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三個方面,對兩者業(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)時的帶寬、時延、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。針對這種情形,各地方電力公司紛紛推出用NGN技術(shù)對電力通信網(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)實現(xiàn)固定和移動核心網(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),從多個方面對軟交換、IMS在承載業(yè)務(wù)時的不同進(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。
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)計信息的收集和匯報功能,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。
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、接入層三個層面分別實現(xiàn)QoS保證機(jī)制。業(yè)務(wù)層在對業(yè)務(wù)流量進(jìn)行識別和分析的基礎(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)先級劃分等措施實現(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??刂泼娴腎MS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)實體和原理圖如圖1。在IMS網(wǎng)絡(luò)中,通過SBLP策略對媒體流進(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
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)實現(xiàn)較簡單。因此,下文中主要對話音業(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,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,必須對話音進(jìn)行編碼。
若某軟交換系統(tǒng)中電話用戶為n個,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,若承載網(wǎng)帶寬系數(shù)為d,則話音業(yè)務(wù)對承載網(wǎng)的帶寬需求為:
在一個實際行政電話交換網(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延越大。由于行政電話業(yè)務(wù)對時延要求較高,在實際應(yīng)用中需均衡編碼速率與編碼時延的影響。
時延
行政電話業(yè)務(wù)屬于實時性業(yè)務(wù),對時延的要求極為苛刻,語音單向時延對承載網(wǎng)的一般要求為≤100ms。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn),在NGN系統(tǒng)中,語音會話的端到端時延主要由媒體網(wǎng)關(guān)、路由交換設(shè)備和傳輸時延構(gòu)成,經(jīng)過進(jìn)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(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)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(jù)軟交換提供的語音編碼方式,對應(yīng)的編解碼時延及打包時延如表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,即打包時延為20ms。關(guān)于AMR的編解碼時延分析比較復(fù)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(tǒng)行政電話業(yè)務(wù)中,語音業(yè)務(wù)的傳輸時延主要包括在光纖中傳輸?shù)臅r延和傳輸設(shè)備中的時延。傳輸時延的計算公式如下:
式中:Tc表示業(yè)務(wù)在光纖中的傳輸時延,Ts表示業(yè)務(wù)在SDH單站設(shè)備中的傳輸時延,Ns表示SDH站點(diǎn)數(shù),Tw表示波分設(shè)備的時延,Nw表示波分站點(diǎn)數(shù)。
根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù),傳輸時延值往往較小,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(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時延和去抖時延兩部分。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(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,因此產(chǎn)生了去抖時延。去抖時延與網(wǎng)絡(luò)中引入的時延抖動有關(guān),根據(jù)A8010提供的數(shù)據(jù),去抖時延的平均值為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,從而減少去抖時延。
安全性
(1)設(shè)備安全
要實現(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的熱備份,還要求具有雙歸屬/多歸屬功能,在發(fā)生故障時由其他設(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)生故障時能自動分離并進(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,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,會導(dǎo)致軟交換系統(tǒng)訪問速度很慢,嚴(yán)重影響實時性要求較高的話音業(yè)務(wù)。
針對以上情況,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視頻會議業(yè)務(wù)。H.263是在H.261的基礎(chǔ)上針對低于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。
時延
根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù),視頻業(yè)務(wù)時延要求最好在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)對視頻傳輸時延的測試結(jié)果,影響時延的主要因素是編碼算法和MCU處理數(shù)據(jù)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(tǒng)中,一般網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)較少,MCU處理數(shù)據(jù)時延相對較小。因此,編碼算法是電力系統(tǒng)視頻業(yè)務(wù)時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)的低時延控制方法眾多,都能滿足相關(guān)業(yè)務(wù)時延要求,在實際應(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,由于其帶寬需求大,在利用IMS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信時,MASP設(shè)備可能不能滿足業(yè)務(wù)承載要求,此時需要采取PTN方案,即在用戶網(wǎng)點(diǎn)放置PTN接入設(shè)備來解決。
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)功能也相對較少。
在承載電力系統(tǒng)二次業(yè)務(wù)時,軟交換和IMS技術(shù)在滿足帶寬需求、時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