基于IMS的长江航运电话自动交换网改造应用实践
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作者:邢宇鹏
摘 要：为解决长江航运电话自动交换网故障频发、技术制约、拓展性不强等问题，适应未来长江水上交通安全信息业务发展需求，采用IMS技术对现网进行升级改造。结合长江沿线航运管理部门分布特点，提出了“三级部署、两级管理”的IMS网络布局规划，并对IMS组网架构、核心网元设置、VPN设置、双归属容灾等关键技术给出了实现方案，支撑长江航运电话自动交换网向下一代网络平滑演进。
关键词：长江航运;IMS;组网技术;双归属
中图分类号：TN915.85 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2020）10-0063-03
长江航运电话自动交换网采用电路交换技术，业务方面主要承载了长航系统内部通话、专网长途电话、长江沿线VHF联播、长航公安110联动通信以及海事12395水上遇险报警等业务;地理范围覆盖长江沿线从泸州至上海整个区域，所涉及的站点机构为长江沿线36个通信信息中心及32个远端用户站点。
目前该网络已投入运行近20年，部分程控交换设备超期运行，故障频发，严重威胁水上交通安全通信保障;程控交换网络也难以承载视频通话、统一通信等多媒体增强业务，无法与长航其它网络及信息系统实现融合发展，极大地降低了协同办公效率，尤其制约了移动执法、协同监管、应急指挥等工作的联动开展。为解决上述问题，采用IMS技术对现网进行升级改造，推动长航电话自动交换网的技术演进与服务升级。
1 IMS系統概述
IMS（IP Multimedia System，IP多媒体子系统）最初由3GPP在R5版本中提出，3GPP所定义的IMS是由提供IP多媒体业务（如话音、视频、文本、聊天等）的所有构架在分组传送网上的核心网元构成[1]。IMS体系架构采用分层设计的思想，将业务应用、呼叫控制、传输承载进行分离，主要优势在于：引入应用、控制与传输分开的分层架构;与接入无关，便于固网与移动网的融合;提供标准的业务开放接口，业务部署方便;数据库集中管理;支持完善的QOS控制机制和网络安全机制;可逐步部署，原有网络中的接入资源、应用和用户可以继续利用。
2 长航电话自动交换网概况
2.1现网网络架构
长航电话自动交换网目前共有37座程控交换机，均与当地公用网（PSTN）交换机实现自动联网。全网采用三级网络结构，武汉为一级通信枢纽，重庆、宜昌、芜湖、南京、上海为二级通信枢纽，万州和九江为辅助二级通信枢纽，其他为三级通信枢纽。
2.2业务承载分析
长航电话自动交换网采用电路交换模式，仅能够提供基本的语音传输服务，不具备IP多媒体资源共享能力。随着“数字长江”“数字通航”等在长航系统陆续应用，各中心及站点日常业务工作对多媒体信息的需求日益明显。升级改造后的电话交换网除需具备语音通信的基本功能外，还需支持音视频、数据等多媒体宽带业务通信，具备与无线宽带网络移动通信业务对接融合的能力，见表1。
3 IMS网络布局规划
长江沿线水上管理机构众多，具有“点多、线长”的分布特点。在现网站点布局基础上，综合考虑行政区划设置、网络可靠性、管理便捷性、投入成本等因素，采用“三级部署、两级管理”的站点布局，即“核心层控制中心—接入层节点—远端用户节点”的三级部署架构和“核心层控制中心—接入层节点”的两级扁平化管理架构。
设置重庆、宜昌、武汉、南京等4个IMS控制中心;在长江海事局信息中心部署远程网管和计费终端，作为整个长航电话自动交换网的监控中心;将36个通信信息中心改造为IMS接入节点;对现网32个用户远端进行改造，作为远端用户节点下挂到上级接入站点;网络的管理和计费采用各中心集中部署、各站点本地管理的模式。
4 IMS网络改造关键技术方案
4.1 IMS网络架构设计
IMS交换网应具备容灾和扁平化网络架构。现有长航数据通信网为多环+星型拓扑结构，包括5个汇聚层节点及43个接入层节点，并在重庆至武汉间租用电信运营商155Mbps数字电路进行备份，完整覆盖了重庆至武汉沿江各节点，能够满足IMS交换网架构要求。
4.1.1承载网架构
IMS承载网络架构见图1。承载网所有PE设备具备均支持ISIS和MPLS VPN部署能力，其中，PE设备部署ISIS路由协议，采用MPLS VPN区分IMS业务。
图2中每套IMS系统配置两台组网交换机用于IMS系统内部组网，一台组网交换机汇聚所有IMS设备的主用端口，另一台组网交换机汇聚所有IMS设备的备用端口。IMS设备经过IMS组网交换机汇聚后，分别上行至本节点的两台IMS CE设备。IMS CE设备保护采用增强型VRRP技术实现快速切换。当链路正常时，流量直接由CE1至PE1，当CE1至PE1的链路断开，数据路由变为CE1-CE2-PE2-PE1，实现对CE-PE之间的链路保护。同时，考虑到CE互联链路承载多种重要数据，如CE、SBC、核心网元等设备的心跳报文传输，汇聚层节点1机房的IMS CE与汇聚层节点2机房的IMS CE设备互联链路采用两条不同路由的物理链路进行捆绑保护。
4.1.2汇聚与接入
汇聚层包括武汉、南京、重庆、宜昌、万州等5个节点，本次IMS网络部署在武汉、南京、重庆、宜昌等4个节点，每个节点均部署有2台互备的PE设备。其中，武汉节点和南京节点IMS核心网互为备份，重庆和宜昌节点IMS核心网互为备份。每节点新增或利旧2台CE设备，上联至本节点的2台PE设备，并与互备节点的CE设备互连。
接入层包括43个节点，大多数具备1台PE设备。考虑减少接入设备对PE设备的端口需求，每个接入层节点新增或利旧1台汇聚交换机作为CE设备，对接入层节点的IMS接入设备（IM-MGW等）进行汇聚，上联接入PE设备。 4.2 IMS网元设置
控制中心层面部署S/P/I-CSCF、HSS、ENUM/DNS、MGCF、MRFC、AGCF、IM-MGW、SBC等网元以及网管、计费等业务平台，见图2。因各接入站点需保留原有与公网运营商的互联出口，故IM-MGW需下沉至接入站点层面部署，实现域外数据流就近出局，减轻传输网带宽压力;同时，考虑长航系统内用户大部分为可信任终端，其媒体流和信令流无需经过SBC进行处理，少量非可信任终端的媒体流对传输网带宽影响不大，故SBC网元仅在控制中心层面部署，可节省建设成本[2]。
4.3 IMS VPN设计
IMS交换网采用MPLS VPN方式实现不同业务在数据通信网上的隔离，通过新增IMS VPN实现端到端承载IMS媒体和信令信息。在控制中心PE和接入站点PE上，通过配置路由策略，匹配各域非可信终端地址，控制各域接入侧非可信终端仅能访问SBC设备，保证核心网设备的安全。IMS VPN部署方案见图3。
4.3.1承载网接入
各控制中心部署的IMS、SBC等设备，在控制中心PE设备上接入到IMS VPN内。为保证IMS系统不受端口扫描、蠕虫病毒等可能的攻击，在接入时与其它信息VPN分离，整套系统独立运行在IMS VPN内。
4.3.2终端用户接入
在接入交换机上将语音业务划到IMS VLAN内，接入交换机根据不同业务VLAN将IMS业务上传至IMS业务汇聚交换机，汇聚交换机透传数据，同时在出接口剥除VLAN标签，在接入站点PE设备处接入IMS VPN内。
4.4双归属容灾设计
IMS网络故障点按照影响程度，其相应的容灾解决方案可以划分为板卡级容灾、网元级容灾和平面级容灾[3]。本次4个IMS控制中心采用平面级容灾，相邻中心之间采用双归属机制容灾备份，即重庆与宜昌控制中心互备，南京与武汉控制中心互备。
IMS网络中容灾主要通过网元之间的协议传送心跳实现，一旦网元之间心跳异常，则一方网元即认为链路或对端网元出现了问题，容灾机制启动，一方网元将和对端备份网元进行联系。在IMS网络中，心跳分为应用层心跳和传送层心跳两种。网元间的应用层消息包括SIP、H.248、Diameter和DNS/ENUM协议，其各自可启用心跳机制;网元间也可以通过传送层的TCP/SCTP链路检测机制完成故障检测。本次IMS核心设备网元之间容灾方式见表2。
5 结论
构建基于IMS技术的下一代长江航运通信网络，是推动长江航运业务与信息化融合发展的基础，为未来长江水上交通安全信息创新应用提供了一个开放、标准、功能强大的支撑平台。升级改造后的IMS交换网，将有效解决现网设备和技术架构瓶颈问题，为后续长航船岸无线宽带网融合接入、航运信息系统融合发展提供技术支撑。另外，本研究提出的IMS组网关键技术实现方案，可为其他跨地域集团单位行政办公网络的升级改造提供经验借鉴。
参考文献：
[1]TS 23.002 IP Multimedia Subsystem（IMS）[S].3GPP
[2]张阁，王晓东，尤天晴等.电力系统IMS核心网关键网元设置方式[C]//中国电机工程学会电力通信专业委员会第十二届学术会议，大连，2019：199-206.
[3]王丽瑛.IMS网络容灾实现方案研究[J].电信技术，2014（S1）：146-150.
[4]長江通信管理局.长江航运通信网中长期建设发展规划[R].武汉：长江通信管理局，2015.
[5]交通运输部规划研究院.长江航运电话自动交换网升级改造工程初步设计[R].北京：交通运输部规划研究院，2018.
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