NGN QoS 探讨
发布时间：2003-08-15 09:58:31 热度：4585
不支持该视频 NGN（NextGenerationNetwork）网络在统一的分组网络上提供话音、数据和多媒体等业务。华为公司与运营商一起陆续启动了NGN的实验和应用，经历了从小容量向大容量过渡，从实验网向商用网过渡，先后面对过QoS保证、网络安全、管理认证等一系列新的挑战。针对影响NGN商用部署的关键技术，华为公司进行了系列专题研究，并通过和运营商的合作进行了大量的测试、试验和商用，逐步积累了一些实施的经验，本文针对其中的关键因素之一“QoS保证”的问题进行分析和论述，从QoS的评测指标、测试方法、承载网络、NGN设备等几个方面进行探讨，希望能够起到抛砖引玉的作用，有利于NGN的发展。
1.NGN话音QoS的指标分析
要实现语音QoS的保证，首先要了解语音QoS的衡量指标。国际上对基于IP的语音QoS一般从呼叫建立时间、丢包率、抖动（延迟变化）、MOS值和端到端时延几个方面来评价。
1.1呼叫建立时间
一般呼叫建立时间分为四个等级：0－1s（最好）、1－3s（较好）、3－5s（一般）和大于5s（较差）。
1.2丢包率和抖动
一般根据丢包率和抖动将网络分为三级，见表1。
1.3时延
端到端的时延要求分成四个等级：＜＝150ms（最好）、150－250ms（较好）、250－450ms（一般）和450ms以上（差）。
1.4MOS值
MOS（MeanOpinionScore）是一种常用的主观评价标准。IP电话业务的MOS定义为四级：4.0－5.0（优）、3.5－4.0（良）、3.0－3.5（中）、1.5－3.0（差）、0－1.5（劣）。用户满意度和MOS等级的对应关系见表2。
2.NGN语音QoS测试方法
U－SYS系统在传输所的入网测试、中国电信广东研究院测试、中国联通测试、新加坡电信测试、香港运营测试、马来运营商测试中相关指标都达到了良好的标准。语音QoS的指标如何测试呢？
业界主要有主观测试方法和客观测试方法两种，ITU－TP.800定义了MOS的主观测试方法，客观测试方法主要有：PSQM、MNB、PSQM＋、PAMS99、PESQ等。在ITU－T2001年组织的语音算法测试中证明，PESQ是当前最有效的算法，并作为ITU－TP.862标准。所以U－SYS的几次测试都是采用了ITU－T的客观测试标准P.862（PESQ）来测试的。
测试过程
以在新加坡电信进行的IAD语音质量测试为例，当时采用如下策略：1.采用ITU－T标准推荐的4个不同的音源文件（2男2女），重复测试10次；2.同一IAD/不同IAD间/IAD－网关间的语音质量；3.各种编解码算法情况下的语音质量；4.在良好网络、一般网络和较差三种网络状况下的语音质量对比。
测试了多种组网，按照测试规程配置参数，逐轮开展测试。
每轮测试原理如下：语音测试仪产生的语音源，通过模拟用户线输出到IAD；网络损伤仪根据测试要求，设置网络的丢包、网络时延、抖动的参数，IP语音包经过网络损伤仪输出到TMG；语音测试仪对输入和输出的语音信号波形进行分析，计算得到PESQ和端到端时延值。再根据ITU－T定义的PESQ和MOS的转换算法，计算得到估计MOS值（PESQLQ）。
3.U－SYS部件的QoS保证技术
U－SYS的部件本身主要是从提高带宽利用率、业务优先级、低时延去抖动、丢包补偿和降低回声影响等5个方面，采用合适的编解码技术、静音检测（VAD）和舒适噪声（CNG）生成技术、RTP包头压缩技术、业务优先级、自适应调节Jitter?Buffer技术、丢包补偿技术、回声消除技术等来保证语音QoS质量。
4.NGN语音QoS保障的实施案例
以华为公司实际部署的C4业务网络的一个应用为例子，整网由两个软交换实现控制，在各个城市放置中继媒体网关，开展长途的VoIP业务。初期测试结果表明全网语音用G.711编解码可以提供良好的语音质量。但是随着用户的增加就发现了一个问题，G.711的一路呼叫占用了90.4kbit/s带宽，所以长途骨干网络2M的带宽最多支持22个呼叫，带宽利用率低，有呼叫拥塞现象。
于是对U－SYS的几种语音压缩编解码技术进行了对比分析，并在网上进行了测试，结果如下：
综合考虑带宽占用率和语音质量，该网络整网调整到使用G.729。
为进一步节省带宽，又采用语音激活检测技术（VAD）及舒适噪音生成（CNG）技术，VAD技术只有当检测到语音处于活动状态时，编码器的输出信号才被送到网络上，因此节省了带宽。而在静音时段采用CNG技术，生成与背景噪声相匹配的较舒适的静音，避免了用户有不自然的交谈感觉，保证通话质量。实际测试结果如表4，采用G.72920ms打包＋VAD技术节省了近75％的带宽。
接着发现了新的问题，因为G.729对语音流进行了压缩，MRS不能根据RTP提供带内收号功能，影响卡号业务，经过调测，TMG8010设备、MRS6000实现RFC2833带外收号功能，顺利解决了该问题。
随着商用业务增多，引入了IAD、智能终端E－PHONE等。又发现了新的问题，部分厂家提供的这些终端不支持G.729，导致呼叫不成功。再次经过分析和测试，SoftX3000上采用灵活的配置，网络缺省优选G.729，当出现个别终端不能支持G.729时，自动匹配到终端之间最佳的编解码能力如G.723或G.711，保证了互通和语音质量。
还有一些其他案例，如与国内某运营商进行了IP超市业务的商用部署，解决NAT穿透情况下如何提供QoS保证；与香港运营商配合在xDSL上开展NGN业务，通过接入控制实施QoS保证；与新加坡运营商一起测试了防火墙穿透、NAT穿透之后业务的QoS保证，满足企业网部署IPCENTREX业务的需要。
总之，商用部署NGN业务可以根据实际组网情况和业务开展的需要来有针对性的进行分析和逐步优化，达到最佳效果。
5.承载网络的QoS保证
5.1NGN网络规划和管理很重要：带宽保证
如某运营商在部署U－SYS系统初期，规划没有充分考虑安全、QoS保证，网上出现了NGN设备被数据用户攻击，以及NGN业务拥塞的情况。针对上述问题，我们为其承载网进行了整网的重新规划。
重新规划时，重点考虑了安全性和QoS保证。将NGN网络做成一个独立的网络，采用VLAN＋MPLS－VPN技术将NGN网络和普通的数据网络在逻辑上分割开。在骨干网上通过MPLS－VPN将NGN网络和其他数据流隔离开，在本地网络上通过VLAN将NGN网络和其他网络隔离开。
带宽保证：重新根据用户业务发展计划，计算了所有业务对接入、骨干各个环节带宽的需求，并预留一定的带宽作为规划带宽。
优先级别保证：在核心网络上通过diffserv来部署全网的QoS，在L2上通过802.1P来保证优先转发NGN的数据流。
根据设备提供的统计、告警、日志功能，不断的发现瓶颈和及时优化。
这个例子表明，根据网络现有情况，通过合理的规划，以最小的调整，可以通过现有的技术和资源来避免非法攻击和盗用，以及实施QoS保证。
5.2接入控制
另一方面，接入控制对QoS保证也非常重要，如在香港某运营商的网络上部署NGN时，发生了盗用端口和业务的问题，经过分析网络实际情况，在改动最小的情况上设计了如下方案。通过PP?POE账号的识别，在BAS设备上进行了访问控制、带宽控制，达到了接入控制的效果，保证了承载网的QoS和防止了盗用。
5.3“IP电信网络”的概念
由于现有的IP网络不是面向承载实时性的电信业务所设计，完全解决QoS问题还有赖于“IP电信网”这样新的网络架构下的QoS技术方案的推出。“IP电信网”就是要通过加强对IP网络设备的控制，更容易在整网实施QoS控制，让IP网络来达到承载电信业务的能力。
2003年7月，在日内瓦举行的ITU－TSG13（国际电联电信标准部门研究组13－多协议、基于IP网络以及互通.）2001－2004研究期第4次全会上，中国电信和华为公司共同提交了D351《一种电信级的QoS方案框架－IP骨干网》和D350《一种电信级的QoS方案框架－IP接入网》两篇关于QoS的文稿。这两篇文稿分别定义了在IP骨干网和IP接入网中实施电信级QoS技术的框架、结构和需求。会议指定华为公司作为标准Y.123.QoS的起草人。大会同时还决定将这两篇文稿作为下一个研究期内开展在NGN中提供端到端QoS技术研究的基础。
6.结语
经过多年的研究、试验和试商用，NGN已经从概念走向了现实，但是，NGN要真正成为电信网络的主体，还需要在实践中解决实际网络环境下出现的诸多问题，这将是一个理论和实践相结合的系统工程。
华为公司的U－SYSNGN解决方案自推出以来，先后承建中国卫通全国NGN项目（覆盖150个城市）、文莱全网网改项目（全网14万线）、中国网通集南方部分分公司NGN项目以及英国电信（BT）C4项目，通过了包括软交换、中继网关和信令网关在内的信产部进网测试以及中国电信、中国联通、新加坡电信、马来电信等运营商的严格测试。通过这一系列与海内外多家运营商的广泛合作和实践探索，华为公司在NGN的商用技术领域取得了飞速发展，成为国内领先、国际一流的NGN解决方案和产品供应商。
华为公司希望能够与运营商以及价值链上的其它合作伙伴一道，展开进一步的合作，共同促进NGN的成熟和发展，为产业的明天一起奋斗。(华为技术报)
1.NGN话音QoS的指标分析
要实现语音QoS的保证，首先要了解语音QoS的衡量指标。国际上对基于IP的语音QoS一般从呼叫建立时间、丢包率、抖动（延迟变化）、MOS值和端到端时延几个方面来评价。
1.1呼叫建立时间
一般呼叫建立时间分为四个等级：0－1s（最好）、1－3s（较好）、3－5s（一般）和大于5s（较差）。
1.2丢包率和抖动
一般根据丢包率和抖动将网络分为三级，见表1。
1.3时延
端到端的时延要求分成四个等级：＜＝150ms（最好）、150－250ms（较好）、250－450ms（一般）和450ms以上（差）。
1.4MOS值
MOS（MeanOpinionScore）是一种常用的主观评价标准。IP电话业务的MOS定义为四级：4.0－5.0（优）、3.5－4.0（良）、3.0－3.5（中）、1.5－3.0（差）、0－1.5（劣）。用户满意度和MOS等级的对应关系见表2。
2.NGN语音QoS测试方法
U－SYS系统在传输所的入网测试、中国电信广东研究院测试、中国联通测试、新加坡电信测试、香港运营测试、马来运营商测试中相关指标都达到了良好的标准。语音QoS的指标如何测试呢？
业界主要有主观测试方法和客观测试方法两种，ITU－TP.800定义了MOS的主观测试方法，客观测试方法主要有：PSQM、MNB、PSQM＋、PAMS99、PESQ等。在ITU－T2001年组织的语音算法测试中证明，PESQ是当前最有效的算法，并作为ITU－TP.862标准。所以U－SYS的几次测试都是采用了ITU－T的客观测试标准P.862（PESQ）来测试的。
测试过程
以在新加坡电信进行的IAD语音质量测试为例，当时采用如下策略：1.采用ITU－T标准推荐的4个不同的音源文件（2男2女），重复测试10次；2.同一IAD/不同IAD间/IAD－网关间的语音质量；3.各种编解码算法情况下的语音质量；4.在良好网络、一般网络和较差三种网络状况下的语音质量对比。
测试了多种组网，按照测试规程配置参数，逐轮开展测试。
每轮测试原理如下：语音测试仪产生的语音源，通过模拟用户线输出到IAD；网络损伤仪根据测试要求，设置网络的丢包、网络时延、抖动的参数，IP语音包经过网络损伤仪输出到TMG；语音测试仪对输入和输出的语音信号波形进行分析，计算得到PESQ和端到端时延值。再根据ITU－T定义的PESQ和MOS的转换算法，计算得到估计MOS值（PESQLQ）。
3.U－SYS部件的QoS保证技术
U－SYS的部件本身主要是从提高带宽利用率、业务优先级、低时延去抖动、丢包补偿和降低回声影响等5个方面，采用合适的编解码技术、静音检测（VAD）和舒适噪声（CNG）生成技术、RTP包头压缩技术、业务优先级、自适应调节Jitter?Buffer技术、丢包补偿技术、回声消除技术等来保证语音QoS质量。
4.NGN语音QoS保障的实施案例
以华为公司实际部署的C4业务网络的一个应用为例子，整网由两个软交换实现控制，在各个城市放置中继媒体网关，开展长途的VoIP业务。初期测试结果表明全网语音用G.711编解码可以提供良好的语音质量。但是随着用户的增加就发现了一个问题，G.711的一路呼叫占用了90.4kbit/s带宽，所以长途骨干网络2M的带宽最多支持22个呼叫，带宽利用率低，有呼叫拥塞现象。
于是对U－SYS的几种语音压缩编解码技术进行了对比分析，并在网上进行了测试，结果如下：
综合考虑带宽占用率和语音质量，该网络整网调整到使用G.729。
为进一步节省带宽，又采用语音激活检测技术（VAD）及舒适噪音生成（CNG）技术，VAD技术只有当检测到语音处于活动状态时，编码器的输出信号才被送到网络上，因此节省了带宽。而在静音时段采用CNG技术，生成与背景噪声相匹配的较舒适的静音，避免了用户有不自然的交谈感觉，保证通话质量。实际测试结果如表4，采用G.72920ms打包＋VAD技术节省了近75％的带宽。
接着发现了新的问题，因为G.729对语音流进行了压缩，MRS不能根据RTP提供带内收号功能，影响卡号业务，经过调测，TMG8010设备、MRS6000实现RFC2833带外收号功能，顺利解决了该问题。
随着商用业务增多，引入了IAD、智能终端E－PHONE等。又发现了新的问题，部分厂家提供的这些终端不支持G.729，导致呼叫不成功。再次经过分析和测试，SoftX3000上采用灵活的配置，网络缺省优选G.729，当出现个别终端不能支持G.729时，自动匹配到终端之间最佳的编解码能力如G.723或G.711，保证了互通和语音质量。
还有一些其他案例，如与国内某运营商进行了IP超市业务的商用部署，解决NAT穿透情况下如何提供QoS保证；与香港运营商配合在xDSL上开展NGN业务，通过接入控制实施QoS保证；与新加坡运营商一起测试了防火墙穿透、NAT穿透之后业务的QoS保证，满足企业网部署IPCENTREX业务的需要。
总之，商用部署NGN业务可以根据实际组网情况和业务开展的需要来有针对性的进行分析和逐步优化，达到最佳效果。
5.承载网络的QoS保证
5.1NGN网络规划和管理很重要：带宽保证
如某运营商在部署U－SYS系统初期，规划没有充分考虑安全、QoS保证，网上出现了NGN设备被数据用户攻击，以及NGN业务拥塞的情况。针对上述问题，我们为其承载网进行了整网的重新规划。
重新规划时，重点考虑了安全性和QoS保证。将NGN网络做成一个独立的网络，采用VLAN＋MPLS－VPN技术将NGN网络和普通的数据网络在逻辑上分割开。在骨干网上通过MPLS－VPN将NGN网络和其他数据流隔离开，在本地网络上通过VLAN将NGN网络和其他网络隔离开。
带宽保证：重新根据用户业务发展计划，计算了所有业务对接入、骨干各个环节带宽的需求，并预留一定的带宽作为规划带宽。
优先级别保证：在核心网络上通过diffserv来部署全网的QoS，在L2上通过802.1P来保证优先转发NGN的数据流。
根据设备提供的统计、告警、日志功能，不断的发现瓶颈和及时优化。
这个例子表明，根据网络现有情况，通过合理的规划，以最小的调整，可以通过现有的技术和资源来避免非法攻击和盗用，以及实施QoS保证。
5.2接入控制
另一方面，接入控制对QoS保证也非常重要，如在香港某运营商的网络上部署NGN时，发生了盗用端口和业务的问题，经过分析网络实际情况，在改动最小的情况上设计了如下方案。通过PP?POE账号的识别，在BAS设备上进行了访问控制、带宽控制，达到了接入控制的效果，保证了承载网的QoS和防止了盗用。
5.3“IP电信网络”的概念
由于现有的IP网络不是面向承载实时性的电信业务所设计，完全解决QoS问题还有赖于“IP电信网”这样新的网络架构下的QoS技术方案的推出。“IP电信网”就是要通过加强对IP网络设备的控制，更容易在整网实施QoS控制，让IP网络来达到承载电信业务的能力。
2003年7月，在日内瓦举行的ITU－TSG13（国际电联电信标准部门研究组13－多协议、基于IP网络以及互通.）2001－2004研究期第4次全会上，中国电信和华为公司共同提交了D351《一种电信级的QoS方案框架－IP骨干网》和D350《一种电信级的QoS方案框架－IP接入网》两篇关于QoS的文稿。这两篇文稿分别定义了在IP骨干网和IP接入网中实施电信级QoS技术的框架、结构和需求。会议指定华为公司作为标准Y.123.QoS的起草人。大会同时还决定将这两篇文稿作为下一个研究期内开展在NGN中提供端到端QoS技术研究的基础。
6.结语
经过多年的研究、试验和试商用，NGN已经从概念走向了现实，但是，NGN要真正成为电信网络的主体，还需要在实践中解决实际网络环境下出现的诸多问题，这将是一个理论和实践相结合的系统工程。
华为公司的U－SYSNGN解决方案自推出以来，先后承建中国卫通全国NGN项目（覆盖150个城市）、文莱全网网改项目（全网14万线）、中国网通集南方部分分公司NGN项目以及英国电信（BT）C4项目，通过了包括软交换、中继网关和信令网关在内的信产部进网测试以及中国电信、中国联通、新加坡电信、马来电信等运营商的严格测试。通过这一系列与海内外多家运营商的广泛合作和实践探索，华为公司在NGN的商用技术领域取得了飞速发展，成为国内领先、国际一流的NGN解决方案和产品供应商。
华为公司希望能够与运营商以及价值链上的其它合作伙伴一道，展开进一步的合作，共同促进NGN的成熟和发展，为产业的明天一起奋斗。(华为技术报)
