VoLTE业务vIMS网络建设研究

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1引言

随着LTE网络的建设运营，4G用户发展迅猛，语音业务作为运营商的重要收入来源，在LTE网络中仍将发挥至关重要的作用。在原有2G/3G网络中，语音业务通过核心网CS（电路）域提供承载，由于LTE没有CS域只有PS（分组）域，基于IMS网络的volte技术作为4G网络语音通话业务的终极解决方案，不仅能够为用户提供高清晰度语音通话服务，还能提供更清晰的视频通信服务，使用户获得更丰富、出色的业务体验。此外，VoLTE技术还能够大幅度提升无线资源的频谱效率，是2G/3G的3倍以上。根据GSMA的数据，截至2015年12月，全球部署了超过100个VoLTE网络，其中40个已实现商用。业内预计，到2018年全球VoLTE用户可望突破8亿，而到2020年，VoLTE业务量在总话务量中的占比将超过70%。同时，随着5G和物联网等领域的快速发展，基于专用硬件架构和封闭式网元的传统电信网络，已经成为运营商拓展新业务的严重障碍。NFV能够根据用户和业务需求灵活动态地进行网络资源配置，实现网络资源的高效利用，有效降低CAPEX和OPEX成本。伴随VoLTE的大规模商用部署以及为了应对物联网未来的大量业务需求，作为目前全球唯一主要的CDMA运营商，为了全面融入3GPP主流技术阵营保持和提升竞争实力，中国电信于2016年采用NFV的方式启动了VoLTE业务IMS网络建设。

2vims网络建设原则

2.1集约化原则。为支撑移动业务集约化运营需要，实现“一点受理，一点开通，一点计费”，新建IMS宜采用按照区域部署方式进行建设。2.2满足时延要求。根据ITU-T的相关规范及运营经验，建议VoLTE话音的端到端时延应控制在285ms之内，VoLTE信令端到端时延给用户提供满意的业务体验。2.3网络安全性要求。建议区域内双节点部署，实现异地容灾备份。2.4符合未来的演进方向采用NFV技术建设VoLTE业务IMS网络，验证vIMS网络提供端到端VoLTE业务的能力，探索和积累虚拟化网络在部署、测试和维护方面的经验，为后期VoLTE业务的商用化部署打好基础。

3vIMS网络架构

3.1NFV技术优势。NFV（NetworkFunctionVirtualization），即网络功能虚拟化。通过使用x86等通用性硬件以及虚拟化技术，实现软件的灵活加载，实现在数据中心、网络节点和用户端等各个位置灵活的部署配置，并基于实际业务需求进行自动部署、弹性伸缩、故障隔离和自愈等，从而降低网络昂贵的设备成本，降低业务部署的复杂度。NFV彻底颠覆了传统电信网络的架构，引入灵活的弹性资源管理机制。ETSI（欧洲电信标准协会）提出的NFV架构如图1所示。从横向看分为三层：(1)基础设施层（NFVI，NFVInfrastructure），是一个资源池，NFVI需要将物理计算/存储/交换资源通过虚拟化转换为虚拟的计算/存储/交换资源池。(2)虚拟网络层（VNF，VirtualizedNetworkFunction）：虚拟网络层对应的就是各个电信业务网络，每个物理网元映射为一个虚拟网元VNF，VNF所需资源需要分解为虚拟的计算/存储/交换资源，由NFVI来承载，VNF之间的接口依然采用传统网络定义的信令接口（3GPP+ITU-T)，VNF的业务网管依然采用NE-EMS-NMS体制。(3)运营支撑层：运营支撑层就是目前的OSS/BSS系统，需要为虚拟化进行必要的修改和调整。从纵向看，NFV分为两个域：(1)业务网络域：就是目前的各电信业务网络。(2)管理编排域（MANO，ManagementandOrchestration）：MANO负责对整个NFVI资源的管理和编排，负责业务网络和NFVI资源的映射和关联，负责OSS业务资源流程的实施等，MANO内部包括VIM，VNFM和Orchestrator三个实体，分别完成对NFVI，VNF和NS（NetworkService：即业务网络提供的网络服务）三个层次的管理。3.2vIMS网络区域划分。中国电信建设vIMS网络，根据NFV的三层解耦架构，要求一个区域节点由一个厂家端到端提供vIMS的解决方案。根据业务分布情况以及骨干网资源情况，VoLTE业务IMS网络集约选点选取北京、上海、南京、广州、成都、西安六个城市，分三个区域部署vIMS网络，区域两节点网络互为容灾备份。结合区域区隔，容量均衡原则，确定分区及每个节点所管辖的省份。建议集约设置三个区域，北（北京，南京）、中（上海，西安）、南（广州，成都）。如表1所示：表1中国电信vIMS网络区域划分方案3.3vIMS网元设置原则VoLTE业务IMS网络按照区域制集中建设，区域层面包括S-CSCF、I-CSCF、MMTEL/CG、ENUM/DNS、MRFC、MRFP等网元，HSS、SBC/P-CSCF、MGCF、IM-MGW等网元设置在省层面。对设置在区域层面的IMS核心控制层的网元进行虚拟化，在省层面新建的SBC/P-CSCF设备采用传统架构。各网元设置组网如图2所示：3.4VoLTEIMS网络的信令转接需求VoLTE业务涉及LTE网络及IMS网络，其中LTE网络包括无线网络、EPC核心网络，IMS网络包括核心网元、接入网元及VoLTE业务平台。其端到端的网络逻辑架构如图3所IMS网络接口对DRA转发包含以下两方面的要求：一是IMS网络内部的Sh接口、Cx接口和Zh接口消息的路由转发；二是PCC消息的转发，Gx接口和Rx接口消息转发，以及两个接口的绑定（绑定到同一个PCRF）。（1）Sh是业务平台和IMSHSS之间的接口，使得服务和用户相关的信息能够传递给业务平台或者存储在IMSHSS中。Sh接口使用Diameter协议。（2）Cx接口是I/S-CSCF和IMSHSS之间的接口，用于IMS注册和用户数据处理。所选择的协议是Diameter协议（3）Zh接口用于IMSHSS和BSF之间交互用户鉴权相关信息，基于Diameter协议。（4）Gx接口在PCRF和PGW之间，使得PCRF能够直接控制PGW中的PCEF功能。Gx接口使用Diameter协议。（5）P-CSCF/SBC（AF）通过Rx接口向PCRF发送信息，该信息使PCRF能够生成IPQoS数据和计费策略，并通过Gx接口传递到PGW。Rx接口使用Diameter协议。3.5VoLTEIMS网络的域选方案在纯VoLTE终端的策略前提下，为了解决VoLTE用户卡插回非VoLTE终端以及通过G模国际漫出场景下的被叫寻址问题，对MMTELAS和现网MGCF提出功能要求实现简单的域选择方案：（1）MMTELAS功能要求：MMTELAS支持VoLTE用户的路由重选功能，在MMTELAS设置定时器,在用户未注册状态下，或者在定时器内接收到呼叫后向暂时无法接通失MMESGWPGW(PCEF)P-CSCF/BAC(AF)I/S/E-CSCFBGCFIMS-HSSLTE网络IMS网络PCRFMMTELASVoLTE业务平台UE业务配置网关EPC-HSSeNodeBS1-MMES1-US6aS11SGiRxGxIP-SM-GWMGCFIM-MGWMRFENUM/DNSS5/S8CxISCISCMgUtZhMwMrShUtShISCGmMj败响应，或者定时器结束时仍然没有收到呼叫成功响应的情况下，MMTELAS能够在被叫号码前加插特定接入码，向S-CSCF重新发起呼叫请求。要求MMTELAS既可以采用全局功能配置针对全局VoLTE用户实现该功能，也可以采用用户级别的功能设置针对部分VoLTE用户实现该功能。该功能优先级别高于呼叫转移。定时器和特定接入码可根据实际情况进行配置与修改，可支持3-8位的接入码长度。（2）域选择至CDMA网络时，MMTELAS应该能正确播放通知音：1）无响应场景域选择至CDMA网络，接收到用户忙的后向响应，播放用户忙通知音，其他情况播放不可及通知音。2）关机场景域选择至CDMA网络，MMTELAS收到CDMA网络失败响应后根据失败响应向用户播放相应通知音。3）MGCF功能要求：MGCF根据被叫字冠中的特定接入码触发至HLR的位置查询，删除特定接入码后获得被叫号码，通过与HLR之间的MAP接口查询被叫号码的TLDN，LOCREQTrigerType为34，HLR直接返回TLDN，不下发业务数据，MGCF根据TLDN进行路由。同时，MGCF根据HLR返回响应获取用户位置信息MSCID并存储。MGCF接收到18X或200OK，MGCF在18X或200OK中插入PANI，在PANI中携带用户所在MSCID位置信息，并将18X或200OK发送至S-CSCF。PANI格式为P-Access-Network-Info:”3GPP2-1X”;ci-3gpp2=46003000000000(无LAI和CELLID)；MSCID=XXXXXX;TLDN=86XXXXXXXXXXX。对于CDMA网络放音的情况，MGCF应能抑制CDMA网络通知音。

4虚拟化云资源池要求

4.1VIM要求。VIM是虚拟化基础设施管理系统，VIM应具备基础设施层NFVI(包括硬件资源和虚拟化资源)的管理，监控和故障上报，面向上层VNFM提供虚拟化资源池，管理软件镜像等功能。在试点建设中采用一个VIM管理一个物理机房的同类型硬件资源，一个VIM对应一个VNFM的模式，VIM与Hypervisor由同厂家集成，且要求兼容OpenStack。4.2Hypervisor要求。Hypervisor为虚拟机提供运行环境，支持镜像文件的读取，并基于镜像文件创建虚拟机。它允许多个GuestOS同时运行在一个HostOS上，GuestOS共享主机的硬件，使得每个操作系统都有自己虚拟的处理器，内存和其他硬件资源。Hypervisor分两种类型，一种是直接安装在硬件上运行，另外一种类型是安装在另外一个操作系统上。本次试点将采用兼容开源社区版本的KVM作为Hypervisor，它属于第二种类型，具体功能应包括：（1）支持虚拟机的创建、删除、上电、下电、查询等基本操作。（2）支持虚拟机间的资源隔离。（3）支持虚拟机热迁移。（4）支持分布式虚拟交换机。（5）支持虚拟机运行状态的监控及向VIM的上报，包括运行、停止、故障，以及其他状态信息，包括虚拟机的vCPU占用率，虚拟内存使用率，虚拟磁盘占用率，虚拟网卡的吞吐率等。（6）支持物理服务器运行状态的监控及向VIM的上报，包括运行、停止、故障，以及其他状态信息，包括物理服务器CPU，内存，磁盘以及网卡等关键部件的状态及CPU利用率、内存利用率、网络吞吐率、磁盘读取速率、磁盘写入速率、CPU温度等信息。

5容灾方案

5.1物理机容灾备份。物理资源的部署应根据实际情况保持一定量的冗余，保证故障发生时，能够快速创建虚拟机。另外服务器硬件本身也应该具备可靠性设计，服务器应满足电源模块支持N+N冗余，且可插拔，风扇模块至少支持N+1冗余，并可插拔，如果采用机框式服务器，机框背板为无源设计，系统管理模块为1+1冗余。需配置冗余的交换板或交换机。磁盘要求使用企业级SAS硬盘，并根据业务需要配置相应的RAID模式，并要求支持缓存断电保护。5.2虚拟层容灾备份。为了保证可靠性，系统中不允许存在单点故障。虚拟机之间应支持备份、迁移，当虚拟机所在物理机故障时应能实现虚拟机的自愈和重生；VNFC之间支持主备倒换，主备倒换时不影响业务，VNF之间能支持主备或其他方式备份，VNF/VNFC支持反亲和性部署；VNFO、VNFM、VIM至少支持主备双机部署。5.3业务层容灾方案。VoLTEIMS设备在整个网络中处于核心层面，处理的用户规模至少百万用户级别，涉及的用户范围少则全省、多则整个区域十多个省的VoLTE用户，所以不管是从用户量方面还是从影响的范围方面，VoLTE设备的安全性都至关重要。在实际运营中，由于人为操作失误、设备故障、自然灾害等原因，通信网络节点的故障往往不可避免，且故障恢复的时间也较长，这就需要在网络建设和运营过程中提前部署相关的容灾备份，以保障VoLTE网络的安全运行，将潜在可能的故障影响降低到最低程度。

6结束语

目前，中国电信基于NFV架构的VoLTE业务IMS网络一阶段建设已基本完成，vIMS的成功部署为中国电信虚拟化网络在部署、测试和维护方面探索和积累了宝贵经验，为承接CDMA语音和固定软交换退网提供了网络基础。龙江电信将借助VoLTE技术积极应对来自互联网OTT应用的冲击，继续保持和提升竞争实力，做好对市场业务发展的支撑，为龙江广大用户提供感知优良的网络服务。

参考文献：

[1]史健《NFV及vIMS的部署实施》爱立信学院，2016.

作者:王俊 单位:中国电信股份有限公司黑龙江分公司