5G网络下IMS系统架构演进研究

王梦晓



5G网络下IMS系统架构演进研究

王梦晓

东南大学成贤学院电子与计算机工程学院，江苏 南京 210088

第五代通信系统是面向2020年以后人类信息社会需求的无线移动通信系统。它是一个多业务技术融合的网络。在5G网络中用户或终端接入规模大幅增加，网络侧的服务节点变化也更加频繁，而现有的IMS系统架构无法满足节点的自动加入或退出及自动化管理。通过对现有技术的分析，对5G网络下IMS系统架构演进进行了研究，提出了一种可行的方案。

5G；IMS；系统架构演进

1 概述

移动通信技术的演进已经到了第五代，从第一代到第四代移动通信技术，围绕的都是人与人之间的通信。随着第五代移动通信技术的提出，通信的对象扩展到了人与物、物与物等更广阔的通信领域。人们需要一个带宽更高、时延更低、覆盖更广的移动网络，这就是未来5G的演进方向。

5G[1]技术主要应用场景包括以下内容。

（1）超高速场景，为未来移动宽带用户提供极速数据网络接入。

（2）支持大规模人群，为高人群密度地区或场合提供高质量移动宽带体验。

（3）随时随地最佳体验，确保用户在移动状态仍享有高质量服务。

（4）超可靠的实时连接，确保新应用和用户实例在时延和可靠性方面符合严格的标准。

（5）无处不在的物物通信，确保高效处理多样化的大量设备通信，包括机器类设备和传感器等。

以上特征对于5G网络中的应用系统提出了更高的要求。

IMS（IP Multimedia Subsystem，IP多媒体子系统）[2]是3GPP（Third Generation Partnership Projet，第三代合作伙伴计划）提出的支持IP多媒体业务的子系统，其显著特征包括：（1）采用SIP（Session Initial Protocol，会话初始协议）；（2）通信与接入方式无关；（3）控制功能与承载能力分类；（4）呼叫与会话分离；（5）移动网与因特网业务融合。

但现有的IMS架构[3]存在一定的缺陷，它的节点管理采用的是基于DNS方式的静态管理策略，新增节点需要通过DNS进行配置，服务节点上线、下线不能自动化等。进入5G时代后，不同应用需要对网络进行切片使用，各种服务节点快速增长，5G系统希望新的服务节点支持快速接入，故障节点能快速退出，现有的架构无法满足5G网络的要求。

2 IMS系统架构演进

通过对现有技术方案研究，提出了一种新的架构体系。通过新增一个服务管理节点，将原有在DNS中静态配置节点信息，改为由服务管理节点上动态管理。新增服务节点可以通过服务管理节点发布服务；服务管理节点可以检测服务节点的状态，并提供查询服务，为查询者提供满足条件的服务节点。

图1 改进的IMS网络架构图

改进的IMS架构主要涉及如下网元（如图1所示）。

（1）终端设备管理节点（DM）：负责存储和管理终端的配置信息，包括各种配置参数、对应服务的访问地址（域名或者IP地址），主要向终端提供网络侧接入服务节点（SBC/P-CSCF）的信息。

（2）服务管理节点：负责管理各服务节点。服务管理节点具体包括以下几个方面。

①服务节点的加入或退出：服务节点发布加入申请时，说明本服务节点的功能，提供IMS的哪类服务（SBC/P-CSCF、I-CSCF、S-CSCF、MGCF、IM-MGW、HSS等）、性能特性说明（支持的用户数、支持的并发数等）、服务地域信息、服务应用场景等。

②服务节点合法性认证：服务管理节点对服务节点接入进行认证，确保服务节点的合法性。

③服务节点的状态更新：服务节点定期更新状态给网络功能服务管理节点，由服务管理节点维护各服务节点的最新状态。

④服务节点的分配：向内部节点提供服务节点申请服务，其他节点可以申请制定功能的服务节点，服务管理节点根据申请的要求（地域、时延、接入网络、用户数等）分配合适的服务节点。

⑤静态配置节点信息查询：当在本地未查询到动态节点信息时，可以向传统的ENUM/DNS节点发起查询，获得静态配置的节点信息，以实现对现有系统的兼容。

（3）接入服务节点：提供改进的SBC/P-CSCF（Session Border Controller，会话边界控制器）服务。作为终端接入的第一个网元，主要实现网络地址转换和穿越、网络安全控制、QoS功能以及媒体转发的功能。在改进的架构中，增加了与服务管理节点的交互接口，支持服务加入、服务退出、服务节点查询等接口，通过向服务管理节点发布自身节点的状态，实现加入/退出服务网络的目标。通过向服务管理节点查询的方式，获取符合条件的节点信息。如果未能从服务管理节点获取到信息，再通过访问DNS获取其他节点的静态配置信息。

（4）查询服务节点：提供改进的I-CSCF服务。在注册过程中，I-CSCF（Interrogating-CSCF）通过查询HSS，为用户选择一个S-CSCF。在呼叫过程中，将消息路由到S-CSCF。在改进的架构中，I-CSCF增加了与服务管理节点的交互接口，支持服务加入、服务退出、服务节点查询等接口，通过向服务管理节点发布自身节点的状态，实现加入/退出服务网络的目标。通过向服务管理节点查询的方式，获取符合条件的节点信息。如果未能从服务管理节点获取到信息，再通过访问DNS获取其他节点的静态配置信息。

（5）业务服务节点：提供改进的S-CSCF服务。S-CSCF为终端提供会话控制，注册服务，呼叫认证鉴权，以及业务触发功能。在改进的架构中，S-CSCF增加了与服务管理节点的交互接口，支持服务加入、服务退出、服务节点查询等接口，通过向服务管理节点发布自身节点的状态，实现加入/退出服务网络的目标。通过向服务管理节点查询的方式，获取符合条件的节点信息。如果未能从服务管理节点获取到信息，再通过访问DNS获取其他节点的静态配置信息。

（6）应用服务节点：提供改进的AS服务功能。AS为IMS用户提供业务功能。AS在改进的架构中，S-CSCF增加了与服务管理节点的交互接口，支持服务加入、服务退出、服务节点查询等接口，通过向服务管理节点发布自身节点的状态，实现加入/退出服务网络的目标。通过向服务管理节点查询的方式，获取符合条件的节点信息。如果未能从服务管理节点获取到信息，就再通过访问DNS获取其他节点的静态配置信息。

改进的IMS架构的工作流程具体包括以下内容。

（1）服务节点上线后，向服务管理节点发布节点状态，包括本服务节点提供的IMS服务角色（SBC、I-CSCF、S-CSCF、BGCF、MGCF、IM-MGW等）、IP地址、端口号、可用并发用户数、可用并发处理能力、加入服务的区域，服务的业务场景等。

（2）服务管理节点验证请求后，记录新增的服务节点信息。

（3）服务节点收到业务请求时，向服务管理节点进行查询，获得下一个服务节点。

（4）服务管理节点根据查询请求，例如服务区域、服务的业务场景、服务角色等，在节点状态中找到匹配的服务节点，返回给查询者。

（5）服务节点将请求转发给下一条的服务节点。服务节点和服务管理节点之间可以使用HTTP/HTTPS等协议，或者其他自定义协议。

3 结束语

改进后的IMS网络通过服务管理节点，可以实现服务节点的动态加入或退出，适应5G网络中服务节点的不断变化，实现整个IMS系统服务能力的动态伸缩，有助于IMS在5G网络中的应用。

[1]3GPP TS 22.261 Service Requirements for the 5G system[S].

[2]3GPP TS 22.228 Service requirements for the Internet Protocol （IP） multimedia core network subsystem （IMS）； Stage 1[S].

[3]3GPP TS 23.228 IP Multimedia Subsystem（IMS）： Stage 2[S].

Research on IMS System Architecture Evolution under 5G Network

Wang Mengxiao

School of Electronics and Computer Engineering, Southeast University Chengxian College, Jiangsu Nanjing 210088

The fifth generation communication system is a wireless mobile communication system for the needs of the human information society after 2020. It is a multi-service technology convergence network. The access scale of users or terminals in the 5G network is greatly increased, and the service nodes on the network side changes are also more frequent, and the existing IMS system architecture cannot satisfy the automatic joining or exiting of nodes and automatic management. Through the analysis of the existing technology, the evolution of IMS system architecture under 5G network is studied, and a feasible scheme is proposed.

5G; IMS; system architecture evolution

TN929.5

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