CC BY
13
О. В. СКРИПАЛЬ
Омский государственный университет путей сообщения
УДК 681.324
АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ 1Р-ПЕРЕГОВОРОВ В РЕАЛЬНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СЕТЯХ
ПРОВЕДЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЗВОЛЯЮТ ГОВОРИТЬ О ВЫСОКИХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИКАХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ РЕЧИ НА ОСНОВЕ ПРОТОКОЛА 1Р. В ЧАСТНОСТИ, ПЕРСПЕКТИВНЫМ ВИДИТСЯ ОРГАНИЗАЦИЯ СИСТЕМ 1Р-ТЕЛЕФОНИИ НА БАЗЕ КОРПОРАТИВНЫХ И ВЕДОМСТВЕННЫХ СЕТЕЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ. В ТОМ ЧИСЛЕ МИНИСТЕРСТВА ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ.
В процессе передачи речи по любым цифровым каналам связи (для простоты классификации будем считать модемную связь по аналоговым телефонным линиям цифровой, поскольку на входах модуляторов и на выходах демодуляторов, входящих в состав модемов, присутствуют только цифровые сигналы, которые и доступны пользователю) звуковой сигнал неизбежно претерпевает ряд преобразований. Это обусловлено не только принципиальным в данном случае аналого-цифровым преобразованием на передающей стороне и обратным ему цифро-аналоговым преобразованием на приемной стороне, но и необходимостью применения специальных методов, направленных на уменьшение передаваемого информационного потока.
Как известно, стандартный телефонный канал ограничен полосой частот от 300 Гц до 3400 Гц (так называемый канал тональной частоты). Таким образом, частоты свыше 4 кГц искусственно отфильтровываются, что позволяет уплотнять магистральные каналы связи.
При аналого-цифровом преобразовании для определения частоты выборки исходного сигнала применяют теорему Котельникова [1]:
sin a)„(t -кк /шй) соп (t - кгг / о)„)
(1)
где s(t) - произвольный сигнал; sk-мгновенное значение сигнала в k-й отсчетной точке; ша - верхняя граничная частота сигнала.
Теорему Котельникова на основании равенства (1) можно сформулировать следующим образом: произвольный сигнал, спектр которого не содержит частот свыше граничной сверху, может быть полностью восстановлен, если известны отсчетные значения этого сигнала, взятые через равные промежутки времени, равные половине периода верхней граничной частоты этого сигнала.
На практике, с учетом коэффициента запаса, верхнюю граничную частоту сигнала тональной частоты принимают равной 4 кГц Таким образом, выборки входного сигнала происходят с частотой 8 кГц, что при 8-битной разрядности аналого-цифрового преобразователя порождает выходной поток информации приблизительно в 64 кбит/сек [2]. Эта величина значительно превышает пропускающую способность наиболее популярного сейчас в России среди конечных пользователей цифровых сетей канала связи - модемного соединения на телефонных сетях общего пользования (ТфОП). С учетом реального качества работы аппаратуры передачи данных чаще всего используются протоколы передачи данных на 28,8 и 33,6 кбит/сек. Использование более скоростных протоколов модемной связи (например, V.90 на 56,6 кбит/сек) затруднено, поскольку требует применения цифровых телефонных станций, не имеющих в настоящее время широкого распространения.
Для снижения требований к пропускной способности каналов связи применяют методы сжатия речи. В настоящее время закреплены в качестве стандартов и практически используются различные алгоритмы. Существуют как универсальные, так и специализированные алго-
ритмы. Универсальные методы (наиболее широко используемый MPEG 1 Layer 3) пригодны для сжатия любой звуковой информации (например, и речевых сообщений, и музыкальных фрагментов), используют особенности строения слухового аппарата человека, в частности, ограниченную чувствительность и маскирование сильными звуками более слабых. Характеризуются повышенными вычислительными затратами. Специализированные методы (например, алгоритм CELP, основанный на линейном прогнозирующем анализе) предназначены исключительно для обработки речевых сообщений и учитывают, соответственно, особенности строения голосового аппарата человека. При этом значительно (по сравнению с универсальными методами) снижаются вычислительные затраты и выходной информационный поток. Так, например, существующие реализации позволяют передавать речевые сообщения со скоростью 2400 бит/сек, обеспечивая при этом качество восстановленного сигнала, удовлетворяющее требованиям служебной связи (оператор на приемной стороне без напряжения может принимать передаваемые сообщения; при этом невозможна идентификация по тембру и оттенкам голоса передающего оператора, речь имеет явно выраженное "металлическое" звучание) [3]. Качество восстановленного речевого сообщения, нормируемое для обычной телефонной связи достигается при 9,6-12,4 кбит/ сек, что теоретически позволяет организовывать дуплексную передачу речи даже при использовании модемов на ТфОП.
Системы IP-телефонии имеют в настоящее время устойчивую динамику роста популярности. Это обусловлено не только экономическими показателями, но и широкими сервисными возможностями, предоставляемыми подобными системами. Помимо дуплексной и полудуплексной связи в реальном времени, возможна так называемая пакетная передача данных. Необходимость в такого рода связи возникает, когда существующие каналы связи не обладают необходимой пропускающей способностью, но есть острая потребность передачи информации, допускающая некоторые отступления от стандартов. В таких случаях на принимающей стороне выдача речевого сообщения происходит только после накопления сегментированного сообщения в промежуточном буфере. Несмотря на значительное увеличение задержки передачи, метод находит достаточно широкое применение на практике. Другой возможный режим работы системы - голосовая почта. При этом отправленные сообщения хранятся на сервере оператора, предоставляющего услуги связи, до тех пор, пока не будут востребованы вызываемым абонентом. Техническая реализация чрезвычайно проста и требует практически только достаточного объема накопителей информации.
Поскольку вся информация в системах IP-телефонии передается в цифровом виде, причем методы сжатия и кодирования допускают сегментирование сообщений, оказывается возможным применение широкого спектра алгоритмов закрытия информации (гаммирования, шифрования, перестановок и т.д.) и их комбинаций. При этом требования к каналам связи либо увеличиваются незначительно, либо вовсе остаются неизменными. На качество восстановленного
сигнала процедуры закрытия влияния не оказывают. Это позволяет еще больше расширить сферу применения IP-телефонии.
Протокол IP позволяет организовывать сложные гетерогенные сети с участками разной протяженности и конфигурации разными средами передачи сигналов. Однако, можно выделить несколько наиболее часто используемых практически конфигураций. Так, для проведения исследований, направленных на изучение практической применимости цифровой передачи речевых сообщений, автором были выбраны следующие конфигурации:
- модемное соединение и использованием ТфОП
- локальная сеть топологии Ethernet
- локальная сеть топологии Ethernet с сегментом УКВ-приемопередающих устройств AirLAN
- глобальная сеть Интернет
Рассмотрим выбранные конфигурации более подробно.
Модемное соединение. Представляет собой простейшее соединение "точка-точка" (рис. 1). Передаваемая информация (если это необходимо) преобразуется в цифровую форму рабочей станцией пользователя, после чего передается по телефонным каналам связи тональной частоты, при этом модуляция и демодуляция сигнала производится модемами на приемной и передающей сторонах автоматически. Исходящий сигнал достигает автоматической телефонной станции (АТС) вызывающего абонента, по магистральным каналам связи передается на АТС вызываемого абонента и далее по коммутируемой линии - к модему последнего.
что при правильном проектировании позволяет значительно увеличить общую производительность. Сегментирование достигается применением интеллектуальных коммутаторов (switch). К недостаткам можно отнести высокие начальные затраты на проектирование и монтаж сети. Соединение по локальной сети имеет наибольшую стабильность параметров.
И
<0
Концентратор
Iiiiihi
^ [тгтттт^
Адаптер
Адаптер
а) <0
Рис. 1. Структурная схема модемного соединения
Рис. 2. Структурная схема соединения локальной сети Ethernet
Радиоканал. Существующее оборудование позволяет организовать беспроводную передачу данных на расстояния до 5-10 км. Интерфейс совместим со стандартом Ethernet. Практически, можно говорить о сегменте локальной сети, использующей в качестве передающей среды полосу радиочастот (рис. 3). Определенной альтернативой являются устройства, работающие в видимой и близкой к ней полосе частот (в частности, лазерные устройства), которые, однако, являются более дорогими и предъявляющими повышенные требования к точности монтажа. Устойчивость канала связи значительно выше, чем при телефонном соединении. Тем не менее, оно отстает от качества локальной сети и подвержено влиянию атмосферных осадков (снег, дождь). Мз практического опыта эксплуатации подобного рода устройств известно, что из-за узкой направленности радиоизлучения к кратковременным потерям несущей может приводить, например, пролетающая стая птиц. Из всех рассмотренных методов применение радиоканала административно наиболее затруднено, поскольку требует наличия специального разрешения на использование полосы радиочастот. Это может служить значительным препятствием для организации подобных каналов связи, например, в крупных индустриальных центрах.
В настоящее время подобное соединение имеет наибольшее распространение среди частных пользователей, которых привлекает простота организации подобного канала и его низкая стоимость. К недостаткам можно отнести низкую пропускающую способность канала связи и нестабильность характеристик от соединения к соединению. Последняя особенность обусловлена задействованием разных контактных групп на АТС, особенно механического типа. Кроме того, канал связи подвержен сезонным явлениям - например, отмечается устойчивое снижение качества связи в весенее и осеннее время, когда колодцы телефонной канализации могут оказаться затопленными.
Локальная сеть. На сегодняшний день существует большое число различных технологий и топологий построения локальных сетей, однако наибольшей популярностью пользуются сети Ethernet. Этому способствует как высокая надежность применяемой топологии "звезда" (нарушение соединения с одним участком не приводит к нарушению функционирования сети в целом), так и оптимальным соотношением "цена/качество" системы в целом. Для организации сети необходимо оснастить каждую рабочую станцию соответствующей сетевой картой (адаптером сети) и установить коммутатор (концентратор), являющийся центральным узло,м сети (рис. 2). Кроме того, в зависимости от сложности (раэветвленности) сети, может иметь место разбиение на независимые сегменты,
4
Адаптер
Концентратор
mi]
Концентратор
Адаптер
Т Адаг
Ьтттттг
Я]
4)
Рис. 3. Структурная схема локальной сети с сегментом радиоканала
Глобальная сеть Интернет. При соединении абонентов с помощью глобальной сети оказывается возможным указать лишь часть конфигурации сети (от абонентов до оборудования компаний-провайдеров услуг Интернет). Один из примеров подобного соединения представлен на рис. 4. Несмотря на кажущуюся громоздкость, это достаточно типичная конфигурация участка глобальной
Таблица 1
N конфигурации Разборчивость по ГОСТ 16600-72 Задержка, мсек
минимальная Типичная максимальная
1 >86 80 260 1800
Г >93 >64 60 60 80 970 160 1230
3 >91 70 220 600
4 >73 360 610 3400
* Верхняя строка соответствует слабозагруженному сегменту сети, в основном используемому для передачи речи; нижняя строка - для сегмента с 90% загрузкой.
вычислительной сети. Причем о сегменте "Интернет" известно лишь количество участков, через которые проходят передаваемые пакеты (это возможно благодаря наличию в семействе протоколов TCP/IP служебного протокола ICMP - Internet Control Message Protocol, протокола служебных сообщений Интернет. Так, служебные программы traced.ехе и traceroute выдают информацию о количестве пройденных пакетом узлов, их наименованиях, а также времени в миллисекундах, затраченное на коммутацию. Получение информации о типе оборудования не предусмотрено). Соединение имеет наибольший географический охват.
Рис. 4. Структурная схема общего соединения с сетью Интернет
Автором было проведено исследование, имеющее целью выяснить возможность практического применения IP-сетей для организации переговоров. Содержание и методы измерений проводились согласно требованиям ГОСТ 16600-72 "Передача речи по трактам радиотелефонной связи. Требования к разборчивости речи и методы артикуляционных измерений" [4]. Результаты измерений представлены в табл. 1. Номера конфигурации приведены в порядке упоминания в тексте и соответствуют приведенным на рис. 1-4.
Минимальные и максимальные значения оценок задержки, являясь граничными величинами, могут значительно изменяться от измерения к измерению. На общих субъективных оценках качества связи они сказываются незначительно. Типичное значение задержки соответствует среднему значению задержки из диапазона значений, в который входят задержки сигнала, имеющие место более чем в 60% случаев.
Известно, что задержки менее 150 мсек практически не воспринимаются при передаче речевой информации. Более значительные задержки, не превышающие 450 мсек, отмечаются оператором без возникновения дискомфорта.
Измерение времени проводилось при помощи цифрового хронометра, действующего под управлением сигналов, вырабатываемых вспомогательным программным обеспечением, функционирующим в режиме реального времени с максимально доступным приоритетом выполнения. Для рассматриваемого случая международной связи подобная синхронизация оказалась невозможной.
В этом случае для организации измерений с точностью до единиц миллисекунд были использованы возможности сетевого протокола NTP (Network Time Protocol), когда и приемная и передающая стороны синхронизировались с едиными атомными часами, предоставляющими подобную возможность.
Оценка разборчивости передаваемых сообщений строится на субъективных ощущениях операторов, проводящих эксперимент. По условиям, на передающей стороне произносится определенная фраза (или просто последовательность слов), учитывающая фонетическое строение языка и включающая в себя не только все используемые в языке звуки, но и наиболее частные их комбинации. При этом на приемной стороне оценивается не только процент успешно принятых сообщений, но также и субъективные усилия оператора.
Оценим полученные значения с позиций возможности практического применения.
Модемное соединение. Минимальная величина задержки определяется в основном особенностями применяемых методов сжатия речи, в частности, разделения речевого сообщения и заполнения промежуточного буфера сегментами длительностью 15-20 мсек, вычислением (точнее, подбором) коэффициентов линейного прогнозирующего анализа. Необходимо отметить, что эта составляющая является независимой от канала передачи информации, определяемой исключительно применяемым методом сжатия и производительностью арифметико-логического устройства. В дальнейшем будем называть ее методической задержкой. Итак, кроме методической задержки присутствует также задержка непосредственно на передачу данных, примерно соответствующая скорости передачи используемых модемов на 33,6 кбит/сек. Высокое значение максимальной задержки соответствует моменту пересоединения модемов без разрыва соединения (так называемый retrain), предусмотренному используемыми протоколами связи для выбора наиболее оптимальных параметров связи на нестабильных линиях. Может быть устранено (запрещено) изменением программно-аппаратных настроек модемов.
Локальная сеть. Как наиболее быстрое соединение, имеет наименьшее минимальное значение задержки, которая приближается к методической. Максимальное значение задержки определяется незначительным уровнем коллизий, имеющим место для случаев наиболее распространенного использования локальной сети малого предприятия - услуги электронной почты, синхронизация локальных часов, передача сетевой служебной информации (кроме файлов, имеющих значительный размер).
В случае одновременной передачи файлов с терминалов, находящихся в том же сегменте сети, уровень коллизий передаваемых пакетов резко возрастает, что приводит не только к частому блокированию передачи, но и возникновению "спорных" ситуаций, которые согласно применяемым методам передачи требуют приостановку
Концентратор
передачи на случайное количество времени, что может сопровождаться непроизводительными потерями времени до 51,2 мсек.
Радиоканал. Имеет наиболее предпочтительные характеристики передачи. Максимальная задержка передачи определяется не только уровнем коллизий пакетов, но и временными потерями несущей частоты.
Глобальная сеть Интернет. В проводимых исследованиях была предпринята попытка международных переговоров. Минимальное значение обусловлено задержками прохождения пакетов через многочисленные маршрутизаторы, не только связывающие оконечные точки, ной хранящие информацию о возможных маршрутах прохождения пакетов и определяющие оптимальный на данный момент (например, во время проведения эксперимента пакеты передавались последовательно через 18 промежуточных узлов). Максимальное время задержки определяется всеми слагаемыми как модемного соединения, так и слагаемыми, характерными для сегментов локальной сети.
Необходимо отметить, что при проведении измерений использовалось общедоступное бесплатное программное обеспечение, позволяющее организовать передачу речевых сообщений в реальном времени с наименьшими затратами времени и средств широкому спектру пользователей. Недостатком подобной универсальности служит часто неоптимальное использование используемых каналов связи, поскольку не учитываются особенности, присущие конкретному типу оборудования. В частности, при модемных соединениях возможна настройка величины передаваемых пакетов в зависимости от средней величины ошибок передачи. При использовании служебных протоколов глобальных вычислительных сетей возможно
Е. А. АЛЬТМАН
Омский государственный университет путей сообщения
УДК 621.396.7
Качество обслуживания (quality of service, QoS) - это способность сети обеспечивать необходимые условия при передаче трафика. В связи с увеличением объема передаваемых данных и интеграцией различных типов трафика для передачи по одной информационной сети возникает необходимость в механизмах, обеспечивающих требуемое качество обслуживания.
Информационные сети могут иметь различные уровни обеспечения качества обслуживания. Сети, обеспечивающие сервис "с максимальным усилием" (best-effort service) передают данные по мере возможностей. В них не гарантируются доставка пакетов. Эти сети также классифицируют как не поддерживающие качество обслуживания.
Другой уровень QoS предоставляют сети с дифференцированным обслуживанием (с мягким QoS, differentiated service или soft QoS). Они по-разному обрабатывают различные проходящие данные и могут предоставить луч-
накопление статистики о наиболее удачных маршрутах соединений с последующим управлением сетевыми маршрутизаторами.
Приведенные данные можно считать нижней оценкой, поскольку применением комплексного подхода к проблеме улучшения цифровой связи (применением современных алгоритмов сжатия речи, учетом при проектировании сетей и выборе сетевого оборудования особенностей систем передачи речи) возможно значительное улучшение параметров связи.
Дополнительным аргументом может служить высокий экономический показатель подобного рода связи. В зависимости от географической удаленности стоимость переговоров в системах 1Р-телефонии может составлять от 3 до 18% от стоимости традиционных услуг связи. Это является серьезным стимулом для организации, например, международной связи.
Литература
1. Баскаков С И. Радиотехнические цепи и сигналы. -М.: Высшая школа, 1988.
2. Величкин А.И. Передача аналоговых сообщений по цифровым каналам связи. -М.: Радио и связь, 1963.
3. Калинцев Ю.К. Разборчивость речи в цифровых вокодерах. - М.: Радио и связь, 1991.
4. ГОСТ 16600-72 Передача речи по трактам радиотелефонной связи. Требования к разборчивости речи и методы артикуляционных измерений.
СКРИПАЛЬ Олег Валерьевич, аспирант Омскоготосудар-ственного университета путей сообщения.
шее обслуживание для определенного типа трафика. Благодаря разделению передаваемых данных на потоки предотвращается блокирование важного или чувствительного к задержкам трафика (например, голосовых данных) интенсивным, но не требующим срочной передачи (например, пересылка файла). Такой тип сетей также не дает гарантий качества обслуживания.
Сети с гарантированным сервисом (с "жестким" или "истинным" QoS, guaranteed service или hard QoS) обеспечивают гарантированное качество обслуживания. Такой тип обслуживания необходим для некоторых типов трафика, в первую очередь мультимедийного. Гарантированное обслуживание обеспечивается резервированием ресурсов на сетевых устройствах.
Условия, необходимые для передачи трафика, задаются с помощью параметров качества обслуживания. К ним относятся параметры пропускной способности (ее средняя
УПРАВЛЕНИЕ ТРАфИКОМ И КАЧЕСТВО ОБСЛУЖИВАНИЯ В 1Р-СЕТЯХ_
В РАБОТЕ РАССМАТРИВАЮТСЯ ОСНОВНЫЕ РЕШЕНИЯ, НАПРАВЛЕННЫЕ НА ВНЕДРЕНИЯ МЕХАНИЗМОВ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ КАЧЕСТВО ОБСЛУЖИВАНИЯ, В НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕННЫЕ 1Р СЕТИ. ДЛЯ ДОСТИЖЕНИЯ ЭТИХ ЦЕЛЕЙ ПРИМЕНЯЕТСЯ ТЕХНИКА УПРАВЛЕНИЯ ТРАФИКОМ, КОТОРАЯ УПРАВЛЯЕТ ПОРЯДКОМ ПЕРЕДАЧИ ПАКЕТОВ ПО ЛИНИЯМ СВЯЗИ.
