5G網絡下IMS系統架構演進研究

王夢曉

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5G網絡下IMS系統架構演進研究

王夢曉

東南大學成賢學院電子與計算機工程學院，江蘇 南京 210088

第五代通信系統是面向2020年以后人類信息社會需求的無線移動通信系統。它是一個多業務技術融合的網絡。在5G網絡中用戶或終端接入規模大幅增加，網絡側的服務節點變化也更加頻繁，而現有的IMS系統架構無法滿足節點的自動加入或退出及自動化管理。通過對現有技術的分析，對5G網絡下IMS系統架構演進進行了研究，提出了一種可行的方案。

5G；IMS；系統架構演進

1 概述

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

5G[1]技術主要應用場景包括以下內容。

（1）超高速場景，為未來移動寬帶用戶提供極速數據網絡接入。

（2）支持大規模人群，為高人群密度地區或場合提供高質量移動寬帶體驗。

（3）隨時隨地最佳體驗，確保用戶在移動狀態仍享有高質量服務。

（4）超可靠的實時連接，確保新應用和用戶實例在時延和可靠性方面符合嚴格的標準。

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

以上特征對于5G網絡中的應用系統提出了更高的要求。

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

但現有的IMS架構[3]存在一定的缺陷，它的節點管理采用的是基于DNS方式的靜態管理策略，新增節點需要通過DNS進行配置，服務節點上線、下線不能自動化等。進入5G時代后，不同應用需要對網絡進行切片使用，各種服務節點快速增長，5G系統希望新的服務節點支持快速接入，故障節點能快速退出，現有的架構無法滿足5G網絡的要求。

2 IMS系統架構演進

通過對現有技術方案研究，提出了一種新的架構體系。通過新增一個服務管理節點，將原有在DNS中靜態配置節點信息，改為由服務管理節點上動態管理。新增服務節點可以通過服務管理節點發布服務；服務管理節點可以檢測服務節點的狀態，并提供查詢服務，為查詢者提供滿足條件的服務節點。

圖1 改進的IMS網絡架構圖

改進的IMS架構主要涉及如下網元（如圖1所示）。

（1）終端設備管理節點（DM）：負責存儲和管理終端的配置信息，包括各種配置參數、對應服務的訪問地址（域名或者IP地址），主要向終端提供網絡側接入服務節點（SBC/P-CSCF）的信息。

（2）服務管理節點：負責管理各服務節點。服務管理節點具體包括以下幾個方面。

①服務節點的加入或退出：服務節點發布加入申請時，說明本服務節點的功能，提供IMS的哪類服務（SBC/P-CSCF、I-CSCF、S-CSCF、MGCF、IM-MGW、HSS等）、性能特性說明（支持的用戶數、支持的并發數等）、服務地域信息、服務應用場景等。

②服務節點合法性認證：服務管理節點對服務節點接入進行認證，確保服務節點的合法性。

③服務節點的狀態更新：服務節點定期更新狀態給網絡功能服務管理節點，由服務管理節點維護各服務節點的最新狀態。

④服務節點的分配：向內部節點提供服務節點申請服務，其他節點可以申請制定功能的服務節點，服務管理節點根據申請的要求（地域、時延、接入網絡、用戶數等）分配合適的服務節點。

⑤靜態配置節點信息查詢：當在本地未查詢到動態節點信息時，可以向傳統的ENUM/DNS節點發起查詢，獲得靜態配置的節點信息，以實現對現有系統的兼容。

（3）接入服務節點：提供改進的SBC/P-CSCF（Session Border Controller，會話邊界控制器）服務。作為終端接入的第一個網元，主要實現網絡地址轉換和穿越、網絡安全控制、QoS功能以及媒體轉發的功能。在改進的架構中，增加了與服務管理節點的交互接口，支持服務加入、服務退出、服務節點查詢等接口，通過向服務管理節點發布自身節點的狀態，實現加入/退出服務網絡的目標。通過向服務管理節點查詢的方式，獲取符合條件的節點信息。如果未能從服務管理節點獲取到信息，再通過訪問DNS獲取其他節點的靜態配置信息。

（4）查詢服務節點：提供改進的I-CSCF服務。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。在改進的架構中，I-CSCF增加了與服務管理節點的交互接口，支持服務加入、服務退出、服務節點查詢等接口，通過向服務管理節點發布自身節點的狀態，實現加入/退出服務網絡的目標。通過向服務管理節點查詢的方式，獲取符合條件的節點信息。如果未能從服務管理節點獲取到信息，再通過訪問DNS獲取其他節點的靜態配置信息。

（5）業務服務節點：提供改進的S-CSCF服務。S-CSCF為終端提供會話控制，注冊服務，呼叫認證鑒權，以及業務觸發功能。在改進的架構中，S-CSCF增加了與服務管理節點的交互接口，支持服務加入、服務退出、服務節點查詢等接口，通過向服務管理節點發布自身節點的狀態，實現加入/退出服務網絡的目標。通過向服務管理節點查詢的方式，獲取符合條件的節點信息。如果未能從服務管理節點獲取到信息，再通過訪問DNS獲取其他節點的靜態配置信息。

（6）應用服務節點：提供改進的AS服務功能。AS為IMS用戶提供業務功能。AS在改進的架構中，S-CSCF增加了與服務管理節點的交互接口，支持服務加入、服務退出、服務節點查詢等接口，通過向服務管理節點發布自身節點的狀態，實現加入/退出服務網絡的目標。通過向服務管理節點查詢的方式，獲取符合條件的節點信息。如果未能從服務管理節點獲取到信息，就再通過訪問DNS獲取其他節點的靜態配置信息。

改進的IMS架構的工作流程具體包括以下內容。

（1）服務節點上線后，向服務管理節點發布節點狀態，包括本服務節點提供的IMS服務角色（SBC、I-CSCF、S-CSCF、BGCF、MGCF、IM-MGW等）、IP地址、端口號、可用并發用戶數、可用并發處理能力、加入服務的區域，服務的業務場景等。

（2）服務管理節點驗證請求后，記錄新增的服務節點信息。

（3）服務節點收到業務請求時，向服務管理節點進行查詢，獲得下一個服務節點。

（4）服務管理節點根據查詢請求，例如服務區域、服務的業務場景、服務角色等，在節點狀態中找到匹配的服務節點，返回給查詢者。

（5）服務節點將請求轉發給下一條的服務節點。服務節點和服務管理節點之間可以使用HTTP/HTTPS等協議，或者其他自定義協議。

3 結束語

改進后的IMS網絡通過服務管理節點，可以實現服務節點的動態加入或退出，適應5G網絡中服務節點的不斷變化，實現整個IMS系統服務能力的動態伸縮，有助于IMS在5G網絡中的應用。

[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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