CC BY
209
Анализ показывает, что длительное время процессы взаимоустойчивы. Однако наступает промежуток времени, когда взаимонеустойчивость проявляется строго периодично — с частотой юмод.
Промежутки времени неустойчивой работы вначале короткие, потом становятся длиннее. Максимальная ширина не превышает полупериод моду. 1
лирующей синусоиды: - . Затем про-
юмод
межутки времени уменьшаются. Динамика этого процесса изображена на рис. 10. Чем ближе друг к другу частоты обоих процессов, тем четче вцдны биения.
Рис. 10. Характер биений
Очевидно, что результаты решения системы (9) можно использовать на практике. Здесь речь идет о некотором блоке предсказания взаимонеустойчивых состояний. В том случае, если такие состояния наступают, имеет смысл пропускать такты работы устройства:
Tk CLK > Tk. (13)
Представляется целесообразным и возможным реализовать на практике некоторое устройство, кото -рое будет приостанавливать функционирование взаимонеустойчивых процессов АП ЦА в моменты их неустойчивой работы. Другими словами — риски сбоя в работе автомата можно уменьшить.
Напомним, что предсказать взаимонеустойчивые моменты времени можно только для строго синхронизируемых процессов. В противном случае прогнозирование невозможно или требует больших затрат для его осуществления.
УДК 519.713 '
МЕТОДЫ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА IP-ТЕЛЕФОНИИ
ГЕМА В.С., ЧИКИНА В.А.___________________
Описывается классификация методов определения качества голосового трафика поверх IP-сети, а также сравнительный анализ субъективных и автоматических методов оценки качества предоставляемых услуг.
1. Введение
IP-телефония является наиболее перспективным средством связи. Десятки компаний по всему миру предлагают коммерческие решения для IP-телефонии. Однако на сегодняшний день качество обслуживания клиента, как комплексный параметр, является одним из наиболее актуальных моментов при предоставлении любых услуг связи, так как при этом сталкиваются интересы поставщиков и
Выводы
Проведенный анализ взаимодействия параллельных процессов в асинхронных цифровых автоматах показывает, что при достаточно близких тактовых частотах в двух параллельных асинхронных процессах возникают моменты взаимонеустойчивого функционирования. Данный процесс имеет периодичный характер и может быть предсказан на основании предложенной модели.
По мнению автора, предложенный подход к анализу взаимодействия параллельных процессов является в определенной степени универсальным. Его научная новизна заключается в использовании математического аппарата, применяемого для описания волновых процессов.
Предложенный метод анализа взаимодействия асинхронных параллельных процессов может быть применен в различных областях, где имеет место распараллеливание процессов—задачи моделирования социальных процессов, транспортные задачи, проблемы оптимального распараллеливания задач в сложных системах, для согласования сложных распределенных транзакций и т.п.
Литература: 1. Воеводин В. В., Воеводин Вл. В. Параллельные вычисления. СПб.: БХВ-Петербург, 2002. 608 с. 2. Nemchenko O, Krivoulya G. Use of parallelism in finite state machines. Mathematical level. EWDTW’04. Yalta, Crimea, Ukraine, September 23-26, 2004. P. 210213. 3. Глушков В.М. Синтез цифровых автоматов. М.: Физматгиз, 1962. 476 с.
Поступила в редколлегию 20.06.2005
Рецензент: д-р техн. наук, проф. Кривуля Г.Ф.
Немченко Александр Владимирович, аспирант ХНУРЭ. Научные интересы: оптимизация организации вычислительных процессов в компьютерных системах, параллелизм в системах, компьютерное моделирование. Адрес: Украина, 61166, Харьков, пр. Ленина, 14, тел.: 70-21-326, e-mail: [email protected].
потребителей услуг. Это вызвано, прежде всего, объективными причинами - интересы поставщиков и потребителей всегда в известной степени противоречат друг другу. И задача оператора сети связи найти оптимальное решение для удовлетворения как собственных интересов, так и интересов потребителей услуг. Таким образом, методы оценки качества передачи голоса заслуживают отдельного внимания в связи со стремительным развитием IP-телефонии и достижением ею уровня развития телефонов общего пользования (ТфОП).
В литературе основные аспекты, структура и принципы работы IP-телефонии описаны довольно детально. Исследованы основы технологии передачи речи по сетям пакетной коммутации, работающим по протоколу IP (Internet Protocol) [1]. Рассмотрены архитектуры системы IP-телефонии на базе Рекомендаций ITU-T (International Telecommunication Union) H.323 и концепции TIPHON, разработанной ETSI (European
РИ, 2005, № 3
99
Telecommunications Standards Institute) [5]. Описаны вопросы сигнализации, адресации, обеспечения качества в сетях IP-телефонии [4]. Отдельные моменты посвящены вопросам стандартизации и правового регулирования IP-телефонии, системам биллинга и менеджмента пользователей, вопросам безопасности, мобильности услуг [2].
Целью данной работы является исследование и систематизация основных методов оценки качества передачи голоса в IP-сетях и их сравнительный анализ. Методологической основой работы служат субъективные и автоматические методы измерения качества канала связи.
2. Основное изложение материала
Телефонная сеть была создана таким образом, чтобы гарантировать высокое качество услуги даже при больших нагрузках. IP-телефония, напротив, не гарантирует качества, причем при больших нагрузках оно значительно падает. Основными составляющими качества IP -телефонии являются:
а) качество речи, которое включает:
диалог — возможность пользователя связываться и разговаривать с другим пользователем в реальном времени и полнодуплексном режиме;
разборчивость — чистота и тональность речи;
эхо — слышимость собственной речи;
уровень — громкость речи;
б) качество сигнализации, включающее:
установление вызова — скорость успешного доступа и время установления соединения;
завершение вызова — время отбоя и скорость разъединения;
DTMF (Dual Tone Multi-Frequency) — определение и фиксация сигналов многочастотного набора номера.
Факторы, которые влияют на качество IP-телефонии, могут быть разделены на две категории.
1. Факторы качества IP-сети:
максимальная пропускная способность — максимальное количество полезных и избыточных данных, которые передает IP-сеть;
задержка — промежуток времени, требуемый для передачи пакета через сеть;
джиттер — задержка между двумя последовательными пакетами;
потеря пакета — пакеты или данные, потерянные при передаче через сеть.
2. Факторы качества шлюза:
требуемая полоса пропускания — различные вокодеры требуют различную полосу. Например, вокодер G.723 требует полосы 16,3 кбит/с для каждого речевого канала;
задержка — время, необходимое цифровому сигнальному процессору DSP (Digital Signal Processing)
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 они могут быть переданы в требуемой последовательно -сти для минимизации джиттера;
потеря пакетов — потеря пакетов при сжатии и/или передаче в оборудовании IP-телефонии;
подавление эха — механизм для подавления эха, возникающего при передаче по сети;
управление уровнем — возможность регулировать громкость речи.
Первые три параметра качества работы сети IP-телефонии (задержка, джиттер и потери речевых пакетов) непосредственно влияют на качество передачи речевой информации. Эти параметры не характерны для обычных телефонных сетей, поэтому для оценки качества передачи пакетной речи требуются критерии, которые отличаются от тех, которые используются для нормирования аналоговых и цифровых телефонных каналов. Ввиду различной природы передачи информации по каналам коммутируемой и IP-сети наиболее надежным способом сравнительной оценки качества передаваемой речи является субъективный метод общего мнения (Mean Opinion Score - MOS), изложенный в Рекомендациях ITU-T Р.800 и Р.830. Оценки MOS рассчитываются после прослушивания группой людей тестируемого тракта передачи речи по пятибалльной шкале. Оценки 3,5 балла и выше соответствуют стандартному и высокому телефонному качеству, 3,03,5 — приемлемому, 2,53,0 — синтезированному звуку. Для передачи речи с хорошим качеством целесообразно ориентироваться на MOS не ниже 3,5 балла.
Другим субъективным методом оценки качества является использование единиц рейтинга R (Quality Rating) по стобалльной шкале. Рекомендация ITU -T рекомендует пользоваться единицами R, которые и были использованы в последних материалах спецификации ETSI. В качестве базы для оценки принята рекомендация МСЭ-Т (Международный Союз Электросвязи) G.109 для сети ТфОП (табл. 1).
Соединения с качеством R=50 не рекомендуется стандартом ITU-T. Единицы MOS связаны с R сложной нелинейной зависимостью (рекомендация G.107). Высшему качеству R = 100 соответ-
Таблица 1
Диапазон R Категория качества речи Удовлетворенность пользователей
90 R100 Наилучшая (best) Удовлетворены в высшей степени
80 R 90 Высокая (high) Удовлетворены
70 R 180 Средняя (medium) Некоторые не удовлетворены
60 R 70 Низкая (low) Многие не удовлетворены
50 R 60 Плохая (poor) Почти все не удовлетворены
100
РИ, 2005, № 3
ствует MOS = 4,5. На практике для быстрого пересчета в наиболее важном диапазоне 2,5 <MOS< 4,4 удобна простая линейная аппроксимация: MOS=R/20. Ее погрешность менее 5%, что вполне допустимо, учитывая разбросы при субъективной оценке. Таким образом, для соединений хорошего качества желательно ограничиться первыми тремя категориями, т.е. обеспечить R=70 или MOS =3,5.
Недостатками указанных способов измерения качества передачи речи являются их субъективизм и неэффективность. Эти методы не могут быть использованы на практике для управления сетью, так как они не учитывают влияние различных параметров работы IP-сети на общую величину качества передачи речи.
Кроме субъективных методов имеется также автоматический метод измерения качества передачи речи, названный PSQM (Perceptual Speech Quality Measurement), представленный в Рекомендации ITU-T Р.861. Этот метод основан на сравнении эталонного речевого сигнала и сигнала, поступившего из кодека или IP -сети (рисунок). Метод PSQM может быть использован для сравнительной оценки качества работы различных речевых кодеков или сетей, но он также не позволяет учитывать влияние отдельных параметров IP-сети на качество передачи речи.
Наиболее удобным для оценки качества работы реальных сетей IP-телефонии является метод “рассчитываемого планируемого параметра ухудшения” ICPIF (Calculated Planning Impairment Factor), основанный на Рекомендации ITU-T G.113. Основная идея метода состоит в расчете величин различных параметров ухудшения качества передачи речи на каждом участке соединения в сети связи и сложении этих величин для получения общего параметра.
Существуют различные факторы ухудшения качества передачи речи в сетях связи (шум, задержка, эхо и т.д.) и Рекомендация ITU-T разделяет их на 5 категорий. Величина общего параметра ухудшения Itot определяется по формуле:
Itot = Io + Iq + Idte + Idd + Ie, (1)
высоким шумом в канале; Iq — параметр ухудшения качества, обусловленный шумами квантования
в PCM (Pulse Code Modulation); Idte — параметр ухудшения качества, обусловленный акустическим
эхом; Idd — параметр ухудшения качества, обусловленный передачей речи на большое расстояние
(задержка); Ie — параметр ухудшения качества, обусловленный специальными устройствами, в частности низкоскоростными кодеками.
Для сравнения работы различных сетей IP-телефонии можно не учитывать параметры Io и Iq, а значение Idte принять равным нулю. Зависимость величины параметра Idd от задержки передачи речевого сигнала в сети приведена в Рекомендации G.113. Параметр Ie используется для оценки качества работы сложных устройств обработки речевых сигналов, например низкоскоростных кодеков. В Рекомендации G.113 каждый тип кодека характеризуется специфическим параметром
K j для оценки ухудшения качества передачи речи. Когда в IP-телефонном соединении используется несколько различных кодеков, то общая величина параметра ухудшения Ie определяется суммированием индивидуальных значений параметра Kj для каждого кодека:
Ie = 1 Ki . (2)
j
В табл. 2 приведены величины параметра к для некоторых наиболее распространенных кодеков, часть из которых применяется в сетях IP-телефонии.
Следует отметить, что в Рекомендации G.113 не учитывается такой важный фактор ухудшения качества речи в сетях IP-телефонии, как потери пакетов. На практике для учета данного фактора предлагается рассчитывать процент потерянных пакетов по методу PSQM и по нему определять параметр Ie для конкретного типа кодека и скорости передачи пакетов.
где Io — параметр ухудшения качества, обуслов- Значения параметра ухудшения качества передачи ленньш не°шимальным уротнин іромк°сти и/или речи Ie с учетом потерь пакетов для некоторых
типов кодеков приведены в табл. 3 [3].
Качество передачи речи в различных сетях связи во многом определяется человеческим восприятием с учетом фактора ожидаемого уровня качества. Например, в силу специфики работы сети сотовой подвижной связи пользователи ожидают более низкое качество передачи речи, чем в провод ных сетях. Этот субъективный момент человеческо -
РИ, 2005, № 3
101
Таблица 2
Тип кодека Скорость передачи (Кбит/с) Параметр K
PCM (G.711) 64 0
APDCM(G.726, 40 2
G.727) 32 7
24 25
16 50
CS-ACELP/CA- ACELP (G.729/G.729a) 8 10
LD-CELP 16 7
(G.728) 12.8 20
VSELP (IS 54, USA) 8 20
RPE-LTP (GSM) 13 20
го восприятия качества передачи речи в различных сетях учитывается путем уменьшения параметра ухудшения качества Icpif на некоторую величину фактора ожидания А:
Icpif = Itot - A . (3)
Когда параметр ожидания A равен нулю, то Icpif = Itot, и в этом случае характеристики качества передачи речи определяются только параметрами ухудшения качества сетевыми устройствами. Это справедливо лишь для проводных сетей связи.
Таблица 3
Потери пакетов, % Параметр Ie
Кодек G.711 кодек G.729/G.792a
0 0 10
1 8 15
2 12 20
3 18 25
4 22 30
5 26 34
6 28 38
7 30 40
8 32 42
9 34 44
В Рекомендации G. 113 приведены численные значения фактора ожидания А для различных сетей передачи речи (табл. 4).
Таблица 4
Сеть связи Параметр А
Проводная сеть связи 0
Мобильная локальная сеть (сеть беспроводных телефонов в здании) 5
Мобильная сотовая сеть (на большой территории или в подвижном объекте) 10
Спутниковая сеть 20
дения общей оценки качества работы сети IP-телефонии можно предложить использовать значения A = 15 для определенных долей вызовов. В табл. 5 приведены граничные значения параметра Icpif для различных уровней качества передачи речи в соответствии с Рекомендацией G.113.
Таблица 5
Величина параметра Icpif Качество передачи речи
5 Очень хорошее
10 Хорошее
20 Удовлетворительное
30 Иногда плохое
45 Часто плохое
55 В основном неудовлетворите льно е
В целом можно констатировать, что параметры современной аппаратуры и IP-сетей в состоянии обеспечить качество передачи речи не ниже, чем ТфОП с участками спутниковой и сотовой связи. И хотя качество передачи речи в сетях IP-телефонии еще не достигло полностью уровня ТфОП, но уже вплотную к нему приблизилось. Следует, однако, отметить, что практическое внедрение VoIP на сети Интернет при всей заманчивости этой идеи остается проблематичным с точки зрения передачи с высоким качеством. Из-за очередей и непредсказуемости соотношения нагрузки и пропускной способности в сети Интернет нет гарантии, что будут обеспечены требуемые показатели QoS. Для полностью гарантированной качественной коммерческой передачи речи и данных необходимо создавать специальные выделенные IP-сети, параметры которых, в том числе задержка и потери пакетов могут оговариваться в соглашениях об уровне обслуживания SLA (Service Level Agreement).
3. Заключение
В результате анализа представлена наиболее общая классификация методов оценки качества передачи голоса с помощью IP-телефонии, произведен сравнительный анализ каждого метода. На основе представленных статистических данных был сделан вывод, что субъективные методы наиболее точно отображают качество передаваемого голоса, но не являются удобными для автоматического анализа потока голоса. В свою очередь, автоматические методы анализа качества голосового трафика не учитывают всех критериев и факторов, влияющих на показатели качества, поэтому имеют большую погрешность, чем субективные методы.
На основании данного исследования будет написан модуль контроля качества голоса в IP-сети автоматизированной системы учета и контроля VOIP трафика. Данный модуль добавит еще один критерий для оценки стабильности и качества того или иного оператора.
Литература: 1. Коган А.В. IP-телефония как наиболее Для ^тел^н™ значение параметра А в Реко- перспективный метод передачи информации // Элек-мендации аш не °пределен°. Однакодёя прове- тросвязь. 2000. №10. С. 3-6. 2. РосляковА.В., Самсонов
102
РИ, 2005, № 3
М.Ю., Шибаева И.В. IP-телефония. М.: Эко-Трендз, 2001. 3. Alfano M, Krampell M, Smirnov M. End-to-end quality in IP networks: can we offer and charge it? Proc. of the 17th World Telecommunications Congress (WTC/ ISS 2000), May 7-12, 2000, Birmingham. 4. ETSITS 101 329-2 V2.1.1 (2001-06) Telecommunications and Internet Protocol http://www.transnexus.com/OSP%20Toolkit/ ts_101321v040101p.pdf 5. Harmonization Over Networks (TIPHON) Release 4; End-to-end Quality of Service in TIPHON Systems; Part 2: Definition of Speech Quality of Service (QoS) Classes. 6. http:// www. eurescom. de/ Public/ Projects/p900- series/ P906/ P906.htm. 7.http:// www.cisco.com/warp/public/788/ AVVID / cvmtelemate.html.
Поступила в редколлегию 29.06.2005
Рецензент:д-р техн. наук, проф. Авраменко В.П.
Гема Виктор Сергеевич, магистр кафедры ПОЭВМ ХНУРЭ, гр. ПОАС-00-4. Научные интересы: IP-телефония, распознание речи. Увлечения и хобби: плавание, баскетбол. Адрес: Украина, 61000, Харьков, ул. 23 Августа, 36а, кв. 7.
Чикина Валентина Алексеевна, канд. техн. наук,ст. научи. сотрудник, вед. научн. сотр. каф. ПОЭВМ ХНУРЭ. Научные интересы: теория интеллекта, моделирование естественно-языковых процессов, системы искусственного интеллекта. Адрес: Украина, 61166, Харьков, пр. Ленина, 14, e-mail: [email protected], тел.: 702-14-46.
УДК 519.713:681.326
СИНТЕЗ КОМБИНАЦИОННЫХ СХЕМ В БАЗИСЕ ПОЛИНОМИАЛЬНЫХ ФОРМ
БЕРЕЖНАЯМ.А., РЫЖИКОВА М.Г., ТАТАРЕНКО Д.А.________________________
Предлагается метод синтеза легкотестируемых схем в базисе полиномиальных форм представления логических функций (разложение Рида-Маллера) с фиксированной полярностью переменных и разрабатывается алгоритм синтеза на его основе.
1. Введение
Известно, что схемная реализация произвольной логической функции (ЛФ), представленной полиномом Жегалкина (разложение Рида-Маллера), является легкотестируемой комбинационной схемой (КС), имеющей универсальный проверяющий тест для класса константных неисправностей [1-4]. Другим достоинством такой реализации Л Ф является сокращение числа внутренних соединений по сравнению с реализацией схем в базисе И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ [5, 9]. Поэтому развитие методов синтеза легкотестируемых схем в базисе полиномиальных форм, их последующая реализация на ПЛИС является актуальной задачей. Несмотря на то, что методы нахождения минимальных полиномиальных нормальных форм (ПНФ) ЛФ известны, использование их при проектировании дискретных устройств связано с большой трудоемкостью процедуры синтеза минимальных схем [6, 7]. Как правило, минимальная ПНФ содержит минимальное число термов, представляющих собой произведение различных переменных с отрицаниями и без них. При этом одна и та же переменная может входить в различные произведения с различной полярностью.
Если полярность входных переменных не фиксирована, то решение задачи нахождения ПНФ произвольной булевой функции становится чрезвычайно сложным. Характерным примером такой процедуры является метод неопределенных ко-
эффициентов и импликантных матриц, предложенный Д.А. Поспеловым [1].
В [2] предложен графо-аналитический метод, позволяющий находить минимальные ПНФ для класса функций, у которых число произведений m в минимальной форме не превышает 6, n > 6. Применение этого метода для случая m > 6 также не гарантирует получение минимального решения. Сложность минимального представления произвольных булевых функций в ПНФ и трудоемкость алгоритмов решения этой задачи определили поиск субоптимальных решений при фиксированной полярности переменных, входящих в ПНФ.
Введение такого ограничения позволяет сократить трудоемкость представления ЛФ в ПНФ и число инверторов для входных переменных, однако платой за это является увеличение числа произведений в субоптимальной форме по сравнению с оптимальной.
В [8] предложен алгоритм нахождения минимальной ПНФ из множества форм полиномиального представления произвольной ЛФ с фиксированной полярностью переменных, предусматривающий использование специальных карт, которые позволяют получить 2n множеств коэффициентов полиномиального разложения ЛФ путем сравнения карт и выполнения операции суммирования по mod 2 соответствующих клеток карт. Вычисление коэффициентов полиномиального разложения ЛФ с помощью предложенного метода усложняется с ростом размерности функции, а необходимость хранения содержимого карт приводит к большим затратам памяти ЭВМ. В [6] предложен подход, предусматривающий последовательное вычисление множеств коэффициентов полиномиального разложения и последовательного выбора наилучшего решения путем сравнения пороговых функций, которые соответствуют каждому множеству коэффициентов разложения.
Целью данной работы является теоретическое обоснование и дальнейшее развитие методов синтеза комбинационных схем в базисе полиномиальных форм, предложенных в [6, 7, 9], гарантирующих
РИ, 2005, № 3
103
