在通信网络中管理变化话务负载的方法 本发明通常涉及通信系统及其管理方法，尤其涉及管理在变化话务负载下运行的网络的方法和有效地管理带宽的不定需求的通信系统。
意识到通信网络中日益增长的话务负载成为需要亟待解决的问题已经有些时日了，因为增长的话务负载预示着破坏这些网络的危险。到此为止，对这些问题提出了一些解决方案，其中之一是在1992年的IESS-501(Rev.3)，题目为“32Kb/sADPCM与DSI的数字电路乘法设备技术规范和传真解调/再调制”中建议地解决方法。在第27-29页中建议的方案是在网络过载条件下减少话音信道中的比特数。当网络不能满足要求时，此算法将丢失一个比特，接着如果仍未满足要求，则此算法可能又丢失一个比特。
现有技术中公知的另一个解决方案是在标准G.763中描述的方法，该标准定义了在变化话务负载下通信网络的管理。本质上，根据此方案，一个比特从承载电路中使用的每个算法中被舍弃，并且所有这些舍弃的比特被收集到一个比特“存储体”中。当系统负载增加时，可以使用在存储体中可得到的比特。然而，如果比特需求再增加并超出可得到的比特数时，每个算法必须“贡献”另一个比特到该“存储体”中。该机制继续按上述进行，直至满足网络需求为止。
可以意识到，这些方案针对提供对过载问题的解决方案但没有特别涉及系统效率。换句话说，现有技术方案针对于保证话务将通过网络发送，即使传输不以最可能的模式执行也如此。
因此本发明的目的是提供一种方法，用于在同步和异步转移模式、IP网络、IP帧中继网络或任何其他应用系统网络中在变化话务负载下改善网络的管理。
本发明的另一个目的是提供能够根据系统资源的可利用性管理通信话务负载的系统和装置。
随着本发明进行的描述，本发明的其它目的将变的更清楚了。
根据本发明，提供了用于在通信网络中管理变化话务负载的方法，包括以下步骤：
(i)通过计算连接在通信网络的那个预定单元的所有现用信道传输所要求的比特总数N，在通信网络的预定单元建立带宽的瞬时需求，其中该瞬时需求可以从一种类型以上的算法中产生，每个算法与至少一个现用信道相关；
(ii)比较得到的所需比特总数N和可用于通讯网络的预定单元中的比特数M；
(iii)当可用于通讯网络的预定单元中的比特数M不同于所有现用信道所需的比特总数N时，对与现用信道相关的每个算法使用比特率调整机制；和
(iv)周期地重复步骤(i)到(iii)。
下面要用的术语“通信网络”应理解为包含现有技术中公知的各种类型的网络，诸如同步和异步转移网络、IP网络、IP帧中继网络等等。
下面要用的术语“算法”指的是各种类型的处理传输。这样类型传输包含解调/再调制、本机数据传输、各种类型的压缩、抑制(Ob/s)、非压缩无干扰信道(64Kb/s)等。
根据本发明，当可得到的比特数M不同于所需的比特总数N时，采用比特率调整机制。然而，本领域技术人员能够意识到，从实际来看，当M显著地不同于N时，采用这个机制。另外，当实现此比特调整机制时所用的会聚方法可能导致以一种方式更新为每个现用信道分配的比特数，这种方式分配的比特总数不是准确地等于可得到的比特数M，而是基于实际考虑，低于但基本接近M。
利用本发明的第一实施例，提供的方法根据以下步骤执行：
(i)通过计算在连接到通信网络的所有现用信道中的可操作算法所需的比特总数N，建立带宽的网络瞬时需求，其中所述网络瞬时需求可以从一种以上类型的算法中产生；
(ii)比较得到的所需比特总数N与可用于通信网络中的比特数M；
(iii)如果可用于通信网络中的比特数M小于网络瞬时需求N，则使用比特率调整机制来从一个或多个可操作算法中舍弃比特，而如果可用于通信网络中的比特数M大于网络瞬时需求N，则可使用比特率调整机制给一个或多个可操作算法增加比特；和
(iv)周期地重复步骤(i)到(iii)。
根据本发明的优选实施例，比特率调整机制是基于在现用信道中采用的每个算法的单个负载函数，其中单个负载函数被定义为在给定负载值的情况下每个时间单位在通信网络中发送的比特数。根据本发明，在通信网络中的预定单元确定负载。这种预定单元可以例如是承载电路、路由器、交换机或网络中的任何其它临界点。然而，还应理解，本发明提供通过在网络标度上或在部分这种网络中管理负载来提供更广泛的管理。最好，每个算法负载函数的结构是基于以下：(i)假定在网络上没有负载时(网络负载值实际等于零)在承载电路的可利用性上，没有与构成的负载函数的算法相竞争的其它算法，(ii)定量表示在特定网络操作中那种算法的有效位数量(即当考虑在承载电路中现用的所有类型算法时，在系统负载什么值的情况下，比特应当从此算法中舍弃)。
为了阐述上述情况，我们假定传真算法构成为一个负载函数。在一个网络中只要网络负载不超过某一值，如V1，则负载函数可以被定义为具有15Kb/s的常数值(具有前向纠错的算法“FEC”)。因此负载函数值降到9.6Kb/s(没有FEC)。在另一个网络中，可以发生函数值从15Kb/s到9.6Kb/s的相同变动，但在不同的系统负载值V2的情况下。当与给予网络中现用的其它算法的有效位相比时，V1和V2之间的差是从给予具有FEC算法的有效位中推导出来的。在一种情况中，操作者会愿意以早些时候从其它算法中降低比特为代价来保持FEC特征，而在另一种情况，操作可能更愿意在网络中一旦产生比特需求就降低FEC比特。
以下是包括比特下降的一些典型例子：
FAX： FEC NO FEC
ADPCM： 32Kb/s 24Kb/s 16Kb/s
LD-CELP： 16Kb/s 12.8Kb/s 9.6Kb/s
CS-ACLEP： 8Kb/s 6.4Kb/s
根据本发明，根据以下迭代机制执行调整机制：
(i)设定网络负载参数的起始值；
(ii)将负载函数与网络要用的每一个算法相关；
(iii)根据存在于网络的预定单元的当前负载值和对应于存在于网络预定单元的当前负载值的那个算法的负载函数，为与现用信道相关的每一个算法计算更新的带宽(比特)需求；
(iv)在那个预定单元中对所有更新的带宽需求求和；
(v)比较所有更新的带宽需求之和与预定单元中可得到的总带宽，如果二者有差别，则根据现有技术本身公知的会聚原理设定系统负载的新值；
(vi)重复步骤(iii)到(v)直至满足所选的会聚标准。
本领域技术人员能够意识到，上述机制的步骤(ii)即与网络中使用的每一个算法相关的负载函数，最好在网络的初始配置时执行，而不应该在每次执行上述机制之后。
根据本发明的又一个示例，提供的方法允许用户根据现存的负载条件，以一种算法代替另一个算法，来进一步管理变化话务负载。例如，可以预定义ADPCM算法的负载函数以便在达到某一负载值时将以另一种算法代替这个算法，例如LD-CELP。
根据本发明的另一个方面，提供在通信网络中操作的装置，它能够管理不定负载话务，包括：一个处理器，和一个比特分配/去分配装置，其中处理器用于根据本发明提供的方法计算网络本地负载和确定可得到的网络资源的分配。
根据本发明的又一方面，提供了在通信网络中用于管理变化话务负载的系统，在其第一端包括：用于计算网络负载的一个处理器、各包括一个接收机和一个发送机的多个信道、一个比特分配装置和连接系统的第一端和第二端的承载电路。在其第二端，该系统包括一个比特去分配装置、各包括一个接收机和一个发送机的多个信道和任选的用于计算网络负载的处理器。根据此实施例，信息典型地以非压缩状态从中继线到达连接到此的信道。每个信道最好在处理即压缩该信息之后发送收到的信息到比特分配装置。而且每个信道发送给处理器计算的网络负载信息以便允许识别当前在那个特定信道中使用的算法。后一个信息允许处理器确定在承载电路中的瞬时希望负载。这些比特根据预定协议在比特分配装置中进行排列，例如从最小号识别的信道到接近最高识别号的信道，并沿着承载电路传送到系统的第二端。在系统的第二端，在比特去分配装置接收到该信息并从那发送到连接到该比特去分配装置的多个信道中。如果要求，这样接收的信息还可以进一步进行处理(例如，解压缩一个压缩的传输)，并发送到与这些信道的每一个信道连接的中继线。为了适当地分布这些信息到各个信道，应当在系统的第二端给系统提供有关用于各个算法的负载函数的瞬时值的信息，以及有关每一个信道使用哪种算法的信息。此信息可以包含在在承载电路里发送的信息中，但最好系统在其第二端还包括一个处理器，用于根据使用每种算法的信道数独立地计算系统负载。具有另一个处理器的优点是不需要把传输可用空间部分用在本地能够产生的信息上以及不需要在恢复发送的信息期间减小由于传输差错出现的可能问题。
图1A以占用一个杆的不同弹簧链的形式表示通信网络模型；
图1B说明插入另一个弹簧到图1A所示的弹簧链中；
图1C表示在插入图1B所示的弹簧之后得到的弹簧链；
图2说明弹簧的典型长度函数；
图3表示非线性负载函数的例子；
图4说明在负载值中的变化例和其对VBR和所用的比特的作用；
图5A和5B说明根据本发明用于管理变化话务负载的系统方框图；
图6a说明弹簧不适合杆子；
图7说明话音算法的工作；
图8说明典型的CS-AECLP载荷功能；
图9说明CS-ACELP算法的曲线族组；
图10说明14.4 Kbps的传真载荷功能；
图11说明基本的传真过程；
图12说明传真缓存性能(简化的)；
图13说明传真载荷功能曲线族；
图14说明无干扰信道和VDB的载荷功能；
图15a说明始发端的数据块；
图15b说明DCME输入端的数据块；
图15c说明在DCME上的过程-信息块被剔除了非信息空闲标记。只留下了一个定界符。该信息被写入缓存区并通过可变载体带宽传输；
图16说明一个典型的数据载荷功能；
图17说明数据载荷功能曲线族；
图18a说明激活话音信道的数量和需要的带宽；
图18b说明话音VBR和需要的带宽；
图18c说明话音带宽，数据带宽和需要的总带宽；
图18d说明数据带宽和内部缓存深度；
图19说明CS-ACELP延时积累和理论上的最大效率；
图20a说明用于2Mbps基于分组系统的载体效率和排队延时；
图20b说明用于2Mbps基于分组系统的载体效率和实际产生缓存；
图20c说明用于2Mbps基于分组的8Kbps话音系统的载体效率和最小理论延时；
图21说明用于256kbps基于分组系统的载体效率和最小理论延时；
图22说明在64kbps的稀路由中弹性可以产生甚至93％的载体利用率；
图23说明一个典型的端到端连接；
图24说明用于各种话音压缩算法的近似MOS值。
在现代通信话务网络中，大量的通信信道能够同时占满可利用的带宽。在具有或不具有压缩、传真(s)、数据或其任何组合的话音信道(s)的并行传输中可以发现这种应用例子。
如前所说的，存在于话务网络中的主要问题是何时网络负载超过或甚至接近可利用带宽的最大容量。为克服这个问题，本发明提供了从具有带宽可利用资源的网络适应需求的方法。这种适应是按照网络的设计要求确定每一种算法的负载函数进行的。当网络话务负载增加时负载函数允许定义是否或怎样修改每种算法的比特需求，例如数字话音插入(“DSI”)算法、可变比特率(“VBR”)算法、自动前向纠错(“FEC”)算法、信令算法、数据处理算法和其它算法。例如，在低负载下，fax传输FEC可以加入到fax传输中，而当网络负载增加时，将不使用FEC比特。实现本发明的几个实际例子描述在sason sourani的“弹簧技术，会聚长途质量电话和数据的弹簧板”中，这是发表在1999年7月12日-7月16日在加拿大多伦多的ECI电信年度技术和计划讨论会中，并在此合并作为附件A。
为了获得话务负载的有效管理，本发明提供了一种方法，其中不是分别管理每个算法，而是同时管理现用的所有算法。
为了更好地理解本发明，说明本发明的一个简单模式，即考虑一系列链接的弹簧在图1A中描述。在图1A说明的这个模式中，表示包含指定为1、2和3的三个不同类型弹簧的一个链，并由其弹簧特性常数彼此区分。图1A所示的6个弹簧占满了杆7的长度。在初始阶段，没有力施加在弹簧上，每个弹簧占据了对应于初始长度的杆的一部分。在图1B中，表示了第三种类型的附加弹簧，被插入到图1A所示的弹簧链中。因为初始的6个弹簧已经占据了该链的全部可能的长度，并因为杆7不能延伸，则插入一个附加弹簧必定对所有7个弹簧有压力，从而导致每个弹簧根据其特性收缩，以便形成附加弹簧插入的空间。图1C说明插入附加弹簧后收缩的弹簧链。显然，支配插入附加弹簧的这样一个处理的物理参数是作用在每个弹簧上的力。另外，为了遵循牛顿定律，一旦系统达到稳定状态条件，就必须保持作用在每个弹簧上的力，并且相等的力作用在所有弹簧上。为进一步对上述模型进行详细说明，这里描述模型的相应数学说明。
我们假定弹簧链占据的杆的长度由“L”表示。
因此类型1弹簧的长度是：
L1(f)＝L01-K1*f
同样，类型2或3的弹簧的长度将分别是：
L2(f)＝L02-K2*f；和
L3(f)＝L03-K3*f
L0i是弹簧i在没有施加压力时的初始长度，当然每个弹簧可以不同。f是收缩力，K1、K2、和K3分别是弹簧1、2和3的弹簧常数。
图2表示某些典型的弹簧函数，其中类型1、2和3的弹簧长度被表示为施加其上的力f的函数。从图2可以注意到，当不施加力时特定弹簧类型2具有最长的长度，而类型1的弹簧在此条件下具有最低值。然而，由于弹簧的特性，当类型2的弹簧受力作用时将迅速地压缩，而类型1的弹簧收缩的相对较慢。增加施加在每个弹簧上的力导致其长度减小，直至每个弹簧恢复其限定的长度(相同的力时没必要)为止。当达到每个弹簧的限定长度时(图2表示为f、f’和f”)再增加施加的力将没有任何进一步收缩弹簧的效果。
从上述解释中也应当意识到，如果另外的弹簧插入到该链中，则类型2的弹簧将是这三种类型当中的第一个达到其限定值，如果仍增加力的话，类型1和3的弹簧只是稍后达到其限定值。自然，当所有弹簧都达到其限定长度时，就不能再插入弹簧到该链中了。
返回到图1A，我们得到
2*L1(f0)+2*L2(f0)+2*L3(f0)＝L
插入附加弹簧之后(图1C)，情况可用以下公式表达：
2*L1(f1)+2*L2(f1)+2*L3(f1)＝L
由于每一个弹簧占据杆的顺序和与每个弹簧相关的长度函数是已知的，那么我们能够确定在任何给定时刻每个弹簧的确切位置在哪里和对弹簧施加的力是什么。此外，即使我们改变杆的长度L，我们仍然能够确定每个弹簧的位置和长度。
描述这种情况的一般公式是：L=Σi=1--TniLi(f)---(I)]]>
其中：
T是所用的不同类型弹簧的个数；
ni是类型i的弹簧的个数；
Li(f)是类型I的弹簧的长度函数；
f是施加的合力；和
L是杆的长度。
等式(I)的所有参数是已知的，除合力f之外。因此，要用的结论是具有一个未知数的等式。
第j个元件的位置可以根据等式(II)计算：L=Σi=1-Tni(j)Li(f)---(II)]]>
其中：
T是所用的不同类型弹簧的个数；
ni(j)是具有小于j顺序号的类型i的弹簧的个数；
Li(f)是类型i的弹簧的长度函数；
f是施加的合力；和
L是杆的长度。
换句话说，等式(II)提供了在系统中确定弹簧j的确切新位置的一种方式。因此计算机制将是计算作用在系统上的新力，接着是那个新力对j-1弹簧的影响，假定这些弹簧的每个弹簧的新长度对应于新力。对j-1个弹簧的新长度求和，提供弹簧j的起始点的位置。
现在回到通信世界，分析弹簧时的杆长度L由带宽B替代。“Li(f)”是当弹簧受到压力“f”时类型‘i’的弹簧的长度，它将由当负载值是“p”时的算法“i”的带宽bi(p)替代。
在通信网络中描述负载进展的新等式是：B=Σi=1--Tnibi(p)---(III)]]>
在求解这个等式时，可以使用满足要求整个带宽小于或等于B的条件的p值，B是可利用的带宽。但是，根据本发明的优选实施例，满足等式(IV)的p的最小值应该是：B≥Σi=1--Tnibi(p)---(IV)]]>
可以采用多个迭代机制求出p，正如现有技术本身公知的。例如，可以遵循线性迭代机制。在这个机制中，程序替换上升的p值，从0开始直至发现p的第一值满足等式(IV)为止。或者，迭代的机制可以是利用现有技术中公知的连续逼近算法的对数机制。
在图3中表示这种负载函数的例子。能够注意到，在图2所示的弹簧长度函数与图3所示的负载函数之间存在一个主要问题。负载函数基本上是个非线性函数，并因此能够用来解决弹簧模型的分析办法不能在目前的情况中实现，而应该考虑以迭代逼近替代。所有负载函数的一个重要特征是它们具有单调递减函数的特征(或当话务负载增加时至少不能得到更高的值)。这个事实可以用做迭代方案的基础，这将在下面的例子中进行说明：
图3说明包含ADPCM G.726算法5个比特/样值·8Khz的非线性负载函数的例子。在系统的更高负载时，在负载值等于15(11)时所示的例子中，速率逐渐递减(10)直至发送G.726的2个比特/样值·8KHz(负载值等于48)。图3所示的曲线10是直线。实际上，速率的逐渐递减是以离散增加进行的，其平均值由曲线10表示。再增加系统负载可以导致再降低比特到0个比特/样值·8KHz，这在图3中可以看到。图3所示的FAX负载函数表示为步进函数，在ADPCM具有大约3.5个比特/样值·8KHz值时的那一点上从FEC降到NO FEC。同样，本发明在管理网络话务负载增加时提供的灵活性可以通过适当地选择负载函数获得以便允许：
■延迟/提前数据传输；
■在话音传输中省略/增加VBR；
■在传真传输中省略/增加FEC；
■在话音传输算法之间转换；
■在VDR算法之间转换；
■在VBD上省略/增加VBR；
等等。
现在让我们考虑一个例子，其中网络包含全部遵守上述的负载函数的大量的算法而没有提供其它类型的算法。在这种情况下，也示于图4中的增加网络负载的处理可以描述如下：
(i)在初始阶段(t0)，可利用未用的比特并因此网络的负载值等于0。
(ii)当话务增加时，如图4的曲线12所示，初始未用的比特被消耗了直至得不到未用的比特(t1)为止。在这个阶段，图4的曲线16所示的网络负载值仍然等于0。
(iii)当话务再增加时，当网络“试图”响应新需求时负载值也增加。根据所用例子，当负载值小于15时没有比特可利用性的效果，因此为遵循新需求，则采用新负载值并等于15。同样，此图中曲线14所示的传输速率从40Kb/s下降到30Kb/s。对于负载值的展开，曲线14表明使用ADPCM算法的传输速率，其中这个速率是从图3所示的负载函数中导出的。自然，在这个例子中所示的值仅用于说明目的，还可以采用任何其它选择。
(iv)当用作所有算法的总比特数等于或小于可利用带宽的一个约束时，涉及的算法的总比特率的优化是通过优化比特数以便得到每种算法可利用的最大比特数进行的。当负载值从15递增到更高值时，可以得到比特率从32Kb/s到16Kb/s的逐渐递减，如图4所示。
为了进一步说明本发明，让我们考虑以下的非限制例子。在处理话音算法的实际例子中，我们假定我们是用32b/ms的ADPCM算法。这正是ADPCM即4比特/样值所需的标称值。当负载增加时，可得到的比特数可以减小到31b/ms，然后减到30b/ms等等。在这种情况下，假定8PCM帧的DECM帧，取样机制的算法可以是如下：
当速率是32b/ms时：4、4、4、4、4、4、4、4具有4.000比特的平均值。
当速率是31b/ms时：4、4、4、4、4、4、4、3具有3.875比特的平均值。
当速率是30b/ms时：4、4、4、3、4、4、4、3具有3.750比特的平均值。
当速率是29b/ms时：4、4、4、3、4、3、4、3具有3.625比特的平均值。
当速率是28b/ms时：4、3、4、3、4、3、4、3具有3.500比特的平均值。
当速率是27b/ms时：4、3、4、3、4、3、3、3具有3.375比特的平均值。
当速率是26b/ms时：4、3、3、3、4、3、3、3具有3.250比特的平均值。
当速率是25b/ms时：4、3、3、3、3、3、3、3具有3.125比特的平均值。
当速率是24b/ms时：3、3、3、3、3、3、3、3具有3.000比特的平均值。
在以上情况中，人们可以获得任何实际需要的具有0.125比特精度VBR值。由于动态负载，可获得实际VBR可能具有更高的精确度。同样，此概念可以应用从5比特到2比特的所有方式。
根据本发明的又一优选实施例，可以部分地实现前向纠错(“FEC”)码。如现有技术公知的，仅由于预测这些网络可能在过载下操作，则减少了使用FEC码的各种网络。然而本发明允许以当负载降低时，就实施FEC码的方式操作这种网络，并且有时仅当负载增加到预定门限之上时，停止使用这些码。从而，当与不实施FEC码的网络相比时，改进了根据本发明的这个实施例操作的网络整个性能，正如上面所解释的。
利用本发明使用方法的另一个示例如下：让我们考虑使用两种算法的情况。在此示例中，两种算法在相同负载值(4)的情况下具有非连续负载函数的特征，并产生怎样决定那种算法将首先丢失比特的问题。对此问题的一个简单解决办法是避免这种情况。为了这样作，对所有算法的负载函数的设计应当保证不出现两个或更多算法在相同负载丢失比特的情况。这样作的一个简单方式是通过任意决定算法之一将在如负载显示V1丢失比特，而另一个算法例如在V1+1丢失比特。
在图5A和图5B中说明用于在通信网络的承载电路中管理变化话务负载的系统的一个示例。在图5表示的方框图中可以看到，该系统包含：在其端点的第一点20上，用于计算网络负载的处理器21、各包括一个接收机和发送机(图中未示出)的多个信道23、一个比特分配装置25和一个承载电路27。在其第二端，系统包含一个比特去分配装置35、各包括一个接收机和发送机(图中未示出)的多个信道33和任选的用于计算网络负载的处理器31。从中继线22接收的信息可进行处理并由信道23传递到比特分配装置25。而且每个信道23发送给用于计算网络负载的处理器21在那个特定信道中当前正使用哪个算法。后一个信息允许处理器21确定在承载电路27中的瞬时希望的负载。在比特分配装置25中根据预定的协议安排比特，并在承载电路27中向前传递到系统30的第二端。在系统30的第二端，由承载电路传递的信息在比特去分配装置35被收到，并从这里被发送到与之连接的多个信道33。因此所接收的信息最好在处理状态(例如压缩)，被反处理并发送到连接在信道33的中继线32。为了适当地分配信息到各个信道，则应当在其第二端30给系统提供有关用于各个算法的负载函数的瞬时值的信息，以及有关哪个信道使用什么算法的信息。此信息例如可以包含在承载电路中发送的信息中，但最好，该系统也在第二端30还包含根据信道数使用每个算法计算系统负载31的处理器。如上所解释的，具有这种另一个处理器的优点是不需要把传输可得到的空间部分用在可以本地产生的信息上，以及减少由于传输而可能出现的问题。
应理解，上述只是本发明的一些实施例并用于说明。本领域技术人员可以设计在通信网络中管理负载进展的多种其它方式而不脱离本发明的范畴，并因此包含在本发明之中。
附录A
“弹性技术”——长途优质电话和数据汇集的出发点Sason Sourani，ECI电信概述
在最近十年中，数字电路倍增设备(DCME)被广泛应用于国际和国内链路。DCME设备是有助于在国际和国内通话中减少多重价格的四个主要因素之一。其它三个因素是国际链路成本减少，交换系统成本减少，和为竞争开放环境。
“弹性”技术使DCME设备的性能发生了重大改变。它尤其适合于显现话音和数据汇集。在所关心的几乎每个参数中都能够看到性能的改善，包括最佳压缩、在传真传输中的自动FEC、灾难性负荷条件下的受控性能、压缩话音和压缩数据的合并、在窄路由和宽路由中良好运行的能力、模块化、低数量的不同插件，和许多其它参数。
如同在本文中将表示的，弹性技术为在有限带宽中集成话音和数据提供了最好的长途优质方案。比较起来，对于所有实际用途，通过2Mbps载体的IP传输将限制在少于50％的效率和多于50ms的单向延时中。
弹性技术应用可以超越传统的DCME系统。它可以用于可变的载体带宽。它也可以用于ATM系统和包括交换机与路由器的IP系统。
ECT的弹性技术解决了不延时也不牺牲效率而合并话音与数据的需要。
本文提供了对所关心技术的第一瞥和其在DTX-600和DTX-60产品中的应用。
什么是“弹性技术”
弹性技术是由对基本模型的机械模拟而得名的。如同在一根杆子上排列一串弹簧一样，在载体上排列所有压缩信道。弹簧的长度表示由特定信道占用的当前带宽。杆子的总长度表示载体带宽。弹簧必须适应杆子。如果在杆子上没有足够的空间，弹簧必须被压缩。由于弹簧不同，每种弹簧被不同地压缩，但相似的弹簧被相似地压缩。弹簧的类型表示在信道上当前使用的压缩类型。某些类型的弹簧可以被容易地压缩而其它的完全不能压缩。弹簧被压缩的能力表示特定压缩算法应用VBR(可变位速率)的能力。
图6a，6b和6c描述了该过程。在图6a中，一串12个弹簧被连接起来。该串由三种类型的弹簧组成；这12个弹簧不适合杆子。在图6b中，该弹簧被压缩以适合杆子。在图6c中，该弹簧适合杆子。
这些描述是很肤浅的，其余部分将提供更详细的描述。将讨论下列主题：
●在长途优质DCME系统中的算法和功能
●载荷功能
●话音载荷功能
●传真载荷功能
●无干扰信道和VBD的载荷功能
●本机数据的载荷功能
●话音和数据集成压缩的性能
●窄路由中的性能
●在DTX-600和DTX-60中的端到端压缩
●结论
在长途优质DCME系统中的算法和功能
“算法”是用于特别定义过程的术语。该过程以一种数据类型执行和可以包含VBR操作。
“功能”是用于处理一个信道(时隙)所需要的一系列算法的术语。
由于一个信道可以包含多种类型的信息流，数据的每个类型需要其自己的算法。
功能包括所有必要的算法。功能在算法之间按照需要或按照外部命令切换。
更具体地，有许多功能的可能类型，如：
*电话功能。这些功能处理所有可能的电话信号和向载体发送压缩信号用于在另一端解压缩。简单的电话功能可以是一个ADPCM编译码器，但ADPCM编译码器不被认为是长途优质功能，由于在传真传输和VBD传输中它不能良好运行。更好的功能是ADPCM加使用优化ADPCM算法的特定的VBD处理。通过将传真解调算法加到上述功能也可获得更好的性能。
用于ECI的DTX-360B的电话功能是由LD-CELP算法与用于VBD处理的DSI，40kbsLD-VBD算法，和使用波形分析的V21，V27，V29，V17的传真解调一起组成的。
最新的例子是长途优质功能。存在许多使用话音算法、传真算法、VDB算法和其它算法的组合的其它电话功能。每个功能可以具有不同的质量性能和不同的压缩性能。并非所有这些都被作为长途优质功能。
DTX-600和DTX-60将具有用于电话功能的多种选择。将介绍的第一功能是与特定VBD算法和传真解调组合的CS-ACELP。特别注意针对单音和双音的校正处理的功能的开发。
*数据功能。这些功能是用于处理本机数据传输的。如同在电话功能的情况下，有许多类型的数据功能。不同的功能可以涉及到所使用数据压缩的水平，延时抖动，所允许的数据协议类型，和其它参数。
ECI首次介绍用于DTX-600和DTX-60的数据功能。这些功能采取HDLC输入流。它剥离HDLC的空闲标记和通过载体只发送带有最少量定界符(HDLC的空闲标记)的信息分组(或帧)。远端再生该空闲标记以获得同步输出流。由于今天的大多数数据传输使用HDLC封装，使用数据功能是有效的。应注意到唯一需要数据功能的校正操作的层是HDLC的空闲标记层。由于数据功能对任何其它信息不敏感，可以使用所有的数据传输类型，如X25，帧中继和因特网。
使用该类型功能能有效传输ISDN信令(Q，SIG带有全部其风味)。这对于DPNSS也适合。不幸的是在空闲时间信令系统7(SS7)使用带有特定编号方案的空闲分组。为SS7数据的有效压缩，需要更复杂的功能。压缩Q，SIG和DPNSS的动机远远大于SS7，因为前两者通常连接一个E1，而后者汇集了多个E1。因此在多数情况下，压缩Q，SIG和DPNSS的好处更高。
HDLC标记最初被提出是为了将异步数据流转换为同步数据流。当剔除空闲标记时，我们返回到最初的异步数据流。弹性模型的一个好处是异步数据流决不是通过载体校正传输的一个障碍。在本文的随后部分将阐明在弹性模型中话音与数据之间的关系。
*CAS压缩功能。该功能将压缩通过TS16到达的CAS信号。可以使用多种压缩类型，从简单的多时隙到一个时隙的复用，到复杂的Lempel-Ziv压缩算法。
*SS7压缩功能。这是为SS7时隙的有效传输而设计的特定功能。如同已经提到的，固定的数据功能将不能有效地压缩SS7。为完成此类型数据信号的有效传输，可以使用特定的电子诱骗功能。
载荷功能
对于每个算法，弹性模型需要称为载荷功能的一个特定功能。该载荷功能模仿弹簧的工作。X轴表示系统上的载荷量。载荷量是一个时间变量，其由作用于所有信道的合成信号与分配的载体带宽数量来决定。由于载荷单位的使用是新的，给载荷单位的名字是“山羊”(Goat)。在当前的应用中，载荷值可以从0山羊(系统完全未加载)到63个山羊(系统处于灾难性加载)。通常，在正常条件下，载荷值在接近0到40山羊之间改变。载荷功能的y值表示确定打算用于每个x值(即用于每个载荷值)算法的带宽数量。
所有算法的载荷功能之间的关系确定整个系统的性能。在低载荷值，所有算法需要高带宽以获得高性能。当系统载荷上升时，不同算法开始在不同载荷值失效。例如，传真在低载荷向载体上的解调信息加入前向纠错校正(FEC)。当系统载荷增加时，算法剔除FEC部分和减小传真传输所需要的带宽。在较高载荷，数据算法将它们的带宽减少到预设定的CIR值。在仍是较高的载荷值，话音算法开始使用可变位速率(VBR)以便减少它们的带宽消耗。
上述例子是一个典型。按照用户的需要，有可能设计不同性能的系统。
通过叠代过程来作出瞬时系统载荷的计算。让我们假设载荷功能为b(i，j)其中i是算法数量和j是载荷值。让我们还假设ith算法用户的当前数量是n(i)。因此系统总的需要带宽是B(j)=Σi=1Mn(i)b(i,j)---(1)]]>
在上式中，i是用于算法类型的内部变量，和M表示算法的总数量。在DTX-60和DTX-600设备中，M值是64。
让我们假设总带宽是B0。为正常工作所得出的B(j)必须是等于或小于B0，或：B0≥Σi=1MΣn(i)b(i,j)---(2)]]>
为获得最好性能，将发现符合上述不等式的j的最小值。j的最小值保证不做出过压缩。
由逐次逼近算法实现寻找j的过程。给定64为可能载荷值，需要6次叠代。
该过程看上去非常复杂，但幸运的是需要的数学计算与特别为DSP设计和优化作业的卷积计算相同。
计算j值之后，每个信道计算出其在载体上的位置。X(q)=X0+Σi=1Mnq(i)b(i,j)---(1)]]>
其中X(q)是在载体中的qth信道位置，X0是可能的偏置，和nq(i)是使用ith算法的小于q的信道数量。
每个DCME帧作出上述过程。在DTX-60和DTX-600的实施中，DCME帧根据载体带宽从625μs到10ms变化。
其余部分将更详细地描述所选择的算法。
话音载荷功能
话音算法可能是在DCME设备上使用的最普通的算法。一般地，在低载荷值，话音算法以其正常速率工作。只在高载荷值将使用VBR。
已经在第一电话功能中实现了用于话音压缩的CS-ACELP(G.729)算法。它的正常工作速率是8Kbps。另外，已经实现了两级VBR。第一级使用6.4Kbps和第二级使用4.8Kbps。应注意使用那一个速率的决定不直接涉及载荷功能。它是通过监测信道的输出缓存而间接作出的。详情见图7。
该过程是简单的：
CS-ACELP算法在10ms的块中工作。每10ms内，80位(或64或48，根据所确定的速率)被提供给输出缓存。速率控制维护向输出缓存提供足够的位以满足最大可能的算法带宽。(这总是零载荷条件下的值)。
现在让我们看看在DTX-60和DTX-600中实现的典型的CS-AECLP载荷功能。
如所看到的，在载荷的低水平，每个DCME帧可以传输10位，导致每个10ms中80位，或8Kbps的正常CS-ACELP速率。当载荷值达到34山羊时，该速率改变为6.4Kbps，而在42山羊和超过时，该速率又改变到4.8Kbps。与其它算法的关系将在随后部分描述。
为获得载体的更好利用率，使用8个不同的载荷功能。除了VBR操作发生时的载荷值不同外，这8个功能非常相似。对于每个语音激活，选择不同的算法。决定是随机采取的，以至所有信道在载荷期间具有相等的负荷，但颗粒性(granularity)较低和载体利用率较高。最终结果是在相同载荷条件下，每个采样的位平均数量是较高的。图9表示CS-ACELP的曲线族组。
传真载荷功能
传真传输可以具有不同位速率。ECI的波形分析按照其波形而不按照其T30传真协议检测传真传输速率。该唯一技术可使所有传真传输的操作，包括所谓非标准传输。(为制造商之间的竞争目的按照ITU建议允许非标准传输以便获得更好的性能，应当提到当检测到另一侧的系统制造商时大多数传真机使用非标准操作)。
在DTX-60和DTX-600中实现具有两个新的和重要的特征：
*自动FEC(前向纠错校正)。该特征被加到FEC操作和非FEC操作的两个传统特征上。
*通过缓存传真来补偿话音的高峰载荷。该特征可使通过向传真流加一个小缓存来补偿由话音、VBD和其它信道引起的高峰。
在此将更详细地解释这两个特征，但首先讨论传真载荷功能的曲线族。
传真算法为传输的目的使用多个载荷功能。取决于预编程的设计，传真可以用于FEC方式，自动FEC方式或非FEC方式。该讨论着眼于自动FEC方式的新特征，但相同的概念也可以用于传统方式。
对于每个速率使用两个载荷功能。两个功能的每个具有两步骤——一个用于较高速率和一个用于较低速率。如同具有所有载荷功能的情况，高速率工作在低载荷值，而低速率工作在高载荷值。(这可以比喻为在弹性模型中压缩的弹簧)。
图10描述了关于V.17 14.4Kbps的两个载荷功能。如同能够看到的，除了在位速率方面的不同外，它们非常近似。在低载荷值，较高的功能在每个1.25ms的DCME帧传输24位，和较低功能只传输20位。因此，在低载荷值，较高功能具有19.2Kbps的速率和较低功能具有16Kbps的速率。在FEC方式需要24％的附加带宽。14.4Kbps将增加到17.856Kbps值。该值是19.2Kbps和16Kbps之间的中值。过程如下(图11)：
如同许多人从图中可以理解的，当内部缓存被部分清空时，传真操作使用FEC。给FEC操作增加了附加位，其可以或可以不填充该缓存。这取决于使用的算法。如果使用较低算法，将填充该缓存。如果使用较高算法，将不填充该缓存直到具有高载荷值。如果具有高载荷值，较高的算法将保证至少非FEC操作。在传输产生所需要的准确通过量期间，两个算法被交换。
缓存的使用也补偿了瞬时载荷值。在不同的传真信道之间没有同步，和较高和较低的算法实际上是随机的。
图12描述了缓存的性能。该描述是简化的和未考虑系统载荷的改变。
在图13中描述了传真载荷功能曲线族。它也保留了较高速率功能用于将来的使用。
无干扰信道和VBD的载荷功能
无干扰信道载荷功能是传输64Kbps流的简单“平面”功能。如同所有其它载荷功能，在非常高载荷的不可能事件中，该功能带宽被减少到零。以此方式，系统在所有载荷条件下和在受控序列中是稳定的。
由DTX-60和DTX-600以两个不同方式处理VBD：
*解调。所有V32的VBD传输将被解调。V32解调由波形分析(而非由协议分析)来实现。因此，它对于协议不改变。在这种情况下该过程与前面解释的传真载荷功能过程相似，包括自动FEC和缓存。
*优化传输。所有其他VDB信号将通过VDB优化同步算法传输。当前该算法为40kbps和传输高达和包括19.2kbps的信号。载荷功能是一个简单平面的40kbps。在很高载荷下它减少到32kbps，和在较高载荷下它减少到零。
为将来的使用，为VBD保留了其它的载荷功能。这些载荷功能可以传输32kbps，16kbps和其它信号。无干扰信道和VBD的载荷功能在图14中描述。
本机数据的载荷功能
ECI的另一个创先是引入了本机数据与话音的集成。本机数据与话音之间的区别是在数据流被引入DCME设备的方式上。对于本机数据，该数据流作为清晰的0或1位到达。他们可以通过V35连接或作为PCM信道(64kbps)或多个PCM信道(nX64kbps)到达。对于VBD数据信息调制模拟信号以产生可以通过话音级电话信道(300-3400Hz)传播的话音频带信号。调制的模拟信号被量化为PCM流，该流随后被DCME解调或作为无干扰信道或优化的VBD传输(参见前面部分)。
通常本机数据源被分组成帧或单元或分组。通常该信息流是异步的和必须通过同步媒介传输。在多数情况下通过HDLC层实现分组和转化为同步流。
HDLC协议包括关于HDLC块结构的附加信息。ECI的本机数据功能可处理任何KDLC帧流，不管内部块结构是否与HDLC标准相一致。以此方式，可以正确传输任何HDLC帧信息。假设基本上了解了HDLC零插入和零检测过程，将解释弹性模型内的本机数据的内部过程。
到达DCME设备的数据保持异步。该数据由HDLC空闲标记流界定，该空闲标记是形式为“01111110”(0x7E)的字节流。图15a、15b和15c描述了一个典型的过程：
该信息块被写入一个缓存器和HDLC空闲标记被剔除到最小的1，该个空闲标记作为定界符使用。在这方面，该数据被发送到按照数据载荷功能以可变速率“吸收”信息的载体。
现在让我们来看一个典型的数据载荷功能。图16描述了一个数据载荷功能。
如同所能够看到的，该功能象所有其它功能一样单调地递减，但它看上去不同。请看该功能的4个部位：
*部位1.该部位涉及可能通过量的最大值。在此情况下最大通过量对应256kbpsV.35的输入速率(或，对El输入的4x64kbps)。可以使用最大通过量的不同值，最高达到载体带宽。
*部位2.由于其指数形式，该部位最大限度地利用了载体。如果把数据载荷功能比喻为典型的话音载荷功能，将看到只在数据部位2的末端开始话音VBR。因此数据部位2不影响话音质量。该话音将以正常值(即非VBR)传输。大部分剩余的带宽将分配给本机数据。在一般情况下，载体利用率将为99.7％。该载体效率将高于98％。
*部位3.该部位对应约定信息速率(CIR)。在许多情况下，用户为约定信息速率付费，和服务提供者应当提供这种速率。
当系统载荷高时，数据速率保持在预设定CIR的常量，和其它算法将忍受(话音进入VBR，等)。
*部位4.如同其它所有载荷功能，在极端载荷下所有算法被逐渐关闭。在正常条件下，永远不会使用该区域。
图17描述了用于DTX-600和DTX-60设备中的数据载荷功能曲线族。如同所看到的，它们的区别主要是针对它们的CIR值(部位3)。
话音和数据集成压缩的性能
讨论话音和数据的总的性能是重要的。ECI的唯一弹性结构可使在共生方式下两种传输类型的工作以产生完全利用载体的最好性能。两种类型都可以处理载荷状态。话音可以利用VBR和数据可以利用延时。在表1中将描述这两个类型：话音数据传输特性不存在位位存在在高载荷条件的应用可变位速率(VBR)延时
表1-话音和数据的特性
讨论一下在弹性模型中作为时间函数能出现什么。为简化，假设在时间周期的前一半是增加的激活话音信道载荷，而在此之后是激活话音信道的减少。见图18a，18b，18c和18d。
做下列假设：
*载体带宽为2048kbps
*时隙#0根据G711使用
*控制信道使用32kbps的带宽(BW)
*物理数据输入为256kbps，其利用率是50％。因此假设连续信息数据为128kbps。
*假设64kbps的约定信息速率
*x轴是时间刻度。单位是任意的和可以假设为DCME帧的数量(每个1.25ms)。
如同所看到的，在高载荷发生两种不同的过程。第一个是传统话音(话音上的VBR)，和第二个是传统数据(缓存的数据)。载体的全部利用率近似100％(见前面部分的例子)。该过程在载荷状态期间被完全控制。该控制涉及话音VBR深度和数据缓存深度。
与基于分组的压缩设备的比较表示出下列不同：
*效率。由于使用报头ATM的最大理论效率可能不超过90％。对于所压缩信息，由于需要额外信息而效率更小(见AAL2等)。
对于IP，该状态更差。其不可能使用长块，由于填充该块消耗时间，引起延时增加(图19)。
*延时。如同从图19中能够看到的，在基于分组的DCME系统中，效率越高延时越大。由于分组排队产生另外的延时。按排队理论，由于排队延时，不可能达到100％载体利用率。平均排队延时与载体占用率之间的典型关系表示在公式4中：τ1-σ---(4)]]>
其中：τ等于通过载体发送一个块所需要的时间，σ等于载体占用率
类似ATM，可以用近似40-48字节的块长度进行公平比较。它是在块效率(近似50％)与积累延时(对于8kbps的CS-ACELP近似40ms)之间的折衷。见图19。
假设2Mbps的载体和80字节的总的块长度(记住效率是近似50％)，τ将是0.32ms。由于它只是平均值，为获得接收块的适当的百分比，需要至少3倍的τ值以延时发出的信息。在图20a，20b和20c中描述该结果。
如果假设IP块而非话音，它们可能很长(高达到1500字节)，和延时将增加到不合适的水平。解决方法非常复杂，涉及存储碎片等。稀路由性能
在前面部分中，在讨论中假设全部2Mbps载体的可利用率。在许多情况下，如VSAT和访问通信，带宽被限制为几个64kbps信道。在这种情况下，由于传输块延时τ变得更大，使情况变得更坏。图21描述对于256kbps路由的最小理论延时。
为与等同的弹性系统如DTX-60进行比较，假设5ms的DCME帧，可以容易地获得96％的带宽利用效率。(在此和以前部分，在计算中不包括时隙#0的附加)。
吃惊地看到甚至一个时隙(64kbps)就足够获得稀路由应用的高性能。在此情况下，建议10ms的DCME帧，它产生4kbps的控制信道和93％的载体利用率。由于限制用户数量，该统计不满足系统过载。将建议连接7CS-ACELP话音用户和仍在32kbps流上传输信息数据。数据将自动使用该流的其余部分。见图22。在图22中的时间刻度是任意的和可以是一个DCME帧(10ms)。
在DTX-600和DTX-60中的端对端压缩
新的话音压缩算法将话音压缩8倍和甚至更多。尽管对于一跳跃的平均评价分数(MOS)结果相当好，在多跳跃连接中的衰减是严重的并产生不令人满意的结果。
当数字多跳跃出现时，设计ECI的端到端技术专用于获得端到端压缩。注意在使用数字语音内插法(DSI)的DOME系统上实现该操作是重要的。
图23描述两对DCME系统。一对的信道由交换机连接到第二对上。该连接是因为是由一个呼叫连接引起的因而是暂时的。当该呼叫结束时，该连接将中断并将出现一个不同的连接。端到端压缩是多级过程。
该过程开始于特别的带内信令，需要该信令来检测新的连接。该带内信令类似于用于T1信令中的被消耗位。它工作在PCM信道的LSB上并使用近似100LSB位/秒。这对于连接建立后100-200ms内的检测是足够了。
在端到端信令彼此检测后，建立确认、握手和同步，和系统进入端到端操作方式。在端到端操作期间，最低有效位被用于传输压缩信号和控制信息，而最高有效位被用于传输解压缩信号。以此方式，信号监测、按键服务和其它功能可以仍然存在。
DSI操作(“语音开”和“语音关”)被作为控制信号传输并影响第二DCME对的载体，好象完全在正常(非端到端)操作中一样。以此方式，在两个DCME对上实现由DSI操作引起的统计压缩。该端到端压缩在链路基础(两个紧挨着的时隙)上工作，以便不限制在谈话呼叫中连接的端到端系统的数量。该极限是可接受的总延时。
图24表示ADPCM，LD-CELP和CS-ACELP的MOS(平均评价分数)结果。该结果采自ITU的SG15，93年7月COMSATAT的著作#20，和ITU的SG15，95年11月SQEG的Q12/15。没有端到端压缩，不可能保证带有CS-ACELP的长途优质通话，因为随压缩解压缩周期数变化的质量衰减得很快。虚线水平线表示ECI端到端压缩操作后的结果。如同能看到的，该结果与一跳跃类似，不管链路中DCME系统的实际数量是多少。
不用牺牲由DSI获得的压缩可实现该过程。应当注意到VBR操作在连接到端到端压缩的信道上是禁止的。没有端到端压缩的信道将继续使用VBR和在高载荷下减少带宽的其它方法(自动FEC将被禁止，本机数据只使用CIR，等)。
结论
在DTX-60和DTX-600系统中实现的弹性模型提供了在受限带宽中用于话音和数据集成的最好的长途优质方案。
由于端到端压缩，使话音质量有保证。弹性技术已经被比喻为基于分组的压缩系统。如同已经看到的，对于所有实际应用，通过2Mbps载体的IP传输将被限制在小于50％的效率和大于50ms的单向延时中。一般的商业数字将更糟。ATM传输的理论极限将更好，但仍在80％以下。
对于256kbps，理论上的IP延时可以达到100ms，和效率可以达到少于45％。在实际实现中，该数字将更坏。
ECI的弹性技术以最小的延时和不牺牲效率而解决了话音与数据的合并的需要。