现有IMS网络引入NFV方案研究

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文字版：
2016/11/DTPT
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收稿日期：2016-10-20
现有IMS网络引入NFV方案研究
关键词：
NFV；虚拟化；VoLTE；IMS；演进
doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2016.11.003
中图分类号：TN915
文献标识码：A
文章编号：1007-3043（2016）11-0010-06
摘要：
在竞争激烈的移动互联网时代，以VoLTE为核心的融合通信将不可避免地成为
运营商加速转型、应对互联网公司跨界竞争的重要业务形态。现有IMS网络升
级改造为VoLTE业务控制核心网过程中，考虑适时引入NFV技术，积极主动应
对网络向ICT融合的云架构转型，成为当前运营商发展的主题。结合NFV标准
和产业发展情况，分析在现有IMS网络引入NFV的策略，探索IMS网络NFV的
演进路线。
Keywords：
NFV；Virtualization；VoLTE；IMS；Evolution
孔亚青1，韦素萍2，景建新2，钱科能2，陆舒滢2（1.中国电信股份有限公司浙江分公司，浙江杭州310040；2.华信咨询设计研
究院有限公司，浙江杭州310014）
KongYaqing1，WeiSuping2，JingJianxin2，QianKeneng2，LuShuying2（1.ChinaTelecomCo.，Ltd.，ZhejiangBranch，Hangzhou
310040，China；2.HuaxinConsultingCo.，Ltd.，Hangzhou310014，China）
1概述
网络功能虚拟化（NFV）作为CT技术和IT技术的
结合体，是未来智能管道的核心。运营商正积极探索
该模式的应用，期望利用通用的IT服务器、存储和网
络设备，来取代私有专用的网元设备，达到业务灵活、
快速上线的目标，以确保移动互联网时代对急速变化
的业务内容及模式有敏锐、犀利的响应能力。
NFV的特色是既能实现虚拟化又能实现云化，虚
拟化实现软硬件解耦，云化实现硬件资源的共享和系
统的按需部署。这2种实现方式，可以支撑业务的快
速创新和快速上市，实现资源利用率最大化，并大大
降低建设和运维成本。
在业务形式日新月异、产业生态内部交叉竞争日
趋激烈的移动互联网时代，探索如何快速部署新业
务、低成本提供大规模应用、灵活配置资源，积极、主
动应对网络向ICT融合的云架构转型，成为当前运营
商发展的主题。以VoLTE为核心的融合通信将不可
ResearchontheIntroductionofNFVSolutiontotheExistingIMSCoreNetwork
架构及网络演进
ArchitectureandNetworkEvolution
孔亚青，韦素萍，景建新，钱科能，陆舒滢
现有IMS网络引入NFV方案研究
引用格式：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.
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避免地成为运营商加速转型、应对互联网公司跨界竞
争的重要业务形态。
在此背景下，由运营商主导的ETSIISG小组制定
NFV引入运营商网络的架构和相关规范；业界先后完
成对IMS、VoLTE、EPC、CDN等网络引入NFV的实验
室测试和试点工作，充分验证NFV技术的可行性，全
球主流运营商在2015年已经从概念验证测试和实验
室评估进展到试商用部署。由于IMS网络控制集中、
开放的体系架构以及VoLTE发展的驱动，在IMS网络
中引入NFV技术已成为业界的共识。
笔者拟参与建设某省级运营商的“IMS升级支持
VoLTE组网的现场试验项目”，是为保障今后VoLTE
相关网络建设的快速开展。项目中，拟升级改造现有
IMS网络作为VoLTE的业务控制核心网，因此在此探
讨NFV的引入时机和策略，以确保VoLTE业务的高效
部署，并赢得市场竞争的先机。
本研究结合NFV标准和产业发展情况，在升级改
造现有IMS网络支持VoLTE时，着重分析NFV引入策
略，建议初期选择对MMTel/VCCAS引入NFV技术作
为切入点，探索IMS网络NFV的演进路线。
2标准和产业发展情况
2.1NFV相关标准
2013年1月，ETSI成立了NFV特别小组ISG，开展
虚拟化技术在网络中应用的探讨，旨在通过研究发展
标准IT虚拟化技术，使得更多网络设备类型能够融入
到符合行业标准的服务器、交换机和存储设备中。
ETSIISG于2014年5月召开了第6次会议，该次
会议主要讨论了以下内容。
a）NFVPhase1将于2014年底结束，2015年开始
NFVPhase2工作。
b）NFVPhase1目前已完成4个基础规范制定，各
WG的Draft尚未完成。
c）NFVPhase2工作重点将转移到技术实现和部
署指南，并聚集到开源系统的实现，同时开始与其他
SDO的合作，推动对NFV的偏差分析和解决。
目前，NFV框架基本稳定，但关键接口标准化、
MANO架构等方面还需要继续完善。
2.2NFV产业发展情况
目前业界主流厂家已经完成POC测试和验证（如
vIMS、vEPC、vCPE、vCDN等系统），并且在WRC2014年
会上进行展示，证明NFV技术是可行的。国内外运营
商联合华为、中兴通讯等厂家展开NFV技术的研究及
应用，对多种NFV应用场景都进行验证测试。
a）英国沃达丰从2012年开始研究ToC（Telecom
onCloud），并对多厂家进行了设备测试，目前正开展
IMS核心网虚拟化试验。
b）LGU+于2013年10月开展IMS核心网虚拟化
测试。
c）德国电信从2013年10月开始部署RCS和RCSe虚拟化平台，开展虚拟化IMS实验室；目前成功商用
了RCSe业务。
d）EF内部已建有NFV的测试平台，提出了满足
NFV的数据中心架构——UNICA，并已经对外发
RFQ。
e）FT也已经建设了内部的虚拟化平台，目前已经
开始增值业务网络部署。
f）中兴通讯从2013年开始核心网虚拟化规划和
研发，按照ETSI标准进行设计。2015年3月19日中兴
通讯和中国联通联合惠普，共同在ETSINFV行业规范
组框架下开展“VoLTEServicebasedonvEPCandvIMS
Architecture”NFV概念验证（PoC）项目，全面验证基于
SDN/NFV的端到端VoLTE业务，推进网络功能虚拟化
行业进程。
g）华为参考标准NFV架构，与中国移动、英国沃
达丰、德国电信、日本DOCOMO等全球30多家移动运
营商完成CloudEdge解决方案概念验证测试和网络预
商用。2015年1月20日华为在西安建成NFV开放实
验室，致力于构建多厂商的集成验证能力，推动产业
生态链的建设。
从诞生至今，历经2年多的时间，NFV已处于稳步
爬升期，从最初的单纯关注概念、技术、架构，到成功
案例的出现和现场的验证，再到小范围的试商用部
署。虽然NFV技术目前尚不成熟，还存在不少问题，
但这些问题都是能够解决的，相信在业界的共同努力
下，3～5年内NFV就能够走到成熟商用阶段。
3NFV引入策略
3.1NFV引入的考量因素
鉴于目前NFV技术正在走向成熟，设备功能及标
准仍处于不断完善的过程中，结合IMS网络改造的复
杂度、风险、成本等不确定因素，参考通常网络由简到
难的演进方向，采用先试点、再推广的有计划分步骤
引入NFV的演进思路，并在引入过程考虑如何最大限
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度地减少对现网的影响。
a）将演进步骤分解为多个小步骤，充分利用电信
网络的各种容灾机制（如POOL、双归属、双平面等），
降低网络演进的风险。
b）考虑到现有网络和虚拟化网络2种网络将长
期共存，要求新引入的虚拟化网络适配现有网络业务
接口，100%继承现网业务，以保障用户体验不下降。
c）向虚拟化演进时兼顾投资保护，先业务网络新
建设备，再扩容设备，现网设备推迟到生命周期末期
再替换。
d）过去十几年的网络IP化改造为运营商积累了
丰富的网络改造经验，在网络虚拟化演进中可充分借
鉴。
3.2NFV引入步骤
图1为IMS网络引入NFV的演进路线。
a）第一阶段。由于IMS网络业务面网元
（如TAS网元）均部署在通用服务器上，其软件
基于通用X86硬件进行标准化、模块化开发，
对网络和存储资源无特殊要求，与底层虚拟化
以及硬件设备无关，具有灵活性和扩展性。因
此，第一阶段先考虑对IMS网络业务面进行虚
拟化，即初期采用NFV方式新建业务面网元。
b）第二阶段。IMS网络控制面网元（如
CSCF、BGCF、MRFC）主要完成控制消息的处
理，对数据转发要求不高，可利用通用芯片和
通用服务器的计算性能。IMS网络控制面虚
拟化后，除了通过虚拟机的按需配置满足业务
逻辑、信令处理要求外，还通过NFV管理与编
排系统实现自动化部署和调度，提高网络的弹
性和自动化程度。对于IMS网络控制面网元
的三层解耦NFV实施模式，主流运营商正开
展实验室测试或现场试点验证，预计2016年将达到试
商用阶段。因此，第二阶段对IMS网络控制面网元实
现虚拟化，由NFV管理与编排系统进行集中管理，并
兼容传统网元。由于IMS网络用户数据面网元HSS对
存储可靠性要求较高，HSS虚拟化技术成熟度稍晚于
控制面网元，引入NFV时机要滞后一段时间。
c）第三阶段。由于IMS网络媒体转发面网元（如
MRFP、BAC、IM-MGW）除需考虑与控制面的相同需求
外，还要完成媒体的编解码、加解密，对I/O性能和时
延要求高，需采用专用硬件进行转发。而通用芯片和
通用服务器存在大数据量转发性能的短板，还有待业
界长期持续优化媒体转发面网元软件架构，在时延和
数据转发等方面提升NFV性能。目前对于IMS网络
媒体转发面网元，其虚拟化后硬件需求仍多于非虚拟
化部署，在采用增强技术（SR-IOV、Netmap、DPDK等）
优化转发性能后，其虚拟化网元的性能在实验室测试
趋近专用硬件的80%，预计2～3年基本达到商用要
求。因此，可考虑在第三阶段实现对IMS网络媒体转
发面网元虚拟化。
3.3IMS网络虚拟化目标架构
IMS网络引入NFV演进方向，采用先业务、后控
制、再媒体的积极稳妥策略。IMS网络虚拟化硬件平
台和软件平台从单厂家提供到多厂家分层集成，从与
现网融合部署逐步扩大NFV的部署范围，直至最终替
代传统专有硬件平台，平滑地向ETSINFV架构演进。
IMS网络虚拟化目标架构如图2所示。
高优先级中优先级低优先级
高：时延要求高，复杂度
需要使用专用硬
件进行转发
中：对存储可
靠性要求高
低：偏计算类业务
MRFPBAC
TAS
业务面控制面用户数据面媒体转发面
BGCF
CSCF
MRFCIMS-HSS
IM-MGW
NFV优先级别：
图1IMS网络引入NFV的演进路线
虚拟化
基础设
施管理
编排
VNF管理
和编排
Vn-Nf
SLFENUMDNSBGCFMGCF
I-CSCFS-CSCFP-CSCFA-CSCFHSS
虚拟化网络功能VNF
业务、VNF和基础设施描述数据集
OSS-BSS
Nf-Vi
Vi-Vnfm
Ve-Vnfm
Or-Vnfm
Se-Ma
Os-Ma
网络虚拟化基础硬件平台
VNF
管理
图2IMS网络虚拟化目标架构
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a）网络虚拟化基础硬件平台（简称NFV硬件平
台）。基于X86通用硬件统一规划建设，通过资源虚拟
化管理，创建虚拟机和网络逻辑连接，实现vIMS网元
的即插即用。
b）虚拟化网络功能软件系统（简称NFV软件平
台）。包括以NFV的形态部署在NFV硬件平台上的
IMS网络功能，与传统设备具有相同的功能，可以快速
部署并有效节约成本。
c）NFV管理与编排系统。负责网元管理和资源
调度，包括虚拟资源的管理和调度、虚拟网元生命周
期的管理，实现IMS网络虚拟化网元在NFV硬件平台
上的自动生成和部署。
4初期引入方式建议
4.1NFV引入时机
借鉴美国最大移动运营商Verizon的VoLTE网络
建设经验，某省级运营商采用SVLTE+VoLTE的语音
解决方案，升级改造现网IMS网络提供VoLTE能力。
在LTE未覆盖的区域，不提供VoLTE语音业务的连续
性，但需实现SVLTE的被叫域选择方案。某省级运营
商升级IMS网络支持VoLTE的网络组织架构如图3所
示。
RAN/GERAN
CS
HLReBSFUtMMTel/VCCAS
C/D
MGW
MSCe
UuGb
LTE-Uu
FDD
eNodeBS1-MME
S1-U
MMES6a
HSS
S11
PCRF
Gx
Rx
SGi
SAE-GW
S6
Zh
HSS
Cx
A
MGCF
IM-MGW
PCSCF/BAC
CG
I/S-CSCF
ENUM/DNS
Sh
ISCISC
锚定ASiVPN/短信/彩信
EPCIMS
新建网元
升级网元
图3升级IMS网络支持VoLTE的网络架构图（HSS互通）
序号
1234567
设备名称
P-CSCF/BAC
MMTel/VCCAS
BSF
HSS
S-CSCF
iVPN/短信/彩铃平台
CG
建设方式
新建
新建
新建
升级
升级
升级
升级
升级原因及升级后新增功能
接入VoLTE用户，实现IPSec加密，语音编解码转换，支持Rx接口进行QoS策略下发
VoLTE用户语音补充业务：支持符合GSMAIR.92的补充业务。被叫域选择
支持用户补充业务配置的认证鉴权，并将认证鉴权通过的请求转发到MMTelAS
支持与EPCHSS间的Diameter接口，能向EPCHSS获取用户的Ki等鉴权信息
多终端注册等功能；计费接口变换，支持VoLTE用户计费
支持ISC接口与S-CSCF对接，以继承现网智能业务、短信业务和彩铃业务
支持VoLTE用户计费
表1现网IMS升级支持VoLTE的设备配置需求表
升级改造IMS网络为VoLTE业务控制核心网络，
涉及对业务层及控制层设备、数据库HSS以及CG等
相关网元进行新建、升级，具体如表1所示。
根据上述的NFV引入策略，并结合业界对vIMS网
络的实验室测试和试点情况，初期建议对2个大区新
建MMTel/VCCAS网元引入NFV技术。
4.2采用NFV方式新建AS网元
目前某省级运营商IMS网络采用全省统一部署、
分区覆盖的模式，分为2个大区。某省级运营商云计
算资源池设有2个节点，以业务平台资源池独立建设
方式存在，用于承载其内部的业务系统。
以集约化为原则，对标互联网企业应用能力的开
发模式，某省级运营商的NFV方式新建MMTel/VCC
AS网元方案拟为：利旧云计算资源池作为NFV硬件平
台，用于部署MMTel/VCCAS网元的虚拟化版本vMMTel。从商用试点角度出发，利用双节点资源池部署
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虚拟化网元实现异地容灾。因此，IMS网络2个大区
vMMTel同时部署在资源池2个节点，利用资源池的物
理连接，接入到数据承载网，通过专用VPN实现与现
网IMS网络设备的互通和访问。2个大区vMMTel逻
辑上属于同一网段，通过资源池负载均衡实现1+1互
助。因此初期采用NFV方式新建MMTel/VCCAS网元
的网络组织如图4所示。
由于NFVMANO架构还在完善，初期建议暂不部
运营支撑系统OSS
现有接口
IMS统一网管系统、计费系统、业务支撑系统
vMMTel
虚拟化层
通用硬件
资源池节点1
资源池节点2
vMMTel
虚拟化层
通用硬件
40G波分链路，3ms时延
Sh
Sh
ISCShISCSh
ISCISC
HSSHSS
S-CSCFS-CSCF
I-CSCF
P-CSCF
MGCFAGCFAGCFP-CSCFMGCF
IM-MGWBACBACIM-MGW
数据承载网
大区1
IMSCORE
大区2
IMSCORE
图4初期采用NFV方式新建MMTel/VCCAS网元的组网图
署NFV管理与编排系统，可利用云资源池管理软件
VMwarevSpherevCenter来管理vMMTeL的资源分配、
实例化、弹性部署的功能。
4.3AS网元虚拟化的现场验证目标
初期进行MMTel/VCCAS网元虚拟化的目标是检
验新方案在功能、网络时延、管理性、安全性等方面的
表现，建议重点验证以下功能和性能。
a）vMMTel网络基本功能。其可用性应大于等于
原有非虚拟化的平台。
b）vMMTel实现VoLTE语音补充业务和被叫域的
选择，对时延的敏感度非常高，过大的网络时延和抖
动都会导致呼叫成功率降低甚至失败，因此要求NFV
硬件平台虚拟机之间互访的网络时延低于0.2ms。
c）虚拟化网元弹性部署。根据业务量的自动扩
容和缩容、网元和虚拟机的自动迁移、故障的自动上
报和恢复，并验证网元弹性部署的管理流程。
d）虚拟化IMS网络性能及可靠性。稳定性、业务
连续性、时延等满足电信级SLA要求。
e）虚拟化IMS网络管理功能。物理平台和虚拟
化平台环境下的故障定位和上报、硬件的统一管理。
f）验证vMMTel安全性。双节点vMMTel的组网
方案、倒换机制和互备功能验证、同步机制和数据一
致性验证。
同时，比对2个大区的vMMTel产品的性能，并推
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进厂家解决相关技术问题，为后续大规模引入NFV积
累相关建设运营经验。
5小结
NFV是一场只能迎接而无法回避的已在进行中
的网络革命，某省级运营商在升级改造IMS网络时适
时引入NFV是顺应发展潮流的决定。
NFV技术在走向成熟的过程中，面临挑战较多且
可以借鉴的经验匮乏。如何解决性能、可靠性、安全
性以及标准化等方面的挑战也需要面对。
因此，当前IMS网络的NFV演进路线采用渐进方
式从点开始，逐步扩张到片，再扩张到面，完成网络演
进。不可忽视的重要因素是，引入NFV同时增加了新
的逻辑网络分层和不同厂家的集成情况，这在无形中
增加了现有IMS网络的性能、安全和运维的复杂性。
这些问题在实施过程中需积累经验，理论上也待进一
步探索，寻求较高效的解决之道。
综上所述，本研究对某省级运营商在升级改造
IMS网络时引入NFV的方案建议为：以vMMTel为切入
点，积极探索并反馈实施过程中出现的问题，不断积
累相关建设运营经验，以期最终平滑地实现IMS网络
向ETSINFV演进，适应未来网络弹性、自动化、开放的
需求。
参考文献：
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（2）.
［2］何建波，陈艳庆.运营商网络转型加速，NFV部署进入快车道［J］.
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［9］崔春风，黄金日.NFV发展动态分析［J］.网络电信，2014（6）.
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［13］陈炜，韩小勇，尼凌飞.移动核心网应用NFV的关键问题探讨及
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［14］蒋林涛.网络功能虚拟化技术的研究［J］.电信技术，2015（7）.
［15］胡晓娟，孙震强.基于IMS的VoLTE业务浅析［J］.移动通信，
2015，39（Z1）：57-60.
作者简介：
孔亚青，高级工程师，学士，主要从事通信网络工程建设的技术管理、项目管理工作；韦
素萍，高级工程师，硕士，主要从事通信网络相关规划咨询设计工作；景建新，高级工程
师，学士，主要从事通信网络相关规划咨询设计工作；钱科能，高级工程师，硕士，主要从
事通信网络相关规划咨询设计工作；陆舒滢，助理工程师，学士，主要从事通信网络相关
规划咨询设计工作。
架构及网络演进
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4K电视内容匮乏的情况正在改善，
国外的一些电视内容提供商已着手解决
该问题。以美国Netflix公司为例，其已
经在2013年开始研发相关技术，并在
2014年推出4K节目资源。
对于国内市场来说，虽然电视和电影
的4K资源并不多，不过乐视、优酷等视
频公司正在积极布局4K内容，推动着
4K技术的应用。张艺谋在乐视影业拍
摄的新片《归来》就采用了IMAX4K技
术，这也是国内首部商业4K级别的影视
作品。
技术传输方面，H.265能够在有限
带宽下传输更高质量的网络视频，这种
视频编码标准可以将H.264视频压缩到
原先的一半大小，并支持4K至8K视频，
为互联网传输扫清了障碍。在相同的图
像质量下，通过H.265编码的视频大小
比H.264要缩小39%～44%。在码率减
少51%～74%的情况下，人眼观察H.265
编码的视频质量与H.264编码视频近似
甚至要更好。同样的内容，使用H.265
标准进行传输可以减少70%～80%的带
宽消耗。
压缩技术成熟了，就引发了一种叫
做“2K转4K”技术的发展，包括TCL、创
维、海信、康佳等厂商均采取了这种方
式，例如4K图强引擎技术。
当2K信号输入时，电视内置的图像
引擎就开始对图像进行点对点分析，通
过4KMRIT影像微重组技术智能插帧，
2K信号源也可以达到等效4K的视觉体
验。虽然这种“伪4K”的技术并没有实
现纯正的4K画质，算是现阶段的一个权
宜之计。
4K的内容资源和传输技术
15
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