VoIP網(wǎng)絡(luò )接納控制機制必要性探討

2007/05/21

圖1 VoIP承載網(wǎng)絡(luò )體系架構示意圖

　　VoIP網(wǎng)絡(luò )容量規劃的影響因素

　　網(wǎng)絡(luò )容量規劃是網(wǎng)絡(luò )建設的重要環(huán)節，其目的是通過(guò)對資源需求信息的分析得出應部署的網(wǎng)絡(luò )設備與鏈路的容量。相比于傳統的電話(huà)網(wǎng)絡(luò )，VoIP的網(wǎng)絡(luò )架構發(fā)生了根本的變化：由原來(lái)的TDM網(wǎng)絡(luò )變成了分組網(wǎng)絡(luò )，由原來(lái)相對專(zhuān)用的網(wǎng)絡(luò )向多業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò )演進(jìn)。在多業(yè)務(wù)IP網(wǎng)絡(luò )中，網(wǎng)絡(luò )架構，流量混合情況，資源分配機制都對網(wǎng)絡(luò )容量規劃具有一定的影響。

　　傳統電話(huà)網(wǎng)絡(luò )的容量規劃已經(jīng)具有科學(xué)的理論基礎和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗。由于應用時(shí)間較短，對VoIP網(wǎng)絡(luò )的容量規劃還沒(méi)有成熟的理論和技術(shù)。值得慶幸的是，VoIP應用和傳統的電話(huà)業(yè)務(wù)有一定的相似之處，因而可以借鑒傳統電話(huà)網(wǎng)絡(luò )規劃的相關(guān)經(jīng)驗。

　　電話(huà)業(yè)務(wù)的資源需求信息通常從長(cháng)期應用經(jīng)驗結合預測得出。話(huà)音業(yè)務(wù)的需求一般用流量矩陣表示，流量矩陣與用戶(hù)的數量及行為模式有關(guān)（訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò )的概率分布和通話(huà)時(shí)間的概率分布等）。VoIP應用的目標是替代傳統話(huà)音業(yè)務(wù)，尤其是用戶(hù)的業(yè)務(wù)使用模式并沒(méi)有改變，因而原來(lái)的資源需求估算方法仍然有效。但是由于信號編碼方式和傳輸方式發(fā)生了變化，每個(gè)呼叫所需的帶寬隨之變化。

VoIP業(yè)務(wù)的資源需求分析

　　VoIP業(yè)務(wù)的資源需求由兩個(gè)方面的因素決定：每個(gè)呼叫的帶寬需求（平均碼率）和單位時(shí)間的呼叫數量。其中后者由用戶(hù)數量、用戶(hù)的活躍程度和用戶(hù)的網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)模式?jīng)Q定。

　　1、每個(gè)呼叫的帶寬需求

　　VoIP業(yè)務(wù)中，網(wǎng)絡(luò )中傳輸的有效信號是數字化語(yǔ)音信號，但是為了在IP網(wǎng)絡(luò )中傳輸，需要對原始信號進(jìn)行包封裝，以便進(jìn)行選路和實(shí)現一些控制功能。因此，每個(gè)呼叫所需的帶寬不僅與數字化方式（壓縮編碼）有關(guān)，還和語(yǔ)音信號的抽樣與打包頻率有關(guān)。

　　1.1 報頭負荷

　　根據IETF的標準建議，通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò )傳輸語(yǔ)音信號樣本需要增加三個(gè)額外的報頭，每個(gè)報頭對應一個(gè)網(wǎng)絡(luò )層次，即IP，UDP和RTP [4]。 IPv4的報頭長(cháng)20個(gè)字節（8bit），UDP報頭為8字節，RTP報頭為12字節。圖2所示為語(yǔ)音信號的封裝格式。

圖2 VoIP分組封裝格式

　　從圖2可見(jiàn)，報頭信息的總長(cháng)度為40字節，即320bit。每次語(yǔ)音樣本發(fā)送時(shí)，這些報頭也需要發(fā)送一次。因此，報頭信息所占用的額外帶寬與語(yǔ)音樣本的發(fā)送頻率有關(guān)。

　　1.2 語(yǔ)音信號封裝頻率

　　語(yǔ)音信號的封裝頻率指的是每秒鐘封裝發(fā)送的語(yǔ)音樣本數量。例如，一個(gè)語(yǔ)音樣本表示20毫秒的語(yǔ)音信號，則每秒鐘需要進(jìn)行50次抽樣，即語(yǔ)音信號封裝頻率為50。語(yǔ)音信號抽樣頻率的選擇是語(yǔ)音質(zhì)量與帶寬需求的折衷。因為40字節的封裝報頭保持不變，樣本越小則所需帶寬越多。然而，當樣本長(cháng)度增加時(shí)，系統的總時(shí)延隨之增加，分組丟失帶來(lái)的信號損失也隨之增大。

　　IETF RFC1889中有一個(gè)例子說(shuō)明語(yǔ)音樣本長(cháng)度為20ms，但該文本并沒(méi)有將該值作為標準建議。對這個(gè)問(wèn)題還沒(méi)有標準的答案，參考一般做法，通常取20ms，即每秒封裝發(fā)送50個(gè)樣本。這種情況下，每個(gè)樣本帶有320bit的IP/UDP/RTP報頭，因此，每秒鐘需發(fā)送報頭16Kbits。

　　1.3 編碼算法的影響

　　語(yǔ)音信號編碼實(shí)現語(yǔ)音信號的數字化，通常還具有一定的壓縮功能。語(yǔ)音信號通常采用恒定比特率編碼方式，相對于視頻信號而言其碼率較低。由于采用的編碼算法不同，其輸出碼流的速率和回放后得到語(yǔ)音質(zhì)量也不一樣。ITU-T的G系列推薦標準中包括了多種話(huà)音信號（壓縮）編碼方法。其編碼算法和速率見(jiàn)表1。

表1語(yǔ)音信號編碼速率與IP傳輸速率

　　前面提到，如果樣本時(shí)間為20ms，則每秒需發(fā)送的報頭約為16Kbits。當樣本長(cháng)度小于20ms時(shí)，可以將幾個(gè)抽樣打入一個(gè)分組中發(fā)送，這個(gè)經(jīng)驗值仍然有效。但當樣本長(cháng)度大于20ms時(shí)，通常將一個(gè)樣本封裝到一個(gè)分組中，因而封裝所需的帶寬消耗將小于16Kbits。以表1中G.723.1編碼算法為例，由于樣本長(cháng)度為30ms，因而分組封裝頻率為33.3，其消耗帶寬約為320x33.3= 10.67Kbits。

　　每種編碼算法對應不同的復雜度，時(shí)延特征和語(yǔ)音回放質(zhì)量。G.729(A)和G.723.1被認為有望成為VoIP應用主流的算法。

　　表1只考慮了IP層的封裝，當IP分組在鏈路上傳輸時(shí)，通常還要經(jīng)過(guò)鏈路層協(xié)議的封裝。以太網(wǎng)正逐漸成為傳輸技術(shù)的主流，以太成幀也是開(kāi)銷(xiāo)較大的鏈路層技術(shù)，包括差錯控制編碼一般需要16個(gè)字節。仍然假定每秒50次的封裝頻率，則需要增加開(kāi)銷(xiāo)7.2kbps。如采用以太傳輸，則每個(gè)G.711語(yǔ)音會(huì )話(huà)所需帶寬為87.2kps，而每個(gè)G.729(A)語(yǔ)音會(huì )話(huà)所需事寬為31.2kps。

　　1.4 報頭壓縮

　　對一個(gè)典型的8kbps的壓縮機制，報頭的負荷通常是16kbps(是凈荷的2倍)，因此有必要采取適當的措施減少報頭的傳送開(kāi)銷(xiāo)。現在已經(jīng)存在一些方法，如報頭壓縮、RTP利用等[5]。通過(guò)采用這些方法，可以使用報頭的負擔降至2或4字節，大大提高了封裝的效率。

VoIP網(wǎng)絡(luò )容量規劃方法

　　在電路網(wǎng)絡(luò )中，對于給定的流量需求，需要估計出正常工作時(shí)所需的線(xiàn)路數量（鏈路容量）。為了防止偶爾出現的異常突發(fā)導致的線(xiàn)路數量不足，網(wǎng)絡(luò )支持呼叫接納控制功能。線(xiàn)路數量的估計通常根據一定的模型，對于話(huà)音業(yè)務(wù)，常見(jiàn)的兩種鏈路容量估計模型是Erlang B和Engset公式[6]。這兩個(gè)公式描述了呼叫強度、線(xiàn)路數量及呼叫阻塞率之間的關(guān)系。工程上，根據流量實(shí)際需求和可以接受的呼叫阻塞率，可以通過(guò)查找由公式推算出的表格得到所需的網(wǎng)絡(luò )容量。

　　Erlang B或Engset公式的使用需要事先知道網(wǎng)絡(luò )的流量矩陣，即各條鏈路的資源需求。然而，在有些情況下，比如新建的網(wǎng)絡(luò )，流量矩陣通常難以準確得到，因而也無(wú)法根據相關(guān)模型進(jìn)行資源規劃。為了保證通信的質(zhì)量，一種可行的方法是按照最壞的情況規劃和部署網(wǎng)絡(luò )資源。顯然，采用這種方法，大多數情況下會(huì )有一定的資源處于閑置狀態(tài)。

　　假定VoIP流量與其它應用流量隔離（VoIP專(zhuān)網(wǎng)或采用區分服務(wù)機制實(shí)現流量隔離），VoIP會(huì )話(huà)具有恒定比特率的特性（不考慮靜音壓縮），我們可以將電路網(wǎng)絡(luò )中的網(wǎng)絡(luò )規劃方法引入到VoIP網(wǎng)絡(luò )中。考慮分組網(wǎng)絡(luò )的無(wú)連接特性，資源配置還與流量的路徑選擇有關(guān)，我們假定VoIP網(wǎng)絡(luò )采用最短路徑路由算法，沒(méi)有引入流量工程機制。

　　1、允許呼叫阻塞的網(wǎng)絡(luò )資源規劃方法

　　在Erlang B和Engset模型中，都包括了呼叫阻塞率參數，即鏈路容量規劃對應于一定的呼叫阻塞。

　　根據VoIP呼叫到達時(shí)間間隔的指數分布特征，我們用Erlang公式描述網(wǎng)絡(luò )資源的需求。參考傳統電話(huà)網(wǎng)，假定在核心網(wǎng)絡(luò )中每對邊緣路由器之間建立流量中繼管道用于傳送來(lái)自相應電話(huà)網(wǎng)關(guān)的呼叫，用話(huà)務(wù)量α表示每對網(wǎng)關(guān)之間的電話(huà)負荷的大小。α可通過(guò)忙時(shí)業(yè)務(wù)量（BHT，Busy Hour Traffic）和平均呼叫保持時(shí)間（MCD，Mean Call Duration，單位秒）來(lái)計算： ，其單位為Erlang(Erl)。1Erlang表示1個(gè)小時(shí)的呼叫持續時(shí)間。

　　用 和 分別表示流量管道容量和每個(gè)呼叫所需帶寬，則流量管道可同時(shí)傳送的呼叫數目可表示為 。記 為呼叫阻塞的概率，則Erlang B公式可以表示為[6]：

(1)

　　上式中GoS（Grade of Service）表示服務(wù)等級，即最大可容忍的阻塞概率。公式（1）表示當鏈路話(huà)務(wù)量為α，流量管道已經(jīng)承載了 個(gè)呼叫時(shí)，兩個(gè)網(wǎng)關(guān)之間的接納控制機制拒絕呼叫請求的概率。公式（1）也表示出網(wǎng)絡(luò )容量和服務(wù)等級之間存在的折衷關(guān)系。給定網(wǎng)關(guān)間的流量矩陣，VoIP服務(wù)提供商或網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商可通過(guò)擴大為VoIP業(yè)務(wù)配置的網(wǎng)絡(luò )容量以獲得更好的服務(wù)等級。

　　當呼叫源的數量（用戶(hù)）與線(xiàn)路數的比值大于10時(shí)，采用Erlang B模型會(huì )過(guò)高地估計所需線(xiàn)路數量，此時(shí)用Engset模型可以更加準確地對所需容量進(jìn)行規劃。與Erlang B模型不同的是，Engset模型不僅需要考慮忙時(shí)業(yè)務(wù)量和阻塞概率，還需要參考呼叫源的數量。有了這三個(gè)參數后，同樣可以通過(guò)查找相應的表格獲得所需的線(xiàn)路數量。

　　2、無(wú)阻塞資源規劃方法

　　當網(wǎng)絡(luò )的流量矩陣未知時(shí)，為保證良好的通信質(zhì)量，容量配置必須考慮最壞情況下的資源需求，即每個(gè)網(wǎng)關(guān)支持最多呼叫的流量 ，且可能任意分布到其他網(wǎng)關(guān)。按照這種情況對每條鏈路進(jìn)行容量配置則不會(huì )發(fā)生呼叫阻塞的情形，電話(huà)網(wǎng)關(guān)也無(wú)需進(jìn)行接納控制。下面通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的示例來(lái)說(shuō)明這種方法[7]。

圖3 VoIP資源規劃網(wǎng)絡(luò )拓撲示例

　　網(wǎng)絡(luò )拓撲如圖3（a）所示，以鏈路A-C為例，將通過(guò)鏈路A-C的端到端的呼叫分別表示為a, b, c, d，如圖3(b)所示， (i = 1, 2, …, 6) 表示第i個(gè)網(wǎng)關(guān)可以支持的最大呼叫數量，記通過(guò)鏈路A-C的最大呼叫數量為m, 則a, b, c, d和m滿(mǎn)足以下關(guān)系：

　　Maximize: m = a + b + c + d;

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(2)
　　Subject to 　　
　　　　　　　　　　　　　　

　圖4 支持三重播放的IP城域/接入網(wǎng)絡(luò )

　　假定每個(gè)DSLAM連接2000個(gè)用戶(hù)，話(huà)音業(yè)務(wù)的并發(fā)率為50%，若每個(gè)呼叫所需帶寬為50kbps，則話(huà)音業(yè)務(wù)所需的平均帶寬約為50Mbps。若DSLAM上連鏈路的接口為GE，則話(huà)音業(yè)務(wù)所占帶寬約為5%。在更高一層的網(wǎng)絡(luò )結點(diǎn)，如匯聚和核心網(wǎng)絡(luò )，由于復用層次更高，總的用戶(hù)并發(fā)率進(jìn)一步下降，話(huà)音業(yè)務(wù)所占帶寬比例將進(jìn)一步下降。在中國電信的CN2中，話(huà)音業(yè)務(wù)的規劃帶寬也不足總帶寬的5%。

　　資源接納控制機制的必要性討論

　　對于IP語(yǔ)音專(zhuān)網(wǎng)，和無(wú)阻塞情況資源配置方法相比，采用接納控制可以節約較多帶寬。如網(wǎng)絡(luò )資源有限，接納控制機制可以改善用戶(hù)的使用體驗；如網(wǎng)絡(luò )資源充足，則無(wú)需在業(yè)務(wù)授權時(shí)考慮資源可用狀況。

　　對于多業(yè)務(wù)核心網(wǎng)絡(luò )，由于網(wǎng)絡(luò )容量配置非常充足，且話(huà)音業(yè)務(wù)具有最高資源使用優(yōu)先級，完全可以滿(mǎn)足最壞情況下的資源需求，因此沒(méi)有必要部署接納控制，也不必實(shí)時(shí)地跟蹤網(wǎng)絡(luò )流量矩陣的變化。

　　從上面的分析可見(jiàn)，相對于接入復用與匯聚設備的容量，話(huà)音業(yè)務(wù)所消耗的資源非常有限。在接入復用和匯聚設備處靜態(tài)分配一定的超量帶寬，保證話(huà)音信號無(wú)阻塞是一種更加簡(jiǎn)單可行的方法，可以避免實(shí)施接納控制機制帶來(lái)的設備更新。

結論

　　用VoIP替代傳統的電話(huà)通信技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的認同并在逐步實(shí)施，在此過(guò)程中，如何達到傳統話(huà)音業(yè)務(wù)相當的服務(wù)質(zhì)量是一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題。呼叫接納控制是傳統電話(huà)網(wǎng)絡(luò )的基本技術(shù)，它可以在網(wǎng)絡(luò )通信資源不足時(shí)拒絕新的呼叫請求。在下一代基于IP技術(shù)的電信網(wǎng)絡(luò )中，話(huà)音業(yè)務(wù)的帶寬需求和承載網(wǎng)絡(luò )都發(fā)生了很大的變化，是否或如何對VoIP實(shí)施基于資源的接納控制成為一個(gè)新的問(wèn)題。本文分析了VoIP呼叫的帶寬需求，以及具有接納控制和最壞情況的資源規劃方法，結合現階段的網(wǎng)絡(luò )資源部署情況，我們得出以下結論：1) 在IP話(huà)音專(zhuān)網(wǎng)中，采用接納控制機制可以大大節約帶寬需求，但在網(wǎng)絡(luò )資源充足的條件下可以不必實(shí)施接納控制；2) 在多業(yè)務(wù)IP骨干網(wǎng)絡(luò )中，由于資源相對充足，而且VoIP業(yè)務(wù)所需的帶寬比例較小，在采用區分服務(wù)并對話(huà)音業(yè)務(wù)進(jìn)行最高優(yōu)先級轉發(fā)的前提下，不必實(shí)施接納控制機制；3) 在多業(yè)務(wù)城域網(wǎng)絡(luò )的接入和匯聚結點(diǎn)，話(huà)音業(yè)務(wù)所需帶寬資源所占比例不足5%，盡管接納控制機制可以適當節約帶寬，改善用戶(hù)體驗，但采用靜態(tài)配置帶寬的方法有利于降低設備和運營(yíng)成本。

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