有带宽保证和稳定延迟的电路交换问题

电路交换网络为用户提供了实时的电路，也保证了用户在通话过程中对从发端到收端的带宽要求。呼叫这个词仅仅是用来表示在话音网络中连接的意思，对于电路来说它只是一个标记。基于这一点，包括Internet在内的各种数据网络通常把连接叫做虚电路。但是在PSTN中，电路并不是虚拟的，PSTN中的电路是为了建立特定的连接和呼叫而有专用带宽的物理实体。
为保证话音质量，PSTN的电路必须提供两个必要的条件，就是带宽保证和稳定延迟。此外延迟时间必须足够短，才能让正在进行实时信息交换的电话用户感到满意。为了达到这一目标，国际电信联盟一电信标准部
(ITU-T)把往返时延规定为500ms,整整半秒钟。很多电话用户对于电话网络较短的往返时延是能适应的，但对于较长时延的话音电路是不满意的。比如通过卫星为国际电话用户提供的电路，它的时延就比较长，会出现通话双方在同一时间讲话的现象，而这是很令人厌烦的。由于基于IP的话音系统可能会出现比PSTN更长的时延，所以理解为什么会出现时延十分重要。
当两个人通过一条话音电路交谈时，他们是以半双工的方式使用一条全双工电路。也就是说，虽然电路能够在同一时刻向两个方向传递话音，但大多数人都是在对方讲话的时候自己有礼貌地倾听。可是，听者怎样才能知道什么时候轮到自己讲话呢？其中的提示通常是交谈中的停顿，如果停顿较长，那么听者就会知道对方正在等着自己的回话。如果听者很长时间没有反映，对方可能推测：我想他(或她)没有什么可说的，这样我就继续讲吧！然后，说话一方又开始继续讲话。
已经证明，在大多数语言中用于表示交谈中的一方讲话暂时结束的停顿大约是0.25秒。但停顿的时间并不是固定的，会有细微的变化，会随着文化的不同而变化，就西方文化而言，西方人性格比较急噪，所以停顿的时间可能会短一些。为什么这对于较长时延的话音很重要呢？因为在大多数基于轨道半径为月地距离十分之一（大约22,000英里）的地球同步静止轨道（GEO）卫星的话音电路上，电话呼叫上行链路部分要延迟0.25秒，下行链路又要延迟0.25秒。传输所造成的时延大约是240ms,另外还有10ms是由于在卫星中处理节点而造成的时延（早期的卫星单向传输时延甚至达到0.50秒）。这些时延会影响听者对说话停顿的判断。想要了解为什么会出现这种情况，请看下图。

图长时延带来的问题

上图展示了两个人通过较长时延的话音电路（如通过GEO卫星）谈话的情景。此图中，时间的方向是自顶向下的，斜线表示在发话者说完一句话和听者听到这句话之间的时延。如果传输的距离再短些，就一个国家范围的网络环路来说，这些斜线几乎接近水平。因为即使在美国从东海岸到西海岸通过PSTN打一个电话，端到端的时延也很少超过30ms,而电信业十分发达的美国是世界上少数几个领土大国之一，仅有巴西、加拿大、中国和俄罗斯与美国的领土面积相差不多。在大多数国家中，整个国内电话的典型时延只有10ms或更少。
在上图中，同一时刻两个通话者一个正在说着什么，而另一个正在想着什么却没有表达出来。所出现的问题就是当A说完“现在这里是早晨。”之后还要0.25s的时间他才能听到这句话之后的停顿。但是，在B（听者）要回答“现在这里是夜晚。”之前，A（发话者）觉得等了很久,他可能想到：“我猜对方没有什么可说的，所以我要继续讲话。”，这样为了避免尴尬的局面，A又开始讲话：“你听到我的话了吗？”。因为电话是全双工的，话音通过线路进行双向传递，通话双方在他们自己仍在讲话的同时听到了对方的话音。自然，A认为对方没有礼貌，因为一直等到自己又继续讲话对方也才开始讲话。这种感觉是相互的，B可能认为对方本应到了倾听的时候却又开始讲话，太自私了卫星电话业务也使用低地球轨道（LEO）系统。当然，对于那些以前从来没有使用过陆线电话的人来说，GEO卫星电话的时延将不是什么问题,他们倾向于把这一时延看作是整个系统的必然组成部分而接受。
这样，在那些原来就有陆线电话系统的发达国家，时延短对于话音业务来说是十分必要的。时延不仅要求尽量要短，而且还必须是稳定的。也就是说要让通话双方感觉不到在一句话当中话音时延有变化。如果时延变化超过了几毫秒，话音就会出现失真。假设模拟话音在网络上是数字化的，那么话音失真就意味着话音取样到达的时候要么是越来越远（称做分散），要么就是越来越近（称做堆积）。当把数字化的取样再变为模拟声音时,取样的分散会降低说话人的音调（听起来就像喉咙痛一样），而取样的堆积会抬高说话人的声音（听起来很尖利）。
对于话音电路来说，时延短和稳定都是必不可少的要素。可是，PSTN怎么才能保证时延短并且稳定呢？主要有两种方法，第一种方法是PSTN的交换机必须能够快速地以64kbit/s的速率把话音取样从输入端口传送到恰当的输出端口。ITU-T规定了开关器件节点处理的时延最高上限是
450|is,小于0.5mso开关器件是PSTN的组成部分，实际上，一个现代化的中心局可能包含许多开关器件。由于传输线路短开关器件也少，所以较短线路上的传输时延显然要比在长途线路上传输时延小得多。在普通的一次从美国东海岸到西海岸的通话中，线路上的比特传输时延大约是20ms,而在线路上可能会有15个开关器件，所有的节点时延加在一起不能超过
15x450gs,即6.75ms。由于技术的进步，现在开关器件的节点时延越来越短，这样在节点处理的时延就不会明显地降低话音质量。
PSTN提供较短和稳定的话音时延的第二种方法是把话音连接（电话
呼叫）映像到网络中的一条固定物理链路上，这就是PSTN面向连接的原
So如果所有的比特信息沿着同一条路径传输，那么连续的传输就有了保
证，传输时延在呼叫的一开始就确定了，而且在整个呼叫的过程中保持固
定不变。这种方式可以与Internet进行比较，在Internet中IP分组在一系列路由器之间是沿着不同的途径发送的，这就造成了变化的节点处理时延
（由于变化的路由负荷所致）和变化的传输时延（由于使用了不同的物理路径所致）。有时PSTN在干线出现故障时会改变路由，但实际上只是在
大约60ms内重新建立一条新的路径。通话双方可能会感觉到有一个中断,但是新的路径一旦建立起来，通话就会像以前那样继续下去。与此相比Internet上的时延变化会更大一些。
此外PSTN还经常使用另一种方法即计算比特数来监控延迟，这种方法也是PSTN一直保留固定比特速率的64kbit/sPCM话音的原因。在固定
第3蓑PSTN电话系统
比特速率（CBR）的话音链路（比如64kbit/s的DS-0链路）中仅仅通过计算比特数就可以很容易地，而且是高效地检测到时延的变化。假设话音交换机的输入端缓冲器在一秒钟接收到64,020比特而不是64,000比特，这就意味着在链路发送端的交换机时钟比正常情况下要快，在缓冲器溢出和话音比特丢失之前必须做出一些调整；同样，也可能会记数为63,950比特，这表明在链路发送端的交换机时钟比正常情况下要慢，所以也必须做出一些调整以防止比特不能被正常发送
这种简单的比特记数、时钟调整机制很有效，所以虽然已经出现了其
他调制方法，但64kbit/s的脉冲编码调制（PCM）话音仍然在使用，这也是在即使13kbit/s或8kbit/s这样低的比特速率下仍然使用固定比特速率话音的一个主要原因。PSTN中的同步系统作用就是保持话音传输时时延的稳定，而在分组交换的Internet上则缺乏这种同步系统，所以在Internet上不会形成稳定的比特流。当然，如果已经把数字化的话音分组，那么对于基于VoIP分组的传输来说Internet将是一个很适合的网络。但是，还要寻找其他方法使得在Internet上传输话音的时延足够短并且稳定。

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