒體服務網(wǎng)絡，使從百級到上萬級的流服務都有可靠的服務質量保證。
1.4承載網(wǎng)絡
承載網(wǎng)絡主要由接入路由器、寬帶接入遠程服務器(BRAS)、ADSL接入復用器(DSLAM)和調制解調器(MODEM)等設備組成，所有這些設備共同負責將IPTV業(yè)務流從視頻服務網(wǎng)絡傳送到用戶終端。對點播類業(yè)務，寬帶接入網(wǎng)絡只提供用戶接入控制和數(shù)據(jù)傳送通道，同時保證IPTV點播業(yè)務的QoS，業(yè)務的控制則是由業(yè)務管理和終端實現(xiàn)。對直播類業(yè)務，寬帶接入網(wǎng)絡在實現(xiàn)傳送功能同時，還可以進行直播業(yè)務權限控制、直播業(yè)務統(tǒng)計等功能，同時保證IPTV直播業(yè)務的QoS。
1.5家庭網(wǎng)絡
針對家庭信息業(yè)務日趨豐富的趨勢，IPTV系統(tǒng)在家庭業(yè)務以及統(tǒng)一接入等方面為用戶構建了功能強大的網(wǎng)絡解決方案。機頂盒作為家庭網(wǎng)絡的一個重要組成部分，已經(jīng)形成了系列化；針對不同的IPTV用戶需求可提供從低端到高端多種系列的機頂盒設備。
2IMS系統(tǒng)架構介紹
2.1NGNIMS網(wǎng)絡架構
(1)P-CSCF
代理-呼叫會話控制功能(P-CSCF)主要完成用戶IMS業(yè)務的代理功能、信令的安全性功能、承載的授權功能、計費策略下載功能等；在用戶設備(UE)獲得IMS服務時，P-CSCF是第一個聯(lián)系節(jié)點。用戶設備通過一個“本地CSCF發(fā)現(xiàn)”流程來得到P-CSCF的地址。P-CSCF的作用就像一個代理服務器，它把收到的請求和服務進行處理或轉發(fā)。主要完成和用戶接入的相關功能，如信令壓縮、安全性等。
P-CSCF的引入使得業(yè)務的接入和控制得到了分離，使得歸屬業(yè)務控制成為可能。
(2)I-CSCF
查詢-呼叫會話控制功能(I-CSCF)主要完成歸屬網(wǎng)絡S-CSCF的分配功能(用戶注冊時)、IMS呼入的路由功能。
在有些情況下，不同的網(wǎng)絡運營商之間可能需要隱藏內部的邏輯，此時需要隱藏網(wǎng)絡拓撲的網(wǎng)絡會在網(wǎng)絡接口處插入一個設備，稱為I-CSCF，該設備對進出本網(wǎng)絡的會話初始協(xié)議(SIP)信令進行轉接，隱藏SIP信令中的內部路由信息。
(3)S-CSCF
服務-呼叫會話控制功能(S-CSCF)主要完成用戶的認證、注冊、業(yè)務授權、業(yè)務觸發(fā)、業(yè)務路由、計費等功能。S-CSCF執(zhí)行會話控制功能，它可以根據(jù)網(wǎng)絡運營商的需要，維持會話狀態(tài)信息。在同一個運營商的網(wǎng)絡中，不同的S-CSCF可以有不同的功能。S-CSCF是為用戶服務的主要服務節(jié)點，在用戶注冊期間進行分配。P-CSCF和S-CSCF兩者配合完成IMS的業(yè)務歸屬控制特性。
(4)BGCF
出口網(wǎng)關控制功能(BGCF)用來選擇與PSTN(或電路域)接口點相連的網(wǎng)絡。如果BGCF發(fā)現(xiàn)自己所在的網(wǎng)絡與接口點相連，那么BGCF就選擇一個媒體網(wǎng)關控制功能(MGCF)，該MGCF負責與PSTN(或電路域)的交互。如果接口點在另一個網(wǎng)絡，那么BGCF就把會話信令轉發(fā)給另一個網(wǎng)絡的BGCF。
BGCF在選擇與PSTN相連的網(wǎng)絡的時候，可以使用本地路由配置，也可能會利用收到的其他協(xié)議交換得到的信息。
(5)MGCF
MGCF是IMS控制面與傳統(tǒng)PSTN/CS網(wǎng)絡的互通點；控制IMS-MGW(或T-MGF)以完成媒體面的互通(通過H.248)；在IMS側與I/S-CSCF互通，在PSTN/CS側完成SIP到BICC/ISUP協(xié)議轉換。
(6)HSS
HSS存儲IMS用戶的簽約數(shù)據(jù)、業(yè)務屬性數(shù)據(jù)、位置信息、鑒權信息等；也可提供傳統(tǒng)的歸屬位置寄存器(HLR)功能(如電路域(CS)簽約數(shù)據(jù)、分組域(PS)簽約數(shù)據(jù))和各種接口(如Diameter、MAP)。
(7)SLF
簽約定位功能(SLF)根據(jù)SIP統(tǒng)一資源標識符(URI)定位HSS，需要訪問HSS的實體均需調用(單一HSS環(huán)境下不需要調用)。
(8)AS
業(yè)務服務器(AS)主要完成業(yè)務邏輯的控制和執(zhí)行。
(9)MRFC
媒體資源控制功能(MRFC)是IMS域內部的媒體控制資源功能。MRFC維護、控制MRFP中的媒體資源(通過H.248)；與S-CSCF互通，間接接受AS的控制；在IMS建設初期可以考慮內置在AS中。
(10)MRFP
媒體資源功能(MRFP)是IMS域內部的媒體資源功能，接受MRFC控制(通過H.248)，提供聲碼器資源、通知音資源、會議橋資源等。
(11)RACS
資源控制子系統(tǒng)(RACS)主要完成管理控制、資源預留、策略控制、網(wǎng)絡地址轉換(NAT)穿越和控制等功能。Gq’屬于Diameter接口，完成與核心網(wǎng)的交互，與NASS共同完成QoS和策略控制等功能。
(12)NASS
網(wǎng)絡附屬子系統(tǒng)(NASS)主要完成UE終端IP地址的分配、接入網(wǎng)絡的配置、接入網(wǎng)絡的鑒權和認證等功能。
2.2IMSBasedPES網(wǎng)絡架構
IMSBasedPES網(wǎng)絡架構如圖3所示。IMSBasedPES系統(tǒng)在IMS架構的基礎上新增接入網(wǎng)關控制功能(AGCF)實體，其他實體均與IMS原有實體對應，但在功能上有差異和擴展。傳統(tǒng)的終端和/或訪問節(jié)點通過媒體網(wǎng)關(MG)和網(wǎng)關(GW)接入公共交換電話網(wǎng)/綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)仿真子系統(tǒng)(PES)。
接口協(xié)議可以是H.248(P1參考點)或SIP(Gm參考點)，如果網(wǎng)關類型是MG，協(xié)議采用H.248；如果網(wǎng)關類型是GW，協(xié)議采用SIP；獨立的PSTN/ISDN子網(wǎng)也可以通過中繼媒體網(wǎng)關連接(Mn參考點)。
AGCF功能實體是為PES特殊定義的，是從MG和GW訪問PES的第一個接觸點，功能如下：
作為MGC控制各媒體網(wǎng)關
與RACS子系統(tǒng)進行交互
與NASS子系統(tǒng)進行交互以獲取用戶線屬性信息
通過P1參考點實現(xiàn)模擬信令與SIP信令之間的轉換
與其他IMSSIP功能實體作為SIP用戶代理工作
對于媒體網(wǎng)關后面的傳統(tǒng)接入終端執(zhí)行P-CSCF的功能(例如管理SIP注冊過程、產(chǎn)生用戶身份關聯(lián)標識，以及生成計費標識)
AGCF對于其他CSCF來說實際上是一個P-CSCF。SIP信令遵循Mw參考點定義。
3IMSBasedIPTV系統(tǒng)研究
3.1IMSBasedIPTV網(wǎng)絡架構
IMSBasedIPTV網(wǎng)絡架構如圖4所示。借鑒IMSBasedPES系統(tǒng)的思路和想法，IPTV系統(tǒng)也可以使用IMS核心網(wǎng)元來完成用戶的鑒權認證及相關業(yè)務服務器的地址獲取工作，同時利用IMS核心網(wǎng)元完成終端和IPTVAS之間的消息轉發(fā)傳遞工作，也可以采用IMS系統(tǒng)中的SIP呼叫方式完成IPTV媒體地址的協(xié)商和傳送。增加H-CSCF邏輯功能實體的目的和作用主要有兩點：一方面是通過H-CSCF完成超文本傳輸協(xié)議(HTTP)到SIP的轉換，所有基于Web的終端都可以享受到IMS核心網(wǎng)絡的服務，而不僅僅局限于IPTV的機頂盒(STB)客戶端；另一方面，后續(xù)很多基于Web的終端(包括STB)所希望享受的服務不僅僅是IMS網(wǎng)絡提供的，還有很多是基于互聯(lián)網(wǎng)的服務，如網(wǎng)絡游戲、資訊瀏覽等不適宜IMS核心網(wǎng)提供的服務，這些服務可以通過H-CSCF進行旁路。
H-CSCF和I/S-CSCF之間的接口Mw采用SIP，STB和H-CSCF之間的H1接口采用HTTP，H2接口為H-CSCF和管理系統(tǒng)/外部數(shù)據(jù)庫等之間的接口。H-CSCF基本上就是由IPTV的EPG系統(tǒng)改進升級而來，同時具有P-CSCF的功能。
IPTV系統(tǒng)中的CDN網(wǎng)絡可以對應到IMS系統(tǒng)中的媒體資源功能(MRF)網(wǎng)元；STB采用目前的終端，主要支持超文本傳輸協(xié)議/實時流式媒體協(xié)議(HTTP/RTSP)等。IPTV需要進入IMS核心網(wǎng)的原則定義涉及鑒權認證、計費、QoS，以及需要和IMS業(yè)務的交互等，這樣就可以直接使用IMS系統(tǒng)架構下的QoS、計費等解決方案來解決IPTV的QoS和計費等需求。
3.2IMSBasedIPTV用戶認證流程
機頂盒要設置H-CSCF的地址和版本服務器的IP地址才能接入IPTV業(yè)務。用戶認證流程如下：
(1)機頂盒開機自檢。
(2)向寬帶接入請求網(wǎng)絡接入。
(3)網(wǎng)絡接入成功，取得IP地址和建立網(wǎng)絡連接。
(4)向機頂盒版本服務器請求版本更新。
(5)機頂盒版本服務器檢查版本是否需要更新，若需要更新，返回最新版本，否則告知機頂盒不需要版本更新。
(6)機頂盒更新版本。
(7)向H-CSCF發(fā)登陸請求。
(8)H-CSCF返回登陸頁面。
(9)用戶輸入帳號和口令，向H-CSCF提交業(yè)務認證請求；請求經(jīng)H-CSCF到達IMS核心網(wǎng)。
(10)IMS核心網(wǎng)和相關功能實體交互，認證通過后形成臨時身份證和授權信息，并通知IPTVAS用戶鑒權認證通過。
(11)IMS核心網(wǎng)把認證結果+臨時身份證+授權信息返回給H-CSCF，H-CSCF按照這些信息生成新的頁面，并連同前述信息一起返回給機頂盒。
(12)機頂盒更新EPG并記下授權信息和身份證書。
3.3IMSBasedIPTV點播業(yè)務流程
點播流程(即VOD)是指用戶播放已訂購節(jié)目的流程。用戶通過H-CSCF選擇已訂購的點播節(jié)目，向系統(tǒng)發(fā)出點播請求，并最終得到視頻流。具體流程如下：
(1)用戶根據(jù)EPG選擇已訂節(jié)目，通過H-CSCF向IMS核心網(wǎng)發(fā)出呼叫請求。
(2)IMS核心網(wǎng)檢查用戶信息，初始過濾標準(iFC)觸發(fā)到IPTVAS進行處理。
(3)IPTVAS通過和CDN網(wǎng)絡交互，確定最終服務的視頻服務器和視頻流信息，并通過核心網(wǎng)返回給H-CSCF。
(4)IPTVAS向運營支持管理系統(tǒng)發(fā)送計費信息。
(5)H-CSCF將服務的視頻服務器和視頻流信息及相關授權信息返回給機頂盒。
(6)機頂盒攜身份證書和授權證書向選定的視頻服務網(wǎng)絡發(fā)送視頻連接請求。
(7)視頻服務網(wǎng)絡通過OSS業(yè)務控制系統(tǒng)進行身份證書和授權證書的校驗，同時在OSS管理系統(tǒng)內生成業(yè)務統(tǒng)計信息。
(8)校驗通過后，視頻服務網(wǎng)絡允許建立視頻連接并給機頂盒應答。
(9)視頻連接建立成功后，機頂盒與視頻服務網(wǎng)絡中的流媒體服務器進行視頻流傳輸。如果視頻內容受數(shù)字版權保護，則機頂盒解碼視頻之前還需要進行數(shù)字版權驗證的使用流程。在視頻流傳輸中，用戶可以發(fā)起快進、快退、暫停等視頻錄放(VCR)操作，這些操作流程在機頂盒和流媒體服務器之間完成。
4結束語
IMS系統(tǒng)架構已經(jīng)成為目前公認的下一代融合的網(wǎng)絡架構，其業(yè)務提供模式和QoS解決方案都有專門的標準組織進行分析和技術支持。后續(xù)IMSBasedIPTV系統(tǒng)可以考慮和現(xiàn)有的IMS業(yè)務進行結合，如在線業(yè)務、視頻會議業(yè)務等。還可以考慮和移動的流媒體業(yè)務結合，同時為移動終端提供IPTV服務[5-6]。
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收稿日期：2006-11-03
作者簡介：
楊維，浙江大學信息工程專業(yè)畢業(yè)�，F(xiàn)任中興通訊股份有限公司網(wǎng)絡事業(yè)部系統(tǒng)一部項目經(jīng)理。主要研究領域為傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡向NGN的演進、NGN系統(tǒng)下三網(wǎng)融合的網(wǎng)絡架構和業(yè)務提供等。屠嘉順，東南大學電子工程系畢業(yè)。中興通訊股份有限公司網(wǎng)絡事業(yè)部系統(tǒng)一部副部長。長期參與中國和國際標準制訂工作，完成多項中國通信標準和國際通信標準提案，現(xiàn)任ITU-TQ8/SG13(NGN業(yè)務場景和應用模式)課題組報告人。高毅，南京大學計算數(shù)學專業(yè)畢業(yè)。中興通訊股份有限公司有線網(wǎng)絡產(chǎn)品標準研究總監(jiān)。長期參與中國和國際通信標準制訂工作，現(xiàn)任CCSA網(wǎng)絡與交換技術委員會信令協(xié)議工作組副組長。
通信世界網(wǎng)(www.cww.net.cn)
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