Методы оценки качества передачи речевых пакетов при исследовании надежности сети NGN

В статье рассмотрены различные методы оценки качества передачи речевых пакетов, которые используются при исследовании надежности сети NGN. Данные методы позволят правильно оценить основные параметры качества работы сети NGN. Получены временные характеристики влияния задержки на качество речи, а также зависимости качества речи от потери пакетов и типов используемых кодеков.

Ключевые слова:NGN (NextGenerationNetwork), IP-трафик, речевой пакет, джиттер. субъективный метод общего мнения, автоматический метод измерения качества передачи речи, метод “рассчитываемого планируемого параметра ухудшения”.

Введение

Разнородность трафика в сетях NGN (Next Generation Network) ставит вопрос о дифференциальном подходе к обеспечению различных приложений сетевыми ресурсами. Так, при передаче данных, как правило, задержка передачи и ее вариация не являются критичными, чего нельзя сказать о достоверности передачи. В случае передачи голоса наиболее важны характеристики задержки (и в первую очередь ее вариация) и в меньшей степени достоверность. Традиционно IP-трафик передается по методу “best effort” — “с максимальными усилиями ”. Сеть старается обработать поступающий трафик как можно быстрее, но при этом никаких гарантий относительно результата своих усилий не дает. Не гарантируется ни проверка сети NGN обеспечить поток данных сетевыми ресурсами, ни приоритезация. Другими словами, безотносительно к какому типу трафика относятся информационные пакеты (голос, видео, FTP и т. д.), они обрабатываются по принципу “первый пришел- первый получил обслуживание”. Очевидно, что эта модель не подходит для передачи трафика со специфическими требования к задержке, производительности или надежности передачи данных. Для перехода к новым приложениям на сетях с коммутацией пакетов нужен свой механизм обеспечения качества передачи. В такой структуре сети NGN речевые пакеты должны отличаться от пакетов данных и это отличие должно фиксироваться узлами сети [1].

Хотя причины обеспечения качества услуг в сетях NGN взаимосвязаны, можно выделить четыре основные составляющие, значения которых можно определить независимо. Эти параметры в настоящее время могут контролироваться оборудованием сетей NGN, и они чаще всего включаются в соглашения провайдера услуг с клиентом о заданном уровне качества SLA (Service Level Agreement). В этом договоре сервис-провайдер и потребитель определяют: — параметры качества обслуживания трафика, которые интересуют потребителя и которые согласен поддерживать провайдер — например, средняя пропускная способность, максимальные задержки и вариации задержек, максимальная интенсивность потерь данных, коэффициент готовности сервиса, максимальное время восстановления сервиса после отказа, — методы измерения этих параметров; -определение платы за обслуживание. Система оплаты может быть достаточно сложной, особенно если соглашение предусматривает несколько уровней качества обслуживания, которые оплачиваются по разным тарифам; -санкции за нарушение обязательств провайдера по обеспечению надлежащего качества обслуживания, а также за отклонение параметров трафика пользователя от оговоренных значений. Эти санкции могут выражаться в виде штрафов, либо в иной форме, например, в форме предоставления сервиса в течении некоторого времени бесплатно или по пониженному тарифу; — как и любой договор, соглашение SLA по взаимному согласию провайдера и клиента может включать большое количество различных дополнительных статей. Например, статью, оговаривающую условия перехода к более качественному обслуживанию или обслуживанию с разным уровнем качества в зависимости от дня недели или времени суток; -соглашение может включать также правила “кондиционирования” пользовательского трафика, то есть обработки трафика, который выходит за оговоренные пределы. Также правила “кондиционирования” могут определять условия отбрасывания или маркировки пакетов-нарушителей (помеченные пакеты будут отбрасываться сетью не всегда, а только в том случае, когда сетевые устройства испытывают перегрузки) [2]. Многие сервис-провайдеры предлагают своим клиентам типовые контракты SLA. Типовые контракты облегчают жизнь сервис-провайдерам, так как для их реализации можно обойтись без средств гарантированного поддержания качества обслуживания. Требуется только поддерживать примерно постоянный Уровень запаса пропускной способности и предлагать в SLA те значения параметров QoS, которые демонстрирует работающая сеть. Для предоставления различным пользователям индивидуального уровня качества обслуживания такой подход не работает, и в этом случае требуется реализовать в сети различные механизмы управления QoS, такие как RSVP, DiffServ.

Параметры качества работы NGN сети:

1.      Задержка речевых пакетов

Задержка (delay) является неотъемлемой чертой любой сети передачи данных с пакетной коммутацией. Сети с коммутацией пакетов были созданы для передачи данных, и возможность их использования для передачи голосового или факсимильного трафика в реальном времени, по аналогии с традиционной телефонией, в значительной степени зависит от вносимой задержки. Здесь под задержкой понимается промежуток времени, за который пакет пересекает сеть NGN от отправителя до получателя. Экспериментально установлены следующие градации численных величин задержек: 1-й уровень — до 200 мс — отличное качество связи. Для сравнения, в сети ТФОП допустимы задержки до 150–200 мс. 2- й уровень — до 400 мс — считается хорошим качеством связи. Но если сравнивать с качеством связи по сетям ТФОП, разница будет видна. Если задержки постоянно удерживаются на верхней границе 2-го уровня (на 400 мс.), то не рекомендуется использовать эту связь для деловых переговоров. 3-й уровень — до 700 мс — считается приемлемым качеством связи для ведения неделовых переговоров. Такое качество связи возможно также при передаче пакетов по спутниковой связи. Основные средства для минимизации задержки — использование в сети высокопроизводительных голосовых коммутаторов и приоритезация голосового трафика над трафиком данных [3].

2.      Джиттер задержки пакетов

Джиттер или вариация задержки — это различие во времени прохождения в сети последовательных пакетов одного соединения. Чем больше джиттер, тем сильнее будет отличаться задержка при передаче одного пакета от задержки при прохождении другого. Джиттер возникает в сети из-за очередей и маршрутизации пакетов одного сегмента речи по разным путям. При сборке пакетов на приемном конце их последовательность может быть нарушена. Джиттер приводит к специфическим нарушениям передачи речи, слышимым как трески или щелчки. Джиттер подавляют путем включения в приемную часть шлюза буфера статической или динамической памяти, который восстанавливает исходную последовательность пакетов. Пакеты, джиттер которых превышает время их “удержания” в буферной памяти, не воспринимаются приемным устройством. Таким образом, буфер подавляет джиттер ценой увеличения, как общего времени удержания, так и потери пакетов; регулировка времени удержания (размера буфера) представляет собой компромисс между ними. По разным данным и в зависимости от типа кодека не воспринимается джиттер не более 15–50 мс.

3.      Потери речевых пакетов

Поскольку голосовые пакеты не повторяются, при их потере (или искажении) в сети на приемной стороне возникает короткая пауза в речи. Частые потери голосовых пакетов, вызванные плохим качеством каналов связи, могут привести к ухудшению разборчивости речи, а иногда и к полной невозможности общения. Искажения от потери пакетов также зависят от применяемых в шлюзах типов кодеков. Качество речи при использовании кодеков типа G.729 и G.723.1 в большей степени зависит от потери пакетов, по сравнению с высокоскоростными кодеками типа G.711. Приближенно можно считать, что при IP-телефонии хорошего качества допустимый уровень потерь пакетов должен составлять 1–3 %, причем меньшая величина относится к низкоскоростным кодекам, а большая — к высокоскоростным. Измерение указанных выше параметров производится на определенном интервале времени. Чем меньше этот временной интервал, тем более жесткие требования предъявляются к сети, а, следовательно, ко всем ее элементам, поскольку обеспечение QoS “из конца в конец” требует взаимодействия всех узлов на пути трафика и определяется надежностью, функциональностью и производительностью самого “слабого звена”.

4.      Готовность сети

Под готовностью сети (service availability) понимается надежность соединения пользователя с информационным сервисом. Применительно к сети IP-телефонии это означает надежность установления телефонного соединения между двумя абонентами. Телефонные сети общего пользования имеют подтвержденную десятилетиями репутацию исключительно надежной инфраструктуры. Их коэффициент готовности составляет 99,999 % или 5 минут отказа в год. В то же время сеть интернет со всей ее непредсказуемостью обладает низкой степенью надежности. Надежность в сетях IP-телефонии должна обеспечиваться аппаратными, программными и сетевыми средствами.

Если в сети IP-телефонии используется технология динамической маршрутизации, для обхода могут использоваться даже каналы ТФОП. Современные шлюзы IP-телефонии имеют достаточно высокие показатели надежности. Коэффициент готовности с учетом резервирования составляет 99,999 %, среднее время между повреждениями (MTBF) — не менее 80–100 тысяч часов.

5.      Эхо

Также нельзя не сказать о влиянии эха на качество разговора. Феномен эха вызывает затруднения при разговоре и у говорящего, и у слушающего. Говорящий слышит с задержкой свой собственный голос. Если сигнал отражается дважды, то слушающий дважды слышит речь говорящего (второй раз — с ослаблением и задержкой). Эхо может иметь электрическую и акустическую природу. Отражения в дифсистеме является неотъемлемым свойством ТФОП. Поэтому они проявляются при взаимодействии ТФОП и NGN сетей. С целью экономии кабеля в ТФОП для подключения абонентских терминалов с давних пор используются двухпроводные линии, по которым речевые сигналы передаются в обоих направлениях. Для разделения сигналов разных в терминалах абонентов и на АТС применяются простые мостовые схемы, называемые дифсистемами (hybrid). Работа этих мостовых схем основывается на согласовании импедансов в плечах моста, одним из плеч которого является двухпроводная абонентская линия. Так как абонентские линии могут очень сильно различаться по своим параметрам (длине, диаметру жил кабеля), то достичь точного согласования невозможно. Вместо этого администрация связи вынуждена ориентироваться на некоторую среднюю величину импеданса для всех абонентских линий своей национальной сети. Это приводит к тому, что сигналы прямого и обратного направления в большинстве случаев не разделяются полностью, и в дифсистеме возникает частичное отражение сигналов. Если задержка распространения сигнала в сети невелика, такой отраженный сигнал попросту незаметен и не вызывает неприятных ощущений. Если задержка достигает величины 15–20 мс, возникает эффект “огромного пустого помещения”. При дальнейшем увеличении задержки субъективная оценка качества разговора резко ухудшится, вплоть до полной невозможности продолжать разговор. Задержки, свойственный процессам передачи речи по NGN сетям, таковы, что не оставляют выбора и делают механизмы, ограничивающие эффект эха, обязательными в любом оборудовании IP-телефонии. Акустическое эхо возникает при пользовании терминалами громкоговорящей связи, независимо от того, какая технология используется в них для передачи информации. Акустическое эхо может обладать значительной длительностью, а особенным неприятным бывает изменение его характеристик при изменении, например, взаимного расположения терминала и говорящего, или даже других людей в помещении. Эти обстоятельства делают построение устройств эффективного подавления эха очень непростой задачей. Существуют два типа устройств, предназначенных для ограничения вредных эффектов эха: эхозаградители и эхокомпенсаторы. Принцип работы эхозаградителей состоит в отключении канала передачи, когда в канале приема присутствует речевой сигнал. Недостаток такой техники в том, что перебить говорящего становится невозможным, т. е. связь становится полудуплексной. Эхокомпенсатор — это более сложное устройство, которое моделирует эхосигнал для последующего его вычитания из принимаемого сигнала. Эхо моделируется как взвешенная сумма задержанных копий входного сигнала или, иными словами, как свертка входного сигнала с оцененной импульсной характеристикой канала. Оценка импульсной характеристики происходит в тот момент, когда говорит только удаленный корреспондент, для чего используется детектор речевой активности. Эхокомпенсация достигается вычитанием синтезированной копии эхосигнала из сигнала обратного направления. Первые три рассмотренные выше параметра качества работы сети NGN (задержка, джиттер и потери речевых пакетов) непосредственно влияют на качество передачи речевой информации. Эти параметры не характерны для обычных телефонных сетей, поэтому для оценки качества передачи пакетной речи требуются критерии, которые отличаются от тех, которые используются для нормирования аналоговых и цифровых телефонных каналов [4].

Метод MOS-MeanOpinionScore

Ввиду различной природы передачи информации по каналам коммутируемой и NGN сети наиболее надежным способом сравнительной оценки качества передаваемой речи является субъективный метод общего мнения (Mean Option Score-MOS). Оценки MOS рассчитываются после прослушивания группой людей тестируемого тракта передачи речи по пятибалльной шкале. Оценки 3,5 баллов и выше соответствуют стандартному и высокому телефонному качеству, 3,0…3,5-приемлемому, 2,5…3,0- синтезированному звуку. Для передачи речи с хорошим качеством целесообразно ориентироваться на MOS не ниже 3,5 баллов [5].

Метод Quality Rating

Другим субъективным методом оценки является использование единиц рейтинга R (Quality Rating) по сто балльной шкале.

Таблица 1

Метод оценки качества на основе использования единиц рейтинга R

Единицы MOS связаны с R сложной нелинейной зависимостью. Высшему качеству R =100 соответствует MOS = 4,5. На практике для быстрого пересчета в наиболее важном диапазоне 2,5< MOS < 4,4 удобна простая линейная аппроксимация: MOS=R/20. Ее погрешность менее 5 %, что вполне допустимо, учитывая разбросы при субъективной оценке. Таким образом, для соединения хорошего качества желательно ограничиться первыми тремя категориями, т. е. обеспечить R>70 или MOS>3,5. Недостатками указанных способов измерения качества передачи речи являются их субъективизм и неэффективность.

МетодPSQM-Perceptual Speech Quality Measurement

Кроме субъективных методов имеется также автоматический метод измерения качества передачи речи, названный PSQM (Perceptual Speech Quality Measurement). Этот метод основан на сравнении эталонного речевого сигнала и сигнала, поступающего из кодека или IP-сети. Метод PSQM может быть использован для сравнительной оценки качества работы различных речевых кодеков или сетей.

МетодICPIF-Calculated Planning Impairment Factor

Наиболее удобным для оценки качества работы реальных сетей IP- телефонии является метод “рассчитываемого планируемого параметра ухудшения” ICPIF (Calculated Planning Impairment Factor). Основная идея метода состоит в расчете величин различных параметров ухудшения качества передачи речи на каждом участке соединения в сети связи и сложения этих величин для получения общего параметра. Существуют различные факторы ухудшения качества передачи речи в сетях NGN (шум, задержка, эхо и т. д.).

Величина общего параметра ухудшения Itot определяется по формуле:

Itot= Io + Iq+ Idte+ Idd + Ie,

где Io- параметр ухудшения качества, обусловленный неоптимальным уровнем

громкости и/или высоким шумом в канале;

Iq-параметр ухудшения качества, обусловленный шумами квантования в ИКМ;

Idte- параметр ухудшения качества, обусловленный акустическим эхо;

Idd- параметр ухудшения качества, обусловленный передачей речи на большое

расстояние (задержки);

Ie- параметр ухудшения качества, обусловленный специальными устройствами,

в частности низкочастотными кодеками.

Зависимость величины параметра Idd от задержки передачи речевого сигнала в сети приведены в рекомендации G.113 (таблице 2).

Таблица 2

Зависимость параметраIddот задержки речевого сигнала в сети NGN

Параметр Ie используется для оценки качества работы сложных устройств обработки речевых сигналов, например низкочастотных кодеков. В рекомендации G.113 каждый тип кодека характеризуется специфическим параметром Кi для оценки ухудшения качества передачи речи. Когда в соединении IP-телефонии используется несколько различных кодеков, то общая величина параметра ухудшения определяется суммированием индивидуальных значений параметра Кi для каждого кодека. В таблице 3 приведены величины параметра Ki для некоторых наиболее распространенных кодеков, часть из которых применяется в IP-телефонии.

Таблица 3

Параметр Kiоценки ухудшения качества передачи речи для некоторых кодеков

Кодеки и оценка качества кодеков

Речевая информация более критична к продолжительным задержкам, чем данные. Следовательно, рассматривая возможность реализации IP-телефонии, необходимо оценить параметры задержки и потери пакетов информации на всей протяженности сети NGN. При этом приемлемость или неприемлемость результатов такой оценки, будет зависеть от того, какое качество передачи речи необходимо, и какие ресурсы полосы пропускания на это требуются. Существуют также жесткие требования к типу кодека и к значениям задержки и потери пакетов при их прохождении из конца в конец.

Таблица 4

Сравнение кодеков

В таблице представлены типы кодеков и их параметры. Также представлен параметр MOS (Mean Opinion Score), который определяет среднюю оценку качества голоса, полученную экспертным путем. На рис.1 показана зависимость субъективной оценки качества речи при R>50 от задержки сигнала. Верхняя кривая дает оценку при задержке без использования кодека, а две другие — соответственно при дополнительном включении между абонентами кодеков G.711(64Кбит/с) и G.723.1 (6,3 Кбит/с).

Рис. 1. Влияние задержки на качество речи

Не изображенные на графике кривые для всех других указанных выше кодеков, в том числе кодеков G.726 и G.728, располагались бы между двумя последними. Следовательно, в зависимости от используемых кодеков и без учета других факторов, качество с рейтингом R> 70 достижимо в случае, если задержка будет не более 200–350 мс. Эта оценка справедлива в предположении «нулевых прочих условий», т. е. отсутствия потери пакетов и джиттера. Искажения от потери пакетов также зависят от применяемых в шлюзах типов кодеков. Как ясно из физических принципов, качество речи при использовании низкоскоростных кодеков должно в большей степени зависеть от потери пакетов, по сравнению с высокоскоростными типа. На графике рис.2 кривые показывают, при каком % потери пакетов качество речи понижается до величин R = 70 и R =80, соответствующих нижним границам 3-ей и 2-ой категориям качества табл.3. Эти оценки также предполагают «нулевые условия», т. е. отсутствие задержки и джиттера.

Рис. 2. Зависимость качества речи от потери пакетов и типов кодеков

Более сложные случаи, когда факторы задержки и потери пакетов действуют одновременно, исследованы только выборочно. На рис.3 показано действие этих факторов на используемые у провайдеров IP-телефонии кодеки. Две верхние кривые кодеков без потерь приведены для сравнения. Кривые для кодеков G.729 с 2 % и G.723.1 (6,3 Кбит/с) с 1 % потерь пакетов практически совпадают. Как видно из графиков, при потерях 1–2 % пакетов и задержках более 150 мс качество речи в IP канале падает ниже порога R = 70.

Рис. 3. Зависимость качества речи от суммарного действия задержки и потери пакетов на кодеки G.729 и G.723.1(6,3 кбит/с). VAD, Voice Activity Detection — устройство детектирования (обнаружения) речи, включение которого несколько понижает качество речи.

Полученные характеристики показывают зависимость использования различных кодеков в оборудовании NGN сети и их влияние на передачу речевой информации. При исследовании надежности сети NGN использование метода “рассчитываемого планируемого параметра ухудшения” ICPIF (Calculated Planning Impairment Factor) позволяет получить общей параметр ухудшения качества передачи речи на каждом участке соединения в сети связи. В дальнейшем по полученному параметру мы можем рассчитать коэффициент готовности для определенного участка сети NGN.

Заключение

При проектировании и построении сети NGN необходимо учитывать не только эффективное расположение оборудования, но и тип передаваемой по этой сети информации. Так как сеть используется не только для передачи речевой информации, но и для передачи данных. Важно учитывать характер взаимодействия различных узлов NGN сети и обеспечивать минимальные задержки и минимальный уровень потерь. Можно сказать, что полная временная задержка речевого трафика делиться на две основные части: задержки на кодирование и декодирование на шлюзах, и задержки вносимые самой сетью. Уменьшить общую задержку можно двумя путями, во-первых, спроектировать инфраструктуру сети таким образом, чтобы задержка в ней была минимальной, а, во-вторых, уменьшить время обработки данных в речевом шлюзе. Для уменьшения задержки в сети NGN нужно сокращать число транзитных участков между маршрутизаторами, а в наиболее важных местах сети использовать высокоскоростные каналы. А для уменьшения разброса задержек можно использовать эффективные методы управления трафиком, например механизмы резервирования, которые непосредственно влияют на надежность сети в целом. Выделенные сети IP-телефонии обычно используются для междугородной и международной связи. Такие сети лучше строить по принципу многоуровневой иерархической сети, где на каждый уровень возлагаются свои определенные функции. На входе в сеть NGN главное обеспечить подключение речевых шлюзов, а внутри сети — высокоскоростную пересылку трафика.

Литература:

1.                          Нетес В. А. Надежность сетей связи в период перехода к NGN. — «Вестник связи», № 9,2007.

2.                          Вегешна Ш. Качество обслуживания в сетях IP. — М.: Вильямс, 2003. — 368с.

3.                          Гольдштейн Б. С. и др. IP-телефония. — М.: Радио и связь, 2001, — 336с.

4.                          Олифер В. Г., Олифер Н. А. Искусство оптимизации трафика. NSI — Newbridge Systems Integration,17.01.2002.

5.                          Назаров А. Н., Сычев К. И.. Модели и методы исследования процессов функционирования и оптимизации построения сетей связи следующего поколения.- «Электросвязь», № 3,2011.-с.43–49.