浅谈电信业务的误码和时延指标

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业务量要求和服务质量要求是对网络的基本要求。业务量要求对数据如何在网络上传送加以规范，同时对传送业务所需的网络资源加以规范。应用数据包在网络上传送时会遇到时延和潜在误码的影响，时延要求和误码率要求就是服务质量（QoS）要求。在本文中，我们针对应用层和网络层分别探讨不同的应用对服务质量的要求。应用层面服务质量用应用数据元（ADU）的时延和误码率来表达；网络层面服务质量用包数据元（PDU）的时延和误码率来表述。时延要求针对实时流媒体和块传送应用，分为绝对时延和时延变量两个指标。
　　　
　　一.时延要求
　　1.时延分布
　　
　　应用数据元和包数据元经历的时延类似于正态分布的函数。因特网中IP包经历的时延可能超过100毫秒，且经常变化。由于传播时延的影响，还存在一个非零的最小固定时延；随着时延的增加，会出现最大时延。如果网络中包数据元丢失了，时延就是无限大。除去一个包数据元的极小部分（比如10-6），剩下的包数据元经历的时延，称为最大时延。每个数据元经历的时延均介于最小时延和最大时延之间。两者之差就是最大时延变量。对实时应用来说，绝对时延对服务质量影响较大，我们首先了解各种时延成份，然后再详细讨论不同的时延要求。
　　
　　2.时延成份
　　
　　当PDU包数据元生成后，在网络上可能经历各种不同的时延。完全的端到端时延应该是时延成份的总和：打包时延，传输时延，传播时延，排队时延和终端处理时延。列表中，可以看到详细的时延参数值，首先讨论一下各种时延成份。
　　
　　打包时延是转送实时流媒体应用所需的实况编码信源时出现的现象，发生在信源端。打包时延等于有效负载的长度除以应用业务的编码速率。编码器的比特率越低，造成的打包时延就越大。例如，一个有效负载48字节的IP包，如果用于IP电话的音频编码器的比特率是4.8Kbps，就会产生80毫秒的打包时延。如此大的时延对电话业务的影响是非常严重的，如果被叫方是传统的固定网电话用户，对通话质量的影响会更大。
　　
　　对于恒比特率（CBR）编码流来说，若包数据元的有效负载长度固定，其打包时延是定值。对可变比特率（VBR）信源来说，其打包时延也是变化的。
　　
　　传输时延是指包数据元的第一个比特离开信源上传到网络与最后一个比特上传到网络的时间差。传输时延等于PDU包数据元的长度除以本地链路的传输速率。若本地链路的速率低，传输时延是主要影响。例如，使用28.8Kbps的模拟调制解调器，发送1Kbyte的包数据元需要250ms。如此大的时延对通过拨号方式接入因特网传送实时业务会造成很大的影响。如果包数据元在网络上传送时需要经过路由器/交换机进行存储和前转的话，会遭遇多次传输时延。
　　
　　传播时延是包数据元的第一个比特（或某一特定比特）在链路上传播所需的时间。很明显，传播时延与传播距离呈线性增加关系。对本地网和城域网而言，传播时延不是主要的时延诱因。传播时延对广域网通信质量影响较大。调查报告显示，对于单向的电路交换干线网，其传播时延高达30毫秒。而对跨省的因特网路由来说，因为IP包通过多个迂回路由传播，并非选择最短的物理路由，其传播时延也高达30毫秒。对卫星通信来说，传播时延造成的影响更大。一个地球同步卫星的两个落地点之间的传播时延可高达260毫秒。
　　
　　排队时延是包数据元经过各个包交换机所遭遇的缓冲时延的总和。排队时延的概念仅仅适用于包交换网络。包交换机过载时，输出端口会有许多数据包排队。过载消失，恢复正常情况，这时，排在将要正常发送的数据包前面的数据包还需排队。这个时延的值就等于该数据包在输出链路上的传输时延。按照包交换机先进先出的排队机制，后到达的数据包的排队时延应该是目前排在输出端口的所有数据包的排队时延的总和。因此，排队时延不仅取决于当前缓存的数据包数量（为当前网络负载的函数），还取决于该数据包要经过的输出链路的传输速度。
　　
　　排队时延与网络瞬时负载的大小紧密相关，并产生较有影响的时延变量。例如，因特网中的时延大部分都是排队时延，原因就是因特网干路上有大量的IP包在各个路由器前排队，造成阻塞。假设一个2M的链路上有10跳路由器，平均每个路由器前有10个排队数据包，数据包的平均长度为200Byte，那么经过这段路由可能遭遇的排队时延高达107ms，这里包括大约30ms的传播时延和处理时延。
　　
　　处理时延是信源和信宿所需的处理时间和路由上交换机所需的处理时间的总和。处理时延对端点的影响是最大的。尤其对于数据业务来说更是如此。像视频业务，需要进行大量的解码（解压）处理。例如，一个MPEG解码器在开始解码处理前，必须预先缓存一定数量的已压缩的视频帧信号。因为已压缩的MPEG帧（B帧）必须和随后到达的帧信号一同解码，才能将原信号还原。一般来说，对30帧/每秒的流媒体而言，帧间隔大约为33毫秒，所以解码器很容易就会产生100毫秒的处理时延。
　　
　　了解了网络产生的时延对业务的影响，那么实时应用业务对时延有什么样的要求呢？
　　
　　3.绝对时延要求
　　
　　绝对时延源于人类对各种实时应用业务的感官响应时间的要求（见表一）。它等于相应的应用数据元产生的最后一个包数据元到达接收端之前所遭遇的绝对时延。在因特网上转送的包数据元是以无序形式进行的，某个应用数据元产生的最后一个包数据元可能在转送过程中丢失，接收端收到的不是原来的应用数据元所对应的最后一个包数据元。
　　
　　3.1实时流媒体应用
　　
　　以视频点播业务为例，当用户发出点播指令，到所点播的电影出现，会有一定时延，这一时延应该限制在1秒以内。IP电话业务是最重要的实时流媒体应用业务之一，它在因特网应用中扮演着越来越重要的角色。IP电话业务对绝对时延有两方面的要求：一是时延限制，一是回声抑制。时延限制是针对会话过程的，而回声抑制是针对传统PSTN固定网的。对于双向通话来说，时延保持在100毫秒至600毫秒的范围内是可以接受的。对双向卫星通信来说，时延限制的最大允许值是520毫秒，当然未来网络的时延可能大大减少。有研究显示，相对于地面通信而言，在卫星通信过程中，讲话人受到的插话干扰是地面通信的三倍多。所以谈话过程中尽量避免干扰对方。
　　
　　回声抑制：大部分本地环路是模拟电路，混合器在完成二四线转换功能的同时，在远端回路上引入了很严重的回声问题。大于35毫秒的时延回声干扰通话，其干扰程度随回声延迟和回声强度的增加会变得越来越严重。注意回声和侧音的区别，时延可忽略不计，强度类比于背景噪音的回声称为侧音。侧音是通话过程中必须的，否则出现电路死寂现象，用户会怀疑电话是否连通。因此，国际电联规定，回声路由上最大单向时延必须小于25毫秒，因此省去安装回声控制设备的麻烦。回声问题对端到端ISDN用户和连接两个PC的因特网电话用户是不存在的。但大部分电话用户使用的是传统的固定网，所以必须考虑回声问题。一方是IP电话用户，而对方是PSTN固定网的用户，对PC端的IP用户来说，回声干扰还是存在的，需使用回声控制机制。
　　
　　3.2实时数据块传送应用
　　
　　实时的数据块传送业务产生多个应用数据元ADU，应用数据元对时延有要求。人与计算机交流时，在交互作用响应时间不大于1秒的情况下，结果才令人满意；但不是越小越好，响应时间小于100毫秒会给人一纵即失的感觉。换句话说，给定应用数据元ADU，与其相关的所有的包数据元PDU都必须在限定的时间内到达终端。
　　
　　因特网是基于争取最好质量的包交换网络，排队时延远远大于100毫秒。事实上，前面讨论的时延成份，大部分都存在于因特网中，对因特网的影响很大。另外，因特网干线的容量有限，接入链路的速度也有限，这都会造成很大的传输时延。另外，像网页那样的大容量应用数据元会产生更大的时延变量。
　　
　　4.时延变量（抖动）要求
　　
　　时延变量参数仅适用于实时流媒体业务。这种应用具有业务流量连续的特性，它的应用数据元以连续的形式在等间隔的时隙上生成，在接收端必须还原其数据流的原本速率。例如，视频流是15帧/秒或30帧/秒，而PCM抽样是每125毫秒产生一个应用数据元。
　　
　　每一个应用数据元必须在可以允许的时间间隔内到达。接收端装有接收缓冲器，负责除去到达的每一个应用数据元的抖动。晚到的数据元就失去了应用数据元的作用，使接收缓冲器出现下溢现象。早到的数据元使接收缓冲器出现溢出现象。接收端尚未释放已经存储在接收缓冲器中的数据元，结果，在流媒体应用中产生太大的时延变量，导致大量的流媒体应用数据元丢失。另外，多媒体内容传送和流媒体应用之间的同步机制也要求时延变量保持在一定范围内。例如，视频会议业务就要求视频流和音频流必须在一定的时间内到达，这一时间应该保持在-90毫秒到120毫秒范围内。对MPEG解码器来说，它要求的包数据元的时延变量大约为1毫秒。
　　
　　为了克服时延变量带来的影响，要求在接收端安装大容量缓冲器，将一定数量的数据先存储起来，再开始还原处理。很明显，时延变量越大，需要的缓冲器容量越大，缓冲器的价格越昂贵。在已知时延变量的峰峰值的情况下，理想的方式就是设计一个冗余缓冲器，其容量为时延变量峰峰值的两倍乘以应用数据元的速率。从而将相当于缓冲器容量一半的数据缓存起来，然后再还原，避免缓冲器出现溢出或下溢现象。
　　
　　时延变量对IP电话业务有影响。IP电话业务的应用数据元就是一个字节的音频抽样。语音活动检测器（SpeechActivityDetector)对打包的音频抽样进行检测，同时也检测语音突峰（TalkSpurt）等离散量。语音活动检测器利用延迟释放（Hangover）机制来区分是否有语音活动出现，判决语音突峰的结尾。在延迟释放周期内，若总的语音