淺談電信業(yè)務(wù)的誤碼和時延指標

業(yè)務(wù)量要求和服務(wù)質(zhì)量要求是對網(wǎng)絡(luò)的基本要求。業(yè)務(wù)量要求對數(shù)據(jù)如何在網(wǎng)絡(luò)上傳送加以規(guī)范，同時對傳送業(yè)務(wù)所需的網(wǎng)絡(luò)資源加以規(guī)范。應(yīng)用數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)上傳送時會遇到時延和潛在誤碼的影響，時延要求和誤碼率要求就是服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求。在本文中，我們針對應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層分別探討不同的應(yīng)用對服務(wù)質(zhì)量的要求。應(yīng)用層面服務(wù)質(zhì)量用應(yīng)用數(shù)據(jù)元（ADU）的時延和誤碼率來表達；網(wǎng)絡(luò)層面服務(wù)質(zhì)量用包數(shù)據(jù)元（PDU）的時延和誤碼率來表述。時延要求針對實時流媒體和塊傳送應(yīng)用，分為絕對時延和時延變量兩個指標。
　　　
　　一.時延要求
　　1.時延分布
　　
　　應(yīng)用數(shù)據(jù)元和包數(shù)據(jù)元經(jīng)歷的時延類似于正態(tài)分布的函數(shù)。因特網(wǎng)中IP包經(jīng)歷的時延可能超過100毫秒，且經(jīng)常變化。由于傳播時延的影響，還存在一個非零的最小固定時延；隨著時延的增加，會出現(xiàn)最大時延。如果網(wǎng)絡(luò)中包數(shù)據(jù)元丟失了，時延就是無限大。除去一個包數(shù)據(jù)元的極小部分（比如10-6），剩下的包數(shù)據(jù)元經(jīng)歷的時延，稱為最大時延。每個數(shù)據(jù)元經(jīng)歷的時延均介于最小時延和最大時延之間。兩者之差就是最大時延變量。對實時應(yīng)用來說，絕對時延對服務(wù)質(zhì)量影響較大，我們首先了解各種時延成份，然后再詳細討論不同的時延要求。
　　
　　2.時延成份
　　
　　當PDU包數(shù)據(jù)元生成后，在網(wǎng)絡(luò)上可能經(jīng)歷各種不同的時延。完全的端到端時延應(yīng)該是時延成份的總和：打包時延，傳輸時延，傳播時延，排隊時延和終端處理時延。列表中，可以看到詳細的時延參數(shù)值，首先討論一下各種時延成份。
　　
　　打包時延是轉(zhuǎn)送實時流媒體應(yīng)用所需的實況編碼信源時出現(xiàn)的現(xiàn)象，發(fā)生在信源端。打包時延等于有效負載的長度除以應(yīng)用業(yè)務(wù)的編碼速率。編碼器的比特率越低，造成的打包時延就越大。例如，一個有效負載48字節(jié)的IP包，如果用于IP電話的音頻編碼器的比特率是4.8Kbps，就會產(chǎn)生80毫秒的打包時延。如此大的時延對電話業(yè)務(wù)的影響是非常嚴重的，如果被叫方是傳統(tǒng)的固定網(wǎng)電話用戶，對通話質(zhì)量的影響會更大。
　　
　　對于恒比特率（CBR）編碼流來說，若包數(shù)據(jù)元的有效負載長度固定，其打包時延是定值。對可變比特率（VBR）信源來說，其打包時延也是變化的。
　　
　　傳輸時延是指包數(shù)據(jù)元的第一個比特離開信源上傳到網(wǎng)絡(luò)與最后一個比特上傳到網(wǎng)絡(luò)的時間差。傳輸時延等于PDU包數(shù)據(jù)元的長度除以本地鏈路的傳輸速率。若本地鏈路的速率低，傳輸時延是主要影響。例如，使用28.8Kbps的模擬調(diào)制解調(diào)器，發(fā)送1Kbyte的包數(shù)據(jù)元需要250ms。如此大的時延對通過撥號方式接入因特網(wǎng)傳送實時業(yè)務(wù)會造成很大的影響。如果包數(shù)據(jù)元在網(wǎng)絡(luò)上傳送時需要經(jīng)過路由器/交換機進行存儲和前轉(zhuǎn)的話，會遭遇多次傳輸時延。
　　
　　傳播時延是包數(shù)據(jù)元的第一個比特（或某一特定比特）在鏈路上傳播所需的時間。很明顯，傳播時延與傳播距離呈線性增加關(guān)系。對本地網(wǎng)和城域網(wǎng)而言，傳播時延不是主要的時延誘因。傳播時延對廣域網(wǎng)通信質(zhì)量影響較大。調(diào)查報告顯示，對于單向的電路交換干線網(wǎng)，其傳播時延高達30毫秒。而對跨省的因特網(wǎng)路由來說，因為IP包通過多個迂回路由傳播，并非選擇最短的物理路由，其傳播時延也高達30毫秒。對衛(wèi)星通信來說，傳播時延造成的影響更大。一個地球同步衛(wèi)星的兩個落地點之間的傳播時延可高達260毫秒。
　　
　　排隊時延是包數(shù)據(jù)元經(jīng)過各個包交換機所遭遇的緩沖時延的總和。排隊時延的概念僅僅適用于包交換網(wǎng)絡(luò)。包交換機過載時，輸出端口會有許多數(shù)據(jù)包排隊。過載消失，恢復(fù)正常情況，這時，排在將要正常發(fā)送的數(shù)據(jù)包前面的數(shù)據(jù)包還需排隊。這個時延的值就等于該數(shù)據(jù)包在輸出鏈路上的傳輸時延。按照包交換機先進先出的排隊機制，后到達的數(shù)據(jù)包的排隊時延應(yīng)該是目前排在輸出端口的所有數(shù)據(jù)包的排隊時延的總和。因此，排隊時延不僅取決于當前緩存的數(shù)據(jù)包數(shù)量（為當前網(wǎng)絡(luò)負載的函數(shù)），還取決于該數(shù)據(jù)包要經(jīng)過的輸出鏈路的傳輸速度。
　　
　　排隊時延與網(wǎng)絡(luò)瞬時負載的大小緊密相關(guān)，并產(chǎn)生較有影響的時延變量。例如，因特網(wǎng)中的時延大部分都是排隊時延，原因就是因特網(wǎng)干路上有大量的IP包在各個路由器前排隊，造成阻塞。假設(shè)一個2M的鏈路上有10跳路由器，平均每個路由器前有10個排隊數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包的平均長度為200Byte，那么經(jīng)過這段路由可能遭遇的排隊時延高達107ms，這里包括大約30ms的傳播時延和處理時延。
　　
　　處理時延是信源和信宿所需的處理時間和路由上交換機所需的處理時間的總和。處理時延對端點的影響是最大的。尤其對于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)來說更是如此。像視頻業(yè)務(wù)，需要進行大量的解碼（解壓）處理。例如，一個MPEG解碼器在開始解碼處理前，必須預(yù)先緩存一定數(shù)量的已壓縮的視頻幀信號。因為已壓縮的MPEG幀（B幀）必須和隨后到達的幀信號一同解碼，才能將原信號還原。一般來說，對30幀/每秒的流媒體而言，幀間隔大約為33毫秒，所以解碼器很容易就會產(chǎn)生100毫秒的處理時延。
　　
　　了解了網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的時延對業(yè)務(wù)的影響，那么實時應(yīng)用業(yè)務(wù)對時延有什么樣的要求呢？
　　
　　3.絕對時延要求
　　
　　絕對時延源于人類對各種實時應(yīng)用業(yè)務(wù)的感官響應(yīng)時間的要求（見表一）。它等于相應(yīng)的應(yīng)用數(shù)據(jù)元產(chǎn)生的最后一個包數(shù)據(jù)元到達接收端之前所遭遇的絕對時延。在因特網(wǎng)上轉(zhuǎn)送的包數(shù)據(jù)元是以無序形式進行的，某個應(yīng)用數(shù)據(jù)元產(chǎn)生的最后一個包數(shù)據(jù)元可能在轉(zhuǎn)送過程中丟失，接收端收到的不是原來的應(yīng)用數(shù)據(jù)元所對應(yīng)的最后一個包數(shù)據(jù)元。
　　
　　3.1實時流媒體應(yīng)用
　　
　　以視頻點播業(yè)務(wù)為例，當用戶發(fā)出點播指令，到所點播的電影出現(xiàn)，會有一定時延，這一時延應(yīng)該限制在1秒以內(nèi)。IP電話業(yè)務(wù)是最重要的實時流媒體應(yīng)用業(yè)務(wù)之一，它在因特網(wǎng)應(yīng)用中扮演著越來越重要的角色。IP電話業(yè)務(wù)對絕對時延有兩方面的要求：一是時延限制，一是回聲抑制。時延限制是針對會話過程的，而回聲抑制是針對傳統(tǒng)PSTN固定網(wǎng)的。對于雙向通話來說，時延保持在100毫秒至600毫秒的范圍內(nèi)是可以接受的。對雙向衛(wèi)星通信來說，時延限制的最大允許值是520毫秒，當然未來網(wǎng)絡(luò)的時延可能大大減少。有研究顯示，相對于地面通信而言，在衛(wèi)星通信過程中，講話人受到的插話干擾是地面通信的三倍多。所以談話過程中盡量避免干擾對方。
　　
　　回聲抑制：大部分本地環(huán)路是模擬電路，混合器在完成二四線轉(zhuǎn)換功能的同時，在遠端回路上引入了很嚴重的回聲問題。大于35毫秒的時延回聲干擾通話，其干擾程度隨回聲延遲和回聲強度的增加會變得越來越嚴重。注意回聲和側(cè)音的區(qū)別，時延可忽略不計，強度類比于背景噪音的回聲稱為側(cè)音。側(cè)音是通話過程中必須的，否則出現(xiàn)電路死寂現(xiàn)象，用戶會懷疑電話是否連通。因此，國際電聯(lián)規(guī)定，回聲路由上最大單向時延必須小于25毫秒，因此省去安裝回聲控制設(shè)備的麻煩?；芈晢栴}對端到端ISDN用戶和連接兩個PC的因特網(wǎng)電話用戶是不存在的。但大部分電話用戶使用的是傳統(tǒng)的固定網(wǎng)，所以必須考慮回聲問題。一方是IP電話用戶，而對方是PSTN固定網(wǎng)的用戶，對PC端的IP用戶來說，回聲干擾還是存在的，需使用回聲控制機制。
　　
　　3.2實時數(shù)據(jù)塊傳送應(yīng)用
　　
　　實時的數(shù)據(jù)塊傳送業(yè)務(wù)產(chǎn)生多個應(yīng)用數(shù)據(jù)元ADU，應(yīng)用數(shù)據(jù)元對時延有要求。人與計算機交流時，在交互作用響應(yīng)時間不大于1秒的情況下，結(jié)果才令人滿意；但不是越小越好，響應(yīng)時間小于100毫秒會給人一縱即失的感覺。換句話說，給定應(yīng)用數(shù)據(jù)元ADU，與其相關(guān)的所有的包數(shù)據(jù)元PDU都必須在限定的時間內(nèi)到達終端。
　　
　　因特網(wǎng)是基于爭取最好質(zhì)量的包交換網(wǎng)絡(luò)，排隊時延遠遠大于100毫秒。事實上，前面討論的時延成份，大部分都存在于因特網(wǎng)中，對因特網(wǎng)的影響很大。另外，因特網(wǎng)干線的容量有限，接入鏈路的速度也有限，這都會造成很大的傳輸時延。另外，像網(wǎng)頁那樣的大容量應(yīng)用數(shù)據(jù)元會產(chǎn)生更大的時延變量。
　　
　　4.時延變量（抖動）要求
　　
　　時延變量參數(shù)僅適用于實時流媒體業(yè)務(wù)。這種應(yīng)用具有業(yè)務(wù)流量連續(xù)的特性，它的應(yīng)用數(shù)據(jù)元以連續(xù)的形式在等間隔的時隙上生成，在接收端必須還原其數(shù)據(jù)流的原本速率。例如，視頻流是15幀/秒或30幀/秒，而PCM抽樣是每125毫秒產(chǎn)生一個應(yīng)用數(shù)據(jù)元。
　　
　　每一個應(yīng)用數(shù)據(jù)元必須在可以允許的時間間隔內(nèi)到達。接收端裝有接收緩沖器，負責除去到達的每一個應(yīng)用數(shù)據(jù)元的抖動。晚到的數(shù)據(jù)元就失去了應(yīng)用數(shù)據(jù)元的作用，使接收緩沖器出現(xiàn)下溢現(xiàn)象。早到的數(shù)據(jù)元使接收緩沖器出現(xiàn)溢出現(xiàn)象。接收端尚未釋放已經(jīng)存儲在接收緩沖器中的數(shù)據(jù)元，結(jié)果，在流媒體應(yīng)用中產(chǎn)生太大的時延變量，導致大量的流媒體應(yīng)用數(shù)據(jù)元丟失。另外，多媒體內(nèi)容傳送和流媒體應(yīng)用之間的同步機制也要求時延變量保持在一定范圍內(nèi)。例如，視頻會議業(yè)務(wù)就要求視頻流和音頻流必須在一定的時間內(nèi)到達，這一時間應(yīng)該保持在-90毫秒到120毫秒范圍內(nèi)。對MPEG解碼器來說，它要求的包數(shù)據(jù)元的時延變量大約為1毫秒。
　　
　　為了克服時延變量帶來的影響，要求在接收端安裝大容量緩沖器，將一定數(shù)量的數(shù)據(jù)先存儲起來，再開始還原處理。很明顯，時延變量越大，需要的緩沖器容量越大，緩沖器的價格越昂貴。在已知時延變量的峰峰值的情況下，理想的方式就是設(shè)計一個冗余緩沖器，其容量為時延變量峰峰值的兩倍乘以應(yīng)用數(shù)據(jù)元的速率。從而將相當于緩沖器容量一半的數(shù)據(jù)緩存起來，然后再還原，避免緩沖器出現(xiàn)溢出或下溢現(xiàn)象。
　　
　　時延變量對IP電話業(yè)務(wù)有影響。IP電話業(yè)務(wù)的應(yīng)用數(shù)據(jù)元就是一個字節(jié)的音頻抽樣。語音活動檢測器（SpeechActivityDetector)對打包的音頻抽樣進行檢測，同時也檢測語音突峰（TalkSpurt）等離散量。語音活動檢測器利用延遲釋放（Hangover）機制來區(qū)分是否有語音活動出現(xiàn)，判決語音突峰的結(jié)尾。在延遲釋放周期內(nèi)，若總的語音