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摘要 对下一代网络(NGN)业务的QoS特性进行了分析，重点针对实时的语音业务进行了端到端的时延分解，给出了可供工程设计参考的时延分配方法。
关键词 下一代网络 服务质量 时延
0、前言
服务质量(QoS)是下一代网络(NGN)业务能否取得成功的一个重要因素，影响用户业务体验的QoS参数通常包括时延、抖动、丢包率等，而对于实时的语音和视频业务来说，业务数据的端到端时延最为关键。在以IP作为承载的NGN中，影响业务数据的端到端时延的因素有很多，这与传统的电路交换和ATM都有很大区别。
TDM网络主要用于语音传送，电路交换技术的特点是为用户提供足够的带宽保证，确保低延迟、高质量的语音服务。ATM作为分组交换技术，借鉴了电路交换的思想，采用VC和VP完成语音、数据和视频的统一处理。ATM是面向连接的，它具有完备的QoS管理机制来保证多业务的服务质量。
IP与ATM虽然都是分组交换技术，但是IP却是被设计用于数据传送的、不面向连接的尽力而为的分组交换。网络中的每个分组独立地进行路由选择，其开放性和灵活性是以牺牲QoS为代价的。IP被提到下一代电信承载网络的发展日程，并非是出于IP本身的技术特点，而是由于Internet的巨大冲击以及丰富的业务应用和用户终端。在传统的PSTN向NGN演进的过程中，电信运营商也面临着由传统的话音业务提供向以ICT(Information Communication Technology)为重点的“信息+通信”的综合业务提供的转变。在这个转变过程中，以IP作为承载的NGN业务的端到端QoS问题能否得到解决是一个关键的技术难点。
本文主要针对NGN业务的QoS特性中最为关键的端到端时延，从业务的QoS需求出发，对语音业务的端到端时延进行了分析，给出了NGN中端到端时延的分配方法。
1、NGN业务的QoS分析
1.1 NGN业务的QoS指标
业务数据在传送过程中可能会有很多因素影响业务的QoS，如链路带宽、设备处理性能、网络的稳定性等。从用户体验的角度来看，衡量业务的QoS指标主要有时延、抖动、丢包率、吞吐量和可用性。
1.1.1 时延
时延是指IP包从网络入口点到达网络出口点所需要的传输时间。一些对时间敏感的应用，如实时的语音业务和视频业务对时延的要求最为严格。造成网络时延的主要因素可以简单地分为网络产生的时延和设备产生的时延。
设备产生的时延一般是指设备处理业务数据时产生的时延，这与设备的性能有很大关系，包括网络各个层面的设备，如SDH设备、路由设备和媒体网关等。网络产生的时延包括基本的传输时延(即电信号或光信号在物理媒介上传输所需的固有时延)和链路速率时延(即当链路速率低于数据发送速率时产生的时延)。
由于IP网络尽力而为的特性，设备产生的时延和网络产生的时延都还与实际网络中的数据流量状况有关。当数据量较大、网络和设备满负荷运转时。产生的拥塞和排队、调度和转发时延将会显著增加。
1.1.2 抖动
语音信号是连续的，在发送端经过压缩打包后在IP网络中传输时，由于数据包传送的路径可能不同，因此不同的数据包到达接收端的时间也可能不同，导致接收端在回放语音时产生时断时续的状况，称为抖动。
接收端可以采用增加接收缓冲区的方式来对抖动产生的影响进行弥补。但是抖动缓冲区的大小将同时影响抖动和时延。如果抖动对语音质量产生了影响，那么增加抖动缓冲区的大小就可以将抖动减少到可以接受的程度；但是如果缓冲区过大，就会增加时延，同样会使得用户难以接受。
典型的抖动缓冲区产生的时延为20ms，但是通常会达到80ms。抖动缓冲区的大小需要根据具体的网络情况来设定。
1.1.3 丢包率
一般情况下，数据包在网络中产生拥塞的点被丢掉，在传输线路中产生的错误包同样也会被丢掉。通常当接收包的数量超过了输出端口的大小限制时就会产生拥塞，由此而产生丢包。如果在包到达的一端没有足够的输入缓冲，也会造成丢包。丢包率通常被定义为一个连续若干个包以一定的时间间隔在网络中传送时，被丢掉的包所占的百分比。从用户体验的角度来讲，一般高于2%的丢包率便无法接受了。
1.1.4 吞吐量
吞吐量是指网络中IP包的传输速率，可表示为平均速率或峰值速率。网络的吞吐量是衡量网络转发IP包的能力，主要取决于链路速率、节点设备的端口速率和网络的业务量状况。
1.1.5 可用性
可用性是指用户能够使用IP业务可用性功能的时间间隔占IP业务全部时间间隔的百分比。在连续5min内，如果一个IP网络所提供的丢包率小于或等于75%，则认为该时间段是可用的，否则是不可用的。可用性主要用于衡量网络设备、链路正常提供业务的能力，确定该网络设备、链路是否能够支持连续可用的数据包传送业务。
1.2 NGN业务的QoS需求
从用户所感知的业务服务质量来看，可以将NGN业务划分为4种主要类型：会话类、交互类、流媒体类和后台类。
从图1可以看出，语音会话和视频会话对分组延迟有较高的要求，一般至少要低于100ms，但是允许一定的分组丢失率。由于人耳和眼睛的特性，少量的丢包不会影响语音和视频的质量。会话类业务还要求分组时延抖动不超过50ms。
图1 NGN业务的QoS指标要求
对于单向的语音消息和视频消息业务，不包含实时会话的成分，这意味着此类业务对时延要求不是非常严格，能容忍一定的丢包率。经研究一般用户可以接收的时延在数秒内。
语音流和视频流不属于实时业务，但是对服务质量有较高的要求，也就是说与会话业务相比，这类业务对丢包有更高的要求，但是允许更大的延迟。相比之下传真业务允许少量的丢包，但是允许较大的延迟。
数据业务一个最重要的要求就是保证不丢失任何信息，不同数据应用的区别一般在于应用对时延要求的差异性方面。信令和控制信息对时延要求最高，其次是电子商务和网络游戏；而对于后台类业务。如Web浏览、文件传送、静态图像和即时消息等，对时延的要求最低。
上面是根据用户感知的业务服务质量来对业务进行的分类，并给出了各种业务对QoS的需求。ITU-T和3GPP都对业务的QoS分类给出了各自的建议，分别为Y.1541(IP网络QoS分类)(见表1)和TS23.107(UMTS QoS分类)。
表1 IP网络QoS分类与端到端性能指标(Y.1541)
ETSI的TISPAN工作组针对NGN的端到端QoS相关标准进行了积极的研究，关于上面两个标准中对业务QoS分类的对应关系，在ETSI的TS185 001中给出了详细的建议。
上面涉及的参数与性能指标可供IP网络运营商、设备制造商和终端用户参考。对于运营商，可以用于规划、设计和评估IP网络来满足用户需求；对于设备商而言，这些性能参数将会影响设备的设计研发：而终端用户可以用来评价IP业务性能。但是表1中所规定的这些值并非是必须满足的，在实际工程中可以根据经验对这些指标进行修正，以满足运营商的需求。
2、NGN业务的端到端时延分析
2.1 端到端时延分配原则
在NGN所有业务中，实时的语音业务对网络的服务质量要求最为苛刻，尤其体现在时延上。从图2可以看出一个典型的语音会话的端到端时延在网络中的分布，主要由媒体网关、路由交换设备和传输时延构成。但是将这些时延的简单相加并不能真正体现语音业务端到端的时延特性，这主要是因为IP网络本身不能像TDM和ATM那样提供完善的QoS保证机制。由于IP网具有长期性能较好、但暂态性能较差的特点，所以当网络中业务流量突然增大时会产生拥塞，分组的排队时间增加，必然会有较低优先级的业务分组被丢弃，导致业务的服务质量下降。
图2 NGN语音业务端到端时延分布
实时交互语音业务是NGN的重点业务，影响业务质量最主要的因素就是时延、抖动和丢包。选择合适的语音打包长度、去抖时延大小以及回声抑制的程度，可以获得最佳的语音质量。由于当前IP分组网的固有特性和低比特语音编解码器的使用，使得NGN语音业务的端到端时延要比传统电路交换网中的时延大得多，组成部分也更为复杂。同时，实际应用中NGN的网络结构和底层传输协议的多样性，也决定了时延成分的多样性。
一个典型的语音会话是由发送端对模拟信号进行抽样、量化和压缩编码后，按照固定长度打包进IP分组送入网络中进行传送；接收端再从收到的IP包中恢复出语音信号，由解码器将其还原成模拟信号。根据影响因素的不同，实时语音业务的端到端时延可以分解为固定时延和可变时延两部分(如表2所示)。固定时延主要包括编解码时延、打包时延和传输时延，而可变时延则包括路由交换设备转发时延和去抖时延。
表2 端到端语音时延分解
固定时延是与采用的压缩算法、打包的语音数据量、传输距离和传输链路带宽相关的。在给定实际网络拓扑、语音压缩算法和打包时长的情况下，这部分时延可以较为准确地计算出来。对固定时延进行优化的可能性不大，只能通过选择合适的压缩算法、较小的打包时长和合理设计媒体网关的处理机制等方法降低这部分时延。
可变时延与设备的端口速率、网络的负载情况、设备对QoS的支持方式、实现的QoS算法等密切相关。特别是去抖时延与承载网络的抖动指标密切相关，通过采用合适的网络技术可以显著降低语音通过网络时引入的抖动，从而减少去抖时延。
2.2 端到端时延分配方法
2.2.1 固定时延
1)编解码时延
编解码时延是由压缩时延+(解压缩时延×每帧中的数据块)+算法时延构成的。压缩时延是指利用DSP芯片处理一定数量的PCM信号，进行压缩编码所引入的时延。它与采用的压缩算法、DSP处理的速度和DSP的负载情况有关。例如对于G.729，编码时延大致在2.5-10ms(DSP只处理一个语音通道的时候是2.5ms)，而G.711算法的编解码时延只有0.75ms。解压缩时延一般是压缩时延10%。常用的算法有G.726、G.729A、G.723.1，具体时延如表3所示。
表3 语音编码的时延指标
算法时延是指在压缩算法中，前后数据具有相关性，处理第N+1个数据块，需要知道第N个数据块的信息，这样产生的时延称为算法时延，具体数值见表4。
表4 语音编码产生的算法时延
2)打包时延
打包时延也称为累积时延，是指积累一定量的语音压缩数据一起封装打包的时延。它与数据包中积累的语音数据量的多少有关。打包时延一般在几十毫秒左右，如累计20ms的语音进行一次IP封装，也就是每个IP分组中包含20ms的语音信息。
3)传输时延
语音业务数据的传输时延主要是传输通道造成的链路传输时延，取决于传输通道所采用的物理介质(如采用光纤传输还是采用无线传输等)，并且该时延是固定不变的。传输时延主要包括信号在光纤中传输的时延和传输设备中的时延，计算依据包含有光缆的长度和在由光放和DWDM设备组成的链路中。传输时延T的计算公式为
T=Tc+Ts×Ns+Tw×Nw
式中：
Tc——业务在光纤中的传输时延
Ts——业务在SDH单站设备中的传输时延
Ns——SDH站点数
Tw——波分设备的时延
Nw——波分站点数
业务在光纤中的传输时延为业务信号实际传输距离与光在光纤中的传播速度之比，光纤中的光速为200000km/s。
业务在SDH单站设备中的时延是指业务路由建立后，SDH业务信号通过每个SDH站点的时间，包含指针调整、重定位、设备物理缓存延时等。以华为传输设备为例，对于OptiX 10G系统，单站点Ts=0.3ms；对于OptiX 2500+系统，单站点Ts=0.1ms。
波分设备的时延：DWDM只是在复用与解复用的电层处理上稍有延迟，每个背靠背波分节点的传输时延Tw=0.05ms。
另外，当传输链路的带宽不一样时，不同大小数据包的传输时延之间的差别也不一样，如表5所示。
表5 传输时延与链路带宽的关系(单位ms)
随着传输链路带宽的增加，不同大小数据包的时延差别也在逐渐缩小，也就是说，在窄带链路上，不同大小数据包的传输时延差别较大，适合G.729编码方式；而在高速链路上，且带宽有保证的情况下。采用G.711编码可以获得更好的语音质量。
2.2.2 可变时延
可变时延由IP路由交换设备的转发时延和去抖时延组成。
a)转发时延。转发时延和路由交换设备的端口转发的线速处理能力和速度有关，对于实现硬件转发的GSR路由交换设备，这个时延值是微秒级的，在计算端到端时延时可以忽略不计。表6是某厂家高端路由器的转发能力测试结果。
从表6可以看出，即使对于分组长度只有几十字节的语音数据包来说，路由器的转发时延仍然在十几微秒左右，而语音的端到端时延是以毫秒为单位计算的。
表6 高端路由器转发能力
b)去抖时延。数据报文在经过网络传输之后，往往会带来时延抖动。一般而言，语音数据报文的优先级设为最高，因此最坏情况下，语音数据报文通常也只会等待一个低优先级报文的服务时间(语音数据包必须在低优先数据包被服务之后才会得到服务)。这个值和低优先报文的长度、接口的发送速率有关。这个时延值的变化就造成了时延抖动。通常在接收侧会设置抖动缓冲区来吸收抖动。当初始接受到的语音积累的数据包到达门限时，开始读取数据包进行解码操作。可以看出在抖动缓冲区工作的时候，额外引入了一个时延——去抖时延。这个时延值和网络中引入的时延抖动相关。抖动越大，为了吸收该抖动引入的去抖时延就越大。
从上面的分析可以看出，传输设备和IP路由交换设备产生的时延比较小，相比之下，语音编解码、打包和去抖产生的时延占整个端到端时延的主要部分，而这些功能都是在媒体网关上实现的，因此媒体网关是影响语音业务端到端时延的关键设备。
3、结束语
本文对NGN实时语音业务的端到端时延进行了较为细致的分析，这些分析结果对于实际工程设计和网络维护都有一定的参考作用。随着NGN标准的不断推进，IP承载网络的QoS和安全性能的进一步提升，由单一网络承载(包括语音、视频和数据)的综合业务将成为可能，电信技术将迎来百年来最重大的变革。
