基于IMS架构的IPTV系统实现分析

作 者：杨维 屠嘉顺 高毅

    文章提供一种在IP多媒体子系统(IMS)网络中实现交互式网络电视(IPTV)业务的方案。方案采用超文本传输呼叫会话控制功能设备(H-CSCF)提供Mw接口，接入IMS核心网，实现IPTV和IMS业务的融合组网。使得运营商无需对现有大量的IPTV终端进行升级和改造，就能在基于IMS的电信融合网络中提供IPTV业务；同时提供统一的用户管理、服务质量(QoS)保证、并支持与下一代网络其他业务的融合。对于已经布置了基于IMS通信网络的运营商，采用该方案可以简单地提供IPTV业务，也可以支持IPTV与其他通信业务的融合；同样对于已经布置了IPTV系统的运营商，采用该方案可以通过对核心设备的简单升级和改造，实现和IMS核心网的融合，降低运营成本。

     IP多媒体子系统(IMS)作为下一代网络(NGN)标准架构下的多媒体子系统，为固定软交换网与移动软交换网提供了融合的体系架构；通过设置独立的归属用户服务器(HSS)数据库促进了控制层面与数据层面的分离，实现了运营商对用户数据和业务数据的统一管理等；更重要的是IMS系统架构实现了业务和控制层面的分离，运营商可以在这一架构下培育更多新业务。近期的标准研究表明，IMS的架构应用于交互式网络电视(IPTV)等流媒体业务正成为一个新的发展趋势。可以充分利用IMS的架构优势，如呼叫会话控制功能(CSCF)应用到IPTV的用户认证、业务触发等方面，而HSS则可以更好地管理IPTV的用户数据。随着IMS Based PES标准技术的日益成熟，已经形成了一种基于IMS核心网架构来解决公共交换电话网/综合业务数字网(PSTN/ISDN)业务提供的新型模式。同样，对应到IPTV系统，也可以采用类似基于IMS核心网的架构来解决IPTV业务提供的模式问题[1-4]。

    1 IPTV架构介绍

     图1所示为IPTV系统架构。IPTV通用系统的逻辑结构由内容运营平台、业务运营平台、内容传送(CDN)业务网络、承载网络、家庭网络5部分所构成。

    1.1 内容运营平台

     内容运营平台主要包括内容运营商平台以及第三方业务提供商提供的应用服务。内容运营商平台主要负责相关视音频节目播放系统和监管系统的建设与管理。其功能包含业务逻辑处理、业务数据处理，视音频节目内容的组织、制作、审核、存储、转播、内容安全等。第三方业务提供商主要提供在线游戏、信息服务、电子商务、互动节目等应用服务，通过内容运营商平台发布，供用户订购后使用。

    1.2 业务运营平台

     业务运营平台是运营商有效管理IPTV用户、内容提供商、业务提供商等的多功能平台。包括业务管理、服务提供商/内容提供商(SP/CP)管理、用户管理、内容管理和内容计费等功能，并实现与外部的运营支持系统/商业支持系统(OSS/BSS)互连。业务运营平台主要由业务处理系统、内容管理系统、运营支撑系统、内容分发系统、电子节目指南(EPG)系统、机顶盒版本管理系统、话单服务系统、接口系统以及各种业务功能模块等组成。 

1.3 CDN业务网络

     业务网络的基本原理是把业务内容(视音频节目内容)推送到网络边缘，为用户就近提供服务，从而有效提高服务质量，降低骨干网络的传输压力。同时，通过灵活配置边缘视频服务器的部署方式，有效解决视频网络的伸缩性问题。

    业务网络的核心技术是内容服务分发机制。内容传送业务网络性能特点如下：

     (1)完备的内容分发功能。主要的分发技术主要包括：推(PUSH)分发、拉(PULL)分发、镜像分发。无论何种分发技术都能够支持多种媒体文件的分发播放。

     (2)支持两级调度机制：面向运营商的节目内容调度机制、CDN网络节点间双向对等调度机制。

     (3)独特的直播中继与转发功能。对直播业务，如果城域网组播能力比较弱，在暂时无法通过全网组播方式开展直播业务的情况下，可借助CDN分发网络实现直播业务的中继和转发。

     (4)高性能计算，CDN中的服务器是一个典型的多线程体系结构的软件服务器，无论从内存预测调度，节目分盘存储，还是多并发视频流稳定输出，都采用了多线程技术。

     (5)采用统一的视频泵支持多种流媒体格式。可解决支持多种流媒体文件格式并发困难以及实现全面负载均衡等问题。

     (6)为了支持大规模并发和各种复杂的传输网络，CDN业务网络采用流结构实现视频信息传输。

     (7)CDN系统分盘存储技术全面利用了硬盘资源和系统输入输出(IO)性能，不但能够提高系统的并发能力，而且平衡了硬盘的负载，能够有效延长硬盘的平均使用寿命。

     (8)直播中继。在不支持全网组播的情况下，将直播节目通过CDN网络，经由一级节点、二级节点层层中继到边缘节点，边缘节点再结合网络具体情况以单播或组播的方式为最终用户提供直播服务。

     (9)内存预读缓冲技术(Caching & Pre Dissu Tech)和服务质量(QoS)控制。

     (10)CDN系统采用开放式结构，可支持直接附加存储(DAS)、网络附加存储(NAS)、存储区域网(SAN)等多种共享存储设备。

     (11)可扩展技术将网络平滑扩展成分级分布式流媒体服务网络，使从百级到上万级的流服务都有可靠的服务质量保证。

    1.4 承载网络

     承载网络主要由接入路由器、宽带接入远程服务器(BRAS)、ADSL接入复用器(DSLAM)和调制解调器(MODEM)等设备组成，所有这些设备共同负责将IPTV业务流从视频服务网络传送到用户终端。对点播类业务，宽带接入网络只提供用户接入控制和数据传送通道，同时保证IPTV点播业务的QoS，业务的控制则是由业务管理和终端实现。对直播类业务，宽带接入网络在实现传送功能同时，还可以进行直播业务权限控制、直播业务统计等功能，同时保证IPTV直播业务的QoS。

    1.5 家庭网络

    针对家庭信息业务日趋丰富的趋势，IPTV系统在家庭业务以及统一接入等方面为用户构建了功能强大的网络解决方案。机顶盒作为家庭网络的一个重要组成部分，已经形成了系列化；针对不同的IPTV用户需求可提供从低端到高端多种系列的机顶盒设备。

    2 IMS系统架构介绍

2.1 NGN IMS网络架构

     图2所示为NGN IMS的网络架构(会话控制、承载)，下面介绍一下该网络架构中主要逻辑实体。

     (1)P-CSCF

     代理-呼叫会话控制功能(P-CSCF)主要完成用户IMS业务的代理功能、信令的安全性功能、承载的授权功能、计费策略下载功能等；在用户设备(UE)获得IMS服务时，P-CSCF是第一个联系节点。用户设备通过一个“本地CSCF发现”流程来得到P-CSCF的地址。P-CSCF的作用就像一个代理服务器，它把收到的请求和服务进行处理或转发。主要完成和用户接入的相关功能，如信令压缩、安全性等。

     P-CSCF的引入使得业务的接入和控制得到了分离，使得归属业务控制成为可能。

     (2)I-CSCF

     查询-呼叫会话控制功能(I-CSCF)主要完成归属网络S-CSCF的分配功能(用户注册时)、IMS呼入的路由功能。

    在有些情况下，不同的网络运营商之间可能需要隐藏内部的逻辑，此时需要隐藏网络拓扑的网络会在网络接口处插入一个设备，称为I-CSCF，该设备对进出本网络的会话初始协议(SIP)信令进行转接，隐藏SIP信令中的内部路由信息。

     (3)S-CSCF

     服务-呼叫会话控制功能(S-CSCF)主要完成用户的认证、注册、业务授权、业务触发、业务路由、计费等功能。S-CSCF执行会话控制功能，它可以根据网络运营商的需要，维持会话状态信息。在同一个运营商的网络中，不同的S-CSCF可以有不同的功能。S-CSCF是为用户服务的主要服务节点，在用户注册期间进行分配。P-CSCF和S-CSCF两者配合完成IMS的业务归属控制特性。

     (4)BGCF

     出口网关控制功能(BGCF)用来选择与PSTN(或电路域)接口点相连的网络。如果BGCF发现自己所在的网络与接口点相连，那么BGCF就选择一个媒体网关控制功能(MGCF)，该MGCF负责与PSTN(或电路域)的交互。如果接口点在另一个网络，那么BGCF就把会话信令转发给另一个网络的BGCF。

     BGCF在选择与PSTN相连的网络的时候，可以使用本地路由配置，也可能会利用收到的其他协议交换得到的信息。

     (5)MGCF

     MGCF是IMS控制面与传统PSTN/CS网络的互通点；控制IMS-MGW(或T-MGF)以完成媒体面的互通(通过H.248)；在IMS侧与I/S-CSCF互通，在PSTN/CS侧完成SIP到BICC/ISUP协议转换。

     (6)HSS

     HSS存储IMS用户的签约数据、业务属性数据、位置信息、鉴权信息等；也可提供传统的归属位置寄存器(HLR)功能(如电路域(CS)签约数据、分组域(PS)签约数据)和各种接口(如Diameter、MAP)。

     (7)SLF

     签约定位功能(SLF)根据SIP统一资源标识符(URI)定位HSS，需要访问HSS的实体均需调用(单一HSS环境下不需要调用)。

     (8)AS

业务服务器(AS)主要完成业务逻辑的控制和执行。

     (9)MRFC

     媒体资源控制功能(MRFC)是IMS域内部的媒体控制资源功能。MRFC维护、控制MRFP中的媒体资源(通过H.248)；与S-CSCF互通，间接接受AS的控制；在IMS建设初期可以考虑内置在AS中。

     (10)MRFP

     媒体资源功能(MRFP)是IMS域内部的媒体资源功能，接受MRFC控制(通过H.248)，提供声码器资源、通知音资源、会议桥资源等。

     (11)RACS

     资源控制子系统(RACS)主要完成管理控制、资源预留、策略控制、网络地址转换(NAT)穿越和控制等功能。Gq’属于Diameter接口，完成与核心网的交互，与NASS共同完成QoS和策略控制等功能。

     (12)NASS

     网络附属子系统(NASS)主要完成UE终端IP地址的分配、接入网络的配置、接入网络的鉴权和认证等功能。

    2.2 IMS Based PES网络架构

     IMS Based PES网络架构如图3所示。IMS Based PES系统在IMS架构的基础上新增接入网关控制功能(AGCF)实体，其他实体均与IMS原有实体对应，但在功能上有差异和扩展。传统的终端和/或访问节点通过媒体网关(MG)和网关(GW)接入公共交换电话网/综合业务数字网仿真子系统(PES)。

     接口协议可以是H.248(P1参考点)或SIP(Gm参考点)，如果网关类型是MG，协议采用H.248；如果网关类型是GW，协议采用SIP；独立的PSTN/ISDN子网也可以通过中继媒体网关连接(Mn参考点)。

     AGCF功能实体是为PES特殊定义的，是从MG和GW访问PES的第一个接触点，功能如下：

    作为MGC控制各媒体网关

    与RACS子系统进行交互

    与NASS子系统进行交互以获取用户线属性信息

    通过P1参考点实现模拟信令与SIP信令之间的转换

    与其他IMS SIP功能实体作为SIP用户代理工作

    对于媒体网关后面的传统接入终端执行P-CSCF的功能(例如管理SIP注册过程、产生用户身份关联标识，以及生成计费标识)

     AGCF对于其他CSCF来说实际上是一个P-CSCF。SIP信令遵循Mw参考点定义。

    3 IMS Based IPTV系统研究

    3.1 IMS Based IPTV网络架构

     IMS Based IPTV网络架构如图4所示。借鉴IMS Based PES系统的思路和想法，IPTV系统也可以使用IMS核心网元来完成用户的鉴权认证及相关业务服务器的地址获取工作，同时利用IMS核心网元完成终端和IPTV AS之间的消息转发传递工作，也可以采用IMS系统中的SIP呼叫方式完成IPTV媒体地址的协商和传送。增加H-CSCF逻辑功能实体的目的和作用主要有两点：一方面是通过H-CSCF完成超文本传输协议(HTTP)到SIP的转换，所有基于Web的终端都可以享受到IMS核心网络的服务，而不仅仅局限于IPTV的机顶盒(STB)客户端；另一方面，后续很多基于Web的终端(包括STB)所希望享受的服务不仅仅是IMS网络提供的，还有很多是基于互联网的服务，如网络游戏、资讯浏览等不适宜IMS核心网提供的服务，这些服务可以通过H-CSCF进行旁路。

     H-CSCF和I/S-CSCF之间的接口Mw采用SIP，STB和H-CSCF之间的H1接口采用HTTP，H2接口为H-CSCF和管理系统/外部数据库等之间的接口。H-CSCF基本上就是由IPTV的EPG系统改进升级而来，同时具有P-CSCF的功能。

     IPTV系统中的CDN网络可以对应到IMS系统中的媒体资源功能(MRF)网元；STB采用目前的终端，主要支持超文本传输协议/实时流式媒体协议(HTTP/RTSP)等。IPTV需要进入IMS核心网的原则定义涉及鉴权认证、计费、QoS，以及需要和IMS业务的交互等，这样就可以直接使用IMS系统架构下的QoS、计费等解决方案来解决IPTV的QoS和计费等需求。

    3.2 IMS Based IPTV用户认证流程

     机顶盒要设置H-CSCF的地址和版本服务器的IP地址才能接入IPTV业务。用户认证流程如下：

     (1)机顶盒开机自检。

     (2)向宽带接入请求网络接入。

     (3)网络接入成功，取得IP地址和建立网络连接。

     (4)向机顶盒版本服务器请求版本更新。

     (5)机顶盒版本服务器检查版本是否需要更新，若需要更新，返回最新版本，否则告知机顶盒不需要版本更新。

     (6)机顶盒更新版本。

     (7)向H-CSCF发登陆请求。

     (8)H-CSCF返回登陆页面。

     (9)用户输入帐号和口令，向H-CSCF提交业务认证请求；请求经H-CSCF到达IMS核心网。

     (10)IMS核心网和相关功能实体交互，认证通过后形成临时身份证和授权信息，并通知IPTV AS用户鉴权认证通过。

     (11)IMS核心网把认证结果+临时身份证+授权信息返回给H-CSCF，H-CSCF按照这些信息生成新的页面，并连同前述信息一起返回给机顶盒。

     (12)机顶盒更新EPG并记下授权信息和身份证书。

    3.3 IMS Based IPTV点播业务流程

     点播流程(即VOD)是指用户播放已订购节目的流程。用户通过H-CSCF选择已订购的点播节目，向系统发出点播请求，并最终得到视频流。具体流程如下：

     (1)用户根据EPG选择已订节目，通过H-CSCF向IMS核心网发出呼叫请求。

     (2)IMS核心网检查用户信息，初始过滤标准(iFC)触发到IPTV AS进行处理。

     (3)IPTV AS通过和CDN网络交互，确定最终服务的视频服务器和视频流信息，并通过核心网返回给H-CSCF。

     (4)IPTV AS向运营支持管理系统发送计费信息。

     (5)H-CSCF将服务的视频服务器和视频流信息及相关授权信息返回给机顶盒。

     (6)机顶盒携身份证书和授权证书向选定的视频服务网络发送视频连接请求。

(7)视频服务网络通过OSS业务控制系统进行身份证书和授权证书的校验，同时在OSS管理系统内生成业务统计信息。

     (8)校验通过后，视频服务网络允许建立视频连接并给机顶盒应答。

     (9)视频连接建立成功后，机顶盒与视频服务网络中的流媒体服务器进行视频流传输。如果视频内容受数字版权保护，则机顶盒解码视频之前还需要进行数字版权验证的使用流程。在视频流传输中，用户可以发起快进、快退、暂停等视频录放(VCR)操作，这些操作流程在机顶盒和流媒体服务器之间完成。

    4 结束语

     IMS系统架构已经成为目前公认的下一代融合的网络架构，其业务提供模式和QoS解决方案都有专门的标准组织进行分析和技术支持。后续IMS Based IPTV系统可以考虑和现有的IMS业务进行结合，如在线业务、视频会议业务等。还可以考虑和移动的流媒体业务结合，同时为移动终端提供IPTV服务[5-6]。

    5 参考文献

    [1] ETSI TS 183 043 V1.1.1. Telecommunications and Internet converged Services and Protocols for Advanced Networking (TISPAN): IMS-based PSTN/ISDN Emulation [S]. 2006.

    [2] 蒋林涛. IPTV——三网融合的开端 [J]. 中兴通讯技术, 2006,12(3):1-4.

    [3] ETSI ES 282 007 V1.1.1. Telecommunications and Internet converged Services and Protocols for Advanced Networking (TISPAN): IP Multimedia Subsystem (IMS): Functional architecture [S]. 2006.

    [4] ZXBIV IPTV技术手册 [R]. 深圳：中兴通讯股份有限公司.

    [5] 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.

    [6] ITU-T FG IPTV-C-0156. Proposal of NGN based IPTV architecture [S]. 2006.