CC BY
10УДК 004.713
Оценка необходимой полосы пропускания для обеспечения требуемого качества обслуживания видеотрафика в устройствах пакетной коммутации
Одоевский С.М., Салюк Д.В., Бусыгин А.В.
Аннотация. Одной из проблем количественного обоснования минимально необходимой полосы пропускания для мультисервисного потока с преобладающим видеотрафиком является сложность достаточно точного предсказания влияния показателей качества обслуживания пакетов на качество субъективного восприятия видеоизображения. Одним из популярных субъективных методов оценки качества непрерывного видеоизображения является экспертная оценка по пятибалльной шкале SSCQE (Single Stimulus Continuous Quality Evaluation). В то же время, существуют и объективные методы оценки качества видеосвязи, которые позволяют считать это качество приемлемым, если будут выполнены определенные требования к средней задержке пакетов, вариации задержек, потерям и искажениям пакетов. В современных пакетных специализированных инфокоммуникационных сетях связи используются физические каналы с достаточно высокой достоверностью, поэтому влияние пропускной способности на искажения пакетов можно не рассматривать. Остальные три показателя качества существенно зависят от полосы пропускания (пропускной способности) и от интенсивности входного трафика. В то же время, данные три показателя в зависимости от их соотношения, которое обычно называется нагрузкой, меняются монотонно, что позволяет любой из них выделить в качестве основного, а остальные оценивать опосредованно. В качестве основного показателя качества обслуживания наиболее удобно в вычислительном смысле использовать среднюю задержку пакетов. При оценке качества обслуживания трафика в отдельном устройстве коммутации данная задержка является суммой среднего времени ожидания и среднего времени обслуживания. В статье рассматривается подход к оценке необходимой полосы пропускания для обеспечения требуемого качества обслуживания видеотрафика, обладающего свойством самоподобия, в устройствах пакетной коммутации специализированных инфокоммуникационных сетей с учетом контролируемой степени самоподобия данного трафика.
Ключевые слова: специализированные инфокоммуникационные сети, полоса пропускания, видеотрафик, мультисервисный трафик, устройства пакетной коммутации, показатели качества обслуживания пакетов, средняя задержка пакетов.
В современных специализированных инфокоммуникационных сетях (СИКС) наиболее требовательным к полосе пропускания является видеотрафик, который составляет значительную часть общего мультисервисного трафика, обслуживаемого в устройствах пакетной коммутации. Одной из проблем количественного обоснования минимально необходимой полосы пропускания для мультисервисного потока с преобладающим видеотрафиком является сложность достаточно точного предсказания влияния показателей качества обслуживания пакетов на качество субъективного восприятия видеоизображения [1]. Одним из популярных субъективных методов оценки качества непрерывного видеоизображения является экспертная оценка по пятибалльной шкале SSCQE (Single Stimulus Continuous Quality Evaluation) [2]. В то же время, существуют и объективные методы оценки качества видеосвязи, которые позволяют считать это качество приемлемым, если будут выполнены определенные требования к средней задержке пакетов т, вариации задержек о, потерям рпот и искажениям пакетов рош [3].
В современных пакетных СИКС связи используются физические каналы с достаточно высокой достоверностью, поэтому влияние пропускной способности на искажения пакетов рош можно не рассматривать. Остальные три показателя качества т, о и рпот существенно зависят от полосы пропускания (пропускной способности) ц и от интенсивности входного
трафика X. В то же время, данные три показателя в зависимости от соотношения Х/ц = р, которое обычно называется нагрузкой, меняются монотонно, что позволяет любой из них выделить в качестве основного, а остальные оценивать опосредованно.
Как показано в [4], в качестве такого основного показателя качества обслуживания наиболее удобно в вычислительном смысле использовать среднюю задержку пакетов т. При оценке качества обслуживания трафика в отдельном устройстве коммутации данная задержка является суммой среднего времени ожидания тож и среднего времени обслуживания тоб (передачи). При этом оба слагаемых задержки зависят от полосы пропускания ц. Время обслуживания тоб является обратной величиной данной полосы тоб = 1/ц, а время ожидания тож связано с ц более сложным образом в зависимости от статистических характеристик входного потока, распределения времени обслуживания и дисциплины обслуживания очереди в устройстве коммутации.
В общем случае, время передачи (обслуживания) может иметь произвольное распределение, в том числе, «с длинным хвостом», характерным для самоподобных случайных процессов. Однако на практике, в связи с подведомственной (внутрисистемной) ролью данного показателя в конкретной мультисервисной сети, которая может им управлять или, по крайней мере, достаточно точно его прогнозировать, в большинстве математических моделей даже с самоподобным входным трафиком допускается время обслуживания считать детерминированным (D - Deterministic) или распределенным по экспоненциальному (характерному для пуассоновского или марковского случайного процесса) закону (M -Markovian).
Другая составная часть времени задержки - время ожидания начала обслуживания тож, с одной стороны, зависит от указанного выше времени обслуживания тоб (обратно пропорционального полосе пропускания ц), а с другой стороны, непосредственно связана с характеристиками входного потока пакетов, а, следовательно, в первую очередь «ощущает на себе» влияние нестационарности трафика и всех проявлений его свойства самоподобия.
Как уже отмечалось выше, видеотрафик для большинства видов сервисов является самоподобным. При этом показатели качества, в частности, задержки и потери, заметно изменяются с увеличением степени самоподобия в сравнении с пуассоновским трафиком. Учёт самоподобных свойств видеотрафика предоставляет возможность более точного оценивания качества воспроизведения видеопоследовательности, что в свою очередь позволяет улучшить методы оценки качества передачи видеотрафика и получить показатели качества, близкие к реально наблюдаемым. Одним из показателей, которые могли бы быть включены в объективную оценку качества видео, так называемый F-фактор, по аналогии с R-фактором для речи, является параметр Хёрста H, учитывающий степень самоподобия трафика. В [5] рассматривается возможность применения параметра Хёрста для отслеживания изменения состояния сети и, как результат, влияние значений параметра Хёрста на субъективное качество восприятия для видео.
Следовательно, параметр Хёрста H, относительно видеотрафика можно рассматривать не только как параметр самоподобия, но и как параметр качества обслуживания, для обеспечения которого требуется определенная пропускная способность.
Реальный трафик, обладающий свойствами самоподобия с определенным значением параметра Хёрста H, может быть представлен различными математическими моделями.
Одной из самых популярных моделей самоподобного трафика является модель типа fbm (от англ. fractal brownian motion - фрактальное броуновское движение) [6]. Для данной модели известны аналитические функциональные зависимости тож(р, H) при детерминированном (D) и экспоненциальном (M) распределении времени обслуживания в одноканальных системах массового обслуживания (СМО) вида fbm/D/l и fbm/M/1 [7, 8].
Для моделирования самоподобного трафика кроме модели fbm могут использоваться многие другие распределения с «длинными хвостами». Наиболее популярными являются
распределения Парето (Р - Pareto) и Вейбулла ^ - Weibull) [9, 10]. К сожалению, точные аналитические выражения для расчета зависимости тож(р, Н), для СМО типа Р/М/1 или РЮ/1, а также W/M/1 или W/D/1, т. е. при поступлении на вход устройства коммутации потоков данных, описываемых распределениями Парето (Р) и Вейбулла (W), не известны, а эмпирические аналитические зависимости [7, 11] или являются слишком приближёнными, или справедливы в ограниченном диапазоне значений р и Н [12].
В качестве демонстрации предлагаемого подхода к оценке необходимой полосы пропускания для обеспечения требуемого качества обслуживания видеотрафика с учетом контролируемой степени самоподобия данного трафика рассмотрим случай, когда процесс обслуживания трафика в устройстве коммутации представляется моделью СМО _/Ът/М/1, для которой известна аналитическая зависимость тож(р, Н). Только пересчитаем время ожидания к суммарной задержке (ожидания и обслуживания) т = тож + тоб и представим эту зависимость в нормированном виде q = т/твх относительно среднего периода следования входных пакетов твх = 1/Х, что позволит в качестве аргумента данной зависимости q(р-1, Н) рассматривать величину р-1 = ц/Х (обратную нагрузке р), прямо пропорциональную полосе пропускания ц и равную ей при Х = 1:
1
\2-2H
Р1,
v . , 1 1
q = у—w+—=—^^—w
1HH Р Г лЛЦНН Ц
р-1 .|1-^р_1| Ц-i1-
(1)
При значении параметра Хёрста Н = 0.5 зависимость (1) превращается в известную формулу, представленную для расчета нормированной задержки в СМО М/М/1:
Я =-1— = -У . (2)
о 1 •—1 М--1
0 1 а.=1
На рис. 1 приведены графики зависимости относительного среднего времени задержки от относительной полосы пропускания, рассчитанные по формуле (1), для обычного экспоненциального распределения входного трафика (Н = 0.5) и для самоподобного агрегированного видеотрафика с двумя типовыми крайними значениями параметра Хёрста Н = 0.7 и Н = 0.8, между которыми качество видеосвязи, оцениваемое по пятибалльной шкале SSCQE (1Ти~Я ВТ. 500-13) меняется примерно в диапазоне оценок 2.5 ... 4 [2, 5].
Для решения обратной задачи оценки необходимой полосы пропускания при заданной допустимой задержке с учетом контролируемой степени самоподобия входного трафика Н необходимо знать обратную аналитическую зависимость р-1^, Н). Однако получить такую зависимость в аналитическом виде алгебраически из (1) не представляется возможным. Подобную зависимость несложно получить только из (2), но она может служить лишь граничной оценкой снизу при Н = 0.5:
о-1 = м|*=1 4 + 1. (3)
Однако данная задача достаточно просто решается численными методами или графически. На рис. 1 приведены графические построения (см. прямые пунктирные линии), позволяющие определить необходимую относительную полосу пропускания для видеотрафика с допустимой относительной задержкой q = т/твх = 2 при разных значениях параметра Хёрста. Как видно из данных построений, для самоподобного видеотрафика с параметром Хёрста Н = 0.8 требуется полоса пропускания ц в два раза больше, чем интенсивность входного трафика Х, а для пуассоновского входного трафика было бы достаточно превышения полосы пропускания над интенсивностью лишь в 1.5 раза.
2-2H
1 1
1 #=0.8
1
\
Г#=0.7\
\
//=0.5\
\ \
\__Гч^
1
Рис. 1. Зависимости относительного среднего времени задержки от относительной полосы пропускания при разной степени самоподобия видеотрафика
Таким образом, в данной статье на конкретном примере продемонстрирован предлагаемый подход к оценке необходимой полосы пропускания для обеспечения требуемого качества обслуживания видеотрафика в устройствах пакетной коммутации СИКС с учетом контролируемой степени самоподобия данного трафика, представленного моделью фрактального броуновского движения (fbm). Аналогичные расчеты могут быть выполнены для других моделей самоподобного видеотрафика (например, на основе распределения Парето или Вейбулла), но для этого потребуется уточнение соответствующих математических моделей расчета.
Литература
1. Маколкина М.А. Анализ субъективных методов оценки качества IPTV // Информационные технологии моделирования и управления. 2013. № 5 (83). C. 492-500.
2. Рекомендация ITU-R BT.500-13. Методика субъективной оценки качества телевизионных изображений. 2012.
3. Recommendation ITU-T Y.1541. Network Performance Objectives for IP Based Services. Geneva, December, 2011.
4. Одоевский С.М., Хоборова В.П. Методы прогнозирования качества обслуживания самоподобного трафика в устройствах коммутации мультисервисной сети // Труды учебных заведений связи. 2017. Том 3. № 3. С. 86-92.
5. Маколкина М.А., Прокопьев А.В. Зависимость параметра Хёрста от потерь при исследовании видео трафика / М.А. Маколкина, // 69-я научно-техническая конференция СПб НТОРЭС им. А. С. Попова: сб. тез. докл. СПб., 2013.
6. Norros, I. On the use of fractional Brownian motion in the theory of connectionless networks/ I. Norros//IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 13: 953-962, 1995.
7. Назаров А.Н., Сычев К.И. Модели и методы расчета показателей качества функционирования узлового оборудования и структурно-сетевых параметров сетей связи следующего поколения. Красноярск: Изд-во ООО «Поликом», 2010. 389 с.
8. Крылов В.В., Самохвалова С.С. Теория телетрафика и ее приложения. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. 288 с.
9. Лосев Ю.И., Руккас К.М. Анализ моделей вероятности потери пакетов в буфере маршрутизатора с учетом фрактальности трафика // Вестник ХНУРЭ. Серия «Математическое моделирование. Информационные технологии. Автоматизированные системы управления. Харьков: ХНУРЭ. 2008. № 833. С. 163-169.
10. Ложковский А.Г., Вербанов О.В. Моделирование трафика мультисервисных пакетных сетей с оценкой его коэффициента самоподобности // Научные труды ОНАС им. А С. Попова. 2008. № 1. С. 57-62.
11. Ушанев К.В., Макаренко С.И. Показатели своевременности обслуживания трафика в системе массового обслуживания Pa/M/1 на основе аппроксимации результатов имитационного моделирования // Системы управления, связи и безопасности. 2016. № 1. С. 42-65.
12. Одоевский С.М., Бусыгин А.В., Кочешков А.К. Особенности моделирования процесса обслуживания мультимедийного трафика на основе распределения Парето // Радиолокация, навигация, связь. Сборник трудов XXV Международной научно-технической конференции, посв. 160-летию со дня рождения А.С. Попова. Воронеж, 2019. С. 295-302.
References
1. Makolkina, M.A. Analiz sub'ektivnyh metodov ocenki kachestva IPTV [Analysis of subjective valuation methods of quality of IPTV]. Information technologies of modeling and management. 2013. No. 5 (83). Рр. 492-500. (In Russian).
2. Recommendation of ITU-R BT.500-13. Rekomendacija ITU-R BT.500-13. Metodika sub'ektivnoj ocenki kachestva televizionnyh izobrazhenij [Technique of subjective appraisal of quality of television pictures]. 2012. (In Russian).
3. Recommendation ITU-T Y.1541. Network Performance Objectives for IP Based Services. Geneva, December, 2011.
4. Odoevsky S.M., Hoborova V. P. Metody prognozirovanija kachestva obsluzhivanija samopodobnogo trafika v ustrojstvah kommutacii mul'tiservisnoj seti [Methods of forecasting of quality of service of self-similar traffic in switching devices of multiservice network]. Works of educational institutions of communication. 2017. Volume 3. No. 3. Pр 86-92. (In Russian).
5. Makolkina M.A., Prokopyev A.V. Zavisimost' parametra Hjorsta ot poter' pri issledovanii video trafika [Dependence of parameter of Hirst on losses at a research of video of traffic]. M.A. Makolkina. the 69th scientific and technical conference of SPb NTORES of A.S. Popov: Saturday. SPb. 2013. (In Russian).
6. Norros, I. On the use of fractional Brownian motion in the theory of connectionless networks. I. Norros // IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 13: 953-962, 1995.
7. Nazarov A.N., Sychev K.I. Modeli i metody rascheta pokazatelej kachestva funk-cionirovanija uzlovogo oborudovanija i strukturno-setevyh parametrov setej svjazi sle-dujushhego pokolenija [Models and methods of calculation of figures of merit of functioning of the nodal equipment and structural and network parameters of communication networks of the next generation]. Krasnoyarsk: LLC Polikom publishing house. 2010. 389 p. (In Russian).
8. Krylov V.V., Samokhvalova S.S. Teorija teletrafika i ee prilozhenija [Teletraffic theory and its applications]. SPb.: BHV-St. Petersburg, 2005. 288 p. (In Russian).
9. Losev Yu. I., Rukkas K. M. Analiz modelej verojatnosti poteri paketov v bufere marshrutizatora s uchetom fraktal'nosti trafika [The analysis of models of probability of loss of packets in the router buffer taking into account fractality of traffic]. 'rhe HNURE Bulletin. Series "Mathematical modeling. Information technologies. Automated systems of management. Kharkiv: HNURE. 2008. No. 833. Pр. 163-169. (In Russian).
10. Lozhkovsky A.G., Verbanov O.V. Modelirovanie trafika mul'tiservisnyh pa-ketnyh setej s ocenkoj ego kojefficienta samopodobnosti [Modeling of traffic of multiservice packet networks with assessment of its coefficient of self-similitude]. Scientific works of ONAS of A.S. Popov. 2008. No. 1. Pр. 57-62. (In Russian).
11. Ushanev K. V., Makarenko S.I. Pokazateli svoevremennosti obsluzhivanija tra-fika v sisteme massovogo obsluzhivanija Pa/M/1 na osnove approksimacii rezul'tatov imi-tacionnogo modelirovanija [Indicators of timeliness of service of traffic in Pa/M/1 queuing system on the basis of approximation of results of simulation modeling]. Management systems, communications and safety. 2016. No. 1. Pр. 42-65. (In Russian).
12. Odoevsky S.M., Busygin A.V., Kocheshkov A.K. Osobennosti modelirovanija processa obsluzhivanija mul'timedijnogo trafika na osnove raspredelenija Pareto [Features of modeling of process of service of multimedia traffic on the basis of Pareto's distribution]. ^e Radar-location, navigation, communication. The collection of works XXV of the International scientific and technical conference devoted to the 160 anniversary since the birth of A.S. Popov. Voronezh, 2019. Pр. 295-302. (In Russian).
Assessment of necessary bandwidth for ensuring required quality of service of video traffic in devices of package switching
S.M. Odoevsky, D.V. Salyuk, A.V. Busygin
Annotation. One of problems of quantitative justification of minimum necessary bandwidth for a multiservice flow with the prevailing video traffic is the complexity of rather exact prediction of influence of figures of merit of service of packets on quality of subjective perception of the video image. One of popular subjective valuation methods of quality of the continuous video image is expert assessment on a five-point scale of SSCQE (Single Stimulus Continuous Quality Evaluation). At the same time there are also objective valuation methods of quality of video conference which allow to consider this quality acceptable if certain requirements to average delay of packets, variations of delays, to losses and distortions of packets are fulfilled. In modern package specialized infocommunication communication networks physical channels with rather high reliability therefore influence of throughput on distortions ofpackets can be not considered are used. Other three figures of merit significantly depend on the bandwidth (throughput) and on intensity of entrance traffic. At the same time these three indicators depending on their ratio which usually is called loading change monotonously that allows any of them to select as the basic, and to evaluate the others indirectly. As a key indicator of quality of service it is the most convenient to use average delay of packets in computing sense. At assessment of quality of service of traffic in the separate switching device this delay is the sum of average time of waiting and average time of service. In article approach to assessment of necessary bandwidth for ensuring required quality of service of the video traffic having property of self-similarity in devices ofpackage switching of specialized infocommunication networks taking into account controlled degree of self-similarity of this traffic is considered.
Keywords: specialized infocommunication networks, bandwidth, video traffic, multiservice traffic, devices ofpackage switching, figures of merit of service ofpackets, average delay ofpackets.
Статья поступила 10 июня 2019 г.
Информация об авторах
Одоевский Сергей Михайлович - Профессор кафедры Военной академии связи. Доктор технических наук. Тел.: +7 921 319 85 78. E-mail: odse2017@mail.ru. Адрес: 194064, Россия, г. Санкт-Петербург, Тихорецкий проспект, д. 3.
Салюк Дмитрий Владиславович - Заместитель начальника отдела ПАО «Интелтех». Кандидат технических наук, доцент. Тел.: +7 921 794 10 64. E-mail: salukdv@rambler.ru. Адрес: 197342, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Кантемировская, д. 8.
Бусыгин Александр Васильевич - Адъюнкт Военной академии связи. Тел.: +7 921 319 85 78. E-mail: televizor341@mail.ru. Адрес: 194064, Россия, г. Санкт-Петербург, Тихорецкий проспект, д. 3.
Information about Authors
Odoevsky Sergey Mikhaylovich - Professor of department of Military academy of communication. Doctor of Engineering. Ph.: +79213198578. E-mail: odse2017@mail.ru. Address: 194064, Russia, St. Petersburg, Tikhoretsky Avenue, 3.
Salyuk Dmitry Vladislavovich - The deputy chief of department of PJSC «Inteltech». Candidate of Technical Sciences, associate professor. Ph.: +79217941064. E-mail: salukdv@rambler.ru. Address: 197342, Russia, St. Petersburg, Kantemirovskaya St., 8.
Busygin Alexander Vasilyevich - Graduated in a military academy of Military academy of communication. Ph.: +79213198578. E-mail: televizor341@mail.ru. Address: 194064, Russia, St. Petersburg, Tikhoretsky Avenue, 3.
Для цитирования: Одоевский С.М., Салюк Д.В., Бусыгин А.В. Оценка необходимой полосы пропускания для обеспечения требуемого качества обслуживания видеотрафика в устройствах пакетной коммутации // Техника средств связи. 2019. № 3 (147). С. 27-32.
For citation: Odoevsky S.M., Salyuk D.V., Busygin A.V. Assessment of necessary bandwidth for ensuring required quality of service of video traffic in devices of package switching // Means of communication equipment. 2019. No 3 (147). P. 27-32. (In Russian).
