軟交換及IMS承載電力二次系統業務指標分析

高 強 尹永飛

軟交換及IMS承載電力二次系統業務指標分析

高 強 尹永飛

隨著電網通信業務需求的加大，傳統的電路交換技術難以滿足電力通信發展的需要，能夠提供多種業務的NGN技術被逐漸應用于電力通信網中。軟交換和IMS技術是NGN發展的不同階段，本文基于兩者的技術原理差異，從媒體網關功能、安全指標、Qos三個方面，對兩者業務承載特點進行了分析。本文結合電力二次系統業務特點，重點分析了軟交換及IMS技術在承載行政電話業務、管理信息大區多媒體業務時的帶寬、時延、安全性問題。

近年來，隨著電網信息化水平的提高，電網通信業務需求進一步加大，傳統的電路交換技術難以滿足電力通信發展需要。針對這種情形，各地方電力公司紛紛推出用NGN技術對電力通信網進行改造的方案。軟交換和IMS是NGN發展過程中的重要技術，它們均實現了控制與承載分離，分別是NGN的不同發展階段。

目前，關于軟交換與IMS技術的融合演進分析眾多，各個行業也在積極開展軟交換及IMS技術應用分析，如《利用軟交換和IMS技術實現固定和移動核心網融合方法的研究》、《油田軟交換到IMS網絡的演進研究》等。

NGN技術代表了下一代通信網絡的發展方向，也是電力通信網的發展方向。本文結合電力通信網內各業務特點，從多個方面對軟交換、IMS在承載業務時的不同進行分析，為NGN技術在電力通信網的進一步應用提供參考。

軟交換及IMS技術承載業務分析

媒體網關功能

在IMS網絡中，由于控制、承載分離比較徹底，媒體網關功能較少，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。在軟交換網絡中，媒體網關的功能較多，除了IMS網絡中的媒體網關功能外，還包括呼叫處理與控制功能、與軟交換網絡之間的維護和管理功能、分組語音的QoS管理功能、統計信息的收集和匯報功能，ATM功能等。

編碼功能是軟交換、IMS網絡傳輸各類業務的基礎，也是媒體網關不可或缺的部分。在軟交換網絡中，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網絡中，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

軟交換重在從用戶、設備安全的角度保證系統安全，關于設備的安全措施有設備認證、軟交換設備自身可靠性、設備組網可靠性等；關于用戶的安全措施有用戶通信流量隔離、用戶業務認證，用戶信息隔離等。IMS主要從接入、網絡兩個層面保證系統安全，關于接入的安全措施有用戶和網絡的認證、機密性保護、完整性保護、網絡拓撲隱藏等；關于網絡域的安全措施有通過增加安全網關進行逐跳安全保護、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，一般對安全域的所有業務使用相同的安全策略。

圖1　IMS網絡中QoS授權的網絡實體和原理圖

QoS

軟交換主要從業務層、承載層、接入層三個層面分別實現QoS保證機制。業務層在對業務流量進行識別和分析的基礎上，采用策略服務器進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、用戶業務的優先級劃分等措施實現QoS保證。承載層的QoS保證主要是基于IP網絡的。在軟交換中，一般采用IP QoS體系（集成服務模型IntServ、區分服務模型DiffServ等）和MPLS技術相結合的方法實現QoS保證。

IMS采用的是端到端的QoS，一般通過專有的UMTS網絡從不同層面分別管理。控制面的IMS網絡作為AF通過Gq接口提供需要的QoS信息給PDF，通過PDF轉成UMTS網絡提供的承載業務的QoS信息傳遞給核心網網關。IMS網絡中QoS授權的網絡實體和原理圖如圖1。在IMS網絡中，通過SBLP策略對媒體流進行控制，基于在IMS控制信令中攜帶SDP媒體參數，SBLP機制圖如圖2。除UMTS網絡提供QoS外，IMS也可與外網互通提供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機制圖

軟交換及IMS技術對電力二次系統業務的承載

電力二次系統業務特點

電力二次系統可以分為生產控制大區和管理信息大區。根據電力二次系統安全分區的業務特點，生產控制大區中的業務系統具有高安全性和可靠性。根據相關標準，生產控制大區內禁止采用安全風險高的通用網絡服務功能，禁止內部的E-Mail服務，禁止控制區內通用的WEB服務。經過分析，軟交換技術和IMS技術并不適用于對此區業務的承載。

相比生產控制大區，管理信息大區的安全性、可靠性要求較低。且管理信息大區業務形式多樣，除基本話音業務外，多媒體業務通信也非常多，因此，軟交換技術和IMS技術在管理信息大區業務承載方面的應用較多。

管理信息大區業務主要包括話音業務、多媒體業務、數據業務三類。無論是在軟交換網絡中還是IMS網絡中，話音業務和多媒體業務都是通過網關技術實現接入的，而信息數據業務一般直接接入承載網絡，技術實現較簡單。因此，下文中主要對話音業務、多媒體業務通信問題進行分析，關于多媒體業務的分析下文主要討論視頻業務通信問題。

行政電話業務承載分析

帶寬

隨著電力通信網的發展，行政電話業務功能逐漸增加，帶寬需求也不斷加大。根據相關文獻，一般程控交換設備與軟交換中繼網間開通2M中繼。另一方面，軟交換系統中需要部署的電話用戶有上百個，普通話音業務的固定分配帶寬為2Mbit/s。因此，要適應行政電話業務不斷發展的帶寬需求，必須對話音進行編碼。

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

在利用承載網傳輸業務時，若承載網帶寬系數為d，則話音業務對承載網的帶寬需求為：

在一個實際行政電話交換網絡中，以上公式中的n、a、b％、d都是固定的。因此話音業務對承載網的帶寬需求控制取決于編碼方式的選擇。

在軟交換網絡中，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，在軟交換網絡中，G.723.1編碼更加節省語音傳送帶寬。

在IMS網絡中，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（自適應多速率窄帶）和AMR-WB（自適應多速率寬帶）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延越大。由于行政電話業務對時延要求較高，在實際應用中需均衡編碼速率與編碼時延的影響。

時延

行政電話業務屬于實時性業務，對時延的要求極為苛刻，語音單向時延對承載網的一般要求為≤100ms。根據相關文獻，在NGN系統中，語音會話的端到端時延主要由媒體網關、路由交換設備和傳輸時延構成，經過進一步分解，可將時延分為編解碼時延、打包時延、傳輸時延、路由交換設備轉發時延、去抖時延幾部分，其中前三部分屬固定時延，后兩部分屬可變時延。

（1）固定時延

根據軟交換提供的語音編碼方式，對應的編解碼時延及打包時延如表2。

在IMS網絡中，AMR語音編碼方式應用較多。AMR一幀為20ms，即打包時延為20ms。關于AMR的編解碼時延分析比較復雜，目前各界紛紛對AMR時延縮短方法展開研究。

表2　各語音編碼的編解碼時延及打包時延匯總表

固定時延的另一個重要組成部分即傳輸時延，在電力二次系統行政電話業務中，語音業務的傳輸時延主要包括在光纖中傳輸的時延和傳輸設備中的時延。傳輸時延的計算公式如下：

式中：Tc表示業務在光纖中的傳輸時延，Ts表示業務在SDH單站設備中的傳輸時延，Ns表示SDH站點數，Tw表示波分設備的時延，Nw表示波分站點數。

根據相關數據，傳輸時延值往往較小，行政電話業務傳輸過程中產生的固定時延主要受編解碼時延和打包時延的影響。

（2）可變時延

可變時延包括路由交換設備轉發時延和去抖時延兩部分。根據相關數據，路由交換設備轉發時延很短，屬微秒級，在時延分析中可忽略不計。

軟交換及IMS體系的承載網均可以選擇IP網絡，在IP網絡中，通常設置Jitter Buffer來吸收抖動，因此產生了去抖時延。去抖時延與網絡中引入的時延抖動有關，根據A8010提供的數據，去抖時延的平均值為80ms，最大為200ms。目前，有多種技術可以降低語音通過網絡引入的抖動，從而減少去抖時延。

安全性

（1）設備安全

要實現行政電話業務等通信功能，軟交換設備和IMS提供了一定得安全機制，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技術都對設備故障安全問題進行了規范。

根據相關文件，軟交換技術通過設置備份機制解決設備故障引起的安全問題。不但要求設備支持IP接口單板間的熱備份和軟交換要支持端口級的熱備份，還要求具有雙歸屬/多歸屬功能，在發生故障時由其他設備承擔故障設備所承擔的業務。

IMS采取相似的設備故障安全解決方法，根據相關文件，IMS系統中的主要設備具有備份或“n+x”的冗余，保證在發生故障時能自動分離并進行倒換或進行系統再配置。

（2）網絡安全

當行政電話業務在軟交換網絡中傳輸時，業務在IP網絡上承載。IP網絡是盡量而為的傳輸特性，當其他業務或網絡病毒占用大量帶寬時，會導致軟交換系統訪問速度很慢，嚴重影響實時性要求較高的話音業務。

針對以上情況，軟交換網絡采取的主要方法是在核心網絡設備上部署MPLS-VPN技術，使軟交換業務從邏輯上與其他業務分開。而在IMS網絡中，一般采取業務物理隔離的方法，具體方法有IMS業務專線承載、在傳輸節點部署MSAP設備等。

管理信息大區多媒體業務承載分析

帶寬

多媒體業務具有數據流量大、帶寬需求大的特點。根據多媒體業務特點，業務帶寬需求一般為單節點帶寬4Mbit/s。要保證業務帶寬需求，需要選擇合適的編碼機制。

在軟交換及IMS網絡中，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視頻會議業務。H.263是在H.261的基礎上針對低于64kbit/s視頻壓縮提出的標準，一般用于遠程視頻監控，可視電話，視頻會議等業務。因此，H.263編解碼方法應用范圍更廣，目前關于H.263比特率轉碼速率控制等方法正在被進一步研究。

時延

根據相關數據，視頻業務時延要求最好在150ms內，一般不應超過400ms。視頻業務的時延構成與行政電話業務相同，在此不再展開分析。

根據相關文獻對視頻傳輸時延的測試結果，影響時延的主要因素是編碼算法和MCU處理數據能力，這兩項對時延的影響占總時延的90％以上。在電力通信系統中，一般網絡節點較少，MCU處理數據時延相對較小。因此，編碼算法是電力系統視頻業務時延的最主要影響因素。

軟交換及IMS網絡中常用的視頻編解碼方法有H.261、H.263等，目前相關的低時延控制方法眾多，都能滿足相關業務時延要求，在實際應用中可以參考相關方法。

安全性

多媒體業務的安全性問題與行政電話業務類似。需要指出的是，在傳輸多媒體業務時，由于其帶寬需求大，在利用IMS網絡進行通信時，MASP設備可能不能滿足業務承載要求，此時需要采取PTN方案，即在用戶網點放置PTN接入設備來解決。

結語

經過分析，軟交換和IMS網絡的系統安全性及Qos保證機制實現角度各不相同。在體系結構方面，與軟交換相比IMS網絡的控制、承載分離更為徹底，媒體網關功能也相對較少。

在承載電力系統二次業務時，軟交換和IMS技術在滿足帶寬需求、時延特性方面的不同關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技術可支持自適應多速率編碼方式。在安全性方面，軟交換和IMS技術都對設備安全和網絡安全進行了規范，軟交換的網絡安全規范更多的是邏輯上業務的分離，IMS網絡安全規范物理隔離措施更多。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.09.014