电话网络延时测量系统设计

叶献锋 张奇峰 龙成章 秦国君

（河南省计量科学研究院，郑州450008）

电话网络延时测量系统设计

叶献锋 张奇峰 龙成章 秦国君

（河南省计量科学研究院，郑州450008）

本文根据GPS全球定位系统和电话网络传输原理，首次运用GPS标准秒脉冲作为参考，采用了GPS时间信号同步技术进行电话网络延时的测量和计算，提出一种简便有效的电话网络延时测量方法。基于提出的电话网络延时测量方法，搭建了一套电话网络延时测量系统。

GPS；应答仪；电话网络延时；秒脉冲

0 引言

现代通信技术高度发达，给人们生活带来很大的便利，但同时由于电话网络传输造成的延时，对长途电话计时、电话授时、标准时间网络传递等工作造成很大影响。因此高精度的测量出电话网络延时指标，对确定长途电话计时误差指标、开展类似电话授时和利用电话网络进行标准时间传递工作中传递精度的确定等具有重要意义，同时也可以为远地时间、频率校准方案制定和国家标准时间量传体系［1］的制定提供重要依据。

在电话网络传输过程中，通话信息从主叫方到达被叫方存在延迟时间，由于这个延时很小，对普通用户没有大的影响，也被众人忽略。但是，电话网络延时制约着通信发展以及网络传输、标准时间传递等工作。目前，国内外尚无专门针对电话网络延时进行测量的研究，大多是如何降低或消除延时对网络传输所造成的影响［2］。因此，本文对电话网络延迟时间测量系统进行了研究。

1 电话网络延时测量系统设计

1.1 测量系统设计基础

电话网络延时测量系统是建立在对交换机计时误差常规检测方式作了相应改进的基础上而搭建的一套测量系统。目前，国内外对局用交换机计时计费系统常采用“黑匣子”检测方案进行检测，黑匣子（应答）方式检测的主题思想是：将某一运营商的交换机计时计费系统看做一个“黑匣子”，该计费系统可以是一个跨地域（省、市或县）的交换机计时计费网络。如图1所示：

图1 交换机计时误差检测示意图

该方案的检测步骤如下：将交换机计费检定仪接入被检交换机任一用户端作为主叫，设置预定的通话时间，呼叫放置在任一指定交换机（号段）下的配套应答仪，拨叫信息通过主叫交换机识别，将拨叫信息传送到被叫交换机，对被叫振铃（被叫处于空闲状态），被叫应答仪收到振铃信号后通过一对一语音线路送出应答信号给主叫用户，交换机计费检定仪收到被叫应答仪送出的应答信号后开始计时，到达设定的通话时间后控制主叫话机挂机，停止通话。交换机显示的通话时间与交换机计费检定仪设置的时间相比较即可得出计时误差。

1.2 测量系统设计方案

本文在交换机计时误差检测方式的基础上作了相应的改进，将其应用于电话网络传输延时的测量。主要改进在于以GPS标准秒脉冲作为参考信号，采用受GPS秒脉冲控制其应答信号的自动应答仪，及具有测量时间间隔功能的GPS标准时钟，利用GPS时间信号同步技术进行电话网络延时的测量和计算。由自动应答仪发出和GPS标准秒脉冲同步的双音频应答信号，并利用GPS标准时钟的时间间隔测量功能分别测出被测地点收到的应答信号与参考GPS标准秒脉冲信号的时间差。如图2所示。

图2 电话网络延时测量系统

在图2中，主叫拨打自动应答仪所连接电话线的电话号码，自动应答仪接到主叫的呼叫信息后，做好应答准备，当自动应答仪接收到GPS标准时钟秒脉冲时启动应答信号，应答信号通过电话网络传送到交换机计费检定仪，交换机计费检定仪收到应答信号的同时发出一脉冲，启动主叫方GPS标准时钟计时，GPS标准时钟的下一个标准秒脉冲停止计时。电话网络延迟时间由式（1）得出：

式中，ΔT为电话网络延时；Δt1为主叫方GPS标准时钟测出的应答信号到达其计时，输入端与GPS标准时钟下一个秒脉冲信号的时间间隔；Δt2为电话网络延时测量系统自身延时。Δt1和Δt2单位均为s。

侦查机关的侦查活动是以刑事案件为对象，运用各种刑事科学技术手段和侦查措施揭露与证实犯罪的一种特殊的侦查决策活动，这一特殊活动的主要目的就是查明案件事实、查明犯罪嫌疑人、收集犯罪证据等。在这一过程中，必然会出现多种选择，如侦查方案的选择、侦查措施的选择、侦查途径的选择、侦查思维谋略的选择等。也就是说侦查的过程就是不断的拟定决策方案，不断的优选方案并使之付诸实施的过程。［1］

1.3 主要技术难点及解决方法

1）电话网络延迟时间短，对测量系统精度要求高。本研究对方案进行了认真设计，对仪器元件严格挑选和测试，并且对每台设备进行了检测。测量设备的技术指标如下：

a.GPS标准时钟

标准秒脉冲（1PPS）同步误差：＜1μs；测量外部秒脉冲时差：分辨力0.1ms；范围：0.1～999.9ms。

b.自动应答仪

接到网络呼叫后，GPS标准秒脉冲启动自动应答仪发送应答信号，同步误差1μs。

c.交换机计时计费检定仪

2）延时测量的关键问题是如何进行时钟同步。时钟带来的误差是网络延迟测试中单项试验测试结果不确定度的主要来源，参与测量的多个测量点时钟同步程度的好坏直接影响测试结果的准确性，我们根据GPS原理［3－6］，采用GPS标准秒脉冲作为参考信号。通过主被叫两地采用GPS标准秒脉冲信号能确保时钟同步带来的误差小于1μs。

3）本研究设计了与电话网络延时测量系统相关的自动应答仪。自动应答仪工作原理：当自动应答仪收到交换机发出的2次振铃信号后，改变自动应答仪为摘机状态，同时处于检测GPS标准秒脉冲工作状态。GPS标准秒脉冲出现后，同步信号控制电路输出一固定宽度脉冲打开控制门，应答信号传送至交换机，通过交换网络送到主叫端，然后挂机，一次自动应答结束，等待下一次呼叫。应答信号的发出和GPS秒脉冲同步信号的上升沿存在一个同步误差，误差越小越好，设计电路时充分考虑这个问题，51系列单片机对中断反应响应快，开发周期短，满足任务要求，因此，选用了应用广泛的单片机AT89S52。经验证自动应答仪具备接收GPS标准时钟输出的标准秒脉冲功能，并且当收到标准秒脉冲时有指示灯指示，收到呼叫信号后能够被GPS标准秒脉冲控制摘机，经检测同步误差＜1μs，符合设计要求。

由以上可知，通过提出的电话网络延时测量方法，可以随时随地进行两地之间网络延时指标的单向延时测量，仅需几根电话线连接测试设备，在短时间内就可以测出单向延时指标。

2 电话网络延时测量系统自身精度分析

针对设计的电话网络延时测量系统，为保证系统正确工作，确定本研究中测量系统的基本误差，下面进行系统自身精度测量。仪器连接如图3所示，其中小交换机采用模拟式交换，通话语音信号不经过A／D、D／A变换，其传输延迟可以忽略。

为了保证整个测试工作的数据准确可靠，对整个测试工作所用到的自动应答仪和交换机计费检定仪以及标准时钟等组成的测量系统进行了测试精度标定，分别选取四组测量系统，采用图3的最小测量系统连接方式分别进行多次测试。根据相应的测量数据可以得出各套系统平均延时Δt2最小为36.2ms，最大为38.3ms；平均延时最大标准偏差为1.4ms，最小为0.5ms，完全满足对电话网络延时测试工作的需要。

图3 最小系统测量精度验证连接

3 测试方案及测试结果分析

由于我国幅员广阔，东西和南北方向跨度大，为了全面测量我国电话网络的延时测量，我们采用国内东西方向和南北方向远距离传输延时测试的方案，为了得到不同网络间信号传输的延迟时间，又进行了不同运营商网络间电话网络延时的测试。本次测试共计测试电话网络总距离约11万公里，覆盖我国南北和东西方向各约5000公里区域内的电话网络，实际测试数据约6000个。为了避免单次测量所带来的误差，每个测试点测量10次，取平均值作为延时误差，并对测试数据进行统计分析。

对电话网络延时测量数据进行分析得出的统计曲线如图4和图5所示：

图4 固定电话网络延时

从对测试数据的分析可以得出：

1）在我国范围内固定电话网络延时的最大平均值约为43.1ms，最大标准偏差为7.9ms。

2）移动电话的最大平均延时为200ms，最大标准偏差为51ms。

图5 移动电话网络延时

3）网际与网内延时差别约在3～5ms左右。

4）在电话网络计时误差中，启动延时和停止延时（同一次通话中）带来误差大部分能够互相抵消，只有启动停止信号延时的变差会带入通话计时结果。

5）移动电话网络信号传输需要通过无线、无线到有线转变过程等，因此，其延时比固定电话网络传输延时大很多，且标准偏差也比固定电话网络传输延时大。

4 结语

本论文对我国电话网络延迟时间测量方法进行了研究，采用GPS标准秒脉冲作为参考信号，自动应答仪产生应答信号，利用标准时钟的的时间间隔测量功能分别测出被测地点收到的应答信号与标准秒脉冲信号的时间间隔。分析出电话网络延时测量系统研究的难点以及解决方法。为我国电话网络延时提供了准确的测试方法和测试数据。

［1］卢敬叁.时间计量与传递.计量与测试技术，2000（6）

［2］杨中贤.IP网络端到端测试方法.电信网技术，2008（4）

［3］李展，张莹，周渭.基于单片机和GPS信号的校频系统.时间频率学报，2005，28（1）

［4］胡作瑞，张宝峰.GPS在计量领域中的应用.天津理工大学学报，2005，21（6）

［5］蔡成林，窦忠，刘长虹.秒级准确度的电话语音报时系统设计.国外电子测量技术，2006，25（3）

［6］胡麦玲.全球定位系统的发展和应用.科技情报开发与经济，2005，15（22）

10.3969／j.issn.1000－0771.2013.4.08