WWW.KNIGA.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Книги, пособия, учебники, издания, публикации

 

Pages:   || 2 |

«Кафедра Телекоммуникационных систем Специальность Радиотехники, электроники и телекоммуникации Допущен к защите И. о. зав. Кафедрой Шагиахметов Д.Р. __2013г. ...»

-- [ Страница 1 ] --

Некоммерческое акционерное общество

«АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ»

Кафедра «Телекоммуникационных систем»

Специальность «Радиотехники, электроники и

телекоммуникации»

Допущен к защите

И. о. зав. Кафедрой Шагиахметов Д.Р.

«_»_2013г.

МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ

пояснительная записка Тема «Оценка параметров качества IP – телефонии»_ Магистрант _ Байузаков О.Ж.

подпись (Ф.И.О.) Руководитель диссертации проф. Казиева Г.С.

подпись (Ф.И.О.) Рецензент Начальник отдела IP/TV г. Алматы подпись (Ф.И.О.) ГЦУСТ Сугурджанов Нормаконтроль _ Абрамкина О.А.

подпись (Ф.И.О.) Вычислительная техника Темирканова Э.К.

подпись (Ф.И.О.) Алматы, 2013г.

Некоммеческое акционерное общество

«АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ»

Факультет «Радиотехники, электроники и телекоммуникации»_ Специальность «Радиотехники, электроники и связи» Кафедра «Телекоммуникационных систем»_

ЗАДАНИЕ

на выполнение магистерской диссертации Магистранту Байузакову О.Ж. (фамилия, имя, отчество) Тема диссертации «Оценка параметров качества IP - телефонии» утверждена Ученым советом университета №_от «_» Срок сдачи законченной диссертации «_» Цель исследования состоит в оценке критериев качества IP–телефонии путем_ аналитического обзора параметров сети Перечень подлежащих разработке в магистерской диссертации вопросов или краткое содержание магистерской диссертации:

_1. Информационный обзор критериев оценивания качества речи и их приложений_2. Оценка параметров качества в IP телефонии 3.Аналитическое оценка качества восстановления речи в IP- телефонии _3.1 Расчет надежности IP – cети 3.2 Результаты _ Перечень графического материала (с точным указанием обязательных чертежей)Рисунок 1.1– Показатели, влияющие на качество IP–телефонии Рисунок 2.4 – Сравнительные характеристики значений джиттера для разных топологий Рисунок 3.1 – зависимость отношения сигнал/шум от относительного значения шага квантования Рисунок 3.4 – Зависимость МОS от R – фактора Рисунок 3.7 – Графики зависимости основных показателей надежности от времени работы оборудования Рекомендуемая основная литература 1. Голъдштейн Б.С., Птчук А.В., Суховщкий А.Л. IР-Телефония. — М.: Радио и связь, 2001.





2.Карпов А. В. и др. Актуальные вопросы исследования телекоммуникационных систем и ceтeй.//Advances in Electrical and Electronic Engineering. Словакия - Жилина.-2006.-№

ГРАФИК

подготовки магистерской диссертации Наименование разделов, перечень Сроки представления Примечание разрабатываемых вопросов научному руководителю 1 Информационный обзор критериев приложений 3 Экспериментальные исследования 4 Оценка параметров качества в IP 5 Оценка качества IР-телефонии по критерию отношения сигнал/ шум в системах с пакетной коммутацией 06.06. Дата выдачи задания_03.09. И.о. заведующий кафедрой_(Шагиахметов Д.Р.) Руководитель диссертации(проф. Казиева Г.С.) Задание принял к исполнению магистрант _(Байузаков О.Ж.) Неудовлетворительное качество каналов связи и загрузки в сети приводит к частым потерям речевых пакетов, что, как следствие, вызывает ухудшение качества слышимости, а иногда и полную невозможность звукового общения.

Всё равно на на втором конце возможно возникновение недлительных задержек в речи из–за потери речевых пакетов в IP–сетях из–за невозможности передачи. Развитие новых телекоммуникационных технологий и, в частности, IP–телефонии, связано с пакетной передачей речевых данных. Изменение речевых данных, созданное потерей речевых пакетов, зависит от типа кодеков, применяемых в шлюзах IP – телефонии. От потери пакетов качество связи в большей степени зависит при использовании сжатых кодеков по сравнению с несжатыми кодеками. В IP – телефонии отличного качества разрешенный уровень потери речевых пакетов может варьироваться 1–3%, причем меньшее значение относится к сжатым кодекам. Для сравнения качества оценки передаваемой речевых пакетов разработаны различные методы.

Одним из этих способов является MOS (Mean Opinion Score), описывающий усредненный показатель качества и представлении в рекомендациях ITU–T Р.800 и Р.830 [8].

Аналогичным способом оценки является использование единиц рейтинга R (Quality Rating) по сто балльной системе. Международным союзом электросвязи была предложена R– фактор, описанная в рекомендации ITU–T G.107 [9], для расчета рейтинга R. Между MOS и R существует зависимость, представленная в [9].

Стандартным способом является, использующий критерий отношения сигнал/шум (ОСШ) на выходе воспроизводящего устройства и разборчивости.

Существуют разногласия, относительно как расчета показателя R в рекомендациях ITU–T, так и по отношению существенной несогласованности оценок качества пакетной передачи речи, предоставляемых критериями MOS и R – фактором и критериями ОСШ и разборчивости.

Цель работы состоит в оценке критериев качества IP–телефонии путем аналитического обзора параметров сети. Для достижения данной цели в работе необходимо сделать следующее:

– информационный обзор критериев оценивания качества речи;

– сделать экспериментальные исследования путем рассмотрения параметров качества, влияющих на качества IP – телефонии;





– дать аналитическую оценку качества восстановления речи IP – телефонии;

– сопоставить оценки качества IР–телефонии в системах с пакетной коммутацией;

– рассчитать параметры качества при оценке восстановления речи в в IР– телефонии;

– сделать расчет надежности IP – сети.

1 Информационный обзор критериев оценивания качества речи и их приложений 1.1 Аналитический обзор показателей качества IP–телефонии Обычные телефонные сети генерируют электрические сигналы с гарантированной полосой пропускания, достаточной для передачи сигналов голосового спектра. При фиксированной пропускной способности передаваемого сигнала цена единицы времени связи зависит от удаленности и расположения точек вызова и места ответа.

Сети с коммутацией пакетов не обеспечивают гарантированной пропускной способности, так как не обеспечивают гарантированного пути между точками связи.

Для приложений, где роли не играет порядок и интервал прихода пакетов, например, e–mail, время задержек между отдельными пакетами не имеет решающего значения. IP– телефония является одной из областей передачи данных, где важна рост передачи сигнала, которая обеспечивается современными способами кодирования и передачи информации, а также увеличением пропускной способности линков, что приводит к возможности достойной конкуренции IP–телефонии с традиционными телефонными сетями.

Компонентами качества IP–телефонии являются:

– качество речи, включающий;

– диалог – возможность юзера устанавливать связь и беседовать с другим юзером в реальном времени и дуплексном режиме;

– разборчивость – тональность и чистота речи;

– эхо – слышимость собственной речи;

– уровень – громкость речи.

Качество сигнализации, объясняющее:

– соединение вызова – скорость установления соединения и успешного доступа времени;

– завершение вызова – скорость разъединения и время отбоя;

– DTMF – пределение и фиксирование сигналов мультичастотного набора номера.

Явления, которые влияют на качество IP–телефонии, могут быть разделены на два типа:

– показатели качества IP–сети;

– максимальная пропускная способность – максимальное количество избыточных и полезных данных, которая она передает;

– пауза – интервал времени, требуемый для передачи пакета через сеть; джиттер – задержка между последовательными пакетами;

– потеря пакета – пакеты или данные, потерянные при передаче через сеть.

Показатели качества шлюза:

– требуемая полоса пропускания – различные дешифраторам требуются различные полосы пропускания. К примеру, вокодер G.723 требует полосы 16,3 кбит/с для каждого речевого канала;

– задержка – время, необходимое цифровому сигнальному процессору DSP или другим устройствам обработки для кодирования и декодирования речевого сигнала;

– буфер джиттера – сохранение пакетов данных до тех пор, пока все пакеты не будут получены и можно будет передать в требуемой последовательности для минимизации джиттера;

– потеря пакетов – потеря пакетов при сжатии или передаче в эхо оборудовании IP– телефонии;

– подавление эхо – механизм для подавления эхо, возникающего при передаче по сети; управление уровнем – возможность регулировать громкость речи.

Рисунок 1.1– Показатели, влияющие на качество IP–телефонии 1.1.1 Параметры сети влияющие на показатели качества IP–телефонии Задержка. Задержка создает неудобство при ведении беседы, приводит к прерыванию разговоров и появлению эхо. Эхо возникает в случае, когда отраженный речевой сигнал вместе с сигналом от удаленного конца возвращается опять в ухо говорящего. При этом эхо становится трудной проблемой, когда задержка в петле передачи больше, чем 50 мс. Так как эхо является проблемой качества, системы с пакетной коммутацией речи должны иметь возможность управлять эхо и использовать эффективные способы эхо подавления.

Перекрытие разговоров затруднение диалога становятся серьезным вопросом качества, когда задержка в одном направлении передачи превышает 250 мс. Можно выделить следующие источники задержки при пакетной передачи речи из конца в конец.

Задержка накопления: эта задержка обусловлена необходимостью сбора кадра речевых отсчетов, выполняемая в речевом кодере. Величина задержки определяется категорией речевого кодера и изменяется от небольших величин (0,125 мкс) до нескольких миллисекунд. Например, стандартные речевые кодеры имеют следующие длительности кадров:

– G.729 CS–ACELP (8 кбит/с) – 10 мс;

– G.723.1 –Multi Rate Coder (5,3; 6,3 кбит/с) – 30 мс.

Задержка обработки: процесс кодирования и сбора закодированных отсчетов в пакеты для передачи через пакетную сеть создает определенные задержки. Задержка кодирования или обработки обуславливается от времени работы процессора и используемого категорией алгоритма обработки. 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.

Сетевая задержка: задержка обусловлена протоколами и физической средой, используемыми для передачи речевых данных, а также буферами, используемыми для удаления джиттера пакетов на приемной стороне. 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:

– начальный уровень до 200 мс – отличное качество речи. Для сравнения, в телефонной сети общего пользования допустимы задержки до 150–200 мс;

– второй уровень до 400 мс – хорошим качество речи. Но если сравнивать с качеством связи по сетям СТОП, то разница будет видна. Если задержки постоянно удерживается на верхней границе 2–го уровня (на 400 мс), то не рекомендуется использовать эту связь для деловых переговоров;

– третий уровень до 700 мс – приемлемое качество связи для ведения неделовых переговоров. Такое качество связи возможно также при передаче пакетов по спутниковой связи.

Качество IP–телефонии попадает под 2–3 уровни, причем невозможно конкретно сказать, что тот или иной провайдер IP–телефонии работает по второму уровню, так как задержки в сети Интернет меняются. Более точно можно сказать о провайдерах IP– телефонии, работающих по выделенным каналам. Они попадают под 1–2 уровни. Также необходимо учитывать задержки при кодировании или декодировании голосового сигнала.

Средние суммарные задержки при использовании IP–телефонии обычно находятся в пределах 150–250 мс.

В сети Интернет задержки пакетов в целом зависят от времени. Кривая этой зависимости имеет большой динамический диапазон и скорость изменения. Заметные изменения времени распространения могут произойти на протяжении одного непродолжительного сеанса связи, а колебания времени передачи могут быть в диапазоне от десятков до сотен миллисекунд и даже превышать секунду.

Важно отметить тот факт, что задержки в сетях с коммутацией пакетов влияют не только на качество передачи речевого трафика в реальном времени. Не менее важно и то, что данные задержки в определенных случаях могут нарушить правильный ритм функционирования телефонной сигнализации в цифровых трактах Т1/Е1 на стыке голосовых шлюзов с оборудованием коммутируемых телефонных сетей.

Причиной этого можно назвать тот факт, что набор рекомендаций H.323 в момент своего появления в 1997 г. был ориентирован на мультимедийные приложения, осуществляющие аудио и видеоконференцсвязь через сети IP. Данное решение позволяло значительно снизить стоимость таких систем по сравнению с их аналогами, работающими в сетях традиционной телефонии с коммутацией каналов. В процессе выделения IP–телефонии в самостоятельное направление и развития ее до услуги операторского уровня возникла необходимость соединения IP–шлюзов с телефонными станциями СТОП по цифровым трактам E1/T1. При этом, шлюзы осуществляют взаимодействие с цифровыми АТС, используя стандартные механизмы телефонной сигнализации Q.931, интерпретированные через команды H.225 и передающиеся в IP–сети с использованием протокола TCP. Согласно рекомендации Q.931, при установлении телефонного соединения значения временных задержек между фазами выполнения команд сигнализации строго регламентированы.

Однако, при интерпретации в IP–шлюзах команд телефонной сигнализации Q.931 стеком H.225/ТСР, задержки, возникшие на пути прохождения сигнала, увеличивают заданные временные интервалы между командами Q.931, и в большинстве случаев нарушают целостность работы данного протокола. Хотя версия 2 набора рекомендаций H.323 в фазе предусматривает процедуру H.323v2 Fast Connect, ускоряющую обработку команд Q. стеком H.225/ТСР, задержки IP–канала, особенно характерные для инфраструктуры Интернет, могут заведомо превышать все допустимые значения временных интервалов протокола Q.931. Данное обстоятельство можно расценивать как еще один аргумент в пользу использования выделенных каналов при построении сетей IP–телефонии.

Джиттер. Когда речь или данные разбиваются 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.

Различают три формы джиттера:

– джиттер, зависимый от данных (Data Dependent Jitter – DDJ) происходит в случае ограниченной полосы пропускания или при нарушениях в сетевых компонентах;

– искажение рабочего цикла (Duty Cycle Distortion – DCD) обусловлено задержкой распространения между передачей снизу вверх и сверху вниз;

– случайный джиттер (Random Jitter – RJ) – является результатом теплового шума.

На рисунке 1.3 приведены гистограммы джиггера пакетов в локальной сети и в сети Интернет с различными скоростями работы, показывающие эмпирические распределения вероятностей задержек. На оси абсцисс отложена относительная задержка, характеризующая реальное положение пакета в последовательности на временной оси по отношению к идеальному в предположении, что первый пакет пришел без задержки.

Величины возникающих задержек и их вероятности важны для организации процедуры обработки и выбора параметров обработки. Понятно, что временная структура речевого пакетного потока меняется. 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 полнодуплексной связи и показателем потерянных пакетов. Потеря пакетов является другим серьезным негативным явлением в IP– телефонии.

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 кадры данных не связаны со временем и отброшенные пакеты могут быть успешно переданы путем повторения. Потеря голосовых пакетов, в свою очередь, не может быть восполнена таким способом и в результате произойдет неполная передача информации. Предполагается, что потеря до 5% пакетов незаметна, а свыше 10–15% – недопустима. Причем данные величины существенно зависят от алгоритмов компрессии/декомпрессии.

На рисунке 1.3 представлены гистограммы потерь пакетов. По оси абсцисс отложено число подряд потерянных пакетов. Анализ гистограммы показывает, что наиболее вероятны потери одного, двух и трех пакетов. Потери больших пачек пакетов редки.

Рисунок 1.3 – Зависимость количества потерянных пакетов от частоты событий Существенно, что потеря большой группы пакетов приводит к необратимым локальным искажениям речи, тогда как потери одного, двух, трех пакетов можно пытаться компенсировать.

Интуитивно ясно, что с повышением трафика возрастают задержки и потери в телефонном канале. В условиях ограниченных пропускных способностей это проявляется не только при интегральном увеличении загрузки каналов, например, в часы наибольшей нагрузки, но и при увеличении потока локального источника информации.

Взаимосвязь методов обеспечения качества IP–телефонии, показателей качества сети и качества вызова представлена на рисунке 1.4.

Процесс обработки речи в IP–телефонии.

Для обеспечения качественной передачи речевых сигналов в IP–телефонии необходима их следующая обработка.

1) Удаление всех нежелательных составляющих из входного аудиосигнала. После оцифровки речи необходимо удалить эхо из динамика в микрофон, комнатное эхо и непрерывный фоновый шум (например, шум от вентиляторов), а также отфильтровать шумы переменного тока на низких частотах звукового спектра.

Рисунок 1.4 – Блок–схема обеспечения качества IP–телефонии Эффективное эхо подавление и уменьшение шумов абсолютно необходимо в любой конфигурации с «открытым микрофоном» и с громкоговорителем на базе персонального компьютера (ПК) для СТОП и IP–телефонии. Эти функции все в большей мере реализуются аудио компонентами ПК, так что сама система IP–телефонии может их и не иметь. Шлюзам IP–телефонии требуется выполнять меньший объем предварительной обработки, нежели конечным решениям, потому что УАТС и телефонная сеть обеспечивают фильтрацию и уменьшение шумов.

2) Устранение пауз в речи; распознавание остаточного фонового шума (внешних шумов) и кодирование для восстановление на дальнем конце; то же самое для опознаваемых сигналов. Паузы лучше всего полностью подавлять на ближнем конце. Для сохранения окружающих звуков необходимо смоделировать фоновые шумы, чтобы система на дальнем конце могла восстановить их для слушателя. Сигналы многочастотного набора номера DTMF и другие сигналы можно заменить на короткие коды для восстановления на дальней стороне (или для непосредственной обработки). Вероятные проблемы: из–за того, что функция подавления пауз активизируется, когда громкость речи становится ниже определенного порога, некоторые системы обрезают начала и концы слов (в периоды нарастания и снижения уровня речи).

3) Сжатие голосовых данных. Сжать оцифрованный голос можно разными способами.

В идеале решения, используемые для IP–телефонии, должны быть достаточно быстрыми для выполнения на недорогих цифровых сигнальных процессорах DSP, сохранять качество речи и давать на выходе небольшие массивы данных.

4) «Нарезание» сжатых голосовых данных на короткие сегменты равной длины, их нумерация по порядку, добавление заголовков пакетов и передача. Хотя стек протоколов TCP/IP поддерживает пакеты переменной длины, их использование затрудняет достижение устойчивой и предсказуемой межсетевой маршрутизации в голосовых приложениях.

Маршрутизаторы быстро обрабатывают небольшие пакеты и рассматривают обычно все передаваемые по одному и тому же IP–адресу пакеты одного размера одинаковым образом.

В результате пакеты проходят по одному маршруту, поэтому их не надо переупорядочивать.

5) Прием и переупорядочивание пакетов в адаптивном «буфере ресинхронизации»

для обеспечения интеллектуальной обработки потерь или задержек пакетов. Главной целью здесь является преодоление влияния переменной задержки между пакетами. Решение этой проблемы состоит в буферизации достаточного числа поступающих пакетов (при отложенном их воспроизведении) с тем, чтобы воспроизведение было непрерывным, даже если время между поступлением пакетов сильно разнится. Лучшие продукты для IP– телефонии моделируют производительность сети и регулируют размер буфера ресинхронизации соответствующим образом – уменьшая его (сокращая задержку перед воспроизведением), когда сеть ведет себя предсказуемым образом, и увеличивая в противоположной ситуации.

1.2 Способы кодирования речевой информации Одним из важных факторов эффективного использования пропускной способности IP–канала, является выбор оптимального алгоритма кодирования/декодирования речевой информации – кодека.

Все существующие сегодня типы речевых кодеков по принципу действия можно разделить на три группы:

– 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. В большинстве случаев, представляют собой сочетание АЦП/ЦАП.

– кодеки с вокодерным преобразованием речевого сигнала возникли в системах мобильной связи для снижения требований к пропускной способности радиотракта. Эта группа кодеков использует гармонический синтез сигнала на основании информации о его вокальных составляющих – фонемах. В большинстве случаев, такие кодеки реализованы как аналоговые устройства.

преобразования/синтеза речи, но оперируют уже с цифровым сигналом посредством специализированных DSP. Кодеки этого типа содержат в себе ИКМ или АДИКМ кодек и реализованный цифровым способом вокодер.

В голосовых шлюзах IP–телефонии понятие кодека подразумевает не только алгоритмы кодирования/декодирования, но и их аппаратную реализацию. Большинство кодеков, используемых в IP–телефонии, описаны рекомендациями семейства «G» стандарта H.323 (см. рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 – Стандарты для кодирования речевых сигналов Все способы кодирования, основанные на определенных предположениях о типе сигнала, не подходят при передаче сигнала с крутыми скачками амплитуды. Именно данный вид имеет сигнал, генерируемый модемами или факсимильными аппаратами, из за этого аппаратура, поддерживающая компрессию, должна автоматически распознавать сигналы факс–аппаратов и модемов и обрабатывать их по другому, чем голосовой трафик. Многие способы кодирования берут свое начало от метода кодирования с линейным предсказанием LPC (Linear Predicative Coding).

В качестве входного сигнала в LPC используется последовательность цифровых значений амплитуды, но алгоритм кодирования применяется не к отдельным цифровым значениям, а к определенным их блокам. Для каждого такого блока значений вычисляются его характерные параметры: частота, амплитуда и т. д. Именно эти значения и передаются по сети. При таком подходе к кодированию речи, во–первых, возрастают требования к вычислительным мощностям специализированных процессоров, используемых для обработки сигнала, а во–вторых, увеличивается задержка при передаче, поскольку кодирование применяется не к отдельным значениям, а к некоторому их набору, который перед началом преобразования следует накопить в определенном буфере.

Важно, что задержка в передаче речи связана не только с необходимостью обработки цифрового сигнала (эту задержку можно уменьшать, увеличивая мощность процессора), но и непосредственно с характером способа сжатия. Способ кодирования с линейным предсказанием LPC позволяет достигать очень больших степеней сжатия, которым соответствует полоса пропускания 2,4 или 4,8 кбит/с, однако качество звука здесь сильно искажается. Из за этого в коммерческих приложениях он не применяется, а применяется в основном для ведения служебных бесед.

Более сложные способы сжатия речи основаны на применении LPC в сочетании с элементами кодирования формы сигнала. В этих алгоритмах используется кодирование с обратной связью, когда при передаче сигнала осуществляется оптимизация кода.

Закодировав сигнал, процессор пытается восстановить его форму и сличает результат с исходным сигналом, после чего начинает колебать параметры кодировки, добиваясь наилучшего совпадения. Достигнув такого совпадения, оборудование передает полученный код по линиям связи; на втором конце происходит восстановление звукового сигнала.

Понятно, что для использования такого способа требуются еще более серьезные вычислительные мощности.

Одной из самых распространенных разновидностей описанного способа кодирования является метод LD – CELP (Low–Delay Code–Excited Linear Prediction). Он позволяет достичь удовлетворительного качества воспроизведения при пропускной способности 16 кбит/с.

Алгоритм применяется к последовательности цифр, получаемых в результате аналого– цифрового преобразования голосового сигнала с 16–разрядным разрешением. Пять последовательных цифровых значений кодируются одним 10–битовым блоком – это и дает те самые 16 кбит/с.

Для использования этого метода требуются большие вычислительные мощности; в частности, в марте 1995 г. ITU принял новый стандарт – G.723, который предполагается использовать при сжатии речи для организации видеоконференций по телефонным сетям.

Этот стандарт представляет собой часть более общего стандарта Н.324, описывающего подход к организации таких видеоконференций.

Цель – организация видеоконференций с использованием обычных модемов. Основой G.723 является способ сжатия речи MP–MLQ (Multipulse Maximum Likelihood Quantization).

Он позволяет добиться весьма существенного сжатия речи при сохранении достаточно высокого качества звучания. В основе метода лежит описанная выше процедура оптимизации; с помощью различных усовершенствований можно сжимать речь до уровня 4,8; 6,4; 7,2 и 8,0 кбит/с. Структура алгоритма позволяет на основе программного обеспечения изменять степень сжатия голоса в ходе передачи. Вносимая кодированием задержка не превышает 20 мс. Повышая эффективность применения полосы пропускания, механизмы сжатия речи в то же время могут привести к ухудшению ее качества и увеличению задержек.

Далее рассмотрены некоторые основные кодеки, используемые в шлюзах IP– телефонии операторского уровня.

Кодек без сжатия. Рекомендация G.711, утвержденная 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 битх8 кГц). Для снижения шума квантования и улучшения преобразования сигналов с небольшой амплитудой при кодировании используется нелинейное квантование по уровню (рисунок 1.8) согласно специальному псевдологарифмическому закону: А–закон для европейской системы ИКМ– 30/32 или закон для североамериканской системы ИКМ–24.

Кодек G.711 широко распространен в системах традиционной телефонии с коммутацией каналов. Несмотря на то, что рекомендация G.711 в стандарте H.323 является основной и первичной, в шлюзах IP–телефонии данный кодек применяется редко из–за высоких требований к полосе пропускания и задержкам в канале передачи (все–таки кбит/с это много). Использование G.711 в системах IP–телефонии обосновано лишь в тех случаях, когда требуется обеспечить максимальное качество кодирования речевой информации при небольшом числе одновременных разговоров. Одним из примеров применения кодека G.711 могут послужить IP–телефоны компании Cisco.

Кодеки с сжатием. Один из старейших алгоритмов сжатия речи ADPCM – адаптивная дифференциальная ИКМ (стандарт G.726 был принят в 1984 г.). Этот алгоритм дает практически такое же качество воспроизведения речи, как и ИКМ, однако для передачи информации при его использовании требуется полоса всего в 16–32 кбит/с. Способ основан на том, что в аналоговом сигнале, передающем речь, невозможны резкие скачки интенсивности.

Поэтому, если кодировать не саму амплитуду сигнала, а ее изменение по сравнению с предыдущим значением, то можно обойтись меньшим числом разрядов. В ADPCM изменение уровня сигнала кодируется четырехразрядным числом, при этом частота измерения амплитуды сигнала сохраняется неизменной. Процесс преобразования не вносит существенной задержки и требует от DSP 5,5–6,4 MIPS (Million Instructions Per Second).

Кодек может применяться совместно с кодеком G.711 для снижения скорости кодирования последнего. Кодек предназначен для использования в системах видеоконференций.

Кодек G.723.1.Рекомендация G.723.1 описывает гибридные кодеки, использующие технологию кодирования речевой информации, сокращенно называемую – MP–MLQ (Multy– Pulse – Multy Level Quantization – множественная импульсная, многоуровневая квантизация), данные кодеки можно охарактеризовать, как комбинацию АЦП/ЦАП и вокодера. Своим появлением гибридные кодеки обязаны системам мобильной связи. Применение вокодера позволяет уменьшить скорость передачи данных в канале, что принципиально важно для эффективного использования радиотракта и IP–линка.

Основной принцип работы вокодера – синтез исходного речевого сигнала посредством адаптивной замены его гармонических составляющих соответствующим набором частотных фонем и согласованными шумовыми коэффициентами. Кодек G. 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 передает 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. Кодек имеет две скорости и два варианта кодирования: 6,3 кбит/с с алгоритмом MP–MLQ и 5,3 кбит/с с алгоритмом CELP. Первый вариант предназначен для сетей с пакетной передачей голоса и обеспечивает лучшее качество кодирования по сравнению с вариантом CELP, но менее адаптирован к применению в сетях со смешанным типом трафика (голос/данные).

Процесс преобразования требует от DSP 16,4–16,7 MIPS и вносит задержку 37 мс.

Кодек G.723.1 широко применяется в голосовых шлюзах и прочих устройствах IP– телефонии. Кодек уступает по качеству кодирования речи кодеку G.729a, но менее требователен к ресурсам процессора и пропускной способности канала.

Кодеки G.729. Семейство включает кодеки G.729, G.729 Annex A, G.729 Annex В (содержит VAD и генератор комфортного шума). Кодеки G.729 сокращенно называют CS– ACELP Conjugate Structure – Algebraic Code Excited Linear Prediction – сопряженная структура с управляемым алгебраическим кодом линейным предсказанием. Процесс преобразования использует DSP 21,5 MIPS и вносит задержку 15 мс. Скорость кодированного речевого сигнала составляет 8 кбит/с. В устройствах VoIP данный кодек занимает лидирующее положение, обеспечивая наилучшее качество кодирования речевой информации при достаточно высокой компрессии.

Кодек 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 для реализации необходим процессор с быстродействием более 40 MIPS. Кодек предназначен для использования, в основном, в системах видеоконференций. В устройствах IP–телефонии данный кодек применяется достаточно редко.

Количественными характеристиками ухудшения качества речи являются единицы QDU (Quantization Distortion Units): 1 QDU соответствует ухудшению качества при оцифровке с использованием стандартной процедуры ИКМ; значения QDU для основных методов компрессии приведены в таблице 1.1.

Т а б л и ц а 1.1 – Значения единиц ухудшения качества речи QDU для различных методов компрессии Дополнительная обработка речи всегда ведет к дальнейшей потере качества. Согласно рекомендациям МСЭ–Т, для национальных вызовов величина QDU не должна превышать 14, причем передача разговора по международным магистральным каналам ухудшает качество речи, как правило, на 4 QDU. Следовательно, при передаче разговора по международным сетям должно теряться не более 5 QDU. Поэтому для качественной передачи речи процедуру компрессии/декомпрессии желательно применять в сети только один раз. В некоторых странах это является обязательным критерием регулирующих органов по отношению к корпоративным сетям, подключенным к сетям общего пользования.

Устранение пауз (silence suppression) – важная функция ATM–свитчов. Суть технологии подавления пауз заключается в определении различия между моментами активной речи и молчания во время соединения. В результате использования этой технологии генерация ячеек происходит только в моменты активного разговора. Поскольку в процессе типичного разговора по телефону молчание составляет до 60% времени, происходит двукратная оптимизация по количеству данных, которые должны быть переданы по линии. Объединение технологии сжатия речи и подавления пауз речи в свитчах приводит к уменьшению потока данных в канале до восьми раз.

1.3 Общая оценка качества IP–телефонии От компрессии/декомпрессии искажения оценивают путем опроса разных групп людей по пятибалльной шкале единицами субъективной оценки MOS (Mean Opinion Score).

Оценки 3,5 баллов и выше соответствуют стандартному и высокому телефонному качеству, 3,0...3,5 – допустимому, 2,5…3,0 – синтезированному звуку. Для передачи речи с хорошим качеством целесообразно ориентироваться на MOS не ниже 3,5 баллов. Значения MOS для различных стандартов кодеров приведены в таблице 1.2.

Т а б л и ц а 1.2 – Средние субъективные оценки качества различных способов кодирования Продолжение таблицы 1. ADPCM ACELP Несмотря на большое разнообразие, характеризуемое пропускными способностями, числом маршрутизаторов, характеристиками физических линий и прочими характеристиками, реально действующие каналы Интернет характеризуются следующими параметрами:

– действительной пропускной способностью, определяемой наиболее «узким местом»

в виртуальном канале в данный момент времени;

– трафиком, также являющимся функцией времени;

– задержкой пакетов, что определяется трафиком, числом маршрутизаторов, задержками на обработку сигналов, возникающими в речевых кодеках и других устройствах шлюзов; все это также обеспечивает зависимость задержки от времени;

– потерей пакетов, обусловленной наличием «узких мест», очередями;

– перестановкой пакетов, пришедших разными путями.

В рамках проекта TIPHON определены четыре класса обслуживания (см. таблицу 1.3), каждый из которых гарантирует определенное качество при установлении вызова и во время самого сеанса связи.

Качество обслуживания при установлении вызова характеризуется прежде всего временем его установления, т.е. временем между набором абонентом последней цифры номера (или, например, команды ввода при наборе адреса на компьютере) и получением им ответного тонального сигнала. Качество обслуживания во время сеанса связи определяется многими факторами, два основных – это сквозная временная задержка и качество сквозной передачи речи (оценивается параметрами субъективной оценки MOS).

Т а б л и ц а 1.3 – Характеристики классов обслуживания TIPHON Продолжение таблицы 3. адресации номера Е.164 в IP–адрес номера Е.164 в IP–адрес через клиринговый центр или роуминг номера Е.164 в IP–адрес адрес через клиринговый центр или роуминг адреса электронной почты в IP–адрес 1.3.1 Протокол RSVP – обеспечение качества IP–телефонии Использование протокола резервирования ресурсов (Resource Reservation Protocol, RSVP), является одним из средств обеспечения качества IP –телефонии и особенно Интернет–телефонии рекомендованного комитетом IETF. С помощью RSVP мультимедиа– программы могут потребовать специального качества обслуживания (specific quality of service, QoS) путем любого из существующих сетевых протоколов – главным образом IP, хотя возможно использовать и UDP – чтобы обеспечить качественную передачу видео и аудиосигналов.

Протокол RSVP предусматривает гарантированное QoS благодаря тому, что через каждый компьютер, или узел, который связывает между собой участников телефонного разговора, может передаваться определенное количество данных.

Протокол RSVP предназначен только для резервирования части пропускной способности. Используя RSVP, отправитель периодически информирует получателя о свободном количестве ресурсов сообщением RSVP Path (см. рисунок 1.6). Транзитные маршрутизаторы по мере прохождения этого сообщения также анализируют имеющееся у них количество свободных ресурсов и подтверждают его соответствующим сообщением RSVP Resv, передаваемым в обратном направлении.

Если ресурсов достаточно, то отправитель начинает передачу. Если ресурсов не достаточно, получатель должен снизить требования или прекратить передачу информации.

Одна из основных особенностей RSVP заключается в том, что запросы на резервирование ресурсов направляются только от получателей данных отправителям, а не наоборот. Такой подход обусловлен тем, что лишь устройство–получатель знает, с какой скоростью оно должно получать данные, чтобы надежно декодировать аудио – или видеосигналы. Другая уникальная особенность RSVP состоит в том, что резервирование производится лишь для одного направления. Кроме того, RSVP не допускает смешения аудио и видеосигналов на зарезервированном канале.

Когда RSVP – программы закончат сеанс связи, они должны вызвать функцию отмены, предусмотренную этим протоколом. Отмена удаляет все запросы на ресурсы, сделанные программой, и позволяет другим прикладным программам использовать коммуникационные возможности Internet. Если программе не удается выполнить отмену, тогда предусмотренные протоколом средства по истечении некоторого промежутка времени обнаружат это и автоматически отменят запрос на ресурсы.

Недостатком протокола RSVP является то, что полоса пропускания, выделяемая источнику информации, при снижении активности источника не может быть использована для передачи другой информации. Поскольку для реализации QoS протокол RSVP требует резервирования ресурсов или каналов связи, небрежные или безответственные пользователи могут захватить ресурсы сети, инициируя несколько сеансов QoS подряд.

Как только канал зарезервирован, он становится недоступным для других пользователей, даже если тот, кто его затребовал, ничего не передает. К сожалению, в RSVP отсутствует четкий механизм предотвращения подобных ситуаций, и решение этой проблемы возлагается на сетевых администраторов. Очевидно, что необходимо предусмотреть более жесткий контроль, чтобы RSVP имел успех.

Как альтернатива этому методу может использоваться алгоритм управления потоками на основе системы приоритетов, однако в существующей версии IP этот механизм развит недостаточно. Механизм управления приоритетами должен быть реализован в следующей шестой версии IP, где предусматривается введение до 16 приоритетов, а также возможность организации нескольких логических потоков в рамках одного физического соединения.

Однако в настоящее время аппаратура, реализующая IP версии 6, только начала появляться на рынке.

Ввиду зависимости RSVP от совместимости промежуточных узлов – в большинстве случаев маршрутизаторов – это влечет за собой неизбежные проблемы, в частности, в глобальных сетях. Если какой–либо маршрутизатор достиг предела своих возможностей, когда он не может гарантировать запрошенный уровень QoS, все последующие запросы будут игнорироваться и удаляться. При отказе только одного узла обслуживать запрос вся стройная система RSVP распадается на части.

RSVP имеет весьма хорошие перспективы на корпоративном уровне, где администратор имеет возможность определить, какие параметры маршрутизатор будет использовать для обслуживания запросов о предоставлении QoS. В глобальных сетях маршрутизаторы вовсе не обязательно находятся под той же юрисдикцией, что и хосты и приложения, производящие запросы, что осложняет гарантирование QoS.

1.3.2 RTP и RTCP – обеспечение качества IP–телефонии Для уменьшения значений джиттера и задержек на сетевом уровне применяются гарантирующие пользователю заданный уровень качества механизмы RSVP, MPLS, Diff– Serv, ATM и др. Они улучшают качество услуг, предоставляемых сетью, но не могут полностью устранить образование очередей в сетевых устройствах, а, следовательно, и совсем убрать джиттер. Заменить его негативное влияние позволяет разработанный IETF протокол прикладного уровня RTP (Real–time Transport Protocol), который используется технологиями H.323 и SIP.

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 ниже рассматриваемые 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 (см. рисунок 1.7).

Служба RTP предусматривает указание типа полезной нагрузки и последовательного номера пакета в потоке, а также применение временных меток. Отправитель помечает каждый RTF – 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. Однако следует иметь ввиду, что временная метка RTP соответствует моменту кодирования первого дискретного сигнала пакета. Поэтому, если RTF–пакет, например, с видеоинформацией, разбивается на несколько пакетов нижележащего уровня, то временная метка уже не будет соответствовать истинному времени их передачи, поскольку они перед передачей могут быть организованы в очередь.

Еще одно преимущество RTF состоит в том, что его можно использовать с RSVP для передачи синхронизированной мультимедиа информации с определенным уровнем качества обслуживания. Кроме того, разговоры передаются по сети Internet в незашифрованном виде.

Поэтому любой узел, находящийся на пути следования данных, может подключиться к этой линии и прослушать ваш разговор. Чтобы решить эту проблему, в RTF предлагается механизм, до некоторой степени который обеспечивает защиту от несанкционированного доступа и конфиденциальность. Эти средства довольно ненадежны и могут рассматриваться лишь как временное решение проблемы – пока протоколы, поверх которых работает RTP, не будут располагать развитыми механизмами безопасности данных.

Возможности RTF можно расширить, объединив его с еще одним протоколом IETF, a именно с протоколом управления передачей в реальном времени (Real–time Transport Control Protocol, RTCP). С помощью RTCP контролируется доставка RTF – 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 RTF – пакетов с пользовательской информацией.

Основной функцией RTCP является организация обратной связи с приложением для отчета в 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 целью улучшения качества ее передачи. RTCP также предусматривает идентификацию пользователей – участников сеанса.

При всех своих достоинствах протокол RTP далеко уникален. Например, протокол никак не способен повлиять на задержку в сети, но он помогает сократить джиттер звука при воспроизведении при наличии задержек. Кроме того, хотя пакеты UDP получают порядковые номера, при этом принимающая станция может установить факт потери пакетов, RTP не предпринимает никаких мер для восстановления потерянных пакетов.

Один из способов расширения возможностей RTP состоит в использовании его совместно с протоколом RSVP, который официально не входит в комплект протоколов H.323, но поддерживается многими приложениями реального времени.

1.3.3 IPv6 – обеспечение качества IP–телефонии После нескольких лет тестирования организация Internet Assigned Numbers Authority приступила к развертыванию IPv6 (версии 6 протокола Internet Protocol) – системы цифровой адресации Internet нового поколения.

Начать разработку IPv6 организацию Internet Engineering Task Force побудили опасения, что Internet израсходует весь запас уникальных адресов. Первоначально сеть Internet была рассчитана на связь небольшого количества исследовательских сетей. Поэтому поле адреса в используемой в настоящее время системе адресации IPv4 может принимать около 4 млрд. уникальных значений. Число уникальных адресов, обеспечиваемых новой системой – десять в восемнадцатой степени, или миллиард миллиардов. Этого должно хватить на много лет вперед.

Переход на IPv6 начат с трех крупнейших региональных регистрационных каталогов, которые приступают к выдаче новым пользователям удлиненных адресов; полный перевод на новую систему всей сети может быть завершен, как ожидается, в течение 6–10 лет.

IPv6 включает следующие возможности, отсутствующие у IPv4:

– расширенное адресное пространство: IPv6 использует 128–битовые адреса вместо 32–битовых IPv4. В результате адресное пространство увеличивается в 296раз, что явно достаточно даже в случае неэффективного распределения сетевых адресов;

– улучшенные возможности маршрутизации: в связи с увеличением межсетевого трафика, связанного с обработкой больших объемов мультимедийной информации и расширением использования сети Интернет в различных сферах деятельности, весьма существенной является необходимость обеспечения высоких скоростей маршрутизации;

– без применения эффективных алгоритмов обработки пакетов данных становится невозможным повысить скорости работы маршрутизаторов до уровня, сравнимого со скоростями передачи информации по каналам связи;

– управление доставкой информации: IPv6 позволяет отмечать соответствие конкретного пакета определенным условиям его передачи, заданным отправителем. В результате достигается регулирование скорости передачи определенных потоков данных, что позволяет обеспечивать эффективную поддержку специальных протоколов (например, видео в режиме реального времени и др.). За счет назначения приоритетов передачи данных по определенным протоколам, появляется возможность гарантировать первоочередность обработки наиболее критической информации и предоставления важным данным всей полосы пропускания канала связи. Другие особенности, имеющиеся у IPv6, позволяют протоколам этого семейства обеспечивать одновременную многоадресную доставку информации. Данная возможность находит свое применение в рассылке информации «по подписке» или «по требованию», а также в других приложениях;

– средства обеспечения безопасности: IPv6 предоставляет возможности защиты от атак, связанных с подменой исходных адресов пакетов, и от несанкционированного доступа к полям данных пакетов. Эти возможности достигаются за счет применения алгоритмов аутентификации и шифрования.

Не вызывает сомнений тот факт, что переход от IPv4 к IPv6 не может быть мгновенным. Долгое время две версии IP будут сосуществовать. Более того, поначалу узлы, реализующие IPv6, не будут предоставлять всех необходимых сервисов, а их расположение окажется напоминающим острова в океане IPv4. Следовательно, от узлов с IPv6 требуется выполнение двух свойств:

– возможность взаимодействовать с IPv4–узлами;

– возможность передавать пакеты IPv6 через существующую инфраструктуру IPv4.

Чтобы выполнить эти требования, рабочая группа по переходу на IP нового поколения предлагает два основных метода:

– одновременная поддержка в узлах (и в хостах, и в маршрутизаторах) IPv6 двух стеков протоколов (IPv6/IPv4);

– туннелирования пакетов IPv6 для их передачи через инфраструктуру IPv4.

1.3.4 DiffServ – обеспечение качества IP–телефонии Эта технология обеспечения QoS разработана рабочей группой IETF по дифференцированному обслуживанию (Differentiated Services, DiffServ). Эта группа выделилась из рабочей группы по интегрированному обслуживанию (Integrated Services, IntServ), задача которой состоит в разработке стандартов для поддержки трафика Internet реального времени.

Проводимая в рамках IntServ работа отражает некоторые из особенностей концепции RSVP. Интегрированное обслуживание предполагает сигнализацию из конца в конец и в действительности использует RSVP между отправителями и получателями.

IntServ определяет три класса обслуживания для IP–сетей:

– по мере возможности – то, что сейчас предлагает Internet;

– контролируемой загруженностью – приложение получает тот уровень обслуживания, какой оно имело бы в слабо загруженной сети;

– гарантированным обслуживанием – необходимая пропускная способность в течение всего сеанса предоставляется с гарантией на параметры качества обслуживания.

Как и RSVP, интегрированное обслуживание имеет проблемы с масштабированием, поэтому данная технология вряд ли пробьется за пределы корпоративных сетей. И, как было отмечено, RSVP предполагает весьма значительные накладные расходы, так как каждый узел вдоль пути следования пакетов должен согласиться предоставить запрошенное качество услуг.

Дифференцированное обслуживание предлагает более простой и масштабируемый метод QoS для приложений реального времени. Одним из ключевых моментов в работе над DiffServ является переопределение 8–битного поля «Тип сервиса» в заголовке IPv4.

Названное «Дифференцированным обслуживанием» (DS), это поле может содержать информацию, на основании которой узлы вдоль маршрута определяют, как им следует обрабатывать пакеты и передавать их следующему маршрутизатору.

В настоящее время только 6 из 8 бит в поле DS были определены, и только одно назначение было стандартизовано. Это назначение известно как принятое по умолчанию – Default (DE), и оно определяет класс обслуживания по мере возможности. Другое предполагаемое назначение, срочная отправка (Expedited Forwarding, EF), должно обеспечить сокращение задержек и потерь пакетов.

При поступлении трафика в сеть краевой маршрутизатор классифицирует трафик в соответствии с информацией, содержащейся в поле DS. Он передает следующим за ним маршрутизаторам эту информацию, на основании которой они узнают, каким образом обрабатывать данный конкретный поток.

DiffServ, кроме того, сокращает служебный трафик по сравнению с RSVP и IntServ, опирающимися на сигнализацию из конца в конец. DiffServ классифицирует потоки в соответствии с предопределенными правилами и затем объединяет однотипные потоки.

Подобный механизм делает DiffServ гораздо более масштабируемым, чем его предшественника IntServ. Весь трафик с одинаковыми метками рассматривается одинаковым образом, поэтому реализация DiffServ в сети крупного предприятия или по каналам глобальной сети оказывается более реальной задачей.

Как можно догадаться, преимущества DiffServ нельзя получить автоматически.

Маршрутизаторы должны понимать «меченые потоки» и уметь соответствующим образом реагировать на них. Это потребует модернизации микропрограммного обеспечения маршрутизаторов. К счастью, с популяризацией DiffServ все большее число производителей намеревается поддерживать данную архитектуру в будущих версиях своих продуктов.

1.3.5 MPLS – обеспечение качества IP–телефонии Конкурентом DiffServ на роль протокола для обеспечения QoS является другой проект IETF под названием «Многопротокольная коммутация меток» (Multiprotocol Label Switching, MPLS).

При IP–коммутации узел анализирует первые несколько пакетов поступающего трафика и, в случае короткой посылки, например запроса DNS или SNMP, обрабатывает их как обычный маршрутизатор. Но если узел идентифицирует длительный поток – от трафика telnet или ftp до загрузки файлов через Web и мультимедийных приложений, то IP– коммутатор переключается на нижележащую структуру ATM и применяет сквозную коммутацию для быстрой доставки данных адресату.

IP–коммутация поддерживает различные уровни QoS и может использовать ATM, имеющий многочисленные встроенные средства поддержки QoS, и RSVP.

Конкуренцию IP – коммутации составила тег–коммутация. Как видно из названия, данная технология предполагает присоединение к пакетам меток для информирования коммутаторов и маршрутизаторов о природе трафика. Не углубляясь в анализ пакета, устройства просто считывают метку в заголовке для определения соответствующего маршрута потоку трафика.

Если DiffServ задействует заголовок DS, уже имеющийся в пакетах IPv4, то MPLS использует 32–разрядную информационную метку, добавляемую к каждому IP–пакету. Эта метка, добавляемая при входе в сеть с поддержкой MPLS, сообщает каждому маршрутизатору вдоль пути следования, как надо обрабатывать пакет. В частности, она содержит информацию о требуемом для данного пакета уровне QoS.

В разнице от поля DS, метка MPLS изначально не является частью пакета IP. Скорее, она добавляется при поступлении пакета в сеть и удаляется при выходе пакета из сети MPLS.

В обычной ситуации маршрутизаторы анализируют заголовок пакета для определения его адресата. Ввиду того, что такой анализ проводится на каждом транзитном узле независимо, предсказать, каким маршрутом будет следовать пакет, практически невозможно, поэтому обеспечение гарантированного уровня QoS оказывается невероятно сложной задачей.

При использовании меток MPLS маршрутизатор или коммутатор может присвоить метки записям из своих таблиц маршрутизации и в виде меток передать информацию о маршрутизации конкретным маршрутизаторам и коммутаторам. Считав метку, каждый коммутатор или маршрутизатор узнает информацию о следующем адресате на пути, не анализируя заголовок пакета. Это экономит время и ресурсы ЦПУ.

Пакеты с назначениями MPLS могут, следовательно, передаваться от отправителя к получателю без задержек на обработку, причем все промежуточные узлы знают, как нужно обрабатывать каждый пакет.

По сути, MPLS привносит коммутацию каналов, какую мы имеем в ATM, в мир пакетных сетей, связанных с IP. На практике MPLS можно использовать для доставки IP– трафика по сетям IP.

Следует отметить, что DiffServ функционирует на третьем уровне, a MPLS – на втором, поэтому с технической точки зрения обе технологии могут мирно существовать друг с другом. Как уже упоминалось, DiffServ классифицирует пакеты при их поступлении на краевой маршрутизатор, поэтому данный стандарт, скорее всего, будет использоваться на границе сети, например, между компанией и ее сервис – провайдером.

А ввиду того, что MPLS предполагает включение дополнительных меток и использование маршрутизаторов/коммутаторов, способных интерпретировать данную информацию, он, вероятно, найдет применение исключительно внутри корпоративных сетей или базовой сети оператора, где требуется высокий уровень QoS для IР – трафика.

Если DiffServ требует некоторой настройки сетевых маршрутизаторов, то MPLS предполагает более серьезную модернизацию, чтобы маршрутизаторы могли читать метки и направлять пакеты по конкретным маршрутам.

В настоящее время DiffServ пользуется более широким вниманием, и он ближе к окончательной стандартизации, чем MPLS. Однако каждая из технологий имеет свои преимущества в конкретных областях сети, поэтому поставщики, скорее всего, будут поддерживать их обе.

1.3.6 Характеристика IEEE 802.1p Рабочая группа IEEE 802.1 по высокоуровневым протоколам для локальных сетей разработала спецификацию 802.1p для приоритезации трафика в соответствии с восемью классами – от обработки по мере возможности до поддержки передачи голоса и видео в реальном времени. Промежуточные уровни между ними занимают классы для потокового мультимедиа типа неинтерактивных видеоклипов и для важного трафика типа запросов к базам данных.

802.1p анализирует поля приоритета в заголовке пакета. Ей в помощь IEEE предложил спецификацию 802.1Q, предусматривающую 32–разрядный заголовок пакета, предшествующий адресам отправителя и получателя в кадре Ethernet. Этот 32–разрядный заголовок может быть определен маршрутизаторами, коммутаторами и даже станциями конечных пользователей. Он содержит информацию о группах виртуальных локальных сетей и сигнализации 802.1p.

На основании этого заголовка маршрутизаторы и коммутаторы (на втором и на третьем уровнях) могут принимать решения о приоритете трафика с учетом предопределенных правил, заданных администратором сети.

Стандарт 802.1p призван обеспечить QoS при коммутации в локальных сетях, поэтому он может быть не столь привлекательным, как рассмотренные выше технологии для глобальных сетей Интернет–телефонии.

1.3.7 Обеспечение качества IP–телефонии с помощью механизма управления на основе определенных правил Одним из перспективных направлений в реализации гарантированных уровней качества сервиса (QoS) в среде IP является разрабатываемая в настоящее время технология управления на основе определенных правил.

Набор правил, или стратегия, описывает способ распределения ресурсов сети между ее клиентами – пользователями, приложениями или хост – машинами. Выделение этих ресурсов может происходить статически и динамически, в зависимости от разных факторов, например, времени дня, объема самих свободных ресурсов или наличия у клиентов подтвержденных авторизацией привилегий.

Высокоуровневые формулировки стратегии (например, «Предоставлять приоритет всем пакетам трафика voice–over–IP») преобразуются в структурированный набор правил вида «если условие, то реакция», который хранится в базе администратора, извлекается и интерпретируется различными сетевыми компонентами.

Заметим, что системы первого поколения не могли сами интерпретировать высокоуровневые формулировки, а требовали от администратора формализованных условных операторов вида «если порт = HTTP (80), то установить приоритет трафика IP = 4».

Один из наиболее многообещающих проектов в области управления сетью на основе правил реализуется в настоящее время IETF: это исследования, связанные с определением стандартной инфраструктуры для применения данной методологии, а также набора необходимых протоколов и схем работы. Согласно уже имеющимся материалам IETF, в составе типичной сети, администрируемой по набору правил, должны присутствовать следующие элементы:

– консоль для задания стратегий – средство администрирования, с помощью которого сетевой администратор создает и редактирует набор правил управления;

– точка принятия решений (policy decision point, PDP) – сервер, обеспечивающий выборку правил из хранилища и выработку решений;

– точки реализации стратегий (policy enforcement point, PEP) – различные сетевые устройства (маршрутизаторы, коммутаторы и брандмауэры), претворяющие в жизнь решения PDP (т.е. правила управления сетью) с помощью списков доступа, алгоритмов управления очередями и других средств;

– хранилище стратегий – способный работать с протоколом LDAP сервер, на котором в специальном каталоге хранятся стратегии.

Связь между элементами PDP и PEP обеспечивает несложный протокол запросов/ответов Common Open Policy Service (COPS). Его преимущества перед SNMP состоят в ориентации на соединения (он охватывает процесс установления/разрыва соединения), большей надежности и наличии механизмов, предотвращающих попытки одновременного обновления данных одной точки PEP несколькими PDP.

Однако предложенная схема не определяет способов реализации означенной инфраструктуры. Возможны сосуществование на одном сервере различных компонентов или работа каждого из них на отдельном компьютере.

Типичная сеть с поддержкой администрирования на основе стратегий и механизмов обеспечения QoS показана на рисунке 1.7. Ее построение потребует интеграции множества серверов, LDAP–каталогов, использования разных протоколов и сетевых устройств:

коммутаторов/маршрутизаторов опорной сети PEP 1, коммутаторов/маршрутизаторов непосредственного подключения терминалов PEP 2, коммутаторов/маршрутизаторов территориально–распределенной сети PEP 3.

Рисунок 1.7 – Стандартная сеть с поддержкой администрирования на основе Для обеспечения оптимальный процесс хранения и извлечения из хранилища правил, составляющих стратегии, их внутреннее представление должно быть формализовано в структуру данных. Рабочая группа IETF Policy Framework Working Group (PFWG) разработала модель Policy Framework Core Information Model, в которой определен высокоуровневый набор объектно ориентированных классов, достаточный для представления основных стратегий управления.

Объектные классы могут расширяться производными классами конкретных типов стратегий – например, обеспечения QoS или безопасности.

Уже сейчас между производителями существует соглашение, закрепляющее некоторые технические аспекты данной технологии. Так, информация о стратегиях должна храниться в LDAP–совместимом каталоге. Группа PFWG построила отображение модели Core Information Model на структуру каталога LDAP. Концепции, заложенные в эту модель, не только пользуются широкой поддержкой производителей, но и закреплены IETF в проектах нескольких стандартов. Хотя ни один из них еще не достиг стадии предложений по спецификациям (request for comments, RFC), они дают ясное представление о том, как построить сеть, управляемую по заданным правилам.

Ближайшие перспективы администрирования на основе стратегий в среде, состоящей из продуктов различных производителей, оставляют желать лучшего. К сожалению, реализации механизмов работы с набором правил и алгоритмы формирования трафика сильно различаются не только в продуктах разных производителей, но даже в пределах ассортимента одной компании. Чтобы добиться реальной совместимости устройств или их единого администрирования, нужны стандартные модели общих функций для задания и выполнения алгоритмов и формирования трафика. Необходимо также обеспечить единое представление схемы реализации QoS и информации о стратегиях в базе данных Policy Information Base (PIB), равно как и поддержку работы с PIB сетевыми устройствами.

Большинство производителей ограничивается рамками собственного оборудования и, по мере сил, реализацией совместимости с продукцией Cisco. Однако обширный список механизмов QoS, поддерживаемых устройствами этой компании, с каждым днем становится все длиннее. На начальном этапе все инициативы в области администрирования сетей на основе стратегий сосредоточены на обеспечении QoS, но в дальнейшем органы стандартизации и производители обратят внимание и на сетевую безопасность.

1.4 Категории речи По классификации речь разделяется на три категории:

– «Неусиленная речь» – обычная речь, используемая при разговоре «лицом к лицу»

(характерная для прямых акустических методов объективной оценки показателей защищенности речевой информации (РИ) от утечки по техническим каналам ТКУРИ);

– «Усиленная речь» – имеет место в системах, где передается форма исходного речевого сигнала (например, системы IР–телефонии при применении кодека рекомендации G.711 стандарта Н.323);

– «Вокодерная или синтетическая речь» – имеет место в системах, где форма исходного речевого сигнала (РС) не передается (например, системы IР– телефонии при применении кодеков семейства рекомендаций стандарта Н.323 за исключением рекомендации G.711).

Вокодерные системы не могут быть проверены с использованием объективно – ориентированных методов, таких как рассмотренные ниже RASTI, AI, или прямые физические измерения. Вместо этого проводятся артикуляционные испытания разборчивости. Причина этого в акустических особенностях неестественной речи. В синтетической речи различия между фонемами могут быть меньше, её спектральное распределение иное, чем у реальной. Обычно списки слов как испытательный материал, используются чаще, чем предложения потому, что предложения обеспечивают грамматические и контекстные ключи, позволяющие угадать слова.

Рассмотрим методы определения разборчивости речи (РР) для каждой категории [22].

1.5 Артикуляционные испытания Испытание разборчивости – прямой, иногда единственный путь испытания качества речевой связи. При таких испытаниях диктором зачитывается набор сообщений (стимулов), аудитор делает отметки в ответном листе и подсчитывается число ошибок, сделанных аудитором. Испытания обычно используется в научных исследованиях, они удобны для прослеживания влияния различных факторов на разборчивость речи. Наиболее часто за рубежом применяются сегментальные испытания с использованием фонематически сбалансированных списков слов (PBWL,Phonematicaly Balanced Word List), рифмованные испытания (RT,Rhyme Test), по методам диагностического рифмованного испытания (DRT, DiagnosticRhymeTest), модифицированного рифмованного испытания(МRТ, Modified Rhyme test), испытание по серединному согласному(DМСТ,Diagnostic Medial Consonant Test), диагностическое аллитерационное испытание(ALT,Diagnostic ALliteration Test) и др.

Кроме того используются различные варианты испытания разборчивости слов в предложениях.

1.6 Особенности пакетной передачи речи дифференцированном 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 речи (голоса), напротив, наиболее важны характеристики задержки (и в первую очередь их вариации) и в меньшей степени достоверность.

Обычно IP–трафик передается по методу «best effort» – «лучший из возможных». В этом случае не гарантируется ни проверка готовности сети обеспечить поток данных сетевыми ресурсами, ни приоритетность. Другими словами, в независимости от того, к какому типу трафика относятся информационные пакеты (голос, видео, FTP (File Transfer Protocol) и т.д.), они обрабатываются по принципу «первый пришел – первый получил обслуживание».

Очевидно, что эта модель не подходит для передачи трафика со специфическими требованиями 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 пакеты телефонного приложения должны отличаться от пакетов данных и это отличие должно фиксироваться узлами сети.

Хотя причины обеспечения качества услуг в сетях IP–телефонии взаимосвязаны, можно выделить четыре основные составляющие, значения которых можно определить независимо.

Задержка речевых пакетов.Задержка (delay) является неотъемлемым свойством 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 IP–телефонии от отправителя до получателя. Исследования показали, что человеческое ухо нетерпимо к задержкам свыше 400–500 мс.

Экспериментально установлено, что задержка в 150 мс обеспечивает очень хорошее качество, от 150 до 300 мс – почти не воспринимается на слух, но если она превышает величину 500 мс, то речь становится неразборчивой. Общая задержка при IP–телефонии складывается из задержек на оцифровку, сжатие, формирование голосового пакета, а также задержек при передаче по каналам, обработке и коммутации пакета в промежуточных узлах, локальной коммутации в приемном узле, декомпрессии и преобразовании к аналоговому виду.

2 Экспериментальные исследования 2.1 Оценка параметров качества в IP телефонии Стандартными оценками качества речи являются оценка восприятия качества речи (perceptual evaluation of speech quality, PESQ), или R–фактор.

Влияние искажений сети объясняются достаточно просто. Пакеты, содержащие кадры с речью, могут быть потеряны по дороге из–за переполнения буфера или отброшены на принимающей стороне, если они прибудут с задержкой. Уровень потери пакетов зависит от размера буфера – больший буфер приводит к уменьшению отбрасывания пакетов, но также может увеличить общую задержку. Этот эффект обычно устраняется на принимающей стороне с помощью специального буфера, где входящие пакеты задерживаются, упорядочиваются и перенаправляются кодеку. Однако этот процесс устранения джиттера может увеличить потери пакетов и общую задержку.[1] В работе оценивается параметры качества связи, а именно джиттер, путем рассмотрения двух типов топологии сети. Для проведения экспериментов были рассмотрены две схемы реализации сети IP–телефонии, согласно рисунку 2.1 и рисунку 2. На рисунке 2.1 представлено первый вариант схемы реализации IP – телефонии.

Рисунок 2.1 – Схема реализация сети IP–телефонии( первый вариант подключения) Из рисунка 2.1 видно что схема реализована следующим образом: внешняя линия телефонии, маршрутизатор подключенный к цифровой мини–АТС Panasonic, к портам мини–АТС подключены аналоговые телефоны На рисунке 2.2 представлен второй вариант схемы реализации сети IP – телефонии.

Рисунок 2.2 – Схема реализация сети IP–телефонии( второй вариант подключения, Из рисунка 2.2 видно, что топология была построена немножко иным способом, а именно: схема реализации такова, цифровой мини – АТС заменили недорогим SIP – сервером, вместо аналоговых телефонов использовали IP – телефоны.

Для проведения экспериментов по оценке значении джиттера и R – фактора был использован производственный сетевой анализатор OptiView.

OptiView может анализировать большинство сетевых устройств, вынесенных за традиционные LAN/WAN коммутаторы и маршрутизаторы, с тем чтобы отразить истинную сетевую группировку, включающую в себя физические устройства, беспроводные, виртуальные и частные сети.

Анализатор измеряет следующие параметры относительно сети IP–телефонии:

качество речи MOS или R–фактор. Наиболее широко используется R–фактор. Усредненная оценка отдельных слушателей, оценивших качество по шкале от 1 до 100; джиттер;

задержки; потери пакетов.[2] Чтобы анализатор смог осуществлять захват трафика VoIP, его необходимо разместить на пути следования пакетов. Этого можно достигнуть ответвлением или зеркалированием трафика для копирования данных на другой порт коммутатора. На рисунке 2.3 приведена схема прохождения сигнала через сетевой анализатор.

Рисунок 2.3 – Схема прохождения сигнала через анализатор С помощью сетевого анализатора были сняты следующие параметры сети: джиттер, средняя задержка. Результаты экспериментов отражены в таблице 2.1 и на рисунке На рисунке 2.4 представлены сравнительные данные значения джиттера при разных топологиях сети.

Рисунок 2.4 – Сравнительные характеристики значений джиттера для разных Из рисунка 2.4 видно что при разных топологиях значения джиттера разные.

В таблице 2.1 представлены сравнительные значения джиттера рассмотренных топологии.

Т а б л и ц а 2.1 – Сравнительные значения джиттера двух топологии в разные моменты времени (фрагмент передачи) Из таблицы 2.1 видно что значение джиттера при второй топологии уменьшилось на На рисунке 2.5 представлены результаты измерений потери пакетов от времени для разных топологий Рисунок 2.5 – Количество потерянных пакетов в зависимости от времени Параметры качества сети оцениваем с использованием R – фактора.

Расчетное значение R – фактора определяется по следующей формуле:

где Ro = 93,2 – базовое значение R–фактора. Качество речевого сигнала на входе в систему равно 100 единицам. При его оцифровке и передаче по сети происходит некоторое искажение сигнала, снижающее значение Ro до теоретического максимума – 93,2, которое обычно округляют до 94; ls – искажения, вызванные местным эффектом и процедурой квантования; ld – искажения за счет суммарных задержек в сети; le– искажения, вносимые оборудованием.[2] На рисунке 2.6 приведены расчетные и экспериментальные значения R – фактора при разных топологиях Рисунок 2.6 – Значения R–фактора при разных топологиях подключения Из рисунка 2.6 видно, что значение R – фактора увеличился с показателя «удовлетворительно» до «отлично» при топологии построенной с помощью SIP – сервера.

3 Расчетная часть 3.1 Аналитическое оценка качества восстановления речи в IP– телефонии 3.1.1 Оценка качества восстановления речи по критерию отношения сигнал/шум Коррелированные с речевым сообщением шумы оказывают существенно меньшее отрицательное воздействие на качество воспроизведения речевого сообщения. Это не позволяет непосредственно суммировать мощность стационарных шумов аналоговых каналов с мощностью коррелированных с сообщением шумов в смешанном аналого – цифровом канале.

В связи с этим используется эквивалентное отношение ОСШэкв мощности сигнала к мощности стационарного шума в незанятом канале. Эквивалентность понимается как соответствие абонентских оценок влияния обеих категорий шума.

Приведем пример численных значений составляющих ОСШэкв.

1) При адаптивной дифференциальной ИКМ (АДИКМ) зависимости отношения сигнал/шум от относительного значения шага квантования h/а (а – усредненное среднеквадратическое значение сигнала) приведены на рисунке 3.1 [14].

Рисунок 3.1 – зависимость отношения сигнал/шум от относительного значения шага 2) При реализации «прерывистой передачи речи» из–за принципов полосного цифрового вокодера возникают шумы, коррелированные с речевым сообщением. В таблице 3.1 представлены результаты для полосного вокодера, когда частотный диапазон канала по артикуляционному признаку делится на 11 полос, не одинаковых по ширине, но с равной долей формант Ак =0,091 в каждой из них.

Т а б л и ц а 3.1 – Результаты полосного вокодера Номер полосы Пределы полосы, Значения отношений сигнал/шум, дБ При статистическом уплотнении посредством объединения цифровых потоков двух комплектов аналого–цифрового оборудования первичной ЦСП основной и дополнительный комплекты находятся в неравноценном положении. Если речевой сигнал в основном комплекте подвергается, например, периодической дискретизации, то речевой сигнал дополнительного комплекта оказывается под воздействием стохастической дискретизации с уменьшенной интенсивностью потока отсчетов. В работе произведено сопоставление качества передачи основного и дополнительного полукомплектов.

Для стандартной ЦСП при ОСШкв=39 дБ ОСШэкв составляет 76 дБ. При реализации фиксированного приоритета при ОСШкв=33 дБ (уменьшение ОСШкв связано с использованием одного бита кодового слова для передачи синдрома комплекта) получено значение ОСШэкв=24 дБ для дополнительного комплекта.

При нормировании параметров приемных устройств используются значения ОСШ, определяющие границы между неудовлетворительным, удовлетворительным, хорошим и отличным качеством воспроизведения речевого сообщения – 6, 12 и 20 дБ соответственно.

По формуле (2.7) из [3] можно сопоставить границы слоговой разборчивости 51,8%, 64,3% и 76,1% соответственно, которые практически точно соответствуют известным градациям субъективной оценки качества (см. таблицу 3.2).

Т а б л и ц а 3.2 – Градации субъективной оценки качества Можно продолжить перечисление примеров оценки качества воспроизведения речи, ориентированных на использование критерия ОСШэкв. Их результаты хорошо согласуются друг с другом и вписываются в границы, представленные рис.3.1.

Вышеизложенный анализ не находится в соответствии непосредственно с результатами, предоставляемыми R–фактором Международного союза электросвязи. Ниже иллюстрируем это примером оценки шумов, связанных с процедурой отбраковки речевых пакетов.

3.1.2 Оценка качества восстановления речи по критериям разборчивости Задача определения аналитической зависимости показателей разборчивости речи от отношения сигнал/шум (ОСШэкв) на выходе воспроизводящего устройства решена в работах [1–3]. В работе [2] приведена зависимость слоговой разборчивости от ОСШ экв, дБ для русскоязычного речевого сообщения (см. рисунок 3.2), Рисунок 3.2 – Зависимость слоговой разборчивости от ОСШэкв А в работе – ее аппроксимация:

Аппроксимация такой же зависимости, например, для сообщения на вьетнамском языке [4]:

В работе [5] приведены экспериментальные зависимости разборчивости от отношения сигнал/шум в условиях достаточно специфических испытательных тестов, в которых получено соотношение между А– взвешенным отношением S/N (ОСШ) для специальной лексики (односложные слова, предложения). На рисунке 3.2а изображены графики зависимости разборчивости слов, слогов от соотношения S/N для различных методов испытаний РР [5].

Эти зависимости приблизительны, поскольку на них оказывает влияние целый ряд таких факторов как тип испытательного материала, мастерство дикторов и аудиторов и др.

Приведенные зависимости получены при участии хорошо подготовленных дикторов и аудиторов за 8 трёх часовых сессий. Цифрами на графике рис.3.2а обозначены кривые, полученные по результатам испытаний с использованием: 1.50–ти пар РВ слов; 2.256–ти односложных слов выбранных случайно из 50–ти вариантов; 3.50–ти наборов по 2 РВ слова;

4.Ключевых слов, воспроизводимые однократно; 5.1000 односложных РВ слов из наборов 100 слов; 6.Смеси односложных логатомов из 100 РВ слов, составленных из 1000 возможных слогов.

Рисунок 3.2а – Зависимость разборчивости слов, слогов от соотношения S/N для 3.1.3 Оценка качества восстановления речи по критерию MOS MOS (Mean Opinion Score) усредненный показатель мнений о качестве, представленный в Рекомендациях ITU–T Р.800 и Р.830 [8], – субъективная оценка, наиболее популярный из современных критериев оценки качества воспроизведения речи. Выражается в баллах по пятибалльной шкале (5–отличное, 4–хорошее, 3–удовлетворительное, 2– посредственное, 1–плохое качество речи). Оценка выше 3,5 баллов определяет высокое телефонное качество 3,0...3,5 – приемлемое, 2,5...3,0 – синтезированную речь. Несколько иные категории качества представлены ниже данными таблbwt 3.3 и рисeyrt 3.4.

Критерий MOS используется для оценки качества речи независимо от других критериев, но наиболее часто применяется в связи с показателями качества, представленными Е–моделью МСЭ.

3.1.4 Оценка качества восстановления речи по критериям Е–модели(R–фактор) Е–модель Международного союза электросвязи [9,11] – метод расчета предполагаемого качества передачи речи, основанный на совокупности объективных и субъективных испытаний. В основу Е–модели заложен метод учета фактора ухудшения за счет оборудования. Следует отметить, что указанный подход разработан после создания предшествующих моделей оценки качества передачи. Она была разработана специализированной группой Европейского Института стандартов в электросвязи (ЕТ81), под названием «Качество передачи речи от рта до уха».

Эталонное соединение, приведенное на рисунке 3.3 подразделяется на сторону передачи и сторону приема. Модель обеспечивает оценку качества разговора «от рта до уха»

по субъективному восприятию его пользователем (абонентом) на стороне приема, как слушающим, так и говорящим.

Параметры тракта передачи, используемые как исходные для расчетной модели, приведены на рисунке 3.3. Значения шума Р в помещении и коэффициентов D учитываются отдельно для стороны передачи и стороны приема, и могут иметь разные значения.

Параметры SLR, RLR и шум в канале Nc относятся к точке, определенной как точка с уровнем О дБр. Все прочие исходные данные рассматриваются как относящиеся либо ко всему тракту соединения, например, OLR (в любом случае это сумма SLR и RLR), число qdu, коэффициенты ухудшения за счет оборудования lе и коэффициент преимущества А, либо только к стороне приема, например, STMR, LSTR, WEPL (для расчета эхо слушающего) и TELR.

Используются три параметра, связанные со временем (задержкой) передачи (распространения). Абсолютная задержка Та представляет общую (суммарную) задержку распространения сигнала в одном направлении между стороной передачи и стороной приема и используется для оценки ухудшения вследствие излишней длительности задержки.

Средняя задержка распространения сигнала в одном направлении (в один конец) Т представляет задержку распространения сигнала между стороной приема (когда она является говорящей) и точкой тракта соединения, в которой происходит ввод в тракт сигнала, являющегося источником эхо. Задержка распространения сигнала по кругу, т. е. в обоих направлениях Тг представляет только задержку в 4–х проводном шлейфе, где ухудшение качества происходит вследствие наличия эхо слушающего в результате двойного отражения сигнала.

Выходом модели является оценка R:

где, Ro – отношение сигнал/шум;

Is – коэффициент, который включает все факторы ухудшения, проявляющиеся при передаче речи;

Id – коэффициент влияния задержки;

Ie,eff – коэффициент действительного ухудшения за счет оборудования;

A – коэффициент преимущества.

Используемые при вычислении основного отношения сигнал/шум Ro значения всех параметров (значения по умолчанию и диапазон значений) приведены табл.3.3 [9].

Т а б л и ц а 3.3 – Значения при вычислении основного отношения сигнал/шум громкости передачи) громкости приема) Продолжение таблицы 3. маскировки местным эффектом) (Оценка местного эффекта у слушающего) (Значение D для телефона на передаче) Side (Значение D для телефона на приеме) говорящего) (Взвешенное затухание в тракте эхо) распространения в одном направлении в тракте эхо) (Время распространения по кругу в 4–проводном шлейфе) Connections (Абсолютная задержка в соединениях без эхо) Units (Число единиц искажений квантования) (Коэф–т ухудшения за счет оборудования) Продолжение таблицы 3. Circuit Noise referred to 0 Nc отнесенный к точке с Side (Фоновый шум на стороне (dBmp) приема) Side (Шум помещения на стороне передачи) Side (Шум помещения на стороне приема) Advantage Factor (Коэф–т преимущества) ПРИМЕЧАНИЕ 1: Суммарные значения между микрофоном или телефоном и точкой с уровнем 0 дБр, ПРИМЕЧАНИЕ 2: Неизменная взаимосвязь: LSTR = STMR + D.

ПРИМЕЧАНИЕ 3: В настоящее время в процессе изучения.

Отношение сигнал/шум Ко определяется выражением [9] (в отличие от [9] не будем опускать размерность – децибелы):

где SLR – оценка громкости передачи, по умолчанию SLR=8дБ (см. таблицу 2.3);

слагаемое N0, дБмОп (дБмОп – абсолютный уровень мощности псофометрического сигнала относительно 1 мВт в точке с нулевым уровнем) представляет сумму мощностей различных источников шума и определяется по формуле:

где Ne, дБмОп представляет сумму мощностей всех источников шума в тракте, отнесенную к точке с уровнем 0 дБр, значение по умолчанию равно Nc=–70 дБмОп (см.

таблиц 3.3).

Nos, дБмОп представляет эквивалентный шум тракта в точке с уровнем 0 дБр, вызываемый шумом помещения Ps на стороне передачи:

где Ps – шум помещения на стороне передачи, по умолчанию Ps=35 дБ(А) (см.

табл.2.3);

Ds – значение D для телефона на передаче, значение по умолчанию Ds=3 (см. таблицу 3.3);

Подставляя в (3.5) значения параметров можно получить:

Nos = 35 – 8 – 3 –100 + 0,004(35 –10 – 3 –14)2 = –75,744, дБ, Точно так же, шум помещения Рг на стороне приема преобразуется в эквивалентный шум тракта Nor, дБмОп в точке с уровнем 0 дБр:

где RLR – оценка громкости приема, по умолчанию RLR =2 дБ (см. таблицу 3.3).

Слагаемое Pre, дБм0п представляет «эффективный шум помещения» и равен сумме Рг и слагаемого, учитывающего местный эффект на стороне слушающего абонента:

где Рг– шум помещения на стороне приема, по умолчанию Рг =35 дБ(А) (см. табл.3.3);

LSTR – оценка местного эффекта у слушающего, по умолчанию LSTR =18 дБ (см.

таблицу 3.3).

NFo,дБм0п представляет фоновый шум (нижний уровень или «пол» шума) на стороне приема, а именно:

где величина Nfor – фоновый шум на стороне приема, обычно задается равной – дБмп (dBmp).

Подставляя значения параметров в (3.4) получаем:

По формуле (3.2) основное отношение сигнал/шум:

Ro = 15 –1,5(8 + (–61,179) = 94,769, дБ Коэффициент ухудшения вследствие одновременности действия факторов Is является суммой всех факторов ухудшения, которые могут иметь место более или менее одновременно с передачей речи.

Коэффициент Is подразделяется далее на три конкретных коэффициента ухудшения:

где величина lolr представляет снижение качества, вызванное слишком малым значением OLR и выражается формулой:

где X = OLR + 0,2(64 + No– RLR) =10 + 0,2(64 + (–61,179 – 2) = 10,164. Коэффициент Ist представляет ухудшение, вызываемое не оптимальностью местного эффекта:

где STMR – оценка маскировки местным эффектом, по умолчанию STMR=15 дБ (см.

таблицу 3.3);

Т – среднее время распространения в одном направлении в тракте эхо, значение по умолчанию равно Т=0 мс (см. таблицу 3.3);

TELR – оценка громкости эхо говорящего, по умолчанию TELR = дБ (см. таблицу 3.3).

Коэффициент ухудшения Iq представляет ухудшение, вызываемое искажениями за счет квантования:

G=1.07+0.258Q+0.0602Q2=1.07+0.258*37+0.0602*37=93.03, Q=37–151lg(qdu)=37–151lg(1)=37, qdu – число единиц искажений квантования, по умолчанию qdu = (см. таблицу 3.3).

В результате вычислений:

Ls=0.44+0.13+0.975=1.428, Lq=15lg[1+10–5.209+10–0.792]=0.975.

Сформулируем замечания по поводу представления показателя R в рекомендациях ITU–T G.107, G.108 [9,11].

А) По своей сути и обобщенный показатель R является отношением сигнал/шум по мощности. Несколько странным представляется то, что в [9,11] это не фиксируется и, более того, ни R, ни Ro не выражаются в децибелах, как и ряд остальных (поправочных) коэффициентов в формуле (3.2).

Б) Показатель R учитывает все шумы, связанные с пакетной передачей речи, шумы в помещении на передающей и приемной сторонах, Ds и Dr– факторы и т.п. Таким образом он представляет результирующее отношение сигнал/шум по мощности и казалось бы, что R=ОСШ. Однако, как будет показано ниже, это не так.

В) Коэффициент преимущества А имеет положительные значения и согласно формуле (3.2) его учет приводит к увеличению отношения сигнал/шум. Это не соответствует условиям, для которых в таблице 1/ G.107 приводятся конкретные значения А.

С) использованием показателя R аналитически определяется величина МOS[10]:

График зависимости МОS от R представлен на рисунке 3.4 [10].

В наиболее важном для практики диапазоне 2,5 MOS 4,4 применима приближенная аппроксимация: MOS=R/20 (с погрешностью менее 5%)[10]. Показателю R предлагается выступать критерием качества – рейтингом качества (Quality Rating) по стобальной (децибелы приравниваются к баллам?) шкале. ITU–T рекомендует пользоваться единицами R, которые и были использованы в последних материалах ETSI.

В качестве базы для оценки принята рекомендация МСЭ–Т G.109 для сети СТОП. В таблице 3.4 приведены градации качества по этой рекомендации в сопоставлении с приведенными выше градациями. Очевидна их существенная несогласованность.



Pages:   || 2 |
Похожие работы:

«Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова Научно-техническая библиотека Научно-библиографический отдел Прикладная геодезия в строительстве Библиографический список в помощь учебному процессу Белгород 2013 Прикладная (инженерная) геодезия решает задачи геодезического обеспечения проектов строительства и эксплуатации различных инженерных сооружений, к которым относятся жилые и общественные здания, промышленные комплексы, метрополитен, автомобильные и железные...»

«Главное – делайте все с увлечением, это украшает жизнь. Л.Д.Ландау Введение Цифровые и микропроцессорные радиотехнические устройства применяются для построения сетки опорных частот возбудителей радиопередатчиков, в системах фазовой автоподстройки частоты радиоприемников и синтезаторах частот мобильных радиотелефонов. Кроме того, они используются для цифровой частотной селекции и детектирования, в устройствах кодирования и сжатия сигналов цифровых систем связи и телевидения, для сопряжения...»

«ХАЛИКОВА МАЛИКА ОЛИМОВНА ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА НИЗКОВОЛЬТНЫХ ЦИФРОВЫХ СХЕМ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕМЕНТАРНЫХ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ Специальность: 5А552005 – Радиотехнические устройства и средства связи ДИССЕРТАЦИЯ На соискание академической степени магистра Работа рассмотрена Научный руководитель и допускается к защите _ зав. кафедрой _ _ 2009 г. Научный консультант _ ТАШКЕНТ...»

«1 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) ТЕОРИЯ ВЕРОЯТНОСТЕЙ КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ Для студентов очного обучения факультетов Электроники, ИТ и РТС МОСКВА 2011 2 Составители: А.Ф.Золотухина, О.А.Малыгина, Е.С. Мироненко, Т.А. Морозова, О.Э. Немировская-Дутчак, Э.В. Переходцева, И.Н. Руденская, Л.И....»

«Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ульяновский государственный технический университет Научная библиотека Научно-библиографический отдел Ресурсы Интернет по радиоэлектронике Путеводитель Ульяновск 2011 Ресурсы Интернет по радиоэлектронике [Электронный ресурс] : путеводитель / Ульяновский государственный технический университет, Науч. б-ка УлГТУ ; сост. С. Ю. Фролова. – Электрон. дан. – Ульяновск, УлГТУ, 2011. – 27 с. В...»

«Бернард Бернардович Кажинский БИОЛОГИЧЕСКАЯ РАДИОСВЯЗЬ Издание второе (стереотипное) ИЗДАТЕЛЬСТВО АКАДЕМИИ НАУК УКРАИНСКОЙ ССР КИЕВ-1963 ВМЕСТО ПРЕДИСЛОВИЯ 2 ОТ АВТОРА 7 ГЛАВА I 11 ЯРКИЙ СЛУЧАИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ РАДИОСВЯЗИ 11 Поиски аналогий 12 Нервная система и радиотехника 15 Первые вылазки в свет 21 Лабораторные опыты 23 ГЛАВА II 28 СРЕДИ ЧЕТВЕРОНОГИХ И ПЕРНАТЫХ ДРУЗЕЙ В. Л. ДУРОВА 28 Собака Марс посрамляет скептиков 31 Я в роли подопытного 33 Клетка Фарадея 34 Загадка двух чисел Решающие опыты...»

«Некоммерческое акционерное общество АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ Кафедра Телекоммуникационные системы Специальность_6M071900 Радиотехника, электроника и телекоммуникации ДОПУЩЕН К ЗАЩИТЕ Зав. кафедрой к.т.н., _Шагиахметов Д.Р. (ученая степень, звание, ФИО) (подпись) г. __2014 МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ пояснительная записка на тему: Исследование характеристик качества абонентских линий ВОЛС Магистрант_Байбусинова А.С. группа МТСп-12- _ (Ф.И.О.) (подпись) Руководитель_к.т.н.,...»

«В.П. Шелохвостов, В.Н. Чернышов ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ ИЗДАТЕЛЬСТВО ТГТУ Министерство образования и науки Российской Федерации ГОУ ВПО Тамбовский государственный технический университет В.П. Шелохвостов, В.Н. Чернышов ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ Рекомендовано Учебно-методическим объединением по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации в качестве учебного пособия Издание второе, стереотипное Тамбов Издательство ТГТУ УДК...»

«Зарегистрировано в Минюсте РФ 4 февраля 2010 г. N 16262 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПРИКАЗ от 22 декабря 2009 г. N 814 ОБ УТВЕРЖДЕНИИ И ВВЕДЕНИИ В ДЕЙСТВИЕ ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО СТАНДАРТА ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ПО НАПРАВЛЕНИЮ ПОДГОТОВКИ 210400 РАДИОТЕХНИКА (КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ) БАКАЛАВР) КонсультантПлюс: примечание. Постановление Правительства РФ от 15.06.2004 N 280 утратило силу в связи с изданием Постановления Правительства...»

«2 Работа выполнена на кафедре радиотехники и радиосистем Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых Научный консультант Никитин Олег Рафаилович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой радиотехники и радиосистем Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Пензенский государственный педагогический университет имени В. Г. Белинского ПРИНЯТО УТВЕРЖДАЮ на заседании Ученого совета проректор по учебной работе физико-математического факультета _ М. А. Пятин Протокол заседания совета факультета _2007 г. № _от _2007 г. Декан ф-таВ.И. Паньженский ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ Электрорадиотехника 05.02.01 – Математика с дополнительной специальностью физика Физико-математический факультет Кафедра общей физики Пенза – I....»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ТАГАНРОГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СОГЛАСОВАНО УТВЕРЖДАЮ Председатель методической комиссии по образовательной программе Декан _ факультета _ _ _ 2005/2006 учеб. год _2005/2006 учеб. год Образовательная профессиональная программа (ОПП) Автоматизированные системы обработки информации и управления...»

«СОДЕРЖАНИЕ I. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ НАУКИ Куликова Юлия Павловна СТРУКТУРА ОЦЕНКИ УДОВЛЕТВОРЕННОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ИННОВАЦИЯМИ 7 Мещерякова Елена Владимировна РОЛЬ ЕврАзЭС В РАЗВИТИИ ЭКОНОМИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА РОССИИ И ПОВЫШЕНИИ КОНКУРЕНТОСПОСОБНОСТИ ЕЕ ЭКОНОМИКИ НА МИРОВОМ РЫНКЕ 9 Торгушина Екатерина Васильевна РАЗВИТИЕ РЕГИОНАЛЬНЫХ СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ СИСТЕМ: ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ 12 Пыршева Марина Валерьевна ВНЕШНЕЭКОНОМИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ И ТОРГОВАЯ ПОЛИТИКА РОССИИ В ТАМОЖЕННОМ СОЮЗЕ И ВТО ШКОЛА...»

«Отчет ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН по целевой программе Президиума РАН Поддержка молодых ученых за 2012 год: Федеральное государственное бюджетное учреждение наук и Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук (включая Фрязинский, Саратовский и Ульяновский филиалы) в рамках интеграции с Вузами имеет 11 научно-образовательных центров, в которых обучается 538 cтудентов и 55 аспирантов, 1 докторант, 7 соискателей: 1. Кафедра твердотельной электроники и...»

«Известия СПбГЭТУ ЛЭТИ 1’2007 СЕРИЯ История науки, образования и техники СО ЖАНИЕ ДЕР ИЗ ИСТОРИИ НАУКИ Редакционная коллегия: О. Г. Вендик Золотинкина Л. И. Начало радиометеорологии в России Партала М. А. Зарождение радиоразведки в русском флоте Ю. Е. Лавренко в русско-японскую войну 1904-1905 гг. В. И. Анисимов, А. А. Бузников, Лавренко Ю. Е. Коротковолновое радиолюбительство в истории радиотехники Л. И. Золотинкина, Любомиров А. М. Индукционная плавка оксидов В. В. Косарев, В. П. Котенко, в...»

«На пр равах рук кописи Ю Юргаев Д Дмитрий Андрееви А ич МАТЕМА МАТИЧЕССКОЕ И П ПРОГРАМ ММНОЕ ОБЕСПЕЕЧЕНИЕ Е АДДИТ ТИВНЫХ СЕТЕВЫ ПОР Х ЫХ РТАЛОВ И ОБРАЗ ЗОВАТЕЛ ЛЬНЫХ ППОРТАЛЬ ЬНЫХ К КОНСОРЦЦИУМОВ В Ав вторефер рат диссе ертации н соиска на ание учён степе канди ной ени идата технических наук х по специальн о ности 05.13.11 Математиче еское и про ограммное обеспечен е ние вычисслительны машин, к ых комплексов и компью в ютерных с сетей Москва МИРЭА а, А, Работа выполнена на кафедре Технических и...»

«144 ГЛАВА 5 РАСТРОВАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ 5.1. ВВЕДЕНИЕ Принципиально новая идея построения электронного микроскопа была сформулирована в 1935 году М.Кнолем (идея оптического сканирующего микроскопа была ранее высказана и реализована одним из создателей современного телевидения В.К.Зворыкиным в 1924 году) [1-5]. Согласно этой идее изображение объекта формируется последовательно по точкам и является результатом взаимодействия электронного пучка (зонда) с поверхностью образца. Каждая точка...»

«База нормативной документации: www.complexdoc.ru ФЕДЕРАЛЬНАЯ АВИАЦИОННАЯ СЛУЖБА РОССИИ УТВЕРЖДЕНО Приказом директора ФАС России от 17 июня 1999г. №155 ФЕДЕРАЛЬНАЯ АВИАЦИОННАЯ СЛУЖБА РОССИИ ПРИКАЗ 17июня 1999 г. № 155 г. Москва Об утверждении и введении в действие Руководства по радиотехническому обеспечению полетов и технической эксплуатации объектов радиотехнического обеспечения полетов и авиационной электросвязи В целях совершенствования нормативной правовой базы технической эксплуатации...»

«Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение Центр образования Санкт-петербургский городской Дворец творчества юных Городской центр развития дополнительного образования Информационно-методический кабинет В помощь педагогу Педагогу на заметку Наука и техника Информатика и программирование ТРИЗ Моделирование и радиотехника, автоспорт Искусство и творчество ИЗО и ДПТ Музыка, вокал, театр Краеведение Туризм Культура и история Иностранный язык Патриотическое воспитание Физическая...»

«АННОТАЦИЯ МАГИСТЕРСКОЙ ПРОГРАММЫ РАДИОФИЗИКА ПО НАПРАВЛЕНИЮ ПОДГОТОВКИ 210400.68 РАДИОТЕХНИКА Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет) Общие положения Основная образовательная программа (ООП) подготовки магистров по направлению 210400.68 Радиотехника разработана в соответствии с федеральным государственным образовательным стандартом высшего...»






 
© 2014 www.kniga.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Книги, пособия, учебники, издания, публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.