一、引言

隨著5G非地面網絡（NTN）技術的演進，基于NB-IoT的衛星通信（如GEO地球同步軌道衛星）逐漸成為偏遠地區語音服務的重要補充。然而，傳統IP多媒體子系統（IMS）的信令流程在帶寬受限、時延較高的衛星鏈路中面臨顯著挑戰。2025年5月，vivo、MediaTek、ZTE、OPPO等廠商聯合向3GPP SA WG2提交提案（S2-2504682），針對NB-IoT（GEO）場景提出IMS信令優化方案，旨在通過減少SIP協議消息數量與負載大小，顯著降低語音呼叫建立時延。本文基于提案內容，系統性解析其技術原理與實現路徑。

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二、問題背景：衛星通信場景下的IMS信令瓶頸

在NB-IoT（GEO）語音通信場景中，呼叫建立時延的主要來源為SIP協議的多輪次信令交互。典型流程需完成8次消息交換（INVITE→100 Trying→183 Progressing→PRACK→200 OK→UPDATE→200 OK→180 Ringing），累計數據量約10KB。這一流程在帶寬受限的NB-IoT網絡中導致以下問題：

1. 高時延累積：GEO衛星鏈路的傳播時延（約250ms單向）與多輪次信令交互疊加，顯著延長呼叫建立時間。
2. 帶寬資源浪費：冗余信令字段（如重復的To頭域、注冊信息）與預條件協商機制（RFC 4032）增加了不必要的數據傳輸量。
3. QoS保障不足：傳統QCI（QoS Class Identifier）機制未針對衛星信道特性優化，導致資源分配效率低下。

提案明確指出，需通過協議層優化與流程重構，實現“輕量化信令交互”與“帶寬高效利用”的雙重目標。

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三、解決方案：雙路徑優化策略

提案提出兩項核心優化方案，分別針對信令交互次數與消息負載大小，具體如下：

3.1. 禁用預條件機制（Precondition Disabling）

技術原理：
預條件機制（RFC 4032）要求SIP會話在建立前完成媒體質量協商（如帶寬、編解碼器），需額外引入PRACK與UPDATE消息。在NB-IoT（GEO）場景中，該機制因鏈路穩定性差與資源分配動態性而失效。
優化措施：

• 移除預條件協商流程：在P-CSCF（代理呼叫會話控制功能）與IMS應用服務器（IMS AS）間禁用預條件功能，直接進入會話建立階段。
• 動態資源分配觸發：通過PCRF（策略與計費規則功能）實時監控EPS承載狀態，當語音資源就緒時，由P-CSCF發送SIP MESSAGE通知IMS AS（見Figure 6.X.3.4-1）。

效果驗證：
禁用預條件后，信令交互次數從8次減少至5次（INVITE→100 Trying→183 Progressing→200 OK→180 Ringing），累計數據量降低約30%。

3.2. SIP消息負載優化

技術原理：
SIP消息中存在大量冗余字段（如重復的To頭域、注冊信息）與低效編碼（如SDP會話描述協議的冗長格式）。
優化措施：

• 字段精簡：
  • 在INVITE請求中，省略Request-URI中已包含的To頭域信息（示例見Figure 6.X.3.2-1）。
  • 移除注冊流程中已提供的用戶能力信息（如編解碼器支持列表）。
• SDP壓縮：
  • 采用SigComp協議（RFC 5049）對SDP內容進行壓縮，將媒體描述字段（如m=audio、a=rtpmap）編碼為緊湊二進制格式。
  • 針對GEO場景優化編解碼器選擇，僅攜帶低帶寬適配的編解碼器（如G.711 PCMU/8k）。

效果驗證：
優化后，單個SIP INVITE消息負載從120字節降至約70字節，SDP壓縮率超過40%。

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四、技術實現：流程重構與協議適配

提案通過兩階段流程重構實現優化方案，具體如下：

階段一：服務請求與EPS承載激活

1. UE狀態遷移：

   • 終端從RRC-IDLE狀態發起Service Request，過渡至RRC-CONNECTED狀態。
   • 若接入類型為NB-IoT（GEO），核心網在Service Request過程中激活語音專用EPS承載。

2. SIP INVITE優化：

   • 終端發送SIP INVITE時，僅攜帶GEO語音適配的編解碼器列表（如m=audio 49155 RTP/AVP 0 8）。
   • P-CSCF作為B2BUA（Back-to-Back User Agent）終止信令，根據接入網絡信息添加必要擴展頭域（如Supported: 100rel）。

階段二：會話建立與資源協調

1. IMS AS介入：

   • IMS AS作為B2BUA發起與被叫方的會話交互，通過PCRF動態監控EPS承載資源狀態。
   • 當語音資源就緒時，P-CSCF發送SIP MESSAGE通知IMS AS（消息體包含AGW分配的IP地址與端口）。

2. 媒體路徑優化：

   • 媒體會話通過NIDD（Non-IP Data Delivery）用戶面傳輸，避免IP頭開銷。
   • MGW（媒體網關）根據編解碼器能力協商結果，執行轉碼或直接轉發RTP流。

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五、會話過程的技術細節擴展

提案對NB-IoT（GEO）場景下的IMS信令流程進行了系統性細化，涵蓋主叫（MO）流程、被叫（MT）流程及緊急呼叫流程，并針對不同網元角色（如P-CSCF、IMS AS）的職責分工進行了規范。

5.1. “P-CSCF模式”** 與 “IMS AS模式”

在NB-IoT（GEO）衛星通信場景中， “P-CSCF模式” 與 “IMS AS模式”是針對移動主叫語音呼叫的兩種優化流程。盡管二者均旨在降低信令開銷并適配高時延、低帶寬的衛星環境，但在關鍵實現細節和功能分工上存在顯著差異。以下是核心區別的詳細對比：

5.1.1. B2BUA角色的分工差異

特性	P-CSCF模式	IMS AS模式
B2BUA角色歸屬	P-CSCF（代理呼叫會話控制功能）作為B2BUA	IMS AS（IMS應用服務器）作為B2BUA
功能職責	P-CSCF同時終止主叫與被叫側的SIP信令，負責媒體協商、資源分配和EPS承載觸發	IMS AS接管B2BUA功能，P-CSCF僅作為透明轉發節點，負責信令路由
適用場景	適用于EPS承載無法預激活的簡化流程	適用于需動態資源協調的復雜場景（如跨網絡域交互）

核心區別：

• 在P-CSCF模式中，P-CSCF直接參與媒體路徑控制（如SDP協商、資源分配），并通過觸發EPS承載激活（如TFT配置）完成本地資源管理。
• 在IMS AS模式中，P-CSCF僅作為信令中繼，由IMS AS承擔B2BUA功能，負責協調終端側（GEO衛星）與網絡側（IMS核心網或第三方網絡）的資源分配與媒體協商。

5.1.2. EPS承載激活時序差異

特性	P-CSCF模式	IMS AS模式
激活流程觸發點	P-CSCF在步驟5直接觸發EPS承載激活	EPS承載激活延遲至步驟5（由IMS AS控制），并與PCRF通知聯動
資源分配邏輯	AGW（接入網關）根據P-CSCF指令進行本地資源預配置	IMS AS根據PCRF狀態通知動態觸發資源分配，靈活性更強
信令交互次數	5輪次（INVITE→100→183→200→180）	5輪次（與P-CSCF模式相同，但新增SIP MESSAGE交互）

核心區別：

• P-CSCF模式通過步驟3和步驟5的AGW預配置和EPS激活并行化，減少了信令延遲。
• IMS AS模式增加了訪問PCRF精確狀態通知的“SIP MESSAGE”步驟（步驟9），實現動態資源調控，但可能導致輕微時延增加。

5.1.3. SIP消息頭部與媒體描述優化差異

特性	P-CSCF模式	IMS AS模式
SDP優化	禁用預條件機制，SDP僅涉及GEO適配編解碼器	SDP進一步簡化，禁用RFC 4032預條件頭域（如precondition）
冗余字段精簡	INVITE中省略To頭域與注冊冗余信息	IMS AS發起的新INVITE進一步移除冗余能力字段（如重復的Contact頭域）
擴展頭域支持	P-CSCF添加Supported: 100rel以兼容舊終端	IMS AS根據網絡側要求添加擴展頭域（如MediaProxy）

核心區別：

• P-CSCF模式側重于終端側與核心網之間的精簡交互，通過本地資源分配優化單跳路徑性能。
• IMS AS模式通過增加IMS AS的決策層，能夠跨網絡域適配不同接入技術（如衛星與地面用戶域），編解碼器和媒體參數協商更靈活。

5.1.4. QoS保障與資源協調策略

特性	P-CSCF模式	IMS AS模式
QoS機制	使用靜態QCI（如QCI=1）保障語音優先級	動態QCI調整，通過GQ-C（策略與計費控制）實時優化
承載資源觸發	步驟5中由P-CSCF直接通過TFT配置激活EPS承載	步驟5中由IMS AS在PCRF通知后觸發承載激活（更準確）
媒體網關(MGW)參與	AGW單點控制，音頻路徑直接透傳	IMS AS協調MGW進行轉碼或資源優化（如CAPEX降低）

核心區別：

• P-CSCF模式適用于簡單的QoS場景，以降低網絡復雜性為目標。
• IMS AS模式通過PCRF聯動與多級協調，支撐更復雜的QoS策略（如帶寬彈性分配）和跨域媒體處理（如G.711→AMR轉碼）。

5.1.5. 緊急呼叫與用戶隱私特性

特性	P-CSCF模式	IMS AS模式
緊急呼叫	SCC-AS直接處理匿名緊急呼叫，P-CSCF路由至PSAP	IMS AS接管緊急呼叫，支持MSD（最小緊急數據集透傳）
隱私保護	P-CSCF保留用戶位置信息，不透傳至核心網	IMS AS啟用隱私擴展（如privacy: id），隱藏用戶身份與設備詳情
地理位置上報	通過AGW定位GEO終端坐標	IMS AS融合GPS與NG-RAN定位信息，精度更高

核心區別：

• P-CSCF模式以快速路由為目標，優先保障緊急呼叫可達性。
• IMS AS模式通過IMS AS的中央控制，實現更細粒度的隱私保護機制與多源位置聚合。

5.1.6. 典型場景用例對比

場景	P-CSCF模式適用情況	IMS AS模式適用情況
孤網衛星通信	終端與核心網間僅通過單跳GEO鏈路連接，適合快速建立語音通道	終端需漫游至其他網絡（如地面LTE/5G），需跨域協商
低成本終端	2G/3G IoT節點通過NB-IoT接入，要求低處理負荷	智能穿戴設備通過多網融合（Satellite + WiFi）接入
應急搜救場景	災難現場快速部署，音頻流直接透傳至救援中心	災難區域同時上報MSD、視頻流與傳感器數據

5.1.7. 選擇建議

• 選擇P-CSCF模式：
  若網絡架構簡單（如單運營商單制式網絡）、QoS策略固定且終端能力受限，P-CSCF模式可快速部署并保證基礎語音服務。適用于資源緊張的GEO衛星場景。

• 選擇IMS AS模式：
  若需支持跨網域交互（如國際漫游）、動態QoS調整或高級媒體處理（如轉碼、隱私保護），IMS AS模式更靈活且可擴展性更強，但會增加網絡部署復雜度。

兩種模式的技術路徑均符合3GPP Rel-20標準提案要求，并可根據實際部署場景混合使用。

5.2 IMS注冊流程（Registration）

NB-IoT（地球同步軌道衛星，GEO）場景下用戶設備（UE）向 IMS 網絡發起的注冊過程。
該流程通過以下關鍵技術優化了注冊效率：

1. 信令數據壓縮：利用 SigComp 協議壓縮 SIP 消息負載，減少衛星鏈路帶寬占用；
2. 冗余字段精簡：省略 SIP 消息中重復的 To 頭域信息；
3. 接入網絡信息透傳：通過 P-Access-Network-Info（PANI）字段傳遞 NB-IoT(GEO) 的網絡屬性；
4. 安全性保障：基于 IPSec 的加密傳輸與基于 Digest 的鑒權機制。
   

步驟1：UE 發起初始 REGISTER 請求

場景條件：終端檢測到當前接入技術為 NB-IoT（GEO）。
核心操作：

• 信令壓縮：在 INVITE 消息中通過 comp=sigcomp 指示 SigComp 協議啟用，并攜帶 sigcomp-id 作為標識。
• 頭域優化：
  • Request-URI 包含完整的 URI（如 tel:+8613512345678），而 To 頭域僅提供簡略標識 A，避免冗余。
  • From 頭域與 Contact 頭域中省略在注冊流程中已隱含的 URI 信息。

P-CSCF 行為：

• To 頭域恢復：將 sip:A 替換為 tel:+8613512345678，對齊 Request-URI。
• SigComp 處理：通過內置解壓器還原 SigComp 壓縮的 SIP 消息。

步驟2：IMS 核心網發起鑒權挑戰

核心操作：

• 401 Unauthenticated 響應：IMS 核心網返回要求鑒權的 SIP 響應消息，包含 WWW-Authenticate 頭域。

P-CSCF 行為：

• SigComp 啟用通知：在 Via 頭域中添加支持 SigComp 的標識，確保 UE 在后續消息中繼續使用壓縮。

步驟3：UE 發送帶有鑒權信息的 REGISTER 請求

核心優化：

• 鑒權參數完整化：在 Authorization 頭域中填寫 nonce 與 response，完成 Digest 鑒權。
• PANI 頭域透傳：
  • 標識接入網絡為 3GPP-NB-IoT(GEO)；
  • 攜帶 utran-cell-id-3gpp=C359A 用于后續 QoS 策略決策。
• 安全傳輸保障：SIP 消息通過 IPSec 加密傳輸。

P-CSCF 行為：

• 信息存儲：
  • 保存 Via、From、Contact 頭域用于后續會話路徑維護；
  • 由于衛星小區（eNB）固定不動，緩存 PANI 中的 NB-IoT(GEO) 標識以優化資源分配。

步驟4：IMS 核心網返回注冊成功響應

核心操作：

• 200 OK 響應：IMS 核心網確認注冊成功，P-CSCF 轉發該響應至 UE。
• IMS AS 感知 NB-IoT(GEO)：IMS AS 通過 PANI 頭域獲悉 UE 的接入網絡屬性，動態調整后續語音服務的 QoS 策略。

5.3 移動主叫流程（Mobile Originating, MO Call）

適用場景：終端發起語音呼叫時，若僅在呼叫建立過程中觸發EPS承載激活（非預激活），則由P-CSCF或IMS AS作為B2BUA（Back-to-Back User Agent）介入信令交互。

關鍵步驟解析：

1. UE注冊與服務請求：

   • 終端完成IMS注冊后，通過撥號啟動呼叫。
   • 若處于RRC-IDLE狀態，執行Service Request以過渡至RRC-CONNECTED，并觸發EPS語音承載激活（步驟1）。

2. SIP INVITE優化：

   • 終端發送的SIP INVITE消息精簡冗余字段：
     • To頭域省略：沿用Request-URI中已包含的被叫方地址（如tel:+8613587654321），避免重復信息。
     • 編解碼器列表裁剪：僅攜帶G.711 PCMU/8k、G.729等衛星低帶寬適配的編解碼器。
   • P-CSCF收到INVITE后，發送SIP 100 Trying（可選，具體根據RAT類型動態判斷）。

3. 資源分配與信令轉發：

   • P-CSCF指令AGW（接入網關）為終端與網絡側分配音頻資源，并根據注冊信息補充缺失信令字段（如Contact頭域）。
   • P-CSCF作為B2BUA轉發INVITE至IMS核心網，添加Supported: 100rel, precondition以適配預條件機制（步驟4）。

4. EPS承載激活觸發：

   • 若衛星鏈路未預激活語音承載，P-CSCF將觸發TFT（流量模板識別）配置以激活EPS承載（步驟5）。

5. 預條件協商簡化：

   • 在后續信令交互（如183 Progressing、PRACK、UPDATE）中，僅保留核心網與終端間的SDP協商，省略冗余的資源監控（步驟6-10）。

6. 會話建立與媒體傳輸：

   • IMS核心網返回180 Ringing后，P-CSCF將180消息轉發至終端（步驟11），觸發振鈴提示。
   • 終端接收到200 OK（INVITE）后，通過ACK確認，并完成與網絡側的媒體流同步（步驟12-13）。

優化效果：

• 時延縮短：信令交互次數從8次減少至5次（INVITE→100→183→200→180），減少37.5%。
• 流量壓縮：SIP消息總負載從10KB降至6KB以下，SDP壓縮后單條INVITE僅70字節。

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5.4 移動被叫流程（Mobile Terminating, MT Call）

適用場景：核心網向NB-IoT終端發起語音呼叫時，同樣面臨衛星鏈路時延高、帶寬低的挑戰。提案對MT流程進行了針對性優化。

關鍵技術步驟：

1. 核心網發起INVITE：

   • IMS核心網向P-CSCF發送INVITE，可能包含預條件支持標識（步驟1）。

2. AGW資源分配與INVITE轉換：

   • P-CSCF指令AGW分配終端側音頻資源，并將核心網的INVITE轉換為適用于NB-IoT（GEO）的簡化版本：
     • 剝離預條件擴展頭域，僅攜帶Supported: 100rel。
     • 編解碼器兼容性調整：確保僅傳遞GEO適配的編解碼器（如G.711）。

3. 終端響應與EPS激活：

   • 終端在收到簡化版INVITE后，觸發Service Request流程以激活EPS承載（步驟3）。
   • 終端發送183 Progressing包含自身SDP應答，供AGW配置資源（步驟4）。

4. 核心網側預條件協商替代：

   • P-CSCF通過P-CSCF感知PCR狀態，在獲悉承載就緒后，向核心網發送183 Progressing（步驟7），標注要求100rel與預條件（若策略需要）。

5. 媒體流打通：

   • 用戶接聽后，終端發送200 OK至P-CSCF，P-CSCF補全Contact頭域并轉發至核心網（步驟11）。
   • 最終通過ACK完成三次握手，媒體流經NIDD用戶面透傳（步驟12）。

優化亮點：

• 網絡側觸發簡化：核心網免于處理冗余SDP協商，降低處理負荷。
• NIDD承載適配：媒體流通過非IP傳輸，減少IP頭開銷，提升衛星鏈路效率5-10%。

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5.5 緊急呼叫流程（Emergency Call Procedures）

合規性要求：提案嚴格遵循TS 22.261與TS 22.101標準，確保緊急呼叫滿足以下監管需求：

• 匿名呼叫支持：允許未完成IMS注冊的終端發起緊急呼叫。
• MSD（最小緊急數據集）透傳：Metadata通過NIDD用戶面傳遞，無需SIP信令封裝。
• 地理位置上報：通過NB-IoT與GEO鏈路定位終端位置，滿足應急響應需求。

技術實現路徑：

1. 緊急呼叫檢測：

   • SCC-AS（Service Centralization and Continuity Application Server）通過I1接口檢測終端發送的緊急號碼（如112）或eCall標識。

2. 匿名呼叫處理：

   • 跳過IMS注冊流程，SCC-AS直接生成臨時標識（如匿名SIP URI）并路由至PSAP（公共安全應答點）。

3. MSD數據透傳：

   • MSD字段經NIDD用戶面透明傳輸，保持原始格式（如車輛GPS坐標、碰撞傳感器數據）。

4. 衛星定位服務：

   • 通過TS 23.273定義的5G定位架構，結合終端GPS模塊與NG-RAN提供地理信息。

典型案例分析：

• 場景：礦難事故中，礦工佩戴支持NB-IoT（GEO）的對講終端，因地面基站損毀無法通信。
• 流程：
  1. 終端通過GEO衛星發送包含MSD的eCall至PSAP。
  2. SCC-AS繞過IMS注冊，直接將緊急SIP INVITE推送E-CSCF。
  3. PSAP接收到MSD后，通過GIS系統定位事故礦井坐標，調度救援。

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六、參考標準與兼容性設計

提案嚴格遵循3GPP與IETF標準，確保與現有網絡的兼容性：

1. 3GPP標準引用：
   • TS 23.501（5G系統架構）、TS 23.502（5G系統流程）、TS 23.228（IMS Stage 2）定義IMS核心網功能。
   • TS 22.261（5G服務需求）、TS 22.101（服務原則）明確衛星通信場景下的QoS與監管要求。
2. IETF協議適配：
   • RFC 3261（SIP協議）、RFC 4566（SDP協議）作為信令與會話描述基礎。
   • RFC 5049（SigComp）用于SDP壓縮，降低帶寬消耗。

兼容性保障：

• 預條件禁用：通過P-CSCF與IMS AS的協同，確保禁用策略不影響非優化終端的正常呼叫流程。
• 漸進式部署：網絡側可基于終端能力（如GEO接入標識）動態啟用優化功能，避免全網升級風險。

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七、結論與展望

本提案通過禁用預條件機制與SIP消息優化，為NB-IoT（GEO）場景下的IMS語音服務提供了低時延、高帶寬利用率的解決方案。其核心價值在于：

1. 性能提升：信令交互次數減少37.5%，消息負載降低40%，顯著縮短呼叫建立時間。
2. 標準化路徑：基于3GPP Rel-20框架，與TS 23.501/TS 23.502等標準無縫集成，加速商用落地。
3. 場景適配性：針對衛星信道特性優化編解碼器選擇與資源分配策略，為未來6G空天地一體化網絡奠定基礎。

未來，隨著NTN技術的進一步發展，該方案可擴展至LEO（低軌衛星）與MEO（中軌衛星）場景，并結合AI驅動的QoS預測機制，實現更智能的資源調度與用戶體驗優化。