承載電網IMS業(yè)務的網絡帶寬測算方法

卜憲德，曲振華，李炳林，田文鋒

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

1 引言

電網調度通信網作為重要的語音調度業(yè)務網，在電網生產和經營管理中發(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）等分組交換技術日益成熟、標準不斷完善、應用逐步普及，調度交換網的發(fā)展面臨著技術演進、網絡結構調整和設備更新等一系列挑戰(zhàn)。按照技術的發(fā)展方向，結合電網的實際發(fā)展需求，下一代調度交換網采用IMS技術體制，而調度數(shù)據(jù)網作為承載網絡，其性能決定了IMS業(yè)務的服務質量，因此需要根據(jù)IMS業(yè)務特征測算需要的傳輸帶寬，并根據(jù)話務模型預測對調度數(shù)據(jù)網的帶寬需求，以指導調度數(shù)據(jù)網的組網模式和建設模式。

2 IMS調度通信網絡架構

基于IMS技術的調度通信網以省級公司為單位單獨建設，采用扁平化組網模式，由IMS核心網、IMS接入網、調度數(shù)據(jù)網（省內調度數(shù)據(jù)網及省際調度數(shù)據(jù)網）及調度業(yè)務系統(tǒng)4部分組成，組網拓撲如圖1所示。調度數(shù)據(jù)網作為IMS行政交換業(yè)務的承載網絡，用于為調度通信業(yè)務實現(xiàn)IMS信令和媒體流數(shù)據(jù)傳輸。調度數(shù)據(jù)網由調度數(shù)據(jù)骨干網和省內調度數(shù)據(jù)網兩層組成，調度數(shù)據(jù)骨干網承載省際網絡間的數(shù)據(jù)流，省內調度數(shù)據(jù)網用于承載省內各地市公司間的調度業(yè)務數(shù)據(jù)流。IMS核心網之間的業(yè)務類型主要包括IMS跨省業(yè)務，主要通過調度數(shù)據(jù)骨干網承載；IMS核心網和接入網之間的業(yè)務類型主要包括IMS省內業(yè)務，主要通過省內調度數(shù)據(jù)網承載。因此，調度數(shù)據(jù)網絡的帶寬測算主要涉及省內調度數(shù)據(jù)骨干網和接入網節(jié)點之間（圖1中A點）以及省間調度數(shù)據(jù)網主節(jié)點之間（圖1中B點）的網絡帶寬需求。

IMS調度交換網承載的調度通信業(yè)務數(shù)據(jù)流包括信令流和媒體流兩類，且獨立傳輸，因此調度數(shù)據(jù)網帶寬需求的預測需要結合用戶規(guī)模和話務模型分別測算。

3 用戶規(guī)模預測

IMS業(yè)務對調度數(shù)據(jù)網的帶寬需求與用戶規(guī)模及話務模型相關，一般情況下（不含應急通信、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)務量也不同，本文只考慮正常情況下的IMS業(yè)務對調度數(shù)據(jù)網的帶寬需求。

IMS調度交換網用戶主要以各省公司調度中心、變電站及直調電廠調度人員為主，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)進行預測。據(jù)統(tǒng)計，2014年調度交換網現(xiàn)網運行設備總容量約為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網絡按照省級方式部署，各分部及屬地直屬單位用戶并入所在地省公司，經調研，各省公司調度通信業(yè)務用戶數(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)預計見表1，計算過程不再詳述。

表1 用戶數(shù)量規(guī)模預測值

圖1 IMS調度交換網組網架構

4 話務模型

由于調度交換網的主要用途是承載調度通信業(yè)務，它作為企業(yè)專網通信方式有其自身的特點，話務模型也有別于公網運營商。考慮到調度交換網的特點，結合電網實際的情況和調研數(shù)據(jù)，IMS調度交換網可采用以下話務模型作為網絡帶寬流量等的測算依據(jù)。

（1）基本業(yè)務話務模型

對于語音業(yè)務話務模型，在公網運營商中估算話務量、核算網絡帶寬時，普遍采用“忙時每用戶平均音頻話務量”，并結合“忙時每音頻呼叫平均占用時長”及“用戶數(shù)”來計算語音交換網絡整體的話務量。“忙時每用戶平均音頻話務量”通常取值為0.02 Erl（0.02 Erl是公網的經驗值）。針對電網調度通信業(yè)務特點，其忙時每用戶語音話務通常會比公網中的普通用戶高，因此將“忙時每用戶平均音頻話務量”取值0.01 Erl。“忙時每音頻呼叫平均占用時長”較公網中的60 s的經驗值稍高，取值為90 s（由于沒有現(xiàn)網的網管數(shù)據(jù)可提取，此處采用公網經驗估算的辦法）。同樣的情況適用于“忙時每用戶平均視頻話務量”，也認為在企業(yè)專網中視頻話務較公網中的經驗值0.002 Erl較低，取值0.001 Erl。“忙時每視頻呼叫平均占用時長”取值為180 s。

（2）話務比例模型

在計算網絡帶寬流量時，還需要考慮到整個網絡中的話務比例關系。根據(jù)公司目前調度交換網的現(xiàn)狀，并且考慮到在IMS網絡建成后，存在與現(xiàn)有電路交換網絡以及軟交換網絡的互通的過渡期，按照以下原則制定了話務比例模型：

·調度交換網的跨省通信業(yè)務很少，大部分為省內通信業(yè)務；

·除各省公司到總部的通話外，省公司之間的調度通信業(yè)務極少；

·話務流向較為單一、話務流量較為穩(wěn)定；

·各級公司至公網的調度通信業(yè)務很少，主要用于應急調度通信業(yè)務。

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用戶呼叫本網用戶、呼叫程控或軟交換用戶以及呼叫外網用戶的比例都選擇整個過渡期中可能的最高值進行計算。綜合以上因素，本次規(guī)劃采用的公司話務比例模型見表2。

表2 話務比例模型

（3）冗余系數(shù)

IMS網元容量配置測算時，為保證網絡的輕載性和安全性，需要考慮為網元容量和處理能力保留一定的冗余度，保障各網元在一定程度的非正常情況下也能正常運轉。IMS中提供業(yè)務的大部分網元，如CSCF、AGCF、MMTel、SBC等，統(tǒng)一冗余度取1.25（公網經驗值）；對于IMS中存儲數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫類網元，如HSS、ENUM/DNS等，統(tǒng)一冗余度取1.5（公網經驗值，由于存儲全網數(shù)據(jù)并對全網數(shù)據(jù)進行翻譯、轉換等處理，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調度交換網提供基本語音業(yè)務及多媒體業(yè)務，因此媒體流帶寬的測算包含語音及視頻兩部分業(yè)務數(shù)據(jù)流，其測算結果可作為IMS業(yè)務帶寬分配的依據(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度通信業(yè)務特性、網絡承載特性和業(yè)務實施策略都緊密相關。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，然后結合各端口的預測業(yè)務量及承載網利用率，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、承載網利用率、端到端業(yè)務量4個要素。

5.1.1 媒體流編碼格式及采樣周期

IMS業(yè)務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)務的通信質量和服務水平，國際電信聯(lián)盟組織（ITU-T）對基于H.263、H.264等標準視頻會話業(yè)務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)相關標準進行計算。

5.1.2 媒體流的帶寬需求

語音、視頻媒體流對承載網的需求，除了媒體流的凈載荷外，實際消耗的承載網絡資源帶寬還應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＋IP頭＋Ethernet頭＋有效載荷

5.1.3 媒體流帶寬測算方法

省內調度數(shù)據(jù)網的帶寬（即圖1中A點位置）主要決定于IMS核心網P-CSCF網元與IMS接入網設備SBC網元之間的業(yè)務數(shù)據(jù)，其媒體帶寬計算式如下：

A點網絡帶寬＝（（每用戶平均語音呼叫話務量×G.711帶寬需求＋每用戶平均視頻呼叫話務量×（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量=每線用戶Erl×語音呼叫比例；每用戶平均視頻呼叫話務量=每線用戶Erl×視頻呼叫比例。

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

B點網絡帶寬＝（（每用戶平均網間語音呼叫話務量×G.711帶寬需求）×用戶數(shù)）/冗余系數(shù)

其中：每用戶平均網間語音呼叫話務量=每用戶的呼叫話務量×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帶寬主要決定于接入設備業(yè)務數(shù)據(jù)，如AG/IAD等設備，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)務的質量，保證承載網一定的輕載特性，對承載網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 絡 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 網絡帶寬測算結果

結合各單位用戶規(guī)模，根據(jù)以上預測方法和話務模型，對各省調度數(shù)據(jù)網絡帶寬進行測算。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)上述調度數(shù)據(jù)網組網模型，按照IMS調度交換網話務模型，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，對調度數(shù)據(jù)網的進行帶寬壓力測試，觀測呼叫成功率、語音質量和視頻質量3個指標，并作為評價體系，測試結果為：呼叫成功率100%，語音質量MOS值為4.2，視頻質量為4.1。測試結果表明，根據(jù)本文帶寬預測方法，建立用于IMS調度通信業(yè)務的調度數(shù)據(jù)網絡，能夠滿足系統(tǒng)最大容量為3.36萬的需求，且語音質量和視頻質量能夠達到行業(yè)標準要求。

7 結束語

從理論角度給出了承載IMS行政交換業(yè)務的調度數(shù)據(jù)網帶寬測算方法，結合IMS業(yè)務數(shù)據(jù)流特點及用戶規(guī)模和話務模型，計算出了實際網絡帶寬需求，結合調度數(shù)據(jù)網建設要求，提出了IMS承載網的組網模式。在建設初期，若接入網采用公司信息內網承載IMS業(yè)務，需要對過渡期方案按照帶寬預測結果進行整體規(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/.