電話網(wǎng)絡(luò)延時測量系統(tǒng)設(shè)計

葉獻鋒 張奇峰 龍成章 秦國君

（河南省計量科學(xué)研究院，鄭州450008）

電話網(wǎng)絡(luò)延時測量系統(tǒng)設(shè)計

葉獻鋒 張奇峰 龍成章 秦國君

（河南省計量科學(xué)研究院，鄭州450008）

本文根據(jù)GPS全球定位系統(tǒng)和電話網(wǎng)絡(luò)傳輸原理，首次運用GPS標準秒脈沖作為參考，采用了GPS時間信號同步技術(shù)進行電話網(wǎng)絡(luò)延時的測量和計算，提出一種簡便有效的電話網(wǎng)絡(luò)延時測量方法?；谔岢龅碾娫捑W(wǎng)絡(luò)延時測量方法，搭建了一套電話網(wǎng)絡(luò)延時測量系統(tǒng)。

GPS；應(yīng)答儀；電話網(wǎng)絡(luò)延時；秒脈沖

0 引言

現(xiàn)代通信技術(shù)高度發(fā)達，給人們生活帶來很大的便利，但同時由于電話網(wǎng)絡(luò)傳輸造成的延時，對長途電話計時、電話授時、標準時間網(wǎng)絡(luò)傳遞等工作造成很大影響。因此高精度的測量出電話網(wǎng)絡(luò)延時指標，對確定長途電話計時誤差指標、開展類似電話授時和利用電話網(wǎng)絡(luò)進行標準時間傳遞工作中傳遞精度的確定等具有重要意義，同時也可以為遠地時間、頻率校準方案制定和國家標準時間量傳體系［1］的制定提供重要依據(jù)。

在電話網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中，通話信息從主叫方到達被叫方存在延遲時間，由于這個延時很小，對普通用戶沒有大的影響，也被眾人忽略。但是，電話網(wǎng)絡(luò)延時制約著通信發(fā)展以及網(wǎng)絡(luò)傳輸、標準時間傳遞等工作。目前，國內(nèi)外尚無專門針對電話網(wǎng)絡(luò)延時進行測量的研究，大多是如何降低或消除延時對網(wǎng)絡(luò)傳輸所造成的影響［2］。因此，本文對電話網(wǎng)絡(luò)延遲時間測量系統(tǒng)進行了研究。

1 電話網(wǎng)絡(luò)延時測量系統(tǒng)設(shè)計

1.1 測量系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)

電話網(wǎng)絡(luò)延時測量系統(tǒng)是建立在對交換機計時誤差常規(guī)檢測方式作了相應(yīng)改進的基礎(chǔ)上而搭建的一套測量系統(tǒng)。目前，國內(nèi)外對局用交換機計時計費系統(tǒng)常采用“黑匣子”檢測方案進行檢測，黑匣子（應(yīng)答）方式檢測的主題思想是：將某一運營商的交換機計時計費系統(tǒng)看做一個“黑匣子”，該計費系統(tǒng)可以是一個跨地域（省、市或縣）的交換機計時計費網(wǎng)絡(luò)。如圖1所示：

圖1 交換機計時誤差檢測示意圖

該方案的檢測步驟如下：將交換機計費檢定儀接入被檢交換機任一用戶端作為主叫，設(shè)置預(yù)定的通話時間，呼叫放置在任一指定交換機（號段）下的配套應(yīng)答儀，撥叫信息通過主叫交換機識別，將撥叫信息傳送到被叫交換機，對被叫振鈴（被叫處于空閑狀態(tài)），被叫應(yīng)答儀收到振鈴信號后通過一對一語音線路送出應(yīng)答信號給主叫用戶，交換機計費檢定儀收到被叫應(yīng)答儀送出的應(yīng)答信號后開始計時，到達設(shè)定的通話時間后控制主叫話機掛機，停止通話。交換機顯示的通話時間與交換機計費檢定儀設(shè)置的時間相比較即可得出計時誤差。

1.2 測量系統(tǒng)設(shè)計方案

本文在交換機計時誤差檢測方式的基礎(chǔ)上作了相應(yīng)的改進，將其應(yīng)用于電話網(wǎng)絡(luò)傳輸延時的測量。主要改進在于以GPS標準秒脈沖作為參考信號，采用受GPS秒脈沖控制其應(yīng)答信號的自動應(yīng)答儀，及具有測量時間間隔功能的GPS標準時鐘，利用GPS時間信號同步技術(shù)進行電話網(wǎng)絡(luò)延時的測量和計算。由自動應(yīng)答儀發(fā)出和GPS標準秒脈沖同步的雙音頻應(yīng)答信號，并利用GPS標準時鐘的時間間隔測量功能分別測出被測地點收到的應(yīng)答信號與參考GPS標準秒脈沖信號的時間差。如圖2所示。

圖2 電話網(wǎng)絡(luò)延時測量系統(tǒng)

在圖2中，主叫撥打自動應(yīng)答儀所連接電話線的電話號碼，自動應(yīng)答儀接到主叫的呼叫信息后，做好應(yīng)答準備，當自動應(yīng)答儀接收到GPS標準時鐘秒脈沖時啟動應(yīng)答信號，應(yīng)答信號通過電話網(wǎng)絡(luò)傳送到交換機計費檢定儀，交換機計費檢定儀收到應(yīng)答信號的同時發(fā)出一脈沖，啟動主叫方GPS標準時鐘計時，GPS標準時鐘的下一個標準秒脈沖停止計時。電話網(wǎng)絡(luò)延遲時間由式（1）得出：

式中，ΔT為電話網(wǎng)絡(luò)延時；Δt1為主叫方GPS標準時鐘測出的應(yīng)答信號到達其計時，輸入端與GPS標準時鐘下一個秒脈沖信號的時間間隔；Δt2為電話網(wǎng)絡(luò)延時測量系統(tǒng)自身延時。Δt1和Δt2單位均為s。

偵查機關(guān)的偵查活動是以刑事案件為對象，運用各種刑事科學(xué)技術(shù)手段和偵查措施揭露與證實犯罪的一種特殊的偵查決策活動，這一特殊活動的主要目的就是查明案件事實、查明犯罪嫌疑人、收集犯罪證據(jù)等。在這一過程中，必然會出現(xiàn)多種選擇，如偵查方案的選擇、偵查措施的選擇、偵查途徑的選擇、偵查思維謀略的選擇等。也就是說偵查的過程就是不斷的擬定決策方案，不斷的優(yōu)選方案并使之付諸實施的過程。［1］

1.3 主要技術(shù)難點及解決方法

1）電話網(wǎng)絡(luò)延遲時間短，對測量系統(tǒng)精度要求高。本研究對方案進行了認真設(shè)計，對儀器元件嚴格挑選和測試，并且對每臺設(shè)備進行了檢測。測量設(shè)備的技術(shù)指標如下：

a.GPS標準時鐘

標準秒脈沖（1PPS）同步誤差：＜1μs；測量外部秒脈沖時差：分辨力0.1ms；范圍：0.1～999.9ms。

b.自動應(yīng)答儀

接到網(wǎng)絡(luò)呼叫后，GPS標準秒脈沖啟動自動應(yīng)答儀發(fā)送應(yīng)答信號，同步誤差1μs。

c.交換機計時計費檢定儀

2）延時測量的關(guān)鍵問題是如何進行時鐘同步。時鐘帶來的誤差是網(wǎng)絡(luò)延遲測試中單項試驗測試結(jié)果不確定度的主要來源，參與測量的多個測量點時鐘同步程度的好壞直接影響測試結(jié)果的準確性，我們根據(jù)GPS原理［3－6］，采用GPS標準秒脈沖作為參考信號。通過主被叫兩地采用GPS標準秒脈沖信號能確保時鐘同步帶來的誤差小于1μs。

3）本研究設(shè)計了與電話網(wǎng)絡(luò)延時測量系統(tǒng)相關(guān)的自動應(yīng)答儀。自動應(yīng)答儀工作原理：當自動應(yīng)答儀收到交換機發(fā)出的2次振鈴信號后，改變自動應(yīng)答儀為摘機狀態(tài)，同時處于檢測GPS標準秒脈沖工作狀態(tài)。GPS標準秒脈沖出現(xiàn)后，同步信號控制電路輸出一固定寬度脈沖打開控制門，應(yīng)答信號傳送至交換機，通過交換網(wǎng)絡(luò)送到主叫端，然后掛機，一次自動應(yīng)答結(jié)束，等待下一次呼叫。應(yīng)答信號的發(fā)出和GPS秒脈沖同步信號的上升沿存在一個同步誤差，誤差越小越好，設(shè)計電路時充分考慮這個問題，51系列單片機對中斷反應(yīng)響應(yīng)快，開發(fā)周期短，滿足任務(wù)要求，因此，選用了應(yīng)用廣泛的單片機AT89S52。經(jīng)驗證自動應(yīng)答儀具備接收GPS標準時鐘輸出的標準秒脈沖功能，并且當收到標準秒脈沖時有指示燈指示，收到呼叫信號后能夠被GPS標準秒脈沖控制摘機，經(jīng)檢測同步誤差＜1μs，符合設(shè)計要求。

由以上可知，通過提出的電話網(wǎng)絡(luò)延時測量方法，可以隨時隨地進行兩地之間網(wǎng)絡(luò)延時指標的單向延時測量，僅需幾根電話線連接測試設(shè)備，在短時間內(nèi)就可以測出單向延時指標。

2 電話網(wǎng)絡(luò)延時測量系統(tǒng)自身精度分析

針對設(shè)計的電話網(wǎng)絡(luò)延時測量系統(tǒng)，為保證系統(tǒng)正確工作，確定本研究中測量系統(tǒng)的基本誤差，下面進行系統(tǒng)自身精度測量。儀器連接如圖3所示，其中小交換機采用模擬式交換，通話語音信號不經(jīng)過A／D、D／A變換，其傳輸延遲可以忽略。

為了保證整個測試工作的數(shù)據(jù)準確可靠，對整個測試工作所用到的自動應(yīng)答儀和交換機計費檢定儀以及標準時鐘等組成的測量系統(tǒng)進行了測試精度標定，分別選取四組測量系統(tǒng)，采用圖3的最小測量系統(tǒng)連接方式分別進行多次測試。根據(jù)相應(yīng)的測量數(shù)據(jù)可以得出各套系統(tǒng)平均延時Δt2最小為36.2ms，最大為38.3ms；平均延時最大標準偏差為1.4ms，最小為0.5ms，完全滿足對電話網(wǎng)絡(luò)延時測試工作的需要。

圖3 最小系統(tǒng)測量精度驗證連接

3 測試方案及測試結(jié)果分析

由于我國幅員廣闊，東西和南北方向跨度大，為了全面測量我國電話網(wǎng)絡(luò)的延時測量，我們采用國內(nèi)東西方向和南北方向遠距離傳輸延時測試的方案，為了得到不同網(wǎng)絡(luò)間信號傳輸?shù)难舆t時間，又進行了不同運營商網(wǎng)絡(luò)間電話網(wǎng)絡(luò)延時的測試。本次測試共計測試電話網(wǎng)絡(luò)總距離約11萬公里，覆蓋我國南北和東西方向各約5000公里區(qū)域內(nèi)的電話網(wǎng)絡(luò)，實際測試數(shù)據(jù)約6000個。為了避免單次測量所帶來的誤差，每個測試點測量10次，取平均值作為延時誤差，并對測試數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

對電話網(wǎng)絡(luò)延時測量數(shù)據(jù)進行分析得出的統(tǒng)計曲線如圖4和圖5所示：

圖4 固定電話網(wǎng)絡(luò)延時

從對測試數(shù)據(jù)的分析可以得出：

1）在我國范圍內(nèi)固定電話網(wǎng)絡(luò)延時的最大平均值約為43.1ms，最大標準偏差為7.9ms。

2）移動電話的最大平均延時為200ms，最大標準偏差為51ms。

圖5 移動電話網(wǎng)絡(luò)延時

3）網(wǎng)際與網(wǎng)內(nèi)延時差別約在3～5ms左右。

4）在電話網(wǎng)絡(luò)計時誤差中，啟動延時和停止延時（同一次通話中）帶來誤差大部分能夠互相抵消，只有啟動停止信號延時的變差會帶入通話計時結(jié)果。

5）移動電話網(wǎng)絡(luò)信號傳輸需要通過無線、無線到有線轉(zhuǎn)變過程等，因此，其延時比固定電話網(wǎng)絡(luò)傳輸延時大很多，且標準偏差也比固定電話網(wǎng)絡(luò)傳輸延時大。

4 結(jié)語

本論文對我國電話網(wǎng)絡(luò)延遲時間測量方法進行了研究，采用GPS標準秒脈沖作為參考信號，自動應(yīng)答儀產(chǎn)生應(yīng)答信號，利用標準時鐘的的時間間隔測量功能分別測出被測地點收到的應(yīng)答信號與標準秒脈沖信號的時間間隔。分析出電話網(wǎng)絡(luò)延時測量系統(tǒng)研究的難點以及解決方法。為我國電話網(wǎng)絡(luò)延時提供了準確的測試方法和測試數(shù)據(jù)。

［1］盧敬叁.時間計量與傳遞.計量與測試技術(shù)，2000（6）

［2］楊中賢.IP網(wǎng)絡(luò)端到端測試方法.電信網(wǎng)技術(shù)，2008（4）

［3］李展，張瑩，周渭.基于單片機和GPS信號的校頻系統(tǒng).時間頻率學(xué)報，2005，28（1）

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［5］蔡成林，竇忠，劉長虹.秒級準確度的電話語音報時系統(tǒng)設(shè)計.國外電子測量技術(shù)，2006，25（3）

［6］胡麥玲.全球定位系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2005，15（22）

10.3969／j.issn.1000－0771.2013.4.08