CN1320805C - 一种分组交换网络自适应抖动缓冲区调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分组交换网络自适应抖动缓冲区调整方法，该调整方法包括对抖动缓冲区的正调整和负调整两部分。正调整部分通过动态检测抖动缓冲区的数据分组序号，根据分组序号滞后指示，对抖动缓冲区进行正调整，以吸收大的网络抖动；负调整部分通过周期性对抖动缓冲区填充水平进行检测，当抖动缓冲区填充水平下降时，对抖动缓冲区进行负调整，以适应小的网络抖动。本方法实现了对网络抖动进行动态跟踪以自适应调整抖动缓冲区工作参数。相比传统的自适应缓冲区调整方法，本发明方法降低了抖动缓冲区自适应调整的算法复杂度和计算量，同时也大大降低了抖动缓冲区自适应调整对整个系统性能的影响。

Description

一种分组交换网络自适应抖动缓冲区调整方法

(1)技术领域

本发明涉及一种用于分组交换网络的通信方法，尤其涉及一种用于分组交换网络通信装置的自适应抖动缓冲区调整方法。

(2)背景技术

目前，分组交换网络具有价格便宜、协议灵活、良好的可扩展性、技术成熟等优势，得到了广泛的应用。许多实时业务，例如IP电话、TDM(时分复用)电路仿真业务等已经或者即将尝试在分组交换网络上传输。实时周期性业务经过分组交换网络传输，由于排队、拥塞、不同路径选择等影响，数据分组所经历的传输时延在不断地随机变化，我们称之为网络抖动时延。这样一来，发送端发出的周期性的数据分组在接收端的到达时间是不确定的，这样给接收端恢复出发送端发送的周期性数据分组带来极大困难，因此在分组交换网络上传输TDM等实时周期性业务的一个关键是如何吸收分组交换网络引入的网络抖动。

目前，吸收网络抖动的一般方法是在接收端使用抖动缓冲区。如图1所示：发送端100数据分组：1、2、3、4、5、6经过分组交换网络110到达接收端120，由于时延抖动的存在，数据分组在经过分组交换网络110时可能产生失序，到达接收端120的分组序列顺序发生变化，分组序列为：1、3、2、5、4、6同时，时延抖动带来网络时延nd；接收端120采用抖动缓冲区130以换取对时延抖动的吸收，其产生缓冲时延bd，由此，数据分组从发送端100到抖动缓冲区输出总时延ted为网络抖动时延nd和缓冲时延bd之和。

为有效消除分组网络抖动引入的时延，抖动缓冲区大小至少必须设置为2倍的分组速率×网络抖动，抖动缓冲区正常工作点至少必须设置为分组速率×网络抖动。例如，如果分组速率为400pks/s(包/秒)，为吸收10ms(毫秒)的网络抖动，每个分组都必须经过额外的400×0.01＝4个分组的排队延迟。目前，在接收端使用抖动缓冲区以吸收网络抖动主要有3种技术。1)、固定大小的抖动缓冲区：如早期的以太网上传输TDM业务的试验系统，一般假定网络抖动比较小，所以使用的是固定大小的抖动缓冲区。2)、大小递增的抖动缓冲区：作为前述技术的一种改进，它使用一种大小递增的抖动缓冲区来吸收最大的网络抖动。3)、自适应抖动缓冲区，是一种抖动缓冲区大小可动态调整的自适应抖动缓冲区。对于分组交换网络中传输TDM业务，自适应调整的抖动缓冲区已经受到越来越多的关注。这主要是因为，在实际的分组交换网络中，承载多种业务，网络情况复杂多样，网络抖动随着网络情况的不同会有相当大的变化，例如网络抖动可能在一个时段为20ms，下一个时段为300ms，再下一个时段又变为10ms。显然固定大小的抖动缓冲区和大小递增的抖动缓冲区这两种技术都不能很好地应用于这样的网络环境中，因为它们都会把抖动缓冲区大小设置为可吸收300ms的抖动(对于400pks/s的分组速率，抖动缓冲区大小为240个分组)，即使网络抖动减小到20ms，分组还是必须经过120个分组的额外排队延迟，这么大的延迟对于一些实时应用是不合适的，所以抖动缓冲区必须能够根据网络的状况进行自适应的调整。对于上面的网络环境，通过应用自适应抖动缓冲区，在网络情况变差时(300ms抖动)，分组延迟为120个分组，当网络情况变好时(10ms)，分组延迟就下降到4个分组。

通常，传统的自适应抖动缓冲区采用的是对网络抖动进行预测的技术，抖动预测技术或者是基于对历史到达分组的抖动进行分析，或者直接基于抖动缓冲区填充水平的变化进行抖动预测，例如：1995年“多媒体系统”(Multimedia Systems)第2卷算2期公开了一篇文章，作者是：Donald L.Stone，Kevin Jeffay，文章名称为：“视频会议中抖动管理方法的经验研究”(An empirical study of a jitter managementscheme for video teleconferencing)就公开了一种基于对历史到达分组的抖动进行抖动缓冲区调整的方法；1995年4月刊的“对数字音频、视频的网络和操作系统支持”(Network and Operating System Support for Digital Audio and Video)第189-202页公开了一篇文章，作者是：Kurt Rothermel，Tobias Helbig，文章名称为：“一种自适应流同步协议”(An adaptive stream synchronization protocol)公开了一种基于抖动缓冲区填充水平的变化、自适应抖动缓冲区调整方法，其自适应调整原理结构如图2所示，该自适应调整过程使用了大量的阈值和计数器，HWM(上溢阈值)和LWM(下溢阈值)分别定义为将出现抖动缓冲区上溢和下溢的阈值，在HWM和LWM之间的，介于UTB(目标区上边界)和LTB(目标区下边界)之间的区域为目标工作区。当抖动缓冲区填充水平落在目标工作区之外时，自适应过程调整缓冲区工作参数，将其填充水平拉回到目标工作区，这里HWM、LWM、UTB、LTB都需根据网络抖动状况进行调整。上面的自适应调整方法都是针对实时业务的特征而开发的，特别是针对分组交换网络中传输实时话音而优化。更具体地，在抖动缓冲区自适应调整的过程中，这些方法都要考虑到端到端延迟和分组丢包率之间的折衷(对于实时话音业务，典型的丢包率为5％)。一般而言，如果抖动缓冲区设置越大，吸收的抖动越大，分组丢包率就越小，但端到端延迟就越大；反之，如果抖动缓冲区设置越小，吸收的抖动越小，分组丢包率就越大，但端到端延迟就越小。实际上，TDM业务要求很小的分组丢包率，例如，MEF(城域以太网论坛)为以太网上的2.048Mbits/s E1电路仿真业务所定义的丢帧率为7×10^-6。显然，如果在调整抖动缓冲区时把分组丢包率考虑在内，将需要相当多的统计信息，增加了自适应调整的算法复杂度和计算量。

(3)发明内容

本发明旨在提供一种分组交换网络自适应抖动缓冲区调整方法，有效跟踪网络抖动变化，动态调整抖动缓冲区参数，保证端到端性能，同时实现分组排序输出。

本发明是通过如下技术方案实现的，一种分组交换网络自适应抖动缓冲区调整方法，包括如下步骤：

a)、抖动缓冲区初始化，接收数据分组并存入抖动缓冲区；

b)、动态检测抖动缓冲区的数据分组序号，根据分组序号滞后指示，对抖动缓冲区正调整，以吸收大的网络抖动；

c)、周期性对抖动缓冲区填充水平进行检测，当抖动缓冲区填充水平下降时，对抖动缓冲区负调整，以适应小的网络抖动；

上述数据分组传输采用实时传输协议/实时传输控制协议(RTP/RTCP)。

该方法考虑分组交换网络中传输TDM业务的要求，在自适应调整的过程中不考虑分组丢包率，而仅仅考虑分组滞后指示和缓冲区填充水平的变化来调整抖动缓冲区参数，实现了对网络抖动进行动态跟踪的目的，相比传统的自适应缓冲区调整方法，本发明极大地降低了自适应调整的算法复杂度和计算量，同时也大大降低了自适应缓冲区调整对整个系统性能的影响。

本发明还能有效地处理一般的自适应抖动缓冲区不能很好处理的延迟尖刺，实现分组重排序输出，保证了端到端的正常通信。

(4)附图说明

图1、时延抖动和时延抖动吸收、分组失序到达和分组的重排序；

图2、传统自适应抖动缓冲区调整方法原理结构示意图；

图3、本发明自适应抖动缓冲区调整方法流程示意图；

图4.1、典型的网络抖动示意图

图4.2、本发明根据网络抖动、自适应抖动缓冲区调整示意图；

(5)具体实施方式

下面结合附图所示对本发明作进一步的详细说明。

图3是本发明自适应抖动缓冲区调整方法流程示意图，它包括如下具体步骤：

1)、抖动缓冲区初始化。

初始化完成抖动缓冲区动态调整过程中的参数设置，如抖动缓冲区负调整周期T、抖动缓冲区负调整周期T内对抖动缓冲区填充水平进行采样的采样时间间隔ΔS、抖动缓冲区正常工作点最小阀值C、初始时刻抖动缓冲区填充水平的最大值Max(0)和最小值Min(0)、初始时刻抖动缓冲区正常工作点A(0)、初始的数据分组序号N(0)、满足负调整条件的差值σ；

抖动缓冲区初始化完毕后，开始接收数据分组，发送端与接收端的数据分组传输可以采用实时传输协议/实时传输控制协议(RTP/RTCP)。

2)、分组滞后指示检测及正调整：

通常，发送端向分组交换网络周期性地发送顺序序号的数据分组，数据分组经过分组交换网络将可能以失序方式非周期性地到达数据接收端。

在一个本地时钟周期内，接收端从抖动缓冲区取出数据分组，假设当前查找的分组序号为N(n)，系统根据此分组序号N(n)在抖动缓冲区中查找是否有数据分组携带序号与此匹配，如果有分组序号匹配，那么把该序号为N(n)的分组从抖动缓冲区取出并发送，同时以N(n+1)更新当前的分组序号，继续查找、匹配分组序号，以保证数据分组的顺序输出；如果没有分组序号与当前查找的序号N(n)匹配，那么表示序号为N(n)的分组将滞后到达，抖动缓冲区进入正调整过程。

正调整过程向抖动缓冲区插入若干数量的分组以吸收大的网络抖动，同时将当前抖动缓冲区中分组序号小于当前分组序号N(n)的分组丢弃(这些分组是滞后到达的分组，不需要再处理)，之后，以N(n+1)更新当前的分组序号，在下一本地时钟周期内重复上述步骤。

以上所述的插入的数据分组的内容可以是抖动缓冲区前次输出的数据分组的内容。

3)、抖动缓冲区填充水平检测及负调整：

对抖动缓冲区填充水平的检测可以采用多种方式，作为一优选实施例，这里，我们以在一个周期内，对抖动缓冲区填充水平多次采样，就可以获得该周期内的抖动缓冲区填充水平最大值和最小值，该最大值和最小值基本可以反映出该周期内的抖动缓冲区水平状况。

为反映抖动缓冲区的填充水平变化，这里，通过比较第m个抖动缓冲区负调整周期T(m)内抖动缓冲区填充水平的最大/最小值Max(m)/Min(m)和第m-1个抖动缓冲区负调整周期T(m-1)内抖动缓冲区填充水平的最大/最小值Max(m-1)/Min(m-1)，如果满足如下条件，说明该周期内抖动缓冲区填充水平减少，系统产生负调整指示，抖动缓冲区进入负调整过程。

                           Max(m)≤Max(m-1)-σ

                           Min(m)≥Min(m-1)-σ

σ为设定负调整条件。

负调整过程通过丢弃抖动缓冲区若干数据分组、将当前的抖动缓冲区正常工作点减小到最小阈值C，之后，在下一抖动缓冲区负调整周期m+1重复上述步骤。

上述抖动缓冲区填充水平可以采用抖动缓冲区数据分组数量来表示，也可以采用抖动缓冲区数据分组位数来表示。

图4.1是一种典型的网络抖动示意图，在不同的时间段，网络表现出不同的抖动特性；图4.2是本发明根据网络抖动、自适应抖动缓冲区调整示意图。系统启动后，抖动缓冲区正常工作点自适应调整到A点，足够吸收当前的网络抖动；一段时间后，由于网络状况变化的原因(例如阻塞等)，网络抖动逐渐变大，这时将出现分组滞后指示，抖动缓冲区进入正调整过程，抖动缓冲区正常工作点将从A点增大到B点，足够吸收当前的网络抖动；一段时间后，由于网络状况变化的原因(例如阻塞消失，网络质量变好等)，网络抖动逐渐变小，抖动缓冲区填充水平将下降，抖动缓冲区进入负调整过程，抖动缓冲区的正常工作点将从B点下降到最小阈值C；之后，由于抖动缓冲区大小不足以吸收网络抖动，将出现分组滞后指示，抖动缓冲区将进入正调整过程，抖动缓冲区的正常工作点将从最小阈值C增大到D点，足够吸收当前的网络抖动。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。如分组滞后指示检测手段、抖动缓冲区填充水平检测手段以及缓冲区调整对象等。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (6)

1、一种分组交换网络自适应抖动缓冲区调整方法，其特征在于它包括如下步骤：

a)、抖动缓冲区初始化，接收数据分组并存入抖动缓冲区；

b)、动态检测抖动缓冲区的数据分组序号，根据分组序号滞后指示，对抖动缓冲区正调整，以吸收大的网络抖动；

c)、周期性对抖动缓冲区填充水平进行检测，当抖动缓冲区填充水平下降时，对抖动缓冲区负调整，以适应小的网络抖动。

2、如权利要求1所述的一种分组交换网络自适应抖动缓冲区调整方法，其特征在于步骤a)所述的数据分组传输采用实时传输协议/实时传输控制协议。

3、如权利要求1或2所述的一种分组交换网络自适应抖动缓冲区调整方法，其特征在于所述的步骤b)包括如下步骤：

b1)、在一个本地时钟周期内查找抖动缓冲区是否存在当前分组序号N(n)的数据分组，若存在当前分组序号的数据分组，则发送该数据分组，并将当前分组序号更新为下一序号N(n+1)；

b2)、若抖动缓冲区不存在当前分组序号的数据分组，则向抖动缓冲区插入若干数量的数据分组，并丢弃抖动缓冲区中分组序号小于当前分组序号的数据分组，并将当前分组序号更新为下一序号N(n+1)；

b3)、在下一本地时钟周期内重复步骤b1)至b2)。

4、如权利要求3所述的一种分组交换网络自适应抖动缓冲区调整方法，其特征在于所述的步骤b2)的插入的分组的内容是抖动缓冲区前次输出的数据分组的内容。

5、如权利要求1或2所述的一种分组交换网络自适应抖动缓冲区调整方法，其特征在于所述的步骤c)包括如下步骤：

c1)、在第m次抖动缓冲区负调整周期T内，对抖动缓冲区填充水平多次采样，获得该调整周期内的抖动缓冲区填充水平最大值Max(m)和最小值Min(m)；

c2)、与上次抖动缓冲区负调整周期内的抖动缓冲区填充水平最大值Max(m-1)和最小值Min(m-1)进行比较，判断抖动缓冲区填充水平变化；

c3)、当抖动缓冲区填充水平下降，并满足如下条件时，对抖动缓冲区进行负调整，以适应小的网络抖动，

          Max(m)≤Max(m-1)-σ

          Min(m)≥Min(m-1)-σ

σ为设定负调整的条件；

c4)、在下一抖动缓冲区负调整周期m+1内重复步骤c1)至c3)。

6、如权利要求5所述的一种分组交换网络自适应抖动缓冲区调整方法，其特征在于所述的步骤c)抖动缓冲区负调整通过丢弃抖动缓冲区若干数据分组将当前的抖动缓冲区正常工作点减小到最小阈值C。

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