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[核心网相关] VoLTE IMS网络容灾方案探讨

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    文字版:
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    642015年第11期
    收稿日期:2015-03-02
    责任编辑:刘妙liumiao@mbcom.cn
    VoLTEIMS网络容灾方案探讨
    DiscussiononVoLTEIMSRestorationSolutions
    VoLTEIMS网络容灾技术的应用直接影响VoLTE业务的可靠性能。在对VoLTEIMS网络与固定IMS网络在
    网络组织以及业务流程方面的差异进行对比分析的基础上,对VoLTEIMS网络容灾技术进行研究,结合
    VoLTE的网络组织和业务特点提出适用于VoLTEIMS网络的容灾方案。
    VoLTEIP多媒体子系统P-CSCF容灾方案负荷分担容灾方案

    (1.中国电信股份有限公司广东研究院,广东广州510630;
    2.中国电信股份有限公司广东分公司,广东广州510081)

    【摘要】
    【关键词】
    马金兰1,林俐2,彭莉1,李文苡1
    MAJin-lan1,LINLi2,PENGLi1,LIWen-yi1
    [Abstract]
    [Keywords]
    1引言
    VoLTE(VoiceoverLTE)语音解决方案通过
    LTE网络作为业务接入,业务控制由IP多媒体子系统
    (IMS,IPMultimediaSubsystem)网络实现,为用
    户提供高清语音、高清视频等新型业务,同时承接电
    路域为用户提供补充业务、增值业务。VoLTEIMS
    网络容灾技术的应用直接影响VoLTE业务的可靠性
    能。由于目前IMS网络主要服务于固定网络,VoLTE
    IMS网络在网络组织以及业务流程方面都与目前固定
    IMS网络存在一定的差异,IMS网络容灾技术也会存在
    一定的差异。因此,很有必要对VoLTEIMS网络与固
    定IMS网络的网络组织以及业务流程进行对比分析。
    对VoLTEIMS网络容灾技术进行研究,提出适用于
    VoLTEIMS网络的容灾方案,提升VoLTE业务的可靠
    性能。
    doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2015.11.013中图分类号:TN919.8文献标识码:A文章编号:1006-1010(2015)11-0064-07
    引用格式:马金兰,林俐,彭莉,等.VoLTEIMS网络容灾方案探讨[J].移动通信,2015,39(11):64-70.
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    652015年第11期
    表1目前固定IMS网络主流容灾组网方案
    网元容灾组网方案
    S-CSCF准POOL
    P-CSCF准POOL
    I-CSCF负荷分担
    IM-SSF负荷分担
    MRFC/MRFP负荷分担
    MMTELAS1+1互助或准POOL
    HSS/SLF1+1互助
    ENUM/DNS1+1互助
    MGCF1+1互助
    AGCF1+1互助
    BAC双机热备或者1+1互助
    CCF双机热备或者1+1互助
    2固定IMS网络容灾方案
    固定IMS网络组织如图1所示,
    其由业务层、控制层、边缘接入
    控制设备(IMSBAC)和终端组
    成,主要网元包括AS、HSS/SLF、
    S-CSCF、I-CSCF、P-CSCF、IMSSF、AGCF、MGCF、MGW、
    BAC、ENUM/DNS、MRFC、
    MRFP、CCF等。
    目前固定IMS网络相关网元采用
    的主流容灾组网方案如表1所示,具
    体的方案描述可参考相关文献,本文
    不再赘述。
    3VoLTEIMS网络容灾方案
    3.1VoLTE的网络组织
    VoLTE的网络组织如图2所示,
    VOLTEIMS网络的主要网元包括
    AS、HSS/SLF、S-CSCF、I-CSCF、P-CSCF/BAC、
    IM-SSF、MGCF、MGW、ENUM/DNS、MRFC、
    MRFP、CCF。
    VoLTEIMS网络跟固定IMS网络在网络组织与业
    务流程方面的差异主要表现在:
    (1)在固定IMS网络中,BAC通常分地市部
    署,而P-CSCF则是省或大区集中部署设备。因此,
    P-CSCF与BAC分开设置。而在VoLTEIMS网络中,
    为了支持信令的IPsec保护,BAC功能通常内嵌在
    P-CSCF中,采用省或大区集中部署方式,不再按地市
    单独部署BAC。
    (2)在VoLTEIMS网络中,为了实现对EPC和
    IMS域用户数据的统一管理以及互通,IMS域HSS通常
    与EPCHSS融合设置。
    (3)在VoLTEIMS网络中,为了保证用户音视频
    业务的QoS,增加了P-CSCF与PCRF之间的Rx接口,
    在VoLTE的呼叫流程中通过该接口进行QoS控制。
    3.2VoLTEIMS网络容灾方案
    从容灾的角度来看,VoLTEIMS网络和固定IMS
    网络在网络组织上的不同主要表现在前者的P-CSCF
    和BAC采用合设的方式。而固定IMS网络P-CSCF容
    灾方案在具体实现上与VoLTEIMS网络不同,需要
    结合VoLTE在网络组织和业务流程上的特点提出新
    的容灾方案。其他网元的容灾方案则可以参考表1中
    图1目前固定IMS网络组织
    承载网络
    控制层
    业务层
    1x/HRPD接入WLAN接入LAN接入xDSL接入
    BAC
    SCP
    ENUM/
    DNS
    MRFP
    P-CSCF
    HSS
    SLF
    MGW
    I-CSCF
    OMC
    计费
    网关
    /OCS
    业务
    开通
    网关
    网管
    中心
    计费
    中心
    业务
    支撑
    系统
    移动终端双模终端硬终端软终端SIP/H248IADPONSIP/H248AG终端层
    AGCF
    DNS
    业务
    管理
    平台
    ISMP
    BGCF
    业务能力开放网关
    MRFC
    S-CSCF
    PSTN
    固网
    软交换
    C网
    电路域
    IMS业务能力引擎
    IM呈现群组
    SIPAS
    MGCF
    IM-SSF
    光接入

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    662015年第11期
    固定IMS网络相关网元容灾方案。因此,下面将重点
    探讨VoLTEIMS网络P-CSCF容灾方案。
    4VoLTEIMS网络P-CSCF容灾方案
    4.1准POOL容灾方案
    在固定IMS网络中,P-CSCF采用准POOL容灾方
    案。N个P-CSCF组成1个P-CSCF池组,采用负荷分担
    的工作方式。其中1个P-CSCF发生故障需要进行容灾
    倒换时,由P-CSCF池组中的其他P-CSCF通过预先设
    定的方式从其他设备中获取容灾倒换所需的数据处理
    业务。BAC采用双机热备或者1+1互助,2台BAC之间
    进行用户数据的热备份,在容灾倒换时采用热备份的
    用户数据处理业务。而在VoLTE网络中,BAC功能通
    常内嵌在P-CSCF中,P-CSCF需要存储BAC功能相关
    的动态用户数据,而固定网络中实施的准POOL容灾方
    案需要BAC设备配合选择P-CSCF以及重发呼叫请求。
    因此,该方案对VoLTEIMS网络P-CSCF不再适用,需
    要针对VoLTEIMS网络P-CSCF准POOL组网提出新的
    实现方案。
    图2VoLTE网络组织
    准POOL容灾方案可实现P-CSCF发生容灾时业务
    的实时接管,具体的倒换实现方案如下:
    (1)注册流程容灾倒换
    终端向P-CSCF1发起初始注册或重注册,根据SIP
    协议重发机制,如果在一定时间内未收到P-CSCF1对
    初始注册或重注册消息的响应,则判断P-CSCF1发生
    故障。终端查询DNS获取POOL中的P-CSCF主机名列
    表,选择优先级别比P-CSCF1低的P-CSCF2,并查询
    DNS获取P-CSCF2的IP地址,然后终端向P-CSCF2发
    起初始注册。
    (2)主叫流程容灾倒换
    主叫流程容灾倒换过程如图3所示,具体流程可描
    述为:
    1)终端根据SIP协议重发机制,如果在一定时
    间内未收到P-CSCF1对INVITE消息的响应,则判断
    P-CSCF1发生故障。
    2)终端终询DNS获取POOL中的P-CSCF主机名
    列表,选择优先级别比P-CSCF1低的P-CSCF2,并查
    询DNS获取P-CSCF2的IP地址,将INVITE消息发往
    P-CSCF2。
    VoLTEIMS
    固网软
    交换
    固定IMS
    CDMA
    MMTELAS
    IM-SSF
    ENUM
    /DNS
    I/S-CSCF
    MGCF
    P-CSCF/BACMGW
    PCRF
    P/I/S-CSCF
    BAC
    MSCe
    SS
    iVPN彩铃天翼超无
    业务平台
    EPC
    P-GW
    S-GW
    HSS
    MME
    TG
    MGW
    BSC
    IP-SM-GW
    MRS
    OSS
    OMS
    CCF
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    672015年第11期
    3)P-CSCF2直接向用户回送临时响应100trying。
    4)P-CSCF2发现本局点没有存储用户的注册数据,
    判断为容灾切换呼叫,携带主叫用户域名信息向DNS查
    询获取主叫用户域名对应的I-CSCF后,将呼叫请求发往
    主叫用户归属的I-CSCF,在INVITE消息携带PAI,并在
    route头域中增加orig,标识该呼叫为主叫流程。
    5)I-CSCF根据orig参数判断为主叫流程,根据
    PAI中的主叫号码向HSS发送普通的LIR请求,获取主
    叫用户当前服务的S-CSCF。
    6)HSS响应I-CSCF请求,并在响应中携带主叫用
    户当前服务的S-CSCF。
    7)I-CSCF根据上述HSS返回的主叫用户当前服务
    的S-CSCF,将INVITE消息转发至该S-CSCF。
    8)S-CSCF接收到I-CSCF发来的呼叫请求后按正
    常流程完成后续呼叫处理。
    (3)被叫流程容灾倒换
    被叫流程容灾倒换过程如图4所示,具体流程可描
    述为:
    1)S-CSCF接收到被叫请求,根据SIP协议重发机
    制,在一定时间内未收到P-CSCF1对INVITE消息的响
    应或收到相应的错误码,或者根据SIP链路检测机制,
    判断P-CSCF1发生故障。
    2)S-CSCF根据设备配置或者向DNS查询获取
    的P-CSCF列表,选择POOL中优先级别比P-CSCF1
    低的P-CSCF2,并向DNS查询获取P-CSCF2的IP地
    址,将INVITE消息发往P-CSCF2。由于P-CSCF2没
    有终端侧IP地址,因此需要在注册过程中将信息传递
    至S-CSCF,S-CSCF记录并存储该容灾倒换所需的信
    息,在发送至P-CSCF2的INVITE消息扩展头域携带相
    应信息至P-CSCF2。
    3)P-CSCF2为终端IP地址建立映射关系后将呼叫
    直接传递至终端。
    4)终端不判断入向呼叫源IP地址接收呼叫。
    4.2负荷分担容灾方案
    准POOL容灾方案对于终端发起的呼叫能实时接
    管,不会中断本次呼叫。上述P-CSCF准POOL方案在
    实现上跟固定IMS网络存在以下2点差异,要求终端具
    备相应的特殊功能,尤其是要求终端不判断入向呼叫
    源IP地址接收呼叫,可能会引起终端无法拒绝非法呼
    叫,影响终端呼叫的安全性。
    对于主叫流程容灾倒换过程,在固定IMS网络中
    选择接管P-CSCF的网元是BAC,而在VoLTEIMS网络
    中要求终端选择接管P-CSCF并向该P-CSCF发起呼叫
    请求。
    对于被叫流程容灾倒换过程,在固定IMS网络中
    S-CSCF记录BAC的IP地址,接管P-CSCF将呼叫请求
    送至该BAC就可以了。在VoLTEIMS网络中S-CSCF需
    记录终端侧的IP地址,接管P-CSCF为终端进行地址映
    射后直接将呼叫请求送至终端,要求终端不判断入向
    呼叫源IP地址接收呼叫。
    由于准POOL方案存在以上问题,而用户在呼叫
    失败后通常会重新发起二次呼叫,在容灾过程中实现
    二次呼叫恢复对用户的感知影响较小。下文将结合
    VoLTE的网络组织与业务流程特点,在负荷分担方案
    UEP-CSCF1/BACP-CSCF2/BACS-CSCF
    1.INVITE
    2.INVITE
    3.INVITE
    图4P-CSCF准POOL容灾被叫流程倒换过程
    图3P-CSCF准POOL容灾主叫流程倒换过程
    UEP-CSCF1/BACP-CSCF2/BACI-CSCF
    4.INVITE
    2.INVITE
    S-CSCFHSS
    5.LIR
    6.LIA
    7.INVITE
    8.INVITE
    3.100trying
    1.INVITE
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    682015年第11期
    中实现容灾过程二次呼叫恢复,降低对用户感知的影
    响,减少对终端以及网络设备的特殊功能要求。
    (1)注册流程容灾倒换过程与准POOL容灾方案
    相同
    主叫流程容灾倒换过程的具体流程为:
    1)终端根据SIP协议重发机制,如果在一定时
    间内未收到P-CSCF1对INVITE消息的响应,则判断
    P-CSCF1发生故障。
    2)终端查询DNS获取POOL中的P-CSCF主机名
    列表,选择优先级别比P-CSCF1低的P-CSCF2,并查
    询DNS获取P-CSCF2的IP地址,终端向P-CSCF2发起
    初始注册流程,本次呼叫失败。
    3)重新注册成功后用户发起的呼叫与正常呼叫流
    程相同。
    (2)被叫流程容灾倒换
    被叫流程容灾倒换的重点是如何利用VoLTE的网
    络组织以及业务流程特点实现二次呼叫恢复。因此,
    利用VoLTEIMSHSS和EPCHSS融合设置以及P-CSCF
    与PCRF之间的Rx接口可以考虑采用以下2种负荷分担
    方案实现二次呼叫恢复。
    1)融合HSS方案:基于IMSHSS和EPCHSS融合
    设置
    具体的流程如图5所示。
    ◆S-CSCF接收到被叫请求,根据SIP协议重发机
    制,在一定时间内未收到P-CSCF1对INVITE消息的响
    应或收到相应的错误码,或者根据SIP链路检测机制,
    判断P-CSCF1发生故障。
    ◆S-CSCF向融合HSS发送CxSAR/SAA注销被叫
    用户,并且携带P-CSCF容灾标识;同时,S-CSCF回
    复INVITE响应消息,并且通过错误码对应的失败音指
    引主叫用户重新拨打被叫。
    ◆融合HSS根据P-CSCF容灾标识向SGSN或
    MME发送S6a/S6dIDR/IDA或GrISD,携带被叫用户
    IMSI。
    ◆SGSN或MME根据被叫用户IMSI发起IMSAPN
    释放流程。
    ◆终端发起IMSAPN重建流程,承载建立后向
    IMS域注册,注册成功后二次呼叫恢复。
    2)Rx接口方案:基于PCRF与P-CSCF之间的Rx
    接口
    图5P-CSCF负荷分担容灾被叫倒换融合HSS方案
    UE
    MME/
    SGSNP-CSCF1/BACP-CSCF2/BACS-CSCFHSS
    IMSPDNre-establishment
    Registercompletion
    7.IMSPDN
    release
    8.SIPRegister8.SIPRegister
    5.SIPResponse
    4.CxSAR/SAA
    (P-CSCFRestind)
    3.SIPErroror
    lackofresponse
    2.SIPmessage
    1.SIPmessage
    6.S6a/S6dIDR/IDA(P-CSCFRestorationIndication)
    GrISD(P-CSCFRestorationIndication)
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    692015年第11期
    具体的流程如图6所示。
    ◆S-CSCF接收到被叫请求,根据SIP协议重发机
    制,在一定时间内未收到P-CSCF1对INVITE消息的响
    应或收到相应的错误码,或者根据SIP链路检测机制,
    判断P-CSCF1发生故障。
    ◆S-CSCF根据设备配置或者向DNS查询获取的
    P-CSCF列表,选择POOL中优先级别比P-CSCF1低的
    P-CSCF2,并向DNS查询获取P-CSCF2的IP地址,将
    INVITE消息发往P-CSCF2。
    ◆P-CSCF2向PCRF发送RxAAR,并携带P-CSCF
    容灾标识。
    ◆PCRF向PGW/GGSN发送GxRAR,携带
    P-CSCF容灾标识。
    ◆PGW/GGSN启动承载去激活或更新流程。
    ◆终端重新激活承载,注册至IMS网络,注册成
    功后二次呼叫恢复。
    融合HSS方案相比Rx接口方案更为简单易行,但是
    要求IMSHSS和EPCHSS融合设置,因此对于IMSHSS
    和EPCHSS融合设置的情况建议采用融合HSS方案,否
    则采用Rx接口方案。
    4.3方案对比分析
    准POOL容灾方案的优点是可以实现业务的实时接
    管,不会中断本次呼叫,但是方案需要终端与网络设
    备的配合,对终端以及网络设备有较多的功能要求,
    尤其是要求终端不判断入向呼叫源IP地址接收呼叫。
    这可能会引起终端无法拒绝非法呼叫,影响终端呼叫
    图6P-CSCF负荷分担容灾被叫倒换Rx接口方案
    UEPDNGW/GGSNV-PCRFH-PCRFP-CSCF2/BACP-CSCF1/BACIBCF/ATCFS-CSCFHSS
    P-CSCFfailuredetection
    Optiona)deregistration
    4b.ERROR
    4a.Deregister
    request
    10.IMSRegistration
    optionb)terminatingcallcontinuation
    IfUEison3GPPaccess
    theP-CSCFisinthehomenetworkandthe
    PGWisinthevisitednetwork
    9.PDNGWinitiatedBearerDeactivationor
    UpdatePDPcontext/beareratP-CSCF
    failure
    8.GxRAA
    7.GxRAR(P-CSCF
    Restorationindication)
    6.RxAAA
    5.RxAAR
    (P-CSCF
    Restoration
    indication)
    3.ERROR
    2.SIPINVITE
    1.SIPINVITE
    7.S9RAR
    (P-CSCF
    Restoration
    indication)
    8.GxRAA
    8.S9RAA
    7.GxRAR
    (P-CSCF
    Restoration
    indication)
    11.SIPINVITE
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    702015年第11期
    安全性,而且业务流程不符合3GPP标准。负荷分担容
    灾方案利用VoLTE的网络组织和业务流程特点实现呼
    叫二次恢复,只对个别网络设备有较少的功能要求,
    业务流程案符合3GPP标准,容易实现。由于用户在呼
    叫失败后通常会重新发起二次呼叫,在容灾过程中实
    现二次呼叫恢复,对用户的感知影响较小,因此建议
    采用负荷分担容灾方案。
    5结束语
    本文在对VoLTEIMS网络与固定IMS网络在网络
    组织以及业务流程方面的差异进行对比分析的基础
    上,对VoLTEIMS网络容灾技术进行了研究。结合
    VoLTE网络组织和业务特点提出了适用于VoLTEIMS
    网络的容灾方案,特别是分析并提出了固定IMS网络
    存在很大差异的P-CSCF设备的多种容灾实现方案,提
    升了VoLTE业务的可靠性能,具有很强的可操作性,
    对VoLTE的引入具备良好的应用价值和参考意义。
    参考文献:
    [1]3GPPTS23.380V12.0.0.3rdGenerationPartnership
    Project;TechnicalSpecifcationGroupCoreNetworkand
    Terminals;IMSRestorationProcedures[S].2014.
    [2]许盛宏,李力卡,刘智德.IMS核心网元准POOL容灾方案
    研究[J].移动通信,201(13):19-23.
    [3]中国电信股份有限公司.中国电信IMS网络容灾技术要
    求[Z].2013.
    [4]王一慈.IMS网络BAC容灾技术研究[J].数字技术与应
    用,2013(6):102-103.
    [5]许盛宏,陶启茜,李力卡.IMS网络可靠性提升策略研究
    [J].电信技术,2014(S1):122-125.
    [6]易大文,何春霞.IMS网络P-CSCF容灾方案研究[J].移动
    通信,2013(16):78-82.
    [7]刘一鸿,孙建伟,杨海波,等.IMS中核心控制网元S-CSCF
    可靠性方案[J].计算机应用系统,2011(4):102-108.
    [8]王丽瑛.IMS网络容灾实现方案研究[J].电信技术,
    2014(Z1):146-150.
    [9]许盛宏,时新建,刘智德.基于取模算法的S-CSCF容灾方
    马金兰:高级工程师,现任职于
    中国电信股份有限公司广东研究
    院移动通信研究所,15年来一直
    从事软交换网络、CDMA核心网
    络、IMS核心网络以及VoLTE的研
    究与支撑。
    林俐:硕士毕业于中山大学,现
    任职于中国电信股份有限公司广
    东分公司网络发展部,20年来
    一直从事交换网、信令网、智能
    网、软交换网络、移动核心网、
    IMS网相关的技术研究及网络建设
    工作。
    彭莉:高级工程师,现任职于中
    国电信股份有限公司广东研究院
    移动通信研究所,从事电信网技
    术和网络发展战略研究工作。
    作者简介
    李文苡:高级工程师,毕业于南
    京邮电学院计算机系,现任职于
    中国电信股份有限公司广东研究
    院,长期从事与移动网络相关工
    作,包括GSM网络的施工、维护和
    优化,WCDMA网络和CDMA网络各
    版本的架构、流程、网络技术和
    实际组网研究,移动网络新技术
    如IMS、LTE/EPS研究,一直参与
    企业内移动网络规范和软课题报
    告的制定。
    案研究[J].电信技术,2014(S1):49-53.
    [10]王琴.基于IMS的LTE语音解决方案[J].电脑编程技巧
    与维护,2013(24):83-84.★
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    作者:马金兰,林俐,彭莉,李文苡,MAJin-lan,LINLi,PENGLi,LIWen-yi
    作者单位:马金兰,彭莉,李文苡,MAJin-lan,PENGLi,LIWen-yi(中国电信股份有限公司广东研究院,广东广州
    ,510630),林俐,LINLi(中国电信股份有限公司广东分公司,广东广州,510081)
    刊名:
    移动通信
    英文刊名:MobileCommunications
    年,卷(期):2015,39(11)
    参考文献(10条)
    1.3GPPTS23.380V12.0.0.3rdGenerationPartnershipProject;TechnicalSpeciifcationGroupCoreNetworkandTerminals;
    IMSRestorationProcedures2014
    2.许盛宏,李力卡,刘智德IMS核心网元准POOL容灾方案研究[期刊论文]-移动通信2011(13)
    3.中国电信股份有限公司中国电信IMS网络容灾技术要求2013
    4.王一慈IMS网络BAC容灾技术研究[期刊论文]-数字技术与应用2013(6)
    5.许盛宏;陶启茜;李力卡IMS网络可靠性提升策略研究2014(z1)
    6.易大文,何春霞IMS网络P-CSCF容灾方案研究[期刊论文]-移动通信2013(16)
    7.刘一鸿,孙建伟,杨海波,林镜华IMS中核心控制网元S-CSCF可靠性方案[期刊论文]-计算机系统应用2011(4)
    8.王丽瑛IMS网络容灾实现方案研究2014(z1)
    9.许盛宏;时新建;刘智德基于取模算法的S-CSCF容灾方案研究2014(z1)
    10.王琴基于IMS的LTE语音解决方案[期刊论文]-电脑编程技巧与维护2013(24)
    引用本文格式:马金兰.林俐.彭莉.李文苡.MAJin-lan.LINLi.PENGLi.LIWen-yiVoLTEIMS网络容灾方案探讨[期刊论文]-移动通信
    2015(11)
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