淺談電信業(yè)務(wù)的誤碼和時(shí)延指標
加入技術(shù)交流群
一.時(shí)延要求
1.時(shí)延分布
應用數據元和包數據元經(jīng)歷的時(shí)延類(lèi)似于正態(tài)分布的函數。因特網(wǎng)中IP包經(jīng)歷的時(shí)延可能超過(guò)100毫秒，且經(jīng)常變化。由于傳播時(shí)延的影響，還存在一個(gè)非零的最小固定時(shí)延；隨著(zhù)時(shí)延的增加，會(huì )出現最大時(shí)延。如果網(wǎng)絡(luò )中包數據元丟失了，時(shí)延就是無(wú)限大。除去一個(gè)包數據元的極小部分（比如10-6），剩下的包數據元經(jīng)歷的時(shí)延，稱(chēng)為最大時(shí)延。每個(gè)數據元經(jīng)歷的時(shí)延均介于最小時(shí)延和最大時(shí)延之間。兩者之差就是最大時(shí)延變量。對實(shí)時(shí)應用來(lái)說(shuō)，絕對時(shí)延對服務(wù)質(zhì)量影響較大，我們首先了解各種時(shí)延成份，然后再詳細討論不同的時(shí)延要求。
2.時(shí)延成份
當PDU包數據元生成后，在網(wǎng)絡(luò )上可能經(jīng)歷各種不同的時(shí)延。完全的端到端時(shí)延應該是時(shí)延成份的總和：打包時(shí)延，傳輸時(shí)延，傳播時(shí)延，排隊時(shí)延和終端處理時(shí)延。列表中，可以看到詳細的時(shí)延參數值，首先討論一下各種時(shí)延成份。
打包時(shí)延是轉送實(shí)時(shí)流媒體應用所需的實(shí)況編碼信源時(shí)出現的現象，發(fā)生在信源端。打包時(shí)延等于有效負載的長(cháng)度除以應用業(yè)務(wù)的編碼速率。編碼器的比特率越低，造成的打包時(shí)延就越大。例如，一個(gè)有效負載48字節的IP包，如果用于IP電話(huà)的音頻編碼器的比特率是4.8Kbps，就會(huì )產(chǎn)生80毫秒的打包時(shí)延。如此大的時(shí)延對電話(huà)業(yè)務(wù)的影響是非常嚴重的，如果被叫方是傳統的固定網(wǎng)電話(huà)用戶(hù)，對通話(huà)質(zhì)量的影響會(huì )更大。
對于恒比特率（CBR）編碼流來(lái)說(shuō)，若包數據元的有效負載長(cháng)度固定，其打包時(shí)延是定值。對可變比特率（VBR）信源來(lái)說(shuō)，其打包時(shí)延也是變化的。
傳輸時(shí)延是指包數據元的第一個(gè)比特離開(kāi)信源上傳到網(wǎng)絡(luò )與最后一個(gè)比特上傳到網(wǎng)絡(luò )的時(shí)間差。傳輸時(shí)延等于PDU包數據元的長(cháng)度除以本地鏈路的傳輸速率。若本地鏈路的速率低，傳輸時(shí)延是主要影響。例如，使用28.8Kbps的模擬調制解調器，發(fā)送1Kbyte的包數據元需要250ms。如此大的時(shí)延對通過(guò)撥號方式接入因特網(wǎng)傳送實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)會(huì )造成很大的影響。如果包數據元在網(wǎng)絡(luò )上傳送時(shí)需要經(jīng)過(guò)路由器/交換機進(jìn)行存儲和前轉的話(huà)，會(huì )遭遇多次傳輸時(shí)延。
傳播時(shí)延是包數據元的第一個(gè)比特（或某一特定比特）在鏈路上傳播所需的時(shí)間。很明顯，傳播時(shí)延與傳播距離呈線(xiàn)性增加關(guān)系。對本地網(wǎng)和城域網(wǎng)而言，傳播時(shí)延不是主要的時(shí)延誘因。傳播時(shí)延對廣域網(wǎng)通信質(zhì)量影響較大。調查報告顯示，對于單向的電路交換干線(xiàn)網(wǎng)，其傳播時(shí)延高達30毫秒。而對跨省的因特網(wǎng)路由來(lái)說(shuō)，因為IP包通過(guò)多個(gè)迂回路由傳播，并非選擇最短的物理路由，其傳播時(shí)延也高達30毫秒。對衛星通信來(lái)說(shuō)，傳播時(shí)延造成的影響更大。一個(gè)地球同步衛星的兩個(gè)落地點(diǎn)之間的傳播時(shí)延可高達260毫秒。
排隊時(shí)延是包數據元經(jīng)過(guò)各個(gè)包交換機所遭遇的緩沖時(shí)延的總和。排隊時(shí)延的概念僅僅適用于包交換網(wǎng)絡(luò )。包交換機過(guò)載時(shí)，輸出端口會(huì )有許多數據包排隊。過(guò)載消失，恢復正常情況，這時(shí)，排在將要正常發(fā)送的數據包前面的數據包還需排隊。這個(gè)時(shí)延的值就等于該數據包在輸出鏈路上的傳輸時(shí)延。按照包交換機先進(jìn)先出的排隊機制，后到達的數據包的排隊時(shí)延應該是目前排在輸出端口的所有數據包的排隊時(shí)延的總和。因此，排隊時(shí)延不僅取決于當前緩存的數據包數量（為當前網(wǎng)絡(luò )負載的函數），還取決于該數據包要經(jīng)過(guò)的輸出鏈路的傳輸速度。
排隊時(shí)延與網(wǎng)絡(luò )瞬時(shí)負載的大小緊密相關(guān)，并產(chǎn)生較有影響的時(shí)延變量。例如，因特網(wǎng)中的時(shí)延大部分都是排隊時(shí)延，原因就是因特網(wǎng)干路上有大量的IP包在各個(gè)路由器前排隊，造成阻塞。假設一個(gè)2M的鏈路上有10跳路由器，平均每個(gè)路由器前有10個(gè)排隊數據包，數據包的平均長(cháng)度為200Byte，那么經(jīng)過(guò)這段路由可能遭遇的排隊時(shí)延高達107ms，這里包括大約30ms的傳播時(shí)延和處理時(shí)延。
處理時(shí)延是信源和信宿所需的處理時(shí)間和路由上交換機所需的處理時(shí)間的總和。處理時(shí)延對端點(diǎn)的影響是最大的。尤其對于數據業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)更是如此。像視頻業(yè)務(wù)，需要進(jìn)行大量的解碼（解壓）處理。例如，一個(gè)MPEG解碼器在開(kāi)始解碼處理前，必須預先緩存一定數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(lái)說(shuō)，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(huì )產(chǎn)生100毫秒的處理時(shí)延。
了解了網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)生的時(shí)延對業(yè)務(wù)的影響，那么實(shí)時(shí)應用業(yè)務(wù)對時(shí)延有什么樣的要求呢？
3.絕對時(shí)延要求
絕對時(shí)延源于人類(lèi)對各種實(shí)時(shí)應用業(yè)務(wù)的感官響應時(shí)間的要求（見(jiàn)表一）。它等于相應的應用數據元產(chǎn)生的最后一個(gè)包數據元到達接收端之前所遭遇的絕對時(shí)延。在因特網(wǎng)上轉送的包數據元是以無(wú)序形式進(jìn)行的，某個(gè)應用數據元產(chǎn)生的最后一個(gè)包數據元可能在轉送過(guò)程中丟失，接收端收到的不是原來(lái)的應用數據元所對應的最后一個(gè)包數據元。
3.1實(shí)時(shí)流媒體應用
以視頻點(diǎn)播業(yè)務(wù)為例，當用戶(hù)發(fā)出點(diǎn)播指令，到所點(diǎn)播的電影出現，會(huì )有一定時(shí)延，這一時(shí)延應該限制在1秒以?xún)?。IP電話(huà)業(yè)務(wù)是最重要的實(shí)時(shí)流媒體應用業(yè)務(wù)之一，它在因特網(wǎng)應用中扮演著(zhù)越來(lái)越重要的角色。IP電話(huà)業(yè)務(wù)對絕對時(shí)延有兩方面的要求：一是時(shí)延限制，一是回聲抑制。時(shí)延限制是針對會(huì )話(huà)過(guò)程的，而回聲抑制是針對傳統PSTN固定網(wǎng)的。對于雙向通話(huà)來(lái)說(shuō)，時(shí)延保持在100毫秒至600毫秒的范圍內是可以接受的。對雙向衛星通信來(lái)說(shuō)，時(shí)延限制的最大允許值是520毫秒，當然未來(lái)網(wǎng)絡(luò )的時(shí)延可能大大減少。有研究顯示，相對于地面通信而言，在衛星通信過(guò)程中，講話(huà)人受到的插話(huà)干擾是地面通信的三倍多。所以談話(huà)過(guò)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(xiàn)轉換功能的同時(shí)，在遠端回路上引入了很?chē)乐氐幕芈晢?wèn)題。大于35毫秒的時(shí)延回聲干擾通話(huà)，其干擾程度隨回聲延遲和回聲強度的增加會(huì )變得越來(lái)越嚴重。注意回聲和側音的區別，時(shí)延可忽略不計，強度類(lèi)比于背景噪音的回聲稱(chēng)為側音。側音是通話(huà)過(guò)程中必須的，否則出現電路死寂現象，用戶(hù)會(huì )懷疑電話(huà)是否連通。因此，國際電聯(lián)規定，回聲路由上最大單向時(shí)延必須小于25毫秒，因此省去安裝回聲控制設備的麻煩?；芈晢?wèn)題對端到端ISDN用戶(hù)和連接兩個(gè)PC的因特網(wǎng)電話(huà)用戶(hù)是不存在的。但大部分電話(huà)用戶(hù)使用的是傳統的固定網(wǎng)，所以必須考慮回聲問(wèn)題。一方是IP電話(huà)用戶(hù)，而對方是PSTN固定網(wǎng)的用戶(hù)，對PC端的IP用戶(hù)來(lái)說(shuō)，回聲干擾還是存在的，需使用回聲控制機制。
3.2實(shí)時(shí)數據塊傳送應用
實(shí)時(shí)的數據塊傳送業(yè)務(wù)產(chǎn)生多個(gè)應用數據元ADU，應用數據元對時(shí)延有要求。人與計算機交流時(shí)，在交互作用響應時(shí)間不大于1秒的情況下，結果才令人滿(mǎn)意；但不是越小越好，響應時(shí)間小于100毫秒會(huì )給人一縱即失的感覺(jué)。換句話(huà)說(shuō)，給定應用數據元ADU，與其相關(guān)的所有的包數據元PDU都必須在限定的時(shí)間內到達終端。
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(shí)延遠遠大于100毫秒。事實(shí)上，前面討論的時(shí)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(xiàn)的容量有限，接入鏈路的速度也有限，這都會(huì )造成很大的傳輸時(shí)延。另外，像網(wǎng)頁(yè)那樣的大容量應用數據元會(huì )產(chǎn)生更大的時(shí)延變量。
4.時(shí)延變量（抖動(dòng)）要求
時(shí)延變量參數僅適用于實(shí)時(shí)流媒體業(yè)務(wù)。這種應用具有業(yè)務(wù)流量連續的特性，它的應用數據元以連續的形式在等間隔的時(shí)隙上生成，在接收端必須還原其數據流的原本速率。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(gè)應用數據元。
每一個(gè)應用數據元必須在可以允許的時(shí)間間隔內到達。接收端裝有接收緩沖器，負責除去到達的每一個(gè)應用數據元的抖動(dòng)。晚到的數據元就失去了應用數據元的作用，使接收緩沖器出現下溢現象。早到的數據元使接收緩沖器出現溢出現象。接收端尚未釋放已經(jīng)存儲在接收緩沖器中的數據元，結果，在流媒體應用中產(chǎn)生太大的時(shí)延變量，導致大量的流媒體應用數據元丟失。另外，多媒體內容傳送和流媒體應用之間的同步機制也要求時(shí)延變量保持在一定范圍內。例如，視頻會(huì )議業(yè)務(wù)就要求視頻流和音頻流必須在一定的時(shí)間內到達，這一時(shí)間應該保持在-90毫秒到120毫秒范圍內。對MPEG解碼器來(lái)說(shuō)，它要求的包數據元的時(shí)延變量大約為1毫秒。
為了克服時(shí)延變量帶來(lái)的影響，要求在接收端安裝大容量緩沖器，將一定數量的數據先存儲起來(lái)，再開(kāi)始還原處理。很明顯，時(shí)延變量越大，需要的緩沖器容量越大，緩沖器的價(jià)格越昂貴。在已知時(shí)延變量的峰峰值的情況下，理想的方式就是設計一個(gè)冗余緩沖器，其容量為時(shí)延變量峰峰值的兩倍乘以應用數據元的速率。從而將相當于緩沖器容量一半的數據緩存起來(lái)，然后再還原，避免緩沖器出現溢出或下溢現象。
時(shí)延變量對IP電話(huà)業(yè)務(wù)有影響。IP電話(huà)業(yè)務(wù)的應用數據元就是一個(gè)字節的音頻抽樣。語(yǔ)音活動(dòng)檢測器（SpeechActivityDetector)對打包的音頻抽樣進(jìn)行檢測，同時(shí)也檢測語(yǔ)音突峰（TalkSpurt）等離散量。語(yǔ)音活動(dòng)檢測器利用延遲釋放（Hangover）機制來(lái)區分是否有語(yǔ)音活動(dòng)出現，判決語(yǔ)音突峰的結尾。在延遲釋放周期內，若總的語(yǔ)音
評論