软交换及IMS承载电力二次系统业务指标分析

高 强 尹永飞

软交换及IMS承载电力二次系统业务指标分析

高 强 尹永飞

随着电网通信业务需求的加大，传统的电路交换技术难以满足电力通信发展的需要，能够提供多种业务的NGN技术被逐渐应用于电力通信网中。软交换和IMS技术是NGN发展的不同阶段，本文基于两者的技术原理差异，从媒体网关功能、安全指标、Qos三个方面，对两者业务承载特点进行了分析。本文结合电力二次系统业务特点，重点分析了软交换及IMS技术在承载行政电话业务、管理信息大区多媒体业务时的带宽、时延、安全性问题。

近年来，随着电网信息化水平的提高，电网通信业务需求进一步加大，传统的电路交换技术难以满足电力通信发展需要。针对这种情形，各地方电力公司纷纷推出用NGN技术对电力通信网进行改造的方案。软交换和IMS是NGN发展过程中的重要技术，它们均实现了控制与承载分离，分别是NGN的不同发展阶段。

目前，关于软交换与IMS技术的融合演进分析众多，各个行业也在积极开展软交换及IMS技术应用分析，如《利用软交换和IMS技术实现固定和移动核心网融合方法的研究》、《油田软交换到IMS网络的演进研究》等。

NGN技术代表了下一代通信网络的发展方向，也是电力通信网的发展方向。本文结合电力通信网内各业务特点，从多个方面对软交换、IMS在承载业务时的不同进行分析，为NGN技术在电力通信网的进一步应用提供参考。

软交换及IMS技术承载业务分析

媒体网关功能

在IMS网络中，由于控制、承载分离比较彻底，媒体网关功能较少，主要有编码功能、拥有并处理诸如回声消除之类的资源、与MGCF交互完成资源控制等。在软交换网络中，媒体网关的功能较多，除了IMS网络中的媒体网关功能外，还包括呼叫处理与控制功能、与软交换网络之间的维护和管理功能、分组语音的QoS管理功能、统计信息的收集和汇报功能，ATM功能等。

编码功能是软交换、IMS网络传输各类业务的基础，也是媒体网关不可或缺的部分。在软交换网络中，可支持的编码方式主要有G.711编码、G.729编码、G.723.1编码等。在IMS网络中，语音编码同样支持以上编码方式，另外还有GSM-FR编/译码器、AMR（自适应多速率）语音编/译码器；视频编码主要包括H.263编/译码器等。

安全指标

软交换重在从用户、设备安全的角度保证系统安全，关于设备的安全措施有设备认证、软交换设备自身可靠性、设备组网可靠性等；关于用户的安全措施有用户通信流量隔离、用户业务认证，用户信息隔离等。IMS主要从接入、网络两个层面保证系统安全，关于接入的安全措施有用户和网络的认证、机密性保护、完整性保护、网络拓扑隐藏等；关于网络域的安全措施有通过增加安全网关进行逐跳安全保护、使用NDS/IP密钥管理分配体系等，值得一提的是NDS/IP提供安全策略控制粒度，一般对安全域的所有业务使用相同的安全策略。

图1　IMS网络中QoS授权的网络实体和原理图

QoS

软交换主要从业务层、承载层、接入层三个层面分别实现QoS保证机制。业务层在对业务流量进行识别和分析的基础上，采用策略服务器进行流量的管理与控制。接入层通常采用用户流量限制、用户流量隔离、用户业务的优先级划分等措施实现QoS保证。承载层的QoS保证主要是基于IP网络的。在软交换中，一般采用IP QoS体系（集成服务模型IntServ、区分服务模型DiffServ等）和MPLS技术相结合的方法实现QoS保证。

IMS采用的是端到端的QoS，一般通过专有的UMTS网络从不同层面分别管理。控制面的IMS网络作为AF通过Gq接口提供需要的QoS信息给PDF，通过PDF转成UMTS网络提供的承载业务的QoS信息传递给核心网网关。IMS网络中QoS授权的网络实体和原理图如图1。在IMS网络中，通过SBLP策略对媒体流进行控制，基于在IMS控制信令中携带SDP媒体参数，SBLP机制图如图2。除UMTS网络提供QoS外，IMS也可与外网互通提供QoS，如采用与软交换类似的DiffServ、MPLS等。

表1　AMR-NB及AMR-WB编码速率表

图2　SBLP机制图

软交换及IMS技术对电力二次系统业务的承载

电力二次系统业务特点

电力二次系统可以分为生产控制大区和管理信息大区。根据电力二次系统安全分区的业务特点，生产控制大区中的业务系统具有高安全性和可靠性。根据相关标准，生产控制大区内禁止采用安全风险高的通用网络服务功能，禁止内部的E-Mail服务，禁止控制区内通用的WEB服务。经过分析，软交换技术和IMS技术并不适用于对此区业务的承载。

相比生产控制大区，管理信息大区的安全性、可靠性要求较低。且管理信息大区业务形式多样，除基本话音业务外，多媒体业务通信也非常多，因此，软交换技术和IMS技术在管理信息大区业务承载方面的应用较多。

管理信息大区业务主要包括话音业务、多媒体业务、数据业务三类。无论是在软交换网络中还是IMS网络中，话音业务和多媒体业务都是通过网关技术实现接入的，而信息数据业务一般直接接入承载网络，技术实现较简单。因此，下文中主要对话音业务、多媒体业务通信问题进行分析，关于多媒体业务的分析下文主要讨论视频业务通信问题。

行政电话业务承载分析

带宽

随着电力通信网的发展，行政电话业务功能逐渐增加，带宽需求也不断加大。根据相关文献，一般程控交换设备与软交换中继网间开通2M中继。另一方面，软交换系统中需要部署的电话用户有上百个，普通话音业务的固定分配带宽为2Mbit/s。因此，要适应行政电话业务不断发展的带宽需求，必须对话音进行编码。

若某软交换系统中电话用户为n个，每电话的平均发话话务量为a（erl），局内话务量占总话务量的b％，语音编码速率为c（kbit/s），则话音业务带宽占用公式如下：

在利用承载网传输业务时，若承载网带宽系数为d，则话音业务对承载网的带宽需求为：

在一个实际行政电话交换网络中，以上公式中的n、a、b％、d都是固定的。因此话音业务对承载网的带宽需求控制取决于编码方式的选择。

在软交换网络中，语音编码方式主要有G.711编码、G.729编码、G.723.1编码。G.711编码比特率为64kb/s；G.729编码比特率为8kb/s；G.723.1编码速率有高低速率之分，其中低速率为5.3kb/s，高速率为6.3kb/s。因此，在软交换网络中，G.723.1编码更加节省语音传送带宽。

在IMS网络中，所有3GPP IMS终端都支持AMR语音编/译码器。AMR属于可变多速率编码方式，分为AMR-NB（自适应多速率窄带）和AMR-WB（自适应多速率宽带）两种。AMR-NB及AMR-WB编码速率如表1（单位为kbit/s）。

需要注意的是，一般来说，编码速率越低意味着编码时延越大。由于行政电话业务对时延要求较高，在实际应用中需均衡编码速率与编码时延的影响。

时延

行政电话业务属于实时性业务，对时延的要求极为苛刻，语音单向时延对承载网的一般要求为≤100ms。根据相关文献，在NGN系统中，语音会话的端到端时延主要由媒体网关、路由交换设备和传输时延构成，经过进一步分解，可将时延分为编解码时延、打包时延、传输时延、路由交换设备转发时延、去抖时延几部分，其中前三部分属固定时延，后两部分属可变时延。

（1）固定时延

根据软交换提供的语音编码方式，对应的编解码时延及打包时延如表2。

在IMS网络中，AMR语音编码方式应用较多。AMR一帧为20ms，即打包时延为20ms。关于AMR的编解码时延分析比较复杂，目前各界纷纷对AMR时延缩短方法展开研究。

表2　各语音编码的编解码时延及打包时延汇总表

固定时延的另一个重要组成部分即传输时延，在电力二次系统行政电话业务中，语音业务的传输时延主要包括在光纤中传输的时延和传输设备中的时延。传输时延的计算公式如下：

式中：Tc表示业务在光纤中的传输时延，Ts表示业务在SDH单站设备中的传输时延，Ns表示SDH站点数，Tw表示波分设备的时延，Nw表示波分站点数。

根据相关数据，传输时延值往往较小，行政电话业务传输过程中产生的固定时延主要受编解码时延和打包时延的影响。

（2）可变时延

可变时延包括路由交换设备转发时延和去抖时延两部分。根据相关数据，路由交换设备转发时延很短，属微秒级，在时延分析中可忽略不计。

软交换及IMS体系的承载网均可以选择IP网络，在IP网络中，通常设置Jitter Buffer来吸收抖动，因此产生了去抖时延。去抖时延与网络中引入的时延抖动有关，根据A8010提供的数据，去抖时延的平均值为80ms，最大为200ms。目前，有多种技术可以降低语音通过网络引入的抖动，从而减少去抖时延。

安全性

（1）设备安全

要实现行政电话业务等通信功能，软交换设备和IMS提供了一定得安全机制，如流量控制、安全日志、防火墙等措施。

除以上措施外，软交换和IMS技术都对设备故障安全问题进行了规范。

根据相关文件，软交换技术通过设置备份机制解决设备故障引起的安全问题。不但要求设备支持IP接口单板间的热备份和软交换要支持端口级的热备份，还要求具有双归属/多归属功能，在发生故障时由其他设备承担故障设备所承担的业务。

IMS采取相似的设备故障安全解决方法，根据相关文件，IMS系统中的主要设备具有备份或“n+x”的冗余，保证在发生故障时能自动分离并进行倒换或进行系统再配置。

（2）网络安全

当行政电话业务在软交换网络中传输时，业务在IP网络上承载。IP网络是尽量而为的传输特性，当其他业务或网络病毒占用大量带宽时，会导致软交换系统访问速度很慢，严重影响实时性要求较高的话音业务。

针对以上情况，软交换网络采取的主要方法是在核心网络设备上部署MPLS-VPN技术，使软交换业务从逻辑上与其他业务分开。而在IMS网络中，一般采取业务物理隔离的方法，具体方法有IMS业务专线承载、在传输节点部署MSAP设备等。

管理信息大区多媒体业务承载分析

带宽

多媒体业务具有数据流量大、带宽需求大的特点。根据多媒体业务特点，业务带宽需求一般为单节点带宽4Mbit/s。要保证业务带宽需求，需要选择合适的编码机制。

在软交换及IMS网络中，常用的视频编解码方法有H.261、H.263等。H.261的传输码率为p*64 kbit/s，p=1，2，3……30，一般用于ISDN视频会议业务。H.263是在H.261的基础上针对低于64kbit/s视频压缩提出的标准，一般用于远程视频监控，可视电话，视频会议等业务。因此，H.263编解码方法应用范围更广，目前关于H.263比特率转码速率控制等方法正在被进一步研究。

时延

根据相关数据，视频业务时延要求最好在150ms内，一般不应超过400ms。视频业务的时延构成与行政电话业务相同，在此不再展开分析。

根据相关文献对视频传输时延的测试结果，影响时延的主要因素是编码算法和MCU处理数据能力，这两项对时延的影响占总时延的90％以上。在电力通信系统中，一般网络节点较少，MCU处理数据时延相对较小。因此，编码算法是电力系统视频业务时延的最主要影响因素。

软交换及IMS网络中常用的视频编解码方法有H.261、H.263等，目前相关的低时延控制方法众多，都能满足相关业务时延要求，在实际应用中可以参考相关方法。

安全性

多媒体业务的安全性问题与行政电话业务类似。需要指出的是，在传输多媒体业务时，由于其带宽需求大，在利用IMS网络进行通信时，MASP设备可能不能满足业务承载要求，此时需要采取PTN方案，即在用户网点放置PTN接入设备来解决。

结语

经过分析，软交换和IMS网络的系统安全性及Qos保证机制实现角度各不相同。在体系结构方面，与软交换相比IMS网络的控制、承载分离更为彻底，媒体网关功能也相对较少。

在承载电力系统二次业务时，软交换和IMS技术在满足带宽需求、时延特性方面的不同关键在于编解码方式的不同。软交换支持的语音编码方式包括G.711编码、G.729编码、G.723.1编码等，而IMS技术可支持自适应多速率编码方式。在安全性方面，软交换和IMS技术都对设备安全和网络安全进行了规范，软交换的网络安全规范更多的是逻辑上业务的分离，IMS网络安全规范物理隔离措施更多。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.09.014