IMS在专用电话网中的应用及发展

张国波 李鉴 杨宏 康敏

摘要：针对基于电路交换技术体制的专用电话网现状及升级换代需求，提出了基于IP多媒体子系统（IMS）的专用电话网网络架构方案、主要网元部署原则、用户接入方式及安全增强方案，并分析了典型业务处理流程。同时，结合NFV、AI等新兴技术的发展应用，提出了专用电话网网络下一步发展趋势及目标网络架构，为专用电话网网络建设发展提供参考。

关键词：IP多媒体子系统；专用网络；安全增强；发展趋势

中图分类号：TN914.3文獻标志码：A文章编号：1008-1739（2023）05-52-5

0引言

专用电话网主要面向特定行业用户提供电话通信服务，目前仍有一部分专用电话网采用公共交换电话网（Public Switched Telephone Network，PSTN）技术体制，终端类型以模拟电话机为主，业务主要以话音业务为主。由于网络运行多年，部分专用电话网存在的主要问题[1]包括：交换机等设备制式种类繁多，部分设备已逐步停产，设备老化导致故障率高，网络维护保障困难；不同类别用户通话信息敏感程度不同，难以满足不同用户的安全保密使用需求；由于技术体制限制，现有网络对新业务支持力度受限，不能满足用户业务多样化的使用需求。因此，针对这些问题专用电话网亟需进行升级改造。

IP多媒体子系统（IP Multimedia Subsystem，IMS）是一种基于分组交换的多媒体通信技术[2]。与传统网络相比，IMS网络架构更加合理、清晰，具备提供话音、视频、和数据等IP多媒体业务及并具有良好的可扩展性等特点。IMS技术在国内外得到了广泛应用[3]，如中国电信、中国联通已完成基于IMS技术的网络改造，国家电网等行业专用电话网等网络也进行了升级改造。因此，IMS技术可作为专用电话网升级改造的可选方案之一。

1网络架构

专用电话网一般按照总部、区域和用户接入三级组网，各区域网络分别与总部及其他区域网络互联互通，交换设备采用PSTN交换机，用户终端设备以模拟电话机为主。网络组网方式如图1所示。

IMS网络组网一般有2种方案[4]：方案一为在全网集中部署1套IMS核心网设备，该方案适合规模较小、各区域分支机构较少的单位；方案2为分区部署套IMS核心网设备，该方案适合规模较大、各区域相对独立的单位。根据专用电话网升级改造需求，为保证网络升级平滑迁移及继续沿用现有网络运维保障机制，专用电话网升级改造仍按照总部、区域和用户接入三级组网，网络架构如图2所示。

如图2所示，在总部及各区域分别部署1套IMS核心网设备，并可采用1+1备份容灾方式提升网络可靠性。E.164号码（E.164 number，ENUM）服务器/域名服务器（Domain Name Server，DNS）按照总部、区域2级部署。总部ENUM/DNS存储管理跨区域的域名与IP地址信息，当进行跨区域呼叫、用户漫游注册的业务时，可以通过总部ENUM/DNS服务器进行跨区域的域名、网元IP地址、ENUM的查询和解析；区域ENUM/DNS存储管理所在区域的域名与IP地址信息、用户的ENUM翻译信息，完成与之对应的查询和解析。为保证网络的轻载性，ENUM/DNS、HSS等数据处理类网元冗余度一般取1.5。

呼叫会话控制功能（Call Session Control Function，CSCF）根据功能不同分为代理呼叫会话控制功能（Proxy-CSCF，P-CSCF）、查询呼叫会话控制功能（Interrogating-CSCF，I-CSCF）与服务呼叫会话控制功能（Serving-CSCF，S-CSCF）。P-CSCF主要转发终端与网络间的会话初始协议（Session Initiation Protocol，SIP）消息，I-CSCF主要为终端分配为终端服务的S-CSCF及获取S-CSCF地址，S-CSCF主要处理SIP消息及为终端提供呼叫会话控制。归属用户服务器（Home Subscriber Server，HSS）主要用于存储用户标识、号码、寻址、安全、位置和业务签约等信息，与S-CSCF交互对终端认证注册等。通过应用服务器（Application Server，AS）提供各种应用业务，根据需要在总部及各区域通过网关（Gateway，GW）与其他网系互联互通。

会话边界控制器（Session Border Controller，SBC）位于网络边缘，具备信令代理、媒体代理、网络地址转换（Network Address Translation，NAT）和防火墙等安全隔离功能。会话边界控制器（Session Border Controller，SBC）部署在总部及各区域级网络，所有终端的域内、域间通信媒体流需到SBC交换，如图2中虚线条所示，SBC等大部分网元冗余度一般取1.25。SBC也可根据实际需要部署到用户接入区，但一般需满足以下条件[4]之一：

①该用户接入区到区域级核心网所在地的距离远，导致通信服务质量不佳；

②该用户接入区SBC容量无法满足话务要求，或者带宽压力较大；

③该用户接入区存在与其他网络互通需求。

用户接入方式根据不同的用户网络环境及用户需求主要有4种典型方式[5]，如图3所示。

NFV作为通信技术与信息技术的结合体[7]，实质就是将多种类型的网络设备借用虚拟化技术虚拟化形成虚拟机，然后将传统的通信业务部署到虚拟机上。通过NFV能够加快产品和新业务推广，简化通信网络的维护过程，并能按需动态分配硬件资源，增加网络功能、扩展灵活性。在现有网络架构中，网络功能与网络设备存在强耦合关系，网络设备又因厂商不同存在较大差异，导致新业务扩展的成本上升及缺乏灵活性，同时也不便于统一的网络运维管理。

AI作为一门交叉学科，将计算机科学、控制论、信息论、哲学和语言学结合在一起，其本质就是基于机器来模拟人类智能，完成人类才能完成的智能工作。将AI引入通信网络，能够解决通信网络中的难题，提升网络效率和服务质量。目前，国内外电信运营商已开始“AI+电信网络”战略，AI在电信网络中已得到初步应用[8]。

通过基于通用、共享的硬件资源，将网络功能虚拟化，降低网络成本，使网络架构简单易于维护并具有良好的扩展性，业务部署也能够快速上线。同时，在网络、业务和管理等各个层面深度融入AI技术，使网络成为一个架构更简单、更智能的网络。基于IMS的专用电话网下一步发展的目标网络架构如图6所示。

如图6所示，新的目标网络架构将共用网络基础设施的硬件资源虚拟化，形成网元功能、业务应用共享的硬件资源。P-CSCF、I-CSCF、S-CSCF和HSS等网元功能也进行虚拟化，成为全网统一调配使用的资源。电話、视频、数据和各种增值业务等应用业务虚拟化，运行于虚拟化硬件资源平台上。硬件资源管理主要实现硬件资源及虚拟资源的状态监测及上报，网元功能管理主要实现虚拟网元的管理，包括添加、删除、查询和更改等，按需调度网元功能，虚拟化编排实现整个虚拟硬件资源及虚拟网元功能的管理及调配，进而实现完整的网络服务。同时，充分利用AI赋能通信网络，将AI技术引入新的目标网络架构，在网络、业务和管理等方面深度融合AI，如通过AI分析网络运行参数，为网络优化提供决策参考；通过语音识别、上下文场景交互等AI技术，提供智能客服等智能应用；通过AI技术分析用户业务量、用户业务喜好等数据信息，实现网络智能管理编排等，进一步提升专用电话网服务保障质量。

5结束语

IMS技术作为一种新的通信技术得到了广泛应用，针对专用电话网技术体制落后、网络维护保障困难、难以满足业务扩展需求的现状，基于IMS的专用电话网能够解决当前面临的问题。同时，随着新兴技术的发展应用，针对现有网络架构存在的不足，通过在网络中深度融合NFV、AI等技术，能够解决现有网络架构存在的建设维护成本较高、网络功能扩展灵活度不够、运维管理较复杂等不足。因此，基于IMS的专用电话网及下一步发展的目标网络架构能够为当前专用电话网升级改造及持续发展提供有益参考。

参考文献

[1]梁雪梅，方晓农.行业专网PSTN网络向IMS网络的迁移演进研究[J].电信工程技术与标准化，2015，28（12）：54-59.

[2]王耀国.IMS技术在铁路调度通信系统中的应用研究[J].铁道通信信号，2019，55（4）：72-76.

[3]李晓艳.IMS技术在铁路多业务统一通信方面应用的研究[J].铁路通信信号工程技术，2019，16（3）：39-43.

[4]梁雪梅，方晓农，杨硕，等.IMS技术行业专网应用[M].北京：人民邮电出版社， 2016.

[5]王逢娟. IMS接入及应用研究[C]//决策论坛-管理科学与经营决策学术研讨会.北京：《科技与企业》编辑部，2016： 279-281.

[6]马文学，敦科翔，王龙龙，等.IMS网络安全风险及策略分析[J].计算机与网络，2019，45（16）： 65-68.

[7]孔亚青，韦素萍，景建新，等.现有IMS网络引入NFV方案研究[J].邮电设计技术， 2016（11）： 10-15.

[8]唐雄燕，廖军，刘永生，等.AI+电信网络：运营商的人工智能之路[M].北京：人民邮电出版社， 2020.