转载:4G(LTE)背后的技术和利益纠结——VoIP,VoLTE,SIP,IMS的前世今生

今天搜索IMS和LTE的区别,想从网上找一些现成的总结,可是资料没找到多少,但是发现了一篇通俗易懂的文章,读来顺畅,转载于此,原文地址http://blog.sina.com.cn/s/blog_3f3c8ca50101ib69.html#cmt_2905004

不管国内的3G的发展是多么的怪异,中国移动是多么的苦逼地半推半就发展着TD-SCDMA这个“国产”的3G,也不管你究竟有没有反应过来,4G是又快要来了,但即使4G经过了这么多年,被通讯界的大佬们(3GPP,3GPP2,OMA,GSMA等等)反复讨论了n多遍,发了多少版Release标准化文档,一众业内人士还是一头雾水不知所措,更不要说普通用户了,完全是一滩浆糊……
by meineson,http://mbstudio.cn 2013.3

一切要重头说起,从电话技术发明,到大哥大(1G移动通讯)诞生,发展到2G数字移动通讯(GSM、CDMA),以及现在的3G(WCDMA、TD-SCDMA、CDMA-2000),4G(TD-LTE、FDD-LTE),本质上是追求成本的降低,产品功能的多样化;
1G很简单,就是为了让固定电话能随身携带,没有额外功能,纯粹的模拟电话信号通过无线电传输;
2G,以及后面的2.5G, 2.75G,是把模拟的电话信号转换成了数字化的编码,简单些理解就是家里无绳电话的模拟无线和2.4G数字无绳的区别,然后附带着,就象在电话线上提供猫拨号上网一样,提供了GPRS、EDGE的上线功能,当然,和猫上网一样,速度慢是典型的特点,这一时期还提供了象短信、彩信等一些有限的增值服务;
3G的重点放在了上网速度上,语音电话弱化了,但其本质是在2G上发展而来的,大量的科学家的精力花在了如何在旧体系上,有没有办法多压榨些资源来传输上网数据——这有点象把一个书架上的放书的格子和位置好好规范了一下,比随便乱放能放更多书了,但根本问题没解决,有限的通讯资源要保留着随时准备让语音电话使用,所以成本还是居高不下;
4G其实对普通用户意义不大,真正商用能稳定提供的下行带宽也就10M左右,与联通WCDMA宣传的3G的速度差别不大,虽然4G理论上能提供的速度能达到100M,但理论就只是理论,而已。
之前有过一篇文章说到过,4G之所以在用户需求层面没有动力时,运营商仍要大力去推,这好象有些不符合商业规律——技术本应该是根据市场用户需求而诞生的,但根源,是因为4G改变了从2G到3G时的运营商网络的建设方式和运营成本,4G不再保留无线通讯资源来专门跑语音了,而是所有资源全部用来跑数据——就是全部用来上网;

打电话时,走2G、3G线路上的语音保留资源,这是“独占”的资源,而4G所有的资源,都用来跑数据,电话语音也变成数据,大家可以“共享”网络带宽速率,显而易见,共享的资源的成本,肯定要大大低于独占的资源了,所以4G的数据资费,成本会远远低于3G时的上网成本,当然,这是对于运营商有利的,最终定什么价,还是运营商定;

虽然我们这里主要是说4G——也就是手机、移动通讯,但固定电话和固定宽带,技术上也是有相似性的,和上面移动通讯要发展1G、2G、3G、4G一样,固定电话和固定宽带也在从电话线——电话线+拨号上网——电话线+ADSL上网——纯光纤上网(送终端设备,从光纤上面接电话出来),几乎是和移动通讯类似的发展轨迹;

不管是4G的最终发展目标,还是光纤上网整合宽带上网和固定电话,他们都有一个统称,NGN下一代网络,美好的规范图是这样描绘的——在一个网络(NGN)上,同时能提供上网、电话、电视以及各种增值服务,三网融合;

手机移动通讯要实现这些美好愿景,在可以预见的未来,不太容易实现,特别是第一阶段,能让大家用习惯了的电话,顺顺当当跑在4G网络上,就是一项艰巨的任务,所以,3G会在相当长的时间里,和4G是共存的,并且4G更长一段时间,可能只是用来提供数据服务,这是因为——VoLTE还不成熟;
目前市面上的4G手机,都只是用4G来上网,而打电话仍走原来的3G或2G的通道,因为4G要想独立打电话,需要有IMS服务器和IMS软件终端,但无论是IMS服务器的成熟度和软件的终端的成熟度,还不够成熟,所以中国移动要采购的第一批产品中的MIFI和CPE,MIFI称为能提供4G接入的无线路由器的理解没错,而对CPE的名词解释,很多家专业媒体都说错了,CPE是在MIFI基础上,还留有一个模拟电话的接口,接上电话机就能打电话,而电话就是走的IMS服务器,真正的VoLTE,这算是移动用来试水的举措吧,用来测试IMS服务器的,稳定了才在手机上跑VoLTE;

上面我们提到多个通讯行业的国际标准化组织,他们这么多年做的大量工作,就是为了让4G这个纯IP网络化的移动通讯网络,能让语音在共享的数据网络上(PS,即包交换),能象从前在独占的语音网络上(CS,即电路交换)跑的一样遛,他们想到了VoIP;

VoIP里面有许多标准,Skype是私有的,H323是通讯行业的标准,SIP是IETF也就是互联网组织定的,为什么通讯行业定未来下一个几十年的标准时,不是从他们自己的H323上面发展,而是选互联网行业标准组织IETF提出的SIP标准呢?大家都笑而不语……

但互联网的原则是开放,还有一个就是免费,所以SIP在脱离于通讯行业标准约束时,非常自由,对于不同供应商提供的SIP服务之间的结算啊、费用啊之类的没有通讯行业那么细——说白了,就是SIP提供的许多服务都是免费的,要想收费不太好下手,由此,3GPP等等一众通讯行业的标准化组织,在SIP基础上,提出了IMS,到此,我们标题里说的SIP、VoIP、VoLTE、IMS这些名词全部出场了。

VoIP解释起来简单,就是Voice on IP,语音跑在IP网络上,就是VoIP,这是一个比较上层的统称的名词,那么同样的VoLTE也只是说语音跑在LTE网络上——LTE就是指的4G的两个标准,TD-LTE、FDD-LTE——需要注意的是,TD-LTE和TD-SCDMA没有任何关系,其它的我就不多说了。

LTE全称是Long Time Evolution,从名字上就知道,4G这个东西提出的很匆忙,许多东西还没定好就被运营商急着要上线。

而IMS这个东西就要复杂的多了,虽然SIP很好理解,大家暗地里可能也用了好多年的VoIP,对SIP也很熟悉了,它本质上就是一个服务器,放账号,大家注册上去就能打电话,很简单吧,但要收费呢,目前VoIP一般也只提供了便宜的网络电话,按时长或者包月收费,没有增值服务——这对于移动通讯运营商来说可是不能忍受的。
来电显示为什么不能收费?为什么彩铃不能收费?为什么留言不能收费?为什么为什么?…………

所以,IMS干的第一件是,就是加入了一个HSS子服务(Home Subscriber Server),这个是什么东西呢?SIP虽然也分为注册服务器Register Server、呼叫代理服务器Proxy Server,但SIP的注册服务器只是记录一下一个SIP账号的当前的IP地址数据、认证一下账号密码是不是正确;但IMS里的HSS就不简单了,他是在SIP的注册服务器基础上,增加了一个很明显的运营商特征——业务订购数据库,也就是在移动开手机卡时,那一堆附加增值服务,好了,你在这里可以看到来电显示业务、呼叫等待业务、彩铃业务……,的开关——也意味着收费的计费点;

因为VoIP很简单,一般是企业内部用,或者小规模的虚拟运营商在有限的几台服务器上提供服务,所以VoIP的SIP软件、SIP电话机网关就可以直接通过IP地址和账号就能注册上去,然后呼叫在多台服务器上互相路由就可以完成呼叫的目的了,这些服务器,一般就是SIP Proxy Server,涉及到和固定电话、手机号码互通时,会有FXO网关,E1网关等负责转换,这里不多说了;

而IMS作为运营商的方案,动辄上亿用户规模,而且又分为各省市地分公司,当然,还有一个不得不提的,漫游——IP还区分漫游?VoIP不是宣传不区分本地长途,没有漫游的概念么?是的,但IMS认为这样不行,所以,他要加入漫游的概念……

IMS的核心是SIP,所以类似SIP Proxy Server这么重要的核心组件,IMS是不会少的,IMS里称它为Call Session Control Function,即CSCF,并且又把它分成了多个子系统,其中代理CSCF(P-CSCF)从用户终端角度看,基本就是SIP里的Proxy Server了(但其实不是,下述),负责直接与IMS的终端(类似SIP的软电话、硬件电话等等,但同样的,也扩展了不少东西,这里跳过不述);P-CSCF直接与终端交互,可能会把SIP进行压缩或者加密,然后就交给查询CSCF(I-CSCF),I-CSCF会查询HSS数据,来对用户名和密码进行认证,当然,他也从HSS里查询你是否欠费了,开通或关闭了某些业务,以及你是从哪个P-CSCF来的,用来判断你是不是漫游;

整个呼叫过程中,P-CSCF是不做复杂工作的,P-CSCF只负责接收SIP消息,它相当于是对外联络点,然后SIP消息会到达I-CSCF,I-CSCF是运营商的核心网络——就是运营商内部网络的入口,他会根据HSS查找到用户是属于哪个地区的,会对应分配一个空闲的为该地区服务的服务CSCF(S-CSCF),一直到了这里,S-CSCF才是真正的VoIP里Proxy Server的角色,S-CSCF完成用户注册认证和呼叫的路由处理,以及电话业务的触发(IMS称为AS,另外独立成一个子系统,下述);

所以如果综合来分析,P-CSCF和I-CSCF只是起到一个边界安全防护SBC服务器和负载平衡、服务器分流这一类功能,真正处理SIP注册和呼叫的原先VoIP里标准逻辑的组件,是S-CSCF,从物理上看,P-CSCF可能是全国或省一级中心统一的服务器集群,配合更多的I-CSCF服务器分布在主干核心网上做分流,背靠一个大的HSS服务器群,将不同市县的用户分配到各地的S-CSCF上进行实际的处理,并且S-CSCF会更多地与当地的通讯机房里原有的2G、3G发生交流,也就是媒体网关(MGW),负责把新的走4G的手机终端和旧的3G、2G以及固定电话之类的对接起来,保持兼容(也就是PS、CS域的互通);

所以,一个最最精简的IMS系统,它的核心组件是包含HSS、CSCF(P、I、S)即可,即把VoIP SIP的核心Register和Proxy Server进行按运营需求的发展:

4G(LTE)背后的技术和利益纠结——VoIP,VoLTE,SIP,IMS的前世今生

而MGW,其实就是市面上大量被使用的VoIP的模拟网关,数字中继网关,而已……当然,运营商对稳定性要求需要更高一些,并且需要额外的集中管理和控制能力;
但如果上了4G也只是为了提供和原来类似的语音通话功能,运营商的面子还是挂不住的,得与时俱进,提供一些IM服务,面向个人用户,所以一般还要加一个Presence Server,推送服务器,离线存储服务器等云的概念,提供的,无非是类似qq或微信的功能了,当然,可能是收费的,再次笑而不语……
同样的,通讯不只是面向个人的,也要面向企业,所以上面也提到了AS子系统,即Application Server,其实就是现在的通讯行业内的增值方案服务供应商了,一般就是提供例如电话会议、语音留言,企业语音导航IVR,电话呼入自动分配ACD等等;

因为象4G或者NGN,大家全是跑在IP网络上的,所以就不再需要象原先做电话呼叫中心,CTI系统等等,让电话与电脑信息系统对接需要额外购买一台电话程控交换机、语音板卡等等才能使用的问题了,只要有能接入网络的智能的设备,电脑、手机、平板,都可以直接与IMS的AS子系统对接,这可能才是真正的推4G或ngn的价值吧,让电话也完全融入电脑的IP网络世界里,电话、手机独立在企业的信息化系统外面已经太多年了,如果这一均势发展良好,那些老掉牙的定制的CTI通讯系统,终于可以跟上互联网产品发展的节奏,让我们接触的象银行、快递公司的电话系统,医院的挂号、火车飞车的买票的电话系统,真正的能跟上时代发展的脚步了,IVR语音菜单导航这种逆天反人类的存在,早就该被淘汰了!

 

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