Качество обслуживания в мультисервисных сетях связи
Качество обслуживания в мультисервисных сетях связи
Показатели качества IР-телефонии
Общие сведения
IP-телефония представляет собой технологию, позволяющую использовать любую сеть с коммутацией пакетов на базе протокола IP в качестве средства организации и ведения телефонных разговоров.
Поскольку IP-телефония претендует на роль конкурента традиционной телефонной связи, она должна гарантировать пользователю некий уровень качества обслуживания (QoS), сравнимый с ТфОП.
Основными составляющими качества IP -телефонии являются (рис. 13.1):
1.. Качество речи, включающее:
• диалог - возможность пользователя связываться и разговаривать с другим пользователем в реальном времени и полнодуплексном режиме;
• разборчивость и узнаваемость - чистота и тональность речи;
• наличие эхосигнала - слышимость собственной речи с задержкой;
• громкость - громкость речи.
2.Качество сигнализации, включающее:
• время установления соединения - скорость успешного доступа и
времяустановления соединения;
• время завершения соединения - время отбоя и скорость разъединения.
Факторы, которые влияют на качество IP-телефонии, могут быть разделены на две категории:
1. Факторы качества IP-сети:
■ максимальная пропускная способность - максимальное количество полезных и избыточных данных, которая она передает;
■ задержка на передачу - промежуток времени, требуемый для передачи пакета через сеть;
■ вариация задержки - задержка между двумя последовательными пакетами;
■ потеря пакета - пакеты или данные, потерянные при передаче через сеть.
2. Факторы качества шлюза:
■ требуемая полоса пропускания - различные вокодеры требуют
различную полосу. Например, вокодерG.723 требует полосы 16,3 кбит/с для каждогоречевого канала;
■задержка на обработку - время, необходимое цифровому сигнальному
процессору DSP или другим устройствам обработки для кодирования и
декодирования речевого сигнала;
■ буфер для устранения вариации задержки - сохранение пакетов данных
дотех пор, пока все пакеты не будут получены и можно будет передавать
их в требуемой последовательности для минимизации джиттера;
■ потеря пакетов - потеря пакетов при сжатии и/или передаче
воборудовании IР-телефонии;
■ степень подавления эха - механизм для подавления эха, возникающего при
передаче по сети;
■ управление уровнем - возможность регулировать громкость речи.
Задержка
При передаче речи по IP-сети возникают намного большие, чем в ТфОП задержки, которые, к тому же, изменяются случайным образом. Этот факт представляет собой проблему и сам по себе, но, кроме того, усложняет проблему эха.
Можно выделить следующие составляющие задержки при пакетной передачи речи из конца в конец:
1. Задержка накопления (иногда называется алгоритмической задержкой). Этазадержка обусловлена необходимостью сбора кадра речевых отсчетов,выполняемая в речевом кодере. Величина задержки определяется типомречевого кодера и изменяется от небольших величин (0,125 мкс) донескольких миллисекунд. Например, стандартные речевые кодеры имеютследующие длительности кадров:
G.729 CS-ACELP (8 кбит/с) - 10 мс,
G.723.1 - MultiRateCoder (5,3 и 6,3 кбит/с) - 30 мс.
2. Задержка обработки. Процесс кодирования и сбора закодированных отсчетов в пакеты для передачи через пакетную сеть создает определенныезадержки. Задержка кодирования или обработки зависит от времени работыпроцессора и используемого типа алгоритма обработки.
| Качество передачи | Качество передачи сигнализации |
| 1. Диалог. 2. Разборчивость и узнаваемость. 3. Наличие эхосигнала. 4. Громкость. | 1. Время установления соединения. 2. Время завершения соединения. |
| Качество шлюза | Качество сети |
| 1. Задержка на обработку. 2. Буфер для устранения вариации задержки. 3. Степень подавления эха. 4. Управление уровнем. | 1. Максимальная пропускная способность. 2. Задержка на передачу. 3. Вариация задержки. 4. Потеря пакетов. |
Рис. 13.1. Факторы, влияющие на качество IP-телефонии
Для уменьшения загрузки пакетной сети обычно несколько кадров речевого кодера объединяются в один пакет. Например, три кадра кодовых слов G.729, соответствующих 30 мс речи, могут быть объединены для уменьшения размера одного пакета.
3.Сетевая задержка. Задержка обусловлена физической средой и протоколами, используемыми для передачи речевых данных, а также буферами, используемыми для удаления джиттера пакетов на приемном конце.
Сетевая задержка зависит от емкости сети и процессов передачи пакетов в сети.
Время задержки при передаче речевого сигнала можно отнести к одному из трех уровней:
- до 200 мс (первый уровень) - отличное качество связи. Для сравнения, в телефонной сети общего пользования допустимы задержки до 150-200 мс;
- до 400 мс (второй уровень) - считается хорошим качеством связи, но если сравнивать с качеством связи по сетям ТфОП, то разница будет видна. Если задержка постоянно удерживается на верхней границе этого уровня (на 400 мс), то не рекомендуется использовать эту связь для деловых переговоров;
- до 700 мс (третий уровень) - считается приемлемым качеством связи для ведения неделовых переговоров. Такое качество связи возможно также при передаче пакетов по спутниковой связи.
Джиттер
В случае разбивки речи или данных на пакеты для передачи через IP-сеть, пакеты часто прибывают в пункт назначения в различное время и в разной последовательности. Это создает разброс времени доставки пакетов (джиттер). Джиттер приводит к специфическим нарушениям передачи речи, слышимым как трески и щелчки.
Возникает необходимость организации буфера для превращения пакетной речи, отягощенной нестационарными задержками в канале, возможными перестановками пакетов, в непрерывный естественный речевой сигнал реального времени. Параметры буфера определяются компромиссом между величиной запаздывания телефонного сигнала в режиме дуплексной связи и процентом потерянных пакетов.
Потеря пакетов
Потерянные пакеты в IP-телефонии нарушают речь и создают искажения тембра. В существующих IP-сетях все голосовые кадры обрабатываются как данные. При пиковых нагрузках и перегрузках голосовые кадры будут отбрасываться, как и кадры данных. Однако, очередь не может быть восполнена таким способом и в результате кадры данных не связаны со временем, и отброшенные пакеты могут быть успешно переданы путем повторения. Потеря голосовых пакетов приводит к неполной передачеинформации. Предполагается, что потеря до 5% пакетов незаметна, а свыше 10-15% недопустима. Причем данные величины существенно зависят от алгоритмов компрессии/декомпрессии.
Наиболее вероятны потери одного, двух и трех пакетов подряд. Потери больших пачек пакетов редки. Существенно, что потеря большой группы пакетов приводит к необратимым локальным искажениям речи, тогда как потери одного, двух, трех пакетов можно пытаться компенсировать.
RTP и RTCP
Для уменьшения значений джиттера и задержек на сетевом уровне применяются гарантирующие пользователю заданный уровень качества механизмы RSVP, MPLS, DiffServ и др. Они улучшают качество услуг, управляемых сетью, но не могут полностью устранить образование очередей в сетевых устройствах, а, следовательно, и совсем убрать джиттер. Компенсировать его негативное влияние позволяет разработанный IETF протокол прикладного уровня RTP (Real-timeTransportProtocol).
Протокол RTP (RFC 1889) предназначен для доставки чувствительной к задержкам информации с использованием сетевых служб одноадресной или групповой рассылки. Он не имеет собственных механизмов, гарантирующих своевременную доставку пакетов или другие параметры качества услуг. Это осуществляют нижележащие протоколы. Он даже не обеспечивает все те функции, которые обычно предоставляют транспортные протоколы, в частности, функции по исправлению ошибок или управлению потоком. Обычно RTP работает поверх UDP и использует его службы, но может функционировать и поверх других транспортных протоколов. Служба RTP предусматривает указание типа полезной нагрузки и последовательного номера пакета в потоке, а также применение временных меток. Отправитель помечает каждый RTP-пакет временной меткой, а получатель извлекает ее и вычисляет суммарную задержку. Разница в задержке пакетов позволяет определить джиттер и смягчить его влияние - все пакеты будут выдаваться приложению с одинаковой задержкой.
Таким образом, главная особенность RTP - это вычисление средней задержки некоторого набора принятых пакетов и выдача их пользовательскому приложению с постоянной задержкой, равной этому среднему значению.
Возможности RTP можно расширить, объединив его с еще одним
протоколом IETF, а именно с протоколом управления передачей в реальном
времени (Real-timeTransportControlProtocol, RTCP). С помощью RTCP
контролируется доставка RTP-пакетов и обеспечивается обратная связь с
передающей стороной и другими участниками сеанса. RTCP периодически
рассылает свои управляющие пакеты, используя тот же механизм распределения, какой применяется и для RTP-пакетов с пользовательской информацией.
Основной функцией RTCP является организация обратной связи с приложением для отчета о качестве получаемой информации. RTCP передает сведения (как от приемника, так и от отправителя) о числе переданных и потерянных пакетов, значении джиттера, задержке и т.д. Эта информация может быть использована отправителем для изменения параметров передачи, например, для уменьшения коэффициента сжатия информации с идентификацией пользователей-участников сеанса.
При всех своих достоинствах протокол RTP далеко не совершенен. Например, протокол никак не способен повлиять на задержку в сети, но он помогает сократить дрожание звука при воспроизведении при наличии задержек. Кроме того, хотя пакеты UDP и получают порядковые номера, но при установлении принимающей станцией факта потери пакета RTP не предпринимает никаких мер для его восстановления.
Один из способов расширения возможностей RTP состоит в использовании его совместно с протоколом RSVP.
Качество обслуживания в мультисервисных сетях связи