IMS在專用電話網(wǎng)中的應(yīng)用及發(fā)展

張國(guó)波 李鑒 楊宏 康敏

摘要：針對(duì)基于電路交換技術(shù)體制的專用電話網(wǎng)現(xiàn)狀及升級(jí)換代需求，提出了基于IP多媒體子系統(tǒng)（IMS）的專用電話網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案、主要網(wǎng)元部署原則、用戶接入方式及安全增強(qiáng)方案，并分析了典型業(yè)務(wù)處理流程。同時(shí)，結(jié)合NFV、AI等新興技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，提出了專用電話網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)下一步發(fā)展趨勢(shì)及目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，為專用電話網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：IP多媒體子系統(tǒng)；專用網(wǎng)絡(luò)；安全增強(qiáng)；發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：TN914.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2023）05-52-5

0引言

專用電話網(wǎng)主要面向特定行業(yè)用戶提供電話通信服務(wù)，目前仍有一部分專用電話網(wǎng)采用公共交換電話網(wǎng)（Public Switched Telephone Network，PSTN）技術(shù)體制，終端類型以模擬電話機(jī)為主，業(yè)務(wù)主要以話音業(yè)務(wù)為主。由于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行多年，部分專用電話網(wǎng)存在的主要問題[1]包括：交換機(jī)等設(shè)備制式種類繁多，部分設(shè)備已逐步停產(chǎn)，設(shè)備老化導(dǎo)致故障率高，網(wǎng)絡(luò)維護(hù)保障困難；不同類別用戶通話信息敏感程度不同，難以滿足不同用戶的安全保密使用需求；由于技術(shù)體制限制，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)對(duì)新業(yè)務(wù)支持力度受限，不能滿足用戶業(yè)務(wù)多樣化的使用需求。因此，針對(duì)這些問題專用電話網(wǎng)亟需進(jìn)行升級(jí)改造。

IP多媒體子系統(tǒng)（IP Multimedia Subsystem，IMS）是一種基于分組交換的多媒體通信技術(shù)[2]。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比，IMS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更加合理、清晰，具備提供話音、視頻、和數(shù)據(jù)等IP多媒體業(yè)務(wù)及并具有良好的可擴(kuò)展性等特點(diǎn)。IMS技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用[3]，如中國(guó)電信、中國(guó)聯(lián)通已完成基于IMS技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)改造，國(guó)家電網(wǎng)等行業(yè)專用電話網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)也進(jìn)行了升級(jí)改造。因此，IMS技術(shù)可作為專用電話網(wǎng)升級(jí)改造的可選方案之一。

1網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

專用電話網(wǎng)一般按照總部、區(qū)域和用戶接入三級(jí)組網(wǎng)，各區(qū)域網(wǎng)絡(luò)分別與總部及其他區(qū)域網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，交換設(shè)備采用PSTN交換機(jī)，用戶終端設(shè)備以模擬電話機(jī)為主。網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式如圖1所示。

IMS網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)一般有2種方案[4]：方案一為在全網(wǎng)集中部署1套IMS核心網(wǎng)設(shè)備，該方案適合規(guī)模較小、各區(qū)域分支機(jī)構(gòu)較少的單位；方案2為分區(qū)部署套IMS核心網(wǎng)設(shè)備，該方案適合規(guī)模較大、各區(qū)域相對(duì)獨(dú)立的單位。根據(jù)專用電話網(wǎng)升級(jí)改造需求，為保證網(wǎng)絡(luò)升級(jí)平滑遷移及繼續(xù)沿用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維保障機(jī)制，專用電話網(wǎng)升級(jí)改造仍按照總部、區(qū)域和用戶接入三級(jí)組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

如圖2所示，在總部及各區(qū)域分別部署1套IMS核心網(wǎng)設(shè)備，并可采用1+1備份容災(zāi)方式提升網(wǎng)絡(luò)可靠性。E.164號(hào)碼（E.164 number，ENUM）服務(wù)器/域名服務(wù)器（Domain Name Server，DNS）按照總部、區(qū)域2級(jí)部署。總部ENUM/DNS存儲(chǔ)管理跨區(qū)域的域名與IP地址信息，當(dāng)進(jìn)行跨區(qū)域呼叫、用戶漫游注冊(cè)的業(yè)務(wù)時(shí)，可以通過總部ENUM/DNS服務(wù)器進(jìn)行跨區(qū)域的域名、網(wǎng)元IP地址、ENUM的查詢和解析；區(qū)域ENUM/DNS存儲(chǔ)管理所在區(qū)域的域名與IP地址信息、用戶的ENUM翻譯信息，完成與之對(duì)應(yīng)的查詢和解析。為保證網(wǎng)絡(luò)的輕載性，ENUM/DNS、HSS等數(shù)據(jù)處理類網(wǎng)元冗余度一般取1.5。

呼叫會(huì)話控制功能（Call Session Control Function，CSCF）根據(jù)功能不同分為代理呼叫會(huì)話控制功能（Proxy-CSCF，P-CSCF）、查詢呼叫會(huì)話控制功能（Interrogating-CSCF，I-CSCF）與服務(wù)呼叫會(huì)話控制功能（Serving-CSCF，S-CSCF）。P-CSCF主要轉(zhuǎn)發(fā)終端與網(wǎng)絡(luò)間的會(huì)話初始協(xié)議（Session Initiation Protocol，SIP）消息，I-CSCF主要為終端分配為終端服務(wù)的S-CSCF及獲取S-CSCF地址，S-CSCF主要處理SIP消息及為終端提供呼叫會(huì)話控制。歸屬用戶服務(wù)器（Home Subscriber Server，HSS）主要用于存儲(chǔ)用戶標(biāo)識(shí)、號(hào)碼、尋址、安全、位置和業(yè)務(wù)簽約等信息，與S-CSCF交互對(duì)終端認(rèn)證注冊(cè)等。通過應(yīng)用服務(wù)器（Application Server，AS）提供各種應(yīng)用業(yè)務(wù)，根據(jù)需要在總部及各區(qū)域通過網(wǎng)關(guān)（Gateway，GW）與其他網(wǎng)系互聯(lián)互通。

會(huì)話邊界控制器（Session Border Controller，SBC）位于網(wǎng)絡(luò)邊緣，具備信令代理、媒體代理、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（Network Address Translation，NAT）和防火墻等安全隔離功能。會(huì)話邊界控制器（Session Border Controller，SBC）部署在總部及各區(qū)域級(jí)網(wǎng)絡(luò)，所有終端的域內(nèi)、域間通信媒體流需到SBC交換，如圖2中虛線條所示，SBC等大部分網(wǎng)元冗余度一般取1.25。SBC也可根據(jù)實(shí)際需要部署到用戶接入?yún)^(qū)，但一般需滿足以下條件[4]之一：

①該用戶接入?yún)^(qū)到區(qū)域級(jí)核心網(wǎng)所在地的距離遠(yuǎn)，導(dǎo)致通信服務(wù)質(zhì)量不佳；

②該用戶接入?yún)^(qū)SBC容量無法滿足話務(wù)要求，或者帶寬壓力較大；

③該用戶接入?yún)^(qū)存在與其他網(wǎng)絡(luò)互通需求。

用戶接入方式根據(jù)不同的用戶網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及用戶需求主要有4種典型方式[5]，如圖3所示。

NFV作為通信技術(shù)與信息技術(shù)的結(jié)合體[7]，實(shí)質(zhì)就是將多種類型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備借用虛擬化技術(shù)虛擬化形成虛擬機(jī)，然后將傳統(tǒng)的通信業(yè)務(wù)部署到虛擬機(jī)上。通過NFV能夠加快產(chǎn)品和新業(yè)務(wù)推廣，簡(jiǎn)化通信網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)過程，并能按需動(dòng)態(tài)分配硬件資源，增加網(wǎng)絡(luò)功能、擴(kuò)展靈活性。在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)功能與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備存在強(qiáng)耦合關(guān)系，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備又因廠商不同存在較大差異，導(dǎo)致新業(yè)務(wù)擴(kuò)展的成本上升及缺乏靈活性，同時(shí)也不便于統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理。

AI作為一門交叉學(xué)科，將計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制論、信息論、哲學(xué)和語(yǔ)言學(xué)結(jié)合在一起，其本質(zhì)就是基于機(jī)器來模擬人類智能，完成人類才能完成的智能工作。將AI引入通信網(wǎng)絡(luò)，能夠解決通信網(wǎng)絡(luò)中的難題，提升網(wǎng)絡(luò)效率和服務(wù)質(zhì)量。目前，國(guó)內(nèi)外電信運(yùn)營(yíng)商已開始“AI+電信網(wǎng)絡(luò)”戰(zhàn)略，AI在電信網(wǎng)絡(luò)中已得到初步應(yīng)用[8]。

通過基于通用、共享的硬件資源，將網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化，降低網(wǎng)絡(luò)成本，使網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡(jiǎn)單易于維護(hù)并具有良好的擴(kuò)展性，業(yè)務(wù)部署也能夠快速上線。同時(shí)，在網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)和管理等各個(gè)層面深度融入AI技術(shù)，使網(wǎng)絡(luò)成為一個(gè)架構(gòu)更簡(jiǎn)單、更智能的網(wǎng)絡(luò)?；贗MS的專用電話網(wǎng)下一步發(fā)展的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖6所示。

如圖6所示，新的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將共用網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的硬件資源虛擬化，形成網(wǎng)元功能、業(yè)務(wù)應(yīng)用共享的硬件資源。P-CSCF、I-CSCF、S-CSCF和HSS等網(wǎng)元功能也進(jìn)行虛擬化，成為全網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配使用的資源。電話、視頻、數(shù)據(jù)和各種增值業(yè)務(wù)等應(yīng)用業(yè)務(wù)虛擬化，運(yùn)行于虛擬化硬件資源平臺(tái)上。硬件資源管理主要實(shí)現(xiàn)硬件資源及虛擬資源的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及上報(bào)，網(wǎng)元功能管理主要實(shí)現(xiàn)虛擬網(wǎng)元的管理，包括添加、刪除、查詢和更改等，按需調(diào)度網(wǎng)元功能，虛擬化編排實(shí)現(xiàn)整個(gè)虛擬硬件資源及虛擬網(wǎng)元功能的管理及調(diào)配，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)完整的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。同時(shí)，充分利用AI賦能通信網(wǎng)絡(luò)，將AI技術(shù)引入新的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)和管理等方面深度融合AI，如通過AI分析網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行參數(shù)，為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提供決策參考；通過語(yǔ)音識(shí)別、上下文場(chǎng)景交互等AI技術(shù)，提供智能客服等智能應(yīng)用；通過AI技術(shù)分析用戶業(yè)務(wù)量、用戶業(yè)務(wù)喜好等數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)智能管理編排等，進(jìn)一步提升專用電話網(wǎng)服務(wù)保障質(zhì)量。

5結(jié)束語(yǔ)

IMS技術(shù)作為一種新的通信技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，針對(duì)專用電話網(wǎng)技術(shù)體制落后、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)保障困難、難以滿足業(yè)務(wù)擴(kuò)展需求的現(xiàn)狀，基于IMS的專用電話網(wǎng)能夠解決當(dāng)前面臨的問題。同時(shí)，隨著新興技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，針對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)存在的不足，通過在網(wǎng)絡(luò)中深度融合NFV、AI等技術(shù)，能夠解決現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)存在的建設(shè)維護(hù)成本較高、網(wǎng)絡(luò)功能擴(kuò)展靈活度不夠、運(yùn)維管理較復(fù)雜等不足。因此，基于IMS的專用電話網(wǎng)及下一步發(fā)展的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠?yàn)楫?dāng)前專用電話網(wǎng)升級(jí)改造及持續(xù)發(fā)展提供有益參考。

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