FTTH語音業務接入IMS的技術研究

趙 飛，張文雋

（中國電信股份有限公司上海研究院 上海200135）

1 引言

傳統固定網絡存在大量的PSTN交換機，設備雜、型號多、在網運行時間長，升級和維護困難，面臨退網。隨著“光進銅退”工作的深入開展，傳統PSTN交換機接入方式必然逐步被FTTH等小型語音網關設備所替代。但小型語音網關設備規模接入軟交換，由于軟交換設備的處理能力有限，則必然使現在已有的軟交換設備不斷擴容甚至裂變，影響核心網的穩定。

隨著IMS主體標準的逐步成熟，IMS正得到全球主流運營商的一致認可，將其作為網絡戰略轉型的重要方向。對于傳統固網的演進和發展，可以通過將傳統PSTN網絡改造后的POTS用戶一步到位直接接入到IMS，實現用戶的統一控制和管理，從而避免后期軟交換用戶向IMS的遷移。加之IMS從網絡架構、網元設計及協議支持上，都相較軟交換更為適合小型網關的規模部署，因此越來越多的運營商選擇了IMS作為解決光進銅退下FTTH等小型語音網關設備規模部署的核心網方案。

2 現網規模FTTH部署存在的問題

2.1 核心網軟交換面臨的挑戰

IMS網絡部署之前，FTTH接入軟交換成為運營商實施光進銅退的主要方式。隨著光進銅退的規模部署，軟交換在小型網關的大量接入和業務實現的支持上暴露出了一定的問題，如瞬時高流量擁塞、動態IP地址維護困難等，主要表現在以下幾方面。

（1）注冊和審計消息量增大

軟交換接入大量FTTH時，大量網關將會產生大量的網關級別的心跳和審計消息，也會導致注冊消息量的增大。由于之前軟交換所接入的網關主要是基于H.248的大型網關，出于業務穩定性的考慮，軟交換上對H.248網關的心跳設置較短，一般為幾十秒到分鐘級。這樣，在大量小型網關應用模式下，大量心跳和審計、注冊消息對軟交換造成較大壓力。

（2）動態IP地址維護

網關為大型網關時，每個網關使用的IP地址/端口是固定的，這時核心網元沒有接口數量的限制；而小型網關接入需要使用動態的IP+UDP端點，即網關IP地址通過BAC進行一次地址轉換，對核心網呈現一個統一的注冊地址，但分配不同的UDP端口號。此時核心網若接入并管理幾萬到幾十萬的小型網關，便需保存幾萬到幾十萬個網關設備的動態IP地址，還需檢測IP地址間的沖突。

（3）智能化終端對核心網的惡意攻擊可能

目前，普通的PC機每秒可以發出幾萬個數據報文，通過修改，可以發送各種不同的信令報文，比如源地址、源端口可變化的信令報文，因此，一臺PC足以構成嚴重危害。但是軟交換對這些安全隱患并沒有很好的防御機制。

（4）核心網處理性能有限

軟交換設備基于CPCI平臺，采用單核單CPU處理，在應對大量網關接入時能力不足。

基于以上這些原因，面對FTTH的規模接入所帶來的挑戰，由于技術和處理能力上的不足，軟交換只能以擴容或裂化的方式進行應對，而頻繁的擴容和裂化將會對網絡運行的穩定性產生極大的影響。

2.2 現有FTTH業務能力上存在的問題

FTTH業務能力主要取決于其協議棧的能力。目前，FTTH語音接入軟交換主要有兩種協議：軟交換SIP協議和H.248協議，這兩種協議比較見表1。

從以上分析可以看出，無論是以軟交換SIP協議還是H.248協議接入軟交換，FTTH通信業務實現都存在一定的問題：基于軟交換SIP協議的FTTH會出現用戶接續延時較長、補充業務能力缺失等問題；基于H.248的FTTH雖然在語音業務實現上比較完善，但是由于H.248協議對多媒體支持力度的欠缺，無法完成運營商將FTTH作為“信息化高速公路”綜合承載語音、數據、視頻等寬帶業務的發展需求。

3 FTTH接入IMS的可行性分析

IMS引入雖然起源于3GPP的移動多媒體業務，但是隨著TISPAN將IMS作為固網演進方案進行進一步的深入研究后，可以發現IMS的架構及網元設計，極為適合大量小型網關規模應用模式。

（1）IMS將處理能力分布化

在軟交換的架構中，注冊鑒權及呼叫控制功能集中于軟交換。在IMS的注冊流程里，P-CSCF只負責接受終端的注冊請求，并代理用戶向S-CSCF發起注冊，鑒權的處理是由S-CSCF及HSS完成。呼叫流程里，P-CSCF也只負責代理用戶向S-CSCF發起呼叫請求，業務控制及AS觸發等工作由S-CSCF完成，而非P-CSCF獨立完成，所以IMS架構除了提升網絡的健壯性外，也有利于設計更高容量與性能的網元。

（2）IMS支持完善的注冊緩存機制

IMS用戶完成注冊后，網關所分配的IP+UDP地址會通過service route頭域、contact地址、path頭域等緩存在P-CSCF中，P-CSCF的大容量緩存機制支持大量動態IP地址用戶的接入。

（3）IMS提供更強大的安全組網能力（包括鑒權能力）

P-CSCF實現了流量控制的功能，流量控制能夠保證系統在大話務量下不受流量的沖擊而癱瘓。P-CSCF還實現了SIP信令過濾的功能，可以對用戶發送過來的畸形報文進行過濾規整，保證了對核心域的安全。

表1 FTTH語音接入軟交換協議的對比

（4）IMS平臺提供更強的處理性能

IMS核心網元基于ATCA平臺，多核多CPU處理，處理性能約為軟交換10倍。

除此以外，軟交換將全部用戶的注冊和呼叫控制功能集成在一起，是一種集中控制的架構。當有特殊情況，一旦軟交換癱掉，它所服務的所有用戶就都會受到影響。IMS是一種更先進的分布式架構。業務、控制、接入進一步地分離，這樣的架構非常有利于分散風險，即使有局部的P-CSCF被攻擊癱瘓，也不會影響全部用戶，不會影響核心控制和業務層的安全性。綜上所述，相較軟交換，IMS網絡更為適合大量FTTH接入的應用模式。

除了網絡本身的架構設計外，IMS中SIP協議相較于軟交換有了極大的不同，由于標準組織的大力推動，IMS SIP協議的能力及標準化日趨完善，并解決了SIP協議支持傳統語音業務中最大的難題，即拍插簧事件的處理問題，從而使得IMS SIP再支持，如視頻、IM、PS等多種類型的多媒體業務，并在進行靈活的業務觸發基礎上，更進一步完全支持原有PSTN用戶的補充業務。

IMS是網絡演進的方向，隨著核心網的進一步發展，現有用戶將逐步遷移至IMS，結合光進銅退的發展，勢必存在FTTH接入IMS的潛在需求，因此FTTH應逐漸具備IMS SIP協議能力和IMS接入能力。

4 FTTH語音業務接入IMS的關鍵問題研究

4.1 FTTH接入IMS的架構

作為IMS用戶接入層設備，FTTH通過注冊于IMS網絡，與CSCF、MMTel AS一起完成對語音業務的提供，TR069管理系統完成用戶賬號、密碼、邏輯 ID及SIP服務器域名等數據的管理下發，其網絡基本架構如圖1所示。

4.2 FTTH在IMS中的注冊機制研究

FTTH終端在IMS中的注冊和普通IMS用戶的注冊過程類似，但是多端口的FTTH下存在多個獨立用戶，所以FTTH需要代替這些用戶分別向IMS發起注冊請求。如果這些注冊請求是獨立的，就意味著FTTH網關下掛多少個用戶就要注冊多少次，在這種情況下，核心網中將會出現大量相同的注冊消息，那么FTTH接入軟交換時存在的海量注冊消息沖擊就依然存在。

針對FTTH多次注冊的問題，如果能一次性對同一FTTH下的多個用戶進行注冊，那么就會極大減少注冊、重注冊及注銷消息量，避免對核心網設備能力的不必要消耗。對于IMS核心網來說，同一FTTH下多個用戶注冊消息及聯系地址都是來自同一個設備，那么可以利用IMS中所定義的隱式注冊機制來滿足這個要求。

隱式注冊一般用于同一物理設備上多個公有用戶標識的注冊，將這些公有用戶標識設置為隱式注冊集，通過對該集合中一個公有標識的注冊來實現對整個集合的注冊，從而節省注冊消息的開銷。隱式注冊過程與普通注冊過程類似，在隱式注冊過程中，隱式注冊集中的公有用戶標識是在Register消息的200 OK應答中的P-Associated-ID帶下來的，FTTH將隱式注冊集中的公有用戶標識與各個端口相對應，即可實現多端口的隱式注冊。因此，基于隱式注冊的FTTH用戶注冊、重注冊以及注銷過程，既簡化了FTTH的終端注冊過程，也減少了IMS核心網的負擔。

4.3 FTTH在IMS中的業務研究

FTTH接入IMS網絡的同時需要考慮繼承用戶原有的業務，包括基本語音業務、補充業務以及智能業務等。

IMS中專門部署了MMTel AS為IMS用戶提供基本語音業務和補充業務，如主叫號碼顯示、呼叫前轉、呼叫等待、三方通話等。除此之外，FTTH還應能配合IMS核心網為用戶提供增值業務，如彩鈴、一號通等。對于智能業務的實現方式，現網窄帶智能業務平臺可以繼續采用原有接口通過IM-SSF網元和IMS對接，業務實現方式和用戶體驗沒有變化。固網智能化業務平臺則可升級支持SIP ISC接口與IMS直接對接，向FTTH用戶提供業務。

基本業務和智能業務對于FTTH終端沒有特殊要求，只需滿足IMS SIP協議的要求即可。但是對于補充業務的支持，由于拍插簧事件不能通知到IMS，因此對FTTH終端存在特殊要求。對于基于IMS SIP接入IMS的FTTH來說，存在松耦合和緊耦合兩種補充業務實現方式，緊耦合的補充業務流程由核心網控制，松耦合的補充業務流程由參與業務的FTTH和核心網共同完成。以呼叫等待業務為例，在已與兩個參與方分別建立通話后，主席方拍插簧然后撥“3”指示建立三方通話，松耦合和緊耦合方式下的流程對比如下。

松耦合方式下，FTTH檢測到拍插簧事件，并對POTS話機放撥號音，收號分析獲知用戶要觸發三方通話，即發出invite消息向核心網MMTel申請多方會話資源，得到核心網響應后，再向兩個參與方分別發起refer消息，用分配到的三方通話的會話替換與參與方的兩方通話，開始三方通話。

緊耦合方式下，FTTH檢測到拍插簧事件，以info消息上報給核心網MMTel，MMTel指示MRFC/MRFP與用戶建立會話通道，對用戶進行放音收號，收號后由MMTel判斷用戶觸發三方通話，為用戶建立多方會話資源，并分別向主席方和參與方發起refer消息，將3個用戶加入到三方通話中。

基于以上分析可以看出，松耦合方式下，補充業務的部分業務邏輯需要由FTTH自身實現，如檢測到拍插簧后對用戶的放音收號及通過對所收號碼進行判斷分析后執行相應的業務流程。緊耦合方式下，FTTH只需要上報拍插簧時間，后續的放音收號及號碼分析和業務觸發全部由核心網MMTel實現。雖然松耦合方式下對FTTH的要求較高，但ETSI已經規定了完善的流程，標準化程度高，更符合終端智能化和互通性的要求，是一種運營商和FTTH廠家都更為認可的實現方式。

在松耦合方式下，FTTH需具備對PSTN補充業務及Centrex業務中用戶摘機、拍叉及后續撥號的處理功能，具體如下。

（1）用戶注冊的過程中，FTTH向MMTel進行第三方業務注冊，并以subscribe消息向MMTel訂閱用戶業務信息。當用戶新增、修改或者撤銷無條件前轉、拍叉類業務及熱線業務時，MMTel通過notify消息，通知FTTH相應的業務信息。

（2）用戶申請三方通話、追查惡意呼叫業務時，FTTH根據MMTel下發的業務信息，提供對拍叉簧及后續撥號的處理功能。

（3）用戶通過激活碼激活呼叫等待業務時，FTTH根據所收到的200 OK響應，提供對拍叉簧及后續撥號的處理功能。

（4）用戶申請即時熱線業務時，FTTH根據所收到的MMTel下發的業務信息，提供摘機事件檢測及摘機即發呼叫功能；用戶激活延時熱線業務時，FTTH根據所收到的200 OK響應，提供摘機事件檢測及摘機5 s即發呼叫功能。

（5）用戶通過激活碼激活無條件前轉業務時，FTTH根據MMTel下發的業務信息，提供特殊撥號音功能。

（6）當FFTH已和其他端點處在一個穩態呼叫中，用戶拍叉簧，FTTH需給原有呼叫發送re-invite消息，a=填為Sendonly。同時給用戶放撥號音并收號。根據所收號碼的不同，FTTH一般執行如下操作中的一種：

·所收號碼為“1”，切換到原來保持或者等待的呼叫，釋放當前呼叫，FTTH對當前呼叫發送bye消息，對原來保持或者等待的呼叫發送200 OK或re-invite消息；

·所收號碼為“2”，切換到原來保持或者等待的呼叫，將當前的呼叫保持，FTTH對原來保持的呼叫發送re-invite消息或者對等待的呼叫發送200 OK消息；

·所收號碼為 “3”，建立三方通話，FTTH需要發送re-invite創建會議資源，并通過refer消息將其余兩方加入會議資源；

·所收號碼為 “用戶號碼”，發起到新用戶的呼叫，FTTH需要發送invite（Request-URI為收號所得用戶號碼）建立新呼叫；

·所收號碼為“*33#”，恢復通話，并發起惡意呼叫識別，FTTH需要發送re-invite給原來保持的呼叫，a=填為Sendrecv；并發送re-invite消息給 AS，消息中攜帶惡意呼叫識別請求的XML；

表2 FTTH語音接入IMS對TR069參數設置的特殊需求

·所收號碼為 “*12*用戶號碼”，將當前呼叫轉接到未進入通話的另一方，FTTH需要發送refer（refer-to為收號所得用戶號碼）建立新呼叫；

·所收號碼為“*12#”，建立新呼叫以替代當前呼叫，FTTH需要發送refer（replace為當前對話的dialog ID）建立新呼叫。

4.4 TR069管理需求

由于協議及網絡的不同，FTTH語音通過IMS SIP協議接入IMS網絡雖可重用以NGN SIP協議接入軟交換的相關TR069管理參數配置模板，但是用戶信息及VoIP業務相關的參數在種類和格式上存在一定的差別。FTTH語音接入IMS時，與接入軟交換時存在差異的參數及格式配置需求見表2。

4.5 混合放號方案

基于FTTH實現PSTN網絡改造后的POTS用戶接入到IMS，必然存在用戶攜已有號碼轉網至IMS的情況，導致IMS網絡和PSTN網絡混合放號的問題。為保證對攜號轉網到IMS的PSTN用戶的呼叫能夠正確路由，需要在業務發放時，在SHLR上對該號碼進行特殊設置，以實現將對該號碼的呼叫路由至IMS網絡。SHLR上的放號方案有兩種。

方案一，SHLR上的物理號碼和邏輯號碼都是8位的PSTN號碼，HSS中用戶的私有號碼和公有號碼也都是E.164格式的PSTN邏輯號碼。對于這種業務發放方式，為了讓攜號轉網到IMS的PSTN用戶做被叫時能路由到IMS域，必須在SHLR上為該用戶簽約一個特定被叫智能業務，且該智能業務的優先級要最低，在該用戶做被叫時主叫局才能根據該智能業務接入碼將呼叫路由到MGCF。但是目前現網還有一些特殊的業務要求要將業務的優先級設置為最低，當攜號轉網到IMS的PSTN用戶也需要簽約該業務時，就會存在沖突。

方案二，HSS上放邏輯號碼，SHLR放的物理號碼和邏輯號碼不同，物理號碼的格式為‘前綴+邏輯號碼’，主叫局根據該前綴即可將呼叫路由到MGCF。該方案可以讓攜號轉網到IMS的PSTN用戶在IMS域內的業務發放方式與普通的IMS域內用戶完全一樣，還可以讓攜號轉網到IMS的PSTN用戶在SHLR上的放號方式與混合放號的PSTN用戶一樣。而且采用這種業務發放方式，攜號轉網到IMS的PSTN用戶做主叫時的主叫號碼顯示和話單采集的號碼格式都是邏輯號碼格式，更方便也更簡單，較方案一具備可行性。

5 結束語

采用IMS結合FTTH提供語音和多媒體業務，可以完善地繼承現網的業務，是光進銅退、TDM向IP演進的最優方案。本文就IMS對光進銅退所具備的優勢進行詳細闡述，明確IMS技術與光進銅退結合對電信網絡和業務發展的意義，并進一步詳細闡述和研究了FTTH支持IMS接入功能的可行性及關鍵技術問題分析，是運營商基于IMS開展光進銅退時迫切需要開展的一項重要工作，具有很強的現實意義和驅動力。

1 ETSI TISPAN,TS 183 012,IMS-based PSTN/ISDN emulation subsystem functional architecture,March 2008

2 ETSI TISPAN,TS 183 043,IMS based PSTN/ISDN Emulation Stage 3 specification,September 2009

3 成佳,何劍波.基于IMS的固定語音接入演進技術研究.電信科學，2009(11)

4 侯小軍,盧立銘,張華洪.TDM PBX接入IMS系統的方案與關鍵問題探討.電信科學，2010(10)

5 宋阿芳,奚展越,王穎.光進銅退用戶端設備部署中存在的問題研究.電信科學，2009(10)