運營商IMS網(wǎng)間互聯(lián)互通組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究

翟振輝，邱巍，吳倩，李心恬，馬洪源

（中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司，北京 100080）

0 引言

近年來，隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，話音業(yè)務(wù)已經(jīng)逐步從傳統(tǒng)電路交換承載方式向基于IMS（IP Multimedia Subsystem，IP 多媒體子系統(tǒng)）網(wǎng)絡(luò)的VoLTE（Voice over Long-Term Evolution，基于長期演進(jìn)的語音承）演進(jìn)。隨著5G 技術(shù)的快速發(fā)展，話音業(yè)務(wù)將進(jìn)一步向5G標(biāo)準(zhǔn)語音解決方案VoNR（Voice over New Radio，基于新空口的語音承載）演進(jìn)。無論是VoLTE 還是VoNR，均是基于IMS 網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)[1]。IMS 作為下一代網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)，可提供統(tǒng)一的控制核心，支持多種固定/ 移動接入方式，能夠更為靈活快速地提供業(yè)務(wù)能力。運營商可以通過IMS 網(wǎng)絡(luò)同時向固定和移動用戶提供多媒體業(yè)務(wù)[2]。

雖然國內(nèi)各基礎(chǔ)電信運營商均已建設(shè)了覆蓋全國的IMS 網(wǎng)絡(luò)，但是各運營商網(wǎng)間互聯(lián)互通依然通過傳統(tǒng)電路域關(guān)口局實現(xiàn)，IMS 網(wǎng)絡(luò)之間并未實現(xiàn)互聯(lián)互通。為了滿足未來話音業(yè)務(wù)的發(fā)展，適應(yīng)IMS 網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展的趨勢，工業(yè)和信息部決定于2020 年在全國推廣IMS 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通的工作。本文將重點研究和分析IMS 互聯(lián)互通方案中的關(guān)鍵組網(wǎng)技術(shù)，以及對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的影響，為后續(xù)的IMS 互聯(lián)互通方案的制定和工程建設(shè)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

1 IMS網(wǎng)間互通方案

1.1 運營商網(wǎng)間互聯(lián)互通現(xiàn)狀

目前，運營商網(wǎng)間的互聯(lián)互通是通過設(shè)置于各省的關(guān)口局采用TDM 方式實現(xiàn)的。所有2G/3G/4G 用戶，即使是IMS 用戶（包括注冊于IMS 網(wǎng)絡(luò)的移動用戶和固網(wǎng)用戶），在進(jìn)行網(wǎng)間呼叫的情況下，均要回落到電路域，根據(jù)他網(wǎng)被叫號碼路由至被叫歸屬地的關(guān)口局出網(wǎng)，實現(xiàn)網(wǎng)間互通。隨著4G/5G 的網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，2G/3G 網(wǎng)絡(luò)正面臨逐漸淘汰和退網(wǎng)的問題，而現(xiàn)有通過電路域關(guān)口局進(jìn)行網(wǎng)間互聯(lián)互通的方式將嚴(yán)重制約各運營商的網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)和發(fā)展。因此，通過IMS 網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)網(wǎng)間互聯(lián)互通成為了各運營商的共同選擇。目前運營商網(wǎng)間互聯(lián)互通現(xiàn)狀如圖1 所示：

圖1 目前運營商網(wǎng)間互聯(lián)互通現(xiàn)狀

1.2 IMS網(wǎng)間互聯(lián)互通方案

基于IMS 網(wǎng)絡(luò)的語音及多媒體業(yè)務(wù)的網(wǎng)間互通，通過各運營商設(shè)置在省內(nèi)的IBCF（Interconnection Border Control Function，互聯(lián)邊界控制功能）/TrGW（Transition Gateway，翻譯網(wǎng)關(guān)）進(jìn)行互通，IBCF/TrGW 部署在不同IMS 核心網(wǎng)絡(luò)之間或者IMS 核心網(wǎng)絡(luò)與其他IP 網(wǎng)絡(luò)之間，網(wǎng)間采用IP 中繼連接[3]。IBCF 通過Mx 接口和本網(wǎng)內(nèi)的P-CSCF/I-CSCF/S-CSCF/BGCF連接，IBCF的信令面通過Ici 接口與其他網(wǎng)絡(luò)連接，IBCF 的媒體面（TrGW）通過Izi 接口與其他網(wǎng)絡(luò)連接[4]?？紤]到運營商之間的Enum/DNS（Electronic Numbers to URI Mapping/Domain Name System，電子號碼對URI 的映射服務(wù)器/域名服務(wù)器）互通查詢的風(fēng)險較大，因此Enum/DNS 選擇不互通。IMS 網(wǎng)間互通的組網(wǎng)架構(gòu)圖如圖2 所示[5]：

圖2 IMS網(wǎng)間互通邏輯架構(gòu)圖

運營商各省網(wǎng)間互聯(lián)互通業(yè)務(wù)通過省內(nèi)互通點IBCF/TrGW 進(jìn)行互通，省際業(yè)務(wù)長途路由方式與現(xiàn)網(wǎng)保持一致，仍采用就遠(yuǎn)入網(wǎng)方式[6]，即通過被叫用戶歸屬省的互聯(lián)點IBCF/TrGW 進(jìn)行互通。

由于目前各運營商均有一定規(guī)模的非IMS 用戶，短期內(nèi)傳統(tǒng)關(guān)口局依然有存在的必要性，因此網(wǎng)間互通將保持傳統(tǒng)關(guān)口局和IBCF/TrGW 共存的情況。各運營商需要根據(jù)主叫用戶性質(zhì)選擇互通節(jié)點：

（1）當(dāng)主叫用戶為IMS 用戶時，采用通過IBCF/TrGW 進(jìn)行互通的方式。

（2）當(dāng)主叫用戶為非IMS 用戶時，仍采用通過傳統(tǒng)網(wǎng)間關(guān)口局進(jìn)行互通的方式，與當(dāng)前現(xiàn)網(wǎng)路由保持一致[7]。

運營商網(wǎng)間互聯(lián)互通組網(wǎng)圖如圖3 所示：

圖3 運營商網(wǎng)間互聯(lián)互通組網(wǎng)圖

不同運營商的網(wǎng)絡(luò)之間配置靜態(tài)路由，為了避免與內(nèi)部地址沖突，互通設(shè)備的對外業(yè)務(wù)地址使用公網(wǎng)IP 地址。

此外，網(wǎng)間互通還需具備網(wǎng)絡(luò)層容災(zāi)和業(yè)務(wù)層容災(zāi)能力。各運營商的路由器與對端按口字形連接，配置雙向路由，保證單條鏈路故障或單臺設(shè)備故障時可通過第二路由疏通業(yè)務(wù)。各運營商至少部署兩個IBCF/TrGW，當(dāng)某個IBCF/TrGW 出現(xiàn)故障后，支持通過容災(zāi)倒換機(jī)制，使網(wǎng)絡(luò)中其他IBCF/TrGW 接管故障IBCF/TrGW 的業(yè)務(wù)。當(dāng)故障IBCF/TrGW 恢復(fù)并可以承載業(yè)務(wù)后，支持通過容災(zāi)倒回機(jī)制，使網(wǎng)絡(luò)中互通業(yè)務(wù)逐步遷移回原IBCF/TrGW[8]。

2 組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 多對IBCF/TrGW組網(wǎng)技術(shù)分析

根據(jù)業(yè)務(wù)容災(zāi)要求，各運營商需要成對部署IBCF/TrGW，即至少部署兩套IBCF/TrGW，設(shè)備之間可以采用負(fù)荷分擔(dān)或者主備等工作方式。但是在實際部署和工程建設(shè)過程中，受限于廠家IBCF/TrGW 設(shè)備處理能力，一些互聯(lián)互通話務(wù)量較大的省份會出現(xiàn)需要部署多對IBCF/TrGW 的情況。多對IBCF/TrGW 設(shè)備之間可以有多種組網(wǎng)方案和工作方式，不同方案對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)配置、功能改造等方面的影響也不盡相同。因此，本文將對不同組網(wǎng)方案做進(jìn)一步深入研究和分析。

（1）方案一：多套IBCF/TrGW 采用組POOL 負(fù)荷分擔(dān)方式工作，負(fù)責(zé)省內(nèi)全部網(wǎng)間互通業(yè)務(wù)。

本方案中，省內(nèi)多套IBCF/TrGW 組成一個POOL，且為POOL 分配一個通用主機(jī)名。各省域名與現(xiàn)網(wǎng)域名分配原則保持一致，僅需分配一個域名即可，全省一個業(yè)務(wù)區(qū)。由于各運營商的ENUM/DNS 不互通，因此二級ENUM/DNS 需配置本省他網(wǎng)所有號段與相應(yīng)的域名數(shù)據(jù)，以及域名與省內(nèi)IBCF/TrGW POOL 內(nèi)各網(wǎng)元的映射關(guān)系。該方案組網(wǎng)架構(gòu)圖如圖4 所示：

圖4 方案一IBCF/TrGW組POOL組網(wǎng)架構(gòu)圖

采用本方案組網(wǎng)，幾種主要場景的路由如下：

場景①：他省IMS 用戶呼叫本省他網(wǎng)用戶

他省S-CSCF 通過他省二級Enum/DNS 查詢一級Enum/DNS，再查詢到本省二級Enum/DNS。返回IBCF POOL 的通用主機(jī)名，再進(jìn)行SRV 查詢和A 記錄查詢獲得ip 地址，實現(xiàn)多套IBCF 負(fù)荷分擔(dān)。

場景②：本省IMS 用戶呼叫他網(wǎng)用戶

本省S-CSCF 查詢本省二級Enum/DNS 獲取IBCF POOL 的通用主機(jī)名，再進(jìn)行SRV 查詢和A 記錄查詢獲得ip 地址，實現(xiàn)多套IBCF 負(fù)荷分擔(dān)。

場景③：他網(wǎng)IMS 用戶呼叫本省用戶

他網(wǎng)呼叫負(fù)荷分擔(dān)方式路由到POOL 內(nèi)的某套IBCF/TrGW 進(jìn)行互通。

（2）方案二：多套IBCF/TrGW 分區(qū)域部署，按業(yè)務(wù)區(qū)域疏通業(yè)務(wù)。

本方案，需將省內(nèi)劃分多個業(yè)務(wù)區(qū)，每業(yè)務(wù)區(qū)部署一對IBCF/TrGW 設(shè)備。該方案組網(wǎng)架構(gòu)圖如圖5 所示。

圖5 方案二分業(yè)務(wù)區(qū)組網(wǎng)架構(gòu)圖

該方案可以有如下兩種實現(xiàn)方式：

1）方式一：為每個業(yè)務(wù)區(qū)分配獨立的域名，通過域名方式區(qū)分

本方案需要按業(yè)務(wù)區(qū)域的劃分，為每個區(qū)域的他網(wǎng)號段單獨分配域名，并在Enum/DNS 完成各區(qū)域他網(wǎng)號段的數(shù)據(jù)配置。

場景①：他省用戶呼叫本省他網(wǎng)用戶

他省呼叫通過一級Enum/DNS 到本省二級Enum/DNS，根據(jù)他網(wǎng)被叫號碼歸屬的不同域名，實現(xiàn)該區(qū)域?qū)?yīng)的IBCF/TrGW 的IP 地址互通。

場景②：本省用戶呼叫他網(wǎng)用戶

本省S-CSCF 查詢本省二級Enum/DNS，根據(jù)他網(wǎng)被叫號碼歸屬的不同域名，實現(xiàn)該區(qū)域IBCF/TrGW 的地址互通。

場景③：他網(wǎng)用戶呼叫本省用戶

他網(wǎng)運營商需按相同業(yè)務(wù)分區(qū)的號段配置路由。若他網(wǎng)IBCF 不支持上述要求，則只能實現(xiàn)多對IBCF/TrGW輪選，不能實現(xiàn)按業(yè)務(wù)區(qū)入網(wǎng)。

如果運營商后續(xù)業(yè)務(wù)區(qū)調(diào)整時，其他運營商需同步更新域名劃分和數(shù)據(jù)配置。

2）方式二：通過Enum/DNS 開啟視圖功能，支持各業(yè)務(wù)區(qū)的業(yè)務(wù)由不同的IBCF/TrGW 疏通

省內(nèi)二級Enum/DNS 需支持視圖功能，可根據(jù)不同的查詢源返回不同的查詢結(jié)果，以實現(xiàn)不同業(yè)務(wù)區(qū)的網(wǎng)間互通業(yè)務(wù)由不同的IBCF/TrGW 設(shè)備疏通。

場景①：他省用戶呼叫本省他網(wǎng)用戶

對于本網(wǎng)他省用戶呼叫本省他網(wǎng)用戶，無法根據(jù)主叫歸屬S-CSCF 地址信息通過Enum/DNS 的視圖功能選擇IBCF/TrGW，僅能實現(xiàn)多對IBCF 負(fù)荷分擔(dān)和按權(quán)重承載業(yè)務(wù)。

場景②：本省用戶呼叫他網(wǎng)用戶

本省S-CSCF 查詢本省二級Enum/DNS，Enum/DNS開啟視圖功能，可根據(jù)主叫歸屬S-CSCF 所在業(yè)務(wù)區(qū)選擇相應(yīng)區(qū)域的IBCF/TrGW。

場景③：他網(wǎng)用戶呼叫本省用戶

他網(wǎng)需按移動業(yè)務(wù)分區(qū)按號段配置路由。若他網(wǎng)IBCF/TrGW 不支持上述要求，則只能實現(xiàn)多對IBCF/TrGW 輪選，不能實現(xiàn)按業(yè)務(wù)區(qū)入網(wǎng)。

采用本方式，核心網(wǎng)區(qū)域規(guī)劃需與互通區(qū)域規(guī)劃統(tǒng)籌，IBCF/TrGW 區(qū)域應(yīng)大于或等于S-CSCF POOL 覆蓋區(qū)域，對于本網(wǎng)他省用戶呼叫本省他網(wǎng)用戶的場景無法實現(xiàn)分區(qū)域互通。

通過對上述幾種方案的研究和分析，分區(qū)域部署方案無論采用哪種方式，均對設(shè)備功能或數(shù)據(jù)配置有額外要求，并且未來業(yè)務(wù)區(qū)調(diào)整還需調(diào)整數(shù)據(jù)配置，規(guī)劃和實施相對復(fù)雜。而采用方案1 的全省組POOL 方案，主要優(yōu)點如下：

（1）網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃簡單。組POOL 方案僅要求全省業(yè)務(wù)量均接入POOL 內(nèi)即可，無需按地市或號段分區(qū)域進(jìn)行規(guī)劃，即使業(yè)務(wù)區(qū)發(fā)生調(diào)整也不會影響對IBCF/TrGW 設(shè)備造成影響。

（2）數(shù)據(jù)配置簡單。組POOL 方案要求每省僅分配一個域名即可，不受區(qū)域劃分影響。而分區(qū)域部署方案要求每個區(qū)域有單獨的域名，或者對ENUM/DNS 有能夠按區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)配置的功能要求，數(shù)據(jù)配置相對復(fù)雜。

（3）對其他運營商無特殊要求。組POOL 方案對其他運營商無特殊配置要求。而分區(qū)域方案則要求其他運營商能夠按照本省的區(qū)域劃分進(jìn)行路由，對其運營商的要求較高。

綜上分析，建議優(yōu)先采用IBCF/TrGW 組POOL 方案。

2.2 周邊改造分析

由于IMS 網(wǎng)間互聯(lián)互通的實現(xiàn)，使得IMS 用戶的發(fā)起的呼叫由之前關(guān)口局出網(wǎng)，改為從IMS 網(wǎng)絡(luò)中的IBCF/TrGW 出網(wǎng)，因此可能會對網(wǎng)絡(luò)中的周邊網(wǎng)元引起改造，需要具體分析哪些網(wǎng)元會受到影響，在工程建設(shè)過程中需同步進(jìn)行這類網(wǎng)元的改造。

從數(shù)據(jù)配置上看，由于運營商之間的Enum/DNS 不進(jìn)行互通，因此，各省二級Enum/DNS 需配置本省他網(wǎng)運營商號段的路由數(shù)據(jù)，一級Enum/DNS 配置他網(wǎng)運營商號段至所在省二級ENUM/DNS 的路由數(shù)據(jù)[9]。

此外，路由調(diào)整引起了部分網(wǎng)元話務(wù)處理能力的變化，分析如下。

（1）本網(wǎng)IMS 用戶主叫出網(wǎng)路由

原路由：出網(wǎng)呼叫從主叫IMS 用戶歸屬S-CSCF 查詢主叫歸屬省的二級Enum/DNS，發(fā)現(xiàn)被叫號碼為他網(wǎng)號碼后，經(jīng)BGCF 和MGCF，回落到CS 域經(jīng)關(guān)口局出網(wǎng)。

調(diào)整后路由：出網(wǎng)呼叫從主叫IMS 用戶歸屬S-CSCF查詢主叫歸屬省的二級Enum/DNS，若主備叫為不同省份用戶，還需經(jīng)過一級Enum/DNS 進(jìn)行跨省查詢他網(wǎng)被叫號碼歸屬省份的二級Enum/DNS，最終呼叫路由至他網(wǎng)被叫用戶歸屬省的IBCF/TrGW 出網(wǎng)。本網(wǎng)IMS 用戶主叫出網(wǎng)路由前后變化如圖6 所示：

圖6 本網(wǎng)IMS用戶主叫出網(wǎng)路由前后變化

（2）他網(wǎng)IMS 用戶主叫入網(wǎng)路由

原路由：他網(wǎng)IMS 用戶主叫呼叫從關(guān)口局入網(wǎng)，若被叫為本網(wǎng)IMS 用戶，則經(jīng)MGCF、BGCF、I-CSCF 進(jìn)入IMS 網(wǎng)絡(luò)；若被叫為非IMS 用戶，則呼叫在CS 域內(nèi)路由。

調(diào)整后路由：他網(wǎng)IMS 用戶主叫呼叫從IBCF/TrGW入網(wǎng)，經(jīng)I-CSCF 查詢HSS 和Enum/DNS,若被叫為本網(wǎng)IMS 用戶，進(jìn)入IMS 網(wǎng)絡(luò)；若被叫為非IMS 用戶，則呼叫經(jīng)BGCF 和MGCF 送至電路域[10]。他網(wǎng)IMS 用戶主叫入網(wǎng)路由前后變化如圖7 所示：

圖7 他網(wǎng)IMS用戶主叫入網(wǎng)路由前后變化

綜上分析可以得出，若當(dāng)前運營商的IMS 用戶大于非IMS 用戶，則可以認(rèn)為BGCF、MGCF 和關(guān)口局的處理能力需求將略有減少。而I-CSCF 將增加本網(wǎng)非IMS用戶做被叫的相關(guān)查詢；二級Enum/DNS 將增加本網(wǎng)他省IMS 用戶呼叫他網(wǎng)本省用戶的查詢和他網(wǎng)IMS 用戶呼叫本網(wǎng)非IMS 用戶時的查詢；一級Enum/DNS 的查詢將增加本網(wǎng)IMS 用戶呼叫他網(wǎng)他省用戶的跨省查詢次數(shù)。

對于由IMS 互聯(lián)互通引起的需要額外增加處理能力的網(wǎng)元，本文提供了如下算法，可以對這些網(wǎng)元需增加的處理能力進(jìn)行估算。具體算法如下：

（1）二級Enum/DNS 需增加的查詢次數(shù)：

其中：e為二級Enum/DNS 需增加的查詢次數(shù)；ai為本網(wǎng)第i個他省IMS 用戶數(shù)；z為忙時平均每IMS 用戶主叫次數(shù)；s為本省省際長途被叫比例；d為主叫出網(wǎng)呼叫比例；C0為本省非IMS 用戶數(shù)；f為非IMS 用戶忙時平均被叫次數(shù)；y為他網(wǎng)呼入的被叫占比；t為他網(wǎng)IMS 用戶占比。

（2）一級Enum/DNS 需增加的查詢次數(shù)：

其中：E為一級Enum/DNS 需增加的查詢次數(shù)；ai為本網(wǎng)第i個省IMS 用戶數(shù)；z為忙時平均每IMS 用戶主叫次數(shù)；s為省級長途呼叫比例；d為主叫出網(wǎng)呼叫比例。

（3）本省I-CSCF 需增加的查詢次數(shù)：

其中：I為本省I-CSCF 需增加的查詢次數(shù)；C0為本省非IMS 用戶數(shù)；f為非IMS 用戶忙時平均被叫次數(shù)；y為他網(wǎng)呼入的被叫占比；t為他網(wǎng)IMS 用戶占比。

3 結(jié)束語

IMS 網(wǎng)間互通的推進(jìn)，使得基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通由傳統(tǒng)關(guān)口局的TDM 方式承載改為由IBCF/TrGW 的IP 方式承載，符合通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和技術(shù)演進(jìn)，為后續(xù)向用戶提供VoLTE 和VoNR 的跨網(wǎng)呼叫服務(wù)提供了技術(shù)基礎(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)保障。同時，IMS 網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)元眾多、路由復(fù)雜、涉及的周邊系統(tǒng)較多，IMS 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通組網(wǎng)建設(shè)方案復(fù)雜。因此，本文對組網(wǎng)中涉及的關(guān)鍵技術(shù)研究和分析，對運營商在后續(xù)的商用部署和工程建設(shè)有著重要的參考意義。