淺談電信業(yè)務(wù)的誤碼和時(shí)延指標(biāo)

業(yè)務(wù)量要求和服務(wù)質(zhì)量要求是對(duì)網(wǎng)絡(luò)的基本要求。業(yè)務(wù)量要求對(duì)數(shù)據(jù)如何在網(wǎng)絡(luò)上傳送加以規(guī)范，同時(shí)對(duì)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(shí)會(huì)遇到時(shí)延和潛在誤碼的影響，時(shí)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(duì)應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層分別探討不同的應(yīng)用對(duì)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(shí)延和誤碼率來表達(dá)；網(wǎng)絡(luò)層面服務(wù)質(zhì)量用包數(shù)據(jù)元（PDU）的時(shí)延和誤碼率來表述。時(shí)延要求針對(duì)實(shí)時(shí)流媒體和塊傳送應(yīng)用，分為絕對(duì)時(shí)延和時(shí)延變量兩個(gè)指標(biāo)。
　　　
　　一.時(shí)延要求
　　1.時(shí)延分布
　　
　　應(yīng)用數(shù)據(jù)元和包數(shù)據(jù)元經(jīng)歷的時(shí)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(shí)延可能超過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；隨著時(shí)延的增加，會(huì)出現(xiàn)最大時(shí)延。如果網(wǎng)絡(luò)中包數(shù)據(jù)元丟失了，時(shí)延就是無限大。除去一個(gè)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(shí)延，稱為最大時(shí)延。每個(gè)數(shù)據(jù)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(duì)實(shí)時(shí)應(yīng)用來說，絕對(duì)時(shí)延對(duì)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(xì)討論不同的時(shí)延要求。
　　
　　2.時(shí)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(shí)延。完全的端到端時(shí)延應(yīng)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(duì)時(shí)延和終端處理時(shí)延。列表中，可以看到詳細(xì)的時(shí)延參數(shù)值，首先討論一下各種時(shí)延成份。
　　
　　打包時(shí)延是轉(zhuǎn)送實(shí)時(shí)流媒體應(yīng)用所需的實(shí)況編碼信源時(shí)出現(xiàn)的現(xiàn)象，發(fā)生在信源端。打包時(shí)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(shí)延就越大。例如，一個(gè)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(huì)產(chǎn)生80毫秒的打包時(shí)延。如此大的時(shí)延對(duì)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(duì)通話質(zhì)量的影響會(huì)更大。
　　
　　對(duì)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(shí)延是定值。對(duì)可變比特率（VBR）信源來說，其打包時(shí)延也是變化的。
　　
　　傳輸時(shí)延是指包數(shù)據(jù)元的第一個(gè)比特離開信源上傳到網(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(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(shí)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(shí)延對(duì)通過撥號(hào)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(shù)據(jù)元在網(wǎng)絡(luò)上傳送時(shí)需要經(jīng)過路由器/交換機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和前轉(zhuǎn)的話，會(huì)遭遇多次傳輸時(shí)延。
　　
　　傳播時(shí)延是包數(shù)據(jù)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)延與傳播距離呈線性增加關(guān)系。對(duì)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(duì)廣域網(wǎng)通信質(zhì)量影響較大。調(diào)查報(bào)告顯示，對(duì)于單向的電路交換干線網(wǎng)，其傳播時(shí)延高達(dá)30毫秒。而對(duì)跨省的因特網(wǎng)路由來說，因?yàn)镮P包通過多個(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(dá)30毫秒。對(duì)衛(wèi)星通信來說，傳播時(shí)延造成的影響更大。一個(gè)地球同步衛(wèi)星的兩個(gè)落地點(diǎn)之間的傳播時(shí)延可高達(dá)260毫秒。
　　
　　排隊(duì)時(shí)延是包數(shù)據(jù)元經(jīng)過各個(gè)包交換機(jī)所遭遇的緩沖時(shí)延的總和。排隊(duì)時(shí)延的概念僅僅適用于包交換網(wǎng)絡(luò)。包交換機(jī)過載時(shí)，輸出端口會(huì)有許多數(shù)據(jù)包排隊(duì)。過載消失，恢復(fù)正常情況，這時(shí)，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(gè)時(shí)延的值就等于該數(shù)據(jù)包在輸出鏈路上的傳輸時(shí)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(shí)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(shí)延的總和。因此，排隊(duì)時(shí)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(shí)延與網(wǎng)絡(luò)瞬時(shí)負(fù)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(duì)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(duì)，造成阻塞。假設(shè)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(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(shí)延高達(dá)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(jī)所需的處理時(shí)間的總和。處理時(shí)延對(duì)端點(diǎn)的影響是最大的。尤其對(duì)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(gè)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(hào)。因?yàn)橐褖嚎s的MPEG幀（B幀）必須和隨后到達(dá)的幀信號(hào)一同解碼，才能將原信號(hào)還原。一般來說，對(duì)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(duì)業(yè)務(wù)的影響，那么實(shí)時(shí)應(yīng)用業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延有什么樣的要求呢？
　　
　　3.絕對(duì)時(shí)延要求
　　
　　絕對(duì)時(shí)延源于人類對(duì)各種實(shí)時(shí)應(yīng)用業(yè)務(wù)的感官響應(yīng)時(shí)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(gè)包數(shù)據(jù)元到達(dá)接收端之前所遭遇的絕對(duì)時(shí)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(gè)應(yīng)用數(shù)據(jù)元產(chǎn)生的最后一個(gè)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(duì)應(yīng)的最后一個(gè)包數(shù)據(jù)元。
　　
　　3.1實(shí)時(shí)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(huì)有一定時(shí)延，這一時(shí)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(shí)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(duì)絕對(duì)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(duì)會(huì)話過程的，而回聲抑制是針對(duì)傳統(tǒng)PSTN固定網(wǎng)的。對(duì)于雙向通話來說，時(shí)延保持在100毫秒至600毫秒的范圍內(nèi)是可以接受的。對(duì)雙向衛(wèi)星通信來說，時(shí)延限制的最大允許值是520毫秒，當(dāng)然未來網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延可能大大減少。有研究顯示，相對(duì)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(duì)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(shí)，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(shí)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(huì)變得越來越嚴(yán)重。注意回聲和側(cè)音的區(qū)別，時(shí)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(huì)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(shí)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(duì)端到端ISDN用戶和連接兩個(gè)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(duì)方是PSTN固定網(wǎng)的用戶，對(duì)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(shí)數(shù)據(jù)塊傳送應(yīng)用
　　
　　實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)塊傳送業(yè)務(wù)產(chǎn)生多個(gè)應(yīng)用數(shù)據(jù)元ADU，應(yīng)用數(shù)據(jù)元對(duì)時(shí)延有要求。人與計(jì)算機(jī)交流時(shí)，在交互作用響應(yīng)時(shí)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(shí)間小于100毫秒會(huì)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(shí)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(shí)延遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(duì)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(huì)造成很大的傳輸時(shí)延。另外，像網(wǎng)頁那樣的大容量應(yīng)用數(shù)據(jù)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(shù)僅適用于實(shí)時(shí)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(shí)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(gè)應(yīng)用數(shù)據(jù)元。
　　
　　每一個(gè)應(yīng)用數(shù)據(jù)元必須在可以允許的時(shí)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(gè)應(yīng)用數(shù)據(jù)元的抖動(dòng)。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(chǔ)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(shí)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(shí)延變量保持在一定范圍內(nèi)。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(nèi)到達(dá)，這一時(shí)間應(yīng)該保持在-90毫秒到120毫秒范圍內(nèi)。對(duì)MPEG解碼器來說，它要求的包數(shù)據(jù)元的時(shí)延變量大約為1毫秒。
　　
　　為了克服時(shí)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(chǔ)起來，再開始還原處理。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(shè)計(jì)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(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(shí)延變量對(duì)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(gè)字節(jié)的音頻抽樣。語音活動(dòng)檢測器（SpeechActivityDetector)對(duì)打包的音頻抽樣進(jìn)行檢測，同時(shí)也檢測語音突峰（TalkSpurt）等離散量。語音活動(dòng)檢測器利用延遲釋放（Hangover）機(jī)制來區(qū)分是否有語音活動(dòng)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