FTTH语音业务接入IMS的技术研究

赵 飞，张文隽

（中国电信股份有限公司上海研究院 上海200135）

1 引言

传统固定网络存在大量的PSTN交换机，设备杂、型号多、在网运行时间长，升级和维护困难，面临退网。随着“光进铜退”工作的深入开展，传统PSTN交换机接入方式必然逐步被FTTH等小型语音网关设备所替代。但小型语音网关设备规模接入软交换，由于软交换设备的处理能力有限，则必然使现在已有的软交换设备不断扩容甚至裂变，影响核心网的稳定。

随着IMS主体标准的逐步成熟，IMS正得到全球主流运营商的一致认可，将其作为网络战略转型的重要方向。对于传统固网的演进和发展，可以通过将传统PSTN网络改造后的POTS用户一步到位直接接入到IMS，实现用户的统一控制和管理，从而避免后期软交换用户向IMS的迁移。加之IMS从网络架构、网元设计及协议支持上，都相较软交换更为适合小型网关的规模部署，因此越来越多的运营商选择了IMS作为解决光进铜退下FTTH等小型语音网关设备规模部署的核心网方案。

2 现网规模FTTH部署存在的问题

2.1 核心网软交换面临的挑战

IMS网络部署之前，FTTH接入软交换成为运营商实施光进铜退的主要方式。随着光进铜退的规模部署，软交换在小型网关的大量接入和业务实现的支持上暴露出了一定的问题，如瞬时高流量拥塞、动态IP地址维护困难等，主要表现在以下几方面。

（1）注册和审计消息量增大

软交换接入大量FTTH时，大量网关将会产生大量的网关级别的心跳和审计消息，也会导致注册消息量的增大。由于之前软交换所接入的网关主要是基于H.248的大型网关，出于业务稳定性的考虑，软交换上对H.248网关的心跳设置较短，一般为几十秒到分钟级。这样，在大量小型网关应用模式下，大量心跳和审计、注册消息对软交换造成较大压力。

（2）动态IP地址维护

网关为大型网关时，每个网关使用的IP地址/端口是固定的，这时核心网元没有接口数量的限制；而小型网关接入需要使用动态的IP+UDP端点，即网关IP地址通过BAC进行一次地址转换，对核心网呈现一个统一的注册地址，但分配不同的UDP端口号。此时核心网若接入并管理几万到几十万的小型网关，便需保存几万到几十万个网关设备的动态IP地址，还需检测IP地址间的冲突。

（3）智能化终端对核心网的恶意攻击可能

目前，普通的PC机每秒可以发出几万个数据报文，通过修改，可以发送各种不同的信令报文，比如源地址、源端口可变化的信令报文，因此，一台PC足以构成严重危害。但是软交换对这些安全隐患并没有很好的防御机制。

（4）核心网处理性能有限

软交换设备基于CPCI平台，采用单核单CPU处理，在应对大量网关接入时能力不足。

基于以上这些原因，面对FTTH的规模接入所带来的挑战，由于技术和处理能力上的不足，软交换只能以扩容或裂化的方式进行应对，而频繁的扩容和裂化将会对网络运行的稳定性产生极大的影响。

2.2 现有FTTH业务能力上存在的问题

FTTH业务能力主要取决于其协议栈的能力。目前，FTTH语音接入软交换主要有两种协议：软交换SIP协议和H.248协议，这两种协议比较见表1。

从以上分析可以看出，无论是以软交换SIP协议还是H.248协议接入软交换，FTTH通信业务实现都存在一定的问题：基于软交换SIP协议的FTTH会出现用户接续延时较长、补充业务能力缺失等问题；基于H.248的FTTH虽然在语音业务实现上比较完善，但是由于H.248协议对多媒体支持力度的欠缺，无法完成运营商将FTTH作为“信息化高速公路”综合承载语音、数据、视频等宽带业务的发展需求。

3 FTTH接入IMS的可行性分析

IMS引入虽然起源于3GPP的移动多媒体业务，但是随着TISPAN将IMS作为固网演进方案进行进一步的深入研究后，可以发现IMS的架构及网元设计，极为适合大量小型网关规模应用模式。

（1）IMS将处理能力分布化

在软交换的架构中，注册鉴权及呼叫控制功能集中于软交换。在IMS的注册流程里，P-CSCF只负责接受终端的注册请求，并代理用户向S-CSCF发起注册，鉴权的处理是由S-CSCF及HSS完成。呼叫流程里，P-CSCF也只负责代理用户向S-CSCF发起呼叫请求，业务控制及AS触发等工作由S-CSCF完成，而非P-CSCF独立完成，所以IMS架构除了提升网络的健壮性外，也有利于设计更高容量与性能的网元。

（2）IMS支持完善的注册缓存机制

IMS用户完成注册后，网关所分配的IP+UDP地址会通过service route头域、contact地址、path头域等缓存在P-CSCF中，P-CSCF的大容量缓存机制支持大量动态IP地址用户的接入。

（3）IMS提供更强大的安全组网能力（包括鉴权能力）

P-CSCF实现了流量控制的功能，流量控制能够保证系统在大话务量下不受流量的冲击而瘫痪。P-CSCF还实现了SIP信令过滤的功能，可以对用户发送过来的畸形报文进行过滤规整，保证了对核心域的安全。

表1 FTTH语音接入软交换协议的对比

（4）IMS平台提供更强的处理性能

IMS核心网元基于ATCA平台，多核多CPU处理，处理性能约为软交换10倍。

除此以外，软交换将全部用户的注册和呼叫控制功能集成在一起，是一种集中控制的架构。当有特殊情况，一旦软交换瘫掉，它所服务的所有用户就都会受到影响。IMS是一种更先进的分布式架构。业务、控制、接入进一步地分离，这样的架构非常有利于分散风险，即使有局部的P-CSCF被攻击瘫痪，也不会影响全部用户，不会影响核心控制和业务层的安全性。综上所述，相较软交换，IMS网络更为适合大量FTTH接入的应用模式。

除了网络本身的架构设计外，IMS中SIP协议相较于软交换有了极大的不同，由于标准组织的大力推动，IMS SIP协议的能力及标准化日趋完善，并解决了SIP协议支持传统语音业务中最大的难题，即拍插簧事件的处理问题，从而使得IMS SIP再支持，如视频、IM、PS等多种类型的多媒体业务，并在进行灵活的业务触发基础上，更进一步完全支持原有PSTN用户的补充业务。

IMS是网络演进的方向，随着核心网的进一步发展，现有用户将逐步迁移至IMS，结合光进铜退的发展，势必存在FTTH接入IMS的潜在需求，因此FTTH应逐渐具备IMS SIP协议能力和IMS接入能力。

4 FTTH语音业务接入IMS的关键问题研究

4.1 FTTH接入IMS的架构

作为IMS用户接入层设备，FTTH通过注册于IMS网络，与CSCF、MMTel AS一起完成对语音业务的提供，TR069管理系统完成用户账号、密码、逻辑 ID及SIP服务器域名等数据的管理下发，其网络基本架构如图1所示。

4.2 FTTH在IMS中的注册机制研究

FTTH终端在IMS中的注册和普通IMS用户的注册过程类似，但是多端口的FTTH下存在多个独立用户，所以FTTH需要代替这些用户分别向IMS发起注册请求。如果这些注册请求是独立的，就意味着FTTH网关下挂多少个用户就要注册多少次，在这种情况下，核心网中将会出现大量相同的注册消息，那么FTTH接入软交换时存在的海量注册消息冲击就依然存在。

针对FTTH多次注册的问题，如果能一次性对同一FTTH下的多个用户进行注册，那么就会极大减少注册、重注册及注销消息量，避免对核心网设备能力的不必要消耗。对于IMS核心网来说，同一FTTH下多个用户注册消息及联系地址都是来自同一个设备，那么可以利用IMS中所定义的隐式注册机制来满足这个要求。

隐式注册一般用于同一物理设备上多个公有用户标识的注册，将这些公有用户标识设置为隐式注册集，通过对该集合中一个公有标识的注册来实现对整个集合的注册，从而节省注册消息的开销。隐式注册过程与普通注册过程类似，在隐式注册过程中，隐式注册集中的公有用户标识是在Register消息的200 OK应答中的P-Associated-ID带下来的，FTTH将隐式注册集中的公有用户标识与各个端口相对应，即可实现多端口的隐式注册。因此，基于隐式注册的FTTH用户注册、重注册以及注销过程，既简化了FTTH的终端注册过程，也减少了IMS核心网的负担。

4.3 FTTH在IMS中的业务研究

FTTH接入IMS网络的同时需要考虑继承用户原有的业务，包括基本语音业务、补充业务以及智能业务等。

IMS中专门部署了MMTel AS为IMS用户提供基本语音业务和补充业务，如主叫号码显示、呼叫前转、呼叫等待、三方通话等。除此之外，FTTH还应能配合IMS核心网为用户提供增值业务，如彩铃、一号通等。对于智能业务的实现方式，现网窄带智能业务平台可以继续采用原有接口通过IM-SSF网元和IMS对接，业务实现方式和用户体验没有变化。固网智能化业务平台则可升级支持SIP ISC接口与IMS直接对接，向FTTH用户提供业务。

基本业务和智能业务对于FTTH终端没有特殊要求，只需满足IMS SIP协议的要求即可。但是对于补充业务的支持，由于拍插簧事件不能通知到IMS，因此对FTTH终端存在特殊要求。对于基于IMS SIP接入IMS的FTTH来说，存在松耦合和紧耦合两种补充业务实现方式，紧耦合的补充业务流程由核心网控制，松耦合的补充业务流程由参与业务的FTTH和核心网共同完成。以呼叫等待业务为例，在已与两个参与方分别建立通话后，主席方拍插簧然后拨“3”指示建立三方通话，松耦合和紧耦合方式下的流程对比如下。

松耦合方式下，FTTH检测到拍插簧事件，并对POTS话机放拨号音，收号分析获知用户要触发三方通话，即发出invite消息向核心网MMTel申请多方会话资源，得到核心网响应后，再向两个参与方分别发起refer消息，用分配到的三方通话的会话替换与参与方的两方通话，开始三方通话。

紧耦合方式下，FTTH检测到拍插簧事件，以info消息上报给核心网MMTel，MMTel指示MRFC/MRFP与用户建立会话通道，对用户进行放音收号，收号后由MMTel判断用户触发三方通话，为用户建立多方会话资源，并分别向主席方和参与方发起refer消息，将3个用户加入到三方通话中。

基于以上分析可以看出，松耦合方式下，补充业务的部分业务逻辑需要由FTTH自身实现，如检测到拍插簧后对用户的放音收号及通过对所收号码进行判断分析后执行相应的业务流程。紧耦合方式下，FTTH只需要上报拍插簧时间，后续的放音收号及号码分析和业务触发全部由核心网MMTel实现。虽然松耦合方式下对FTTH的要求较高，但ETSI已经规定了完善的流程，标准化程度高，更符合终端智能化和互通性的要求，是一种运营商和FTTH厂家都更为认可的实现方式。

在松耦合方式下，FTTH需具备对PSTN补充业务及Centrex业务中用户摘机、拍叉及后续拨号的处理功能，具体如下。

（1）用户注册的过程中，FTTH向MMTel进行第三方业务注册，并以subscribe消息向MMTel订阅用户业务信息。当用户新增、修改或者撤销无条件前转、拍叉类业务及热线业务时，MMTel通过notify消息，通知FTTH相应的业务信息。

（2）用户申请三方通话、追查恶意呼叫业务时，FTTH根据MMTel下发的业务信息，提供对拍叉簧及后续拨号的处理功能。

（3）用户通过激活码激活呼叫等待业务时，FTTH根据所收到的200 OK响应，提供对拍叉簧及后续拨号的处理功能。

（4）用户申请即时热线业务时，FTTH根据所收到的MMTel下发的业务信息，提供摘机事件检测及摘机即发呼叫功能；用户激活延时热线业务时，FTTH根据所收到的200 OK响应，提供摘机事件检测及摘机5 s即发呼叫功能。

（5）用户通过激活码激活无条件前转业务时，FTTH根据MMTel下发的业务信息，提供特殊拨号音功能。

（6）当FFTH已和其他端点处在一个稳态呼叫中，用户拍叉簧，FTTH需给原有呼叫发送re-invite消息，a=填为Sendonly。同时给用户放拨号音并收号。根据所收号码的不同，FTTH一般执行如下操作中的一种：

·所收号码为“1”，切换到原来保持或者等待的呼叫，释放当前呼叫，FTTH对当前呼叫发送bye消息，对原来保持或者等待的呼叫发送200 OK或re-invite消息；

·所收号码为“2”，切换到原来保持或者等待的呼叫，将当前的呼叫保持，FTTH对原来保持的呼叫发送re-invite消息或者对等待的呼叫发送200 OK消息；

·所收号码为 “3”，建立三方通话，FTTH需要发送re-invite创建会议资源，并通过refer消息将其余两方加入会议资源；

·所收号码为 “用户号码”，发起到新用户的呼叫，FTTH需要发送invite（Request-URI为收号所得用户号码）建立新呼叫；

·所收号码为“*33#”，恢复通话，并发起恶意呼叫识别，FTTH需要发送re-invite给原来保持的呼叫，a=填为Sendrecv；并发送re-invite消息给 AS，消息中携带恶意呼叫识别请求的XML；

表2 FTTH语音接入IMS对TR069参数设置的特殊需求

·所收号码为 “*12*用户号码”，将当前呼叫转接到未进入通话的另一方，FTTH需要发送refer（refer-to为收号所得用户号码）建立新呼叫；

·所收号码为“*12#”，建立新呼叫以替代当前呼叫，FTTH需要发送refer（replace为当前对话的dialog ID）建立新呼叫。

4.4 TR069管理需求

由于协议及网络的不同，FTTH语音通过IMS SIP协议接入IMS网络虽可重用以NGN SIP协议接入软交换的相关TR069管理参数配置模板，但是用户信息及VoIP业务相关的参数在种类和格式上存在一定的差别。FTTH语音接入IMS时，与接入软交换时存在差异的参数及格式配置需求见表2。

4.5 混合放号方案

基于FTTH实现PSTN网络改造后的POTS用户接入到IMS，必然存在用户携已有号码转网至IMS的情况，导致IMS网络和PSTN网络混合放号的问题。为保证对携号转网到IMS的PSTN用户的呼叫能够正确路由，需要在业务发放时，在SHLR上对该号码进行特殊设置，以实现将对该号码的呼叫路由至IMS网络。SHLR上的放号方案有两种。

方案一，SHLR上的物理号码和逻辑号码都是8位的PSTN号码，HSS中用户的私有号码和公有号码也都是E.164格式的PSTN逻辑号码。对于这种业务发放方式，为了让携号转网到IMS的PSTN用户做被叫时能路由到IMS域，必须在SHLR上为该用户签约一个特定被叫智能业务，且该智能业务的优先级要最低，在该用户做被叫时主叫局才能根据该智能业务接入码将呼叫路由到MGCF。但是目前现网还有一些特殊的业务要求要将业务的优先级设置为最低，当携号转网到IMS的PSTN用户也需要签约该业务时，就会存在冲突。

方案二，HSS上放逻辑号码，SHLR放的物理号码和逻辑号码不同，物理号码的格式为‘前缀+逻辑号码’，主叫局根据该前缀即可将呼叫路由到MGCF。该方案可以让携号转网到IMS的PSTN用户在IMS域内的业务发放方式与普通的IMS域内用户完全一样，还可以让携号转网到IMS的PSTN用户在SHLR上的放号方式与混合放号的PSTN用户一样。而且采用这种业务发放方式，携号转网到IMS的PSTN用户做主叫时的主叫号码显示和话单采集的号码格式都是逻辑号码格式，更方便也更简单，较方案一具备可行性。

5 结束语

采用IMS结合FTTH提供语音和多媒体业务，可以完善地继承现网的业务，是光进铜退、TDM向IP演进的最优方案。本文就IMS对光进铜退所具备的优势进行详细阐述，明确IMS技术与光进铜退结合对电信网络和业务发展的意义，并进一步详细阐述和研究了FTTH支持IMS接入功能的可行性及关键技术问题分析，是运营商基于IMS开展光进铜退时迫切需要开展的一项重要工作，具有很强的现实意义和驱动力。

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,何剑波.基于IMS的固定语音接入演进技术研究.电信科学，2009(11)

4 侯小军,卢立铭,张华洪.TDM PBX接入IMS系统的方案与关键问题探讨.电信科学，2010(10)

5 宋阿芳,奚展越,王颖.光进铜退用户端设备部署中存在的问题研究.电信科学，2009(10)