IPX承载VoLTE国际漫游的组网方案研究

【摘 要】为了高质量地实现VoLTE国际漫游服务，通过对VoLTE国际漫游业务三种实现方案和IPX技术特点的研究，发现了IPX网络在互通能力、安全性和QoS方面的突出优势，预测IPX网络能够成为承载LTE国际漫游业务的重要选择。在另一方面对IPX与运营商LTE网络的组网方案和能力要求也进行了研究。

【关键词】VoLTE IPX LBO-VR LBO-HR S8HR 国际漫游

[Abstract] To achieve high quality in VoLTE international roaming service， by studying three implementation solutions and IPX technical features， the paper found IPX network’s advantages in interworking ability， security， QoS， and its capability of being one important choice for carrying LTE international roaming service. The network solution of IPX and operator’ LTE network and the capability requirements were studied as well.

[Key words]VoLTE IPX LBO-VR LBO-HR S8HR international roaming

1 引言

LTE网络的建设和商用已在全球如火如荼的全面铺开。截至2016年一季度，已有162个国家和地区的494家运营商的LTE业务已经商用，用户超过10亿人[1]。LTE网络除提供高带宽的数据业务体验外，还将利用VoLTE逐步实现对语音业务的承载。在此趋势之下，VoLTE须满足现有语音通信的所有场景，包括国际漫游。与数据漫游相比，VoLTE国际漫游业务对互通能力、安全性和QoS方面有更高的要求，给互通网络提出了更高的挑战。目前有多种国际网络互联方案，其中就包括了IPX（IP eXchange，IP专网交换）。

2 IPX介绍

IPX是基于IP网络的一种交换新模式，它拥有高质量的国际IP骨干网络，通过IP网络接口实现全球范围内移动运营商、固网运营商及服务提供商之间高质量、低成本的互联互通，为已经达成端到端QoS和互联计费的双边以及多边协议运营商提供语音、数据漫游及信令交换服务[2]。

IPX网络的以下特性使其能够很好地承载VoLTE漫游业务：

良好的业务感知能力

IPX具备业务功能，能够对其承载的业务进行感知。一方面，IPX不仅能够遵从 GSMA IR67的相关规范向客户提供DNS解析服务[3]，还能提供VoLTE的核心网互联接口，根据信令内容对其进行转发和处理。另一方面，IPX能根据双方的漫游协议，对漫游媒体流配置多样的路由路径。

高安全性[4]

IPX满足GSMA（Global System for Mobile Communications Alliance，全球移动通信系统联盟）IR 77定义的网络安全要求，将物理直连作为连接客户网络的首选。IPX使用自主管理和运营的网络提供业务，IPX骨干网也对公共互联网完全屏蔽。在同一个IPX网络中，不同的业务群体将被相互隔离，最大限度地降低了业务风险。

高服务质量

语音业务对速率的要求远高于一般的数据业务，一般要求单向通话时延不超过150 ms，丢包率不超过3%。IPX自身拥有通达全球的高质量MPLS（Multi Protocol Label Switch，多协议标签交换）网络，满足GSMA 提出的SLA（Service Level Agreement，服务等级协议）要求，能够根据双方签署的业务等级协定，依照数据包中DSCP（Differentiated Services Code Point，差分服务代码点）值的不同，提供端到端的QoS保障。

QoS的主要指标包括可用性、时延、抖动、丢包率[5]：

可用性：可用性是指IPX能够向客户提供正常功能的时间占工作总时间的百分比。

时延：往返的总时延为发送一个IP数据包从源到目标并接受来自目的地的应答包所用的总时间，IPX根据两端客户的地理位置确定业务的时延。

抖动：抖动是在从源发送到目的地不同的数据包的延迟变化。

丢包率：丢掉的数据包占从源发送到目的地的数据总量的比例，IPX网络内的丢包率对不同的QoS等级有不同的要求。

接入简单

IPX具备一点接入能力，能够与多种类型的网络服务提供商快速建立网络连接，并用一张IPX网络承载所有服务，让运营商不再需要为VoLTE业务建立专门的互通网络，可以与数据漫游共用物理链路[6]。运营商拓展新的国际合作无需新增物理链路，只需将IPX网络与新方向建立互联即可实现。

3 VoLTE的三种网络实现方案

与LTE网络逐步替代2G、3G网络一致，VoLTE方案对原有电路域语音方式的取代也是一个逐步过渡的过程。为与现有业务场景兼容， VoLTE的国际漫游需要考虑以下特性[7]：

（1）与电路域类似，经IMS网络的漫游主叫媒体流路由应能够优化；

（2）VoLTE在漫游场景下的计费模式应与电路域保持一致；

（3）应允许HPMN（Home Public Mobile Network，归属地网络本地路由）根据自身需求决定和要求主叫媒体流必须路由至归属地网络。

作为满足第一个需求的解决方案，在HPMN A不做强制要求的前提下，其用户流量无需路由至归属地网络中。在此组网架构下，IPX将作为一个互联网络，帮助双方实现LBO-VR（Local Breakout VPMN Routing，本地接入漫游地路由方案）的组网架构，如图1所示。TRF支持为呼叫信令根据主叫的位置信息选择媒体面的出口网关。漫游用户在VPMN（Visited Public Mobile Network，漫游地网络）A发起呼叫时，VPMN A与HPMN A配合将被叫路由强制路由回主叫用户漫游所在的IMS，由VPMN A的IBCF进行后续路由处理。在VPMN A到HPMN A的信令回路中实施OMR（Optimal Media Routing，媒体路由优化），可让主叫媒体流路由得到优化，不再经过HPMN A网络[8]。

LBO-VR功能需要在VPMN A至HPMN A的主叫信令回路上应用OMR，HPMN A的S-CSCF可以根据目的地进行以下决策：

向VPMN回复信令，OMR便同样在HPMN A至VPMN A的互联接口中实施；将流量引至HPMN A并将信令及用户数据从HPMN A发送至目的网络，这样OMR便在HPMN A终结。

OMR不仅能提升用户的体验，而且会增加运营商网络的负载，降低通信成本。

第二个需求的实现，可以通过在VPMN中设置P-CSCF（Proxy-Call Session Control Function，呼叫会话控制功能）以及TRF（Transit and Roaming Function，转接及漫游功能）接受来自HPMN A的主叫信令。这就让VPMN可以模仿CS域的漫游模型，向目的网络发送呼叫的信令及用户面信息。VPMN A的TRF、P-CSCF与PGW、计费系统协作，共同生成TAP3的计费文件，给VPMN A提供计费信息，实现了计费方式与CS域一致。

最后一个需求可以通过归属地路由LBO-HR（Local Breakout HPMN Routing，本地接入归属地路由方案）实现。在此方案下，未经路由优化的主叫媒体流须经过归属地网络，如图2所示。

HPMN与VPMN间的被叫侧的信令路由在LBO-HR和LBO-VR两种架构下是一致的。

LBO-HR的IMS漫游场景需要IMS互连，并进行跨运营商P-CSCF的互联测试，它需要完全支持主叫和被叫语音计费、IMS紧急呼叫、SR-VCC、通过IPX的QoS及运维需求。适用于那些需要LBO能力去满足漫游地监管要求的运营商，同时该场景可以接受一些限制，如VPMN没有位置服务能力和主叫媒体路径无法优化的情况。

LBO-VR的IMS漫游场景是在LBO-HR的基础上，基于位置服务能力拓展了VPMN和媒体路径优化可能发起的呼叫。媒体路径优化依赖于HPMN，VPMN和所连接的IPX则提供OMR能力。LBO-VR方式适用于除LBO-HR提供的所有能力支持外，还需要VPMN具备位置能力服务和主叫媒体路径优化能力，从而满足有特定需求的漫游运营商。

除了LBO-VR、LBO-HR漫游外，VoLTE的实现方案还包括了S8HR（S8 Home Routed，S8归属地路由），在具体实现上采用哪种漫游方式需要由双边漫游协议确定。S8HR架构的VoLTE漫游组网架构如图3所示。

S8HR漫游可以看成现有的LTE数据漫游在IMS语音服务和QoS的扩展，不要求归属地及漫游地的IMS进行互联，也不需要与IPX一起测试P-CSCF的互通。此方案适用于已经开通VoLTE漫游服务，但之前尚未部署IMS互联服务的双边运营商。此方案下，运营商还必须接受VPMN的限制（如VPMN对服务无感知，不支持SRVCC，没有地理位置服务，没有OMR呼叫，没有IMS紧急呼叫，没有解码IMS语音通话和短信合法侦听）和新的功能（如QoS的承载计费和网络保护机制）。此外，它要求运营商间的IPX支持根据承载的QoS计费。

S8HR架构下VoLTE漫游的显着特点如下：

VoLTE的呼叫由IMS通过S8接口的专用APN路由至归属地实现，即IMS UNI由UE和HPMN之间直接对接。

在IPX网络中只区分信令和媒体流的QoS等级。

HPMN对呼叫路由的进行完全控制，而VPMN不感知业务，但能够感知QoS/APN。因此VPMN可以提供所有的E-UTRAN/EPC功能以服务VoLTE的漫入用户，例如IMS语音PS支持在EPC和E-UTRAN提供QCI=1、QCI=2的会话视频承载。

在HPMN的PCC架构依然有效。根据漫游协议，QoS规则由HPMN生成并由VPMN遵照执行。

在每个漫游协议下，为防止QoS需求超越MME的配置能力，VPMN可以降级所请求的QoS，或拒绝该承载请求。

每个漫游协议要求HPMN和VPMN必须交换网络信息，采用S8HR方案实现VoLTE漫游时，还需要考虑在VPMN当地的监管要求。运营商须支持一个以上IMS语音漫游网络架构及能力。

4 IPX承载VoLTE国际漫游的运营能力需求

使用IPX网络承载IMS业务在组网方面要比建立所有IMS网络两两之间的直连更简单。虽然租用线路可以容纳更高的流量或IP VPN可能会更有性价比，但使用IPX网络会在对QoS有较高要求的业务场景中有特殊的优势。当然由于IP路由与物理实现方式无关，多个物理连接完全可以共存。在具体实现上，运营商间也会有多个物理互连，运营商的DNS会根据对目标域IP地址的解析使用相应的物理链接进行路由。

为保证业务可以被计费，IPX转发的信令流路由必须与对应的媒体流路由保持一致。因此当漫游用户A发起呼叫时，提供服务的是VPMN A，用户的信令以及媒体流将从VPMN A路由到被叫的HPMN B。虽然此时用户的媒体路由并非最佳，但媒体流始终与信令在同一承载路由中，IPX在转发的过程中才能正确获取到该次会话的真实数据，以此来支持基于业务的计费结算。

与公共互联网不同，IPX网络是一个由专业服务商运营的封闭网络。因此对于QoS、安全、互联互通性、整体可靠性和新的网络功能，如E.164号码和DNS（ENUM）的支持能力，IPX较公共互联网能提供更好的处理能力。作为一个服务商互联协议的一部分，IPX提供商还可以提供涉及IMS互通和漫游操作的附加功能，如协议互通和码制转换。

运营商间的VoLTE国际漫游组网可以有双边和多边的互联模型，其中双边模型如图4所示。为简化互通模型，运营商会统一部署BG，对外作为互通网关完成与国际运营商信令流和媒体流设备路由的互通[9]。两种模式对IPX的运营要求基本一致，以下一些要求应被所有IPX服务商所支持[10]。

（1）网络及路由能力

IPX能够添加、修改和删除5层（及以上）协议的域或包头，但这些调整必须与所涉及的直连客户及IPX提供商达成共识，并保证应用层的下一跳可达。应能够对IP包头的ToS（Type of Service，服务类型）字段进行无修改转发，如果为了插入互操作功能而需要修改ToS字段，那么则应修改相应的值。

IPX不仅应支持OMR功能，防止漫游用户平面形成路由回环，还应能够安全及可控地处理各互联网络间的流量，同时应当核实来自与之直连的服务提供商的数据包源地址与该服务商关联并已注册。

能够提供客户与多个服务其他网络互通的能力，包括通过两个IPX互联的场景。应支持单端回路测试，以便可以在客户没有与其他客户建立互联时进行测试。

IPX网络底层的地址包括隧道端口应遵守IR 40及IR 77，应允许来自服务商或其他IPX的服务器设备间流量以隧道或非隧道方式通过，阻止与控制面无关的用户面流量的接入。

（2）协议转发控制能力

IPX应支持IR 65所示的IMS NNI接口，控制面路由应经过IPX设备用户面，流量可以经过IPX设备，这些经过IPX的路由应可以被用于支撑运维需求。应支持依据国内法律或国际惯例及规则提出的合法拦截请求。

应了解客户所需要的SIP协议类型，确认能够控制会话的媒体支持SIP参数拓展，应支持对不了解的SIP方法、包头及参数的无修改转发，但同时要进行登记并报告，以防恶意目的。应支持IETF和3GPP所定义的SIP错误码。

IPX应能够针对每个客户提供基于会话容量和速率应用的会话控制，当超过给这个客户提供的能力或速率限制时，IPX应生成告警。

（3）计费及管理能力

具备专用的外部运维系统专用接口，支持面向计费系统的专用接口，并具备报表能力。

黑/白名单由客户向IPX服务商提供，由IPX服务商根据服务协议进行配置并设置策略。

IPX应能够基于GSMA IN27所定义的计费原则，产生网间服务的计费数据，包括根据用户平面和控制平面检测到的事件产生网间服务的计费数据，并能够根据服务协议定的计费事件生成计费话单。

5 结束语

IPX具备业务感知能力、高安全性、高服务质量和接入简单的优点。IPX网络承载VoLTE国际漫游能实现三种方案，充分满足业务所需的技术需求，同时在计费、运维及安全性等方面又满足了运营商的运营需求。与IPX网络互联实现全球通达将成为运营商实现VoLTE国际漫游的重要选择。

参考文献：

[1] GSA. GSA Evolution to LTE report April 2016： 494 LTE networks commercially launched in 162 countries[EB/OL]. [2016-05-05]. http：///paper/gsa-evolution-to-lte-report-494-lte-networks-commercially-launched-in-162-countries/.

[2] 文旭桦，叶银法，杜春生. IPX在LTE国际漫游中的应用研究[J]. 移动通信， 2014（9）： 85-89.

[3] GSMA IR.67 v10.0. DNS and ENUM Guidelines for Service Providers and GRX and IPX Providers[S]. 2014.

[4] GSMA IR.34 v9.1. LTE Roaming Guidelines[S]. 2013.

[5] GSMA IR.77 v2.0. Inter-Operator IP Backbone Security Requirements For Service Providers and Inter-operator IP backbone Providers[S]. 2007.

[6] 文旭桦，吕振华，杜春生. IPX网络互联方案研究[J]. 移动通信， 2015（5）： 57-60.

[7] 袁晓志，文旭桦. IPX在国际通信业务中的应用[A]. 中国通信学会信息通信网络技术委员会年会论文集[C]. 2015： 671-674.

[8] 3GPP TS 29.079. Technical Specification Group Core Network and Terminals； Optimal media routing within the IP Multimedia Subsystem （IMS）[S]. 2015.

[9] 李文云，曹维华，唐宏，等. LTE国际漫游技术研究与部署[J]. 广东通信技术， 2015（11）： 13-17.

[10] GSMA IR.65 v18.0. IMS Roaming and Interworking Guidelines[S]. 2016.