[科普中国]-可变比特率业务

简介

ATM网络是一种能够同时传输多种不同类型通信业务的网络，在网络内部处理每一种业务流量的方式，依赖于该业务流的特性和应用需求。ATM论坛将这些业务分为五类：恒定比特率(Constant Bit Rate，CBR)、实时可变比特率(Real Time Variable Bit Rate，rt-VBR)、非实时可变比特率(Not Real Time Variable Bit Rate，nrt-VBR)、不指明比特率(Unspecified Bit Rate，UBR)和可利用比特率(Available Bit Rate，ABR)。五类宽带承载业务可以从两个方面来区分。从业务特性上区分，它们描述业务本身的流量特性，又称为源流量参数，如峰值信元速率、最小信元速率、可维持信元速率、最大突发长度；但另一些业务特性参数并不表示业务本身的流量，而是体现业务对时间特性的要求，如业务所能允许的信元抖动容限等。从业务的ATM层服务质量上区分，包括峰．峰信元时延抖动、最大信元传送时延、严重出错的信元块比例、信元错误率、信元丢失率、信元误插入率等。

VBR并不是一种新的编码方式或编码算法，它是一个与CBR相对应的概念。是可变速率(VariableBitRate)的缩写，它不使用固定的平均速率压缩数据，每个数据的平均码率是可变的，它可以根据数据的内容改变。这种服务的比特率能够根据网络状况变化，当网络完全没有拥塞的时候，在整个永久虚拟电路上可以达到预先设置的最大值，当然，这是不能保证在特定的时间段，平均数据吞吐量可以在ATM接入设备和交换机之间进行协商，短时间内可以保证的最大比特率也可以协商。1

VBR分类它主要有实时和非实时两类。

实时可变比特率(rt-VBR)主要用来描述具有可变数据流，属于实时业务，对时延和抖动都有严格的要求，常被用于对时延敏感的应用。与CBR的不同之处在于rt．VBR不要求恒定带宽，其传输速率在整个过程中也是变化的，该类业务适用于具有较大突发特性的信源，比如压缩图像的传输。rt-VBR业务的特点是面向连接，比特率可变，通信端点之间存在定时关系，信源发送信元具有突发性，通信端点占用的带宽随不同时间内终端信息发送速率的变化而变化，它被认为是在ATM网络上发送语言、视频和其它对延时和抖动敏感的通信的最有效的方法。

非实时可变比特率(nrt-VBR)主要用于定时发送的通信场合，属于非实时业务。使用此类服务，需要指明的参数在端系统的有：峰值信元速率，持续信元速率和最大突发大小速率。nrt-VBR业务的传输速率在整个过程中也是变化的，它能够用于要求严格时问响应的数据传输，如银行业务、过程监测和电子邮件等。nrt-VBR业务的特点是面向连接，比特率可变，通信端点之间不存在定时关系。通信端点占用的带宽随不同时间内终端信息发送速率的变化而变化，ATM网络对通信终端给予持续信元速率保证并提供低的CLR，同时要求通信终端以不大于的速率发送信息。主要应用于要求低信元丢失率的对时延和时延变化要求不严格的数据传送1。

VBR业务特性VBR业务的虚电路传输带宽是可变的。

rt-VBR业务的特点是面向连接，比特率可变，通信端点之间存在定时关系。信源发送信元具有突发性，通信端点占用的带宽随不同时间内终端信息发送速率的变化而变化。VBR连接在较长期间的平均速率为SCR，ATM网络对通信终端给予SCR保证，同时要求通信终端不得以大于PCR的速率发送信息。对信元时延的限制较为严格，用于支持诸如具有静音检测的语音业务和压缩编码的视频图像业务等实时性要求高的业务。

nrt-VBR业务的特点是面向连接，比特率可变，通信端点之间不存在定时关系。通信端点占用的带宽随不同时间内终端信息发送速率的变化而变化，ATM网络对通信终端给予SCR保证并提供低的CLR，同时要求通信终端以不大于PCR的速率发送信息。主要应用于要求低信元丢失率的对时延和时延变化要求不严格的数据传送，如E-MAIL、FAX等业务。在申请VBR时，用户与网络之间需约定传输速率(如PCR、SCR等)。

CBR业务实际上可看成信源以概率1均速发送信元的一种特殊的VBR业务。其特点是面向连接，有固定比特率，通信端点之间存在定时关系。在整个连接过程中可以持续的PCR进行传输，通信终端可以在任意时刻、时段内以等于或小于PCR的信元速率进行传输。ATM网络将保证约定的固定带宽内的信元可靠传送。CBR业务要求很短的网络传输时延和很低的时延抖动，可用于支持实时的固定速率的图像和话音业务。

话音业务话音业务可能是宽带网中最容易定义的一种业务，也是人们最为熟悉的业务，但它却可能是ATM网上难以很好地实现的业务。话音业务的特点是速率比较低，一般为64Kbit/s，若采用语音压缩技术可能达16Kbit/s以下：另一方面，话音业务对时延和时延抖动的要求还很高。由于速率低，组装一个ATM信元所需的时间就长，也就是说，对于64Kbit/s速率的话音，组装一个53字节的信元要5.875ms。当回音与自己发出的声音间的时延超过25ms时，人耳就能区分出来，而根据日本NEC的试验，当时延大于18ms时就应加回波抑制，也就是说对于64Kbit/s的话音，无回波抵消器时最大传输距离允许2425km，更长距离的通话就不得不加回波抑制了。对更低速率的话音，问题就更为严重。为不加回波抑制器，解决的唯一方法就是设法减小组装信元的时延，方法主要有两种：一是将多路话音复用在一个AALl(ATM Adaptation Layer type1，ATM适配层类型1)之上，这样对于单路话音来说组装信元的时延就小了，代价是控制复杂，因为必须有额外的信息用于收端重新从信元中恢复各路话音；二是话音数据未装满一个信元就发送，，这时减小时延的代价是浪费了带宽。

目前还在研究的另一个问题是利用语音的静音消除技术提高网络效率，这和以往的话音插空技术的出发点是一样的。在话音通信时，只有40%的时间真正是有话音的，其余60%的时间是语默期，如果合理利用静音消除技术，同样带宽的通路上就可以接入2.5倍的用户。因此，虽然话音业务以往被视为恒定速率电路交换业务的一个典型代表，但它实际上是一种VBR业务。这是目前通信的主要业务形式。ATM网必须很好地支持电路交换业务，ATM Forum专门为此制定了电路仿真建议，目前已有设备实现了电路仿真。

视频业务在宽带网中，视频图像用户和业务量将占统治地位。由于压缩编码技术的引入，视频传输速率大大下降，同时因每帧图像的信息冗余不同，恒定图像质量的视频业务具有很高的突发度。如果以峰值恒定速率传送VBR视频，将造成网络资源的极大浪费，同时用户会承受较高的费用。

ATM网络能够很经济地支持具有突发性的可变比特率业务，然而，人们对于VBR视频特性的了解远远不如对话音和数据通信特性的熟悉。ATM在给图像通信带来机会的同时也带来了新的问题，这主要是信元丢失、时延和时延抖动对图像质量的影响。

在以往的图像通信中，信道的影响主要是误码率。而这种错误是比较分散的，ATM网中由于排列溢出等原因，会引起整个信元的丢失。采用AALl适配时，对于2M、每秒25帧、CIF(Common Intermediate Fomat)格式的信源，丢失一个信元相当于丢失了近两行的数据。更重要的是，在丢失的信元中，极有可能包含了量化表、运动矢量等信息，这样就会影响多达几帧的图像质量，所以必须对信元丢失进行处理。方法之一是利用分层编码，对于重要信息保证低的信元丢失率。方法之二是利用交织的方法将信元丢失的影响分散到各个图像编码帧中。

时延由以下各因素引起：发送和接收器的图像编解码处理，分段重组，传输时延，排队时延，交换时延等。前三项的值对于所有信元是一样的，可称为绝对时延，后两项的值则和网络当时的状态有关，对于各信元是不同的，可称为相对时延。所以时延的影响也是两方面的，一是绝对时延，对于交互式业务，对时延是有规定的，过大的时延反映出来的是对方太慢的反应速度。实验表明，400ms的单程时延已是不可忍受了；对于电视这样的广播业务则对绝对时延没有要求。另一个是信元之间的相对时延，这种相对时延超过一定的值时它的影响和信元丢失是一样的。比如对于分层编码的图像，当高质量连接上的信元已经到达，图像的轮廓已经出现时，如果低质量连接上的信元还没到，解码器就得认为这个信元是丢了，当这个信元再到达接收器时，它携带的信息已没有意义了。

ATM网对图像通信的另一个重要影响是时延抖动，这也就是同一连接上不同信元间的相对时延。均衡时延抖动的基本方法是在接收端采用缓存。当时延抖动超过一定的值时，缓冲器可能溢出，到达的信元就会丢失。大容量的缓存可以均衡更大时延抖动，减少由于时延抖动引起信元的丢失，代价是时延的绝对值加大了。实际应用中应根据具体应用研究时延和信元丢失哪个影响更大，并在它们之间做出折衷。2