ATM话音传送技术

１ ＡＴＭ技术的发展 和ＶＯＡ的提出

    异步转移模式（ＡＴＭ）的初衷是为宽带综合通信网提供一种快速的分组交换和传输技术。与传统通信网相比，以ＡＴＭ为基础的宽带综合通信网具有显著优点，ＡＴＭ利用统计复用灵活分配各种资源，在提高网络资源利用率的同时保证各种业务的服务质量（ＱｏＳ），实现多种业务的综合。由于简化了网络功能，ＡＴＭ技术更易于实现信息的高速传递和交换。为推动以ＡＴＭ技术的发展，ＩＴＵ－Ｔ和ＡＴＭ论坛很早就开始致力于ＡＴＭ相关规范的标准化，许多厂商和研究机构也对ＡＴＭ技术进行了内容广泛的研究和试验。目前，与ＡＴＭ技术相关的网络总体、网络性能、网络管理、信令、网络接口及适配等方面都已有了大体完备的规范或建议。ＡＴＭ技术也已进入实用化阶段，能够实现互通的商用化ＡＴＭ产品大量出现，其应用已扩展到无线和卫星网络等领域。很多国家已建设了ＡＴＭ骨干网并开始提供高速数据和专用线路等服务，以ＡＴＭ技术为基础的宽带通信网已具雏形。尽管如此，ＡＴＭ技术的发展仍然不尽如人意。其原因是多方面的。首先，ＡＴＭ的建设还处于初级阶段，由于其本身标准体系较为复杂并未能对大量与应用相关的内容进行标准化，使设备和服务厂商很难推出能够迅速占领市场的应用或服务。其次，虽然许多标准已经齐备，但在网管和业务量控制等方面的技术内容仍不完善，限制了ＡＴＭ支持端到端ＱｏＳ及业务灵活加入的能力。特别是变化繁多的ＡＴＭ统计复用特性给ＡＴＭ的流量控制和拥塞控制造成很多困难。此外，不够灵活的适配方式使ＡＴＭ技术还无法经济地支持大量现有的低速率业务，例如一段时期以来，ＡＴＭ对话音业务的支持一直不能令人满意。同时，技术的发展也使ＡＴＭ受到了来自其它技术的竞争，例如ＩＰ技术的发展和千兆位以太网的出现使ＡＴＭ技术更难于在局域网范围内得到应用。针对ＡＴＭ技术发展中存在的问题，人们开展了大量工作，努力简化信令和网络控制，改进ＡＴＭ适配方式，并提出了一系列ＡＴＭ与ＩＰ、智能网（ＩＮ）、网管（ＴＭＮ）等结合技术，以拓展ＡＴＭ技术在现有通信网中的应用。

    由于话音业务将在相当长的一段时期内占据通信网业务量中的绝对份额（特别是在中国），在实际中会首先考虑利用ＡＴＭ技术来承载现有网络中的窄带话音。因此，研究如何利用ＡＴＭ来传送话音业务的技术具有重要意义，这项技术被称为基于ＡＴＭ的话音业务（ＶＯＡ）。ＶＯＡ技术的产生一方面是话务通信容量增长的要求，另一方面是现有网络宽带化的要求。利用ＶＯＡ技术可以实现现有窄带网与宽带ＡＴＭ网的互通，将窄带网中的业务量引入高速ＡＴＭ网络。这不仅可减轻用户话务量增长给电话通信网容量造成的压力，也有利于窄带网逐步与宽带网实现网络互通和业务互通，最终实现向宽带网的平稳过渡。

    但是，要真正实现ＶＯＡ还有许多关键技术问题需要解决。ＡＴＭ的提出首先是为了满足宽带业务的需要，因而一段时间以来对ＡＴＭ应用技术的研究主要偏重于宽带领域，而对利用ＡＴＭ技术实现窄带话音通信技术的研究比较薄弱。在各发达国家，电话网已基本饱和，这些国家对于ＡＴＭ网提供话音业务的研究也不太积极。已有的ＡＴＭ适配方法在时延和效率等方面还不能满足话音通信的技术要求。有关ＶＯＡ的技术规范很不成熟，实现窄带网与ＡＴＭ网的互通还缺乏统一的标准。ＶＯＡ技术通常处在窄带网和宽带网之间的特殊位置，在推广应用过程中还遇到电信管理体制的问题。因此，进行ＶＯＡ技术的研究存在着相当的困难，也更富有创新性。

    目前ＶＯＡ技术的重要性和必要性早已得到了充分的认识，人们也更关注ＡＴＭ提供话音业务的能力。一些标准化组织也着手制定相应的标准，例如，ＩＴＵ－Ｔ提出了有关Ｂ－ＩＳＤＮ和Ｎ－ＩＳＤＮ互通的Ｉ．５８０建议和一些可用于话音业务的适配层协议。ＡＴＭ论坛的ＶＴＯＡ工作组也推出了类似的建议以加速ＶＯＡ技术的发展。国内外的许多厂商和研究机构也都开展了实用化的ＶＯＡ技术的研究，目前已经推出了一些利用ＶＯＡ技术的互通系统和综合交换系统产品。

２ ＶＯＡ实现中的关键技术

２．１低时延、高效率的话音ＡＴＭ 适配方法

    实现基于ＡＴＭ的话音传送（ＶＯＡ）技术需要解决的首要问题是低时延、高效率的话音ＡＴＭ适配方法。话音业务（以ＰＳＴＮ为代表）等低速的恒定比特率（ＣＢＲ）或可变比特率（ＶＢＲ）业务对时延十分敏感，时延及其抖动是影响其服务质量的主要因素。ＩＴＵ－Ｔ建议一个国内公众交换电话网（ＰＳＴＮ）电话连接的单向传输时延不应超过１８ｍｓ，有回波抑制器的国际长途连接也不应超过１５０ｍｓ，要求网络中每个结点的交换时延不超过１ｍｓ。在ＰＳＴＮ中，ＳＴＭ交换结构的交换单位是６４ｋｂｉｔ／ｓ的时隙，能保证较小的交换时延。而ＡＴＭ交换以信元为交换单位，按现有的ＡＡＬ１规程将单路６４ｋｂｉｔ／ｓ话音适配进一个信元，其适配时延将不可接受（６ｍｓ）。话音信号速率越低，其适配时延越大，对全速率的ＧＳＭ话音，其适配时延将达到３０ｍｓ。对ＣＤＭＡ等ＶＢＲ话音，其时延和有效性的问题更加突出。为减少这种由于ＡＴＭ适配低速业务而引入的时延，一些能够改善其时延特性的适配机制被提出，包括部分填充信元、微信元和组合信元等。

    以ＡＡＬ１规程为基础部分填充信元是减少时延的最简易的方法。但是由于信元不能充满，这种适配方法的带宽利用率很低。在此基础上，人们又提出将多个话路适配进同一个信元中，以改善其适配效率，也就是组合信元方式。组合信元法适于对具有帧结构的ＣＢＲ话音数据（如ＰＳＴＮ）进行ＡＴＭ适配，其工作原理如图１。在每一帧中，组合信元法将去往同一目的地的多个话路组装到同一个信元中。对于每个话路来说，其适配时延可减少到１帧的时间（对ＰＳＴＮ即１２５μｓ）。同时由于信元中能装载多路话音，在大话务量情况下可获得较高的带宽利用率，因此组合信元法特别适合于大量ＰＳＴＮ话务流接入ＡＴＭ网络时的话音适配。

    另一种常用的话音适配方式是微信元法，后来被标准化为ＡＡＬ２规程。ＡＡＬ２规程是为低速短分组的实时ＶＢＲ应用而设计的，其核心是在一个ＡＴＭ信元的净荷中划分更小的微信元（见图２），每个微信元可承载一个话音通路。在ＡＬＬ２规程中，微信元称为ＣＰＳ分组。ＣＰＳ分组是可变长的，其控制信息记录在３字节的分组头中。由于ＣＰＳ分组的长度较小，故在用于进行低速话音适配时每话路的适配时延可以很小；同时由于ＡＡＬ２支持在一个ＡＴＭ连接上多个ＡＡＬ２连接的复用，因此也可达到较高的适配效率。

    通常降低适配时间和提高适配效率是相互制约的，例如，在ＡＡＬ２中，ＣＰＳ分组长度小将可以降低适配时延，但由ＣＰＳ分组头引入的效率开销也相应增大。通过综合比较，组合信元法和ＡＡＬ２是常被采纳的方法。组合信元法的适配时延小，在特定控制策略下可同时保持很高的适配效率，更适合用于汇接ＰＳＴＮ的干线业务量，利用ＡＴＭ骨干网传输和交换ＰＳＴＮ业务。但是，组合信元适配方式目前还没有一个可共同遵循的标准，造成不同的设备之间的互连性差。此外，当适配规模或话务较小时，它的适配效率也会降低。实际中常采用动态组合信元法，即在话务量较小时增加话路在每一信元中承载的采样数，通过适当加大时延来提高带宽利用率。ＡＡＬ２协议的优势是在小规模和ＶＢＲ话音的适配中具有很大的灵活性。但由于ＣＰＳ分组头增加了传输开销，对效率也有影响。因此许多对话音进行静音检测压缩的算法通常与ＡＡＬ２适配相结合，以抵消ＣＰＳ分组头的开销。目前国内的研究机构已经成功利用组合信元法研制了大规模ＰＳＴＮ话音的ＡＴＭ传输和适配系统；在一些综合交换系统中，结合静音检测压缩的ＡＡＬ２话音适配也得到了应用。

    由于ＡＴＭ的异步特性，因此在ＶＯＡ技术实现时必须考虑消除信元时延变化（ＣＤＶ）引起的时延抖动，即在进行话音逆向适配时应采取适当措施平滑时延抖动。平滑时延抖动通常是利用缓冲技术适当增加时延以消除抖动，增加时延的多少需要根据网络的规模和流量情况确定。

２．２   话音通过ＡＴＭ网后的同步

    话音的传输和交换需要目的端与源端具有严格的同步关系才能完整地恢复话音信息。传统ＳＴＭ网具有全网统一的同步时钟，因而容易实现全网同步。ＡＴＭ技术并未规定统一的网络时钟，ＡＴＭ网中各部分无需同步，因此实时话音信息经过网络后会有较大的时延及抖动，这要求源宿之间进行同步以消除时延抖动的影响。ＡＡＬ１规程规定了ＣＢＲ业务在目的端恢复源端时钟的两种方法：同步剩余时间标记（ＳＲＴＳ）法和自适应时钟恢复法。ＳＲＴＳ法需要源端和目的端具有公共的参考时钟。在发送端利用剩余时间标记（ＲＴＳ）来测量源端业务时钟与公共参考时钟的的差别，并将这个差别信息传送到目的端。目的端根据公共参考时钟和远端传送来的ＲＴＳ信号来恢复本地的业务时钟。如果源端和目的端之间不存在一个公共的参考时钟，则可采用自适应时钟恢复法。该方法监视接收端的缓冲存贮器，并根据其充满程度来控制和调整本地恢复的业务时钟。

    一般来说，自适应时钟恢复法实现简单，但相位漂移大；ＳＲＴＳ法相位漂移小，因此是ＩＴＵ－Ｔ推荐的同步方法，但实现相对复杂。话音ＡＴＭ通信一个重要应用是将窄带ＰＳＴＮ的话务量接入到ＡＴＭ网中，目前许多在ＰＳＴＮ中实际应用的话音ＡＴＭ通信并没有采用这这种方式，而是采用一种更简单的同步方式，如图３所示。进行ＡＴＭ适配的发送端和接收端可采用ＳＴＭ时钟作为其公共参考时钟。ＳＴＭ网中的ＰＣＭ信号在发送端被适配成ＡＴＭ信元；在接收端通过弹性存储器平滑话音经过ＡＴＭ网后的时延抖动；弹性存储器中的数据在ＳＴＭ公共时钟的控制下读出，即可恢复原始的ＰＣＭ形式的话音信号。这种方法比ＳＲＴＳ和自适应时钟法更为简单易行，也更节省系统成本。

２．３窄带话音通信网与ＡＴＭ网互通时的呼叫控制技术

    研究ＶＯＡ技术的一个主要目的是实现窄带话音通信网（ＰＳＴＮ／Ｎ－ＩＳＤＮ）与ＡＴＭ网的互通，因此窄带通信网与ＡＴＭ网互通时的呼叫控制是实现ＶＯＡ的另一项关键技术。它解决的是窄带网与ＡＴＭ网之间控制平面上的信令互通的问题，即完成ＰＳＴＮ／Ｎ－ＩＳＤＮ与ＡＴＭ信令之间的相互转换和消息映射。有关ＰＳＴＮ／Ｎ－ＩＳＤＮ与ＡＴＭ网之间的互通的实现主要分为网络互通和业务互通两个阶段。

    ＩＴＵ－Ｔ制定的Ｉ．５８０建议给出了５类互通的情况，其中具有典型意义的是第Ｉ类和第ＩＩ类互通。第Ｉ类属于业务互通，通过互通单元（ＩＷＵ），即具有网络互通功能的设备完成ＡＴＭ网与窄带网间的数据格式和信令的相互转换，以实现窄带终端用户与宽带终端用户之间的业务互通。由于实现窄带网与宽带网的业务互通十分复杂，因此现阶段人们更注重于第ＩＩ类的网络互通。在第ＩＩ类互通方式下，宽带网作为主干网络来传输窄带网中的业务流，ＡＴＭ网被用来建立窄带网终端用户之间的话音业务的通信连接，因此不需要实现复杂的业务互通功能。这类互通可以采用透明连接方式，即电路仿真（ＣＳ）方式。ＡＴＭ连接由网络管理或系统监管以固定或半固定方式建立，互通单元完成数据传输格式的转换并在ＡＴＭ网中进行数据传递，对窄带信令不加任何处理，简单地将其透明传送过ＡＴＭ网。此时ＡＴＭ重叠网起到替代租用线路的作用。由于电路仿真将所有信号（包括了无用数据）透明传过ＡＴＭ网而不作任何处理，造成网络带宽的浪费。无法处理窄带信令限制了电路仿真的灵活性，信令在ＡＴＭ网中的传输也得不到可靠的保证。因此，更好的互通方案并未采用电路仿真方式，而是采用了非透明的连接方式来实现。在该方式下ＡＴＭ连接的建立通过信令来控制，互通单元除了完成数据格式的转换外，还需处理窄带和宽带信令，完成相应的信令映射和转换。

    信令的互通功能可以在宽带网络节点接口（Ｂ－ＮＮＩ）或宽带用户网络接口（Ｂ－ＵＮＩ）处实现。从目前情况来看，提供ＵＮＩ接口的ＡＴＭ交换设备居多，互通策略也多采用网络互通，因而在实际中通常选择基于Ｂ－ＵＮＩ接口实现窄带与宽带的信令互通。由于两类系统差异很大，在信令互通中消息的完全对应存在一定问题。特别是在Ｎ－ＮＮＩ与Ｂ－ＵＮＩ接口的信令互通中要实现ＴＵＰ／ＩＳＵＰ与Ｑ．２９３１的直接映射存在相当的困难，两者在功能层次上存在差异，直接转换将会造成信息丢失，影响消息的正确传递和呼叫控制的正常进行。此外在互通单元中采用的适配方式也会要求在不同互通单元之间传送一些与呼叫有关的信息。因此，一些互通单元的实现采用了一种过渡性的互通策略，在各互通单元之间建立ＩＷＵ－ＩＷＵ信令虚通路，用于传递必要窄带消息以及实现话音适配所必需信息。该虚通路可以是管理实体创建的虚通路（ＰＶＣ），也可通过Ｑ．２９３１动态建立。ＩＷＵ－ＩＷＵ信令通路上的信息采用信令的ＡＴＭ层适配层（ＳＡＡＬ）协议传送，以保证消息的可靠传输。目前，ＩＴＵ－Ｔ对ＡＡＬ２的信令协议也已经进行了标准化（Ｑ．２６３０．１）?熏如果在ＩＷＵ中采用ＡＡＬ２适配方法，ＡＡＬ２的信令协议无疑是更为理想的选择。

３ ＡＴＭ话音传送技术的应用

    ＶＯＡ技术可以有多方面的应用。在ＡＴＭ专用网范围内构造远程医疗、远程教育等多媒体通信系统时，实现话音通信是其中一个重要的组成部分。然而我们研究ＶＯＡ技术的主要目标是扩展ＡＴＭ技术在公众通信网中的应用，推动网络向宽带化发展。在这个渐进的过程中，首先考虑的将是如何利用宽带ＡＴＭ网络来承载现有窄带通信网中的大量业务。由于窄带网中大部分业务量仍然是普通话音，因此ＶＯＡ是其中最重要的技术基础。在实现的第一步，ＶＯＡ技术可被用来提供在宽带网中提供ＡＴＭ话音中继业务，见图４。依据ＶＯＡ技术实现的窄带／宽带互通单元（ＮＢ－ＩＷＵ）可将电话网汇接交换机中的干线业务量接入高速的ＡＴＭ骨干网，利用宽带网对大量窄带业务进行交换和传递。采用这种方式可在基本不改变现有网络结构的前提下用ＡＴＭ技术逐渐灵活地取代电话网中继。

    具有互通功能的ＮＢ－ＩＷＵ起到汇接窄带话务量的作用。从中国国情来看，这种方式也是比较适合的。国内电信业务发展很快，但传统话音与数据业务的发展不平衡。国内ＡＴＭ网络的规模越来越大，大部分省市都建成了宽带ＡＴＭ网，但国内对高速业务需求却相对有限，数据业务量并不饱和，带宽资源不能被充分利用。而电话网中的业务仍然占据了总业务量中很大份额。考虑到技术更新换代的速度越来越快，电话网的发展也应尽量采用新技术。若能利用ＮＢ－ＩＷＵ将ＰＳＴＮ／Ｎ－ＩＳＤＮ和ＡＴＭ网互通（见图５），利用宽带ＡＴＭ网来提供大容量的话音通道，不仅利于提高ＡＴＭ骨干网的资源利用率，也利于灵活地解决电话网汇接交换机的扩容问题，降低电话网的建设成本。

   随着各种电信业务的不断增长，人们希望能用一种支持各种电信业务的综合接入交换系统来替代目前种类繁多的接入和交换设备。国内的研究机构和厂商已经开始着手对这种综合接入交换系统进行实用化的研究。这种综合接入交换系统将能够提供各种业务的接口以支持多种业务用户的接入，其中包括与窄带ＰＳＴＮ／Ｎ－ＩＳＤＮ的接口、基于ＩＰ技术的各种数据接口以及宽带ＡＴＭ接口等。综合接入交换系统应能支持至各种业务网的数据流分流功能，作为窄带网、ＡＴＭ网和ＩＰ网之间的网关，能够实现ＡＴＭ、ＩＰ网用户及窄带网用户之间业务上的互连互通，并保证各种业务的ＱｏＳ。一般认为，由于这种综合接入交换系统必须具有强大的业务交换能力和ＱｏＳ保证机制，因此其实现都应以高速的ＡＴＭ交换为核心。在以ＡＴＭ为核心的综合交换系统中，有关ＶＯＡ的关键技术也必将成为实现其ＰＳＴＮ／Ｎ－ＩＳＤＮ接入的核心技术。

４ 结束语

    ＡＴＭ技术对统计复用和服务级别的支持能力使其成为一种能够灵活地承载多种业务的理想网络技术。从发展现状来看，ＡＴＭ技术将在一个较长时期内与其他网络技术一起在通信网络中共存，因此ＡＴＭ与其他网络技术的结合具有重要意义。ＡＴＭ话音传送技术的引入解决了利用ＡＴＭ进行话音业务传输的关键技术问题。这项技术将有利于ＡＴＭ技术与现有窄带话音通信网的互通和融合，会加速通信网向宽带化过渡的进程。

参考文献

１ Ｇｅｎｅｒａｌ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ Ｉｎｔｅｒｗｏｒｋｉｎｇ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｂ－ＩＳ-ＤＮ ａｎｄ ６４ｋｂｉｔ／ｓ ｂａｓｅｄ ＩＳＤＮ． ＩＴＵ－Ｔ Ｒｅｃ．Ｉ．５８０，Ｎｏｖ．１９９５

２ Ｂ－ＩＳＤＮ ＡＴＭ ａｄａｐｔａｔｉｏｎ Ｌａｙｅｒ Ｔｙｐｅ ２ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ． Ｄｒａｆｔ Ｎｅｗ ＩＴＵ－Ｔ Ｒｅｃ．Ｉ．３６３．２，Ｆｅｂ．１９９７

３ ＡＡＬ Ｔｙｐｅ ２ Ｓｉｇｎａｌｌｉｎｇ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ （Ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ Ｓｅｔ １）．Ｄｒａｆｔ Ｎｅｗ ＩＴＵ－Ｔ Ｒｅｃ．Ｑ．２６３０．１，Ｄｅｃ．１９９９

４ ＡＴＭ Ｔｒｕｎｋｉｎｇ Ｕｓｉｎｇ ＡＡＬ１ ｆｏｒ Ｎａｒｒｏｗｂａｎｄ．Ｓｅｒｖｉｃｅｓ ｖｅｒｓｉｏｎ １．０． ａｆ－ｖｔｏａ－００８９．０００，Ｊｕｌ．１９９７

５ 王文东，肖丹，程时端．一种可实现ＰＳＴＮ／Ｎ－ＩＳＤＮ与ＡＴＭ网络互通的网络适配器．高技术通讯，１９９９（５）

（收稿日期：２０００－０１－２５）

[摘要] 研究如何利用ATM来传送话音业务的技术具有现实意义。文章讨论了这方面的关键技术，并论述了该技术在通信网发展中的应用前景。

[关键词] 异步转移模式 基于ATM的话音传送 公用交换电话网

[Abstract] Study on how to transfer voice over ATM is of realistic importance. In this paper its key technologies are discussed,and applications of the technology in telecommunication networks are also prospected.

[Keywords] ATM Voice over ATM PSTN