5G網(wǎng)絡(luò)下IMS系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)研究

王夢曉

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5G網(wǎng)絡(luò)下IMS系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)研究

王夢曉

東南大學(xué)成賢學(xué)院電子與計算機(jī)工程學(xué)院，江蘇 南京 210088

第五代通信系統(tǒng)是面向2020年以后人類信息社會需求的無線移動通信系統(tǒng)。它是一個多業(yè)務(wù)技術(shù)融合的網(wǎng)絡(luò)。在5G網(wǎng)絡(luò)中用戶或終端接入規(guī)模大幅增加，網(wǎng)絡(luò)側(cè)的服務(wù)節(jié)點(diǎn)變化也更加頻繁，而現(xiàn)有的IMS系統(tǒng)架構(gòu)無法滿足節(jié)點(diǎn)的自動加入或退出及自動化管理。通過對現(xiàn)有技術(shù)的分析，對5G網(wǎng)絡(luò)下IMS系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)進(jìn)行了研究，提出了一種可行的方案。

5G；IMS；系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)

1 概述

移動通信技術(shù)的演進(jìn)已經(jīng)到了第五代，從第一代到第四代移動通信技術(shù)，圍繞的都是人與人之間的通信。隨著第五代移動通信技術(shù)的提出，通信的對象擴(kuò)展到了人與物、物與物等更廣闊的通信領(lǐng)域。人們需要一個帶寬更高、時延更低、覆蓋更廣的移動網(wǎng)絡(luò)，這就是未來5G的演進(jìn)方向。

5G[1]技術(shù)主要應(yīng)用場景包括以下內(nèi)容。

（1）超高速場景，為未來移動寬帶用戶提供極速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接入。

（2）支持大規(guī)模人群，為高人群密度地區(qū)或場合提供高質(zhì)量移動寬帶體驗。

（3）隨時隨地最佳體驗，確保用戶在移動狀態(tài)仍享有高質(zhì)量服務(wù)。

（4）超可靠的實(shí)時連接，確保新應(yīng)用和用戶實(shí)例在時延和可靠性方面符合嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。

（5）無處不在的物物通信，確保高效處理多樣化的大量設(shè)備通信，包括機(jī)器類設(shè)備和傳感器等。

以上特征對于5G網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用系統(tǒng)提出了更高的要求。

IMS（IP Multimedia Subsystem，IP多媒體子系統(tǒng)）[2]是3GPP（Third Generation Partnership Projet，第三代合作伙伴計劃）提出的支持IP多媒體業(yè)務(wù)的子系統(tǒng)，其顯著特征包括：（1）采用SIP（Session Initial Protocol，會話初始協(xié)議）；（2）通信與接入方式無關(guān)；（3）控制功能與承載能力分類；（4）呼叫與會話分離；（5）移動網(wǎng)與因特網(wǎng)業(yè)務(wù)融合。

但現(xiàn)有的IMS架構(gòu)[3]存在一定的缺陷，它的節(jié)點(diǎn)管理采用的是基于DNS方式的靜態(tài)管理策略，新增節(jié)點(diǎn)需要通過DNS進(jìn)行配置，服務(wù)節(jié)點(diǎn)上線、下線不能自動化等。進(jìn)入5G時代后，不同應(yīng)用需要對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行切片使用，各種服務(wù)節(jié)點(diǎn)快速增長，5G系統(tǒng)希望新的服務(wù)節(jié)點(diǎn)支持快速接入，故障節(jié)點(diǎn)能快速退出，現(xiàn)有的架構(gòu)無法滿足5G網(wǎng)絡(luò)的要求。

2 IMS系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)

通過對現(xiàn)有技術(shù)方案研究，提出了一種新的架構(gòu)體系。通過新增一個服務(wù)管理節(jié)點(diǎn)，將原有在DNS中靜態(tài)配置節(jié)點(diǎn)信息，改為由服務(wù)管理節(jié)點(diǎn)上動態(tài)管理。新增服務(wù)節(jié)點(diǎn)可以通過服務(wù)管理節(jié)點(diǎn)發(fā)布服務(wù)；服務(wù)管理節(jié)點(diǎn)可以檢測服務(wù)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，并提供查詢服務(wù)，為查詢者提供滿足條件的服務(wù)節(jié)點(diǎn)。

圖1 改進(jìn)的IMS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

改進(jìn)的IMS架構(gòu)主要涉及如下網(wǎng)元（如圖1所示）。

（1）終端設(shè)備管理節(jié)點(diǎn)（DM）：負(fù)責(zé)存儲和管理終端的配置信息，包括各種配置參數(shù)、對應(yīng)服務(wù)的訪問地址（域名或者IP地址），主要向終端提供網(wǎng)絡(luò)側(cè)接入服務(wù)節(jié)點(diǎn)（SBC/P-CSCF）的信息。

（2）服務(wù)管理節(jié)點(diǎn)：負(fù)責(zé)管理各服務(wù)節(jié)點(diǎn)。服務(wù)管理節(jié)點(diǎn)具體包括以下幾個方面。

①服務(wù)節(jié)點(diǎn)的加入或退出：服務(wù)節(jié)點(diǎn)發(fā)布加入申請時，說明本服務(wù)節(jié)點(diǎn)的功能，提供IMS的哪類服務(wù)（SBC/P-CSCF、I-CSCF、S-CSCF、MGCF、IM-MGW、HSS等）、性能特性說明（支持的用戶數(shù)、支持的并發(fā)數(shù)等）、服務(wù)地域信息、服務(wù)應(yīng)用場景等。

②服務(wù)節(jié)點(diǎn)合法性認(rèn)證：服務(wù)管理節(jié)點(diǎn)對服務(wù)節(jié)點(diǎn)接入進(jìn)行認(rèn)證，確保服務(wù)節(jié)點(diǎn)的合法性。

③服務(wù)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)更新：服務(wù)節(jié)點(diǎn)定期更新狀態(tài)給網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)管理節(jié)點(diǎn)，由服務(wù)管理節(jié)點(diǎn)維護(hù)各服務(wù)節(jié)點(diǎn)的最新狀態(tài)。

④服務(wù)節(jié)點(diǎn)的分配：向內(nèi)部節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)節(jié)點(diǎn)申請服務(wù)，其他節(jié)點(diǎn)可以申請制定功能的服務(wù)節(jié)點(diǎn)，服務(wù)管理節(jié)點(diǎn)根據(jù)申請的要求（地域、時延、接入網(wǎng)絡(luò)、用戶數(shù)等）分配合適的服務(wù)節(jié)點(diǎn)。

⑤靜態(tài)配置節(jié)點(diǎn)信息查詢：當(dāng)在本地未查詢到動態(tài)節(jié)點(diǎn)信息時，可以向傳統(tǒng)的ENUM/DNS節(jié)點(diǎn)發(fā)起查詢，獲得靜態(tài)配置的節(jié)點(diǎn)信息，以實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有系統(tǒng)的兼容。

（3）接入服務(wù)節(jié)點(diǎn)：提供改進(jìn)的SBC/P-CSCF（Session Border Controller，會話邊界控制器）服務(wù)。作為終端接入的第一個網(wǎng)元，主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換和穿越、網(wǎng)絡(luò)安全控制、QoS功能以及媒體轉(zhuǎn)發(fā)的功能。在改進(jìn)的架構(gòu)中，增加了與服務(wù)管理節(jié)點(diǎn)的交互接口，支持服務(wù)加入、服務(wù)退出、服務(wù)節(jié)點(diǎn)查詢等接口，通過向服務(wù)管理節(jié)點(diǎn)發(fā)布自身節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)加入/退出服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)。通過向服務(wù)管理節(jié)點(diǎn)查詢的方式，獲取符合條件的節(jié)點(diǎn)信息。如果未能從服務(wù)管理節(jié)點(diǎn)獲取到信息，再通過訪問DNS獲取其他節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)配置信息。

（4）查詢服務(wù)節(jié)點(diǎn)：提供改進(jìn)的I-CSCF服務(wù)。在注冊過程中，I-CSCF（Interrogating-CSCF）通過查詢HSS，為用戶選擇一個S-CSCF。在呼叫過程中，將消息路由到S-CSCF。在改進(jìn)的架構(gòu)中，I-CSCF增加了與服務(wù)管理節(jié)點(diǎn)的交互接口，支持服務(wù)加入、服務(wù)退出、服務(wù)節(jié)點(diǎn)查詢等接口，通過向服務(wù)管理節(jié)點(diǎn)發(fā)布自身節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)加入/退出服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)。通過向服務(wù)管理節(jié)點(diǎn)查詢的方式，獲取符合條件的節(jié)點(diǎn)信息。如果未能從服務(wù)管理節(jié)點(diǎn)獲取到信息，再通過訪問DNS獲取其他節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)配置信息。

（5）業(yè)務(wù)服務(wù)節(jié)點(diǎn)：提供改進(jìn)的S-CSCF服務(wù)。S-CSCF為終端提供會話控制，注冊服務(wù)，呼叫認(rèn)證鑒權(quán)，以及業(yè)務(wù)觸發(fā)功能。在改進(jìn)的架構(gòu)中，S-CSCF增加了與服務(wù)管理節(jié)點(diǎn)的交互接口，支持服務(wù)加入、服務(wù)退出、服務(wù)節(jié)點(diǎn)查詢等接口，通過向服務(wù)管理節(jié)點(diǎn)發(fā)布自身節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)加入/退出服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)。通過向服務(wù)管理節(jié)點(diǎn)查詢的方式，獲取符合條件的節(jié)點(diǎn)信息。如果未能從服務(wù)管理節(jié)點(diǎn)獲取到信息，再通過訪問DNS獲取其他節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)配置信息。

（6）應(yīng)用服務(wù)節(jié)點(diǎn)：提供改進(jìn)的AS服務(wù)功能。AS為IMS用戶提供業(yè)務(wù)功能。AS在改進(jìn)的架構(gòu)中，S-CSCF增加了與服務(wù)管理節(jié)點(diǎn)的交互接口，支持服務(wù)加入、服務(wù)退出、服務(wù)節(jié)點(diǎn)查詢等接口，通過向服務(wù)管理節(jié)點(diǎn)發(fā)布自身節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)加入/退出服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)。通過向服務(wù)管理節(jié)點(diǎn)查詢的方式，獲取符合條件的節(jié)點(diǎn)信息。如果未能從服務(wù)管理節(jié)點(diǎn)獲取到信息，就再通過訪問DNS獲取其他節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)配置信息。

改進(jìn)的IMS架構(gòu)的工作流程具體包括以下內(nèi)容。

（1）服務(wù)節(jié)點(diǎn)上線后，向服務(wù)管理節(jié)點(diǎn)發(fā)布節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，包括本服務(wù)節(jié)點(diǎn)提供的IMS服務(wù)角色（SBC、I-CSCF、S-CSCF、BGCF、MGCF、IM-MGW等）、IP地址、端口號、可用并發(fā)用戶數(shù)、可用并發(fā)處理能力、加入服務(wù)的區(qū)域，服務(wù)的業(yè)務(wù)場景等。

（2）服務(wù)管理節(jié)點(diǎn)驗證請求后，記錄新增的服務(wù)節(jié)點(diǎn)信息。

（3）服務(wù)節(jié)點(diǎn)收到業(yè)務(wù)請求時，向服務(wù)管理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行查詢，獲得下一個服務(wù)節(jié)點(diǎn)。

（4）服務(wù)管理節(jié)點(diǎn)根據(jù)查詢請求，例如服務(wù)區(qū)域、服務(wù)的業(yè)務(wù)場景、服務(wù)角色等，在節(jié)點(diǎn)狀態(tài)中找到匹配的服務(wù)節(jié)點(diǎn)，返回給查詢者。

（5）服務(wù)節(jié)點(diǎn)將請求轉(zhuǎn)發(fā)給下一條的服務(wù)節(jié)點(diǎn)。服務(wù)節(jié)點(diǎn)和服務(wù)管理節(jié)點(diǎn)之間可以使用HTTP/HTTPS等協(xié)議，或者其他自定義協(xié)議。

3 結(jié)束語

改進(jìn)后的IMS網(wǎng)絡(luò)通過服務(wù)管理節(jié)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)服務(wù)節(jié)點(diǎn)的動態(tài)加入或退出，適應(yīng)5G網(wǎng)絡(luò)中服務(wù)節(jié)點(diǎn)的不斷變化，實(shí)現(xiàn)整個IMS系統(tǒng)服務(wù)能力的動態(tài)伸縮，有助于IMS在5G網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。

[1]3GPP TS 22.261 Service Requirements for the 5G system[S].

[2]3GPP TS 22.228 Service requirements for the Internet Protocol （IP） multimedia core network subsystem （IMS）； Stage 1[S].

[3]3GPP TS 23.228 IP Multimedia Subsystem（IMS）： Stage 2[S].

Research on IMS System Architecture Evolution under 5G Network

Wang Mengxiao

School of Electronics and Computer Engineering, Southeast University Chengxian College, Jiangsu Nanjing 210088

The fifth generation communication system is a wireless mobile communication system for the needs of the human information society after 2020. It is a multi-service technology convergence network. The access scale of users or terminals in the 5G network is greatly increased, and the service nodes on the network side changes are also more frequent, and the existing IMS system architecture cannot satisfy the automatic joining or exiting of nodes and automatic management. Through the analysis of the existing technology, the evolution of IMS system architecture under 5G network is studied, and a feasible scheme is proposed.

5G; IMS; system architecture evolution

TN929.5

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