Проектирование сети провайдера IP-услуг

MPEG-4 является стандартом, ориентированным  на клиент-серверные системы доставки  интерактивного мультимедиа по  сети. Аудиовизуальные сцены в  нем рассматриваются как объекты,  которые мультиплексируются в  единый поток наряду с дополнительным  описанием сцен. Это дает возможность  конечному пользователю при воспроизведении  самому управлять процессом презентации.  В некоторых отношениях (в частности,  по качеству видео) он является  шагом назад по сравнению с  MPEG-2, однако при том же bitrate, что и Н.261, он обеспечивает существенно (на 30-40%) более высокое качество. Для разрешения 4CIF (Full) средний информационный поток составляет около 1 Мбит/с (лучше, чем у MPEG-2 и Wavelet).

MPEG-7 — стандарт Международной Организацией  по стандартизации/МЭС, разработанный  Moving Picture Experts Group (MPEG). MPEG-7, формально называется Multimedia Content Description Interface — интерфейс описания мультимедийного содержимого, и предназначен для описания мультимедийных данных. В отличие от предыдущих MPEG стандартов, предназначенных для кодирования, MPEG-7 стандартизирует некоторые элементы которые должны поддерживаться как можно большим количеством приложений.

Общий недостаток методов компрессии семейства MPEG заключается в том, что они практически перестают  работать при мультиплексировании  видеосигналов, когда могут возникать  задержки между отдельными видеокадрами до 100-200 мс и более, а при интервале  между кадрами более 475 мс появляется противоречие со стандартом MPEG-2 System, которое может привести к невозможности воспроизведения записей некоторыми декодерами. Второй существенный недостаток методов компрессии семейства MPEG - синтетичность "неопорных" видеокадров, что делает их абсолютно непригодными для систем, где требуется последующий криминалистический анализ видеорядов.

 

1.3 Требования различных типов приложений  к качеству обслуживания

 

На  качество услуги в IP-терминалах влияет множество факторов:

• тип выбранного кодека;
• реакция кодека на снижение качества в сети доставки информации;
• характеристики акустического интерфейса;
• задержки обработки сигналов;
• задержки обработки вызовов;
• число речевых кадров, переносимых одним пакетом;
• задержки обработки, связанные с обеспечением безопасности;
• реализация буферов, используемых для минимизации дрожания фазы;
• задержки на пути цифровой или аналоговой среды распространения;
• показатели работы акустических устройств подавления эхо-сигнала.

На  качество услуг IP-телефонии влияют следующие показатели качества доставки информации в магистральной IP-сети:

• задержка маршрутизации;
• потери пакетов при перегрузке;
• джиттер задержки.

Качество  услуг IP-телефонии может быть соотнесено с одним из четырех классов (таблица 3):

• отличное (Excellent), когда полученное качество сравнимо с качеством услуги PSTN;
• хорошее (Good), к которому относится услуга с потенциальной возможностью предоставления качества, сравнимого с качеством услуги PSTN, но при наличии задержек может достигаться путем оптимизации использования полосы пропускания;
• среднее (Fain), сравнимое с качеством услуг беспроводной связи, например, в сетях подвижной связи стандарта GSM, и может быть реализовано в IP-сетях, не подверженных перегрузкам;
• недостаточное (Poor), при котором обеспечивается “приемлемое” взаимодействие пользователей, но со значительно ухудшенным качеством речи при отсутствии верхней границы на сквозные задержки.

При разделении качества услуг IP-телефонии на классы учитывается  пять показателей (таблица 4):

• сквозное качество голоса в одном направлении;
• сквозная задержка;
• время установления соединения;
• коэффициент потерь пакетов IP;
• джиттер (jitter) задержки [5].

Параметры доставки пакетов IP. Сеанс связи  состоит из трех фаз – установления соединения, передачи информации и  разъединения соединения. Спецификацию рабочих характеристик и параметров QoS для двух других фаз (установление и разъединение соединения) планируется провести в дальнейшем.

Рекомендация ITU-T Y.1540 определяет следующие параметры, характеризующие доставку IP-пакетов.

 

Таблица 3 - Показатели качества доставки пакетов с речевой информацией службой с коммутацией пакетов

Показатель	Уровни качества услуги
	отличный (еxcellent)	хороший (good)	средний (fain)	недостаточный (poor)
Время установления соединения, с	0-1	1-3	3-5	Более 5
Время доставки пакета, мс	0-150	150-250	250-400	Более 400

 

Таблица 4 – Классы качества услуг IP-телефонии

Показатели		Класс качеств услуги передачи речи
		excellent	good	fain	poor
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 GSM-FR	–
Сквозная задержка		< 150 мс	< 250 мс	< 400 мс	> 0,4 с
Время установления соединения	При прямой IP-адресации	< 1.5 сек	< 4 сек	< 7 сек	>7 сек
	Перевод номера абонента с форматом, соответствующим Е.164, в IP-адрес	< 2 с	< 5 с	< 10 с	>10 с
	Перевод номера абонента с форматом, соответствующим Е.164, в IP-адрес через  расчетную организацию	< 3 с	< 6 с	< 15 с	>15 с
	Перевод имени       e-mail в IP-адрес	< 4 с	< 13 с	< 25 с	> 25 с
Коэффициент потерь пакетов IP		0%	3%	15%	25%
Пиковое дрожание фазы (джиттер)		0 мс	75 мс	125 мс	225 мс

 

Задержка доставки пакета IP (IP packet transfer delay, IPTD). Параметр IPTD определяется как время (t2 – t1) между двумя событиями – вводом пакета во входную точку сети в момент t1 и выводом пакета из выходной точки сети в момент t2, где (t2 > t1) и (t2 – t1) <= Tmax.

В общем, параметр IPTD определяется как время  доставки пакета между источником и  получателем для всех пакетов - как  успешно переданных, так и для  пакетов, пораженных ошибками.

Средняя задержка доставки пакета IP – параметр, специфицированный в Рекомендации Y.1540, определяется как средняя арифметическая величина задержек пакетов в выбранном наборе переданных и принятых пакетов. Значение средней задержки зависит от передаваемого в сети трафика и доступных сетевых ресурсов, в частности, от пропускной способности. Рост нагрузки и уменьшение доступных сетевых ресурсов ведут к росту очередей в узлах сети и, как следствие, к увеличению средних задержек доставки пакетов.

Речевая информация и, отчасти, видеоинформация  являются примерами трафика, чувствительного  к задержкам, тогда как приложения данных в основном менее чувствительны  к задержкам. Когда задержка доставки пакета превышает определенные значения Tmax, такие пакеты отбрасываются. В приложениях реального времени (например, в IP-телефонии) это ведет к ухудшению качества речи. Ограничения, связанные со средней задержкой пакетов IP, играют ключевую роль для успешного внедрения технологии Voice over IP (VoIP), видеоконференций и других приложений реального времени. Этот параметр во многом будет определять готовность пользователей принять подобные приложения.

Вариация  задержки пакета IP (IP packet delay variation, IPDV). Параметр v_k характеризует вариацию задержки IPDV. Для IP-пакета с индексом k этот параметр определяется между входной и выходной точками сети в виде разности между абсолютной величиной задержки x_k при доставке пакета с индексом k, и определенной эталонной (или опорной) величиной задержки доставки пакета IP (d_1,2) для тех же сетевых точек: v_k = x_k - d_{1, 2}.

Эталонная задержка доставки пакета IP (d_1,2) между источником и получателем определяется как абсолютное значение задержки доставки первого пакета IP между данными сетевыми точками. Вариация задержки пакета IP, или джиттер, проявляется в том, что последовательные пакеты прибывают к получателю в нерегулярные моменты времени. В системах IP-телефонии это, к примеру, ведет к искажениям звука и в результате речь становится неразборчивой.

Коэффициент потери пакетов IP (IP packet loss ratio, IPLR). Коэффициент IPLR определяется как отношение суммарного числа потерянных пакетов к общему числу принятых пакетов в выбранном наборе переданных и принятых пакетов. Потери пакетов в сетях IP возникают в том случае, когда значение задержек при передаче пакетов превышает нормированное значение, определенное выше как T_max. Если пакеты теряются, то при передаче данных возможна их повторная передача по запросу принимающей стороны. В системах VoIP пакеты, пришедшие к получателю с задержкой, превышающей T_max, отбрасываются, что ведет к провалам в принимаемой речи. Среди причин, вызывающих потери пакетов необходимо отметить рост очередей в узлах сети, возникающих при перегрузках.

Коэффициент ошибок пакетов IP (IP packet error ratio, IPER). Коэффициент IPER определяется как суммарное число пакетов, принятых с ошибками, к сумме успешно принятых пакетов и пакетов, принятых с ошибками.

Рекомендация Y.1540 определяет численные значения параметров, специфицированных в  Рекомендации Y.1540, которые должны выполняться  в сетях IP на международных трактах, соединяющих терминалы пользователей. Нормы на параметры разделены  по различным классам QoS, которые определены в зависимости от приложений и сетевых механизмов, применяемых для обеспечения гарантированного качества обслуживания. В таблице 5 представлены нормы на определенные выше сетевые характеристики.

Значения  параметров, приведенные в таблице, представляют собой, соответственно, верхние  границы для средних задержек, джиттера, потерь и ошибок пакетов. В Рекомендации Y.1541 представлены спецификации набора параметров, связанных с измерением реальных значений сетевых характеристик – периода наблюдений, длины тестовых пакетов, числа пакетов и т.д. В частности, при оценке качества передачи пакетов речи в IP-телефонии минимальный интервал наблюдения должен быть порядка 1 – 20 секунд при типичной скорости передачи 50 пакетов/с. Рекомендуемый интервал измерений для задержки, джиттера и потерь должен составлять не менее 60 секунд.

Рекомендация Y.1541 устанавливает соответствие между  классами качества обслуживания и приложениями:

• Класс 0 – Приложения реального времени, чувствительные к джиттеру, характеризуемые высоким уровнем интерактивности (VoIP, видеоконференции);
• Класс 1 - Приложения реального времени, чувствительные к джиттеру, интерактивные (VoIP, видеоконференции);

 

 

Таблица 5 – 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	100 мс	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	H
Коэффициент ошибок пакетов IP, IPER	1х10-4	1х10-4	1х10-4	1х10-4	1х10-4	H
Примечание – Н - не нормировано

 

• Класс 2 – Транзакции данных, характеризуемые высоким уровнем интерактивности (например, сигнализация);
• Класс 3 - Транзакции данных, интерактивные
• Класс 4 – Приложения, допускающие низкий уровень потерь (короткие транзакции, массивы данных, потоковое видео);
• Класс 5 – Традиционные применения сетей IP [6].