纪其进
摘要：本文探讨了在基于IP技术的下一代电信网络中，是否有必要对VoIP实施基于资源的接纳控制。根据VoIP呼叫的带宽需求，对照具有接纳控制和无阻塞情况的资源规划方法，结合现阶段的网络资源部署情况，本文得出以下结论：1)在IP话音专网中，采用接纳控制机制可以大大节约带宽需求，但在资源充足的条件下可以不必实施接纳控制；2)在多业务IP骨干网络中，由于资源相对充足，而且voip业务的带宽比例较小，在采用区分服务并对话音业务进行最高优先级转发的前提下，不必实施接纳控制机制；3)在多业务城域网络的接入和汇聚结点，话音业务所需带宽资源所占比例不足5%，尽管接纳控制机制可以适当节约带宽，改善用户体验，但采用静态带宽配置的方法有利于降低设备和运营成本。
1 引言
VoIP，又称IP电话，指的是在IP网络上传输语音信号。VoIP已经大量部署于企业网中或者电信运营商骨干网络中作为中继（trunking）技术以降低话音业务承载成本。下一代网络（Next-GenerationNetwork,NGN）的目标是构建多业务网络，其基本思想是业务与承载分离，从而实现在统一的承载网络平台上支持多种业务。尽管现阶段仍然存在VoIP的专网，今后的发展趋势是VoIP业务与其它业务共享统一的承载网络。VoIP系统也可以分成业务与承载两个层次，其中业务层负责与业务相关的逻辑与控制，而承载层负责媒体流的传送。多业务交换论坛（MultiserviceSwitching Forum, MSF ）定义了下一代voip网络的体系架构[1]。
基于IP技术的NGN承载网络面临的最大挑战是服务质量（QualityofService,QoS）保证和安全问题。传统电信网络中的话音通信服务质量为该业务确立了很高的标准。为了达到这一标准，voip对网络的QoS提出了非常严格的要求[2]。在传统的电话网中，接纳控制是防止网络过载的重要手段，对保证话音业务质量具有重要作用。根据ITU-T 对IP多媒体子系统（IP Multimedia Sub-system，IMS）中资源与接纳控制功能（RACF）的定义，在NGN中接纳控制具有多个方面的功能 [3]：通过网络附着控制功能（NASS）检查基于用户特征数据的的认证过程，基于用户数据结合运营商特定的策略和资源可用性进行业务授权。检查资源可用性意味着接纳控制功能需要在当前剩余资源条件下验证资源请求（如带宽）是否可以被接受；即在业务授权时，不仅需用业务层面的接纳控制，还需要考虑承载网络资源的可用性。尽管业务层的控制机制对精细化网络运营具有重要意义，但基于资源的接纳控制是业务开展的基础。
接纳控制的目的是为了避免网络过载造成的QoS下降。随着宽带网络技术的进步，网络的带宽资源相对比较充足，且VoIP会话对带宽的需求相对较小，是否有必要对VoIP实施基于资源的接纳控制是NGN承载网建设的基本问题。本文分析了大规模VoIP应用的资源需求以及当前的IP承载网络的资源配置与技术部署情况，在此基础上探讨了voip网络中基于资源的接纳控制的必要性。
2 voip承载网络体系架构
当前，IP网络对话音业务的承载有两种应用场景。在电信网络中，IP网络主要用于话音业务的长途中继，接入网络和用户终端保持不变。另外，一些企业部署了IP-PBX设备和IP终端，可以实现端到端IP话音通信。但这种情况下，IP接入设备专用于话音业务，且应用规模较小，网络的规划建设较为容易。电信网络的下一步发展方向是建设新的大容量IP/MPLS骨干网络，并对接入网络和城域网络进行IP化改造，构建具有三重播放能力的城域网络，将话音、视频和数据业务融合到统一的IP承载平台上。
图1所示为VoIP系统的承载网络架构示意图。图中的核心网络部分由IP/MPLS路由器组成，包括边缘与核心路由器。核心网络连接的可能是经过voip网关的传统电话网，也可以是通过接入集中设备连接IP接入网络。IP接入网络通过家庭网关或其它桥接/路由设备与终端相连，此时终端为支持SIP的IP电话或软终端。
图1 voip承载网络体系架构示意图
2.1voip网络容量规划的影响因素
网络容量规划是网络建设的重要环节，其目的是通过对资源需求信息的分析得出应部署的网络设备与链路的容量。相比于传统的电话网络，voip的网络架构发生了根本的变化：由原来的TDM网络变成了分组网络，由原来相对专用的网络向多业务网络演进。在多业务IP网络中，网络架构，流量混合情况，资源分配机制都对网络容量规划具有一定的影响。
传统电话网络的容量规划已经具有科学的理论基础和丰富的实践经验。由于应用时间较短，对VoIP网络的容量规划还没有成熟的理论和技术。值得庆幸的是，voip应用和传统的电话业务有一定的相似之处，因而可以借鉴传统电话网络规划的相关经验。
电话业务的资源需求信息通常从长期应用经验结合预测得出。话音业务的需求一般用流量矩阵表示，流量矩阵与用户的数量及行为模式有关（访问网络的概率分布和通话时间的概率分布等）。voip应用的目标是替代传统话音业务，尤其是用户的业务使用模式并没有改变，因而原来的资源需求估算方法仍然有效。但是由于信号编码方式和传输方式发生了变化，每个呼叫所需的带宽随之变化。
3 voip业务的资源需求分析
voip业务的资源需求由两个方面的因素决定：每个呼叫的带宽需求（平均码率）和单位时间的呼叫数量。其中后者由用户数量、用户的活跃程度和用户的网络访问模式决定。
3.1每个呼叫的带宽需求
voip业务中，网络中传输的有效信号是数字化语音信号，但是为了在IP网络中传输，需要对原始信号进行包封装，以便进行选路和实现一些控制功能。因此，每个呼叫所需的带宽不仅与数字化方式（压缩编码）有关，还和语音信号的抽样与打包频率有关。
3.1.1报头负荷
根据IETF的标准建议，通过IP网络传输语音信号样本需要增加三个额外的报头，每个报头对应一个网络层次，即IP，UDP和RTP[4]。IPv4的报头长20个字节（8bit），UDP报头为8字节，RTP报头为12字节。图2所示为语音信号的封装格式。
图2 voip分组封装格式
从图2可见，报头信息的总长度为40字节，即320bit。每次语音样本发送时，这些报头也需要发送一次。因此，报头信息所占用的额外带宽与语音样本的发送频率有关。
3.1.2 语音信号封装频率
语音信号的封装频率指的是每秒钟封装发送的语音样本数量。例如，一个语音样本表示20毫秒的语音信号，则每秒钟需要进行50次抽样，即语音信号封装频率为50。语音信号抽样频率的选择是语音质量与带宽需求的折衷。因为40字节的封装报头保持不变，样本越小则所需带宽越多。然而，当样本长度增加时，系统的总时延随之增加，分组丢失带来的信号损失也随之增大。
IETFRFC1889中有一个例子说明语音样本长度为20ms，但该文本并没有将该值作为标准建议。对这个问题还没有标准的答案，参考一般做法，通常取20ms，即每秒封装发送50个样本。这种情况下，每个样本带有320bit的IP/UDP/RTP报头，因此，每秒钟需发送报头16Kbits。
3.1.3 编码算法的影响
语音信号编码实现语音信号的数字化，通常还具有一定的压缩功能。语音信号通常采用恒定比特率编码方式，相对于视频信号而言其码率较低。由于采用的编码算法不同，其输出码流的速率和回放后得到语音质量也不一样。ITU-T的G系列推荐标准中包括了多种话音信号（压缩）编码方法。其编码算法和速率见表1。
表1 语音信号编码速率与IP传输速率
|
Coding algorithm |
Bandwidth |
Sample |
IP bandwidth | |
|
G.711 |
PCM |
64kbps |
0.125ms |
80kbps |
|
G.723.1 |
ACELP |
5.6kbps |
30ms |
16.27kbps |
|
MP-MLQ |
6.4kbps |
17.07kbps | ||
|
G.726 |
ADPCM |
32kbps |
0.125ms |
48kbps |
|
G.728 |
LD-CELP |
16kbps |
0.625ms |
32kbps |
|
G.729(A) |
CS-ACELP |
8kbps |
10ms |
24kbps |
前面提到，如果样本时间为20ms，则每秒需发送的报头约为16Kbits。当样本长度小于20ms时，可以将几个抽样打入一个分组中发送，这个经验值仍然有效。但当样本长度大于20ms时，通常将一个样本封装到一个分组中，因而封装所需的带宽消耗将小于16Kbits。以表1中G.723.1编码算法为例，由于样本长度为30ms，因而分组封装频率为33.3，其消耗带宽约为320x33.3=10.67Kbits。
每种编码算法对应不同的复杂度，时延特征和语音回放质量。G.729(A)和G.723.1被认为有望成为voip应用主流的算法。
表1只考虑了IP层的封装，当IP分组在链路上传输时，通常还要经过链路层协议的封装。以太网正逐渐成为传输技术的主流，以太成帧也是开销较大的链路层技术，包括差错控制编码一般需要16个字节。仍然假定每秒50次的封装频率，则需要增加开销7.2kbps。如采用以太传输，则每个G.711语音会话所需带宽为87.2kps，而每个G.729(A)语音会话所需事宽为31.2kps。
3.1.4报头压缩
对一个典型的8kbps的压缩机制，报头的负荷通常是16kbps(是净荷的2倍)，因此有必要采取适当的措施减少报头的传送开销。现在已经存在一些方法，如报头压缩、RTP利用等[5]。通过采用这些方法，可以使用报头的负担降至2或4字节，大大提高了封装的效率。
4 voip网络容量规划方法
在电路网络中，对于给定的流量需求，需要估计出正常工作时所需的线路数量（链路容量）。为了防止偶尔出现的异常突发导致的线路数量不足，网络支持呼叫接纳控制功能。线路数量的估计通常根据一定的模型，对于话音业务，常见的两种链路容量估计模型是ErlangB和Engset公式[6]。这两个公式描述了呼叫强度、线路数量及呼叫阻塞率之间的关系。工程上，根据流量实际需求和可以接受的呼叫阻塞率，可以通过查找由公式推算出的表格得到所需的网络容量。
ErlangB或Engset公式的使用需要事先知道网络的流量矩阵，即各条链路的资源需求。然而，在有些情况下，比如新建的网络，流量矩阵通常难以准确得到，因而也无法根据相关模型进行资源规划。为了保证通信的质量，一种可行的方法是按照最坏的情况规划和部署网络资源。显然，采用这种方法，大多数情况下会有一定的资源处于闲置状态。
假定VoIP流量与其它应用流量隔离（VoIP专网或采用区分服务机制实现流量隔离），VoIP会话具有恒定比特率的特性（不考虑静音压缩），我们可以将电路网络中的网络规划方法引入到VoIP网络中。考虑分组网络的无连接特性，资源配置还与流量的路径选择有关，我们假定voip网络采用最短路径路由算法，没有引入流量工程机制。
4.1允许呼叫阻塞的网络资源规划方法
在ErlangB和Engset模型中，都包括了呼叫阻塞率参数，即链路容量规划对应于一定的呼叫阻塞。
根据voip呼叫到达时间间隔的指数分布特征，我们用Erlang公式描述网络资源的需求。参考传统电话网，假定在核心网络中每对边缘路由器之间建立流量中继管道用于传送来自相应电话网关的呼叫，用话务量α表示每对网关之间的电话负荷的大小。α可通过忙时业务量（BHT，BusyHourTraffic）和平均呼叫保持时间（MCD，Mean Call Duration，单位秒）来计算： ，其单位为Erlang(Erl)。1Erlang表示1个小时的呼叫持续时间。
用和 分别表示流量管道容量和每个呼叫所需带宽，则流量管道可同时传送的呼叫数目可表示为 。记为呼叫阻塞的概率，则Erlang B公式可以表示为[6]：
(1)
上式中GoS（GradeofService）表示服务等级，即最大可容忍的阻塞概率。公式（1）表示当链路话务量为α，流量管道已经承载了个呼叫时，两个网关之间的接纳控制机制拒绝呼叫请求的概率。公式（1）也表示出网络容量和服务等级之间存在的折衷关系。给定网关间的流量矩阵，VoIP服务提供商或网络运营商可通过扩大为voip业务配置的网络容量以获得更好的服务等级。
当呼叫源的数量（用户）与线路数的比值大于10时，采用ErlangB模型会过高地估计所需线路数量，此时用Engset模型可以更加准确地对所需容量进行规划。与ErlangB模型不同的是，Engset模型不仅需要考虑忙时业务量和阻塞概率，还需要参考呼叫源的数量。有了这三个参数后，同样可以通过查找相应的表格获得所需的线路数量。
4.2无阻塞资源规划方法
当网络的流量矩阵未知时，为保证良好的通信质量，容量配置必须考虑最坏情况下的资源需求，即每个网关支持最多呼叫的流量，且可能任意分布到其他网关。按照这种情况对每条链路进行容量配置则不会发生呼叫阻塞的情形，电话网关也无需进行接纳控制。下面通过一个简单的示例来说明这种方法[7]。
图3 voip资源规划网络拓扑示例
网络拓扑如图3（a）所示，以链路A-C为例，将通过链路A-C的端到端的呼叫分别表示为a,b,c,d，如图3(b)所示，Ni (i = 1, 2, …, 6) 表示第i个网关可以支持的最大呼叫数量，记通过链路A-C的最大呼叫数量为m, 则a, b, c, d和m满足以下关系：
Maximize:m = a + b + c + d;
Subject to (2)
公式（2）是一个线性规划问题，m的值可以通过线性规划工具，如CPLEX[8]计算得到。
4.3接纳控制机制的资源收益分析
下面我们将以相同的网络拓扑结构分别计算两种资源配置方法所需的资源，从而可以得出采用接纳控制可以获得的资源收益。网络拓扑仍如图3所示。
当流量矩阵已知时，我们可以在任意网关（边缘路由器）之间建立逻辑连接，在最短路径上建立流量管道传送电话业务。根据公式（1）配置的流量管道容量，必须能够支持流量矩阵中所说明的话务量。每条链路为voip业务配置的容量等于所有经由此链路的管道带宽的总和。以链路A-C为例，共有4条流量管道通过，分别为N1 N4，N1N5，N6N4以及N2N5。假设其管道带宽分别用 ， ， 和 表示。则链路A-C需要配置的容量为： = + + +
假定Ni=1000，且话务量均匀的分布至其他电话网关，且电话网关的每条出中继线总是处于忙状态，则每对网关之间的话务量为200Erlang。标准服务等级为0.002，即10％的过载不会致使呼叫损失的比例超过0.01。根据Erlang B公式，查阅Erlang呼损表，当话务量α = 200，GoS = 0.002时， = 233，则经过链路A-C的呼叫数量为233*4 = 932，所需带宽为 = 932＊ 。
这种方法必须精确地估算网络的流量矩阵，且必须定期地更新voip业务的网络配置，以适应流量的动态变化。同时，电话网关需实施接纳控制机制，确保每条流量管道同一时间内最多只能传送个呼叫。
在上例中，同样假定为1000，对公式（2）进行计算可得m= 2000，即对于图3(a)中链路A-C而言，根据最坏情况配置的链路带宽是允许一定呼叫损失所需带宽的2倍多。当然，上面的约束条件只考虑了网络中的一条链路，而且在实际网络中，约束条件更加复杂，而且任意两点之间的业务量也有一定的具体的约束。
5 voip承载网络资源配备情况
由于采用的技术不同，承载网络的资源配备在核心网和接入/汇聚网络差别较大。当前的IP/MPLS核心网络中，普遍采用大容量高速路由器和高速光纤链路，因而带宽资源相对充足。在新建的多业务网络中，区分服务的采用可以有效地避免高突发的数据业务对其它业务的冲击，因而发生拥塞的机率较小。以中国电信的下一代网络CN2为例，其设计原则是在保证网络结构层次化的同时减少网络端到端的路由跳数，以降低成本并提高网络质量。整个网络采用三层结构，分为核心层、汇接层和边缘层。核心路由器的容量高达640G，支持高密度的10G端口；其它层次的路由器也具有很高的容量，并且支持高速率端口。
CN2中路由器之间的互连采用IPoverDWDM技术，链路带宽设计原则是采用轻载方式提供QoS保证，核心结点间的链路带宽高达20G~ 60G bps，链路负载一般在25-50%之间。同时，在区分服务配置中，voip业务具有最高的优先级，可以使用全部的链路带宽，只有未使用的剩余带宽供其他低优先级的业务使用。
图4所示为支持三重播放（TriplePlay）业务的城域网架构。在城域网架构中，一般包括接入复用器（DSLAM）和IP边缘路由器两个层次；接入复用器连接多个家庭网络，IP边缘路由器是连接核心网的入口。在用户密度较高的区域，城域网DSLAM和边缘路由器之间通常还包括流量汇聚设备，现阶段Ethernet是被广泛认可的高速汇聚技术。DSLAM和汇聚结点的上连链路通常采用GE和10GE接口。
图4 支持三重播放的IP城域/接入网络
假定每个DSLAM连接2000个用户，话音业务的并发率为50%，若每个呼叫所需带宽为50kbps，则话音业务所需的平均带宽约为50Mbps。若DSLAM上连链路的接口为GE，则话音业务所占带宽约为5%。在更高一层的网络结点，如汇聚和核心网络，由于复用层次更高，总的用户并发率进一步下降，话音业务所占带宽比例将进一步下降。在中国电信的CN2中，话音业务的规划带宽也不足总带宽的5%。
5.1资源接纳控制机制的必要性讨论
对于IP语音专网，和无阻塞情况资源配置方法相比，采用接纳控制可以节约较多带宽。如网络资源有限，接纳控制机制可以改善用户的使用体验；如网络资源充足，则无需在业务授权时考虑资源可用状况。
对于多业务核心网络，由于网络容量配置非常充足，且话音业务具有最高资源使用优先级，完全可以满足最坏情况下的资源需求，因此没有必要部署接纳控制，也不必实时地跟踪网络流量矩阵的变化。
从上面的分析可见，相对于接入复用与汇聚设备的容量，话音业务所消耗的资源非常有限。在接入复用和汇聚设备处静态分配一定的超量带宽，保证话音信号无阻塞是一种更加简单可行的方法，可以避免实施接纳控制机制带来的设备更新。
结论
用VoIP替代传统的电话通信技术已经得到广泛的认同并在逐步实施，在此过程中，如何达到传统话音业务相当的服务质量是一个关键性问题。呼叫接纳控制是传统电话网络的基本技术，它可以在网络通信资源不足时拒绝新的呼叫请求。在下一代基于IP技术的电信网络中，话音业务的带宽需求和承载网络都发生了很大的变化，是否或如何对VoIP实施基于资源的接纳控制成为一个新的问题。本文分析了VoIP呼叫的带宽需求，以及具有接纳控制和最坏情况的资源规划方法，结合现阶段的网络资源部署情况，我们得出以下结论：1)在IP话音专网中，采用接纳控制机制可以大大节约带宽需求，但在网络资源充足的条件下可以不必实施接纳控制；2)在多业务IP骨干网络中，由于资源相对充足，而且voip业务所需的带宽比例较小，在采用区分服务并对话音业务进行最高优先级转发的前提下，不必实施接纳控制机制；3)在多业务城域网络的接入和汇聚结点，话音业务所需带宽资源所占比例不足5%，尽管接纳控制机制可以适当节约带宽，改善用户体验，但采用静态配置带宽的方法有利于降低设备和运营成本。
参考文献
[1] Paul Drew and Chris Gallon, Next-Generation voip Network Architecture, MSF Technical Report, March, 2003. http://www.msforum.org/techinfo/reports/MSF-TR-ARCH-001-FINAL.pdf
[2] ITU-T recommendation Y.1541, Network performance objectives for IP-based services, May 2002
[3] Keith Knightson, Naotaka Morita, Thomas Towle. NGN Architecture: Generic Principles,Functional Architecture, and Implementation, IEEE Comm. Magazine, 2005. 43(10): 49-56
[4] Bur Goode, Voice over Internet Protocol (voip), Proc. of the IEEE, Sept. 2002. 90(9): 1495~1517
[5] Tunneling multiplexed Compressed RTP ("TCRTP"), draft-ietf-avt-tcrtp-04.txt, IETF, July 2001
[6] Telecom Traffic Online, http://www.erlang.com/
[7] Van Hoey, G. Van den Bosch, S. de La Vallee-Poussin, P, et al, Capacity planning strategies for voice-over-IP traffic in the corenetwork, 2001
[8] CPLEX, http://www.ilog.com/products/cplex/
