符剛　吳一波 2007/05/30

前言
　　服務(wù)質(zhì)量(QoS)是下一代網(wǎng)絡(luò)(NGN)業(yè)務(wù)能否取得成功的一個(gè)重要因素，影響用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)的QoS參數(shù)通常包括時(shí)延、抖動(dòng)、丟包率等，而對(duì)于實(shí)時(shí)的語音和視頻業(yè)務(wù)來說，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的端到端時(shí)延最為關(guān)鍵。在以IP作為承載的NGN中，影響業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的端到端時(shí)延的因素有很多，這與傳統(tǒng)的電路交換和ATM都有很大區(qū)別。
　　TDM網(wǎng)絡(luò)主要用于語音傳送，電路交換技術(shù)的特點(diǎn)是為用戶提供足夠的帶寬保證，確保低延遲、高質(zhì)量的語音服務(wù)。ATM作為分組交換技術(shù)，借鑒了電路交換的思想，采用VC和VP完成語音、數(shù)據(jù)和視頻的統(tǒng)一處理。ATM是面向連接的，它具有完備的QoS管理機(jī)制來保證多業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。
　　IP與ATM雖然都是分組交換技術(shù)，但是IP卻是被設(shè)計(jì)用于數(shù)據(jù)傳送的、不面向連接的盡力而為的分組交換。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)分組獨(dú)立地進(jìn)行路由選擇，其開放性和靈活性是以犧牲QoS為代價(jià)的。IP被提到下一代電信承載網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展日程，并非是出于IP本身的技術(shù)特點(diǎn)，而是由于Internet的巨大沖擊以及豐富的業(yè)務(wù)應(yīng)用和用戶終端。在傳統(tǒng)的PSTN向NGN演進(jìn)的過程中，電信運(yùn)營(yíng)商也面臨著由傳統(tǒng)的話音業(yè)務(wù)提供向以ICT(Information Communication Technology)為重點(diǎn)的“信息+通信”的綜合業(yè)務(wù)提供的轉(zhuǎn)變。在這個(gè)轉(zhuǎn)變過程中，以IP作為承載的NGN業(yè)務(wù)的端到端QoS問題能否得到解決是一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)難點(diǎn)。
　　本文主要針對(duì)NGN業(yè)務(wù)的QoS特性中最為關(guān)鍵的端到端時(shí)延，從業(yè)務(wù)的QoS需求出發(fā)，對(duì)語音業(yè)務(wù)的端到端時(shí)延進(jìn)行了分析，給出了NGN中端到端時(shí)延的分配方法。
1、NGN業(yè)務(wù)的QoS分析
1.1 NGN業(yè)務(wù)的QoS指標(biāo)
　　業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在傳送過程中可能會(huì)有很多因素影響業(yè)務(wù)的QoS，如鏈路帶寬、設(shè)備處理性能、網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性等。從用戶體驗(yàn)的角度來看，衡量業(yè)務(wù)的QoS指標(biāo)主要有時(shí)延、抖動(dòng)、丟包率、吞吐量和可用性。
1.1.1　時(shí)延
　　時(shí)延是指IP包從網(wǎng)絡(luò)入口點(diǎn)到達(dá)網(wǎng)絡(luò)出口點(diǎn)所需要的傳輸時(shí)間。一些對(duì)時(shí)間敏感的應(yīng)用，如實(shí)時(shí)的語音業(yè)務(wù)和視頻業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延的要求最為嚴(yán)格。造成網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的主要因素可以簡(jiǎn)單地分為網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的時(shí)延和設(shè)備產(chǎn)生的時(shí)延。
　　設(shè)備產(chǎn)生的時(shí)延一般是指設(shè)備處理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生的時(shí)延，這與設(shè)備的性能有很大關(guān)系，包括網(wǎng)絡(luò)各個(gè)層面的設(shè)備，如SDH設(shè)備、路由設(shè)備和媒體網(wǎng)關(guān)等。網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的時(shí)延包括基本的傳輸時(shí)延(即電信號(hào)或光信號(hào)在物理媒介上傳輸所需的固有時(shí)延)和鏈路速率時(shí)延(即當(dāng)鏈路速率低于數(shù)據(jù)發(fā)送速率時(shí)產(chǎn)生的時(shí)延)。
　　由于IP網(wǎng)絡(luò)盡力而為的特性，設(shè)備產(chǎn)生的時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的時(shí)延都還與實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量狀況有關(guān)。當(dāng)數(shù)據(jù)量較大、網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)。產(chǎn)生的擁塞和排隊(duì)、調(diào)度和轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延將會(huì)顯著增加。
1.1.2　抖動(dòng)
　　語音信號(hào)是連續(xù)的，在發(fā)送端經(jīng)過壓縮打包后在IP網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)，由于數(shù)據(jù)包傳送的路徑可能不同，因此不同的數(shù)據(jù)包到達(dá)接收端的時(shí)間也可能不同，導(dǎo)致接收端在回放語音時(shí)產(chǎn)生時(shí)斷時(shí)續(xù)的狀況，稱為抖動(dòng)。
　　接收端可以采用增加接收緩沖區(qū)的方式來對(duì)抖動(dòng)產(chǎn)生的影響進(jìn)行彌補(bǔ)。但是抖動(dòng)緩沖區(qū)的大小將同時(shí)影響抖動(dòng)和時(shí)延。如果抖動(dòng)對(duì)語音質(zhì)量產(chǎn)生了影響，那么增加抖動(dòng)緩沖區(qū)的大小就可以將抖動(dòng)減少到可以接受的程度；但是如果緩沖區(qū)過大，就會(huì)增加時(shí)延，同樣會(huì)使得用戶難以接受。
　　典型的抖動(dòng)緩沖區(qū)產(chǎn)生的時(shí)延為20ms，但是通常會(huì)達(dá)到80ms。抖動(dòng)緩沖區(qū)的大小需要根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)情況來設(shè)定。
1.1.3　丟包率
　　一般情況下，數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生擁塞的點(diǎn)被丟掉，在傳輸線路中產(chǎn)生的錯(cuò)誤包同樣也會(huì)被丟掉。通常當(dāng)接收包的數(shù)量超過了輸出端口的大小限制時(shí)就會(huì)產(chǎn)生擁塞，由此而產(chǎn)生丟包。如果在包到達(dá)的一端沒有足夠的輸入緩沖，也會(huì)造成丟包。丟包率通常被定義為一個(gè)連續(xù)若干個(gè)包以一定的時(shí)間間隔在網(wǎng)絡(luò)中傳送時(shí)，被丟掉的包所占的百分比。從用戶體驗(yàn)的角度來講，一般高于2%的丟包率便無法接受了。
1.1.4　吞吐量
　　吞吐量是指網(wǎng)絡(luò)中IP包的傳輸速率，可表示為平均速率或峰值速率。網(wǎng)絡(luò)的吞吐量是衡量網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)IP包的能力，主要取決于鏈路速率、節(jié)點(diǎn)設(shè)備的端口速率和網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)量狀況。
1.1.5　可用性
　　可用性是指用戶能夠使用IP業(yè)務(wù)可用性功能的時(shí)間間隔占IP業(yè)務(wù)全部時(shí)間間隔的百分比。在連續(xù)5min內(nèi)，如果一個(gè)IP網(wǎng)絡(luò)所提供的丟包率小于或等于75%，則認(rèn)為該時(shí)間段是可用的，否則是不可用的�？捎眯灾饕�用于衡量網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、鏈路正常提供業(yè)務(wù)的能力，確定該網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、鏈路是否能夠支持連續(xù)可用的數(shù)據(jù)包傳送業(yè)務(wù)。
1.2　NGN業(yè)務(wù)的QoS需求
　　從用戶所感知的業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量來看，可以將NGN業(yè)務(wù)劃分為4種主要類型：會(huì)話類、交互類、流媒體類和后臺(tái)類。
　　從圖1可以看出，語音會(huì)話和視頻會(huì)話對(duì)分組延遲有較高的要求，一般至少要低于100ms，但是允許一定的分組丟失率。由于人耳和眼睛的特性，少量的丟包不會(huì)影響語音和視頻的質(zhì)量。會(huì)話類業(yè)務(wù)還要求分組時(shí)延抖動(dòng)不超過50ms。

圖1　NGN業(yè)務(wù)的QoS指標(biāo)要求

　　對(duì)于單向的語音消息和視頻消息業(yè)務(wù)，不包含實(shí)時(shí)會(huì)話的成分，這意味著此類業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延要求不是非常嚴(yán)格，能容忍一定的丟包率。經(jīng)研究一般用戶可以接收的時(shí)延在數(shù)秒內(nèi)。
　　ETSI的TISPAN工作組針對(duì)NGN的端到端QoS相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了積極的研究，關(guān)于上面兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)業(yè)務(wù)QoS分類的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在ETSI的TS185 001中給出了詳細(xì)的建議。
　　上面涉及的參數(shù)與性能指標(biāo)可供IP網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備制造商和終端用戶參考。對(duì)于運(yùn)營(yíng)商，可以用于規(guī)劃、設(shè)計(jì)和評(píng)估IP網(wǎng)絡(luò)來滿足用戶需求；對(duì)于設(shè)備商而言，這些性能參數(shù)將會(huì)影響設(shè)備的設(shè)計(jì)研發(fā)：而終端用戶可以用來評(píng)價(jià)IP業(yè)務(wù)性能。但是表1中所規(guī)定的這些值并非是必須滿足的，在實(shí)際工程中可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行修正，以滿足運(yùn)營(yíng)商的需求。
2、NGN業(yè)務(wù)的端到端時(shí)延分析
2.1　端到端時(shí)延分配原則
　　在NGN所有業(yè)務(wù)中，實(shí)時(shí)的語音業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量要求最為苛刻，尤其體現(xiàn)在時(shí)延上。從圖2可以看出一個(gè)典型的語音會(huì)話的端到端時(shí)延在網(wǎng)絡(luò)中的分布，主要由媒體網(wǎng)關(guān)、路由交換設(shè)備和傳輸時(shí)延構(gòu)成。但是將這些時(shí)延的簡(jiǎn)單相加并不能真正體現(xiàn)語音業(yè)務(wù)端到端的時(shí)延特性，這主要是因?yàn)镮P網(wǎng)絡(luò)本身不能像TDM和ATM那樣提供完善的QoS保證機(jī)制。由于IP網(wǎng)具有長(zhǎng)期性能較好、但暫態(tài)性能較差的特點(diǎn)，所以當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)流量突然增大時(shí)會(huì)產(chǎn)生擁塞，分組的排隊(duì)時(shí)間增加，必然會(huì)有較低優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)分組被丟棄，導(dǎo)致業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量下降。

圖2　NGN語音業(yè)務(wù)端到端時(shí)延分布

　　實(shí)時(shí)交互語音業(yè)務(wù)是NGN的重點(diǎn)業(yè)務(wù)，影響業(yè)務(wù)質(zhì)量最主要的因素就是時(shí)延、抖動(dòng)和丟包。選擇合適的語音打包長(zhǎng)度、去抖時(shí)延大小以及回聲抑制的程度，可以獲得最佳的語音質(zhì)量。由于當(dāng)前IP分組網(wǎng)的固有特性和低比特語音編解碼器的使用，使得NGN語音業(yè)務(wù)的端到端時(shí)延要比傳統(tǒng)電路交換網(wǎng)中的時(shí)延大得多，組成部分也更為復(fù)雜。同時(shí)，實(shí)際應(yīng)用中NGN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和底層傳輸協(xié)議的多樣性，也決定了時(shí)延成分的多樣性。
　　固定時(shí)延是與采用的壓縮算法、打包的語音數(shù)據(jù)量、傳輸距離和傳輸鏈路帶寬相關(guān)的。在給定實(shí)際網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒄Z音壓縮算法和打包時(shí)長(zhǎng)的情況下，這部分時(shí)延可以較為準(zhǔn)確地計(jì)算出來。對(duì)固定時(shí)延進(jìn)行優(yōu)化的可能性不大，只能通過選擇合適的壓縮算法、較小的打包時(shí)長(zhǎng)和合理設(shè)計(jì)媒體網(wǎng)關(guān)的處理機(jī)制等方法降低這部分時(shí)延。
　　可變時(shí)延與設(shè)備的端口速率、網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載情況、設(shè)備對(duì)QoS的支持方式、實(shí)現(xiàn)的QoS算法等密切相關(guān)。特別是去抖時(shí)延與承載網(wǎng)絡(luò)的抖動(dòng)指標(biāo)密切相關(guān)，通過采用合適的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以顯著降低語音通過網(wǎng)絡(luò)時(shí)引入的抖動(dòng)，從而減少去抖時(shí)延。
2.2　端到端時(shí)延分配方法
2.2.1　固定時(shí)延
1)編解碼時(shí)延
　　編解碼時(shí)延是由壓縮時(shí)延+(解壓縮時(shí)延×每幀中的數(shù)據(jù)塊)+算法時(shí)延構(gòu)成的。壓縮時(shí)延是指利用DSP芯片處理一定數(shù)量的PCM信號(hào)，進(jìn)行壓縮編碼所引入的時(shí)延。它與采用的壓縮算法、DSP處理的速度和DSP的負(fù)載情況有關(guān)。例如對(duì)于G.729，編碼時(shí)延大致在2.5-10ms(DSP只處理一個(gè)語音通道的時(shí)候是2.5ms)，而G.711算法的編解碼時(shí)延只有0.75ms。解壓縮時(shí)延一般是壓縮時(shí)延10%。常用的算法有G.726、G.729A、G.723.1，具體時(shí)延如表3所示。
表3　語音編碼的時(shí)延指標(biāo)
　　算法時(shí)延是指在壓縮算法中，前后數(shù)據(jù)具有相關(guān)性，處理第N+1個(gè)數(shù)據(jù)塊，需要知道第N個(gè)數(shù)據(jù)塊的信息，這樣產(chǎn)生的時(shí)延稱為算法時(shí)延，具體數(shù)值見表4。
表4　語音編碼產(chǎn)生的算法時(shí)延

　　打包時(shí)延也稱為累積時(shí)延，是指積累一定量的語音壓縮數(shù)據(jù)一起封裝打包的時(shí)延。它與數(shù)據(jù)包中積累的語音數(shù)據(jù)量的多少有關(guān)。打包時(shí)延一般在幾十毫秒左右，如累計(jì)20ms的語音進(jìn)行一次IP封裝，也就是每個(gè)IP分組中包含20ms的語音信息。
3)傳輸時(shí)延
　　語音業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延主要是傳輸通道造成的鏈路傳輸時(shí)延，取決于傳輸通道所采用的物理介質(zhì)(如采用光纖傳輸還是采用無線傳輸?shù)?，并且該時(shí)延是固定不變的。傳輸時(shí)延主要包括信號(hào)在光纖中傳輸?shù)臅r(shí)延和傳輸設(shè)備中的時(shí)延，計(jì)算依據(jù)包含有光纜的長(zhǎng)度和在由光放和DWDM設(shè)備組成的鏈路中。傳輸時(shí)延T的計(jì)算公式為
T=Tc+Ts×Ns+Tw×Nw
式中：
Tc——業(yè)務(wù)在光纖中的傳輸時(shí)延
Ts——業(yè)務(wù)在SDH單站設(shè)備中的傳輸時(shí)延
Ns——SDH站點(diǎn)數(shù)
Tw——波分設(shè)備的時(shí)延
Nw——波分站點(diǎn)數(shù)
　　業(yè)務(wù)在光纖中的傳輸時(shí)延為業(yè)務(wù)信號(hào)實(shí)際傳輸距離與光在光纖中的傳播速度之比，光纖中的光速為200000km/s。
　　業(yè)務(wù)在SDH單站設(shè)備中的時(shí)延是指業(yè)務(wù)路由建立后，SDH業(yè)務(wù)信號(hào)通過每個(gè)SDH站點(diǎn)的時(shí)間，包含指針調(diào)整、重定位、設(shè)備物理緩存延時(shí)等。以華為傳輸設(shè)備為例，對(duì)于OptiX 10G系統(tǒng)，單站點(diǎn)Ts=0.3ms；對(duì)于OptiX 2500+系統(tǒng)，單站點(diǎn)Ts=0.1ms。
　　波分設(shè)備的時(shí)延：DWDM只是在復(fù)用與解復(fù)用的電層處理上稍有延遲，每個(gè)背靠背波分節(jié)點(diǎn)的傳輸時(shí)延Tw=0.05ms。
　　另外，當(dāng)傳輸鏈路的帶寬不一樣時(shí)，不同大小數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)延之間的差別也不一樣，如表5所示。
表5　傳輸時(shí)延與鏈路帶寬的關(guān)系(單位ms)

2.2.2　可變時(shí)延
　　可變時(shí)延由IP路由交換設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延和去抖時(shí)延組成。
　　a)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延。轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延和路由交換設(shè)備的端口轉(zhuǎn)發(fā)的線速處理能力和速度有關(guān)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)硬件轉(zhuǎn)發(fā)的GSR路由交換設(shè)備，這個(gè)時(shí)延值是微秒級(jí)的，在計(jì)算端到端時(shí)延時(shí)可以忽略不計(jì)。表6是某廠家高端路由器的轉(zhuǎn)發(fā)能力測(cè)試結(jié)果。
　　從表6可以看出，即使對(duì)于分組長(zhǎng)度只有幾十字節(jié)的語音數(shù)據(jù)包來說，路由器的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延仍然在十幾微秒左右，而語音的端到端時(shí)延是以毫秒為單位計(jì)算的。
表6　高端路由器轉(zhuǎn)發(fā)能力

　　從上面的分析可以看出，傳輸設(shè)備和IP路由交換設(shè)備產(chǎn)生的時(shí)延比較小，相比之下，語音編解碼、打包和去抖產(chǎn)生的時(shí)延占整個(gè)端到端時(shí)延的主要部分，而這些功能都是在媒體網(wǎng)關(guān)上實(shí)現(xiàn)的，因此媒體網(wǎng)關(guān)是影響語音業(yè)務(wù)端到端時(shí)延的關(guān)鍵設(shè)備。
3、結(jié)束語
　　本文對(duì)NGN實(shí)時(shí)語音業(yè)務(wù)的端到端時(shí)延進(jìn)行了較為細(xì)致的分析，這些分析結(jié)果對(duì)于實(shí)際工程設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)都有一定的參考作用。隨著NGN標(biāo)準(zhǔn)的不斷推進(jìn)，IP承載網(wǎng)絡(luò)的QoS和安全性能的進(jìn)一步提升，由單一網(wǎng)絡(luò)承載(包括語音、視頻和數(shù)據(jù))的綜合業(yè)務(wù)將成為可能，電信技術(shù)將迎來百年來最重大的變革。

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