基于IMS技术的机场统一通信平台系统应用研究

摘要：随着机场业务规模的扩大和通信需求的多样化，传统软交换系统在资源整合、业务协同和应急响应方面面临诸多挑战。本文提出一种基于IMS技术的机场统一通信平台系统，利用其多媒体融合能力和标准化接口实现语音、视频、数据等业务的统一调度与管理。本文设计了系统的分层架构，并针对机场典型场景进行了功能优化。通过仿真测试，结果表明该系统在通信效率、资源利用率和应急响应速度方面具有显著优势，为机场通信系统的智能化升级提供了可行方案。

关键词：IMS；机场通信；统一通信；多媒体业务

Abstract： With the expansion of airport business scale and the diversification of communication needs， traditional softswitch systems face numerous challenges in resource integration， business collaboration， and emergency response. This paper proposes an airport unified communication platform system based on IMS （IP Multimedia Subsystem） technology， leveraging its multimedia convergence capabilities and standardized interfaces to achieve unified scheduling and management of voice， video， and data services. The paper designs a hierarchical architecture for the system and optimizes its functions for typical airport scenarios. Simulation tests demonstrate that the system significantly improves communication efficiency， resource utilization， and emergency response speed， providing a feasible solution for the intelligent upgrade of airport communication systems.

Keywords： IMS; Airport Communication; Unified Communication; Multimedia Services

0 引言

机场作为现代交通枢纽，其通信系统需要支持航班调度、旅客服务、应急指挥等多种业务场景。当前，我国大型机场通常采用软交换技术来构建统一通信平台系统，尽管实现一定程度的通信整合和服务提升，但存在多媒体融合能力有限、标准化程度较低、业务灵活性不足、性能瓶颈等缺陷。

IMS技术作为一种基于IP的多媒体通信架构，具有业务融合、接口标准化和扩展性强等特点[1]，已在电信领域得到广泛应用。本文将IMS技术引入机场通信场景，设计并实现了一种基于IMS的机场统一通信平台系统，旨在解决传统软交换统一通信系统在机场复杂通信场景下的局限，提升机场通信的整体效率和可靠性。

1技术概述

目前，我国各省市大型机场的统一通信平台系统以软交换技术为主。这种技术通过将传统的电话交换功能转移到基于软件的平台上，实现了呼叫控制与媒体传输的分离，从而提高了系统的灵活性和可扩展性。然而，随着通信行业的发展和技术的进步， IMS逐渐成为下一代通信网络的核心技术，不仅在电信运营商网络中广泛应用，而且逐步在如电力、轨道交通等行业通信领域扩展[2]，这为机场行业未来统一通信提供了成熟的技术发展路径。

IMS（IP Multimedia Subsystem，IP多媒体子系统）是由3GPP（第三代合作伙伴计划）提出的基于IP的多媒体通信架构，旨在通过全IP化的网络设计，实现语音、视频、数据等多媒体业务的统一管理和调度，相比现有的软交换技术，IMS提供了更加开放和标准化的接口，可以更好地支持多媒体业务和服务的融合，同时也有利于实现固定和移动网络的融合。基于机场通信网络对数据传输和视频多媒体服务等业务的需求，基于IMS技术的通信系统的部署与应用具有关键性意义，可有效解决现行网络问题，提高机场通信系统的运行效率、安全性以及稳定性。

2需求分析

传统的机场统一通信平台系统主要提供语音呼叫、语音调度、语音会议、即时消息、呼叫管理等基本通信业务以及与机场其他通信系统（PSTN、800M数字集群系统、内通系统、广播系统等）互联互通业务[3]。基于IMS技术的统一通信平台系统在满足基本的通信业务的同时，需结合机场统一通信未来与5G融合、AI集成的发展需求，利用IMS业务开放能力与技术，构建智能融合、业务丰富、性能优化、安全可靠的统一通信平台。

2.1 基础通信需求

在机场实际通信场景中，IMS技术需满足机场通信系统的基本功能需求，包括高清语音呼叫、多级语音调度、多方语音会议、即时消息以及智能呼叫管理[4]。同时，平台需支持与现有通信系统的无缝互联，提供协议转换网关，确保异构系统的高效互通。此外，平台还需扩展多媒体能力，支持视频通话、多媒体会议及实时屏幕共享，以满足机场多样化通信场景需求。

2.2 5G融合需求

为适应5G技术在机场的广泛应用，IMS平台需支持独立组网5G核心网及网络切片技术，为应急通信等关键业务提供专用切片服务[5]。同时，平台需集成边缘计算能力，降低通信时延，支持AR远程协作等实时应用。在终端接入方面，平台需兼容5G终端（如5G手持终端、IoT设备），支持VoNR技术，并优化移动场景下的切换性能，确保通信连续性。

2.3 AI集成需求

AI技术的引入可显著提升机场通信系统的智能化水平。IMS平台需集成语音智能处理能力，如ASR、实时翻译及声纹识别，以支持多语言环境下的高效沟通。同时，平台需具备智能调度功能，通过AI预测资源需求并实现自动化任务分配。此外，平台应支持通信日志的智能分析，实现异常事件检测与流量预测，为资源优化提供数据支撑。在自动化服务方面，平台需集成智能客服与应急响应功能，提升机场运营效率与安全性。

2.4 性能优化需求

通话性能是机场统一通信核心需求，IMS平台需采用分布式架构，支持多节点负载均衡与横向扩展，以应对高并发通信场景。同时，平台需提供QoS保障机制，确保关键业务（如应急呼叫）的优先级调度与带宽动态分配。在容灾与运维方面，平台需支持双活数据中心部署，实现故障秒级切换，并提供可视化运维工具，支持实时监控与AI驱动的故障预测与自修复。

3系统设计

为满足机场对通信系统高性能、智能化及可扩展性的迫切需求，本研究提出以IMS为核心，融合5G、AI、边缘计算等新兴技术，旨在构建一个高效、智能、可扩展的机场统一通信平台系统，为机场运营、旅客服务、安全保障等提供强有力的通信支撑。

3.1 IMS技术架构

IMS技术不仅在实现了软交换中控制与承载分离，而且在此基础上进一步实现了业务与控制的分离。在IMS架构下，所有类型的业务，包括传统的补充业务，都是通过应用服务器AS来实现和管理的。

IMS技术架构如图1所示。

自上而下分为四层，分别为业务层、控制层、传送层、接入层。

1）业务层：通过应用服务器（AS）提供多媒体服务（如VoIP、视频会议、即时消息），支持标准化接口（如SIP、OSA/Parlay）以实现快速业务开发。

2）控制层： IMS核心网的基础核心设施，提供会话控制、用户认证、路由管理和基础的音视频交换。主要实体包括：

· CSCF：分为代理CSCF（P-CSCF，处理接入和SIP信号）、查询CSCF（I-CSCF，路由选择）、服务CSCF（S-CSCF，会话控制和业务触发）。

· HSS（归属用户服务器）：存储用户配置文件、位置及安全信息。

· MGCF/MGW：实现与固定网和移动网的互操作，完成协议转换和媒体流处理。

3）传送层：基于分组交换（IP）网络，负责数据传输和QoS保障。

4）接入层：支持多种接入技术（如3G/4G/5G移动网络、WiMAX、WLAN、xDSL、PON等），通过边界网关（如SBC）连接至核心网。

3.2 系统总体架构

基于IMS技术的机场统一通信平台系统总体架构充分利用了IMS的技术优势，在业务逻辑与控制逻辑分离的架构下，不同的应用服务器（AS）可以提供各种服务，满足机场语音、视频、消息等基础通信服务需求以及智能调度、AI语音处理等增值服务需求。

系统总体架构如图2所示。

自上而下分为四层，分别为管理层、业务层、网络层、接入层。

1）管理层：负责系统的运维管理、安全管理和数据分析，确保平台的稳定运行和持续优化。

2）业务层：提供语音呼叫、视频会议、即时消息等基础通信服务以及智能调度、AI语音处理、应急广播等增值服务，并通过标准化API接口支持机场第三方应用集成。

3）网络层：基于IMS核心网，提供会话控制、媒体传输及业务触发功能。集成5G核心网（5GC）及边缘计算（MEC）节点，支持网络切片与低时延通信。提供协议转换网关，实现与PSTN、800M数字集群系统、内通系统、广播系统等传统系统的互联互通。

4）接入层：提供多种接入方式，包括5G网络、有线网络及其他通信网络。支持多种终端接入，包括5G终端（如5G手持设备、AR眼镜）、IP电话、调度台、传统终端（如PSTN电话、800M集群对讲机等）。

3.3 功能模块设计

为实现机场统一通信平台系统业务层的需求，系统功能模块主要分为基础功能模块与扩展功能模块。

基础功能模块包含会话控制模块、媒体处理模块、业务触发模块及协议转换模块。在会话控制模块中，基于IMS的CSCF可实现会话的建立、修改与释放；在媒体处理模块中，通过IMS中MRF网元实现音视频编解码、混音及转码；在业务触发模块中，基于AS提供呼叫路由、呼叫调度、会议、广播等功能；在协议转换模块中，通过对SIP、H.323、PSTN等协议之间转换，实现异构通信系统的互联互通。

扩展功能模块主要实现一些增值服务，包括AI集成模块、5G融合模块、物联网集成模块及协议转换模块。AI集成模块主要提供语音识别（ASR）、实时翻译、声纹识别及智能客服功能；5G融合模块，提供网络切片、边缘计算及VoNR技术，优化机场移动通信性能；物联网集成模块，主要对接机场IoT设备，实现智能化告警与联动；在数据分析模块基于大数据技术提供通信日志分析、流量预测及异常检测功能。

4关键技术实现

在机场通信场景中，基于IMS技术的统一通信平台系统需支持多优先级调度和快速会话建立，以满足高并发、高可靠性和紧急调度的需求。针对以上需求，为了优化SIP协议的会话控制逻辑，IMS系统结合机场通信场景的特点，对SIP协议进行扩展和优化。

4.1 多优先级调度的实现逻辑

机场通信场景中，不同用户（如塔台、地勤、机组、应急响应团队）的通信需求具有不同的优先级。SIP协议可以通过以下方式支持多优先级调度：

· SIP头字段扩展：扩展SIP头字段（如Priority或自定义头字段X-Priority），用于标识会话的优先级。将SIP优先级映射到网络层的QoS（如DSCP值），确保高优先级会话获得更好的网络资源。

· 会话建立于抢占机制：高优先级会话可以抢占低优先级会话的资源。当高优先级会话请求建立时，系统会检查资源占用情况，必要时释放低优先级会话的资源；低优先级会话在资源不足时进入等待队列，直到资源可用。

· 策略控制：与PCRF集成，根据优先级动态调整资源分配策略，在AS中实现优先级调度逻辑，根据用户角色和场景动态分配优先级。

4.2快速会话建立的实现逻辑

机场场景中，通信需要快速建立会话以支持实时调度和应急响应。以下是优化SIP会话建立的关键技术：

· 预建立会话：为高优先级用户（如塔台、应急团队）预先建立会话通道，减少会话建立时延。使用SIP的INVITE和200 OK预先建立会话，但不立即传输媒体流。

· 简化SIP信令流程：在SIP 183 Session Progress响应中携带SDP信息，支持早期媒体传输，减少会话建立时延。

· 本地化路由优化：在机场部署本地P-CSCF（代理呼叫会话控制功能），减少信令传输时延。

4.3机场场景的特定优化

结合机场通信场景的特点，IMS系统做了进一步优化以满足以下需求：

· 高并发支持：在机场部署多个P-CSCF和S-CSCF实例，通过负载均衡分担信令压力，并且将MRFP（媒体资源处理功能）资源池化，动态分配资源以支持高并发会话。

· 容灾恢复机制：部署冗余的IMS核心网元（如CSCF、HSS），确保在故障时快速切换。

· 动态群组管理：根据机场运营需求，动态创建调度群组（如航班调度群组、应急响应群组），为不同群组分配优先级，确保高优先级群组的通信需求优先满足。

5性能测试及结果对比

针对传统软交换系统在机场多媒体通信时性能、扩展性和业务支持能力上的局限性，本章通过仿真测试对比IMS技术和传统软交换技术在机场统一通信平台中的性能表现，重点评估语音时延、视频时延、视频卡顿率和最大并发会话数等关键指标。

5.1仿真测试平台

为了模拟机场通信平台典型应用场景，仿真测试在一个高度可控的实验环境进行。

仿真测试平台硬件环境的服务器采用高性能服务器，配置为Intel Xeon Gold 5218处理器（2.3 GHz，16核）、128 GB内存、1 TB SSD存储，以满足高并发和多媒体业务的需求；网络设备采用使用Cisco Catalyst 9500系列交换机，支持千兆以太网和万兆以太网接口，确保网络传输的高带宽和低延迟；仿真工具采用VIAVI TeraVM测试仪，模拟批量不同号码的软件终端进行音视频呼叫。

仿真测试平台的软件环境操作系统采用CentoS7.8操作系统，确保系统的稳定性和兼容性；在IMS系统中，协议栈使用SIP和RTP协议栈；在传统软交换系统中，协议栈使用H.323和MGCP协议栈。

仿真测试采用典型的星型网络拓扑结构，中心节点为IMS核心网或软交换服务器，边缘节点为用户终端设备。网络拓扑包括核心网、接入网和终端设备三层结构，模拟真实的机场通信环境。

5.2测试系统配置

为了对比IMS技术与传统软交换技术的通信平台之间性能的优劣，需要分别对两套系统进行配置。

（1）基于IMS技术的通信平台由多个核心组件构成，具体配置如下：

SIP服务器：作为IMS系统的核心控制节点，负责会话的建立、维护和释放。采用Kamailio作为SIP服务器，支持高并发会话处理和负载均衡。

媒体网关：负责媒体流的转换和传输，支持语音、视频和数据的多媒体业务。配置为AudioCodes Mediant 3000媒体网关，支持G.711、G.729等编解码器。

HSS：存储用户订阅信息和认证数据，采用MySQL数据库作为后端存储，支持快速查询和更新。

PCRF：负责策略控制和计费规则的执行，确保服务质量（QoS）和资源分配。

（2）传统软交换系统的配置如下：

软交换服务器：作为系统的核心控制节点，负责呼叫控制和信令处理。采用freeswitch作为软交换服务器，支持H.323和SIP协议。

媒体网关：负责媒体流的转换和传输，配置为Cisco AS5400媒体网关，支持TDM到IP的转换。

信令网关（SG）：负责与传统PSTN网络的信令互通，配置为Dialogic DSI SS7信令网关。

5.3测试结果对比

通过VIAVI TeraVM测试仪模拟批量软终端分别向IMS服务器和软交换服务器发起10000用户注册，模拟话机之间音视频呼叫。

经过为期1个月对比测试，结果如下：

经过测试对比，与传统软交换技术的机场统一通信平台系统相比，基于IMS技术的机场统一通信平台系统能实现更好的性能，具有更短语音时延与视频时延、更低的视频卡顿率与最大并发会话数。

6结语

本文提出了一种基于IMS技术的机场统一通信平台系统，旨在解决传统软交换系统在机场复杂通信场景下的局限性。通过引入IMS技术，系统实现了语音、视频、数据等多媒体业务的统一管理和调度，显著提升了通信效率、资源利用率和应急响应速度。仿真测试结果表明，与传统软交换系统相比，基于IMS的系统在语音时延、视频时延、视频卡顿率和最大并发会话数等关键性能指标上均有显著提升。未来，随着5G和AI技术的进一步发展，基于IMS的机场统一通信平台将具备更大的扩展性和智能化潜力，为机场运营、旅客服务和安全保障提供更加可靠的通信支持。

参考文献：

[1] 波克申科.IMS：IP多媒体概念和服务[M].北京：机械工 业出版社，2007.

[2] 梁雪梅，方晓农，杨硕，等.IMS技术行业专网应用[M].北 京：人民邮电出版社，2016.

[3] 蔡万升，罗威，周盛靖，等．IMS系统互联互通技术研究与应 用[J]．电力信息与通信技术，2018，16（7）：51-56．

[4] 段怀锋，薛哲. 北京大兴国际机场统一通信平台应用研究[J]. 中国航班，2019（14）：0160-0161.

[5] 王耀祖，张洪伟，吴磊.5GNR语音解决方案分析[J].邮电设计技术，2019（10）：66-70.