ＡＴＭ话音通信的关键技术

１ 概述

    现代通信网正朝着宽带化、综合化、智能化、个人化的方向发展。宽带综合业务数字网（Ｂ－ＩＳＤＮ）是一种既可支持现有各种业务，又能适应未来各种潜在业务的宽带综合网络。这种多业务、多速率的综合网络采用了一种全新的交换技术——异步转移模式（ＡＴＭ）。ＡＴＭ技术既具备电路交换的简捷性，又具有分组交换的灵活性。它能支持在单一网络上的话音、数据和视频等业务的综合，满足人们对各类业务和不同带宽的需求。ＡＴＭ已被公认为未来信息高速公路所采用的重要网络技术。因此，ＡＴＭ技术的研究开发工作就逐渐成为近年来通信网技术领域内的热点。

    在相当长的一段时期，ＡＴＭ技术的研究和应用主要侧重于高速宽带业务领域。但随着研究的深入，人们发现目前通信网上宽带业务的需求由于各种原因的存在，并不像人们所预计的那样快增长，大多数应用仍局限在一个较低的带宽范围内。话音业务和话带数据业务仍是当前通信网上的主要业务。一方面，宽带业务的需求未能达到预计的期望；另一方面，窄带业务的增加使得现有通信网的负荷不断加重，因此，低速ＡＴＭ技术受到了人们的关注，而ＡＴＭ话音通信技术（ＶＴＯＡ）就是其中最重要的应用之一。

２ ＶＴＯＡ的技术现状

     目前，国际上已充分认识到了在ＡＴＭ基础上开放话音业务或话带数据业务的必要性和重要性。Ｉ-ＴＵ－Ｔ于１９９６年提出了适用于话音的ＡＴＭ适配层组合用户（ＡＡＬ ＣＵ）的建议框架。１９９７年，Ｉ-ＴＵ－Ｔ就适用于话音业务的ＡＡＬ２的有关建议，如Ｉ．３６３．２ ＡＡＬ２公共部分子层（ＣＰＳ）、Ｉ．Ｓｅｇ ＡＡＬ２业务特定会聚子层（ＳＳＣＳ）、Ｉ．ＡＮＰ ＡＡＬ２协商过程、Ｉ．Ｔｒｕｎｋ、用于有线中继应用的ＳＳＣＳ以及针对ＡＡＬ２的操作管理和维护协议等方面进行了相应的工作。同样，ＡＴＭ论坛内也有两个工作组来分别进行ＡＴＭ上的话音业务应用研究：ＳＡＡ工作组已完成了ＡＴＭ上的实时多媒体（ＲＭＯＡ）业务的研究，通过了ＡＴＭ桌面系统利用ＡＡＬ１／ＡＡＬ５开放６４ｋｂｉｔ／ｓ基于ＰＣＭ格式话音业务的有关协议；ＡＴＭ上话音通信技术（ＶＴＯＡ）工作组在完成了电路仿真ＣＥＳ１．０和ＣＥＳ２．０规范后，于１９９７年７月又完成了动态带宽的电路仿真（ＤＢＣＥＳ）应用协议规范，利用在ＡＡＬ１基础上的ＡＴＭ中继开放窄带业务的协议规范（１．０版），并也开始着手研究在ＡＡＬ２基础上的ＡＴＭ中继上开放窄带业务的规范。

     目前，国外的许多著名通信公司及生产厂商，如北方电信、西门子、爱立信、ＡＤＣ、Ｃｉｓｃｏ等公司均在该方面投入了一定的人力、物力和财力，进行了相应的研究，有的公司还推出了一些产品。在国内，北京邮电大学国家重点实验室也在此方向进行了比较深入的研究。但总的来看，ＶＴＯＡ技术还是有关ＡＴＭ研究方面的一个新兴热点，其技术细节还有待进一步加以完善。

３ ＡＴＭ话音通信的关键技术

    现有的话音业务是一种６４ｋｂｉｔ／ｓ的恒定比特流业务。在现有的复用标准中，通过复用之后形成的一次群和高次群仍为一个恒定的比特流，且每个信道都有固定的位置。它要求发送双方都以相同的速率同步地工作，这是靠电话网内同步的统一时钟来保证的。

    ＡＴＭ是一种异步的传递方式，网中的各种设备可以异步地工作，因此ＡＴＭ网络可以没有统一的时钟。这个特点给ＡＴＭ网络带来了灵活性，但同时也给像话音这样的低速、实时、恒定比特流业务的接入带来了一定的麻烦，这就要求对业务进行适配。

    ＡＴＭ是一种面向连接的技术，ＡＴＭ的信令是用来建立、释放虚电路的，它兼具电路交换和分组交换的特点。因此ＡＴＭ的信令同传统的电话网的信令有很大的不同，话音接入ＡＴＭ就存在一个信令的适配问题。

    实现ＡＴＭ上的话音通信必须面对一些影响话音通信质量的关键技术环节，如话音的时延、时延抖动、信元利用率、信元配合以及时钟恢复等问题。以下将阐述所面临的主要问题和可能的解决方案。

３．１ 话音打包时延和回声抑制问题

    在ＡＴＭ网络中，话音的时延主要由以下几个因素引起：话音打包时延、传输时延、交换／复用处理时延（包括排队时延）以及为消除信元时延抖动（ＣＤＶ）而引进的额外时延。

    现有数字话音的每路速率为６４ｋｂｉｔ／ｓ，而ＡＴＭ信元的有效载荷为４８字节，若将一路话音信息填充到一个ＡＴＭ信元中，打满一个ＡＴＭ信元所需要的时间为：

４８×８／６４＝６（ｍｓ）

    根据ＩＴＵ－Ｔ建议，话音的适配可采用ＡＡＬ１适配协议。实际适配的时候，信元的有效载荷不到４８字节，应为４７字节或４６字节，实际算出来的数应该比６ｍｓ小一点，但为了方便起见，一般还是认为６ｍｓ。传输时延同传输媒体有关，典型值大约每公里４～５μｓ。交换／复用处理时延（包括排队时延）同处理速度有关，在ＡＴＭ环境下，该典型值亦为微秒级，而为消除ＣＤＶ所引进的额外时延一般为１ｍｓ。

    由此可见，话音在ＡＴＭ网络内传递与在现有电话网内传送一样都会有时延。根据ＩＴＵ－Ｔ的建议Ｑ．１６１，时延超过２４ｍｓ之后，线路就要增加回波抵消器，否则因为回声问题，会使话音的质量下降。但回波抵消器的成本较高，如果给每个用户装上一个回波抵消器，通信成本会有所提高。

    从上述分析可以看出，ＡＴＭ网络中的诸多时延因素以话音打包时延最为关键，因此如何减少信元的打包时延，以达到或比现有电话网更好的话音质量是话音接入ＡＴＭ的核心技术之一。概括说，减小打包时延的方法有如下几种：

    （１）部分填充信元法：一路话音的信号不是填满一个信元４７字节的有效载荷，而是只填满其中的一部分。例如，如果只填充原来信元的一半，打包时延可以减小为原来的一半。最小时延时，一个信元里只打一路话音的一个字节，此时时延只有１２５μｓ，同电路交换一样，但不管怎样，这是以牺牲效率为代价的。

    （２）微信元法：一个信元的长度不是５３字节，而是不标准的几个字节，但它同样有信头，只是净荷字节短，因此同样可以减少信元的打包时间，但缺点是不符合ＡＴＭ标准，难以普及推广。

    （３）组合信元方法：组合信元是每个信元中不是只打一路话音，而是若干路，每路话音可以占一到多个字节。每条话路都有一个头来表明自己的身份，这就相当于在一个标准的信元中放入几个微信元。因为每一路话音都有自己的信头，交换机可以识别出每一话路的去向，因此可以不要求一个信元中的每一话路是到同一方向去的。

     ＩＴＵ－Ｔ提出的一种叫ＡＡＬ-ＣＵ的ＡＡＬ适配层协议，就是组合信元的思想。这种方法同上述的微信元的方法一样，也对ＡＴＭ交换机有新的要求。前者要求交换机能适应非标准长度的信元，后者要求交换机打开看信元的载荷部分，以识别微信头。

    ＩＴＵ－Ｔ最新通过的ＡＡＬ２适配层建议也是基于组合信元的思想，它支持可变长度的短分组在ＡＴＭ网络上传输。在一条ＡＴＭ虚连接中，ＡＴＭ信元净荷被看成连续的比特流，可变长度的逻辑链路连接（ＬＬＣ）分组复用于其上。ＡＡＬ２分为两个子层：公共部分子层（ＣＰＳ）和业务特定会聚子层（ＳＳＣＳ）。其中，ＣＰＳ负责将从不同源点经ＳＳＣＳ子层来的可变长度分组复用到一条ＡＴＭ虚连接上，并且把这些分组通过ＡＴＭ网传到对端ＡＡＬ２。ＳＳＣＳ提供面向应用的功能，每一个ＡＡＬ２的用户都会有不同的ＳＳＣＳ实例。这些功能包括：分段和重组用户的信息流，使其成为适合于ＣＰＳ的分组；前向差错控制；识别话音编码算法和判断话音突发的结束。新的ＡＡＬ２协议同时实现了高带宽利用率和低打包时延，因此它是最理想的实现话音和其它低速率交互式应用的方案。预计完整的ＡＡＬ２适配层规范将在１９９８年公布。

３．２ 时钟恢复问题

    传统的电话网中各部分都有严格的时钟同步关系，整个系统最终都有一个统一的时钟参考源。而在ＡＴＭ网络中，由于用户终端与网络设备之间可以不同步，信息经过排队到达终点后会有时延和时延抖动问题，原具有严格时钟同步的话音数据流在信元适配和交换的过程中，其时钟同步特性会遭到破坏，这将严重地影响话音质量（其中尤以时延抖动为甚）。因此，如何精确地恢复源端点的时钟，减少时延和时延抖动对ＡＴＭ的话音应用意义重大。

     ＩＴＵ－Ｔ的建议规定在ＡＴＭ网络中源点的时钟在终点恢复有两种方法：同步剩余时间戳（ＳＲＴＳ）方式和自适应时钟方式。

   （１）同步剩余时间戳方式：这种方式以整个网络有一个公共的参考时钟为前提，它把发端的发送时钟和公共的网络参考时钟相比较，把它们之间的差值通过信息部分送到对端，对端再用同一公共网络参考时钟恢复出源端的时钟。

    （２）自适应时钟方式：这种方式是网络中不传输时钟信息，网络也没有公共的参考时钟，源端按自己的速率发送信元，宿端根据接收ＦＩＦＯ栈的充满程度来调节本地时钟，从而恢复出源点时钟。

３．３ 信令转换问题

    在通信网中，信令是至关重要的。它对信息的转移、网络的操作、管理和维护都是必不可少的。要实现ＰＳＴＮ／ＩＳＤＮ与ＡＴＭ网的互通，必然要遇到ＡＴＭ信令和窄带网信令间的互通问题，这是实现ＶＴＯＡ的另一个关键技术。

信令的作用是控制建立、完成和拆除呼叫连接，除此之外，还在交换局之间传送各种信息，例如主叫用户号码、被叫用户号码及其它相关信息。信令根据其发生作用的不同地点又分为用户网络接口（ＵＮＩ）信令和网络网络接口（ＮＮＩ）信令。

    ＩＴＵ－Ｔ建议Ｉ．５８０规定了Ｂ－ＩＳＤＮ与基于６４ｋｂｉｔ／ｓ的ＩＳＤＮ间互联的一般解决方案（见图１），它同样适用于Ｂ－ＩＳＤＮ与ＰＳＴＮ的互通。协议给出了５种通信方案，涉及互通的有以下３种：

  （１）宽带网和窄带网的终端之间通过网络可直接进行通信。在这种方式下，既要将用户平面信息进行转换，又要在控制平面上将Ｂ－ＩＳＤＮ和Ｎ－ＩＳＤＮ信令协议进行转换。

   （２）Ｂ－ＩＳＤＮ作为骨干网传输Ｎ－ＩＳＤＮ信息，有两种方法：

.在Ｂ－ＩＳＤＮ中建立一条透明的固定或半固定连接，用来模拟Ｎ－ＩＳＤＮ通道。在这种情况下，只需要转换用户信息，所有的Ｎ－ＩＳＤＮ信令信息透明地通过Ｂ－ＩＳＤＮ，例如：Ｎ×６４ｋｂｉｔ／ｓ电路仿真。

.    由一个互通功能来提供用户和信令信息的转换。这种方法能够充分利用信令的作用，灵活分配带宽，控制用户接续。

（３）窄带网为宽带网提供传输通路。这只在特殊情况下使用，如宽带局域网通过窄带网互联。

对于信令互通来说，根据互通功能在网络中所处的位置，将会有以下两种转换：

.Ｎ－ＮＮＩ?圮Ｂ－ＮＮＩ

.Ｎ－ＮＮＩ?圮Ｂ－ＵＮＩ

    其中，Ｎ表示窄带，Ｂ表示宽带，分别给出了它们各自的协议栈和协议转换关系。

    基于ＡＴＭ的话音通信属于方案（２），利用ＡＴＭ网络疏通窄带业务。将ＡＴＭ交换机采用最经济的传输系统与原有的ＰＳＴＮ／ＩＳＤＮ交换机互联，在宽带网建立之初，就将其融入现有网络中。

     信令协议的互通都发生在高层，其目的在于将窄带信令消息中的消息单元内容尽可能地转化为宽带信令消息中相应的信息单元，保证窄带消息通过宽带网不发生丢失或产生异议，反之亦然。考虑到实用性、经济性和宽带综合交换机以及窄带综合交换机的具体情况，信令的转换对应可有多种实现方案。

３．４ 信元时延抖动问题

    在ＡＴＭ网络中，时延决定于网络不同的部分，每一个部分都具有本身的时延。一个纯ＡＴＭ网络中的时延包括打包时延、传输时延、排队时延、固定交换时延、拆包时延等。当一个ＡＴＭ虚连接建立以后，许多部分的时延是固定的。但是ＡＴＭ网络中的排队时延却随着输入端口业务流量的变化而改变。另外，ＡＴＭ层的操作以及插入物理层开销或ＯＡＭ信元时，也会造成某些信元延迟的偏差。这些都将导致信元的时延抖动。而话音业务是一种固定比特率的业务，它对时延抖动十分敏感。

    对于因信元时延抖动而被破坏的源端ＣＢＲ业务模型，系统可在目的侧采用缓冲技术予以恢复，从而消除抖动的影响。具体方法是：系统可设置两个缓冲队列，其中一个称作接受队列，它负责接收从ＡＴＭ交换单元来的组合信元流；另一个称作抖动平滑队列，该队列相对于源端业务模型增加一固定的时延，从而平滑到达的组合信元流的抖动效应，实现系统源端业务模型的恢复。在此对于时延超出系统最大限度的信元予以丢弃，同时辅以相应的填充策略来代替被丢弃的信元。

    总之，对时延抖动进行平滑的目的在于保证话音连接中，每１２５μｓ帧周期内只有一路话音采样的到达，从而实现固定比特业务流的恢复，以确保宽带综合交换机中话音业务的质量。

３．５ ＡＴＭ话音通信技术的其它热点

    ＡＴＭ话音通信技术的研究是近几年才在国际国内受到重视的，随着该项技术研究的不断深入，一些新的技术热点又引起了业内人士的关注。

    （１）研究具有静音检测功能的高效率话音编码算法以及用ＡＴＭ可变比特率（ＶＢＲ）业务流承载话音业务的技术。统计表明，在一次话音通信过程中，无话音的静寂期超过通话全过程的５０％，因此在ＡＴＭ网络中以ＡＴＭ ＶＢＲ型的话音业务来取代目前广泛采用的ＡＴＭ ＣＢＲ型话音业务，将会大大提高带宽利用率。也就是说，ＡＴＭ话音设备在发端要负责对话音进行采样和识别，需要交换的话音予以采样并适配为ＡＴＭ ＶＢＲ型话音业务流，而检测出的静寂期则不进行信元适配，在ＡＴＭ话音设备的接收侧再对源端业务模型进行恢复。

    （２）针对具有统计复用和突发特点的ＶＢＲ型话音业务，对其进行接入和拥塞控制技术的研究。真正的话音ＡＴＭ交换系统应不仅能够实现大容量的话音通信，还应能够很好地胜任多种业务的交换，并保证系统的业务质量。为此，必须引入流量的接入和拥塞控制技术，例如：网络层在话音呼叫到达时，针对该连接请求的服务质量对网络资源进行检查，实现业务的接入控制；而信元层则根据当前的网络状态（如信元丢失率等）来决定采用相应的流量和拥塞控制策略，从而达到保证话音业务和其它业务的服务质量之目的。

４ 结论

    宽带综合业务数字网是未来电信网的发展方向，ＡＴＭ是Ｂ－ＩＳ-ＤＮ的技术核心。ＡＴＭ话音通信技术（ＶＴＯＡ）可使现行通信网与Ｂ－ＩＳＤＮ实现互通。虽然ＶＴＯＡ技术目前在标准规范和实际应用中还不尽完善，但开展该方面的研究则是非常重要和必要的，我们相信ＶＴＯＡ技术的成熟一定会给ＡＴＭ带来良好的应用前景。□

（收稿日期：１９９８－０４－１２）

[摘要] 文章在概述基于ＡＴＭ的话音通信技术现状的基础上，详细介绍了ＡＴＭ话音通信的关键技术，包括解决时延抖动、回声抑制、时钟恢复、信令转换等问题，最后展望了其应用前景。

[关键词] 异步转移模式 基于ＡＴＭ的话音通信 信元时延抖动

[Abstract] ｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ｉｎ-ｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｃｅｌｌ ｄｅｌａｙ ｖａｒｉａｔｉｏｎ，ｅｃｈｏ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ，ｃｌｏｃｋ ｒｅｃｏｖｅｒｙ，ｓｉｇｎａｌ ｔｒａｎｓｆｅｒ ａｎｄ ｏｔｈ-ｅｒ ｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｉｌｌ ｂｅ ｗｅｌｌ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ．

[Keywords] ＡＴＭ ＡＴＭ－ｂａｓｅｄ ｖｏｉｃｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｃｅｌｌ ｄｅｌａｙ ｖａｒｉａｔｉｏｎ