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漫談IP新世代電信服務(4)VoIP服務網路的設計與挑戰—流量規畫與服務品質迷思
文/iThome (記者) 2006-08-29

VoIP需要在單一網路上，同時協調語音和數據的傳輸要求，和傳統電信網路的服務品質相比，VoIP的服務品質（QoS）問題更具挑戰性。

在傳統電信網路上，線路資源的瓶頸往往導致用戶的呼叫無法接通，特別是在春節、中秋、優惠時段及重大社會活動等特定時間內，突然爆增的話務量導致交換機系統超載，進而出現電路擁塞、接通率下降，甚至服務癱瘓的現象，為電信業者和個人都造成不可彌補的損失。

這些問題肇因於線路老舊或其他技術因素，而讓使用者感受到接通時間過久，或是聲音延後、回音、斷續、響度過小、雜音等通話障礙。傳統電信網路不知花了多少時間和金錢，才建立出今天大多數用戶可以接受的服務品質。

VoIP的服務品質
與傳統電信網路的服務品質相比，VoIP的服務品質（QoS）問題更具挑戰性，其關鍵原因就是VoIP需要在單一網路上，同時協調語音和數據的傳輸要求。

在頻寬資源有限下，IP電信設備所能承載的呼叫容量，並非如傳統電信設備般，可由設備本身的硬體能力得到確定的數字；IP電信設備在接近臨界點前，效能與服務品質就會開始逐步下降，直到所有客戶都不能接受為止，嚴重影響IP電信產業的發展。

與資料通訊相比，語音通訊對網路品質的要求高出許多，當網路上有大量突發的數據傳送時，必然會影響語音封包的傳送，輕則延後到達，重則導致網路設備來不及處理而丟棄，或是封包延遲以致於傳輸表現時好時壞，這些服務品質指標包括封包傳輸延遲（Packet Latency）、封包遺失（Packet Lost），以及封包延遲變異（Jitter）等。

服務品質如何衡量？
業界主要有主觀測試方法和客觀測試方法兩種，ITU-T的P.800標準定義了平均意見分數（Mean Opinion Score，MOS）的主觀測試方法，其測試程序採用ITU-T標準推薦的4個不同的語音原始檔案，並由由2男2女組成的評審團隊，重複測試10次，並測試在同一設備/不同設備間、各種編解碼演算法下的語音品質。以及在良好網路、一般網路和較差三種網路狀況下的語音品質對比，。最後得到「優、良、中、差、劣」5個等級的分數。見表一

MOS平均主觀值達到4分或更高，一般被認定為較佳的語音品質，而若MOS值低於3.6，則表示大部分接聽者不滿意該語音品質。

雖然平均主觀測試被大多數人認定有效，但這個主觀方法存在的最大問題就是，由一組受過訓練的人士以人耳來評價語音的品質，測試代價非常高昂，且容易受測試環境的潛在干擾影響。

在平均主觀測試法的公平性受到詬病後，人們又不斷地探索客觀測量的方法，以儀器實際量測各項影響VoIP服務品質參數的客觀量測方法於焉誕生見表二、表三，這項新的客觀測量主要是看封包漏失率和抖動，及延遲對語音品質的影響，並可透過ITU-T G.107規範中的E-Model方式匯整出一個總分，也就是Ｒ值。Ｒ值的範圍從0到100分，Ｒ值的計算從沒有網路傳輸設備的損失影響開始，此時語音品質是最好的，當受到上述因素影響時次第衰減。

代表E-model的前提是，假設語音品質的損失因素總是由網路實體層在傳遞過程中所附加的，那麼若能靈活地加入諸如雜訊、回音、延遲、編碼器性能、抖動等網路損失因素的估算值，「使用者體驗」的因素就能被全面客觀的服務品質等級所估計。

Ｒ值（滿分100分）和MOS值（滿分5分）可相互換算，考量透過網路傳送與實際語音之間存在必然的轉換損失，這種固有的損耗使得Ｒ值最大只能達93.2分，對應到平均主觀的MOS值只有4.4分。

VoIP流量規畫常犯的錯誤
對語音網路的主要要求是能夠提供連續的資料傳輸流程，即為穩定的資料串流（Streaming）。為達到最終用戶期望的通話品質，幾乎無法容忍通話用戶間出現語音信號中斷的現象，這也是傳統語音網路採用電路交換（Circuit Switch）技術設計的原因，因此對任何VoIP服務網路來說，在終端用戶之間勻速地發送和接收語音信號的能力至關重要。

很多廠商往往誇大了VoIP語音技術壓縮封包的能力，只以一路G.711語音編碼佔64Kb，一路G.729語音壓縮編碼佔8Kb含混帶過。事實上，一個在IP網路上傳送的IP封包結構依序包含MAC Header、IP Header、UDP Header、RTP Header及Voice Payload。

一般所稱的8Kb語音頻寬指的是CODEC（編碼器）處理過的語音籌載內容（Voice Payload），而且它會經由RTP協定來承載，RTP的協定資料單元是用UDP協定來承載的，最後再加上IP和MAC等表頭。

圖一：IP語音封包的結構

圖二：主要Codec實際佔用的網路頻寬

為了儘量減少傳輸延遲，語音籌載的淨值通常都很短，由圖一可看出，IP語音的頻寬吃重，約有66％~80％的頻寬被浪費（深色部份），真正有意義的內容不到只有約20%~33%（淺色部份）。

由圖二計算的結果顯示，8Kb編碼率的G.729，在每20ms取樣一次的條件下（取樣間隔愈短佔用網路頻寬愈高，因每取樣包裝一次就產生上圖中的浪費（Overhead）），在IP傳輸層傳輸需要24kbps，在實際乙太網路（MAC層）上佔用了高達39.2kbps的頻寬。

若是G.711編碼則更為驚人，在MAC層一路語音就佔用了126.4kbps，在現行以MAC層提供上網服務的ADSL線路上，上行128Kb，下行1M的產品，就只能勉強傳輸一路語音而已。這結論和許多人的想像不同，也是很多VoIP網路在規畫時就以一路語音8K來計算其所佔用頻寬，所產生的一大謬誤。



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