符剛　吳一波 2007/05/30

前言
　　服務質(zhì)量(QoS)是下一代網(wǎng)絡(NGN)業(yè)務能否取得成功的一個重要因素，影響用戶業(yè)務體驗的QoS參數(shù)通常包括時延、抖動、丟包率等，而對于實時的語音和視頻業(yè)務來說，業(yè)務數(shù)據(jù)的端到端時延最為關鍵。在以IP作為承載的NGN中，影響業(yè)務數(shù)據(jù)的端到端時延的因素有很多，這與傳統(tǒng)的電路交換和ATM都有很大區(qū)別。
　　TDM網(wǎng)絡主要用于語音傳送，電路交換技術的特點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。ATM作為分組交換技術，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管理機制來保證多業(yè)務的服務質(zhì)量。
　　IP與ATM雖然都是分組交換技術，但是IP卻是被設計用于數(shù)據(jù)傳送的、不面向連接的盡力而為的分組交換。網(wǎng)絡中的每個分組獨立地進行路由選擇，其開放性和靈活性是以犧牲QoS為代價的。IP被提到下一代電信承載網(wǎng)絡的發(fā)展日程，并非是出于IP本身的技術特點，而是由于Internet的巨大沖擊以及豐富的業(yè)務應用和用戶終端。在傳統(tǒng)的PSTN向NGN演進的過程中，電信運營商也面臨著由傳統(tǒng)的話音業(yè)務提供向以ICT(Information Communication Technology)為重點的“信息+通信”的綜合業(yè)務提供的轉變。在這個轉變過程中，以IP作為承載的NGN業(yè)務的端到端QoS問題能否得到解決是一個關鍵的技術難點。
　　本文主要針對NGN業(yè)務的QoS特性中最為關鍵的端到端時延，從業(yè)務的QoS需求出發(fā)，對語音業(yè)務的端到端時延進行了分析，給出了NGN中端到端時延的分配方法。
1、NGN業(yè)務的QoS分析
1.1 NGN業(yè)務的QoS指標
　　業(yè)務數(shù)據(jù)在傳送過程中可能會有很多因素影響業(yè)務的QoS，如鏈路帶寬、設備處理性能、網(wǎng)絡的穩(wěn)定性等。從用戶體驗的角度來看，衡量業(yè)務的QoS指標主要有時延、抖動、丟包率、吞吐量和可用性。
1.1.1　時延
　　時延是指IP包從網(wǎng)絡入口點到達網(wǎng)絡出口點所需要的傳輸時間。一些對時間敏感的應用，如實時的語音業(yè)務和視頻業(yè)務對時延的要求最為嚴格。造成網(wǎng)絡時延的主要因素可以簡單地分為網(wǎng)絡產(chǎn)生的時延和設備產(chǎn)生的時延。
　　設備產(chǎn)生的時延一般是指設備處理業(yè)務數(shù)據(jù)時產(chǎn)生的時延，這與設備的性能有很大關系，包括網(wǎng)絡各個層面的設備，如SDH設備、路由設備和媒體網(wǎng)關等。網(wǎng)絡產(chǎn)生的時延包括基本的傳輸時延(即電信號或光信號在物理媒介上傳輸所需的固有時延)和鏈路速率時延(即當鏈路速率低于數(shù)據(jù)發(fā)送速率時產(chǎn)生的時延)。
　　由于IP網(wǎng)絡盡力而為的特性，設備產(chǎn)生的時延和網(wǎng)絡產(chǎn)生的時延都還與實際網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)流量狀況有關。當數(shù)據(jù)量較大、網(wǎng)絡和設備滿負荷運轉時。產(chǎn)生的擁塞和排隊、調(diào)度和轉發(fā)時延將會顯著增加。
1.1.2　抖動
　　語音信號是連續(xù)的，在發(fā)送端經(jīng)過壓縮打包后在IP網(wǎng)絡中傳輸時，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)包到達接收端的時間也可能不同，導致接收端在回放語音時產(chǎn)生時斷時續(xù)的狀況，稱為抖動。
　　接收端可以采用增加接收緩沖區(qū)的方式來對抖動產(chǎn)生的影響進行彌補。但是抖動緩沖區(qū)的大小將同時影響抖動和時延。如果抖動對語音質(zhì)量產(chǎn)生了影響，那么增加抖動緩沖區(qū)的大小就可以將抖動減少到可以接受的程度；但是如果緩沖區(qū)過大，就會增加時延，同樣會使得用戶難以接受。
　　典型的抖動緩沖區(qū)產(chǎn)生的時延為20ms，但是通常會達到80ms。抖動緩沖區(qū)的大小需要根據(jù)具體的網(wǎng)絡情況來設定。
1.1.3　丟包率
　　一般情況下，數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡中產(chǎn)生擁塞的點被丟掉，在傳輸線路中產(chǎn)生的錯誤包同樣也會被丟掉。通常當接收包的數(shù)量超過了輸出端口的大小限制時就會產(chǎn)生擁塞，由此而產(chǎn)生丟包。如果在包到達的一端沒有足夠的輸入緩沖，也會造成丟包。丟包率通常被定義為一個連續(xù)若干個包以一定的時間間隔在網(wǎng)絡中傳送時，被丟掉的包所占的百分比。從用戶體驗的角度來講，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)絡中IP包的傳輸速率，可表示為平均速率或峰值速率。網(wǎng)絡的吞吐量是衡量網(wǎng)絡轉發(fā)IP包的能力，主要取決于鏈路速率、節(jié)點設備的端口速率和網(wǎng)絡的業(yè)務量狀況。
1.1.5　可用性
　　可用性是指用戶能夠使用IP業(yè)務可用性功能的時間間隔占IP業(yè)務全部時間間隔的百分比。在連續(xù)5min內(nèi)，如果一個IP網(wǎng)絡所提供的丟包率小于或等于75%，則認為該時間段是可用的，否則是不可用的�？捎眯灾饕�用于衡量網(wǎng)絡設備、鏈路正常提供業(yè)務的能力，確定該網(wǎng)絡設備、鏈路是否能夠支持連續(xù)可用的數(shù)據(jù)包傳送業(yè)務。
1.2　NGN業(yè)務的QoS需求
　　從用戶所感知的業(yè)務服務質(zhì)量來看，可以將NGN業(yè)務劃分為4種主要類型：會話類、交互類、流媒體類和后臺類。
　　從圖1可以看出，語音會話和視頻會話對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，少量的丟包不會影響語音和視頻的質(zhì)量。會話類業(yè)務還要求分組時延抖動不超過50ms。

圖1　NGN業(yè)務的QoS指標要求

　　對于單向的語音消息和視頻消息業(yè)務，不包含實時會話的成分，這意味著此類業(yè)務對時延要求不是非常嚴格，能容忍一定的丟包率。經(jīng)研究一般用戶可以接收的時延在數(shù)秒內(nèi)。
　　ETSI的TISPAN工作組針對NGN的端到端QoS相關標準進行了積極的研究，關于上面兩個標準中對業(yè)務QoS分類的對應關系，在ETSI的TS185 001中給出了詳細的建議。
　　上面涉及的參數(shù)與性能指標可供IP網(wǎng)絡運營商、設備制造商和終端用戶參考。對于運營商，可以用于規(guī)劃、設計和評估IP網(wǎng)絡來滿足用戶需求；對于設備商而言，這些性能參數(shù)將會影響設備的設計研發(fā)：而終端用戶可以用來評價IP業(yè)務性能。但是表1中所規(guī)定的這些值并非是必須滿足的，在實際工程中可以根據(jù)經(jīng)驗對這些指標進行修正，以滿足運營商的需求。
2、NGN業(yè)務的端到端時延分析
2.1　端到端時延分配原則
　　在NGN所有業(yè)務中，實時的語音業(yè)務對網(wǎng)絡的服務質(zhì)量要求最為苛刻，尤其體現(xiàn)在時延上。從圖2可以看出一個典型的語音會話的端到端時延在網(wǎng)絡中的分布，主要由媒體網(wǎng)關、路由交換設備和傳輸時延構成。但是將這些時延的簡單相加并不能真正體現(xiàn)語音業(yè)務端到端的時延特性，這主要是因為IP網(wǎng)絡本身不能像TDM和ATM那樣提供完善的QoS保證機制。由于IP網(wǎng)具有長期性能較好、但暫態(tài)性能較差的特點，所以當網(wǎng)絡中業(yè)務流量突然增大時會產(chǎn)生擁塞，分組的排隊時間增加，必然會有較低優(yōu)先級的業(yè)務分組被丟棄，導致業(yè)務的服務質(zhì)量下降。

圖2　NGN語音業(yè)務端到端時延分布

　　實時交互語音業(yè)務是NGN的重點業(yè)務，影響業(yè)務質(zhì)量最主要的因素就是時延、抖動和丟包。選擇合適的語音打包長度、去抖時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)務的端到端時延要比傳統(tǒng)電路交換網(wǎng)中的時延大得多，組成部分也更為復雜。同時，實際應用中NGN的網(wǎng)絡結構和底層傳輸協(xié)議的多樣性，也決定了時延成分的多樣性。
　　固定時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的。在給定實際網(wǎng)絡拓撲、語音壓縮算法和打包時長的情況下，這部分時延可以較為準確地計算出來。對固定時延進行優(yōu)化的可能性不大，只能通過選擇合適的壓縮算法、較小的打包時長和合理設計媒體網(wǎng)關的處理機制等方法降低這部分時延。
　　可變時延與設備的端口速率、網(wǎng)絡的負載情況、設備對QoS的支持方式、實現(xiàn)的QoS算法等密切相關。特別是去抖時延與承載網(wǎng)絡的抖動指標密切相關，通過采用合適的網(wǎng)絡技術可以顯著降低語音通過網(wǎng)絡時引入的抖動，從而減少去抖時延。
2.2　端到端時延分配方法
2.2.1　固定時延
1)編解碼時延
　　編解碼時延是由壓縮時延+(解壓縮時延×每幀中的數(shù)據(jù)塊)+算法時延構成的。壓縮時延是指利用DSP芯片處理一定數(shù)量的PCM信號，進行壓縮編碼所引入的時延。它與采用的壓縮算法、DSP處理的速度和DSP的負載情況有關。例如對于G.729，編碼時延大致在2.5-10ms(DSP只處理一個語音通道的時候是2.5ms)，而G.711算法的編解碼時延只有0.75ms。解壓縮時延一般是壓縮時延10%。常用的算法有G.726、G.729A、G.723.1，具體時延如表3所示。
表3　語音編碼的時延指標
　　算法時延是指在壓縮算法中，前后數(shù)據(jù)具有相關性，處理第N+1個數(shù)據(jù)塊，需要知道第N個數(shù)據(jù)塊的信息，這樣產(chǎn)生的時延稱為算法時延，具體數(shù)值見表4。
表4　語音編碼產(chǎn)生的算法時延

　　打包時延也稱為累積時延，是指積累一定量的語音壓縮數(shù)據(jù)一起封裝打包的時延。它與數(shù)據(jù)包中積累的語音數(shù)據(jù)量的多少有關。打包時延一般在幾十毫秒左右，如累計20ms的語音進行一次IP封裝，也就是每個IP分組中包含20ms的語音信息。
3)傳輸時延
　　語音業(yè)務數(shù)據(jù)的傳輸時延主要是傳輸通道造成的鏈路傳輸時延，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)?，并且該時延是固定不變的。傳輸時延主要包括信號在光纖中傳輸?shù)臅r延和傳輸設備中的時延，計算依據(jù)包含有光纜的長度和在由光放和DWDM設備組成的鏈路中。傳輸時延T的計算公式為
T=Tc+Ts×Ns+Tw×Nw
式中：
Tc——業(yè)務在光纖中的傳輸時延
Ts——業(yè)務在SDH單站設備中的傳輸時延
Ns——SDH站點數(shù)
Tw——波分設備的時延
Nw——波分站點數(shù)
　　業(yè)務在光纖中的傳輸時延為業(yè)務信號實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)務在SDH單站設備中的時延是指業(yè)務路由建立后，SDH業(yè)務信號通過每個SDH站點的時間，包含指針調(diào)整、重定位、設備物理緩存延時等。以華為傳輸設備為例，對于OptiX 10G系統(tǒng)，單站點Ts=0.3ms；對于OptiX 2500+系統(tǒng)，單站點Ts=0.1ms。
　　波分設備的時延：DWDM只是在復用與解復用的電層處理上稍有延遲，每個背靠背波分節(jié)點的傳輸時延Tw=0.05ms。
　　另外，當傳輸鏈路的帶寬不一樣時，不同大小數(shù)據(jù)包的傳輸時延之間的差別也不一樣，如表5所示。
表5　傳輸時延與鏈路帶寬的關系(單位ms)

2.2.2　可變時延
　　可變時延由IP路由交換設備的轉發(fā)時延和去抖時延組成。
　　a)轉發(fā)時延。轉發(fā)時延和路由交換設備的端口轉發(fā)的線速處理能力和速度有關，對于實現(xiàn)硬件轉發(fā)的GSR路由交換設備，這個時延值是微秒級的，在計算端到端時延時可以忽略不計。表6是某廠家高端路由器的轉發(fā)能力測試結果。
　　從表6可以看出，即使對于分組長度只有幾十字節(jié)的語音數(shù)據(jù)包來說，路由器的轉發(fā)時延仍然在十幾微秒左右，而語音的端到端時延是以毫秒為單位計算的。
表6　高端路由器轉發(fā)能力

　　從上面的分析可以看出，傳輸設備和IP路由交換設備產(chǎn)生的時延比較小，相比之下，語音編解碼、打包和去抖產(chǎn)生的時延占整個端到端時延的主要部分，而這些功能都是在媒體網(wǎng)關上實現(xiàn)的，因此媒體網(wǎng)關是影響語音業(yè)務端到端時延的關鍵設備。
3、結束語
　　本文對NGN實時語音業(yè)務的端到端時延進行了較為細致的分析，這些分析結果對于實際工程設計和網(wǎng)絡維護都有一定的參考作用。隨著NGN標準的不斷推進，IP承載網(wǎng)絡的QoS和安全性能的進一步提升，由單一網(wǎng)絡承載(包括語音、視頻和數(shù)據(jù))的綜合業(yè)務將成為可能，電信技術將迎來百年來最重大的變革。

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