VoIP網(wǎng)絡(luò)接納控制機(jī)制必要性探討

2007/05/21

圖1 VoIP承載網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)示意圖

　　VoIP網(wǎng)絡(luò)容量規(guī)劃的影響因素

　　網(wǎng)絡(luò)容量規(guī)劃是網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，其目的是通過對(duì)資源需求信息的分析得出應(yīng)部署的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與鏈路的容量。相比于傳統(tǒng)的電話網(wǎng)絡(luò)，VoIP的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)發(fā)生了根本的變化：由原來的TDM網(wǎng)絡(luò)變成了分組網(wǎng)絡(luò)，由原來相對(duì)專用的網(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(gòu)，流量混合情況，資源分配機(jī)制都對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量規(guī)劃具有一定的影響。

　　傳統(tǒng)電話網(wǎng)絡(luò)的容量規(guī)劃已經(jīng)具有科學(xué)的理論基礎(chǔ)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。由于應(yīng)用時(shí)間較短，對(duì)VoIP網(wǎng)絡(luò)的容量規(guī)劃還沒有成熟的理論和技術(shù)。值得慶幸的是，VoIP應(yīng)用和傳統(tǒng)的電話業(yè)務(wù)有一定的相似之處，因而可以借鑒傳統(tǒng)電話網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

　　電話業(yè)務(wù)的資源需求信息通常從長(zhǎng)期應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)結(jié)合預(yù)測(cè)得出。話音業(yè)務(wù)的需求一般用流量矩陣表示，流量矩陣與用戶的數(shù)量及行為模式有關(guān)（訪問網(wǎng)絡(luò)的概率分布和通話時(shí)間的概率分布等）。VoIP應(yīng)用的目標(biāo)是替代傳統(tǒng)話音業(yè)務(wù)，尤其是用戶的業(yè)務(wù)使用模式并沒有改變，因而原來的資源需求估算方法仍然有效。但是由于信號(hào)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(shù)量。其中后者由用戶數(shù)量、用戶的活躍程度和用戶的網(wǎng)絡(luò)訪問模式?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?shù)挠行盘?hào)是數(shù)字化語音信號(hào)，但是為了在IP網(wǎng)絡(luò)中傳輸，需要對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行包封裝，以便進(jìn)行選路和實(shí)現(xiàn)一些控制功能。因此，每個(gè)呼叫所需的帶寬不僅與數(shù)字化方式（壓縮編碼）有關(guān)，還和語音信號(hào)的抽樣與打包頻率有關(guān)。

　　1.1 報(bào)頭負(fù)荷

　　根據(jù)IETF的標(biāo)準(zhǔn)建議，通過IP網(wǎng)絡(luò)傳輸語音信號(hào)樣本需要增加三個(gè)額外的報(bào)頭，每個(gè)報(bào)頭對(duì)應(yīng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)層次，即IP，UDP和RTP [4]。 IPv4的報(bào)頭長(zhǎng)20個(gè)字節(jié)（8bit），UDP報(bào)頭為8字節(jié)，RTP報(bào)頭為12字節(jié)。圖2所示為語音信號(hào)的封裝格式。

圖2 VoIP分組封裝格式

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

　　1.2 語音信號(hào)封裝頻率

　　語音信號(hào)的封裝頻率指的是每秒鐘封裝發(fā)送的語音樣本數(shù)量。例如，一個(gè)語音樣本表示20毫秒的語音信號(hào)，則每秒鐘需要進(jìn)行50次抽樣，即語音信號(hào)封裝頻率為50。語音信號(hào)抽樣頻率的選擇是語音質(zhì)量與帶寬需求的折衷。因?yàn)?0字節(jié)的封裝報(bào)頭保持不變，樣本越小則所需帶寬越多。然而，當(dāng)樣本長(zhǎng)度增加時(shí)，系統(tǒng)的總時(shí)延隨之增加，分組丟失帶來的信號(hào)損失也隨之增大。

　　IETF RFC1889中有一個(gè)例子說明語音樣本長(zhǎng)度為20ms，但該文本并沒有將該值作為標(biāo)準(zhǔn)建議。對(duì)這個(gè)問題還沒有標(biāo)準(zhǔn)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(bào)頭，因此，每秒鐘需發(fā)送報(bào)頭16Kbits。

　　1.3 編碼算法的影響

　　語音信號(hào)編碼實(shí)現(xiàn)語音信號(hào)的數(shù)字化，通常還具有一定的壓縮功能。語音信號(hào)通常采用恒定比特率編碼方式，相對(duì)于視頻信號(hào)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音質(zhì)量也不一樣。ITU-T的G系列推薦標(biāo)準(zhǔn)中包括了多種話音信號(hào)（壓縮）編碼方法。其編碼算法和速率見表1。

表1語音信號(hào)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(bào)頭約為16Kbits。當(dāng)樣本長(zhǎng)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(yàn)值仍然有效。但當(dāng)樣本長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)應(yīng)不同的復(fù)雜度，時(shí)延特征和語音回放質(zhì)量。G.729(A)和G.723.1被認(rèn)為有望成為VoIP應(yīng)用主流的算法。

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

　　1.4 報(bào)頭壓縮

　　對(duì)一個(gè)典型的8kbps的壓縮機(jī)制，報(bào)頭的負(fù)荷通常是16kbps(是凈荷的2倍)，因此有必要采取適當(dāng)?shù)拇胧p少報(bào)頭的傳送開銷�，F(xiàn)在已經(jīng)存在一些方法，如報(bào)頭壓縮、RTP利用等[5]。通過采用這些方法，可以使用報(bào)頭的負(fù)擔(dān)降至2或4字節(jié)，大大提高了封裝的效率。

VoIP網(wǎng)絡(luò)容量規(guī)劃方法

　　在電路網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)于給定的流量需求，需要估計(jì)出正常工作時(shí)所需的線路數(shù)量（鏈路容量）。為了防止偶爾出現(xiàn)的異常突發(fā)導(dǎo)致的線路數(shù)量不足，網(wǎng)絡(luò)支持呼叫接納控制功能。線路數(shù)量的估計(jì)通常根據(jù)一定的模型，對(duì)于話音業(yè)務(wù)，常見的兩種鏈路容量估計(jì)模型是Erlang B和Engset公式[6]。這兩個(gè)公式描述了呼叫強(qiáng)度、線路數(shù)量及呼叫阻塞率之間的關(guān)系。工程上，根據(jù)流量實(shí)際需求和可以接受的呼叫阻塞率，可以通過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(zhǔn)確得到，因而也無法根據(jù)相關(guān)模型進(jìn)行資源規(guī)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(guī)劃和部署網(wǎng)絡(luò)資源。顯然，采用這種方法，大多數(shù)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(yīng)用流量隔離（VoIP專網(wǎng)或采用區(qū)分服務(wù)機(jī)制實(shí)現(xiàn)流量隔離），VoIP會(huì)話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(guī)劃方法引入到VoIP網(wǎng)絡(luò)中�？紤]分組網(wǎng)絡(luò)的無連接特性，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，沒有引入流量工程機(jī)制。

　　1、允許呼叫阻塞的網(wǎng)絡(luò)資源規(guī)劃方法

　　在Erlang B和Engset模型中，都包括了呼叫阻塞率參數(shù)，即鏈路容量規(guī)劃對(duì)應(yīng)于一定的呼叫阻塞。

　　根據(jù)VoIP呼叫到達(dá)時(shí)間間隔的指數(shù)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(tǒng)電話網(wǎng)，假定在核心網(wǎng)絡(luò)中每對(duì)邊緣路由器之間建立流量中繼管道用于傳送來自相應(yīng)電話網(wǎng)關(guān)的呼叫，用話務(wù)量α表示每對(duì)網(wǎng)關(guān)之間的電話負(fù)荷的大小。α可通過忙時(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）來計(jì)算： ，其單位為Erlang(Erl)。1Erlang表示1個(gè)小時(shí)的呼叫持續(xù)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(shù)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(jí)，即最大可容忍的阻塞概率。公式（1）表示當(dāng)鏈路話務(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(jī)制拒絕呼叫請(qǐng)求的概率。公式（1）也表示出網(wǎng)絡(luò)容量和服務(wù)等級(jí)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(yùn)營(yíng)商可通過擴(kuò)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(jí)。

　　當(dāng)呼叫源的數(shù)量（用戶）與線路數(shù)的比值大于10時(shí)，采用Erlang B模型會(huì)過高地估計(jì)所需線路數(shù)量，此時(shí)用Engset模型可以更加準(zhǔn)確地對(duì)所需容量進(jìn)行規(guī)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(shù)量。有了這三個(gè)參數(shù)后，同樣可以通過查找相應(yīng)的表格獲得所需的線路數(shù)量。

　　2、無阻塞資源規(guī)劃方法

　　當(dāng)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(duì)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，電話網(wǎng)關(guān)也無需進(jìn)行接納控制。下面通過一個(gè)簡(jiǎn)單的示例來說明這種方法[7]。

圖3 VoIP資源規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫纠?

　　網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3（a）所示，以鏈路A-C為例，將通過鏈路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(shù)量，記通過鏈路A-C的最大呼叫數(shù)量為m, 則a, b, c, d和m滿足以下關(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，話音業(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，則話音業(yè)務(wù)所占帶寬約為5%。在更高一層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)，如匯聚和核心網(wǎng)絡(luò)，由于復(fù)用層次更高，總的用戶并發(fā)率進(jìn)一步下降，話音業(yè)務(wù)所占帶寬比例將進(jìn)一步下降。在中國(guó)電信的CN2中，話音業(yè)務(wù)的規(guī)劃帶寬也不足總帶寬的5%。

　　資源接納控制機(jī)制的必要性討論

　　對(duì)于IP語音專網(wǎng)，和無阻塞情況資源配置方法相比，采用接納控制可以節(jié)約較多帶寬。如網(wǎng)絡(luò)資源有限，接納控制機(jī)制可以改善用戶的使用體驗(yàn)；如網(wǎng)絡(luò)資源充足，則無需在業(yè)務(wù)授權(quán)時(shí)考慮資源可用狀況。

　　對(duì)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，且話音業(yè)務(wù)具有最高資源使用優(yōu)先級(jí)，完全可以滿足最壞情況下的資源需求，因此沒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，相對(duì)于接入復(fù)用與匯聚設(shè)備的容量，話音業(yè)務(wù)所消耗的資源非常有限。在接入復(fù)用和匯聚設(shè)備處?kù)o態(tài)分配一定的超量帶寬，保證話音信號(hào)無阻塞是一種更加簡(jiǎn)單可行的方法，可以避免實(shí)施接納控制機(jī)制帶來的設(shè)備更新。

結(jié)論

　　用VoIP替代傳統(tǒng)的電話通信技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)同并在逐步實(shí)施，在此過程中，如何達(dá)到傳統(tǒng)話音業(yè)務(wù)相當(dāng)?shù)姆⻊?wù)質(zhì)量是一個(gè)關(guān)鍵性問題。呼叫接納控制是傳統(tǒng)電話網(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(qǐng)求。在下一代基于IP技術(shù)的電信網(wǎng)絡(luò)中，話音業(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(duì)VoIP實(shí)施基于資源的接納控制成為一個(gè)新的問題。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(guī)劃方法，結(jié)合現(xiàn)階段的網(wǎng)絡(luò)資源部署情況，我們得出以下結(jié)論：1) 在IP話音專網(wǎng)中，采用接納控制機(jī)制可以大大節(jié)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(duì)充足，而且VoIP業(yè)務(wù)所需的帶寬比例較小，在采用區(qū)分服務(wù)并對(duì)話音業(yè)務(wù)進(jìn)行最高優(yōu)先級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)的前提下，不必實(shí)施接納控制機(jī)制；3) 在多業(yè)務(wù)城域網(wǎng)絡(luò)的接入和匯聚結(jié)點(diǎn)，話音業(yè)務(wù)所需帶寬資源所占比例不足5%，盡管接納控制機(jī)制可以適當(dāng)節(jié)約帶寬，改善用戶體驗(yàn)，但采用靜態(tài)配置帶寬的方法有利于降低設(shè)備和運(yùn)營(yíng)成本。

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