电网IMS平台与多云业务平台融合架构研究

李妮 沈巍 孙红霞 徐杰

摘要：IMS是交换网络发展史上具有功能性突破的技术，是音频、视频、媒体流融合的新一代解决方案，适应未来电力信息化多元化发展的需求。提出了一种全新的电力行政交换网架构———IMS+多云平台方式，IMS基于SIP协议实现多功能实体控制，并通过不同形式的业务接口同云业务平台对接，研究IMS核心网功能实体对多媒体云业务支撑技术能力及多媒体流处理技术，将新模式应用到下一代融和电力通信网络中，为电网未来信息化建设提供了新思路和参考依据。

关键词：IMS；云平台；融合；虚拟化

中图分类号：TP393文献标志码：A文章编号：1008-1739（2019）22-60-4

0引言

电力交换网发展至今模式没有较大改变，以行政交换网（网1）和调度交换网（网2）模式为主，2张网权责清晰。网1主要承载电网信息系统业务，包括行政、信息化和视频服务等，信息安全级别为3，4等级；网2主要承载国网调控交换业务，调控业务是电网一次设备运行及控制类等信息，安全级别为1，2等级。网2业务类型单一（语音为主），带宽需求小，但安全性要求端到端100%实时连接；网1业务类型扩展模式较多，会出现大带宽多媒体业务。

电力交换网业务承载方式发展速度较慢，从80年代的模拟程控交换网升级为数字交换网，到现在公网应用较成熟的软交换和IMS技术。从技术本身分析，网络的业务承载方式越来越灵活，容纳的业务量也越多，但安全指数会相应下降。国网公司结合技术和网络需求特点，从2014年开始论证软交换及IMS技术在两网中的应用可信性，最终结论是网1适合采用IMS网络承载，网2考虑到安全性，依然沿用程控交换产品。目前IMS网络是一种半开放式的业务平台，通过简单的渠道接入，安全等级还未达到网1要求，但随着安全部署能力的提升，引入智能安全隔离装置等也许能满足等级要求，但还需长期测试验证。

行政交換网选择IMS网络可承载除目前信息内外网的业务外，还会不断扩展新型多媒体业务，真正体现平台优越性。由于信息数据的爆发，国网希望将视频、音频、Flash和多媒体流等各类业务统一集成到综合业务平台上。为集约化资源，各类业务会以云平台方式呈现，IMS核心网络应同各类云平台安全对接，并能快速灵活调控业务，对IMS承载能力提出了要求，针对电力业务的特殊性，IMS网络需做相关的升级和优化[1]。

1电网IMS发展现状及业务扩展新思路

公网交换网发展速度快，已经成功经历了从软交换到IMS的华丽转变，为电力交换网发展提供成熟思路。电力交换网发展速度较慢，技术可信方式较保守，以程控交换为主的交换网已经经历了快30年，陆续出现了传输速率低、承载业务单一以及业务系统间互联互通性等各种制约，准备直接跨过软交换这种过渡模式，采用IMS技术来承载更多的多媒体业务，满足下一代电力交换网需求。

IMS作为下一代多媒体交换网的演进版，具备超大业务融合能力，可将目前存有的及未来新生的扩展业务模式都能纳入平台上进行交换传输。IMS采用SIP协议实现业务和控制的全分离，保障IMS网络的业务开放能力远胜过PSTN等业务网络，IMS核心网中设计多种类型网元，各类网元可负责不同业务平台，提升业务承载能力。

电力公司可利用IMS基础系统构建创新业务平台，实现会话管理、在线状态管理、基础音视频能力服务、公共服务和系统安全防护等功能。平台开放的API接口供上层业务系统调用，完成上层业务消息与底层IMS消息（如SIP协议栈）的映射，完成业务分析、迁移、设计与管理等实用化功能。

本文将IMS网络的业务开放能力应用在下一代电力互联网系统中，打破程控交换端到端的固步自封建网思想，以模块化、独立式、融合性的方式研制业务交换模块和平台，采用分层式部署交换网元和接口，权责划分明确，易于开发和管理，有利于未来新业务的融合及系统的平滑升级。IMS核心网络部署了不同类型的应用服务器，与S-CSCF通过业务接口相连，直接调用各类业务[2]。IMS核心网络部署结构如图1所示。

1.1基于SIP应用服务器的业务提供模式

国网公司提出建设坚强智能电网，对电力系统各环节各网络都提出了更好的要求，交换网络也需随之而上。交换网络不仅应在原语音等传统业务承载的基础上在容量和类型上有飞跃式突破，还需在业务交换过程品质方面体现高稳定、高音质、高安全的“三高”业务特性，进一步支撑与交换网相连接的电力系统各业务部门运营需求，并可根据业务优先级、安全等级等要求设定不同的交换条件，按照电网生产类、调控类和信息类等不同应用场景合理部署交换流程。横贯IMS网络的主线是SIP协议，SIP协议实现各类交换会话，通过实体SIP应用服务器来执行具体命令。SIP协议集合组合成一个SIP AS平台，协议及服务都运行在此平台上，满足协同办公、生产调度等不同业务场景的需求。SIP应用服务器可以直接调用应用系统中的业务，核心协议流程通过S-CSCF实现，它是一种基于业务的应用层控制信令，能够指导一个或多个会话的创建、修改和结束等流程。所有IMS交换网络都利用SIP服务器来实现各类新业务的拓展与交换，针对特殊的服务实体SCIM充当不同服务器之间信息交互管理的角色。

1.2智能网业务环境下智能业务提供模式

电力各个系统之间应加强彼此之间的数据协作，存在不同类型的数据及过程间的交互，成为电力系统数据交互的纽带，保障资源调度、安全管控和流量预测分析等智能化业务和谐运行，应用系统使用能力全面提升。针对智能化业务的交换，MS网络中设计了IP Multimedia-Service Switching Function（IM-SSF）的作用是提供对智能网络业务的支撑，并提供CAP接口。与S-CSCF通过ISC接口相连的IM-SSF能够实现CAP/INAP与SIP之间的协议转换。由于两侧接口协议不一致，因此在智能系统调用时，应首先完成协议间格式的映射，映射模式根据实际需求可灵活匹配，持续为电网智能业务提供更多的增值业务。

1.3基于OSA业务能力服务器的业务提供模式

IMS还为电力系统提供了第三方应用平台，能够将互联网领域中的各类云平台媒体业务都融合于IMS系统中，依靠OSA来提供接口，并且为第三方应用服务器安全接入到IMS网络提供标准方式。IMS网络除接入电网系统内的业务平台外，经常也会牵涉到互联网上的相关业务，例如云存储、云计算数据库等资源，这些第三方数据库或服务器资源的接入可通过OSA服务器引入到IMS核心网中，供系统灵活调用。OSA应用服务器环境类似一个逻辑虚拟服务空间，将各类业务接口功能进行虚拟化设计，各种第三方业务平台通过合法化检查后，通过安全API接口接入到OSA平台的UMTS上，将交换网底层设备及业务平台的基础数据都简化处理，通过接口逻辑化直接对接方式，OSA与S-CSCF的ISC接口实现API与SIP之间的协议转换，充分体现出OSA多业务接入能力特征[3-4]。

2 IMS主体架构+多云应用融合架构

目前国家电网公司的IMS网络建设还处于起步阶段，业务平台主要是MMTel业务平台，对于电力特色业务以及创新业务，需要引入新的业务平台以开放网络和业务能力，适应各类业务的创新和应用，且通过标准化的接口协议，实现公司其他业务系统充分利用IMS高品质电信业务能力，提高生产效率。IMS网络的前身软件技术还处于半分离状态，而IMS采用SIP协议执行控制和业务信令，简化了控制和业务间的交互流程，使业务在交换部署时更便捷和灵活。IMS融合开放网络平台主要由3部分组成：基础能力服务、应用能力服务和业务平台。具体架构如图2所示，总体来看采用的是底层基础服务能力和上层应用服务完全相分离的模式。

基础能力服务子系统由IMS核心网的各种网元组成，包括S-CSCF，I-CSCF，BGCF，P-CSCF，HSS，SLF，MGCF和IMMGW/SG等，實现业务注册鉴权和注销、会话管理及计费等功能，CSCF三大网元为核心，控制着IMS业务信令和服务流程；基础服务网元通过各类SIP接口直接与云业务平台对接，网元会根据实际业务需求调用对应的业务接口，实现业务会话流程的启用；应用能力服务组件是一种利用信息交互总线，将各类应用服务管理能力如多媒体语音、动画和文件邮件服务等都集成在组件中，通过统一的逻辑虚拟接口和底层交换网对接。逻辑协议的对接通过网络协议适配器，实现不同协议格式间的映射。平台的管理层为纵向贯穿平面，通过ESB服务总线渗透各业务模块，实现交互流程管理、权限认证及授权管理等IMS系统业务管理能力，并向多方向提供多种级别的业务管理接口。业务平台则由系统内外业务云平台组成，系统内主要包括常规的消息云平台、视频云平台和通信录云平台等；系统外包括各类IT业务平台通过安全接入模块及安全措施接入IMS网络。随着全球能源互联网的发展，电网内部数据支撑不了业务融合发展需求，经常会调用外部业务数据库，如各国能源数据库、电子政务数据库等资源，各数据库将来基本采用云存储的方式来降低服务器资源的集约部署率，IMS核心网可承载云平台的数量可通过调整底层的虚拟接口配置灵活接纳[5]。

3基于IMS核心网功能实体对多媒体云业务支撑技术能力

从融合支撑创新架构可分析出，实现多云平台业务支撑主要依靠底层IMS网络的服务资源能力。IMS核心网络主要由IMS网络管理网元、网络设备、大数据计算和数据库存储4部分组成，它们之间协同工作并向上层提供云智能服务。由于云平台的数据处理量是无法预估的，将会是一个很庞大的数据计算及存储量，因此对电力交换网络提出了很高的挑战。

IMS网络网元主要是指IMS核心管理网元，实现整个IMS网络中生成的会话交互过程管控；网络设备指交换网络路由、交换机等实体；大数据计算指具备强计算能力的服务器集群；数据库存储是指会话过程产生的所有数据存储数据库集群。如果按照实际业务产生的资源需求来部署，需要一次性投入很大成本，并且后期扩容也是不定期会发生，针对类似网络的建设和运维的投资和效益是不成正比的。既想保持网络的容量和智能性，又想尽力减少投资成本，IMS网络通过引入虚拟化技术，将设备及网元的功能进行虚拟化模拟，实现虚拟化vIMS网络部署模式。vIMS网络支撑架构如图3所示。

该架构由硬件资源层、虚拟资源层、网元逻辑层和虚拟化配套管理模块构成。传统的IMS核心网网元以软件形态运行在网元逻辑层上，网元本身功能以及网元之间的逻辑接口与虚拟化之前保持一致。

虚拟资源层是各种逻辑功能和接口的集合池，由Hypervisor在硬件资源上提供能力，核心管理模块可按逻辑需求统一调配虚拟资源，形成规模不同的虚拟机，可同时运行在IMS网元上。

网元逻辑层由虚拟网元（VNF）组成，VNF提供的网元功能及接口都应与非虚拟化时的网元功能和接口保持一致。

VIM是虚拟化资源管理系统，主要负责硬件资源和虚拟资源的管理、监控和故障上报。

VNFM实现VNF的生命周期管理，包括VNF网元模板（VNFD）的管理、VNF实例的初始化、VNF的扩容/缩容以及VNF实例的终止。EMS是面向网元功能的管理模块。在IMS引入虚拟化初期，EMS需要具备同时管理物理网元（PNF）和虚拟网元（VNF）的能力。OSS+NFVO为引入虚拟化之后的网管系统，其中OSS为传统网管，NFVO主要负责提供硬件资源和虚拟化资源的视图、硬件资源和虚拟化资源的监控、性能统计和故障管理，并通过VNFM实现VNF软件包的管理，以及VNF的创建、更新、终止和弹性伸缩。

IMS引入虚拟化之后，网元之间的逻辑接口（基于SIP）并没有发生变化，只是引入了与虚拟化管理系统（MANO）的新的管理接口（此类接口同样适用于其他核心网虚拟化）。

vIMS网络架构基本稳定，功能较为完善。相对于传统的IMS网络，基于NFV的IMS网络最大的特征是将功能和硬件网元独立开来，增加了硬件设备的可重塑性和重复利用性。全系统建立在开放的虚拟化平台上，资源按需分配，部署并不改变IMS网络的信令和媒体处理功能。vIMS架构自身而言，其核心功能在对传统网络管理功能的技术变革和物理资源的管理功能。传统的网络管理主要针对具体网络实体和设备进行管理，而在vIMS中，需要按需进行vIMS网元功能的全生命周期管理和物理资源的分配。对于物理资源的管理NFVI将在软硬件分离架构下，按需为软件所需的物理资源进行分配和管理。目前两部分核心功能技术均已经成熟，可满足国家电网公司IMS核心网功能虚拟化的要求[6]。

4基于云平台多媒体流事件处理技术研究

vIMS多媒体网络除架构以外的重要问题就是数据处理能力，由于网络应用层连接各种云业务平台，会出现并发处理大量的数据业务，对多媒体流处理容量及能力提出了很大挑战。虚拟化技术是对物理资源的功能抽象，但资源如何调用还需数据计算过程配合，当多媒体流迸发数太大时，虚拟资源池会因为调用方法不当而造成资源缺乏，无法完成媒体流处理，因此vIMS架构还应配合媒体流带宽预测技术来指导虚拟资源调度。

媒体流带宽的测算与云业务的特性、网络承载特性和业务实施策略都紧密相关。媒体流的测算流程如下：

节点网络带宽=[每用户平均语音呼叫话务量伊G.711带宽需求+每用户平均视频呼叫话务量伊（G.711带宽需求+ H.263带宽需求）+图像平均像素伊JPEG压缩率+其他多媒体平均量伊数据处理系数伊用户数]/冗余系数

从公式可以看出，一个节点的带宽是将所有可能并发的多媒体业务量相加反映该节点某时刻的网络带宽。通过典型的语音、图像/视频压缩编码算法以及报文封装格式等，计算出语音、图像和视频等多媒体业务带宽需求，然后结合各节点的预测业务量集合及承载网利用率，最后计算出各节点的媒体流带宽。因此，媒体流带宽测算方法中涉及媒体流压缩算法、报文封装格式、承载网利用率和端到端业务量4个要素。

按照以上公式测算，假设用户数为5万户，某区域有10种类型多媒体业务，代入计算，A节点最大带宽需求为0.43 Gbit/s，B节点的最大带宽需求为0.26 Gbit/s，从而可以根据这个预测数据在2个核心节点之间进行业务的复用和调用，从而有把握地根据这种方式来测算全省全网的行政交换网可容纳的业务量。

5结束语

随着国家电网公司行政交换网确定采用IMS技术体制进行演进，以及IMS建设总体设计及迁移演进方案、承载网建设方案和接入网建设方案等技术指导文件的下发。在传统IMS行政网架构上提出了應用层云平台融合架构及设备网络功能虚拟化的业务创新技术，研究公司IMS交换网采用NFV技术如何实现核心网设备的网络功能虚拟化，如何承载多媒体云业务平台的业务，针对智能电网背景下的电力数据网业务流量不确定性、复杂性和非线性特征，借助多媒体流的带宽预测手段，提前合理部署及调整应用策略，提升资源利用率。

参考文献

[1]罗松，苏晓旭.国家电网公司IMS行政交换网业务发展需求和展望[J].电信网技术，2015（6）：37-40.

[2]波克申科·梅耶尔. IMS：IP多媒体子系统概念与服务[M].望育梅，周胜，译.北京：机械工业出版社，2011.

[3]张朝辉.基于IMS的下一代融合网络安全接入方案的研究[D].西安：西安电子科技大学，2013.

[4]李皎.应用IMS新技术推动电网生产智能化发展[J].华北电业，2016（2）：74-75.

[5]李成.国家电网公司IMS与其他网络互通方案研究[J].电信网技术，2015（10）：43-47.

[6]徐志强，陆俊，翟峰，等.智能配用电多业务汇聚的通信带宽预测[J].电网技术，2015，39（3）：712-716.