淺談電信業(yè)務(wù)的誤碼和時延指標(biāo)
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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(shí)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(xì)討論不同的時延要求。
2.時延成份
當(dāng)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(duì)時延和終端處理時延。列表中，可以看到詳細(xì)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(shí)時流媒體應(yīng)用所需的實(shí)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(fù)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(fù)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(yán)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(fù)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(shí)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(jī)進(jìn)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(bào)告顯示，對于單向的電路交換干線網(wǎng)，其傳播時延高達(dá)30毫秒。而對跨省的因特網(wǎng)路由來說，因?yàn)镮P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(dá)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(diǎn)之間的傳播時延可高達(dá)260毫秒。
排隊(duì)時延是包數(shù)據(jù)元經(jīng)過各個包交換機(jī)所遭遇的緩沖時延的總和。排隊(duì)時延的概念僅僅適用于包交換網(wǎng)絡(luò)。包交換機(jī)過載時，輸出端口會有許多數(shù)據(jù)包排隊(duì)。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(duì)。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(jī)先進(jìn)先出的排隊(duì)機(jī)制，后到達(dá)的數(shù)據(jù)包的排隊(duì)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(duì)時延的總和。因此，排隊(duì)時延不僅取決于當(dāng)前緩存的數(shù)據(jù)包數(shù)量（為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)負(fù)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(duì)時延與網(wǎng)絡(luò)瞬時負(fù)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(duì)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(duì)，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(duì)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(duì)時延高達(dá)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(jī)所需的處理時間的總和。處理時延對端點(diǎn)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(jìn)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?yàn)橐褖嚎s的MPEG幀（B幀）必須和隨后到達(dá)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(shí)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(shí)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(dá)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(jìn)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(shí)時流媒體應(yīng)用
以視頻點(diǎn)播業(yè)務(wù)為例，當(dāng)用戶發(fā)出點(diǎn)播指令，到所點(diǎn)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(shí)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(dāng)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(yuǎn)端回路上引入了很嚴(yán)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(qiáng)度的增加會變得越來越嚴(yán)重。注意回聲和側(cè)音的區(qū)別，時延可忽略不計(jì)，強(qiáng)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(jī)制。
3.2實(shí)時數(shù)據(jù)塊傳送應(yīng)用
實(shí)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(jì)算機(jī)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(dá)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(duì)時延遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于100毫秒。事實(shí)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(shí)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(dá)。接收端裝有接收緩沖器，負(fù)責(zé)除去到達(dá)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(dǎo)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(jī)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(dá)，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(jì)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(dāng)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(jìn)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(jī)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
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