漳衛(wèi)南局水利專網(wǎng)通信系統(tǒng)IP化演進探索

毛貴臻，王雅偉，楊 晶

（海河水利委員會漳衛(wèi)南運河管理局，山東 德州 253009）

1 引言

《水利系統(tǒng)通信業(yè)務(wù)導(dǎo)則》（SL/T 292-2020）中明確了“水利系統(tǒng)通信業(yè)務(wù)（Telecommunication Service of Water Sector）應(yīng)用主要包括自動監(jiān)測傳輸、語音通信、視頻會商、視頻監(jiān)控、應(yīng)急通信、預(yù)警反饋、計算機通信網(wǎng)絡(luò)等”[1]。

水利系統(tǒng)通信網(wǎng)（Water Sector Communication Network）是由水利部門自建和利用公網(wǎng)等其他通信資源組建的水利系統(tǒng)通信業(yè)務(wù)信息傳送網(wǎng)絡(luò)，是水利基礎(chǔ)設(shè)施重要組成部分。水利系統(tǒng)通信網(wǎng)設(shè)計與建設(shè)應(yīng)包括通信站網(wǎng)點布設(shè)、通信方式、組網(wǎng)方案、通信容量等技術(shù)內(nèi)容，應(yīng)滿足水利語音、數(shù)據(jù)、圖像等業(yè)務(wù)信息的傳輸需求。

2 需求推動IP化進程

傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)需要為每種業(yè)務(wù)建設(shè)專用的承載平臺，業(yè)務(wù)資源難以融合、共享，信息系統(tǒng)運維部門必須同時維護多個承載平臺，造成建網(wǎng)成本和維護力量雙重浪費。

（1）網(wǎng)絡(luò)融合需求。IP 技術(shù)采用不面向連接的工作方式，簡化了信令，克服了節(jié)點設(shè)備復(fù)雜化問題，建網(wǎng)成本大幅下降，可實現(xiàn)對包括話音在內(nèi)的所有現(xiàn)存業(yè)務(wù)的綜合承載。

（2）業(yè)務(wù)融合需求。目前，除傳統(tǒng)的電路交換話音業(yè)務(wù)外，其他多媒體業(yè)務(wù)基本都基于IP 協(xié)議，這使得包括話音在內(nèi)的主要通信業(yè)務(wù)都可以基于IP協(xié)議實現(xiàn)，通信網(wǎng)絡(luò)的IP化已是大勢所趨。

3 通信系統(tǒng)IP化的優(yōu)勢

水利通信全IP 網(wǎng)絡(luò)的目標是使通信網(wǎng)絡(luò)從接入側(cè)到核心側(cè)實現(xiàn)全線IP 化，站點與站點、站點與核心單元全部通過IP地址而非傳統(tǒng)的E1（歐洲標準2.048 Mbps）或T1（北美標準1.548 Mbps）通信。

全IP 網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下方面：第一，與IP技術(shù)密切融合，使網(wǎng)絡(luò)獲得極大的延展性，便于搭載各類新業(yè)務(wù)，降低運營商的重復(fù)投資及運維成本。第二，兼容多種接入方式，并且提供高性能的移動管理機制，使用戶能夠靈活自由地選擇接入終端。第三，具有高可靠性的安全機制，為用戶提供高質(zhì)量服務(wù)的同時，保障用戶信息的私密性。

4 水利專網(wǎng)IP化的關(guān)鍵問題

漳衛(wèi)南運河管理局（以下簡稱漳衛(wèi)南局）下轄10個二級單位和35個三級單位，分布于冀、魯、豫3省10市28個縣（市），已在所有水管單位建設(shè)有水利通信專網(wǎng)，為水利工作提供語音、數(shù)據(jù)、圖像等信息傳輸和交換的支撐服務(wù)[2]。在覆蓋全漳衛(wèi)南運河流域的龐大通信網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)IP 化變革是一項非常具有挑戰(zhàn)性的系統(tǒng)工程，必須著力解決好4個關(guān)鍵問題。

（1）要平衡業(yè)務(wù)部署的靈活性和穩(wěn)定性，打造可運營、可管理、可控制的IP化網(wǎng)絡(luò)。因此，漳衛(wèi)南局信息中心必須開發(fā)強有力的網(wǎng)管支撐手段，通過帶外網(wǎng)管手段來保障對節(jié)點、網(wǎng)絡(luò)的實際深度控制能力。

（2）要平衡考慮網(wǎng)絡(luò)性能和復(fù)雜性，保證IP 化網(wǎng)絡(luò)的QoS（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量）。在引入多種電信網(wǎng)絡(luò)理念的同時，如面向連接的MPLS（Multi-Protocol Label Switching，多協(xié)議標簽交換）改造、資源預(yù)約或者核算機制、冗余體制化設(shè)計等，必須綜合考慮其所帶來的復(fù)雜性，避免重蹈ATM（異步傳輸模式）覆轍。

（3）要平衡安全程度和系統(tǒng)資源占用量之間的關(guān)系，保障IP化網(wǎng)絡(luò)的安全性。互聯(lián)網(wǎng)是IP化網(wǎng)絡(luò)的先例，其最大的問題就是安全性。雖然水利專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)IP化絕不等同于Internet網(wǎng)絡(luò)化，但是各種終端的高度智能化及網(wǎng)絡(luò)的多業(yè)務(wù)提供能力使得通過終端發(fā)動攻擊變得十分容易，而且應(yīng)用和承載的不對應(yīng)（面向非連接）使得識別和防范非法用戶變得更加困難。

（4）要平衡技術(shù)可靠性和成本之間的關(guān)系，保障網(wǎng)絡(luò)的高可靠性。“水利通信網(wǎng)應(yīng)在暴雨、洪水、臺風(fēng)等嚴重自然災(zāi)害情況下保障通信暢通”的特殊需要，使水利專網(wǎng)對通信業(yè)務(wù)提出了遠高于運營商的可靠性要求，IP 化網(wǎng)絡(luò)需要提高設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、冗余單元倒換的可靠性。然而，IP 設(shè)備性能的不斷提高和新技術(shù)的引入總是受到各種因素的制約，其中成本因素最為重要。因此，應(yīng)該在確保可靠性的前提下降低成本，使水利專網(wǎng)IP化進程平滑、順利實現(xiàn)。

5 漳衛(wèi)南局通信系統(tǒng)IP化演進探索

數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（防汛抗旱信息傳輸、遙測、遙控及水資源管理信息傳輸?shù)龋┖投嗝襟w業(yè)務(wù)（異地會商）基本上是基于計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展起來的，具有先天優(yōu)勢，從建設(shè)時已經(jīng)實現(xiàn)了IP 化，而語音業(yè)務(wù)（行政電話、調(diào)度電話）、傳輸網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)急衛(wèi)星通信是基于傳統(tǒng)通信線路交換技術(shù)發(fā)展起來的，應(yīng)向基于分組交換的全IP化逐步平滑演進。

5.1 傳輸系統(tǒng)的IP化演進

漳衛(wèi)南局現(xiàn)有傳輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

圖1 漳衛(wèi)南局傳輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意

漳衛(wèi)南局1995 年建設(shè)完成的中日合作德州至岳城微波干線使用的是JRC（日本無線株式會社）援助的微波設(shè)備，容量是4×2.048 Mbps[3]。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，微波傳輸容量從PDH（Plesiochronous Digital Hierarchy，準同 步數(shù)字系 列）的8×2.048、16×2.048 Mbps 擴展到了SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步數(shù)字體系）的155（STM-1）、400、500 Mbps；業(yè)務(wù)接口從最初的E1 逐漸發(fā)展到支持多個E1 捆綁的網(wǎng)絡(luò)接口（RJ45）、支持任意速率并提供QoS 保障的網(wǎng)絡(luò)接口；最新使用的iPASOLINK 系列微波集成TDM 交換、分組交換及微波光纖特性于一體，融入新型的交換、匯聚和流量管理等技術(shù)特點，使得接口類型豐富、配置靈活，實現(xiàn)了從已有PDH/SDH 網(wǎng)絡(luò)平滑升級到下一代的混合型或全IP 承載網(wǎng)絡(luò)，下一步漳衛(wèi)南運河流域?qū)⒁劳性擃愋驮O(shè)備逐漸實現(xiàn)全網(wǎng)微波系統(tǒng)的改造升級。

漳衛(wèi)南局的光纖鏈路傳輸系統(tǒng)原來采用光電轉(zhuǎn)換器、光端機傳輸?shù)仍O(shè)備，僅能提供E1 或者RJ45 接口，且無法進行有效業(yè)務(wù)配置管理及在線監(jiān)測。基于滿足業(yè)務(wù)發(fā)展需要，2010 年在衛(wèi)河通信網(wǎng)項目中采用合建光纖鏈路實現(xiàn)各個站點通信，在德州至岳城微波干線改造項目中為大容量微波提供接入網(wǎng)業(yè)務(wù)，漳衛(wèi)南局均配置了電信級的華為Metro 1000 型光傳輸設(shè)備，能夠支持群路為155 Mbps（STM-1）及622 Mbps（STM-4）光口、支路為2 Mbps電口或10 M/100 M RJ45型網(wǎng)口的業(yè)務(wù)管理、配置及監(jiān)測，實現(xiàn)了2 M業(yè)務(wù)和IP業(yè)務(wù)的同時傳送。

5.2 語音業(yè)務(wù)的IP化演進

漳衛(wèi)南局于1991 年建設(shè)的北方電訊（Northern Telecom Limited）SL1 程控交換系統(tǒng)（滿容量288 線）能夠提供程控數(shù)字語音交換功能，是漳衛(wèi)南局數(shù)字語音業(yè)務(wù)系統(tǒng)開啟的標志。2003 年，將其改造為中興通訊股份有限公司的ZXJ10的局用級程控交換設(shè)備（滿容量1 920 線），提升了業(yè)務(wù)容量及業(yè)務(wù)擴展、配置管理能力[3]。隨著IP 電話技術(shù)與軟交換技術(shù)的發(fā)展，從2014 年開始漳衛(wèi)南局建設(shè)了華為技術(shù)有限公司的eSpace U1981 語音網(wǎng)關(guān)，基于SIP（Session Initiation Protocol，會話初始協(xié)議）、MGCP（Media Gateway Control Protocol，媒體網(wǎng)關(guān)協(xié)議）和H.248 協(xié)議等，實現(xiàn)控制與承載分離；占用帶寬由線路交換的64 Kbps，降低到小于8 Kbps；相同容量基于license 可以隨時擴展，滿容量可達60 000 用戶。現(xiàn)有語音交換系統(tǒng)基于開放交換平臺設(shè)計，能提供IPT（IP Telephony）、UC 等多業(yè)務(wù)構(gòu)建及多終端接入能力，易于部署、可靠性較高，融合了語音、數(shù)據(jù)、視頻和業(yè)務(wù)流，為IP 語音、協(xié)同應(yīng)用、移動辦公提供了較好的通信解決方案[4]，并易于向下一代IMS（IP Multimedia Subsystem，IP 多媒體系統(tǒng)）網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)平滑演進。

漳衛(wèi)南局語音交換網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

圖2 漳衛(wèi)南局語音交換網(wǎng)絡(luò)示意

5.3 應(yīng)急衛(wèi)星通信的IP化演進

水利部于2017 年組織實施的“流域偏遠水文站信息傳輸衛(wèi)星便攜站建設(shè)”項目，把衛(wèi)星路由器模塊（包括X5 路由模塊支持星狀組網(wǎng)、5350 路由模塊支持網(wǎng)狀組網(wǎng)）、視頻編解碼器模塊、語音網(wǎng)關(guān)模塊和無線Wifi 模塊等IP 化組件通過合理設(shè)計集成在一個終端箱內(nèi)[5]，利用已建Ku波段衛(wèi)星主站（采用目前主流的TDM/TDMA 技術(shù)體制），形成星狀/網(wǎng)狀混合組網(wǎng)，傳輸話音、數(shù)據(jù)、圖像業(yè)務(wù)，其工作原理如圖3所示。

圖3 衛(wèi)星便攜站工作原理示意

在本項目中，數(shù)據(jù)、話音、視頻均以IP 方式接入衛(wèi)星通信網(wǎng)。數(shù)據(jù)可由筆記本電腦直接接入網(wǎng)絡(luò)交換機；語音信號經(jīng)過語音網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)化為IP 信號再接入網(wǎng)絡(luò)交換機；視頻編解碼器可將接收到的模擬視頻信號轉(zhuǎn)化成IP 信號通過衛(wèi)星鏈路進行傳送，同時也可以將接收的IP 視頻信號轉(zhuǎn)化成模擬信號，實現(xiàn)視頻的雙向交互。

6 IP技術(shù)在通信系統(tǒng)中的發(fā)展趨勢及應(yīng)對

隨著通信和互聯(lián)網(wǎng)相互融合及日益普及，IP 技術(shù)在通信系統(tǒng)中呈現(xiàn)出5個發(fā)展趨勢。

（1）作為公共承載網(wǎng)，基于IP 技術(shù)的核心架構(gòu)，IMS將成為統(tǒng)一的融合平臺。

（2）實現(xiàn)多業(yè)務(wù)傳送，支持數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、語音業(yè)務(wù)、視頻業(yè)務(wù)、支撐類業(yè)務(wù)及其他非實時性業(yè)務(wù)等。

（3）IP QoS及安全性的解決方案趨于綜合和實用。

（4）可靠性技術(shù)不斷趨于完善，故障快速檢測技術(shù)、路由快速收斂技術(shù)以及故障快速恢復(fù)技術(shù)等得到廣泛應(yīng)用。

（5）IP 技術(shù)逐漸延伸到網(wǎng)絡(luò)的各個層面，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)趨于扁平化。

水利專網(wǎng)通信系統(tǒng)發(fā)展應(yīng)順應(yīng)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)融合的發(fā)展趨勢，漳衛(wèi)南局在推進流域內(nèi)專網(wǎng)通信系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)中，將大力推進智能光網(wǎng)絡(luò)、IPv6、4G/5G、IMS 等新IP 技術(shù)在水利系統(tǒng)的探索應(yīng)用，更好地支持語音、數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)等，為智慧水利提供可靠、高效的信息保障平臺。