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端到端网络时延性能测量
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IP网络中端到端时延特性的测量与估计
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3秒自动关闭窗口端到端时延分配原则
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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D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
& & 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。以传输设备为例，对于OptiX10G系统，单站点Ts=0.3ms；对于OptiX2500+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。
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