馬金蘭 楊征 彭莉

【摘? 要】在對微信、Skype等OTT應用架構進行研究的基礎上，總結(jié)OTT應用架構的優(yōu)勢，提出IMS網(wǎng)絡新架構，其在5G網(wǎng)絡的應用思路，解決IMS現(xiàn)有架構存在的時延大等無法適應實時性要求更強的5G應用需求的問題，為基于IMS的虛擬現(xiàn)實等5G應用部署提供參考。

【摘? 要】IMS網(wǎng)絡;5G;虛擬現(xiàn)實

1? ?引言

3GPP正在考慮在R16中采用IMS網(wǎng)絡提供虛擬現(xiàn)實等實時性要求更強的業(yè)務，但是目前3GPP IMS網(wǎng)絡架構（如圖1所示）存在以下幾個問題，不能很好地適應虛擬現(xiàn)實等實時性要求更強的5G應用需求：

（1）IMS架構分為接入層、控制層和業(yè)務層，各網(wǎng)絡功能分得過細，接口繁多，流程復雜、冗長，效率低。

（2）IMS采用歸屬地觸發(fā)業(yè)務機制，業(yè)務數(shù)據(jù)各平臺單獨存放，業(yè)務由單一平臺提供，無法就近提供業(yè)務。

（3）IMS網(wǎng)絡路由機制復雜，需經(jīng)過控制層進行路由，無法實現(xiàn)接入層直接點到點的路由，路徑長，時延大。

而微信、Skype等OTT應用則采用了更為優(yōu)化的架構和更為簡潔的流程，效率更高，時延更低。因此，本文將在對微信、Skype等應用的架構和流程進行研究的基礎上提出IMS網(wǎng)絡新架構及其應用思路。

2? ?OTT應用架構及借鑒分析

2.1? 微信架構及借鑒分析

微信總體架構分為三層：

（1）接入層：接入服務器負責登錄注冊鑒權，直接選擇業(yè)務邏輯。

（2）業(yè)務邏輯層：業(yè)務邏輯處理與數(shù)據(jù)分離。

（3）數(shù)據(jù)存儲層：統(tǒng)一為接入和業(yè)務提供數(shù)據(jù)，與動態(tài)數(shù)據(jù)分離。

不同層面存在著不同功能的服務器群，包括短連接服務器群、長連接服務器群、語音/視頻服務器群、圖片服務器群等，同種服務器群里的服務器提供相同的功能，可以通過群里就近的接入層服務器和業(yè)務邏輯層服務器為微信客戶端提供相應的服務，不同的服務器群提供的功能組合在一起形成了微信的各種應用。不同服務器群的功能說明如表1所示：

從上述分析可以總結(jié)出微信的優(yōu)勢，針對這些優(yōu)勢提出IMS網(wǎng)絡新架構的借鑒建議，如表2所示。

2.2? Skype架構及借鑒分析

Skype是一種基于P2P技術通過互聯(lián)網(wǎng)為用戶提供音頻業(yè)務的客戶端，其采用混合P2P網(wǎng)絡模型，呼叫控制基于私有協(xié)議，音頻通訊端到端之間交互，無需中央服務器，通話質(zhì)量較好，NAT穿透能力強，可以穿透NAT和防火墻，用戶查找基于全球范圍，缺乏合法的監(jiān)聽手段，其架構如圖2所示。Skype由注冊服務器（Login Server）、客戶端（Ordinary Node）和超級節(jié)點（Super Node， SN）組成。注冊服務器為用戶提供注冊服務，保存用戶的用戶名和密碼，完成登錄的認證工作。圖2中灰色的點是Skype唯一擁有的服務器，也是唯一的中心服務器?？蛻舳耸怯脩魝?cè)安裝的軟件，為用戶提供音頻業(yè)務的交互界面，如圖2中小黑點所示。超級節(jié)點用于為其它客戶端提供登錄跳板及廣播服務，是按一定的規(guī)則選舉出來的任意一臺具備公網(wǎng)IP地址的主機，如圖2中大黑點所示?？蛻舳吮仨氃赟kype的注冊服務器完成登錄才能提供業(yè)務，同時必須通過超級節(jié)點才能與其他的客戶端進行交互和音頻通訊。

Skype采用的是一種既集中又分布的混合模式P2P網(wǎng)絡模型。其集中式的架構體現(xiàn)在其網(wǎng)絡的邊緣節(jié)點采用的是集中式的網(wǎng)絡結(jié)構，所有客戶端之間的交互與通訊必須通過超級節(jié)點;而其分布式架構體現(xiàn)在超級節(jié)點之間采用分布式的網(wǎng)絡結(jié)構，超級節(jié)點為全分布式架構，同時，每一個客戶端都維護一個可以到達的主機列表（Host Cache， HC），包括其IP地址和端口號，音頻呼叫過程基于P2P模式，無需中央服務器參與。

總結(jié)Skype的優(yōu)勢，提出的借鑒建議如表3所示。

3? ?IMS網(wǎng)絡新架構

3.1? 總體新架構

根據(jù)上述對微信、Skype等OTT應用的業(yè)務架構分析，結(jié)合語音業(yè)務的特點，提出IMS網(wǎng)絡新架構，如圖3所示。

上述IMS網(wǎng)絡的新架構包括接入層、業(yè)務邏輯層和統(tǒng)一數(shù)據(jù)層。

（1）用戶通過接入層就近接入服務器接入網(wǎng)絡;

（2）就近接入層通過與統(tǒng)一數(shù)據(jù)層的交互完成用戶注冊鑒權、下載用戶數(shù)據(jù)、被叫路由尋址;

（3）就近接入層接入服務器直接與就近業(yè)務邏輯層中的業(yè)務邏輯交互;

（4）就近的業(yè)務邏輯層業(yè)務邏輯與數(shù)據(jù)層交互完成業(yè)務提供。

3.2? 實現(xiàn)思路

針對上述的總體架構，可以按新架構改造現(xiàn)有的IMS網(wǎng)絡實現(xiàn)，思路如圖4所示：

運營商部署5G網(wǎng)絡虛擬現(xiàn)實等實時性要求更強的業(yè)務，引入新的IMS網(wǎng)絡，或者對現(xiàn)有IMS網(wǎng)絡進行優(yōu)化演進時，可考慮采用上述思路，借鑒IMS網(wǎng)絡現(xiàn)有接口與網(wǎng)元，開發(fā)網(wǎng)元新功能，不再部署不需要的相關網(wǎng)元，實現(xiàn)IMS網(wǎng)絡新架構?；蛘咄苿?GPP在R16中采用上述新架構重新設計IMS網(wǎng)絡，以滿足5G網(wǎng)絡虛擬現(xiàn)實等實時性要求更強的業(yè)務需求。

3.3? 新架構業(yè)務流程

在上述新架構下，基本注冊鑒權流程將發(fā)生變化，終端將就近選擇接入服務器，向其發(fā)送注冊鑒權請求，就近的接入服務器直接訪問統(tǒng)一數(shù)據(jù)層下載用戶數(shù)據(jù)，直接在接入服務器完成注冊鑒權，減少了注冊鑒權流程經(jīng)過的網(wǎng)元和信令流程，提升了效率。同時，就近的接入服務器完成注冊鑒權后，通知就近的業(yè)務邏輯，就近的業(yè)務邏輯訪問統(tǒng)一數(shù)據(jù)層下載業(yè)務數(shù)據(jù)，后續(xù)的業(yè)務邏輯將通過就近的業(yè)務邏輯提供，無需回到歸屬地進行業(yè)務提供，提升了業(yè)務的實時性。具體的基本注冊鑒權流程參考圖5，通過這個注冊流程用戶就可以注冊到就近的接入服務器和業(yè)務邏輯上，實現(xiàn)就近接入和就近提供業(yè)務。

4? ?新架構應用分析

虛擬現(xiàn)實VR、增強現(xiàn)實AR、全息通信等5G應用對帶寬和實時性的要求高，需就近提供，而IMS目前采用的歸屬地業(yè)務觸發(fā)、路由等機制無法滿足時延要求更高的業(yè)務控制需求，因此，可以考慮將基于OTT模式新架構應用于這一類5G應用中。

具體實現(xiàn)架構如圖6，按新架構部署AR/VR、全息通信等就近提供的5G應用，分布式就近部署接入服務器（P-CSCF/BAC）、VR/AR服務器、全息通信服務器，靜態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)一由數(shù)據(jù)庫提供，實現(xiàn)新架構下基于IMS網(wǎng)絡的5G應用。

5? ?結(jié)束語

本文在對微信、Skype等OTT應用的架構進行研究的基礎上，提出IMS網(wǎng)絡新架構及其應用思路，解決目前3GPP IMS網(wǎng)絡架構存在的諸如接口繁多、流程復雜、效率低、時延大以及無法適應虛擬現(xiàn)實等實時性要求更強的業(yè)務需求的問題，為基于IMS的5G應用的部署提供參考依據(jù)。

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