軟交換及IMS承載電力二次系統(tǒng)業(yè)務(wù)指標(biāo)分析

高 強(qiáng) 尹永飛

軟交換及IMS承載電力二次系統(tǒng)業(yè)務(wù)指標(biāo)分析

高 強(qiáng) 尹永飛

隨著電網(wǎng)通信業(yè)務(wù)需求的加大，傳統(tǒng)的電路交換技術(shù)難以滿足電力通信發(fā)展的需要，能夠提供多種業(yè)務(wù)的NGN技術(shù)被逐漸應(yīng)用于電力通信網(wǎng)中。軟交換和IMS技術(shù)是NGN發(fā)展的不同階段，本文基于兩者的技術(shù)原理差異，從媒體網(wǎng)關(guān)功能、安全指標(biāo)、Qos三個(gè)方面，對(duì)兩者業(yè)務(wù)承載特點(diǎn)進(jìn)行了分析。本文結(jié)合電力二次系統(tǒng)業(yè)務(wù)特點(diǎn)，重點(diǎn)分析了軟交換及IMS技術(shù)在承載行政電話業(yè)務(wù)、管理信息大區(qū)多媒體業(yè)務(wù)時(shí)的帶寬、時(shí)延、安全性問題。

近年來，隨著電網(wǎng)信息化水平的提高，電網(wǎng)通信業(yè)務(wù)需求進(jìn)一步加大，傳統(tǒng)的電路交換技術(shù)難以滿足電力通信發(fā)展需要。針對(duì)這種情形，各地方電力公司紛紛推出用NGN技術(shù)對(duì)電力通信網(wǎng)進(jìn)行改造的方案。軟交換和IMS是NGN發(fā)展過程中的重要技術(shù)，它們均實(shí)現(xiàn)了控制與承載分離，分別是NGN的不同發(fā)展階段。

目前，關(guān)于軟交換與IMS技術(shù)的融合演進(jìn)分析眾多，各個(gè)行業(yè)也在積極開展軟交換及IMS技術(shù)應(yīng)用分析，如《利用軟交換和IMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)固定和移動(dòng)核心網(wǎng)融合方法的研究》、《油田軟交換到IMS網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)研究》等。

NGN技術(shù)代表了下一代通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向，也是電力通信網(wǎng)的發(fā)展方向。本文結(jié)合電力通信網(wǎng)內(nèi)各業(yè)務(wù)特點(diǎn)，從多個(gè)方面對(duì)軟交換、IMS在承載業(yè)務(wù)時(shí)的不同進(jìn)行分析，為NGN技術(shù)在電力通信網(wǎng)的進(jìn)一步應(yīng)用提供參考。

軟交換及IMS技術(shù)承載業(yè)務(wù)分析

媒體網(wǎng)關(guān)功能

在IMS網(wǎng)絡(luò)中，由于控制、承載分離比較徹底，媒體網(wǎng)關(guān)功能較少，主要有編碼功能、擁有并處理諸如回聲消除之類的資源、與MGCF交互完成資源控制等。在軟交換網(wǎng)絡(luò)中，媒體網(wǎng)關(guān)的功能較多，除了IMS網(wǎng)絡(luò)中的媒體網(wǎng)關(guān)功能外，還包括呼叫處理與控制功能、與軟交換網(wǎng)絡(luò)之間的維護(hù)和管理功能、分組語音的QoS管理功能、統(tǒng)計(jì)信息的收集和匯報(bào)功能，ATM功能等。

編碼功能是軟交換、IMS網(wǎng)絡(luò)傳輸各類業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)，也是媒體網(wǎng)關(guān)不可或缺的部分。在軟交換網(wǎng)絡(luò)中，可支持的編碼方式主要有G.711編碼、G.729編碼、G.723.1編碼等。在IMS網(wǎng)絡(luò)中，語音編碼同樣支持以上編碼方式，另外還有GSM-FR編/譯碼器、AMR（自適應(yīng)多速率）語音編/譯碼器；視頻編碼主要包括H.263編/譯碼器等。

安全指標(biāo)

軟交換重在從用戶、設(shè)備安全的角度保證系統(tǒng)安全，關(guān)于設(shè)備的安全措施有設(shè)備認(rèn)證、軟交換設(shè)備自身可靠性、設(shè)備組網(wǎng)可靠性等；關(guān)于用戶的安全措施有用戶通信流量隔離、用戶業(yè)務(wù)認(rèn)證，用戶信息隔離等。IMS主要從接入、網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)層面保證系統(tǒng)安全，關(guān)于接入的安全措施有用戶和網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)證、機(jī)密性保護(hù)、完整性保護(hù)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆[藏等；關(guān)于網(wǎng)絡(luò)域的安全措施有通過增加安全網(wǎng)關(guān)進(jìn)行逐跳安全保護(hù)、使用NDS/IP密鑰管理分配體系等，值得一提的是NDS/IP提供安全策略控制粒度，一般對(duì)安全域的所有業(yè)務(wù)使用相同的安全策略。

圖1　IMS網(wǎng)絡(luò)中QoS授權(quán)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體和原理圖

QoS

軟交換主要從業(yè)務(wù)層、承載層、接入層三個(gè)層面分別實(shí)現(xiàn)QoS保證機(jī)制。業(yè)務(wù)層在對(duì)業(yè)務(wù)流量進(jìn)行識(shí)別和分析的基礎(chǔ)上，采用策略服務(wù)器進(jìn)行流量的管理與控制。接入層通常采用用戶流量限制、用戶流量隔離、用戶業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)劃分等措施實(shí)現(xiàn)QoS保證。承載層的QoS保證主要是基于IP網(wǎng)絡(luò)的。在軟交換中，一般采用IP QoS體系（集成服務(wù)模型IntServ、區(qū)分服務(wù)模型DiffServ等）和MPLS技術(shù)相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)QoS保證。

IMS采用的是端到端的QoS，一般通過專有的UMTS網(wǎng)絡(luò)從不同層面分別管理。控制面的IMS網(wǎng)絡(luò)作為AF通過Gq接口提供需要的QoS信息給PDF，通過PDF轉(zhuǎn)成UMTS網(wǎng)絡(luò)提供的承載業(yè)務(wù)的QoS信息傳遞給核心網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。IMS網(wǎng)絡(luò)中QoS授權(quán)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體和原理圖如圖1。在IMS網(wǎng)絡(luò)中，通過SBLP策略對(duì)媒體流進(jìn)行控制，基于在IMS控制信令中攜帶SDP媒體參數(shù)，SBLP機(jī)制圖如圖2。除UMTS網(wǎng)絡(luò)提供QoS外，IMS也可與外網(wǎng)互通提供QoS，如采用與軟交換類似的DiffServ、MPLS等。

表1　AMR-NB及AMR-WB編碼速率表

圖2　SBLP機(jī)制圖

軟交換及IMS技術(shù)對(duì)電力二次系統(tǒng)業(yè)務(wù)的承載

電力二次系統(tǒng)業(yè)務(wù)特點(diǎn)

電力二次系統(tǒng)可以分為生產(chǎn)控制大區(qū)和管理信息大區(qū)。根據(jù)電力二次系統(tǒng)安全分區(qū)的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，生產(chǎn)控制大區(qū)中的業(yè)務(wù)系統(tǒng)具有高安全性和可靠性。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)控制大區(qū)內(nèi)禁止采用安全風(fēng)險(xiǎn)高的通用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能，禁止內(nèi)部的E-Mail服務(wù)，禁止控制區(qū)內(nèi)通用的WEB服務(wù)。經(jīng)過分析，軟交換技術(shù)和IMS技術(shù)并不適用于對(duì)此區(qū)業(yè)務(wù)的承載。

相比生產(chǎn)控制大區(qū)，管理信息大區(qū)的安全性、可靠性要求較低。且管理信息大區(qū)業(yè)務(wù)形式多樣，除基本話音業(yè)務(wù)外，多媒體業(yè)務(wù)通信也非常多，因此，軟交換技術(shù)和IMS技術(shù)在管理信息大區(qū)業(yè)務(wù)承載方面的應(yīng)用較多。

管理信息大區(qū)業(yè)務(wù)主要包括話音業(yè)務(wù)、多媒體業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)三類。無論是在軟交換網(wǎng)絡(luò)中還是IMS網(wǎng)絡(luò)中，話音業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)都是通過網(wǎng)關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)接入的，而信息數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)一般直接接入承載網(wǎng)絡(luò)，技術(shù)實(shí)現(xiàn)較簡單。因此，下文中主要對(duì)話音業(yè)務(wù)、多媒體業(yè)務(wù)通信問題進(jìn)行分析，關(guān)于多媒體業(yè)務(wù)的分析下文主要討論視頻業(yè)務(wù)通信問題。

行政電話業(yè)務(wù)承載分析

帶寬

隨著電力通信網(wǎng)的發(fā)展，行政電話業(yè)務(wù)功能逐漸增加，帶寬需求也不斷加大。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，一般程控交換設(shè)備與軟交換中繼網(wǎng)間開通2M中繼。另一方面，軟交換系統(tǒng)中需要部署的電話用戶有上百個(gè)，普通話音業(yè)務(wù)的固定分配帶寬為2Mbit/s。因此，要適應(yīng)行政電話業(yè)務(wù)不斷發(fā)展的帶寬需求，必須對(duì)話音進(jìn)行編碼。

若某軟交換系統(tǒng)中電話用戶為n個(gè)，每電話的平均發(fā)話話務(wù)量為a（erl），局內(nèi)話務(wù)量占總話務(wù)量的b％，語音編碼速率為c（kbit/s），則話音業(yè)務(wù)帶寬占用公式如下：

在利用承載網(wǎng)傳輸業(yè)務(wù)時(shí)，若承載網(wǎng)帶寬系數(shù)為d，則話音業(yè)務(wù)對(duì)承載網(wǎng)的帶寬需求為：

在一個(gè)實(shí)際行政電話交換網(wǎng)絡(luò)中，以上公式中的n、a、b％、d都是固定的。因此話音業(yè)務(wù)對(duì)承載網(wǎng)的帶寬需求控制取決于編碼方式的選擇。

在軟交換網(wǎng)絡(luò)中，語音編碼方式主要有G.711編碼、G.729編碼、G.723.1編碼。G.711編碼比特率為64kb/s；G.729編碼比特率為8kb/s；G.723.1編碼速率有高低速率之分，其中低速率為5.3kb/s，高速率為6.3kb/s。因此，在軟交換網(wǎng)絡(luò)中，G.723.1編碼更加節(jié)省語音傳送帶寬。

在IMS網(wǎng)絡(luò)中，所有3GPP IMS終端都支持AMR語音編/譯碼器。AMR屬于可變多速率編碼方式，分為AMR-NB（自適應(yīng)多速率窄帶）和AMR-WB（自適應(yīng)多速率寬帶）兩種。AMR-NB及AMR-WB編碼速率如表1（單位為kbit/s）。

需要注意的是，一般來說，編碼速率越低意味著編碼時(shí)延越大。由于行政電話業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延要求較高，在實(shí)際應(yīng)用中需均衡編碼速率與編碼時(shí)延的影響。

時(shí)延

行政電話業(yè)務(wù)屬于實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)，對(duì)時(shí)延的要求極為苛刻，語音單向時(shí)延對(duì)承載網(wǎng)的一般要求為≤100ms。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，在NGN系統(tǒng)中，語音會(huì)話的端到端時(shí)延主要由媒體網(wǎng)關(guān)、路由交換設(shè)備和傳輸時(shí)延構(gòu)成，經(jīng)過進(jìn)一步分解，可將時(shí)延分為編解碼時(shí)延、打包時(shí)延、傳輸時(shí)延、路由交換設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延、去抖時(shí)延幾部分，其中前三部分屬固定時(shí)延，后兩部分屬可變時(shí)延。

（1）固定時(shí)延

根據(jù)軟交換提供的語音編碼方式，對(duì)應(yīng)的編解碼時(shí)延及打包時(shí)延如表2。

在IMS網(wǎng)絡(luò)中，AMR語音編碼方式應(yīng)用較多。AMR一幀為20ms，即打包時(shí)延為20ms。關(guān)于AMR的編解碼時(shí)延分析比較復(fù)雜，目前各界紛紛對(duì)AMR時(shí)延縮短方法展開研究。

表2　各語音編碼的編解碼時(shí)延及打包時(shí)延匯總表

固定時(shí)延的另一個(gè)重要組成部分即傳輸時(shí)延，在電力二次系統(tǒng)行政電話業(yè)務(wù)中，語音業(yè)務(wù)的傳輸時(shí)延主要包括在光纖中傳輸?shù)臅r(shí)延和傳輸設(shè)備中的時(shí)延。傳輸時(shí)延的計(jì)算公式如下：

式中：Tc表示業(yè)務(wù)在光纖中的傳輸時(shí)延，Ts表示業(yè)務(wù)在SDH單站設(shè)備中的傳輸時(shí)延，Ns表示SDH站點(diǎn)數(shù)，Tw表示波分設(shè)備的時(shí)延，Nw表示波分站點(diǎn)數(shù)。

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，傳輸時(shí)延值往往較小，行政電話業(yè)務(wù)傳輸過程中產(chǎn)生的固定時(shí)延主要受編解碼時(shí)延和打包時(shí)延的影響。

（2）可變時(shí)延

可變時(shí)延包括路由交換設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延和去抖時(shí)延兩部分。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，路由交換設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延很短，屬微秒級(jí)，在時(shí)延分析中可忽略不計(jì)。

軟交換及IMS體系的承載網(wǎng)均可以選擇IP網(wǎng)絡(luò)，在IP網(wǎng)絡(luò)中，通常設(shè)置Jitter Buffer來吸收抖動(dòng)，因此產(chǎn)生了去抖時(shí)延。去抖時(shí)延與網(wǎng)絡(luò)中引入的時(shí)延抖動(dòng)有關(guān)，根據(jù)A8010提供的數(shù)據(jù)，去抖時(shí)延的平均值為80ms，最大為200ms。目前，有多種技術(shù)可以降低語音通過網(wǎng)絡(luò)引入的抖動(dòng)，從而減少去抖時(shí)延。

安全性

（1）設(shè)備安全

要實(shí)現(xiàn)行政電話業(yè)務(wù)等通信功能，軟交換設(shè)備和IMS提供了一定得安全機(jī)制，如流量控制、安全日志、防火墻等措施。

除以上措施外，軟交換和IMS技術(shù)都對(duì)設(shè)備故障安全問題進(jìn)行了規(guī)范。

根據(jù)相關(guān)文件，軟交換技術(shù)通過設(shè)置備份機(jī)制解決設(shè)備故障引起的安全問題。不但要求設(shè)備支持IP接口單板間的熱備份和軟交換要支持端口級(jí)的熱備份，還要求具有雙歸屬/多歸屬功能，在發(fā)生故障時(shí)由其他設(shè)備承擔(dān)故障設(shè)備所承擔(dān)的業(yè)務(wù)。

IMS采取相似的設(shè)備故障安全解決方法，根據(jù)相關(guān)文件，IMS系統(tǒng)中的主要設(shè)備具有備份或“n+x”的冗余，保證在發(fā)生故障時(shí)能自動(dòng)分離并進(jìn)行倒換或進(jìn)行系統(tǒng)再配置。

（2）網(wǎng)絡(luò)安全

當(dāng)行政電話業(yè)務(wù)在軟交換網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)，業(yè)務(wù)在IP網(wǎng)絡(luò)上承載。IP網(wǎng)絡(luò)是盡量而為的傳輸特性，當(dāng)其他業(yè)務(wù)或網(wǎng)絡(luò)病毒占用大量帶寬時(shí)，會(huì)導(dǎo)致軟交換系統(tǒng)訪問速度很慢，嚴(yán)重影響實(shí)時(shí)性要求較高的話音業(yè)務(wù)。

針對(duì)以上情況，軟交換網(wǎng)絡(luò)采取的主要方法是在核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上部署MPLS-VPN技術(shù)，使軟交換業(yè)務(wù)從邏輯上與其他業(yè)務(wù)分開。而在IMS網(wǎng)絡(luò)中，一般采取業(yè)務(wù)物理隔離的方法，具體方法有IMS業(yè)務(wù)專線承載、在傳輸節(jié)點(diǎn)部署MSAP設(shè)備等。

管理信息大區(qū)多媒體業(yè)務(wù)承載分析

帶寬

多媒體業(yè)務(wù)具有數(shù)據(jù)流量大、帶寬需求大的特點(diǎn)。根據(jù)多媒體業(yè)務(wù)特點(diǎn)，業(yè)務(wù)帶寬需求一般為單節(jié)點(diǎn)帶寬4Mbit/s。要保證業(yè)務(wù)帶寬需求，需要選擇合適的編碼機(jī)制。

在軟交換及IMS網(wǎng)絡(luò)中，常用的視頻編解碼方法有H.261、H.263等。H.261的傳輸碼率為p*64 kbit/s，p=1，2，3……30，一般用于ISDN視頻會(huì)議業(yè)務(wù)。H.263是在H.261的基礎(chǔ)上針對(duì)低于64kbit/s視頻壓縮提出的標(biāo)準(zhǔn)，一般用于遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控，可視電話，視頻會(huì)議等業(yè)務(wù)。因此，H.263編解碼方法應(yīng)用范圍更廣，目前關(guān)于H.263比特率轉(zhuǎn)碼速率控制等方法正在被進(jìn)一步研究。

時(shí)延

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，視頻業(yè)務(wù)時(shí)延要求最好在150ms內(nèi)，一般不應(yīng)超過400ms。視頻業(yè)務(wù)的時(shí)延構(gòu)成與行政電話業(yè)務(wù)相同，在此不再展開分析。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)視頻傳輸時(shí)延的測(cè)試結(jié)果，影響時(shí)延的主要因素是編碼算法和MCU處理數(shù)據(jù)能力，這兩項(xiàng)對(duì)時(shí)延的影響占總時(shí)延的90％以上。在電力通信系統(tǒng)中，一般網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)較少，MCU處理數(shù)據(jù)時(shí)延相對(duì)較小。因此，編碼算法是電力系統(tǒng)視頻業(yè)務(wù)時(shí)延的最主要影響因素。

軟交換及IMS網(wǎng)絡(luò)中常用的視頻編解碼方法有H.261、H.263等，目前相關(guān)的低時(shí)延控制方法眾多，都能滿足相關(guān)業(yè)務(wù)時(shí)延要求，在實(shí)際應(yīng)用中可以參考相關(guān)方法。

安全性

多媒體業(yè)務(wù)的安全性問題與行政電話業(yè)務(wù)類似。需要指出的是，在傳輸多媒體業(yè)務(wù)時(shí)，由于其帶寬需求大，在利用IMS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信時(shí)，MASP設(shè)備可能不能滿足業(yè)務(wù)承載要求，此時(shí)需要采取PTN方案，即在用戶網(wǎng)點(diǎn)放置PTN接入設(shè)備來解決。

結(jié)語

經(jīng)過分析，軟交換和IMS網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)安全性及Qos保證機(jī)制實(shí)現(xiàn)角度各不相同。在體系結(jié)構(gòu)方面，與軟交換相比IMS網(wǎng)絡(luò)的控制、承載分離更為徹底，媒體網(wǎng)關(guān)功能也相對(duì)較少。

在承載電力系統(tǒng)二次業(yè)務(wù)時(shí)，軟交換和IMS技術(shù)在滿足帶寬需求、時(shí)延特性方面的不同關(guān)鍵在于編解碼方式的不同。軟交換支持的語音編碼方式包括G.711編碼、G.729編碼、G.723.1編碼等，而IMS技術(shù)可支持自適應(yīng)多速率編碼方式。在安全性方面，軟交換和IMS技術(shù)都對(duì)設(shè)備安全和網(wǎng)絡(luò)安全進(jìn)行了規(guī)范，軟交換的網(wǎng)絡(luò)安全規(guī)范更多的是邏輯上業(yè)務(wù)的分離，IMS網(wǎng)絡(luò)安全規(guī)范物理隔離措施更多。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.09.014