5G SA用戶的短信接收容災方案研究與實踐

閻艷芳 郝雙洋 邵斐 楊姣

摘要：當VoLTE短信網關主用數(shù)據中心（DC）發(fā)生故障切換到容災DC時，在用戶刷新注冊前，容災DC收到短信中心下發(fā)的手機終呼（MT）消息會通過3G電路域網絡完成消息終呼。但5GSA用戶只附著在5G核心網絡，無法通過3G電路域網絡下發(fā)短信。隨著5GSA用戶的快速發(fā)展，需要解決VoLTE短信網關容災切換后5GSA用戶不能及時接收短信的問題。另外，當IMS網絡中服務呼叫會話控制功能（S-CSCF）節(jié)點發(fā)生容災倒換時，4G用戶可通過回落至3G電路域進行短信的再投遞，而5GSA用戶在沒有重新發(fā)起新的注冊請求前，由于沒有3G電路域注冊信息，也無法從3G電路域接收短信。文章闡述了當VoLTE短信網關單DC故障和核心網S-CSCF發(fā)生故障時，5GSA的容災問題。

關鍵詞：VoLTE短信網關；DC容災；5GSA用戶；MT短信；容災倒換

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.03.012

中圖分類號：TN929.5? ? ? ? ? 文獻標志碼：B? ? ? ? ? ?文章編碼：1672-7274（2024）03-00-04

1? ?研究背景

在2G/3G傳統(tǒng)電路域中，短消息業(yè)務由短消息服務中心（SMSC）提供，業(yè)務流程均承載在七號信令網上。隨著VOLTE網絡的商用，為VoLTE用戶繼續(xù)提供短消息業(yè)務，成為運營商在網絡演進過程中必須支持的功能。VoLTE用戶使用VoLTE短信網關實現(xiàn)IMS域SIP消息與短信中心MAP信令的轉換，從而實現(xiàn)VoLTE用戶的短信收發(fā)等業(yè)務[1]。

在4G網絡時代，用戶在4G的EPC、IMS域注冊的同時，會發(fā)起聯(lián)合位置更新，注冊至3G的MSC上。當VoLTE短信網關發(fā)生故障時，根據IMS域的域選功能，短信業(yè)務可以回落至3G電路域，由用戶注冊的MSC進行轉發(fā)，同樣地，當IMS域的S-CSCF發(fā)生故障時，VoLTE短信也回落至3G電路域，由3G網絡進行發(fā)送[2]。

隨著5G網絡的發(fā)展，5G SA用戶呈逐步增加狀態(tài)，目前在各運營商中的占比越來越多。因5G SA網絡的特殊性，當用戶處于5G SA注冊及網絡覆蓋時，只注冊在5G核心網絡上，不做聯(lián)合位置更新，無法附著于3G電路域網絡。由于5G SA用戶的這種特性，在以下兩種場景下會出現(xiàn)較長時間的無法接收短信情況。

（1）場景一：VoLTE短信網關主用DC發(fā)生故障，業(yè)務全部切換到容災DC，5G SA用戶無法接收短信。

（2）場景二：VoLTE網關運行正常，用戶注冊的S-CSCF設備發(fā)生故障時，對于5G SA用戶的MT短信，VoLTE短信網關通過該S-CSCF無法投遞成功，按流程再向3G電路域投遞時也無法成功，會出現(xiàn)用戶短信暫時不可達的現(xiàn)象。在用戶進行重注冊時消除（此時用戶重新注冊到了可用的S-CSCF），最長時間情況為一個注冊周期54分鐘。

本文中研究了這兩種場景下，5G SA用戶的MT短信容災實現(xiàn)方案，保障用戶能夠及時接收短信。

2? ?VoLTE短信網關容災切換方案

2.1 VoLTE短信網關容災組網架構

VoLTE短信網關分大區(qū)集中部署，各大區(qū)按云化雙節(jié)點方案建設，兩個節(jié)點在本大區(qū)內部互為容災備份，分別與所管轄省的IMS核心網、HLR/HSS/UDM、短信中心（SMSC）連接。該容災方案可以滿足任一大區(qū)VoLTE短信網關現(xiàn)網單節(jié)點系統(tǒng)和業(yè)務出現(xiàn)嚴重異常狀況或故障時，將其上業(yè)務迅速切換至對應容災節(jié)點的要求，確保用戶感知迅速恢復正常[3]。

在VoLTE短信網關終呼時，主用DC發(fā)生故障，切換到容災DC，在原主用DC用戶刷新注冊前，容災DC側的VoLTE短信網關沒有原主用DC上該用戶的注冊信息。在用戶刷新注冊前，容災DC收到短信中心下發(fā)的MT消息，會通過3G電路域網絡完成消息終呼。但5G SA用戶只附著在5G核心網絡，無法通過3G電路域網絡下發(fā)短信。隨著5G SA用戶的快速發(fā)展，需要解決VoLTE短信網關容災切換后5G SA用戶不能及時接收短信的問題。

VoLTE短信網關在收到未注冊用戶MT短信時，需要查詢被叫用戶歸屬的3G電路域CF地址，完成消息下發(fā)。

2.2 VoLTE短信網關查詢被叫歸屬CSCF要求

VoLTE短信網關根據被叫號碼可以從電話號碼映射（ENUM）/域名解析服務器（DNS）中查詢被叫的問詢呼叫會話控制功能（I-CSCF）地址，通過I-CSCF完成消息下發(fā)。因VoLTE短信網關消息量比較大，不同被叫號碼都要到ENUM/DNS做NAPTR查詢，影響ENUM/DNS性能。建議通過HSS獲取用戶S-CSCF主機名，配合CSCF的默認端口號完成VoLTE短信下發(fā)。支持通過UDR查詢被叫S-CSCF地址，如圖2中流程3、4所示。

VoLTE短信網關從HSS獲取CSCF主機名后，支持查詢DNS獲取CSCF的IP地址。如圖3中8～10流程表示，如果HSS沒有返回端口號，使用CSCF默認端口號完成消息下發(fā)，如圖3中2～7所示。

（1）IMS域消息下發(fā)失敗后，繼續(xù)原規(guī)范中3G電路域消息回落。

（2）如果S-CSCF發(fā)生故障，心跳檢測失敗，VoLTE短信網關則通過I-CSCF完成消息下發(fā)。I-CSCF接收到MT消息后，會根據IFC選擇可用的S-CSCF完成消息下發(fā)。

2.3 關鍵技術要求

在配置VoLTE短信網關時，需要配置S-CSCF和I-CSCF的池組（POOL）名稱，即SRV查詢名稱。針對S-CSCF和I-CSCF查詢過程如下：通過查詢S-CSCF POOL名稱，可以返回所有S-CSCF主機名和端口號，再對返回的S-CSCF主機名做A/AAAA查詢，可以獲取S-CSCF的IP地址，A對應IPv4查詢，AAAA對應IPv6查詢。在VoLTE短信網關容災后，業(yè)務處理機從HSS獲取S-CSCF主機名后，發(fā)給UPSIP，UPSIP根據DNS返回的IP地址和端口號，完成IMS短信的下發(fā)。

3? ?S-CSCF發(fā)生故障時5G SA用戶短信投遞方案

3.1 方案介紹

因5G SA網絡的特殊性，當用戶處于5G SA注冊及網絡覆蓋時，無法附著于3G電路域網絡。這樣，如果用戶注冊的S-CSCF設備發(fā)生故障，對于5G SA用戶的MT短信，IP短信網關通過該S-CSCF無法投遞成功，按流程再向3G電路域投遞時也無法成功，會出現(xiàn)用戶短信暫時不可達的現(xiàn)象。該現(xiàn)象在用戶進行重注冊時消除（此時用戶重新注冊到了可用的S-CSCF），最長時間情況為一個注冊周期。S-CSCF的這種故障對其他用戶短信投遞無影響。為了盡量避免S-CSCF發(fā)生故障時對5G SA用戶的影響，考慮采用IP短信網關檢測S-CSCF狀態(tài)的方式進行處理。當發(fā)現(xiàn)某一S-CSCF完全不可用時，將發(fā)往該S-CSCF的5G SA用戶的MT短信轉發(fā)給該用戶對應的I-CSCF，由I-CSCF重新進行S-CSCF的選取及短信投遞，從而解決5G SA用戶問題；對于其他用戶，仍采用原處理流程，使用3G電路域投遞方式。

通過注冊識別5G接入用戶并進行標記，IP短信網關在進行MT短信投遞時使用S-CSCF域名進行處理，IP短信網關定時檢測當前使用的所有S-CSCF的狀態(tài)，當發(fā)現(xiàn)某一S-CSCF完全不可用時，將發(fā)往該S-CSCF的5G SA用戶的MT短信轉發(fā)給該用戶對應的I-CSCF，由I-CSCF重新進行S-CSCF的選取及短信投遞，從而解決5G SA用戶問題；對于其他用戶，仍采用原處理流程，使用3G電路域投遞方式。

3.2 方案實現(xiàn)

為了盡量避免當S-CSCF發(fā)生故障時對5G SA用戶的影響，考慮采用IP短信網關檢測S-CSCF狀態(tài)的方式進行處理。

（1）5G用戶標記。當用戶進行注冊時，通過識別注冊信息中P-Access-Network-Info頭域，將攜帶3GPP-NR-FDD/3GPP-NR-TDD（可擴展）標簽的用戶標識為5G用戶，以便后續(xù)進行有針對性處理；其他用戶保持不變。

（2）域名投遞及S-CSCF檢測。調整現(xiàn)有IP短信網關MT短信投遞方式，由使用預先記錄的S-CSCF的IP地址投遞改為使用S-CSCF域名投遞，以增強S-CSCF的可用性，避免在S-CSCF的單個IP地址不可用時出現(xiàn)5G SA用戶短信投遞問題。

同時，新增SPM模塊用于對S-CSCF域名緩存及心跳檢測，通過DNS查詢獲取S-CSCF的IP地址及端口信息，供Message消息下發(fā)使用，以減少極大DNS查詢量。同時，SPM模塊定時對當前S-CSCF域名下的地址及端口列表進行心跳檢測，識別S-CSCF的可用性，當一個S-CSCF域名下所有IP地址均不可用時，將其標識為故障狀態(tài)。

（3）S-CSCF故障處理。當發(fā)現(xiàn)S-CSCF處于故障狀態(tài)時，IP短信網關將5G用戶MT短信轉發(fā)至I-CSCF，由I-CSCF進行重選路由，使用可用的S-CSCF進行用戶短信投遞。

3.3 方案分析

本方案相對于現(xiàn)有流程的主要差異在于：一是MT短信由根據S-CSCF的IP地址投遞改為根據域名投遞；二是對S-CSCF進行心跳檢測，需要S-CSCF支持并開啟接手心跳檢測功能；三是當S-CSCF發(fā)生故障時使用I-CSCF進行重選路由投遞。

其中，MT短信由根據S-CSCF的IP地址投遞改為根據域名投遞，由IP短信網關按配置進行DNS查詢并緩存S-CSCF的IP地址列表。這種方式將增加少量DNS查詢，大約數(shù)量為本大區(qū)使用的S-CSCF數(shù)量×間隔時間，整體對現(xiàn)有設備無影響。

關于IP短信網關對S-CSCF進行的心跳檢測配置時間進行處理，可按每5秒進行一次S-CSCF檢測，消息量很小，對現(xiàn)有設備無影響。

最后，當S-CSCF發(fā)生故障時，使用I-CSCF進行重選路由投遞會對I-CSCF產生一定消息影響，數(shù)量取決于故障S-CSCF承載的5G用戶在該注冊周期內接收的MT短信，以一般I-CSCF的正常處理能力，對這部分消息增量應可正常處理。具體情況，也可為核心網進行確認。

綜合上述流程差異的對比，建議使用該方案進行5G用戶兼容S-CSCF故障的處理。

4? ?結束語

本文介紹了在VoLTE短信網關單DC故障和核心網S-CSCF故障兩種極端故障場景下，5G SA用戶因沒有在3G電路域注冊無法進行3G電路域短信重投遞，導致MT短信長時間無法接收的容災實現(xiàn)方案，分析了容災實現(xiàn)業(yè)務流程及與現(xiàn)有流程的對比，為VoLTE短信業(yè)務的安全保障提供了有力經驗借鑒，可在其他運營商推廣。

參考文獻

[1] 敬笑．VoLTE用戶的IP短信業(yè)務實現(xiàn)方案[J]．物聯(lián)網學報，2017（3）：68-71.

[2] 閻艷芳，謝冬秀，董俊濤，等．IP短信網關容災方案研究[J]．中國新通信，2020，22（17）：13-14.

[3] 孫會玲，劉曉鳴，王玉玲．VoLTE短信組網方案淺析[J]．山東通信技術，2016，36（4）：39-41，45.