葉獻(xiàn)鋒 張奇峰 龍成章 秦國(guó)君

（河南省計(jì)量科學(xué)研究院，鄭州450008）

電話網(wǎng)絡(luò)延時(shí)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葉獻(xiàn)鋒 張奇峰 龍成章 秦國(guó)君

（河南省計(jì)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(yùn)用GPS標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖作為參考，采用了GPS時(shí)間信號(hào)同步技術(shù)進(jìn)行電話網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的測(cè)量和計(jì)算，提出一種簡(jiǎn)便有效的電話網(wǎng)絡(luò)延時(shí)測(cè)量方法?；谔岢龅碾娫捑W(wǎng)絡(luò)延時(shí)測(cè)量方法，搭建了一套電話網(wǎng)絡(luò)延時(shí)測(cè)量系統(tǒng)。

GPS；應(yīng)答儀；電話網(wǎng)絡(luò)延時(shí)；秒脈沖

0 引言

現(xiàn)代通信技術(shù)高度發(fā)達(dá)，給人們生活帶來(lái)很大的便利，但同時(shí)由于電話網(wǎng)絡(luò)傳輸造成的延時(shí)，對(duì)長(zhǎng)途電話計(jì)時(shí)、電話授時(shí)、標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間網(wǎng)絡(luò)傳遞等工作造成很大影響。因此高精度的測(cè)量出電話網(wǎng)絡(luò)延時(shí)指標(biāo)，對(duì)確定長(zhǎng)途電話計(jì)時(shí)誤差指標(biāo)、開展類似電話授時(shí)和利用電話網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間傳遞工作中傳遞精度的確定等具有重要意義，同時(shí)也可以為遠(yuǎn)地時(shí)間、頻率校準(zhǔn)方案制定和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)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(guò)程中，通話信息從主叫方到達(dá)被叫方存在延遲時(shí)間，由于這個(gè)延時(shí)很小，對(duì)普通用戶沒(méi)有大的影響，也被眾人忽略。但是，電話網(wǎng)絡(luò)延時(shí)制約著通信發(fā)展以及網(wǎng)絡(luò)傳輸、標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間傳遞等工作。目前，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)專門針對(duì)電話網(wǎng)絡(luò)延時(shí)進(jìn)行測(cè)量的研究，大多是如何降低或消除延時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸所造成的影響［2］。因此，本文對(duì)電話網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了研究。

1 電話網(wǎng)絡(luò)延時(shí)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

電話網(wǎng)絡(luò)延時(shí)測(cè)量系統(tǒng)是建立在對(duì)交換機(jī)計(jì)時(shí)誤差常規(guī)檢測(cè)方式作了相應(yīng)改進(jìn)的基礎(chǔ)上而搭建的一套測(cè)量系統(tǒng)。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)局用交換機(jī)計(jì)時(shí)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)常采用“黑匣子”檢測(cè)方案進(jìn)行檢測(cè)，黑匣子（應(yīng)答）方式檢測(cè)的主題思想是：將某一運(yùn)營(yíng)商的交換機(jī)計(jì)時(shí)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)看做一個(gè)“黑匣子”，該計(jì)費(fèi)系統(tǒng)可以是一個(gè)跨地域（省、市或縣）的交換機(jī)計(jì)時(shí)計(jì)費(fèi)網(wǎng)絡(luò)。如圖1所示：

圖1 交換機(jī)計(jì)時(shí)誤差檢測(cè)示意圖

該方案的檢測(cè)步驟如下：將交換機(jī)計(jì)費(fèi)檢定儀接入被檢交換機(jī)任一用戶端作為主叫，設(shè)置預(yù)定的通話時(shí)間，呼叫放置在任一指定交換機(jī)（號(hào)段）下的配套應(yīng)答儀，撥叫信息通過(guò)主叫交換機(jī)識(shí)別，將撥叫信息傳送到被叫交換機(jī)，對(duì)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(hào)后通過(guò)一對(duì)一語(yǔ)音線路送出應(yīng)答信號(hào)給主叫用戶，交換機(jī)計(jì)費(fèi)檢定儀收到被叫應(yīng)答儀送出的應(yīng)答信號(hào)后開始計(jì)時(shí)，到達(dá)設(shè)定的通話時(shí)間后控制主叫話機(jī)掛機(jī)，停止通話。交換機(jī)顯示的通話時(shí)間與交換機(jī)計(jì)費(fèi)檢定儀設(shè)置的時(shí)間相比較即可得出計(jì)時(shí)誤差。

1.2 測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本文在交換機(jī)計(jì)時(shí)誤差檢測(cè)方式的基礎(chǔ)上作了相應(yīng)的改進(jìn)，將其應(yīng)用于電話網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)的測(cè)量。主要改進(jìn)在于以GPS標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖作為參考信號(hào)，采用受GPS秒脈沖控制其應(yīng)答信號(hào)的自動(dòng)應(yīng)答儀，及具有測(cè)量時(shí)間間隔功能的GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘，利用GPS時(shí)間信號(hào)同步技術(shù)進(jìn)行電話網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的測(cè)量和計(jì)算。由自動(dòng)應(yīng)答儀發(fā)出和GPS標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖同步的雙音頻應(yīng)答信號(hào)，并利用GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的時(shí)間間隔測(cè)量功能分別測(cè)出被測(cè)地點(diǎn)收到的應(yīng)答信號(hào)與參考GPS標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)的時(shí)間差。如圖2所示。

圖2 電話網(wǎng)絡(luò)延時(shí)測(cè)量系統(tǒng)

在圖2中，主叫撥打自動(dòng)應(yīng)答儀所連接電話線的電話號(hào)碼，自動(dòng)應(yīng)答儀接到主叫的呼叫信息后，做好應(yīng)答準(zhǔn)備，當(dāng)自動(dòng)應(yīng)答儀接收到GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘秒脈沖時(shí)啟動(dòng)應(yīng)答信號(hào)，應(yīng)答信號(hào)通過(guò)電話網(wǎng)絡(luò)傳送到交換機(jī)計(jì)費(fèi)檢定儀，交換機(jī)計(jì)費(fèi)檢定儀收到應(yīng)答信號(hào)的同時(shí)發(fā)出一脈沖，啟動(dòng)主叫方GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘計(jì)時(shí)，GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的下一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖停止計(jì)時(shí)。電話網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間由式（1）得出：

式中，ΔT為電話網(wǎng)絡(luò)延時(shí)；Δt1為主叫方GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘測(cè)出的應(yīng)答信號(hào)到達(dá)其計(jì)時(shí)，輸入端與GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘下一個(gè)秒脈沖信號(hào)的時(shí)間間隔；Δt2為電話網(wǎng)絡(luò)延時(shí)測(cè)量系統(tǒng)自身延時(shí)。Δt1和Δt2單位均為s。

偵查機(jī)關(guān)的偵查活動(dòng)是以刑事案件為對(duì)象，運(yùn)用各種刑事科學(xué)技術(shù)手段和偵查措施揭露與證實(shí)犯罪的一種特殊的偵查決策活動(dòng)，這一特殊活動(dòng)的主要目的就是查明案件事實(shí)、查明犯罪嫌疑人、收集犯罪證據(jù)等。在這一過(guò)程中，必然會(huì)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(shuō)偵查的過(guò)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(shí)施的過(guò)程。［1］

1.3 主要技術(shù)難點(diǎn)及解決方法

1）電話網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間短，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)精度要求高。本研究對(duì)方案進(jìn)行了認(rèn)真設(shè)計(jì)，對(duì)儀器元件嚴(yán)格挑選和測(cè)試，并且對(duì)每臺(tái)設(shè)備進(jìn)行了檢測(cè)。測(cè)量設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)如下：

a.GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘

標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖（1PPS）同步誤差：＜1μs；測(cè)量外部秒脈沖時(shí)差：分辨力0.1ms；范圍：0.1～999.9ms。

b.自動(dòng)應(yīng)答儀

接到網(wǎng)絡(luò)呼叫后，GPS標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖啟動(dòng)自動(dòng)應(yīng)答儀發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，同步誤差1μs。

c.交換機(jī)計(jì)時(shí)計(jì)費(fèi)檢定儀

2）延時(shí)測(cè)量的關(guān)鍵問(wèn)題是如何進(jìn)行時(shí)鐘同步。時(shí)鐘帶來(lái)的誤差是網(wǎng)絡(luò)延遲測(cè)試中單項(xiàng)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果不確定度的主要來(lái)源，參與測(cè)量的多個(gè)測(cè)量點(diǎn)時(shí)鐘同步程度的好壞直接影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，我們根據(jù)GPS原理［3－6］，采用GPS標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖作為參考信號(hào)。通過(guò)主被叫兩地采用GPS標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)能確保時(shí)鐘同步帶來(lái)的誤差小于1μs。

3）本研究設(shè)計(jì)了與電話網(wǎng)絡(luò)延時(shí)測(cè)量系統(tǒng)相關(guān)的自動(dòng)應(yīng)答儀。自動(dòng)應(yīng)答儀工作原理：當(dāng)自動(dòng)應(yīng)答儀收到交換機(jī)發(fā)出的2次振鈴信號(hào)后，改變自動(dòng)應(yīng)答儀為摘機(jī)狀態(tài)，同時(shí)處于檢測(cè)GPS標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖工作狀態(tài)。GPS標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖出現(xiàn)后，同步信號(hào)控制電路輸出一固定寬度脈沖打開控制門，應(yīng)答信號(hào)傳送至交換機(jī)，通過(guò)交換網(wǎng)絡(luò)送到主叫端，然后掛機(jī)，一次自動(dòng)應(yīng)答結(jié)束，等待下一次呼叫。應(yīng)答信號(hào)的發(fā)出和GPS秒脈沖同步信號(hào)的上升沿存在一個(gè)同步誤差，誤差越小越好，設(shè)計(jì)電路時(shí)充分考慮這個(gè)問(wèn)題，51系列單片機(jī)對(duì)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(jī)AT89S52。經(jīng)驗(yàn)證自動(dòng)應(yīng)答儀具備接收GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘輸出的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖功能，并且當(dāng)收到標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖時(shí)有指示燈指示，收到呼叫信號(hào)后能夠被GPS標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖控制摘機(jī)，經(jīng)檢測(cè)同步誤差＜1μs，符合設(shè)計(jì)要求。

由以上可知，通過(guò)提出的電話網(wǎng)絡(luò)延時(shí)測(cè)量方法，可以隨時(shí)隨地進(jìn)行兩地之間網(wǎng)絡(luò)延時(shí)指標(biāo)的單向延時(shí)測(cè)量，僅需幾根電話線連接測(cè)試設(shè)備，在短時(shí)間內(nèi)就可以測(cè)出單向延時(shí)指標(biāo)。

2 電話網(wǎng)絡(luò)延時(shí)測(cè)量系統(tǒng)自身精度分析

針對(duì)設(shè)計(jì)的電話網(wǎng)絡(luò)延時(shí)測(cè)量系統(tǒng)，為保證系統(tǒng)正確工作，確定本研究中測(cè)量系統(tǒng)的基本誤差，下面進(jìn)行系統(tǒng)自身精度測(cè)量。儀器連接如圖3所示，其中小交換機(jī)采用模擬式交換，通話語(yǔ)音信號(hào)不經(jīng)過(guò)A／D、D／A變換，其傳輸延遲可以忽略。

為了保證整個(gè)測(cè)試工作的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，對(duì)整個(gè)測(cè)試工作所用到的自動(dòng)應(yīng)答儀和交換機(jī)計(jì)費(fèi)檢定儀以及標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘等組成的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試精度標(biāo)定，分別選取四組測(cè)量系統(tǒng)，采用圖3的最小測(cè)量系統(tǒng)連接方式分別進(jìn)行多次測(cè)試。根據(jù)相應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)可以得出各套系統(tǒng)平均延時(shí)Δt2最小為36.2ms，最大為38.3ms；平均延時(shí)最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.4ms，最小為0.5ms，完全滿足對(duì)電話網(wǎng)絡(luò)延時(shí)測(cè)試工作的需要。

圖3 最小系統(tǒng)測(cè)量精度驗(yàn)證連接

3 測(cè)試方案及測(cè)試結(jié)果分析

由于我國(guó)幅員廣闊，東西和南北方向跨度大，為了全面測(cè)量我國(guó)電話網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)測(cè)量，我們采用國(guó)內(nèi)東西方向和南北方向遠(yuǎn)距離傳輸延時(shí)測(cè)試的方案，為了得到不同網(wǎng)絡(luò)間信號(hào)傳輸?shù)难舆t時(shí)間，又進(jìn)行了不同運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)間電話網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的測(cè)試。本次測(cè)試共計(jì)測(cè)試電話網(wǎng)絡(luò)總距離約11萬(wàn)公里，覆蓋我國(guó)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(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)約6000個(gè)。為了避免單次測(cè)量所帶來(lái)的誤差，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)測(cè)量10次，取平均值作為延時(shí)誤差，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

對(duì)電話網(wǎng)絡(luò)延時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出的統(tǒng)計(jì)曲線如圖4和圖5所示：

圖4 固定電話網(wǎng)絡(luò)延時(shí)

從對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析可以得出：

1）在我國(guó)范圍內(nèi)固定電話網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的最大平均值約為43.1ms，最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為7.9ms。

2）移動(dòng)電話的最大平均延時(shí)為200ms，最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為51ms。

圖5 移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)延時(shí)

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

4）在電話網(wǎng)絡(luò)計(jì)時(shí)誤差中，啟動(dòng)延時(shí)和停止延時(shí)（同一次通話中）帶來(lái)誤差大部分能夠互相抵消，只有啟動(dòng)停止信號(hào)延時(shí)的變差會(huì)帶入通話計(jì)時(shí)結(jié)果。

5）移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸需要通過(guò)無(wú)線、無(wú)線到有線轉(zhuǎn)變過(guò)程等，因此，其延時(shí)比固定電話網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)大很多，且標(biāo)準(zhǔn)偏差也比固定電話網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)大。

4 結(jié)語(yǔ)

本論文對(duì)我國(guó)電話網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間測(cè)量方法進(jìn)行了研究，采用GPS標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖作為參考信號(hào)，自動(dòng)應(yīng)答儀產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)，利用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的的時(shí)間間隔測(cè)量功能分別測(cè)出被測(cè)地點(diǎn)收到的應(yīng)答信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)的時(shí)間間隔。分析出電話網(wǎng)絡(luò)延時(shí)測(cè)量系統(tǒng)研究的難點(diǎn)以及解決方法。為我國(guó)電話網(wǎng)絡(luò)延時(shí)提供了準(zhǔn)確的測(cè)試方法和測(cè)試數(shù)據(jù)。

［1］盧敬叁.時(shí)間計(jì)量與傳遞.計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2000（6）

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

［3］李展，張瑩，周渭.基于單片機(jī)和GPS信號(hào)的校頻系統(tǒng).時(shí)間頻率學(xué)報(bào)，2005，28（1）

［4］胡作瑞，張寶峰.GPS在計(jì)量領(lǐng)域中的應(yīng)用.天津理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，21（6）

［5］蔡成林，竇忠，劉長(zhǎng)虹.秒級(jí)準(zhǔn)確度的電話語(yǔ)音報(bào)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì).國(guó)外電子測(cè)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(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2005，15（22）

10.3969／j.issn.1000－0771.2013.4.08