ISSN 0013-5771. "Электросвязь", №6, 2007 (http://www.elsv.ru)

В.И. Нейман, главный научный сотрудник ИППИ РАН, д.т.н.
Д.А. Селезнев, аспирант МТУСИ

ДАЛЬНЕЙШАЯ ИНТЕГРАЦИЯ СЕТЕЙ И ЗАДАЧИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ТЕЛЕФОННОЙ СВЯЗИ

Традиционные сети связи работали по принципу предоставления удаленным пользователям стандартного канала связи, по которому они могли обмениваться сообщениями с помощью электрических сигналов. Стандартный канал соответствовал конкретной услуге связи. Услуг было немного: телеграф, телефон, радиовещание, телевидение. Для каждой из них были созданы специальные абонентские устройства, предназначались свои стандартные каналы, и на этой основе были созданы специализированные сети связи во всех странах. Именно с такими средства­ми связи человечество прожило большую часть XX столетия. Однако еще в середине прошлого века были сформулированы, по крайней мере, две важные революционные идеи, которые привели к коренной перестройке сетей связи.

Интеграция услуг связи на основе цифровой техники. Упомянутые революционные идеи основывались на двух диссертациях, защищенных в Массачу­сетсом технологическом институте (МТИ, США). Во-первых, в 1948 г. К. Шеннон доказал, что при любых помехах возможна сколь угодно достоверная пе­редача информации (правда, с ограниче­нием скорости передачи). Это положение было сформулировано и доказано в виде теоремы о существовании (Н<С, т.е. сколь угодно достоверная передача воз­можна, если пропускная способность канала связи больше энтропии источника сообщений) [1]. Что же касается кон­структивного решения этой проблемы, то в ходе исследований в течение всей второй половины XX в. стало ясно, что чем ближе мы подходим к предельным возможностям, предсказанным К. Шенноном, тем более сложные вычисления требуются в приемопередающей аппара­туре. Впрочем, общее направление поис­ков указал еще сам К. Шеннон: оно состояло в переводе сетей связи на цифровую технику. Вопрос же целесообразности реализации той или иной сложной системы зависит от соотношения стоимостей оконечной аппаратуры и линейных сооружений и, в частности, от возобновляемое™ линейных ресурсов. Например, возобновить радиолинию гораздо сложнее, чем проводную. Поэтому аппаратура, предназначенная для работы по радиолинии, может быть более слож­ной и дорогой, причем ее стоимость может уменьшаться с развитием микро­электроники.

Во-вторых, в 1976 г. Л. Клейнрок доказал целесообразность применения пакетной передачи как эффективного и гибкого средства повышения пропускной способности каналов и сетей. После защиты этой диссертации военное ведомство США немедленно заказало компании "Болт, Беранек и Ньюмен" оборудование для четырех узлов коммутации пакетов, установка которых положила начало созданию сети АРПА. Впоследствии эта сеть была передана из военного подчинения Национальному научному фонду США и в ходе дальнейшего развития стала всемирной сетью Интернет.

Главным недостатком цифровых сетей интегрального обслуживания (ЦСИО) с коммутацией каналов является серьезное усложнение управления сетью. Работа с целым набором стандартных каналов, которые различаются скоростями передачи и предназначаются для разных услуг, может оказаться неэффективной. Не всегда реальная скорость передачи по каналу соответствует номинальной скорости этого канала. Возмож­ны даже паузы в передаче, когда канал просто простаивает. При коммутации же пакетов скорость передачи информации, которая требуется пользователю кон­кретной услуги, просто трансформируется в частоту передачи стандартных пакетов данных по общему тракту, разделяемому многими пользователями. Именно такой подход лежит в основе разнообразных сетей пакетной передачи, которые были разработаны во многих странах в последние десятилетия XX в. Крупным достижением разработок пакетных сетей является межсетевой протокол IP (Internet Protocol), применяемый в сети Интернет. Однако этот протокол обеспечивает работу в так назы­ваемом режиме наибольшего благоприятствования, при котором пакеты обра­батываются в порядке поступления, и, в случае перегрузки сети, задержки и неудобства в равной мере затрагивают всех пользователей. Такой режим может удо­влетворить пользователя электронной почты или получателя файла, но не может обеспечивать предоставление услуг в реальном времени.

Известно также компромиссное ре­шение, ориентированное на сочетание коммутации каналов и коммутации па­кетов в попытках объединить достоин­ства каждого из этих способов работы. Оно лежит в основе широкополосной цифровой сети интегрального обслужи­вания (Ш-ЦСИО) и использует технологию ATM. Альтернативным решением является протокол TCP (Transmission Control Protocol) и другие протоколы, принятые на транспортном уровне сети Интернет. Задачей таких протоколов является обеспечение надежной передачи информации по ненадежной пакетной сети, работающей по протоколу IP. Транспортный уровень сети Интернет характеризует принципиально новый способ организации логических каналов в сети. Здесь пользователь может не знать ни местоположения своего корреспондента, ни маршрута, по которому он поддерживает с ним связь. Например, единственный параметр, который контролирует протокол TCP и который он использует для управления сетью - время, проходящее от момента передачи пакета до момента получения подтверж­дения о его получении другой стороной.

История развития сетей связи привела к тому, что сегодня в мире существует бывшая коммутируемая телефонная сеть общего пользования (КТСОП), развивающаяся в направлении перехода к ЦСИО, и сеть Интернет. Обе эти сети быстро развиваются, взаимно обогащая друг друга, но и остро конкурируют между собой в сфере предоставления услуг связи. В разных странах каждая из этих сетей находится на разной стадии развития, и выбор приоритетов и перспектив развития этих сетей как на рынке услуг связи, так и в работе органов государственного регулирования, остается одной из центральных задач развития связи. Поэтому заслуживают присталь­ного внимания идеи интеграции КТСОП (ЦСИО) и сети Интернет [2] и как важная часть этой общей проблемы - Интернет-телефония. Основная ее идея состоит в передаче разговорных сигналов в виде пакетов, несущих отдельные отрезки цифрового речевого сигнала (например, продолжительностью по 20 мс). При этом совершенно необязательно, чтобы время передачи такого пакета продолжалось именно 20 мс. Речевой пакет может передаваться сколь угодно быстро. Важ­но лишь, чтобы приемное устройство накапливало поступающие пакеты и выдавало их на декодирование через регулярные промежутки времени (в обсуждаемом случае - через каждые 20 мс). В связи с этим, в отличие от принципов нормирования качества связи в телефонной сети, в Интернете приходится учитывать гораздо больше факторов, с которых и начнем обсуждение проблемы.

Нормирование качества телефонной связи. Факторы, определяющие качество услуг Интернет-телефонии, показаны на рисунке [3]. Исследованиями методов оценки качества услуг телефонной связи занимается 12-я Исследовательская ко­миссия Сектора стандартизации связи Международного Союза Электросвязи (ITU-T, SG-12), которая начала свою деятельность, в частности, с разработки рекомендации Р.800. Первым критерием качества услуг передачи аудио- и речевой информации являются субъективная оценка качества передачи, воспринимаемого слушателем. Наиболее широко ис­пользуемой методикой субъективной оценки качества является рейтинг мнений группы слушателей, т.е. экспертная оценка. Различают рейтинг абсолютных ка­тегорий AGR (Absolute Category Rating) и ухудшающихся категорий DCR (Degra­dation Category Rating). При испытаниях по системе AGR применяется следующая шкала оценки мнений: отлично (5), хоро­шо (4), удовлетворительно (3), неудовле­творительно (2) и плохо (1). Соответ­ствующие английские слова, принятые в официальном документе (excellent, good, fair, poor, bad) отражаются приведенны­ми русскими переводами достаточно точно. Среднее арифметическое значение всех высказанных мнений называется оценкой MOS (Mean Opinion Score). При испытаниях по системе DCR оценки даются по пятибалльной шкале ухудше­ния: ухудшение не прослушивается (5), ухудшение слышно, но не беспокоит (4), ухудшение слегка беспокоит (3), ухудшение беспокоит (2) и ухудшение раздражает (1). Среднее арифметическое всех субъективных оценок, полученных таким образом, называется DMOS (Degradation Mean Opinion Score).

С точки зрения факторов, учитываемых при субъективных оценках, различают субъективное качество по слыши­мости и по разговору. Оценка качества по разговору учитывает двустороннюю связь, а оценка качества по слышимости просто основывается на записанной речи. Хотя общее качество передачи речи дол­жно обсуждаться с позиций качества по разговору, оценка по слышимости также является очень полезной при диагностике влияния отдельных факторов на качество речи, например, кодирование речи и потери пакетов при передаче речи по Интернету.

Оценка MOS может зависеть от эксперимента вследствие разницы во време­ни испытаний и смещения уровней качества в ходе эксперимента. Например, если испытания проходят в условиях хорошего качества передачи, оценка MOS в некоторых случаях может оказаться ниже оценки, которая была бы получена в условиях менее благоприятного качества передачи. Поэтому необ­ходимо устранить влияние таких условий на оценку качества MOS. Авторами [3] был предложен метод эквивалентных оценок качества (Q-метод [4]), при кото­ром применяется эталонный блок моду­лированного шума MNRU (Modulated Noise Reference Unit). Такой подход был описан в 1984 г. в рекомендациях Р.810. Блок MNRU - это эталонная система, на выходе которой выдается речевой сигнал и шум с равномерным спектром, корре­лированный по амплитуде с речевым сигналом. Отношение (в децибеллах) сигнала к шуму, коррелированному с речевым сигналом, называется оценкой Q. Эквивалентная экспертной оценке MOS оценка качества Q определяется как значение Q речи MNRU с качеством, эквивалентным оцениваемой речи. Если предположить, что относительное каче­ство испытуемой речи по сравнению с MNRU в ходе субъективных эксперимен­тов сохраняется, то результирующее зна­чение величины Q будет воспроизводимым.

Поскольку субъективные оценки качества требуют времени и затрат, необ­ходим метод оценки субъективного качества путем измерений физических характеристик терминалов и сети. В широком смысле все подобные методы являются формами объективной оценки качества. Такие методы могут быть разбиты на несколько групп с точки зрения цели, процедуры измерений, информации на входе и оценки MOS. Методы объектив­ной оценки качества, которые исполь­зуют параметры качества сети и терми­налов и дают оценки MOS, называются моделями оценок. С другой стороны, модели, которые требуют в качестве исходных данных поступающий речевой сигнал, и выдают оценки MOS по слышимости, называются объективными моделями уровня речи. Модели, которые используют характеристики пакетов IP и выдают оценки MOS по слышимости, называются объективными моделями уровня пакетов. Хотя объективные модели уровня речи и уровня пакетов оценивают одну и ту же характеристику (качество слышимой речи), они применяются в разных условиях. Например, если в ходе предоставления услуги невозможно или трудно получить реальные образцы речи, необходимо применять объективные модели уровня пакетов. Если же трудно получить информацию о пакетах или требуются как можно более точные оценки качества, необходимо пользова­ться объективными моделями речевого уровня.

Особенности управления качеством Интернет-телефонии. К настоящему времени в мире (особенно в США и Японии) накоплен большой опыт лабораторных исследований и эксплуатации Интернет-телефонии. Получены важные данные о влиянии на качество пакетной передачи речи потерь пакетов, их задержек, характеристик речевых кодеров, алгоритмов скрытия потерь пакетов и сжатия при подавлении передачи во время пауз. Обсуждается также влияние эха, основ­ной причиной которого является факт, что большинство абонентов получает доступ к Интернет-телефонии по двух­проводным аналоговым цепям.

При превышении некоторой порого­вой интенсивности потери пакетов в сети Интернет ведут к искажениям передаваемого звука. Такие искажения вызывают ухудшение качества речи, растущее с увеличением потерь пакетов. Для любого конкретного соединения искажения зависят от распределения потерянных паке­тов и использования алгоритма скрытия этих потерь. В первых официальных документах были утверждения, что по­тери пакетов не являются существенной проблемой, если они не достигают 5%-ного уровня. Однако более подробные исследования в США [5] показали, что при 5% потерь пакетов оценка MOS приближается к 3. Эти исследования проводились при кодировании по реко­мендации G.711 (т.е. при импульсно-кодовой модуляции со скоростью пере­дачи 64 кбит/с), и пакетах размером 20 мс. При других условиях, а особенно при разных алгоритмах скрытия потерь пакетов, эти данные могут существенно изменяться. Простейший алгоритм скрытия потери пакета - вставка тишины, т.е. отсутствие звука в течение 20 мс. Более сложная возможность - повторение отсчета правильного последнего приема, полученного за 30 мс до потери пакета и последующая вставка тишины большей продолжительности. Проводились также исследования ситуаций, когда пакеты теряются пачками при сохранении той же общей интенсивности потерь. В част­ности, проводились сравнительные ис­следования влияния на оценку MOS 1, 2 и 5%-ных потерь пакетов в двух случаях: при псевдослучайном распределении потерянных пакетов, когда никакие два пакета не терялись последовательно, и при формировании пачек до восьми по­следовательно потерянных пакетов по 20 мс. Если при 1-2% потерь оценки MOS в обоих случаях были близки, то при 5% пачечные потери ухудшали оценку. Для того, чтобы обеспечить уровень качества передачи речи, эквивалентный качеству передачи КТСОП, авторы [5] считают, что при использовании Интернет-телефо­нии потери пакетов должны поддержи­ваться на уровне ниже 1%.

В фиксированных (проводных) сетях получили широкое распространение тра­диционные схемы кодирования речи методом ИКМ. С точки зрения аппаратной реализации это наиболее простой и дешевый способ. При возобновляемых ре­сурсах линейных сооружений усложнение оконечной аппаратуры за счет применения более сложных схем кодирования оказывается экономически неоправданным. Другое дело - беспроводные каналы. Радиоволны - ресурс невозобновляемый, поэтому в мобильных телефонах приходится идти на более сложные и дорогие схемы кодирования (применять низкоскоростные кодеки). Но сигналы мобильных телефонов передаются без проводов только на участке от мобильного телефона до базовой станции. Дальше они распространяются по фикси­рованной проводной сети, на входе в которую речевой сигнал должен быть декодирован и преобразован в форму, принятую в проводной сети. Но сеть Интернет, в отличие от коммутируемой телефонной сети общего пользования, не предусматривает единого стандарта цифровой передачи речи. Поэтому шлюзы, как правило, оборудуются не только кодеком G.711, по и низкоскоростными кодеками, например, по рекомендациям G.726, G.728 или G.729E. Это может быть причиной дополнительного ухуд­шения качества передачи за счет задер­жек вследствие перекодирований.

В отдельных телефонных каналах речь передается с перерывами (периодами молчания), в течение которых або­нент выступает в роли слушателя. По­этому магистральный канал с усилителями обычно используется приблизительно лишь на 40%. Специалисты давно обрат­или на это внимание, и еще в эпоху аналоговой связи на пучке каналов трансатлантической телефонной связи была создана система интерполяции речи TASI, позволившая удвоить число логических разговорных каналов по сравне­нию с числом существовавших физиче­ских каналов. Важными элементами по­добных систем являются обнаружители речевой активности VAD (Voice Activity Detectors), проектирование которых связано с решением задач преодоления не­желательного подрезания речевого сигнала и введения подавления тишины с помощью "комфортного" шума. Впрочем, в Интернет-телефонии применение комфортного шума не рекомендуется, так как низкоскоростные кодеки обес­печивают достаточно хорошую работу в условиях помех.

Важной специфической особенностью Интернет-телефонии является задержка пакетов в речевом соединении. Хотя время передачи пакета может быть го­раздо меньше времени его формирова­ния в процессе обработки соответствую­щего отрезка речи (в рассматриваемом случае 20 мс), фактическое время его доставки может оказаться больше. Причиной задержки могут быть очереди в маршрутизаторах по пути следования пакета, причем большие задержки могут нарушить нормальный ритм речи. Влияние характеристик передачи на задержку в установленном разговорном соединении обычно рассматривается с двух точек зрения, а именно с точки зрения прерывания нормального разговорного потока и с точки зрения эха. В первом случае важна не только конкретная величина задержки, но и колебания задержки (джиттер) из-за изменений нагрузки сети. Для сглаживания таких колебаний мож­но использовать адаптивное управление накопителем пакетов с целью компенсации джиттера и его доведения до допу­стимой величины. Именно эта проблема вызвала разработку рекомендаций G.114 [6]. В основном, эти рекомендации устанавливают, что односторонняя задержка может накапливаться до 150 мс, но при превышении этой величины начинается постепенное ухудшение. Некоторые специалисты (в частности, авторы [5]) считают такую оценку упрощенной и на основании своих экспериментов указы­вают на возможность расширения обла­сти допустимых задержек до 150-200 мс.

Что касается явлений эха, то вначале на основании опыта цифровой сотовой связи предполагалось, что в Интернет-телефонии их проявление не вызовет принципиальных трудностей ввиду нали­чия рекомендаций [7] и большого разнообразия промышленных образцов техни­ческих средств борьбы с эхом. Однако одной из особенностей Интернет-телефонии является возникновение начального эха, которое возникает из-за того, что адаптация эхозаградителя требует некоторого времени. Чувствительность абонента к этому явлению повышается с увеличением задержки установления соединения. В литературе рассматривается возможность работы эхозаградителя в начальный период в режиме эхоподавителя с последующим переходом в режим эхозаградителя. Важной причиной эха может быть применение абонентских аппаратов с усилителями, отрегулированными на высокий уровень. Влияние этого усиления состоит в том, что рече­вой сигнал дальнего конца поступает из приемника телефонного аппарата с усилением, достаточным, чтобы появилась возможность обратной связи в передаю­щую часть этого аппарата и появления эха на дальнем конце.

Проблема пробы занятости. Термин "проба занятости", впервые возникший в КТСОП, означал проверку состояния вызываемого абонента, и, в случае заня­тости его линии, посылки вызывающему абоненту сигнала занятости. Такой сигнал стали посылать также в случае отсутствия свободной линии на любом из участков по пути требуемого соедине­ния. Последний случай отдаленно напоминает положение в сети Интернет. В принципе, сеть Интернет, как и телефон­ная сеть, состоит из магистральной сети и сети доступа. Однако пользователю сети Интернет не предоставляется канал связи, причем не только для двусторон­ней передачи, но вообще никакой физический канал. Ему предоставляется только односторонний логический канал, т.е. возможность односторонней передачи группы его пакетов в общем потоке с другими пакетами. Пакеты данного конкретного разговора отличаются адресом, указанным в их заголовках. Во встречном направлении собеседник данного разговора устанавливает свой логический канал. Поскольку такой способ передачи не мог гарантировать требуе­мого качества обслуживания, уже в пер­воначальной версии сети Интернет, наряду с получившим широкое распростра­нение протоколом TCP, были предусмот­рены и протокол датаграмм пользователя UDP (User Datagram Protocol), и протокол реального времени RTP (Real Time Protocol). Два последних протокола совместно уже могли гарантировать определенное качество телефонной связи, так как протокол RTP предусматривает механизм контроля времени пребывания пакета в сети.

Дальнейшие мероприятия по повышению качества обслуживания в сети Интернет привели к разработке архитек­туры интегрирования услуг IntServ на уровне сетей доступа и дифференцирования услуг DiffServ в магистральной сети. Сущность первого мероприятия состоит в объединении всех передаваемых из сети доступа пакетов в единый поток, направляемый в магистральную сеть. В магистральной же сети пакеты, требующие срочной передачи, получают преимуще­ство при обработке благодаря дифференцированию услуг. Реализация идеи Int-Serv в сети доступа сопровождается применением механизма ограничения до­ступа при предоставлении требуемых сетевых ресурсов. Эту задачу решает протокол резервирования ресурсов RSVP (Resource reSerVation Protocol). От главной ЭВМ источника по пути назначаемого маршрута передается сообщение PATH, содержащее спецификацию нагрузки. Когда это сообщение поступает в главную ЭВМ назначения, в последней создается сообщение RESV, передаваемое обратно в главную ЭВМ источника. В результате в каждом маршрутизаторе по пути следования выделяются необхо­димые ресурсы (если это возможно) и тем самым достигается соглашение о качестве обслуживания SLA (Service Level Agreement). В соответствии с достигнутым соглашением архитектура DiffServ реализует услугу, называемую срочной передачей EF (Expedited Forwarding). Однако архитектура DiffServ не устанавливает строгих количественных ограни­чений на потери пакетов, задержки паке­тов и колебания задержек.

Дальнейшие предложения по совер­шенствованию качества обслуживания содержатся в [8], где описывается метод EMDAC (End-to-end Measurement Based Admission Control, т.е. управление досту­пом на основе измерений из конца в конец). Окончательное же решение в конкретных условиях должно зависеть от характеристик ожидаемой нагрузки и возможностей программного обеспече­ния.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шеннон К. Работы по теории информации и кибернетике. - М.: Издательство инос­транной литературы. - 1963.
2. Emerson Н.Е. III. Integrated device for integrating the Internet with the public switched telephone network. Патент США 6.704.305 B2 от 9 марта 2004 г.
3. Takahashi A., Yoshino Н., Katawaki N. Perceptual QoS assessment technologies for VoIP// IEEE Communications Magazine, July 2004.
4. ITU-T Rec. G. 107. The E-Model: a compu­tational model for use in transmission planning. - July 2002.
5. James J.H., Chen В., Garrison L. Imple­menting VoIP: a voice transmission perfor­mance progress report// IEEE Communications Magazine, July 2004.
6. ITU-T Rec. G.114. One-Way Transmission Time. - May 2003.
7. ITU-T Rec. G.168. Digital Network Echo Cancellers. - June 2002.
8. Mase K. Toward scalable admission control for VoIP networks// IEEE Communications Magazine. - July 2004.
9. Нейман В.И. Системы и сети передачи данных на железнодорожном транспорте. Учебник для вузов ж.д. транспорта. - М.: Маршрут. - 2005.

Свяжитесь с нами:

+7 (495) 120-24-28

Онлайн запрос

E-mail: com@oc.ru