Файл: 1 Принципы построения ip сети и требования по предоставлению качества услуг 7.docx

1.3 Краткое описание требований предоставления IP услуг и параметров качества

На сегодняшний день все типы речевых кодеков можно разделить на три группы:

1. 
   Кодеки с вокодерным преобразованием речевого сигнала возникли в системах мобильной связи для снижения требований к пропускной способности радиотракта.
   
2. 
   Кодеки с Импульсно Кодовой Модуляцией (ИКМ) и Адаптивной Дифференциальной Импульсно Кодовой Модуляцией (АДИКМ), появившиеся в конце 50 –х годов и использующиеся сегодня в системах традиционной телефонии.
   
3. 
   Комбинированные (гибридные) кодеки сочетают в себе технологию вокодерного преобразования/синтеза речи, но оперируют уже с цифровым сигналом посредством специализированных DSP [10].
   

В голосовых шлюзах IP-телефонии «кодек» подразумевает не только алгоритмы кодирования/декодирования, но и их аппаратную реализацию.

Большинство кодеков, используемых в IP-телефонии, описаны рекомендациями семейства «G» стандарта Н.323.

Под VoIP или же телефонными кодеками понимаются математические модели, применяемые для цифрового кодирования и сжатия аудио информации.

Основные VoIP кодеки [11]:

G.711. Рекомендация, утверждённая МККТТ в 1984 г., описывает кодек, использующий ИКМ преобразование аналогового сигнала с точностью 8 бит, тактовой частотой 8 Кгц и простейшей компрессией амплитуды сигнала. Скорость потока данных на выходе преобразователя составляет 64 Кбит/с (8 Бит ´ 8 КГц). Для снижения шума квантования и улучшения преобразования сигналов с небольшой амплитудой, при кодировании используется нелинейное квантование по уровню согласно специальному псевдо — логарифмическому закону A или m – Law.

G.723.1. Рекомендация G.723.1 описывает гибридные кодеки, использующие технологию кодирования речевой информации, сокращённо называемую – MP-MLQ (Multy-Pulse – Multy Level Quantization – Множественная Импульсная, Многоуровневая Квантизация), данные кодеки можно охарактеризовать, как комбинацию АЦП/ЦАП и вокодера. Использование вокодера дает возможность снизить скорость передачи данных в канале, что принципиально важно для эффективного использования как радиотракта, так и IP-канала. Основной принцип работы вокодера – синтез исходного речевого сигнала посредством адаптивной замены его гармонических составляющих соответствующим набором частотных фонем и согласованными шумовыми коэффициентами. Кодек G.723 осуществляет преобразование аналогового сигнала в поток данных со скоростью 64 Кбит/с (ИКМ), а затем при помощи многополосного цифрового фильтра/вокодера выделяет частотные фонемы, анализирует их и передаёт по IP-каналу информацию только о текущем состоянии фонем в речевом сигнале. Данный алгоритм преобразования позволяет снизить скорость кодированной информации до 5,3 – 6,3 Кбит/с без видимого ухудшения качества речи. Данный кодек имеет две скорости и два варианта кодирования: 6,3 Кбит/с с алгоритмом MP-MLQ и 5,3 Кбит/с с алгоритмом CELP.

---

Гибридные кодеки G.729. Данное семейство включает кодеки G.729, G.729 Annex А, G.729 Annex B). Кодеки G.729 сокращенно называют CS-ACELP Conjugate Structure – Algebraic Code Excited Linear Prediction – Сопряжённая структура с управляемым алгебраическим кодом линейным предсказанием. Процесс преобразования использует 21,5 MIPS и вносит задержку 15 мс. Скорость кодированного речевого сигнала составляет 8 Кбит/с.

G.726. Рекомендация G.726 описывает технологию кодирования с использованием Адаптивной Дифференциальной Импульсно-Кодовой Модуляции (АДИКМ) со скоростями: 32 Кбит/с, 24 Kбит/с, 16 Kбит/с. Процесс преобразования не вносит существенной задержки и требует от DSP 5,5 – 6,4 MIPS. Кодек может применяться совместно с кодеком G.711 для снижения скорости кодирования последнего. Кодек предназначен для использования в системах видеоконференций.

G.728. Гибридный кодек, описанный в рекомендации G.728 в 1992 г, относится к категории LD-CELP – Low Delay – Code Excited Linear Prediction – Кодек с управляемым кодом линейным предсказанием и малой задержкой. Кодек обеспечивает скорость преобразования 16 Кбит/с, вносит задержку при кодировании от 3 до 5 мс и предназначен для использования в системах видеоконференций.

Характеристики кодеков семейства Н.323 представлены в таблице 1.1.
Таблица 1.1 – Характеристики VoIP кодеков

Кодек	Тип кодека	Скорость кодирования	Задержка при кодировании
G.711	ИКМ	64 Кбит/с	0,75 мс
G.726	АДИКМ	32 Кбит/с	1 мс
G.728	LD – CELP	16 Кбит/с	От 3 до 5 мс
G.729	CS – ACELP	8 Кбит/с	10 мс
G.726 а	CS – ACELP	8 Кбит/с	10 мс
G.723.1	MP – MLQ	6,3 Кбит/с	30 мс
G.723.1	ACELP	5,3 Кбит/с	30 мс

Требования, предъявляемые к классам качества услуг VoIP представлены в таблице 1.2.
Таблица 1.2 — Требования, предъявляемые к классам качества услуг VoIP

Класс качеств услуги передачи речи		Высший		Высокий		Средний		Низший
Качество голоса в одном направлении		Не хуже, чем по G.711		Не хуже, чем по G.726 для V=32 Кбит/с		Не хуже, чем по GSM-FR		-
Сквозная задержка		<150 мс		<250 мс		<450 мс		>450 мс
Время установления соединения	Прямая IP-адресация		<1,5 сек		<4 сек		<7 сек
	Перевод E.164 в IP-адрес		<2 сек		<5 сек		<10 сек
	Перевод E.164 в IP-адрес через расчётную организацию		<3 сек		<6 сек		<15 сек
	Перевод e-mail в IP-адрес		<4 сек		<13 сек		<25 сек
Коэффициент потерь пакетов IP		0%		3%		15%		25%
Пиковое дрожание фазы (джиттер)		0 мс		75 мс		125 мс

---

В IPTV могут использоваться следующие кодеки [12]:

MPEG 1. Использует полное кодирование, требует высокоскоростных каналов;

MPEG 2. Использует двунаправленное предсказание, кодирует полностью кадр;

MPEG 4. Использует раздельное кодирование для разных типов видеоинформации;

MPEG 7. Представляет собой медиа-интерфейс для описания содержимого, стандартизирует элементы, ориентированные на поддержку мультимедиа.

Все форматы сжатия семейства MPEG (MPEG 1, MPEG 2, MPEG 4, MPEG 7) используют высокую избыточность информации в изображениях, разделенных малым интервалом времени.

Для того чтобы привести все нежелательные факторы, возникающие при передачи речи по сетям с пакетной коммутацией, в соответствие с допустимыми нормами необходимо придерживаться ряда мер по обеспечению гарантированного качества услуг (Quality of Service, QoS).

Качество обслуживания определяется как мера производительности передающей системы, отражающая качество передачи и доступность услуг. Доступность услуг является важнейшим элементом QoS. Для успешного внедрения QoS необходимо обеспечить максимально высокую доступность сетевой инфраструктуры. Качество передачи сети определяется следующими факторами:

1. Доступность. Диапазон времени сетевой достижимости между входной и выходной точкой сети – это сетевая доступность. Доступность сервиса – это диапазон времени, в течение которого этот сервис доступен между определенными входной и выходной точками с параметрами, оговоренными в соглашении об уровне обслуживании (SLA).

2. Потери – это отношение правильно принятых пакетов к общему количеству пакетов, которые были переданы по сети. Потери выражаются в процентах отброшенных пакетов, которые не были доставлены по назначению. Обычно, потери – это функция от доступности. Если сеть не загружена, то потери (во время отсутствия перегрузок) будут равны нулю. Во время перегрузок, однако, механизмы QoS будут определять, какие пакеты могут быть сброшены.

3. Задержка – это время, которое требуется пакету для того, чтобы после передачи дойти до пункта назначения. В случае голоса, эта задержка определяется как время прохождения сигнала от говорящего к слушающему.

4. Колебания задержки (jitter) – это разница между сквозным временем задержки, которая возникает при передаче по сети разных пакетов. Так, например, если для передачи одного пакета по сети требуется 100 мсек, а для передачи следующего пакета - 125 мсек, то колебание задержки составит 25 мсек.

---

Пропускная способность – это доступная пользователю полоса пропускания между двумя точками присутствия оператора [13].

Качество обслуживания (QoS) исключительно важно при оценивании архитектуры IPTV, поскольку передача видео по IP довольна чувствительна к потере пакетов. ТВ-приставки имеют ограниченную функциональность для борьбы с потерями видеокадров, однако многие из ТВ-приставок (STB) дают возможность избежать видимых артефактов из-за перерыва в сети за счет схем прямого исправления ошибок, скрывающих отсутствующую информацию, или путем повторной передачи недостающей информации. Оба этих метода технически достаточно сложны.

В сетях на базе IP высокое качество обслуживания трафика, чувствительного к задержкам передачи не обеспечивается по умолчанию. При применении протокола TCP имеется гарантия достоверной доставки информации, но ее перенос может осуществляться с непредсказуемыми задержками. Для UDP характерна минимизация задержек, но гарантия верной доставки пакета отсутствует.

Чтобы улучшить качество связи можно применять следующие механизмы: перемаршрутизация (при перегрузке одного из каналов связи дает возможность осуществить доставку при помощи резервных маршрутов; резервирование ресурсов канала связи на время соединения; и приоретизация трафика (позволяет помечать пакеты в соответствии с уровнем их важности и производить обслуживание на основе меток).

Голосовой трафик очень чувствителен к задержкам передачи. Максимальное время задержки не должно превышать 400 мс.

Различают два основных типа задержек:

1. Задержка при кодировании информации в голосовых шлюзах или терминальном оборудовании. Уменьшается за счет улучшения алгоритмов обработки и преобразования голоса.

2. Задержка, вносимая сетью передачи. Уменьшается за счет улучшения сетевой инфраструктуры, в частности, сокращением количества маршрутизаторов и использованием высокоскоростных каналов.

Нормы для характеристик сетей IP с распределением по классам качества обслуживания представлены в таблице 1.3.
Таблица 1.3 – Нормы для характеристик сетей IP с распределением по классам качества обслуживания

Сетевые характеристики	Классы QoS
	0	1	2	3	4	5
Задержка доставки пакета IP, IPTD	100мс	400 мс	100 мс	400 мс	1 с	Н
Вариация задержки пакета IP, IPDV	50 мс	50 мс	Н	Н	Н	Н
Коэффициент потери пакетов IP, IPLR	1х10-3	1х10-3	1х10-3	1х10-3	1х10-3	Н
Коэффициент ошибок пакетов IP, IPER	1х10-4	1х10-4	1х10-4	1х10-4	1х10-4	Н

---

Качество восприятия (англ. QualityofExperience, QoE) – это субъективная оценка восприятия клиентом таких сервисов, как: телефонные звонки; веб-серфинг; телевизионное вещание; обращения в Call-центр [14]

Системы контроля QoE стараются измерить показатели, которые клиент воспринимает непосредственно как параметр качества. Такая система рассматривает предложение поставщика с точки зрения заказчика или конечного пользователя. Поставщик может полностью выполнять формальные условия контракта. Несмотря на то, что достигнут высокий рейтинг QoS, пользователи могут быть очень недовольны, тем самым отмечая низкое QoE. С иной стороны, пользователи могут быть весьма удовлетворены продуктом или поставщиком, в результате чего QoE искусственно завышается.

Показатели качества услуг представлены в таблице 1.4, а требования к видеокодекам – в таблице 1.5.
Таблица 1.4 – Показатели качества услуг

Показатели качества	Описание
Пропускная способность (Bandwidth)	Пропускная способность канала равна количеству информации, которое может передаваться по нему в единицу времени.
Задержка доставки пакета IP	Задержка доставки пакета IP – это абсолютная задержка между вводом пакета в сеть и выводом пакета из сети
Колебания задержки (Джиттер – Jitter)	Колебания задержки (или джиттер) определяется как разность времени доставки соседних речевых пакетов IP.
Потеря пакетов (BER, PER,…)	BER (от англ. Bit Error Rate) – это вероятность появления битовых ошибок, а PER (от англ. Packet Error Rate) – это вероятность появления пакетных ошибок.
Надежность	Надежность оценивается коэффициентом готовности.

Таблица 1.5 – Требования, предъявляемые к основным видео-кодекам

Скорость передачи данных (Мбит/с)	Джиттер	Максимальная длительность одиночной ошибки	Соответствующий период потерь в IP пакетах	Количество ошибок в час	Уровень потерь
QoS для H.262 в SDTV (стандартное качество)
3,0	<50 мс	<=16мс	<6	<=1	<=5.85E-06
3,75	<50 мс	<=16мс	<7	<=1	<=5.46E-06
5,0	<50 мс	<=16мс	<9	<=1	<=5.26E-06
QoS для H.264 в SDTV (стандартное качество)
1,75	<50 мс	<=16мс	<4	<=1	<=6.68E-06
2,0	<50 мс	<=16мс	<5	<=1	<=7.31E-06
2,5	<50 мс	<=16мс	<5	<=1	<=5.85E-06
3,0	<50 мс	<=16мс	<6	<=1	<=5.85E-06

---