卜憲德，曲振華，李炳林，田文鋒

（1.國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，江蘇 南京210003；2.中國信息通信研究院，北京100191）

1 引言

電網(wǎng)調(diào)度通信網(wǎng)作為重要的語音調(diào)度業(yè)務(wù)網(wǎng)，在電網(wǎng)生產(chǎn)和經(jīng)營管理中發(fā)揮了重要作用。隨著軟交換、IP多媒體子系統(tǒng)（以下簡稱IMS）等分組交換技術(shù)日益成熟、標(biāo)準(zhǔn)不斷完善、應(yīng)用逐步普及，調(diào)度交換網(wǎng)的發(fā)展面臨著技術(shù)演進(jìn)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)調(diào)整和設(shè)備更新等一系列挑戰(zhàn)。按照技術(shù)的發(fā)展方向，結(jié)合電網(wǎng)的實際發(fā)展需求，下一代調(diào)度交換網(wǎng)采用IMS技術(shù)體制，而調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)作為承載網(wǎng)絡(luò)，其性能決定了IMS業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，因此需要根據(jù)IMS業(yè)務(wù)特征測算需要的傳輸帶寬，并根據(jù)話務(wù)模型預(yù)測對調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的帶寬需求，以指導(dǎo)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的組網(wǎng)模式和建設(shè)模式。

2 IMS調(diào)度通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

基于IMS技術(shù)的調(diào)度通信網(wǎng)以省級公司為單位單獨建設(shè)，采用扁平化組網(wǎng)模式，由IMS核心網(wǎng)、IMS接入網(wǎng)、調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)（省內(nèi)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)及省際調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)）及調(diào)度業(yè)務(wù)系統(tǒng)4部分組成，組網(wǎng)拓?fù)淙鐖D1所示。調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)作為IMS行政交換業(yè)務(wù)的承載網(wǎng)絡(luò)，用于為調(diào)度通信業(yè)務(wù)實現(xiàn)IMS信令和媒體流數(shù)據(jù)傳輸。調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)由調(diào)度數(shù)據(jù)骨干網(wǎng)和省內(nèi)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)兩層組成，調(diào)度數(shù)據(jù)骨干網(wǎng)承載省際網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)流，省內(nèi)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)用于承載省內(nèi)各地市公司間的調(diào)度業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流。IMS核心網(wǎng)之間的業(yè)務(wù)類型主要包括IMS跨省業(yè)務(wù)，主要通過調(diào)度數(shù)據(jù)骨干網(wǎng)承載；IMS核心網(wǎng)和接入網(wǎng)之間的業(yè)務(wù)類型主要包括IMS省內(nèi)業(yè)務(wù)，主要通過省內(nèi)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)承載。因此，調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的帶寬測算主要涉及省內(nèi)調(diào)度數(shù)據(jù)骨干網(wǎng)和接入網(wǎng)節(jié)點之間（圖1中A點）以及省間調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)主節(jié)點之間（圖1中B點）的網(wǎng)絡(luò)帶寬需求。

IMS調(diào)度交換網(wǎng)承載的調(diào)度通信業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流包括信令流和媒體流兩類，且獨立傳輸，因此調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)帶寬需求的預(yù)測需要結(jié)合用戶規(guī)模和話務(wù)模型分別測算。

3 用戶規(guī)模預(yù)測

IMS業(yè)務(wù)對調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的帶寬需求與用戶規(guī)模及話務(wù)模型相關(guān)，一般情況下（不含應(yīng)急通信、事故演練等情況），與用戶規(guī)模成正比，另外，不同時段下的IMS業(yè)務(wù)量也不同，本文只考慮正常情況下的IMS業(yè)務(wù)對調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的帶寬需求。

IMS調(diào)度交換網(wǎng)用戶主要以各省公司調(diào)度中心、變電站及直調(diào)電廠調(diào)度人員為主，具有穩(wěn)定增長的趨勢，因此可以采用平滑指數(shù)法對未來用戶數(shù)進(jìn)行預(yù)測。據(jù)統(tǒng)計，2014年調(diào)度交換網(wǎng)現(xiàn)網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備總?cè)萘考s為80.61萬線，實裝用戶約為28.53萬線，平均實裝率為35.39%，另外由于IMS網(wǎng)絡(luò)按照省級方式部署，各分部及屬地直屬單位用戶并入所在地省公司，經(jīng)調(diào)研，各省公司調(diào)度通信業(yè)務(wù)用戶數(shù)最大值為3.36萬，最小值為0.36萬。根據(jù)上述計算模型，未來3年的用戶數(shù)預(yù)計見表1，計算過程不再詳述。

表1 用戶數(shù)量規(guī)模預(yù)測值

圖1 IMS調(diào)度交換網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)

4 話務(wù)模型

由于調(diào)度交換網(wǎng)的主要用途是承載調(diào)度通信業(yè)務(wù)，它作為企業(yè)專網(wǎng)通信方式有其自身的特點，話務(wù)模型也有別于公網(wǎng)運(yùn)營商。考慮到調(diào)度交換網(wǎng)的特點，結(jié)合電網(wǎng)實際的情況和調(diào)研數(shù)據(jù)，IMS調(diào)度交換網(wǎng)可采用以下話務(wù)模型作為網(wǎng)絡(luò)帶寬流量等的測算依據(jù)。

（1）基本業(yè)務(wù)話務(wù)模型

對于語音業(yè)務(wù)話務(wù)模型，在公網(wǎng)運(yùn)營商中估算話務(wù)量、核算網(wǎng)絡(luò)帶寬時，普遍采用“忙時每用戶平均音頻話務(wù)量”，并結(jié)合“忙時每音頻呼叫平均占用時長”及“用戶數(shù)”來計算語音交換網(wǎng)絡(luò)整體的話務(wù)量。“忙時每用戶平均音頻話務(wù)量”通常取值為0.02 Erl（0.02 Erl是公網(wǎng)的經(jīng)驗值）。針對電網(wǎng)調(diào)度通信業(yè)務(wù)特點，其忙時每用戶語音話務(wù)通常會比公網(wǎng)中的普通用戶高，因此將“忙時每用戶平均音頻話務(wù)量”取值0.01 Erl?！懊r每音頻呼叫平均占用時長”較公網(wǎng)中的60 s的經(jīng)驗值稍高，取值為90 s（由于沒有現(xiàn)網(wǎng)的網(wǎng)管數(shù)據(jù)可提取，此處采用公網(wǎng)經(jīng)驗估算的辦法）。同樣的情況適用于“忙時每用戶平均視頻話務(wù)量”，也認(rèn)為在企業(yè)專網(wǎng)中視頻話務(wù)較公網(wǎng)中的經(jīng)驗值0.002 Erl較低，取值0.001 Erl?！懊r每視頻呼叫平均占用時長”取值為180 s。

（2）話務(wù)比例模型

在計算網(wǎng)絡(luò)帶寬流量時，還需要考慮到整個網(wǎng)絡(luò)中的話務(wù)比例關(guān)系。根據(jù)公司目前調(diào)度交換網(wǎng)的現(xiàn)狀，并且考慮到在IMS網(wǎng)絡(luò)建成后，存在與現(xiàn)有電路交換網(wǎng)絡(luò)以及軟交換網(wǎng)絡(luò)的互通的過渡期，按照以下原則制定了話務(wù)比例模型：

·調(diào)度交換網(wǎng)的跨省通信業(yè)務(wù)很少，大部分為省內(nèi)通信業(yè)務(wù)；

·除各省公司到總部的通話外，省公司之間的調(diào)度通信業(yè)務(wù)極少；

·話務(wù)流向較為單一、話務(wù)流量較為穩(wěn)定；

·各級公司至公網(wǎng)的調(diào)度通信業(yè)務(wù)很少，主要用于應(yīng)急調(diào)度通信業(yè)務(wù)。

另外考慮到原程控用戶或軟交換用戶在割接到IMS系統(tǒng)時，基本都采用整局割接的方式，因此割接后IMS用戶與原有程控或軟交換用戶的互通比例相對會較小。但同時又考慮到整個用戶割接是一個比較長的過程，因此IMS用戶呼叫本網(wǎng)用戶、呼叫程控或軟交換用戶以及呼叫外網(wǎng)用戶的比例都選擇整個過渡期中可能的最高值進(jìn)行計算。綜合以上因素，本次規(guī)劃采用的公司話務(wù)比例模型見表2。

表2 話務(wù)比例模型

（3）冗余系數(shù)

IMS網(wǎng)元容量配置測算時，為保證網(wǎng)絡(luò)的輕載性和安全性，需要考慮為網(wǎng)元容量和處理能力保留一定的冗余度，保障各網(wǎng)元在一定程度的非正常情況下也能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。IMS中提供業(yè)務(wù)的大部分網(wǎng)元，如CSCF、AGCF、MMTel、SBC等，統(tǒng)一冗余度取1.25（公網(wǎng)經(jīng)驗值）；對于IMS中存儲數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫類網(wǎng)元，如HSS、ENUM/DNS等，統(tǒng)一冗余度取1.5（公網(wǎng)經(jīng)驗值，由于存儲全網(wǎng)數(shù)據(jù)并對全網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行翻譯、轉(zhuǎn)換等處理，因此一般取1.5的冗余度）。

5 帶寬測算

5.1 媒體流帶寬測算

IMS調(diào)度交換網(wǎng)提供基本語音業(yè)務(wù)及多媒體業(yè)務(wù)，因此媒體流帶寬的測算包含語音及視頻兩部分業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流，其測算結(jié)果可作為IMS業(yè)務(wù)帶寬分配的依據(jù)。媒體流的測算方法原理如圖2所示。

圖2 媒體流帶寬測算方法

媒體流帶寬的測算與調(diào)度通信業(yè)務(wù)特性、網(wǎng)絡(luò)承載特性和業(yè)務(wù)實施策略都緊密相關(guān)。媒體流的測算方法是：通過典型的語音和視頻壓縮編碼算法以及報文封裝格式，計算得出語音以及視頻的帶寬需求，然后結(jié)合各端口的預(yù)測業(yè)務(wù)量及承載網(wǎng)利用率，最后計算得出各端口的媒體流帶寬。因此媒體流帶寬測算方法中涉及以下要素：媒體流壓縮算法、報文封裝格式、承載網(wǎng)利用率、端到端業(yè)務(wù)量4個要素。

5.1.1 媒體流編碼格式及采樣周期

IMS業(yè)務(wù)媒體流包括語音和視頻兩種格式。

（1）語音編碼

常用的語音編碼包括G.711、G.729、G.723等，每種編碼算法都有不同的比特速率和采樣周期。

（2）視頻編碼

為保證視頻會話業(yè)務(wù)的通信質(zhì)量和服務(wù)水平，國際電信聯(lián)盟組織（ITU-T）對基于H.263、H.264等標(biāo)準(zhǔn)視頻會話業(yè)務(wù)的媒體流帶寬速率是有要求的。如H.263視頻編碼的每秒比特參考數(shù)為384 KB,打包周期為20 ms，其他碼格式媒體流速率及打包周期可依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計算。

5.1.2 媒體流的帶寬需求

語音、視頻媒體流對承載網(wǎng)的需求，除了媒體流的凈載荷外，實際消耗的承載網(wǎng)絡(luò)資源帶寬還應(yīng)該包括承載層封裝的開銷。一個典型的IP語音/視頻分組報文的封裝格式如下：

分組長度＝RTP頭＋UDP頭＋I(xiàn)P頭＋Ethernet頭＋有效載荷

5.1.3 媒體流帶寬測算方法

省內(nèi)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的帶寬（即圖1中A點位置）主要決定于IMS核心網(wǎng)P-CSCF網(wǎng)元與IMS接入網(wǎng)設(shè)備SBC網(wǎng)元之間的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，其媒體帶寬計算式如下：

A點網(wǎng)絡(luò)帶寬＝（（每用戶平均語音呼叫話務(wù)量×G.711帶寬需求＋每用戶平均視頻呼叫話務(wù)量×（G.711帶寬需求＋H.263帶寬需求））×用戶數(shù)）/冗余系數(shù)

其中：每用戶平均語音呼叫話務(wù)量=每線用戶Erl×語音呼叫比例；每用戶平均視頻呼叫話務(wù)量=每線用戶Erl×視頻呼叫比例。

調(diào)度數(shù)據(jù)骨干網(wǎng)的帶寬（即圖1中B點位置）主要決定于IMS核心網(wǎng)MGW網(wǎng)元和其他域IMS核心網(wǎng)I-CSCF網(wǎng)元之間的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，其媒體帶寬計算式如下：

B點網(wǎng)絡(luò)帶寬＝（（每用戶平均網(wǎng)間語音呼叫話務(wù)量×G.711帶寬需求）×用戶數(shù)）/冗余系數(shù)

其中：每用戶平均網(wǎng)間語音呼叫話務(wù)量=每用戶的呼叫話務(wù)量×語音呼叫的比例×IMS與CS域的互通呼叫占語音呼叫比。

同理，對于縣級與地級公司接入網(wǎng)帶寬主要決定于接入設(shè)備業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，如AG/IAD等設(shè)備，其媒體帶寬計算方法如下：

AG/IAD媒體帶寬＝（（每用戶平均語音呼叫話務(wù)量×G.711帶寬需求）×用戶數(shù)）/冗余系數(shù)

此外，為了確保IMS業(yè)務(wù)的質(zhì)量，保證承載網(wǎng)一定的輕載特性，對承載網(wǎng)的帶寬需求還需要考慮一定程度的冗余，一般冗余系數(shù)取70%。

5.2 信令流帶寬測算

IMS網(wǎng) 絡(luò) 的 主 要 信 令 協(xié) 議 包 括SIP、SDP、Diameter、H.248、RTP/RTCP、XCAP、TLS和IPSec等。IMS信令產(chǎn)生的帶寬較小，與媒體流相比較約占媒體流帶寬需求的1%左右。

5.3 網(wǎng)絡(luò)帶寬測算結(jié)果

結(jié)合各單位用戶規(guī)模，根據(jù)以上預(yù)測方法和話務(wù)模型，對各省調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬進(jìn)行測算。用戶數(shù)量按照最大用戶數(shù)3.60萬戶，代入計算，A節(jié)點最大帶寬需求為0.25 Gbit/s，B節(jié)點最大帶寬需求為0.041 Gbit/s。

6 測試驗證

根據(jù)上述調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)組網(wǎng)模型，按照IMS調(diào)度交換網(wǎng)話務(wù)模型，采用系統(tǒng)最大容量10.86萬，語音編解碼采用G.729，圖像編解碼采用H.264，持續(xù)呼叫1 h，對調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的進(jìn)行帶寬壓力測試，觀測呼叫成功率、語音質(zhì)量和視頻質(zhì)量3個指標(biāo)，并作為評價體系，測試結(jié)果為：呼叫成功率100%，語音質(zhì)量MOS值為4.2，視頻質(zhì)量為4.1。測試結(jié)果表明，根據(jù)本文帶寬預(yù)測方法，建立用于IMS調(diào)度通信業(yè)務(wù)的調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，能夠滿足系統(tǒng)最大容量為3.36萬的需求，且語音質(zhì)量和視頻質(zhì)量能夠達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

7 結(jié)束語

從理論角度給出了承載IMS行政交換業(yè)務(wù)的調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)帶寬測算方法，結(jié)合IMS業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流特點及用戶規(guī)模和話務(wù)模型，計算出了實際網(wǎng)絡(luò)帶寬需求，結(jié)合調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)建設(shè)要求，提出了IMS承載網(wǎng)的組網(wǎng)模式。在建設(shè)初期，若接入網(wǎng)采用公司信息內(nèi)網(wǎng)承載IMS業(yè)務(wù)，需要對過渡期方案按照帶寬預(yù)測結(jié)果進(jìn)行整體規(guī)劃。

[1]Charging implications of IMS architecture:3GPP.TR 23.815.2002[S/OL].[2012-09-12].http://www.tech-invite.com/3m23/tinv-3gpp-23-815.html.

[2]Signaling flows for the session setup in the IMS based on SIP and SDP:3GPP.TS24.930:2006[S/OL].[2011-03-23].http://www.3gpp.org/DynaReport/24930.htm.

[3]Service requirements for the IP multimedia core network subsystem:3GPP.TS22.228:2003[S/OL].[2014-09-17].http://www.3gpp.org/DynaReport/23228.htm.

[4]Technical specification group core network;numbering,addressing and identification:3GPP.TS23.003.2006[S/OL].[2011-03-23].http://www.3gpp.org/DynaReport/23003.htm.

[5]Voice call continuty(VCC)between circuit switched(CS)and IP multimedia subsystem(IMS,Stage 2):3GPP.TS23.206:2006[S/OL].[2012-09-12].http://www.3gpp.org/DynaReport/23206.htm.

[6]ROSENBERG J,SCHULZRINNE H,CAMARILLO G,et al.SIP:session initiation protocol,RFC 3261,2002.[S/OL].[2015-12-07].https://datatracker.ietf.org/doc/rfc3261/.