VoIP網(wǎng)絡接納控制機制必要性探討

2007/05/21

圖1 VoIP承載網(wǎng)絡體系架構(gòu)示意圖

　　VoIP網(wǎng)絡容量規(guī)劃的影響因素

　　網(wǎng)絡容量規(guī)劃是網(wǎng)絡建設的重要環(huán)節(jié)，其目的是通過對資源需求信息的分析得出應部署的網(wǎng)絡設備與鏈路的容量。相比于傳統(tǒng)的電話網(wǎng)絡，VoIP的網(wǎng)絡架構(gòu)發(fā)生了根本的變化：由原來的TDM網(wǎng)絡變成了分組網(wǎng)絡，由原來相對專用的網(wǎng)絡向多業(yè)務網(wǎng)絡演進。在多業(yè)務IP網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡架構(gòu)，流量混合情況，資源分配機制都對網(wǎng)絡容量規(guī)劃具有一定的影響。

　　傳統(tǒng)電話網(wǎng)絡的容量規(guī)劃已經(jīng)具有科學的理論基礎(chǔ)和豐富的實踐經(jīng)驗。由于應用時間較短，對VoIP網(wǎng)絡的容量規(guī)劃還沒有成熟的理論和技術(shù)。值得慶幸的是，VoIP應用和傳統(tǒng)的電話業(yè)務有一定的相似之處，因而可以借鑒傳統(tǒng)電話網(wǎng)絡規(guī)劃的相關(guān)經(jīng)驗。

　　電話業(yè)務的資源需求信息通常從長期應用經(jīng)驗結(jié)合預測得出。話音業(yè)務的需求一般用流量矩陣表示，流量矩陣與用戶的數(shù)量及行為模式有關(guān)（訪問網(wǎng)絡的概率分布和通話時間的概率分布等）。VoIP應用的目標是替代傳統(tǒng)話音業(yè)務，尤其是用戶的業(yè)務使用模式并沒有改變，因而原來的資源需求估算方法仍然有效。但是由于信號編碼方式和傳輸方式發(fā)生了變化，每個呼叫所需的帶寬隨之變化。

VoIP業(yè)務的資源需求分析

　　VoIP業(yè)務的資源需求由兩個方面的因素決定：每個呼叫的帶寬需求（平均碼率）和單位時間的呼叫數(shù)量。其中后者由用戶數(shù)量、用戶的活躍程度和用戶的網(wǎng)絡訪問模式?jīng)Q定。

　　1、每個呼叫的帶寬需求

　　VoIP業(yè)務中，網(wǎng)絡中傳輸?shù)挠行�信號是�?shù)字化語音信號，但是為了在IP網(wǎng)絡中傳輸，需要對原始信號進行包封裝，以便進行選路和實現(xiàn)一些控制功能。因此，每個呼叫所需的帶寬不僅與數(shù)字化方式（壓縮編碼）有關(guān)，還和語音信號的抽樣與打包頻率有關(guān)。

　　1.1 報頭負荷

　　根據(jù)IETF的標準建議，通過IP網(wǎng)絡傳輸語音信號樣本需要增加三個額外的報頭，每個報頭對應一個網(wǎng)絡層次，即IP，UDP和RTP [4]。 IPv4的報頭長20個字節(jié)（8bit），UDP報頭為8字節(jié)，RTP報頭為12字節(jié)。圖2所示為語音信號的封裝格式。

圖2 VoIP分組封裝格式

　　從圖2可見，報頭信息的總長度為40字節(jié)，即320bit。每次語音樣本發(fā)送時，這些報頭也需要發(fā)送一次。因此，報頭信息所占用的額外帶寬與語音樣本的發(fā)送頻率有關(guān)。

　　1.2 語音信號封裝頻率

　　語音信號的封裝頻率指的是每秒鐘封裝發(fā)送的語音樣本數(shù)量。例如，一個語音樣本表示20毫秒的語音信號，則每秒鐘需要進行50次抽樣，即語音信號封裝頻率為50。語音信號抽樣頻率的選擇是語音質(zhì)量與帶寬需求的折衷。因為40字節(jié)的封裝報頭保持不變，樣本越小則所需帶寬越多。然而，當樣本長度增加時，系統(tǒng)的總時延隨之增加，分組丟失帶來的信號損失也隨之增大。

　　IETF RFC1889中有一個例子說明語音樣本長度為20ms，但該文本并沒有將該值作為標準建議。對這個問題還沒有標準的答案，參考一般做法，通常取20ms，即每秒封裝發(fā)送50個樣本。這種情況下，每個樣本帶有320bit的IP/UDP/RTP報頭，因此，每秒鐘需發(fā)送報頭16Kbits。

　　1.3 編碼算法的影響

　　語音信號編碼實現(xiàn)語音信號的數(shù)字化，通常還具有一定的壓縮功能。語音信號通常采用恒定比特率編碼方式，相對于視頻信號而言其碼率較低。由于采用的編碼算法不同，其輸出碼流的速率和回放后得到語音質(zhì)量也不一樣。ITU-T的G系列推薦標準中包括了多種話音信號（壓縮）編碼方法。其編碼算法和速率見表1。

表1語音信號編碼速率與IP傳輸速率

　　前面提到，如果樣本時間為20ms，則每秒需發(fā)送的報頭約為16Kbits。當樣本長度小于20ms時，可以將幾個抽樣打入一個分組中發(fā)送，這個經(jīng)驗值仍然有效。但當樣本長度大于20ms時，通常將一個樣本封裝到一個分組中，因而封裝所需的帶寬消耗將小于16Kbits。以表1中G.723.1編碼算法為例，由于樣本長度為30ms，因而分組封裝頻率為33.3，其消耗帶寬約為320x33.3= 10.67Kbits。

　　每種編碼算法對應不同的復雜度，時延特征和語音回放質(zhì)量。G.729(A)和G.723.1被認為有望成為VoIP應用主流的算法。

　　表1只考慮了IP層的封裝，當IP分組在鏈路上傳輸時，通常還要經(jīng)過鏈路層協(xié)議的封裝。以太網(wǎng)正逐漸成為傳輸技術(shù)的主流，以太成幀也是開銷較大的鏈路層技術(shù)，包括差錯控制編碼一般需要16個字節(jié)。仍然假定每秒50次的封裝頻率，則需要增加開銷7.2kbps。如采用以太傳輸，則每個G.711語音會話所需帶寬為87.2kps，而每個G.729(A)語音會話所需事寬為31.2kps。

　　1.4 報頭壓縮

　　對一個典型的8kbps的壓縮機制，報頭的負荷通常是16kbps(是凈荷的2倍)，因此有必要采取適當?shù)拇胧�減少報頭的傳送開銷。現(xiàn)在已經(jīng)存在一些方法，如報頭壓縮、RTP利用等[5]。通過采用這些方法，可以使用報頭的負擔降至2或4字節(jié)，大大提高了封裝的效率。

VoIP網(wǎng)絡容量規(guī)劃方法

　　在電路網(wǎng)絡中，對于給定的流量需求，需要估計出正常工作時所需的線路數(shù)量（鏈路容量）。為了防止偶爾出現(xiàn)的異常突發(fā)導致的線路數(shù)量不足，網(wǎng)絡支持呼叫接納控制功能。線路數(shù)量的估計通常根據(jù)一定的模型，對于話音業(yè)務，常見的兩種鏈路容量估計模型是Erlang B和Engset公式[6]。這兩個公式描述了呼叫強度、線路數(shù)量及呼叫阻塞率之間的關(guān)系。工程上，根據(jù)流量實際需求和可以接受的呼叫阻塞率，可以通過查找由公式推算出的表格得到所需的網(wǎng)絡容量。

　　Erlang B或Engset公式的使用需要事先知道網(wǎng)絡的流量矩陣，即各條鏈路的資源需求。然而，在有些情況下，比如新建的網(wǎng)絡，流量矩陣通常難以準確得到，因而也無法根據(jù)相關(guān)模型進行資源規(guī)劃。為了保證通信的質(zhì)量，一種可行的方法是按照最壞的情況規(guī)劃和部署網(wǎng)絡資源。顯然，采用這種方法，大多數(shù)情況下會有一定的資源處于閑置狀態(tài)。

　　假定VoIP流量與其它應用流量隔離（VoIP專網(wǎng)或采用區(qū)分服務機制實現(xiàn)流量隔離），VoIP會話具有恒定比特率的特性（不考慮靜音壓縮），我們可以將電路網(wǎng)絡中的網(wǎng)絡規(guī)劃方法引入到VoIP網(wǎng)絡中。考慮分組網(wǎng)絡的無連接特性，資源配置還與流量的路徑選擇有關(guān)，我們假定VoIP網(wǎng)絡采用最短路徑路由算法，沒有引入流量工程機制。

　　1、允許呼叫阻塞的網(wǎng)絡資源規(guī)劃方法

　　在Erlang B和Engset模型中，都包括了呼叫阻塞率參數(shù)，即鏈路容量規(guī)劃對應于一定的呼叫阻塞。

　　根據(jù)VoIP呼叫到達時間間隔的指數(shù)分布特征，我們用Erlang公式描述網(wǎng)絡資源的需求。參考傳統(tǒng)電話網(wǎng)，假定在核心網(wǎng)絡中每對邊緣路由器之間建立流量中繼管道用于傳送來自相應電話網(wǎng)關(guān)的呼叫，用話務量α表示每對網(wǎng)關(guān)之間的電話負荷的大小。α可通過忙時業(yè)務量（BHT，Busy Hour Traffic）和平均呼叫保持時間（MCD，Mean Call Duration，單位秒）來計算： ，其單位為Erlang(Erl)。1Erlang表示1個小時的呼叫持續(xù)時間。

　　用 和 分別表示流量管道容量和每個呼叫所需帶寬，則流量管道可同時傳送的呼叫數(shù)目可表示為 。記 為呼叫阻塞的概率，則Erlang B公式可以表示為[6]：

(1)

　　上式中GoS（Grade of Service）表示服務等級，即最大可容忍的阻塞概率。公式（1）表示當鏈路話務量為α，流量管道已經(jīng)承載了 個呼叫時，兩個網(wǎng)關(guān)之間的接納控制機制拒絕呼叫請求的概率。公式（1）也表示出網(wǎng)絡容量和服務等級之間存在的折衷關(guān)系。給定網(wǎng)關(guān)間的流量矩陣，VoIP服務提供商或網(wǎng)絡運營商可通過擴大為VoIP業(yè)務配置的網(wǎng)絡容量以獲得更好的服務等級。

　　當呼叫源的數(shù)量（用戶）與線路數(shù)的比值大于10時，采用Erlang B模型會過高地估計所需線路數(shù)量，此時用Engset模型可以更加準確地對所需容量進行規(guī)劃。與Erlang B模型不同的是，Engset模型不僅需要考慮忙時業(yè)務量和阻塞概率，還需要參考呼叫源的數(shù)量。有了這三個參數(shù)后，同樣可以通過查找相應的表格獲得所需的線路數(shù)量。

　　2、無阻塞資源規(guī)劃方法

　　當網(wǎng)絡的流量矩陣未知時，為保證良好的通信質(zhì)量，容量配置必須考慮最壞情況下的資源需求，即每個網(wǎng)關(guān)支持最多呼叫的流量 ，且可能任意分布到其他網(wǎng)關(guān)。按照這種情況對每條鏈路進行容量配置則不會發(fā)生呼叫阻塞的情形，電話網(wǎng)關(guān)也無需進行接納控制。下面通過一個簡單的示例來說明這種方法[7]。

圖3 VoIP資源規(guī)劃網(wǎng)絡拓撲示例

　　網(wǎng)絡拓撲如圖3（a）所示，以鏈路A-C為例，將通過鏈路A-C的端到端的呼叫分別表示為a, b, c, d，如圖3(b)所示， (i = 1, 2, …, 6) 表示第i個網(wǎng)關(guān)可以支持的最大呼叫數(shù)量，記通過鏈路A-C的最大呼叫數(shù)量為m, 則a, b, c, d和m滿足以下關(guān)系：

　　Maximize: m = a + b + c + d;

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(2)
　　Subject to 　　
　　　　　　　　　　　　　　

　圖4 支持三重播放的IP城域/接入網(wǎng)絡

　　假定每個DSLAM連接2000個用戶，話音業(yè)務的并發(fā)率為50%，若每個呼叫所需帶寬為50kbps，則話音業(yè)務所需的平均帶寬約為50Mbps。若DSLAM上連鏈路的接口為GE，則話音業(yè)務所占帶寬約為5%。在更高一層的網(wǎng)絡結(jié)點，如匯聚和核心網(wǎng)絡，由于復用層次更高，總的用戶并發(fā)率進一步下降，話音業(yè)務所占帶寬比例將進一步下降。在中國電信的CN2中，話音業(yè)務的規(guī)劃帶寬也不足總帶寬的5%。

　　資源接納控制機制的必要性討論

　　對于IP語音專網(wǎng)，和無阻塞情況資源配置方法相比，采用接納控制可以節(jié)約較多帶寬。如網(wǎng)絡資源有限，接納控制機制可以改善用戶的使用體驗；如網(wǎng)絡資源充足，則無需在業(yè)務授權(quán)時考慮資源可用狀況。

　　對于多業(yè)務核心網(wǎng)絡，由于網(wǎng)絡容量配置非常充足，且話音業(yè)務具有最高資源使用優(yōu)先級，完全可以滿足最壞情況下的資源需求，因此沒有必要部署接納控制，也不必實時地跟蹤網(wǎng)絡流量矩陣的變化。

　　從上面的分析可見，相對于接入復用與匯聚設備的容量，話音業(yè)務所消耗的資源非常有限。在接入復用和匯聚設備處靜態(tài)分配一定的超量帶寬，保證話音信號無阻塞是一種更加簡單可行的方法，可以避免實施接納控制機制帶來的設備更新。

結(jié)論

　　用VoIP替代傳統(tǒng)的電話通信技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的認同并在逐步實施，在此過程中，如何達到傳統(tǒng)話音業(yè)務相當?shù)姆�務質(zhì)量是一個關(guān)鍵性問題。呼叫接納控制是傳統(tǒng)電話網(wǎng)絡的基本技術(shù)，它可以在網(wǎng)絡通信資源不足時拒絕新的呼叫請求。在下一代基于IP技術(shù)的電信網(wǎng)絡中，話音業(yè)務的帶寬需求和承載網(wǎng)絡都發(fā)生了很大的變化，是否或如何對VoIP實施基于資源的接納控制成為一個新的問題。本文分析了VoIP呼叫的帶寬需求，以及具有接納控制和最壞情況的資源規(guī)劃方法，結(jié)合現(xiàn)階段的網(wǎng)絡資源部署情況，我們得出以下結(jié)論：1) 在IP話音專網(wǎng)中，采用接納控制機制可以大大節(jié)約帶寬需求，但在網(wǎng)絡資源充足的條件下可以不必實施接納控制；2) 在多業(yè)務IP骨干網(wǎng)絡中，由于資源相對充足，而且VoIP業(yè)務所需的帶寬比例較小，在采用區(qū)分服務并對話音業(yè)務進行最高優(yōu)先級轉(zhuǎn)發(fā)的前提下，不必實施接納控制機制；3) 在多業(yè)務城域網(wǎng)絡的接入和匯聚結(jié)點，話音業(yè)務所需帶寬資源所占比例不足5%，盡管接納控制機制可以適當節(jié)約帶寬，改善用戶體驗，但采用靜態(tài)配置帶寬的方法有利于降低設備和運營成本。

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