（通信与信息系统专业论文）基于atm的分组语音业务流建模与仿真分析研究.pdf

摘要 一个世纪以来，语音信息一直是使用电路交换技术在遍布全球的电话网上进行 传输的。随着计算机技术的快速发展，尤其是基于分组交换技术的计算机网络的迅 速普及，人们迫切地希望能在这种基于分组交换技术的数字网上传输语音信息。然 而分组交换网络最初是为处理数据信息而设计的，数据信息和语音信息有着很大的 区别，其中最主要的区别是：数据信息具有爆发性，而浯音信息是连续的比特流； 另外，语音流的传输对延迟时间电有很严格的要求。因此分组交换网络在传输语音 信息时遇到了很大的困难。目前解决的办法有很多，研究比较多的就是基于a t m 信 元传输的宽带综合业务网。尽管a t m 技术也有很多不完善的地方，但是a t m 技术 的确是解决各种不同类型信息f ，包括语音信息) 联合传输问题的好方法。 语音信息无论是采用电路交换技术还是采用分组交换技术进行传输，对网路管 理和网路交换技术的研究而言，都需要通过建立相应的业务流模型，分析网络的传 输性能，确保传输质量，最大可能地利用网路资源。为了对已有的分组语音流传输 技术进行性能分析及评估，也为了设计出更好的满足语音信息严格的延迟时间限制 以及其它的q o sf q u a l i t yo f s e r v i c e ，服务质量) 的网络，为语音流的传输建立一个数 学模型是非常必要的。 本文首先对通信业务流的研究内容与方法和语音信息在通信网中的传输方案 与技术进行了介绍。随后对常用业务流的数学模型及其各自特点进行了详细的阐 述。针对分组语音在a t m 交换网中的传输特点，本文重点分析了现代通信网中的 两类业务流模型：m a r k o v 调锘l j p o i s s o n 过程模型和流体流动模型的基本原理、特点 及其建模机理。最后应用这两类主要的语音业务流模型通过编写m a t l a b 仿真程序， 对a t m 交换网中的分组语音流的传输性能进行了仿真和分析，并得出一些具有实 际意义的结论。 关键词：语音流；m a r k o v 调制p o i s s o n 过程；流体流动模型；分组交换网；业务流 模型 英文摘要 a b s t r a c t f o ro n ec e n t u r y sp e r i o d s p e e c hi n f o r m a t i o nh a sb e e nt r a n s m i t t e do nt h et e l e p h o n e n e t w o r ka l lo v e rt h ew o r l du s i n gc i r c u i t s w i t c ht e c h n o l o g y w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n t o fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yt h er a p i du s eo fc o m p u t e rn e t w o r k sb a s e do n p a c k e t - s w i t c ht e c h n o l o g y , m a nu r g e n t l yh o p et ot r a n s m i ts p e e c hi n f o r m a t i o no nt h i s d i g i t a ln e t w o r k sb a s e do np a c k e t - s w i t c ht e c h n o l o g y h o w e v e rt h ep a c k e t s w i t c hn e t w o r k w a so r i g i n a l l yd e s i g n e dt ot r a n s m i td a t ai n f o r m a t i o n ，t h e r ea r eg r e a td i f f e r e n c cb e t w e e n d a t ai n f o r m a t i o na n ds p e e c hi n f o r m a t i o n ，w h i c ha r e ：f i r s t ，d a t ai n f o r m a t i o ni sb u r s t y w h i l es p e e c hi n f o r m a t i o ni gc o n t i n u o u sb i tf l o w ；s e c o n d ，s p e e c hf l o wh a sas t r i n g e n t r e q u i r e m e n tf o rd e l a y s ot h e r ea r eal o to fp r o b l e m si nt r a n s m i t t i n gs p e e c hi n f o r m a t i o n o op a c k e t s w i t c hn e t w o r k s a tt h es a m et i m et h e r ea r em a n ys o l u t i o n st ot h e s ep r o b l e m s ， a m o n gw h i c ht h eb - i s d nb a s e do na t mc e l l ss w i t c ht e c h n o l o g yj so n e a l t h o u 吐t h e a t mt e c h n o l o g yi sn o tp e r f e c t i ts u r e l yi sag o o dw a yt ot r a n s m i ta l lt y p eo fi n f o r m a t i o n o nt h es a m en e t w o r k s w h a t e v e ru s i n gc i r c u i t - s w i t c ho rp a c k e t - s w i t c ht e c h n o l o g yt ot r a n s m i ts p e e c h i n f o r m a t i o n ，w ea l ln e e dt om o d e lt h et r a f f i cf l o wt oa n a l y z et h et r a n s m i t t i n g p e r f o r m a n c eo fn e t w o r k s ，m a k es u r et h eq o so ft r a f f i ca n du t i l i z et h en e t w o r kr e s o u r c e e f f i c i e n t l yi ns t u d yo fn e t w o r km a n a g e m e n ta n dn e t w o r ks w i t c ht e c h n o l o g y i no r d e rt o a n a l y z ea n de v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo ft r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yo fp a c k e tv o i c ef l o w a n d d e s i g nn e t w o r k ，w h i c hf i t t e ds t r i n g e n td e l a yr e q u i r e m e n tf o rs p e e c hi n f o r m a t i o na n d o t h e rq o sr e q u i r e m e n t ，i ti sv e r yn e c e s s a r yt og i v et h es p e e c hf l o wt r a n s m i t t e do nt h e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sam a t h e m a t i cm o d e l 。 t h ep a o e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h es t u d yc o n t e n t sa n dm e t h o d so fc o m m u n i c a t i o n t r a f f i c ，t r a n s m i s s i o ns c h e m ea n dt e c h n o l o g yo fs p e e c hi n f o r m a t i o no nc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k s t h e ni tp r e s e n t st h et r a f f i c sm a t h e m a t i cm o d e l sa n di t sc h a r a c t e r i s t i c s c o n s i d e r i n gt h et r a n s m i t t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fp a c k e tv o i c e0 n 删s w i t c hn e t w o r k s t h e p a p e rm a i n l yd e a lw i t hf u n d a m e n t a lp r i n c i p l e s ，c h a r a c t e r i s t i c sa n dm o d e l i n gm e c h a n i s m o ft w oi m p o r t a n tt r a f f i cm o d e l so fm o d e mn e t w o r k s ，w h i c ha r em a r k o vm o d u l a t e d p o i s s o np r o c e s sa n df l u i df l o wm o d e l a tl a s tb ya p p l y i n gt h et w om o d e l sa n d c o d i n gt h e m a l l a bp r o g r a m s ，s i m u l a t i o n sa n da n a l y s i so ft r a n s m i t t i n gp e f f o n n a n c eo fp a c k e tv o i c e f l o wo nt h ea t mn e t w o r k sa r ed o n ea n ds o m ep r a c t i c a la n dm e a n i n g f u lc o n c l u s i o n sa r e d r a w n k e yw o r d s ：s p e e c hf l o w , m a r k o vm o d u l a t e dp o i s s o np r o c e s s ，f l u i df l o wm o d e l ，p a c k e t s w i t c hn e t w o r k ，t r a f f i cm o d e l s 1 1 原创性声明 鼍p7 2 王d 5 2 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得兰州理工大学或其他单位的学位或证书 而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的 说明。 作者签名：逊日期：堕年上月上同 关于学位论文使用授权说明 本人了解兰州理工大学有保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论 文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采 用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或甘肃省有关部门规定送交 学位论文。 作者签名王隶佳导师签名：镒墅日期：趟年上月上日 第一章绪论 第一章绪论 自从1 9 9 3 年9 月1 5 日美国政府提出“国家信息基础设旋( n i l ) ”即“信息高 速公路”以来，在全世界已掀起一个异步传输模式( a t m ) 的研究高潮。在许多国 家( 包括我国) 凡是与通信或计算机沾边的大学和研究机构里基本上都把a t m 作 为研究课题。人们从不同的侧面重点研究a t m 。在i t u t 于1 9 9 0 年6 月正式通过 了关于b i s d n 的1 3 个国际建议之后，a t m 网络的研究取得了很大的进展，已提 出几十种a t m 交换机方案，许多大公司也已相继推出他们的a t m 交换机和终端 设备产品。总之，近些年来对a t m 的研究始终处在热潮之中，而且没有减落的趋 势。 1 1a t m 业务流的特点 a t m 采用异步时分复用技术。各种不同特性和不同传输要求的业务所产生的 信元( c e l l ) 都汇集到一个缓冲器( b u f f e r ) 内排队，队列中的信元被逐个输送到传 输线上。b i s d n 综合着各种业务而不是单一的业务，这些业务的速率大小，突发 度大小，突发长度，所要求的服务质量，以及实时性等对于不同的业务相差甚远， 这就给描述输入业务流带来了困难。与通常的电路交换电话网相比( 我们不妨称它 为指数网，因为呼叫的到达时间间隔和服务时间都是指数分布) ，b i s d n 中的业务 流至少有两个明显的特征：相关性和突发性。这是通常电话网中的业务所没有的。 因此以往的建立在到达时间间隔独立，服务时间独立这两个前提基础上的排队论不 能用了，或者说不够用了。 1 2 通信网业务流的建模 在通信网中，无论是电路交换网还是分组交换网，窄带综合业务数字网 ( n - i s d n ) 还是宽带综合业务数字网( b i s d n ) ，从网络的角度而言，主要包含网 路交换和网路管理两大方面的技术。其中，网路管理的研究较交换技术的研究进展 相对慢些，难度也更大。无论如何，对网路管理和网路交换技术的研究而言，都需 要建立相应的业务流模型，分析网络的传输性能，确保传输质量，并最大可能地利 用网络资源。要对业务流进行建模，必须首先要了解各类业务的统计特性，以及发 展排队分析方法。这是不可避免的首先需要解决的问题。 1 3 业务流建模的研究情况 传统的电信网络，业务比较单一，所以大多数业务流模型是针对话音业务与数 据综合业务的，用基于泊松过程( 连续时间) 或贝努利过程( 离散时间) 的数学模型就 能较准确地描述其特性。随着网络业务种类的增多，关于语音、视频、图像、数据 的综合传输模型国内外有很多学者都作了大量的研究，提出了很多方案【1 _ 6 1 。 这些年有关这方面的研究论文数以千汁。透过大量文献可以发现，对于业务流 建模后的分析方法，大致可分为矩阵几何分析方法和特征值分析方法。对于业务流 的模型，则有m a r k o v 过程、m a r k o v 调制p o i s s o n 过程( m m p p ) 、m a r k o v 调制定 长过程( m m d p ) 、开关批量b e r n o u l l i 过程( s b b p ) 、批量m a t k o v 到达过程( b m a p ) 、 第一章绪论 中断( 或开关) p o i s s o n 过程( i p p ) 、流体流动模型、d 5t d i i ( 或b d 1 ) 、k r o n e c k e r 乘积矩阵表示、自回归模型等，但是自回归模型的排队分析方法尚未解决。 必须指出，业务流的建模一定要与排队分析紧密联系起来同时考虑，如果建模 后缺乏排队分析方法进行定量分析，那么这样建立起来的模型难于应用。 1 4 业务流模型的排队分析方法 1 4 1n e u t s 的矩阵几何分析方法 自从n e n e u t s 和v r a m a s w a m i 等人创建了矩阵几何分析方法1 7 月】以来，许多 不同的模型都可以使用这个方法。矩阵几何分析方法是解决更广的一类( 针对很一 般的n 一过程) 排队问题的。凡是n - 过程的特例，如m a r k o v 调制p o i s s o n 过程， m a r k o v 调制定长过程，批量m a r k o v 到达过程等都可用矩阵几何分析方法求解。 我们可以这样说，矩阵几何分析方法对相当广泛的一类排队问题的求解都是行之有 效的，但计算量也是很大的( 因为要不止一次地对矩阵运算使用迭代法) 。 m a r k o v 调制p o i s s o n 过程也并非必须用矩阵几何方法求解。在8 0 年代初 h e f f e s 9 】在研究分组交换电话网时巧妙地使用了m m p p ( 2 ) = m + i p p ( 一个p o i s s o n 到 达与一个开关p o i s s o n 过程的叠加) 来处理m m p p ( 2 ) m 1 的排队分析。计算中只涉 及求一个三次代数方程的根。此时的计算与矩阵几何分析方法相比是相当地简单的 ( 当然模型的精度与排趴分析的计算量不是同一回事) 。h h e f f e s 的论文中把以下 系统用一个m m p p ( 2 ) 来近似：有i ，个不同类型的信源产生着信包，五( t ) 是第f 种 源的瞬时呼叫数，a ( f ) 为第f 种源在呼叫接通后每个呼叫的信包发生率，第衍中源的 呼叫最多有m 个。因此总的信包发生率为y 。，a ( f k ( t ) 。h h e f f e s 用使两者的均 一。1 值、方差、三阶原点矩和时间常数相等的办法，分等待制和损失制两种情况，求出 近似模型m m p p ( 2 ) 的四个参数。接下去用很简单的计算求得了m m p p ( 2 ) m 1 问 题的解。 1 9 8 6 年，h h e f f e s 和d m l u c a n t o n i l l o l 在研究话音和数据统计复用时也用 m m p p ( 2 ) 作为业务流的近似，他 f j 用使平均到达率，在一定的时段内到达数的方 差- 均值比，在长时间内到达数的均值方差比以及在段时间内到达数的三阶中心 矩相等来确定m m p p ( 2 ) 的四个参数。他们所用的是m m p p ( 2 ) g 1 排队，因而在计 算上仍采用矩阵几何分析方法，但因仅涉及二阶m m p p ，计算上还是简单些。 j n d a i g l e 和j d l a n g f o r d h 】曾用半m a r k o v 过程作为分组话音统计复用系统 的模型，在排队分析时归结为一个拟生灭过程，然后用n e u t s 的矩阵几何分析方法 求解。 n i p p ( 开关p o i s s o n 过程) 虽然可以看作一个有( + 1 ) 个状态的m m p p ， 因此自然可以用n e u t s 的方法求解，但是由于它的特殊结构，用特征分析方法求解 更加简单。 b m a p 和m m d p 有时可以比m m p p 更好的描述a t m 中业务流模型，但用 他们做排队分析时只能应用n e u t s 的矩阵几何分析方法。 2 第一章绪论 1 4 2 特征值分析方法 i i d e 在1 9 8 9 年发表了输入为多个中断p o i s s o n 过程的叠加( 记为n i p p ) ，服 务时间为任意的排队系统分析的研究结果 1 2 】，并把它应用到语音信包的多路复用 上。对于n p p ，在求解过程中要解个并不复杂的特征值问题。所以n i p p g 1 的 排队分析并不难。i i d e 把这个排队系统用到分组语音流上时用三种匹配方法求得 n i p p 的三个参数 y ，a 的。这三种匹配方法是： ( 1 ) 让i p p 的开关平均合上时间，开关平均断开时间以及合上开关这一事件的 平均发生率分别与语音信包过程的平均语涌时间，平均静止时间以及在语涌期问的 平均信包到达率相等； ( 2 ) i p p 的到达时间间隔分布的前三个矩分别与信包过程的相应量相等； ( 3 ) 使到达间隔分布的前两个矩和陡峭度分别相等。 流体流动模型【1 3 】本质上也是特征值分析的方法。因为在分析排队性能中将涉及 到微分方程 d _ 竺一f f 上1 ；m f f x l 出、 、 的解，它的解可表为 n f c l 1 f ( x ) = f ( m ) + 罗q e 一_ ， 其中z i 是d “m 的取负值的特征值，吨是对应于丑的右特征向量。未知常数h ) 的 确定也与矩阵d 。1 m 的特征值和特征向量有关。 应当指出，在对分组语音流建立模型时，常常把语音的语涌和静止看作两个状 态，并把它们的持续时间长度认为是指数分布。那么不论是使用n i p p 还是流体流 动模型，在作排队分析时求特征值和特征向量都很简单。因为在这种情况下已把特 征值问题化为求一组二次方程的根，并且在理论上做了完整的讨论【2 1 。 在众多的关于a t m 中业务流的研究中，加拿大学者j w m a r k 和华人科学家 李三琦的研究独具风格，成为与n e u t s 的矩阵几何分析方法平行的一个解析分析方 法序列( 当然n e u t s 理论是一项数学研究成果，是有着严格的理论体系的，它为排 队论和计算数学两个数学分支增添了新的内容。用n e u t s 理论分析a t m 中业务流 的某些模型的排队性能仅是n e u t s 理论的一项应用) 。李三琦等得到了一个关于排 队规律的解析式，从这个解析式出发得到了许多成果。模型描述如下【4 】= 考虑无限 缓冲区，服务时间固定为t 。在一个高速a t m 链路上，一个信包的传输时间是t ， 它是一个时隙的时间。有一个m a r k o v 链 x ( 打) ，它的转移矩阵为p ，当在状态i 时 信包的到达率为h ，令q ( n ) 是第一个时隙开始时的队氏，a n ) 是该时隙内信包的到 达数，排队系统的状态为( g ( n ) ，x ( n ) ) ，记稳定概率为p 。= p r o b q = ，石= m ，其 母函数向量为 3 第一章绪论 q ( z ) = o o ( z ) ，q a ( z ) ，q 2 ( z ) ，l ，级。、( z ) 1 其中级( z ) = 二o z j p 坤，则有 q ( z ) = ( z 一1 ) cz 一d i a g - ( 1 - z ) r 21 p 这里待定向量c 要用p 的特征值和特征向量去确定。因此他们用以描述a t m 中业 务流的模型仍是m m p p ，但在求解方法上与n e u t s 的矩阵几何分析方法有很大的不 同。 李三琦和他的学生又提出用频域分析的方法求解a t m 中业务流的排队问题 1 1 4 , 1 5 1 。在分析中仍须应用特征值分法。 有关m a r k - 李三琦的成果可见文献】。 在众多的文献中，对分组语音流和话音数据综合的论文多而对图像的描述很 少。 m a g l a r i s 等的两篇论文【1 6 1 7 】是引人注目的。他们把编码后的数字图像流先用自 回归模型建模，模拟表明，这种模型能很好的描述该图像流的特征。但因找不到排 队分析的解析办法，在作排队分析时又改用流体流动模型来分析。 数据、语音、图像三者综合的排队分析的文章很少。 李三琦还应用他们的方法和k r o n e c k e r 矩阵乘积技术提出在a t m 中多媒体业 务量的离散排队分析的一般求解技术吼 1 5 本文所要解决的问题 - 业务流的建模一直是a t m 研究中的一个重要领域，主要有两个应用目的：其 一是进行业务源的模拟和网络性能仿真：其二是作为网络性能分析中的输入。建立 准确的业务流模型以及网络模型，并在此基础之上进行仿真和理论探讨，得出的结 论将具有非常重要的指导意义。 本课题的研究目的为： 1 1利用流体流动模型对a t m 网络中交换机的性能进行分析。主要研究一些 主要的语音流参数对分组语音传输性能( 主要是信元丢失率) 的影响。 这些主要参数包括：输入端语音源数、信息生成速率k 平均语涌时间 间隔a 、平均沉默时间间隔 一、链路效率p 。 利用两状态m m p p ( m a r k o v 调制p o i s s o n 过程) 模型研究语音与数据综 合业务流的传输性能。为综合业务流的性能分析奠定理论的基础。 1 6 论文内容及其安排 本文的结构安排如下： 第一章 主要介绍通信网业务流建模的目的与建模后的分析方法。对矩阵几 何分析方法和特征值分析方法着重进行了介绍。最后说明本论文的 研究目的。 第二章 主要介绍分组语音在通信网中传输的方案和技术。其中包括语音编 码方案和传输方案，并对其进行了对比分析。 第三章 对现代通信网中的业务流的模型及其各自的特点进行了全面的维， 4 第一章绪论 第四章 第五章 第六章 述。 对流体流动模型的基本原理、特点和建模机理作了介绍。最后，利 用流体流动模型对a t m 中交换机的性能进行分析。研究一些主要的 语音参数对交换机性能的影响。 应用两状态m m p p ( m a r k o v 调 | 6 1 j p o i s s o n 过程) 模型研究语音与数据 综合业务流模型的传输性能，主要介绍m m p p 的原理，并且对 m m p p ( 2 - ) m 1 的排队性能进行了分析。最后对m m p p 模型的参数 匹配进行了研究。 对论文研究结果进行了总结，对后续工作做了介绍。 5 第二章语音信息在分组交换网中的传输 第二章语音信息在分组交换网中的传输 2 1 通信网基础 2 1 1 电路交换网 电路交换( c i r c u i ts w i t c h i n g ) 是传统通信网使用的交换方式。长久以来，电话的 双向会话通信不论是模拟的还是经过p c m 转换的数字电话，都一直利用电路交换。 通信网有若干个结点，叫话用户经所连接的结点，也可能再经过其它结点，由一电 路( c i r c u i t l ( 实际上是通路c h a n n e l ) 连至对方被叫用户。在通话期间就占用该电路， 直至通话完毕才拆除。电路交换的优点是：通信网对通信的用户是透明的，好像直接 连接一样；通话是双工的，而且实时、没有时延。一般地说，计算机终端之间互相 传送数据也可以利用电路交换。但是，当计算机没有数据传送时，电路仍占用着， 通信网的使用效率很低。 2 1 2 分组交换网 实际上计算机终端通常不是连续不断地传送数据，如长时间独占一条电路或通 路，则妨碍其它计算机终端的数据通信，显然不合理且不经济。对此曾考虑把每一 计算机终端发出的数据划分为小块，称为分组( p a c k e t ) ， 进行传输。这样，多个计 算机可共享同一通路和设备，节约成本。通信网先让第一个计算机终端传送它的一 个分组，再让第二个计算机终端传送它的分组，依此类推。就是说，每- - h - 算机占 用共用通路只是一个分组长度的时间，通信网不容许它占用更长的时间，以免妨碍 其它计算机接入共用通路。这样，所有计算机都有机会使用同一通路公平接入。而 且，采用了分组办法后，发送端与接收端便于判定哪些分组到达和哪些分组发生差 错。 举一实例，某一计算机终端需要传送数据文件长达5 m b y t e ，即4 0 m b i t ，而通 信网每一通路传输速率的能力为6 4 k b s ，那么传送该文件需要6 2 5 秒或约1 0 分钟。 如果不采用分组方式。那就意味着此计算机需占用通信网中一条通路约1 0 分钟， 在这时间内其它计算机不能利用该通路传送数据。采用分组办法后，如每一分组长 度为1 0 0 0 b y t e 或8 k b i t ，而通路能每秒传输6 4 k b i t ，那末这一个分组只需1 8 s ，即 1 2 5 m s 便传送完毕，其它计算机轮流传送各自的分组，下一计算机只需等待1 2 5 m s 就可接入此共享通路。这意味着，每计算机无需等待很长时间就能传送。如某一 计算机需要传送的数据文件较短，它很快就传送完毕，另一计算机需要传送较长的 数据文件，它就需要多花一些时间。总的来说，对计算机传送数据，分组办法很合 理。所以，计算机数据通信网常用分组网和分组交换( p a c k e ts w i t c h i n g ) 。这里补充 说明，分组这一名词是笼统指数据的一小块，没有规定具体的格式，一般每一分组 各有一个标头( h e a d e r ) 。如需要具体指明传送多少b i t 的分组，这样具体的分组就称 作“帧”( f l a m e ) 。对于这种帧，规定了一定的格式，特别是在每一帧的首尾各有统 一的记号，例如用字符s o h ( s t a r t o f h e a d e r ) 标志帧的开始，用e o t ( e n d o f t r a n s m i s s i o n ) 标志帧的完毕。这就使接收端很容易识别整个帧的开始来到和完全到达。利用帧的 通信i 网称为“帧中继”( f r a m er e l a y ) 。由此，目前数据通信网的发展趋向已从原来 6 第二章语音信息在分纽交换网中的传输 所谓x 2 5 分组交换网进展至帧中继数据通信网。原来分组交换网运用的片j 户数据 速率约为6 4 k b s ，而现在帧中继网运用的用户数据速率可达2 m b s 。 2 2 分组语音的编码技术 自从1 9 世纪末贝尔发明电话以来，语音通信就成为人们生活中必不可缺的一种 行为。但直n 6 0 年代初期，语音通信的方式还是完全采用模拟传输。伴随着数字式 程控交换机的诞生，语音通信逐步进入了数字化时代。 7 0 年代中期，d a n i e lm i n o l i 博士受美国国防部的委托对在d a r p a 上通话进行研 究，同期在日本等国也开始了类似的在数据网络上传输语音的研究工作。这一阶段 的研究推动了i s d n 的诞生和发展，但由于传输链路质量不高，总体而言，工作的重 点大多局限于局域网络。进入9 0 年代以后，通信链路的质量大大改善，使得分组语 音通信在广域范围内的应用成为可能。 分组语音的特点就是在现有的各类数据网络中传输语音信号，从而提高数据网 络的综合利用率以及降低语音信号传输的成本。为了实现这个目标，语音压缩编码 就成为了分组语音通信的必要条件。 2 2 1 语音编码标准 目前在分组语音通信中所采用的语音压缩编码都包含于国际电信联盟( i t u ) 的g 系列标准中，具体内容如表1 所示。 p c m 和a d p c m 是在传统的数字式程控交换中使用最多最频繁的两种语音 编码，他们的i t u 标准分别为g 7 1 1 和g 7 2 6 。由于人耳能感受到的声音频率几 乎都在4 0 0 0 h z 以下，所以根据n y q u e s t 准则，p c m 的采样频率为8 0 0 0 h z 。标准电 话的p c m 使用8 位量化代码，每个电话占用6 4 k b p s 信道带宽。a d p c m 对p c m 进 行自适应差分，使用4 位代码，因此占用3 2 k b p s 信道，较p c m 节省了半的带宽， 相应的通话质量也有所下降，a d p c m 通常用于长途线路。 为进一步提高信道利用率，降低电话运营成本，人们研究了多种语音编码标准， 其中目前应用最为广泛的是一种线性可预测编码算法( l p c ) 。l p c 充分利用了人 类发音过程的特点，不仅可以得到较高的压缩效果，而且对语音质量的损害也极小。 目前得到应用的有以下几类： ( 1 1g 7 2 8 ，描述低时延码激励线性预测( l d c e l p ) 语音压缩技术，仅占用 1 6 k b p s 带宽，语音质量与3 2 k b p s 的a d p c m 等价； ( 2 ) g 7 2 9 g 7 2 9 a ，描述共轭结构的自适应码激励线性预测( a s a c e l p ) 语音 压缩技术，仅占用8 k b p s 的信道带宽，语音质量等价于g 7 2 8 ； f 3 ) g 7 2 3 i ，描述了一种用于支持极低码流的语音压缩算法，可用于多媒体服 务的音频信号，是h 3 2 4 标准系列的一部分。该编码标准有两种比特率一 - - 5 3 k b p s 和6 ，3 k b p s ，采用不同的压缩算法。 7 第二章语音信息在分组交换网中的传输 表1常用语音压缩算法 2 2 2 语音压缩质量 为了能保证有效的通信，在选用语音压缩算法时必须考虑算法压缩后语音的人 耳可信度。目前评价语音压缩质量最为通用的方法是平均观点打分法( m e a no p i n i o n s c o r e ，简称m o s ) 。在m o s 方法中，5 分代表最高质量，0 分代表最低质量，一 般4 分以上的语音质量是较好质量，而3 分4 分为可接受的语音质量，低于3 分 则为不可接受。上节所提到的各类语音压缩算法及标准的压缩质量均列于表1 中。 从表1 中可以看出，采用g 7 2 8 和g 7 2 9 压缩标准，在传输带宽上较g 7 1 1 和 g 7 2 6 有较大幅度节省，但语音质量并未受到大的影响，因而是较理想的语音压缩 方法。而采用g 7 2 3 1 标准虽然在语音质量上有所降低，但它同时在传输带宽上有 较大幅度的节省，而且该语音质量仍然在人耳可接受的范围内，所以当用户对带宽 要求的考虑远较语音质量重要时，可优先考虑采用g 7 2 3 1 标准。 2 2 3 时延 时延是影响语音传输质量的另一个重要因素。根据人耳对语音的敏感程度，一 般时延在5 0 m s 以内，人耳基本无法分辨：时延在5 0 2 0 0 m s 之间，人耳可以感觉 到话音的间隔存在，对语义的理解和交流影响并不大；一旦时延超过2 0 0 m s ，时延 将严重影响通话双方的交流，因而必须对语音的总时延有一个控制。 一般时延包括两个部分，即编解码时延和传输处理时延。编解码时延由压缩 算法引起，时间固定。如表1 所示，p c m 和a d p c m 的编码时延均非常小，根本 不足以引起注意。而按照g 7 2 9 g 7 2 9 a 的压缩算法，c s - a c e l p ，其编码时延为 1 0 m s 。两个相邻的c s a c e l p 语音采样之间的编解码所产生的时延可以高达2 5 m s ( 其中前5 i l l s 用于编码其预收集信息，后2 0 m s 对应于2 个加字节的帧) 。采用 g 7 2 3 1 压缩算法，其编解码时延会超过6 0 m s 。 虽然编解码时延随算法的不同而不同，但由于编解码时延是固定时延，可通过 采用回波抵消等方法来降低影响，因此对通话质量的影响并不显著。数据网络中对 语音传输质量产生重大影响的是传输处理时延。传输处理时延跟网络规模有关， 也跟所采用的传输方案有关。传输处理时延会伴随数据网络规模的扩张而扩大，形 成一种被称之为“串联时延”的形态。由于网络环境的不确定性，传输处理时延可 8 第二章语音信息在分组交换网中的传输 能会从几十m s 到数百m s 不等，加上固定的编解码时延，就可能会影响通话双方的 交流。传输处理时延不仅带来长时延，而且会在网络中造成时延抖动( d e l a y j i t t e r ) 。 较时延而言，时延抖动对语音质量的影响更大。固定的时延可能只是干扰人们谈话 的节奏，而时延抖动就会在通话之问产生随机的中断。尤其是对无连接的数据传输 网络来说，严重的时延抖动将会带来数据包的失序问题，给通话双方对语义的理解 带来障碍。 为有效地保证和提高语音传输的质量，必须采取有效的方法来解决时延和时延 抖动问题。解决传输，处理时延的一般方法是通过合适的路由选择来减少传输的中间 环节以降低“串联时延”，同时还可通过适当增加网络传输带宽来有效地降低网络 拥塞的发生机率。减小网络拥塞的发生同样可减小时延抖动的发生。另外一种常用 的时延抖动的方法是在接收端的交换机中设置适量的缓存( b u f f e r ) 来控制数据包 的输出。在面向无连接的数据传输网络中，还可通过在发送端添加时戳( t i m e s t a m p ) 以便接收端重组失序分组的方法来保证传输质量。鉴于语音分组的实时性要求，一 般的语音传输中几乎不采用差错重传机制，而宁可丢弃出错帧。 2 3 分组语音传输方案 分组语音的出现主要是针对传统的电话交换网络，尤其是长途电话网络，在通 信质量可为用户接受的基础上尽量降低通信费用，因而分组语音的传输平台基本为 广域通信网络。目前可以传输分组语音的广域网络有以下七大类：电路交换式网 络，通常为电信公司租用的t 1 e 1 j 1 中继线，提供固定的同步带宽；a t m 固定 比特率或电路仿真连接，这些连接仿真电路交换式网络连接，有时也称为a 类a t m 服务；基于在a t m 中称为可变比特率( v b r ) 、可用比特率( a b r ) 或非指定 比特率( u b r ) 等服务级别的a t m 连接；帧中继网络，既可以是公共服务商提 供的线路，也可以是企业内部建立的专用网络；公共i p 网络，包括i n t e r n e t ； 各种类型的专用企业数据网络。这其中最为突出的三类数据平台分别是a t m 、帧中 继和i p 网络。 2 3 1a t m 分组语音( v m 疆m ) a t m 技术出现于8 0 年代末，是r r u 定义用于b i s d n 的传输技术和平台， 它本身就是用于传输包含语音视频在内的多媒体业务的工具。根据带宽利用程度和 传输的定时机制采用方案等因素，a t m 论坛和i t u 将a t m 分为5 种传输类型： 固定比特率( c b r ) 、实时可变比特率( r t ，v b r ) 、非实时可变比特率( n r t v b r ) 、 非指定比特率( u b r ) 、可用比特率( a b r ) 。并相应地定义了a a l l 、a a i2 、 a a l 3 a a l 4 和a a i 5 几种业务类型。由于语音对时延和时延抖动敏感程度，一般 采用c b r 和r t v b r 方式来传输语音，其业务类型分别为a a l l 和a a i 2 。a t m 论坛为此专门制订了一套用于v o a t m 的协议。 a t m 采用q o s 保障机制、v c 链路排队机制和定长信元传输枫制，有效地降 低了时延和时延抖动对分组语音传输性能的影响，成为传输分组语音的最佳方法。 但由于a t m 设备造价高，尤其是对桌面用户而言，而且目前在a t m 系统中传输 的语音速率均为6 4 k b p s ，对带宽的利用率不高，因此v o a t m 的应用并不十分广泛。 9 第二章语音信息在分组交换网中的传输 2 3 2 帧中继分组语音( v o f r ) 帧中继( f r a m er e l a y ) 同样诞生于8 0 年代末期，它是在传输链路质量大为提 高的条件下，通过优化c c i t t 的x 2 5 协议而得来的，其最大特点就是将x 2 5 中的 基于点到点的差错控制方式更改为端到端的控制，从而大幅度降低了传输时延， 帧中继最初同x 2 5 类似，是用于传输数据的，其传输时延一般在2 2 5 m s 到 2 0 0 m s 之间。随着技术的发展，特别是1 9 9 7 年5 月，帧中继论坛颁布了f r f 1 1 实 施标准之后，v o f r 技术得到了极大的发展和应用。由于帧中继传输中的帧是不定 长的，而且大部分的帧较长，对于对时延和时延抖动敏感的语音传输来说并不合适， 为此帧中继论坛于1 9 9 7 年1 2 月颁布了旨在将较长分组分片为短分组的f r f 1 2 实 施标准。 由于设备造价高这一因素，v o f r 更多地应用于企业网之间。对个人用户而言， 最合适的分组语音方式是v o i p 。 2 3 3i p 分组语音( v o l p ) v o l p 是伴随着国际互联网络的迅猛发展而出现的。p 网络是面向无连接的， 路由复杂，而且其时延和时延抖动问题与a t m 和帧中继相比均十分严重，因此从 一般原理来讲它并不适合传输分组语音。但是采用t c p ，口协议簇的国际互联网是 目前仅次于电话网络和有线电视网络的第三大信息网络，而且它可以充分剩用现有 各类通信网，从而在价格竞争上具有极强的优势。为此，1 9 9 6 年5 月国际上成立 了v o i c eo v e ri p 论坛，同年1 0 月该论坛又加入了国际多媒体远程会议联盟 ( i m t c ) 。 1 9 9 6 年i t u 制订了一组专用于i p 网络上传输多媒体信号的协议h 3 2 3 。该协 议包含视频和音频以及控制协议等多个方面。1 9 9 7 年5 月为此专门制订了g 7 2 3 1 语音压缩编解码。鉴于i p 网络对于实时信号传输的一些固有弱点，制订了r t p 和 r s v p 等协议来尽可能地保证传输质量，目前已被广泛应用的电话就是利用了 v o l p 技术，其所选用的压缩算法除g ，7 2 3 1 外，还有g 7 2 9 等。 2 4 小结 分组语音技术从诞生至今已有2 0 多年的历史，但真正得到广泛应用还是最近 几年的事情，尤其是在i p 电话得到认可和实施之后。但是现阶段分组语音的应用依 然受到现有技术的一些限制。由于时延和时延抖动问题的影响，目前国内和国际上 一些主要的i p 电话运营商基本上还是采用专线方式，即租用专线( 女 i d d n 或帧中 继等) 来传输纯坤分组语音信号。而那些直接在i n t e m e t 上传输i p 语音信号的方法 由于受到带宽和数据分组的干扰，扩大了时延和时延抖动问题，直接影响了通话质 量。即便是已经运营口电话的服务商，也面临着面少点稀、不得不借助本地传统电 话网络等问题。 为了解决上述问