运营商IMS网间互联互通组网关键技术研究

翟振辉，邱巍，吴倩，李心恬，马洪源

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

0 引言

近年来，随着通信技术的快速发展，话音业务已经逐步从传统电路交换承载方式向基于IMS（IP Multimedia Subsystem，IP 多媒体子系统）网络的VoLTE（Voice over Long-Term Evolution，基于长期演进的语音承）演进。随着5G 技术的快速发展，话音业务将进一步向5G标准语音解决方案VoNR（Voice over New Radio，基于新空口的语音承载）演进。无论是VoLTE 还是VoNR，均是基于IMS 网络实现[1]。IMS 作为下一代网络的核心技术，可提供统一的控制核心，支持多种固定/ 移动接入方式，能够更为灵活快速地提供业务能力。运营商可以通过IMS 网络同时向固定和移动用户提供多媒体业务[2]。

虽然国内各基础电信运营商均已建设了覆盖全国的IMS 网络，但是各运营商网间互联互通依然通过传统电路域关口局实现，IMS 网络之间并未实现互联互通。为了满足未来话音业务的发展，适应IMS 网络快速发展的趋势，工业和信息部决定于2020 年在全国推广IMS 网络互联互通的工作。本文将重点研究和分析IMS 互联互通方案中的关键组网技术，以及对现有网络的影响，为后续的IMS 互联互通方案的制定和工程建设提供了技术基础。

1 IMS网间互通方案

1.1 运营商网间互联互通现状

目前，运营商网间的互联互通是通过设置于各省的关口局采用TDM 方式实现的。所有2G/3G/4G 用户，即使是IMS 用户（包括注册于IMS 网络的移动用户和固网用户），在进行网间呼叫的情况下，均要回落到电路域，根据他网被叫号码路由至被叫归属地的关口局出网，实现网间互通。随着4G/5G 的网络的快速发展，2G/3G 网络正面临逐渐淘汰和退网的问题，而现有通过电路域关口局进行网间互联互通的方式将严重制约各运营商的网络演进和发展。因此，通过IMS 网络实现网间互联互通成为了各运营商的共同选择。目前运营商网间互联互通现状如图1 所示：

图1 目前运营商网间互联互通现状

1.2 IMS网间互联互通方案

基于IMS 网络的语音及多媒体业务的网间互通，通过各运营商设置在省内的IBCF（Interconnection Border Control Function，互联边界控制功能）/TrGW（Transition Gateway，翻译网关）进行互通，IBCF/TrGW 部署在不同IMS 核心网络之间或者IMS 核心网络与其他IP 网络之间，网间采用IP 中继连接[3]。IBCF 通过Mx 接口和本网内的P-CSCF/I-CSCF/S-CSCF/BGCF连接，IBCF的信令面通过Ici 接口与其他网络连接，IBCF 的媒体面（TrGW）通过Izi 接口与其他网络连接[4]。考虑到运营商之间的Enum/DNS（Electronic Numbers to URI Mapping/Domain Name System，电子号码对URI 的映射服务器/域名服务器）互通查询的风险较大，因此Enum/DNS 选择不互通。IMS 网间互通的组网架构图如图2 所示[5]：

图2 IMS网间互通逻辑架构图

运营商各省网间互联互通业务通过省内互通点IBCF/TrGW 进行互通，省际业务长途路由方式与现网保持一致，仍采用就远入网方式[6]，即通过被叫用户归属省的互联点IBCF/TrGW 进行互通。

由于目前各运营商均有一定规模的非IMS 用户，短期内传统关口局依然有存在的必要性，因此网间互通将保持传统关口局和IBCF/TrGW 共存的情况。各运营商需要根据主叫用户性质选择互通节点：

（1）当主叫用户为IMS 用户时，采用通过IBCF/TrGW 进行互通的方式。

（2）当主叫用户为非IMS 用户时，仍采用通过传统网间关口局进行互通的方式，与当前现网路由保持一致[7]。

运营商网间互联互通组网图如图3 所示：

图3 运营商网间互联互通组网图

不同运营商的网络之间配置静态路由，为了避免与内部地址冲突，互通设备的对外业务地址使用公网IP 地址。

此外，网间互通还需具备网络层容灾和业务层容灾能力。各运营商的路由器与对端按口字形连接，配置双向路由，保证单条链路故障或单台设备故障时可通过第二路由疏通业务。各运营商至少部署两个IBCF/TrGW，当某个IBCF/TrGW 出现故障后，支持通过容灾倒换机制，使网络中其他IBCF/TrGW 接管故障IBCF/TrGW 的业务。当故障IBCF/TrGW 恢复并可以承载业务后，支持通过容灾倒回机制，使网络中互通业务逐步迁移回原IBCF/TrGW[8]。

2 组网关键技术分析

2.1 多对IBCF/TrGW组网技术分析

根据业务容灾要求，各运营商需要成对部署IBCF/TrGW，即至少部署两套IBCF/TrGW，设备之间可以采用负荷分担或者主备等工作方式。但是在实际部署和工程建设过程中，受限于厂家IBCF/TrGW 设备处理能力，一些互联互通话务量较大的省份会出现需要部署多对IBCF/TrGW 的情况。多对IBCF/TrGW 设备之间可以有多种组网方案和工作方式，不同方案对网络数据配置、功能改造等方面的影响也不尽相同。因此，本文将对不同组网方案做进一步深入研究和分析。

（1）方案一：多套IBCF/TrGW 采用组POOL 负荷分担方式工作，负责省内全部网间互通业务。

本方案中，省内多套IBCF/TrGW 组成一个POOL，且为POOL 分配一个通用主机名。各省域名与现网域名分配原则保持一致，仅需分配一个域名即可，全省一个业务区。由于各运营商的ENUM/DNS 不互通，因此二级ENUM/DNS 需配置本省他网所有号段与相应的域名数据，以及域名与省内IBCF/TrGW POOL 内各网元的映射关系。该方案组网架构图如图4 所示：

图4 方案一IBCF/TrGW组POOL组网架构图

采用本方案组网，几种主要场景的路由如下：

场景①：他省IMS 用户呼叫本省他网用户

他省S-CSCF 通过他省二级Enum/DNS 查询一级Enum/DNS，再查询到本省二级Enum/DNS。返回IBCF POOL 的通用主机名，再进行SRV 查询和A 记录查询获得ip 地址，实现多套IBCF 负荷分担。

场景②：本省IMS 用户呼叫他网用户

本省S-CSCF 查询本省二级Enum/DNS 获取IBCF POOL 的通用主机名，再进行SRV 查询和A 记录查询获得ip 地址，实现多套IBCF 负荷分担。

场景③：他网IMS 用户呼叫本省用户

他网呼叫负荷分担方式路由到POOL 内的某套IBCF/TrGW 进行互通。

（2）方案二：多套IBCF/TrGW 分区域部署，按业务区域疏通业务。

本方案，需将省内划分多个业务区，每业务区部署一对IBCF/TrGW 设备。该方案组网架构图如图5 所示。

图5 方案二分业务区组网架构图

该方案可以有如下两种实现方式：

1）方式一：为每个业务区分配独立的域名，通过域名方式区分

本方案需要按业务区域的划分，为每个区域的他网号段单独分配域名，并在Enum/DNS 完成各区域他网号段的数据配置。

场景①：他省用户呼叫本省他网用户

他省呼叫通过一级Enum/DNS 到本省二级Enum/DNS，根据他网被叫号码归属的不同域名，实现该区域对应的IBCF/TrGW 的IP 地址互通。

场景②：本省用户呼叫他网用户

本省S-CSCF 查询本省二级Enum/DNS，根据他网被叫号码归属的不同域名，实现该区域IBCF/TrGW 的地址互通。

场景③：他网用户呼叫本省用户

他网运营商需按相同业务分区的号段配置路由。若他网IBCF 不支持上述要求，则只能实现多对IBCF/TrGW轮选，不能实现按业务区入网。

如果运营商后续业务区调整时，其他运营商需同步更新域名划分和数据配置。

2）方式二：通过Enum/DNS 开启视图功能，支持各业务区的业务由不同的IBCF/TrGW 疏通

省内二级Enum/DNS 需支持视图功能，可根据不同的查询源返回不同的查询结果，以实现不同业务区的网间互通业务由不同的IBCF/TrGW 设备疏通。

场景①：他省用户呼叫本省他网用户

对于本网他省用户呼叫本省他网用户，无法根据主叫归属S-CSCF 地址信息通过Enum/DNS 的视图功能选择IBCF/TrGW，仅能实现多对IBCF 负荷分担和按权重承载业务。

场景②：本省用户呼叫他网用户

本省S-CSCF 查询本省二级Enum/DNS，Enum/DNS开启视图功能，可根据主叫归属S-CSCF 所在业务区选择相应区域的IBCF/TrGW。

场景③：他网用户呼叫本省用户

他网需按移动业务分区按号段配置路由。若他网IBCF/TrGW 不支持上述要求，则只能实现多对IBCF/TrGW 轮选，不能实现按业务区入网。

采用本方式，核心网区域规划需与互通区域规划统筹，IBCF/TrGW 区域应大于或等于S-CSCF POOL 覆盖区域，对于本网他省用户呼叫本省他网用户的场景无法实现分区域互通。

通过对上述几种方案的研究和分析，分区域部署方案无论采用哪种方式，均对设备功能或数据配置有额外要求，并且未来业务区调整还需调整数据配置，规划和实施相对复杂。而采用方案1 的全省组POOL 方案，主要优点如下：

（1）网络规划简单。组POOL 方案仅要求全省业务量均接入POOL 内即可，无需按地市或号段分区域进行规划，即使业务区发生调整也不会影响对IBCF/TrGW 设备造成影响。

（2）数据配置简单。组POOL 方案要求每省仅分配一个域名即可，不受区域划分影响。而分区域部署方案要求每个区域有单独的域名，或者对ENUM/DNS 有能够按区域进行数据配置的功能要求，数据配置相对复杂。

（3）对其他运营商无特殊要求。组POOL 方案对其他运营商无特殊配置要求。而分区域方案则要求其他运营商能够按照本省的区域划分进行路由，对其运营商的要求较高。

综上分析，建议优先采用IBCF/TrGW 组POOL 方案。

2.2 周边改造分析

由于IMS 网间互联互通的实现，使得IMS 用户的发起的呼叫由之前关口局出网，改为从IMS 网络中的IBCF/TrGW 出网，因此可能会对网络中的周边网元引起改造，需要具体分析哪些网元会受到影响，在工程建设过程中需同步进行这类网元的改造。

从数据配置上看，由于运营商之间的Enum/DNS 不进行互通，因此，各省二级Enum/DNS 需配置本省他网运营商号段的路由数据，一级Enum/DNS 配置他网运营商号段至所在省二级ENUM/DNS 的路由数据[9]。

此外，路由调整引起了部分网元话务处理能力的变化，分析如下。

（1）本网IMS 用户主叫出网路由

原路由：出网呼叫从主叫IMS 用户归属S-CSCF 查询主叫归属省的二级Enum/DNS，发现被叫号码为他网号码后，经BGCF 和MGCF，回落到CS 域经关口局出网。

调整后路由：出网呼叫从主叫IMS 用户归属S-CSCF查询主叫归属省的二级Enum/DNS，若主备叫为不同省份用户，还需经过一级Enum/DNS 进行跨省查询他网被叫号码归属省份的二级Enum/DNS，最终呼叫路由至他网被叫用户归属省的IBCF/TrGW 出网。本网IMS 用户主叫出网路由前后变化如图6 所示：

图6 本网IMS用户主叫出网路由前后变化

（2）他网IMS 用户主叫入网路由

原路由：他网IMS 用户主叫呼叫从关口局入网，若被叫为本网IMS 用户，则经MGCF、BGCF、I-CSCF 进入IMS 网络；若被叫为非IMS 用户，则呼叫在CS 域内路由。

调整后路由：他网IMS 用户主叫呼叫从IBCF/TrGW入网，经I-CSCF 查询HSS 和Enum/DNS,若被叫为本网IMS 用户，进入IMS 网络；若被叫为非IMS 用户，则呼叫经BGCF 和MGCF 送至电路域[10]。他网IMS 用户主叫入网路由前后变化如图7 所示：

图7 他网IMS用户主叫入网路由前后变化

综上分析可以得出，若当前运营商的IMS 用户大于非IMS 用户，则可以认为BGCF、MGCF 和关口局的处理能力需求将略有减少。而I-CSCF 将增加本网非IMS用户做被叫的相关查询；二级Enum/DNS 将增加本网他省IMS 用户呼叫他网本省用户的查询和他网IMS 用户呼叫本网非IMS 用户时的查询；一级Enum/DNS 的查询将增加本网IMS 用户呼叫他网他省用户的跨省查询次数。

对于由IMS 互联互通引起的需要额外增加处理能力的网元，本文提供了如下算法，可以对这些网元需增加的处理能力进行估算。具体算法如下：

（1）二级Enum/DNS 需增加的查询次数：

其中：e为二级Enum/DNS 需增加的查询次数；ai为本网第i个他省IMS 用户数；z为忙时平均每IMS 用户主叫次数；s为本省省际长途被叫比例；d为主叫出网呼叫比例；C0为本省非IMS 用户数；f为非IMS 用户忙时平均被叫次数；y为他网呼入的被叫占比；t为他网IMS 用户占比。

（2）一级Enum/DNS 需增加的查询次数：

其中：E为一级Enum/DNS 需增加的查询次数；ai为本网第i个省IMS 用户数；z为忙时平均每IMS 用户主叫次数；s为省级长途呼叫比例；d为主叫出网呼叫比例。

（3）本省I-CSCF 需增加的查询次数：

其中：I为本省I-CSCF 需增加的查询次数；C0为本省非IMS 用户数；f为非IMS 用户忙时平均被叫次数；y为他网呼入的被叫占比；t为他网IMS 用户占比。

3 结束语

IMS 网间互通的推进，使得基础网络的互联互通由传统关口局的TDM 方式承载改为由IBCF/TrGW 的IP 方式承载，符合通信网络的发展和技术演进，为后续向用户提供VoLTE 和VoNR 的跨网呼叫服务提供了技术基础和网络保障。同时，IMS 网络中的网元众多、路由复杂、涉及的周边系统较多，IMS 网络互联互通组网建设方案复杂。因此，本文对组网中涉及的关键技术研究和分析，对运营商在后续的商用部署和工程建设有着重要的参考意义。