基于IMS的長江航運電話自動交換網改造應用實踐

邢宇鵬

摘 要：為解決長江航運電話自動交換網故障頻發、技術制約、拓展性不強等問題，適應未來長江水上交通安全信息業務發展需求，采用IMS技術對現網進行升級改造。結合長江沿線航運管理部門分布特點，提出了“三級部署、兩級管理”的IMS網絡布局規劃，并對IMS組網架構、核心網元設置、VPN設置、雙歸屬容災等關鍵技術給出了實現方案，支撐長江航運電話自動交換網向下一代網絡平滑演進。

關鍵詞：長江航運;IMS;組網技術;雙歸屬

中圖分類號：TN915.85? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）10-0063-03

長江航運電話自動交換網采用電路交換技術，業務方面主要承載了長航系統內部通話、專網長途電話、長江沿線VHF聯播、長航公安110聯動通信以及海事12395水上遇險報警等業務;地理范圍覆蓋長江沿線從瀘州至上海整個區域，所涉及的站點機構為長江沿線36個通信信息中心及32個遠端用戶站點。

目前該網絡已投入運行近20年，部分程控交換設備超期運行，故障頻發，嚴重威脅水上交通安全通信保障;程控交換網絡也難以承載視頻通話、統一通信等多媒體增強業務，無法與長航其它網絡及信息系統實現融合發展，極大地降低了協同辦公效率，尤其制約了移動執法、協同監管、應急指揮等工作的聯動開展。為解決上述問題，采用IMS技術對現網進行升級改造，推動長航電話自動交換網的技術演進與服務升級。

1 IMS系統概述

IMS（IP Multimedia System，IP多媒體子系統）最初由3GPP在R5版本中提出，3GPP所定義的IMS是由提供IP多媒體業務（如話音、視頻、文本、聊天等）的所有構架在分組傳送網上的核心網元構成[1]。IMS體系架構采用分層設計的思想，將業務應用、呼叫控制、傳輸承載進行分離，主要優勢在于：引入應用、控制與傳輸分開的分層架構;與接入無關，便于固網與移動網的融合;提供標準的業務開放接口，業務部署方便;數據庫集中管理;支持完善的QOS控制機制和網絡安全機制;可逐步部署，原有網絡中的接入資源、應用和用戶可以繼續利用。

2 長航電話自動交換網概況

2.1現網網絡架構

長航電話自動交換網目前共有37座程控交換機，均與當地公用網（PSTN）交換機實現自動聯網。全網采用三級網絡結構，武漢為一級通信樞紐，重慶、宜昌、蕪湖、南京、上海為二級通信樞紐，萬州和九江為輔助二級通信樞紐，其他為三級通信樞紐。

2.2業務承載分析

長航電話自動交換網采用電路交換模式，僅能夠提供基本的語音傳輸服務，不具備IP多媒體資源共享能力。隨著“數字長江”“數字通航”等在長航系統陸續應用，各中心及站點日常業務工作對多媒體信息的需求日益明顯。升級改造后的電話交換網除需具備語音通信的基本功能外，還需支持音視頻、數據等多媒體寬帶業務通信，具備與無線寬帶網絡移動通信業務對接融合的能力，見表1。

3 IMS網絡布局規劃

長江沿線水上管理機構眾多，具有“點多、線長”的分布特點。在現網站點布局基礎上，綜合考慮行政區劃設置、網絡可靠性、管理便捷性、投入成本等因素，采用“三級部署、兩級管理”的站點布局，即“核心層控制中心—接入層節點—遠端用戶節點”的三級部署架構和“核心層控制中心—接入層節點”的兩級扁平化管理架構。

設置重慶、宜昌、武漢、南京等4個IMS控制中心;在長江海事局信息中心部署遠程網管和計費終端，作為整個長航電話自動交換網的監控中心;將36個通信信息中心改造為IMS接入節點;對現網32個用戶遠端進行改造，作為遠端用戶節點下掛到上級接入站點;網絡的管理和計費采用各中心集中部署、各站點本地管理的模式。

4 IMS網絡改造關鍵技術方案

4.1 IMS網絡架構設計

IMS交換網應具備容災和扁平化網絡架構。現有長航數據通信網為多環+星型拓撲結構，包括5個匯聚層節點及43個接入層節點，并在重慶至武漢間租用電信運營商155Mbps數字電路進行備份，完整覆蓋了重慶至武漢沿江各節點，能夠滿足IMS交換網架構要求。

4.1.1承載網架構

IMS承載網絡架構見圖1。承載網所有PE設備具備均支持ISIS和MPLS VPN部署能力，其中，PE設備部署ISIS路由協議，采用MPLS VPN區分IMS業務。

圖2中每套IMS系統配置兩臺組網交換機用于IMS系統內部組網，一臺組網交換機匯聚所有IMS設備的主用端口，另一臺組網交換機匯聚所有IMS設備的備用端口。IMS設備經過IMS組網交換機匯聚后，分別上行至本節點的兩臺IMS CE設備。IMS CE設備保護采用增強型VRRP技術實現快速切換。當鏈路正常時，流量直接由CE1至PE1，當CE1至PE1的鏈路斷開，數據路由變為CE1-CE2-PE2-PE1，實現對CE-PE之間的鏈路保護。同時，考慮到CE互聯鏈路承載多種重要數據，如CE、SBC、核心網元等設備的心跳報文傳輸，匯聚層節點1機房的IMS CE與匯聚層節點2機房的IMS CE設備互聯鏈路采用兩條不同路由的物理鏈路進行捆綁保護。

4.1.2匯聚與接入

匯聚層包括武漢、南京、重慶、宜昌、萬州等5個節點，本次IMS網絡部署在武漢、南京、重慶、宜昌等4個節點，每個節點均部署有2臺互備的PE設備。其中，武漢節點和南京節點IMS核心網互為備份，重慶和宜昌節點IMS核心網互為備份。每節點新增或利舊2臺CE設備，上聯至本節點的2臺PE設備，并與互備節點的CE設備互連。

接入層包括43個節點，大多數具備1臺PE設備。考慮減少接入設備對PE設備的端口需求，每個接入層節點新增或利舊1臺匯聚交換機作為CE設備，對接入層節點的IMS接入設備（IM-MGW等）進行匯聚，上聯接入PE設備。

4.2 IMS網元設置

控制中心層面部署S/P/I-CSCF、HSS、ENUM/DNS、MGCF、MRFC、AGCF、IM-MGW、SBC等網元以及網管、計費等業務平臺，見圖2。因各接入站點需保留原有與公網運營商的互聯出口，故IM-MGW需下沉至接入站點層面部署，實現域外數據流就近出局，減輕傳輸網帶寬壓力;同時，考慮長航系統內用戶大部分為可信任終端，其媒體流和信令流無需經過SBC進行處理，少量非可信任終端的媒體流對傳輸網帶寬影響不大，故SBC網元僅在控制中心層面部署，可節省建設成本[2]。

4.3 IMS VPN設計

IMS交換網采用MPLS VPN方式實現不同業務在數據通信網上的隔離，通過新增IMS VPN實現端到端承載IMS媒體和信令信息。在控制中心PE和接入站點PE上，通過配置路由策略，匹配各域非可信終端地址，控制各域接入側非可信終端僅能訪問SBC設備，保證核心網設備的安全。IMS VPN部署方案見圖3。

4.3.1承載網接入

各控制中心部署的IMS、SBC等設備，在控制中心PE設備上接入到IMS VPN內。為保證IMS系統不受端口掃描、蠕蟲病毒等可能的攻擊，在接入時與其它信息VPN分離，整套系統獨立運行在IMS VPN內。

4.3.2終端用戶接入

在接入交換機上將語音業務劃到IMS VLAN內，接入交換機根據不同業務VLAN將IMS業務上傳至IMS業務匯聚交換機，匯聚交換機透傳數據，同時在出接口剝除VLAN標簽，在接入站點PE設備處接入IMS VPN內。

4.4雙歸屬容災設計

IMS網絡故障點按照影響程度，其相應的容災解決方案可以劃分為板卡級容災、網元級容災和平面級容災[3]。本次4個IMS控制中心采用平面級容災，相鄰中心之間采用雙歸屬機制容災備份，即重慶與宜昌控制中心互備，南京與武漢控制中心互備。

IMS網絡中容災主要通過網元之間的協議傳送心跳實現，一旦網元之間心跳異常，則一方網元即認為鏈路或對端網元出現了問題，容災機制啟動，一方網元將和對端備份網元進行聯系。在IMS網絡中，心跳分為應用層心跳和傳送層心跳兩種。網元間的應用層消息包括SIP、H.248、Diameter和DNS/ENUM協議，其各自可啟用心跳機制;網元間也可以通過傳送層的TCP/SCTP鏈路檢測機制完成故障檢測。本次IMS核心設備網元之間容災方式見表2。

5 結論

構建基于IMS技術的下一代長江航運通信網絡，是推動長江航運業務與信息化融合發展的基礎，為未來長江水上交通安全信息創新應用提供了一個開放、標準、功能強大的支撐平臺。升級改造后的IMS交換網，將有效解決現網設備和技術架構瓶頸問題，為后續長航船岸無線寬帶網融合接入、航運信息系統融合發展提供技術支撐。另外，本研究提出的IMS組網關鍵技術實現方案，可為其他跨地域集團單位行政辦公網絡的升級改造提供經驗借鑒。

參考文獻：

[1]TS 23.002 IP Multimedia Subsystem（IMS）[S].3GPP

[2]張閣，王曉東，尤天晴等.電力系統IMS核心網關鍵網元設置方式[C]//中國電機工程學會電力通信專業委員會第十二屆學術會議，大連，2019：199-206.

[3]王麗瑛.IMS網絡容災實現方案研究[J].電信技術，2014（S1）：146-150.

[4]長江通信管理局.長江航運通信網中長期建設發展規劃[R].武漢：長江通信管理局，2015.

[5]交通運輸部規劃研究院.長江航運電話自動交換網升級改造工程初步設計[R].北京：交通運輸部規劃研究院，2018.