基于TD-SCDMA系统的IMS应用

1、引言

　　移动通信技术的不断发展使得人们的通信效率和通信体验不断得到提升。方兴未艾的第三代移动通信技术不但提高了通信过程中媒体的交换效率，而且扩展了通信过程中能够使用的媒体的类别。TD-SCDMA技术和IMS技术在其中起到了关键的作用。

　　IMS（IP Mutimedia Subsystem）是3GPP在Release5版本提出的支持IP多媒体业务的子系统。它的核心特点是采用IP协议和与接入的无关性，等于提供了基于IP协议的下一代多媒体业务平台。在网络融合的发展趋势下。3GPP，ETSI和ITU-T都在研究基于IMS的网络融合方案，目的是使IMS同时支持固定和移动的多种接入方式，实现固网和移动网的融合。为移动系统向全IP网络以及多网络融合演进、实现全IP移动业务提供了通路。IMS技术一方面可以大大拓宽移动业务种类，使移动用户能够享受目前移动网络无法支持的全IP业务功能，真正实现3G的业务丰富性。另一方面，丰富多彩的全IP业务的推出，反过来推动整个移动网络向全IP网络演进，使运营商完全获得全IP网络在建网成本和维护成本方面的优势。众所周知，未来第三代移动通信网络（3G）极具吸引力的新业务仅依靠UMTS提供的高带宽是远远不够的，于是运营商把目光纷纷投向IMS上，希望能通过IMS来迅速灵活地提供丰富多彩的未来多媒体业务。

2、TD-SCDMA技术与IMS技术的结合

　　移动通信业务从最初的只支持电路域交换（CS）业务，到支持少量的包交换（PS）业务，发展到现在，包交换业务在所有的业务中占有越来越大的比重。正是由于包交换业务的引入，通信过程中能够使用的媒体类别从最初的只有语音一种发展到图像、消息、邮件和数据等。为了能够对各种不同类别的数据包进行统一的管理，同时为了使移动通信网络能够与互联网能够更好地融合，人们就提出了IMS技术。

　　作为一种先进的接入技术，TD-SCDMA系统综合了四种多址方式，即TDMA，FDMA，CDMA和SDMA，采用了六大关键技术，即智能天线、联合检测、接力切换、上行同步以及动态信道分配和软件无线电，这些技术的采用，极大地降低了系统的干扰、扩大了系统的容量，提高了频谱的利用率，同时也节省了系统的成本开支。

　　为了访问IMS的服务，一个基本的要求就是客户端必须与IMS之间存在IP连接。通过使用TD-SCDMA接入技术，用户设备能够通过拜访网络快速、可靠地获得IP地址。在公共互联网中，时延一般比较高，并且不确定；分组的到达顺序会颠倒，并且有些分组会丢失或被丢弃。TD-SCDMA网络的底层接入和传输网络以及IMS能够共同保证端到端服务质量（QoS）。

3、TD-SCDMA的技术优势

　　（1）十分适合上下行非对称的业务。据权威机构估计，到2010年，话音业务和数据业务的比值将达到1:10的关系。由于数据业务的不对称性，下行数据处于支配地位。对于FDD模式的3G标准，由于其上下行数据是在已经分配好的两个不同的频段上传输，因此不能动态地根据上下行的数据传输量调整资源的分配，因此达不到资源的充分利用，频谱效率比较低。而对于TDD模式的TD-SCDMA，由于上下行的分配是通过时隙调度来实现的，所以可以根据业务的具体情况，动态地分配资源，获得较高的频谱利用率。

　　（2）频谱利用率高。由于频率是不可再生资源，因此频谱利用率一直以来是备受关注的问题。无论从语音业务还是从数据业务的角度，TD-SCDMA的频谱利用率都高于其他的标准，即使是对于现有标准的演进版本（如HSDPA，1xEV-DO版本A），TD-SCDMA也具有一定的优势。随着世界上频谱资源的日益匮乏，TD-SCDMA的优势会逐渐显示出来。

　　（3）设备的成本低。由于在一个频段内进行上下行的收发，因此尽管TD-SCDMA的智能天线需要使用8根天线组成天线阵列，但是由于缺少了双频的收发装置，TD-SCDMA的设备成本还是要低于FDD的系统。而且，由于采用了低码片速率，接收机的接收信号在采样后的数字信号处理量大大降低，从而也降低了系统设备（尤其是基站和终端）成本。

　　（4）频点多。由于只有1.6MHz的带宽以及155MHz的总频带，因此TD-SCDMA共有93个频点可以使用，这远远高于WCDMA的12个频点，也有利于运营商进行网络布局。

　　（5）有利于网络规划。对于TD-SCDMA，由于使用了智能天线和联合检测等技术，因此它不是一个干扰受限的系统，不具有呼吸效应，换句话说就是TD-SCDMA系统的覆盖与容量没有关系；另外，TD-SCDMA的扩频因子是16，所以它也不存在覆盖随着业务类型的变化而变化的情况。这样在网络规划中，TD-SCDMA的小区是一个没有呼吸效应的同径覆盖，所以TD的网络规划和优化比起其他标准要更加简单和便捷。

　　（6）有利于与先进的技术相结合和标准的演进。TD-SCDMA系统是一个以智能天线为核心技术的第三代移动通信系统。另外，由于使用了智能天线和联合检测等技术，因此TD-SCDMA和先进技术的融合（如MIMO，OFDM等）更有优势，也更有利于标准的演进。

4、IMS技术介绍

　　由于TD-SCDMA网络可以保证可靠、高效的接入，IMS业务可以在其中得到广泛的应用。

　　IMS使用会话启动协议（SIP）来进行各项业务。SIP是一种在IP网络中建立、修改和终止多媒体会话的应用层协议，它是IETF在不断进行标准化的多媒体协议体系的一部分。其应用包括但不限于语音、视频、游戏、消息、呼叫控制和在线状态等。

　　SIP的设计原则遵循了以下目的：独立于传输协议——可以在可靠（TCP、SCTP）和不可靠（UDP）的协议上运行；请求的路由——直接路由（为了性能）或代理路由（为了控制）；信令和媒体描述相分离——以便可以增加新的应用或媒体；可扩展性；个人的移动性。

　　SIP中的元素可分为用户代理（UA）和中间服务器。在理想情况下，两个断电（或UA）间的通信并不需要中间服务器的参与即可完成。

　　SIPUA或终端构成对话的端点：它发送或接收SIP请求和相应，是多媒体流的终点。此外它通常是用户设备（UE），即终端上的一个应用和一个专用的硬件设备。UA有以下两部分组成：

　　（1）用户代理客户端（UAC）：发起请求的主叫方应用。

　　（2）用户代理服务端（UAS）：接受、重定向或拒绝请求，代表用户给到来的请求发送响应。

　　SIP中间服务器是SIP消息在到达其最终目的地前所经过的逻辑实体，这些中间服务器用于对请求进行路由和重定向。这些服务包括：

　　●代理服务器（Proxy Server）：接收和转发SIP请求。可解释或重写SIP消息的某些部分，包括消息正文。这些重写不会打乱端点处的请求或对话的状态。代理服务器也可同时向多出发送请求。这样的实体被标识为交叉代理。交叉可以是并行的或是串行的。

　　●登记员（Register）：接受REGISTER请求的服务器。这类服务器用于存储用户登记的地址（SIP地址）与用户当前所在的或用户希望用于接收请求的主机地址之间的明确绑定关系。

　　此外，还有两个给SIP用户提供服务的元素：

　　●应用服务器（Application Server）：在网络中为终端用户提供服务的实体。

　　●背靠背用户代理（Back-to-back User Agent）：在该服务器中，UAS作为正常的UAS中止请求；而UAC发起一个新请求，该请求以某种方式与UAS侧收到的请求相关，但不按照协议链接。该实体基本上类似于一个代理（Proxy），但打破了代理修改请求时所遵守的所有准则。

5、典型的IMS业务

　　由于IMS提供了可靠的技术保证，可以利用它开发种类丰富的业务，以下介绍的是比较典型的几种业务。

　　5.1　PoC业务

　　PoC是Push to Talk over Cellular的英文缩写。PoC业务采用半双工通信方式，实现“点到点”和“点到多点”的话音通信，在同一时间只能有一人讲话以便于群体交流。主叫方只要按一个键就可以向一个人或一组人发起通话，无需拨号和等待对方摘机，电话立即接通，迅速建立起谈话组。

　　（1）PoC技术

　　PoC技术基于2.5G（GPRS，cdma2000 1x）或3G网络（WCDMA，cdma2000 1x），并充分利用GPRS或cdma200 1x移动分组网络的特性，通过半双工VoIP技术实现PTT；PoC还结合了即时消息、Presence（呈现功能）等业务属性，成为一种综合话音和数据的个性化业务。

　　（2）PoC提供的业务

　　●一对一通信：该业务根据被叫接受方式有被叫自动接受（install personal talk）和呼叫需要手动应答（request to talk）两类：

　　●群组通话（Group talk）：用户可以和多个用户通信，每次只有一个用户发言。根据组通信的建立，有3种组通信类型（Chat Group Talk，Instant Group Talk和Ad Hoc Instant Group Talk）；

　　●Instant Personal Alen：一个用户提醒另一个用户希望通信。使用这种业务可以礼貌地请求被叫用户回叫：也可以承载一个文本消息。

　　5.2　全能数字助理

　　全能数字助理业务以语音应用为基础、以数据通信为辅助，在PC上建立个人门户，提供全方位的办公助理服务，包括点击拨号、点击会议、Presence、网络号码簿、呼叫记录和消息汇总、智能路由、消息速递以及视频通话等，为用户提供一个全方位的数字化通信平台。全能数字助理业务的用户群是具有一定计算机及网络应用水平的中高端用户，因此其主要用户群是大公司、写字楼等办公自动化水平较高的用户，他们需要较好的通信环境来提高工作效率。

　　全能数字助理业务具有如下特征：电话号码选择、呼叫记录和消息查询、网络地址簿、智能呼叫、点击拨号、多方呼叫、新呼叫通知、呼叫等待、Presence功能、会议电话、好友列表管理、视频功能、统一消息服务和彩铃功能等。

　　5.3　Web Conference业务

　　Web Conference业务基于Web并面向多种网络会议的电话业务，用户可以通过软终端、普通话机、SIP硬终端和手机等参加Web会议。会议主席通过Web页面预约会议并对会议进行实时管理，与会人员通过Web页面查看会议信息。与会人员可通过汇聚式和发散式两种方式参加会议，会议成员还可以在开会时发起子会议，子会议功能为与会者提供分组讨论功能。对子会议请求通过Web页面提交给会议主席，经确认后开通子会议。

　　Web Conference业务主要面向集团用户提供电话会议功能，该类用户需要经常举办内部讨论：个人用户也可以使用Web会议业务，如朋友间的聊天、家庭成员的讨论都可以通过该业务进行。

　　5.4　统一消息业务

　　统一消息业务（Unified Messaging Service，UMS）把用户现在所能用到的各种信息载体，如语音信息、电子信息（如电子邮件）、文字信息（如短消息）及SIP即时消息等数字化，以同一种形式存放。发送方可以使用电子邮件、语音邮件、即时消息、手机或电话等任何一种工具发送信息。这些信息经转化后集中存放在系统的中央邮箱中，接收方可在任何时刻、任何地点，通过使用电话、计算机或手机等任何一种工具连接到系统服务器，并获取所需信息。UMS业务融合了语音、数据业务，为各种终端提供了统一的数据平台，消除了由各终端之间的差异带来的通信障碍。UMS业务内容丰富，目前已开通的业务有访客留言功能、访客收听公用栏消息、客户收听留言和客户自我设置等。

　　5.5　一号通业务

　　一号通业务（也称ONLY业务）是移动性服务，用户使用唯一的通信号码，可以接入任何一个网络并能跨越多个网络接受任意类型的呼叫。个人通信号码能按用户的要求，翻译成相应的通信号码并进行路由选择，将来话接到用户所指定的地方，呼叫不受地理位置的影响。该业务非常适合移动性大的用户。

　　一号通用户的来话呼叫可以按用户临时登记的号码或时间表等进行转移，在来话转接过程中所有的录音通知都可以用普通话、英文和本地话轮流播放。一号通业务面向拥有多个号码的个人用户，通过开通一号通业务可将这些号码有机联系起来，用户不需要再存储纷繁复杂的多个电话号码，特别适用于移动性较强的办公用户。用户在开通一号通业务后，可以通过Web或语音流程自助定制各种套餐。

6、TD-SCDMA系统中的IMS应用实例

　　2006年1月，英华达（上海）电子有限公司TD-SCDMA手机终端在鼎桥开放式实验室成功演示了基于IMS技术的网上聊天功能，这是TD-SCDMA系统首次在手机上实现IMS业务。本次业务演示成功是TD-SCDMA网络实现全IP应用端到端能力的标志性进展，也是TD-SCDMA终端研发的又一成果。并首次验证了基于TD-SCDMA网络的IMS端到端能力。

　　下面介绍这款用于TD-SCDMA网络的功能强大的手机终端（见图1）。 

图1

 　　如图1所示，这款终端处理支持一般的3G业务外，更提供了许多3G专有的高层业务，例如流媒体、在线游戏等。下面介绍这款手机上的一种IMS应用。这是一种利用IMS系统的SIP短消息机制构建的聊天室应用。已经在TD-SCDMA网络中成功地实现端到端能力。如图2所示，手机终端用户可以在手机上面实现类似于电脑上聊天程序的功能，同时可以与电脑上的聊天程序实现互联互通。下面是两个用户终端在进行在线聊天的界面：进入到聊天室应用之后，首先设置本机用户的名称等信息（见图3）；然后系统将会显示一个用户的列表。在线用户用亮色显示（见图4）：选中其中在线的用户会弹出一个功能选单（见图5）：选择相应的选项就可以开始进行相应的IMS业务。如果要进行群组聊天，则首先需要设置群组（见图6）；同样，选中某个群组也会弹出一个功能选单（见图7）。通过以上介绍的操作界面，用户可以在手机上获得与电脑上相同的使用体验。这款终端实现了IMS的基础协议SIP，并且已经在TD-SCDMA网络中成功地验证了端到端的能力。在此基础上，与网络端相配合，还可以继续开发功能更加丰富、更加强大的应用。
 
　　IMS业务是3G业务发展的必然趋势。在TD-SCDMA网络中实现IMS业务的端到端能力，意味着TD-SCDMA的业务发展及其未来演进已和WCDMA/cdma2000 3G标准同步。