Analýza kvality přenosu řeči v síti LAN

V současnosti dochází k rozšíření přenosu řeči pomocí IP protokolu v prostředí lokálních počítačových sítí. Cílem tohoto příspěvku je provést analýzu kvality přenosu hovoru a uvést metodu získání konkrétních hodnot výkonnostních parametrů a ukázat jejich vliv na kvalitu přenosu v prostředí lokální počítačové sítě typu Ethernet, následně z hodnot výkonnostních parametrů stanovit minimální hodnotu R-faktoru.

---

Analysis of quality of transmission of voice in LAN networks

Abstract

This contribution is focused on analysis QOS parameters of IP telephony namely IP packet transfer performance parameters and performance parameters for quality of speech utilizing IP networks with the aim to gain and interpret these parameters under concrete input conditions and show relationship between these parameters and transmission rating factor - R. Theoretical part deals with mathematical description of shared segment of Ethernet. It is based on the queueing theory. There is shared segment described by a model M/D/1 with full availability and FIFO queue under the set of assumptions. Next part introduces obtaining IP packet transfer performance parameters and performance parameters for quality of speech by means of simulation. A simulation program IptSimul was written to gain these parameters. There were made many simulations in this part. There were also presented outputs of these simulations by means of charts. This part also includes results of simulation of IP telephony. These results are characteristics of R-factor as a function of throughput. These characteristics were obtained for shared segment 10 Mbit/s, switched segment 10 Mbit/s, switched segment 100 Mbit/s. The last part includes conclusion and interpretation of particular influences to quality of IP telephony service.

---

Hodnocení kvality přenosu řeči

Pro potřeby plánování sítí a k posuzování kvality přenosu hlasu telefonní služby byl vytvořen tzv. E-model. Jeho výstupem je faktor R, který nabývá hodnot od 0 do 100. V jeho výsledné hodnotě se projevuje vliv celé řady dílčích faktorů zejména šumu, lineárního zkreslení, hlasitosti, kvantizačního zkreslení, způsobu kódování, ozvěny, zpoždění a dalších. V oblasti přenosu hlasu prostřednictvím IP protokolu se na výsledné hodnotě R-faktoru projevuje zejména zpoždění a ztráta paketů. Výsledný R-faktor je dle [15] zjednodušen do následujícího tvaru:

(1)

kde: α = 94,2 je základní hodnota R-faktoru, která vychází z implicitních hodnot faktorů R₀ – I_s + A daných doporučením ITU-T G.107. Tyto faktory jsou specifické tím, že žádný z nich není ovlivněn přenosem paketů.
I_d je faktor zhoršení vlivem zpoždění paketů,
I_e je faktor zhoršení vlivem ztráty paketů.

Faktor I_e je závislý na použitém kódování a pro jeho vyjádření neexistuje přesný obecně platný analytický vztah. Pro jednotlivá kódování lze pouze odhadnout vztahy na základě subjektivních měření. V [15] je uveden vztah pro faktor I_e:

(2)

kde: OPLR je celková ztráta paketů.

γ₁ udává hodnotu I_e pro nulovou hodnotu ztráty paketů, představuje zhoršení kvality hlasu v důsledku použitého kódování,

γ₂, γ₃ jsou vhodné parametry vystihující závislost na ztrátě paketů, jsou získané ze subjektivních měření kvality přenosu hlasu.

Výsledný vztah pro kódování dle G.711 je:

(3)

h je funkce proměnné y:

Pro subjektivní hodnocení kvality přenosu řeči byla zavedena pětibodová stupnice MOS. Hodnotu MOS lze získat také z R-faktoru pomocí následujícího vztahu [14].

(4)

Uvedená závislost (1) je s využitím (3) a (4) porovnána s výsledky subjektivního měření MOS a měřením MOS na základě doporučení P.862 viz. níže.

Matematický model

Základním stavebním prvkem sítí typu Ethernet je tzv. sdílený segment. Je tvořen opakovačem, ke kterému se připojují počítačové stanice. Pro sdílený segment bylo nutné stanovit matematický model, který alespoň přibližně charakterizuje činnost segmentu a stanovuje jeho požadované pravděpodobnostní charakteristiky. Pro model bylo nutné stanovit předpokládaný charakter vstupního toku požadavků, charakter procesu obsluhy, počet obsluhových linek a počet míst k čekání. Při volbě charakteru vstupního toku modelu bylo nutné zohlednit co největší přiblížení modelu reálnému objektu a současně řešitelnost daného modelu pomocí dostupných matematických prostředků. Popis reálného výskytu paketů jednoduchým způsobem je možný za cenu určitého zjednodušení. Takovým řešením je předpoklad vstupního toku poissonovského typu. Obsluha spočívá v přenosu paketu dané délky síťovým sdíleným segmentem. Doba obsluhy je přímo úměrná součinu délky paketu a přenosové rychlosti. Přenosové médium sdíleného segmentu může být při přenosu rámce obsazeno vysíláním pouze jediné stanice. Proto je na místě volba jedné obsluhové linky. Počet míst k čekání volím formálně „nekonečno“, protože nepředpokládám, že by počítačová stanice vygenerovala více paketů, než by byla schopna uchovat ve své operační paměti, která má kapacitu jednotky giga bajtů. Z uvedených charakteristik modelu vyplývá výsledný model M/D/1/∞ s úplnou dostupností a režimem fronty FIFO. Pro tento model platí následující charakteristiky.

Nabídka A je střední hodnota požadavků přišlých za střední dobu obsluhy a je dána následujícím obecným vztahem.

kde λ je intenzita příchodů požadavků,
h je střední doba obsluhy požadavků,
μ je intenzita obsluhy požadavků.

Ztráta B

B = 0

Výkon Y

Y = A(1-B) = A

Střední doba čekání požadavku vychází z Pollaczekova- Chinčinova vzorce

(5)

kde σ² je rozptyl doby obsluhy.

Pro konstantní dobu obsluhy (M/D/1/∞) platí:

Střední doba zdržení požadavku vychází z (5).

Pro konstantní dobu obsluhy (M/D/1/∞) platí následující vztah.

(6)

Simulační program

Vzhledem k obtížnosti vytvoření přesného matematického modelu byl vypracován simulační program IptSimul, který umožňuje sledovat a vyhodnotit požadované výkonnostní parametry. Na základě tohoto programu bylo provedeno více než 600 simulací jejíchž výsledky jsou z důvodu názornosti zpracovány graficky. Jednou z hlavních výstupních charakteristik je závislost průměrného přenosového zpoždění na propustnosti. Z charakteru závislostí vyplynulo, že pro jejich vyhodnocení je důležité určení propustnosti, pro kterou je ještě zajištěna vysoká kvalita přenosu hlasu daná minimální hodnotou R-faktoru (Rmin = 80). Mezní propustnost jsem definoval jako propustnost, při které vzroste průměrné přenosové zpoždění paketu na desetinásobek referenční hodnoty. Referenční hodnota odpovídá průměrnému přenosovému zpoždění paketu při propustnosti, která je rovna jedné desetině maximální teoretické propustnosti. V simulaci je použito dvou typů zdrojů paketů. Počítačové stanice a koncového zařízení služby IP telefonie (KZ IPT).
• Počítačové stanice jsou představovány zdroji paketů s exponenciálním rozdělením intervalů mezi příchody jednotlivých paketů – vstupní tok PTC1. Délka paketů může být zvolena konstantní nebo rovnoměrně rozložena na zadaném intervalu. Mezní hodnoty délky paketů jsou 46 a 1500 B.
• Koncová zařízení služby IP telefonie jsou simulována jako zdroje paketů konstantní délky s konstantními intervaly mezi příchody.
Simulace, které byly provedeny, lze rozdělit do dvou základních skupin:
1. simulace, u kterých byly zdroje paketů pouze počítačové stanice,
2. simulace, u kterých byly zdroje paketů 2 KZ služby IP telefonie a dále počítačové stanice, které postupně zvyšovaly přenesené provozní zatížení a působily jako rušící pro 2 KZ služby IP telefonie.
Simulace z první skupiny byly provedeny pro zjištění vlivu délky paketu a počtu připojených stanic na závislost průměrné hodnoty zpoždění na propustnosti sdíleného segmentu. Druhá skupina simulací byla zaměřena na sledování a vyhodnocení výkonnostních parametrů služby IP telefonie a následné stanovení minimální hodnoty R-faktoru. Na následujícím obrázku je uživatelské rozhraní simulačního programu IptSimul.

Obr. 1 Uživatelské rozhraní simulačního programu

Subjektivní měření MOS

Pro ověření (1) s využitím (3) při I_d=0 převedenou pomocí (4) na závislost MOS na OPLR jsem provedl měření MOS na základě doporučení P.862 v závislosti na ztrátě paketů kódovaných dle G.711. V průběhu měření byla vytvořeno 19 wav souborů, které byly získány zaznamenáním hovoru IP telefonie zatíženého ztrátou určitého procenta paketů. Ke ztrátě paketů nedocházelo ve shlucích. Na obrázku 2 uvádím porovnání naměřené závislosti (označenou popisem - měření dle P.862) se závislostí vyjádřenou analyticky (1) s využitím (3) převedenou pomocí (4) (zobrazena výraznější čarou a označena popisem: závislost - analyticky). Nakonec byla provedena subjektivní měření. Kvalitu hlasu v každém wav souboru jsem subjektivně ohodnotil a vynesl do grafu (tato závislost je označena popisem - subjektivní měření).

Obr. 2. Porovnání závislostí MOS na ztrátě paketů

Při subjektivním měření se projevila ztráta paketů na subjektivní ohodnocení až pro hodnotu ztráty 1,93 % (hodnota MOS 4,428 odpovídá R-faktoru 94,2). Zatímco u měření dle P.862 se projevovala hned při ztrátě 0,78 %. I pro vyšší hodnoty ztráty bylo hodnocení dle P.862 přísnější než subjektivní měření přibližně o jednu hodnotící úroveň. Hodnoty MOS změřené dle P.862 lze považovat za příliš přísné až zavádějící. Lze konstatovat, že subjektivní hodnocení wav souborů potvrdilo platnost závislosti (1) vyjádřené s využitím (3) při I_d=0 a převedené pomocí (4), kterou lze považovat za mezní průběh závislosti MOS na ztrátě paketů pro kódování dle G.711 a hodnoty MOS vyhodnocené subjektivním měřením budou vždy příznivější.

Výsledky simulace

Na následující obrázcích jsou uvedeny závislosti průměrného zpoždění paketů (MIPTD) na propustnosti IP paketů (IPPT) vždy pro konstantní délku paketu pro zvyšující se počet počítačových stanic připojených k opakovači. Propustnost IP paketů (IPPT) je celkový počet úspěšně přenesených paketů během daného časového intervalu vztažený k tomuto časovému intervalu.

Obr. 3 Závislost prům. zpoždění a na propustnosti, pakety délky 46 B, počty stanic 1, 2, 5 a 10. Porovnání s matematickým modelem M/D/1/∞

Obr. 4 Závislost prům. zpoždění na propustnosti, pakety délky 1500 B, počty stanic 1, 2, 5 a 10, porovnání s matematickým modelem M/D/1/∞

Analýza vlivu počtu připojených stanic

Z obrázků 3 a 4 je patrné, že průměrné zpoždění paketů roste při zvyšování propustnosti k hodnotě teoretické maximální propustnosti. Dále je z těchto charakteristik zřejmé snižování nejvyšší dosažené propustnosti s počtem připojených počítačových stanic. Snižování nejvyšší dosažené propustnosti je zapříčiněno zvyšováním četnosti kolizí s počtem připojených stanic.

Porovnání matematického modelu s výsledky simulace

Průběh závislosti průměrné doby zdržení požadavku matematického modelu M/D/1∞ je zobrazen na obrázcích čárkovanou závislostí. Pokud vysílá pouze jedna stanice a nedochází ke kolizím, odpovídá průběh závislosti (6) hodnotám získaných simulací. K odchýlení od charakteristiky matematického modelu dochází nejdříve u závislosti s nejmenším počtem stanic. Zároveň u této závislosti dochází k dosažení nejvyšší hodnoty propustnosti.

Simulace služby IP telefonie

Po získání hodnot průměrného zpoždění paketů a ztráty paketů pomocí simulace jsem s využitím vztahů (1) a (3) podle stanovené metodiky určil minimální hodnoty R-faktoru pro vybrané hodnoty propustnosti. V následujících obrázcích jsou uvedeny závislosti minimální hodnoty R-faktoru na propustnosti pro základní zapojení lokální sítě. Pro účely vyjádření a hodnocení propustnosti v rámci sítě LAN, kde jsou kromě IP paketů přenášeny pakety dalších protokolových architektur, označuji T propustnost v bitech za sekundu. Je to počet bitů (včetně záhlaví a zápatí rámce spojové vrstvy) úspěšně přenesených během daného časového intervalu vztažený k tomuto časovému intervalu. Vyjádření propustnosti pomocí T je nutné v případě, kdy jsou vyhodnocovány výkonnostní charakteristiky pro pakety různých délek (rušící pakety, pakety IP telefonie), kdy není možné použít IPPT.

Obr. 5 Závislost minimální hodnoty R-faktoru na propustnosti pro různé délky rušících paketů

Na obrázku 5 jsou uvedeny závislosti minimální hodnoty R-faktoru na propustnosti pro přepínaný segment sítě a pro porovnání také pro sdílený segment sítě se stejným počtem stanic. Z tohoto porovnání vyplývá výhoda zavedení přepínaného Ethernetu, která spočívá v nezávislosti přenosu paketů služby IP telefonie na přenosu rušících paketů. Službu IP telefonie je na základě této závislosti možné provozovat v prostředí přepínaného segmentu (tvořeného jedním přepínačem) s přenosovou rychlostí 10 Mbit/s bez vlivu rušících stanic.

Obr. 6 Závislost minimální hodnoty R-faktoru na propustnosti pro různé délky ruš. paketů

Minimální hodnota R-faktoru vychází z hodnot faktorů I_d a I_e a stejně jako tyto faktory se nemění s propustností ani s délkou rušících paketů. Službu IP telefonie je na základě této závislosti možné provozovat v prostředí přepínaného segmentu (tvořeného jedním přepínačem) s přenosovou rychlostí 100 Mbit/s bez vlivu rušících stanic.

Závěr

Kvalita přenosu řeči je z ukazatelů, které se mění při přenosu paketů, ovlivněna zejména zpožděním a ztrátou IP paketů. Pro zanalyzování vlivu zpoždění a ztráty paketů bylo provedeno více než 600 simulací pro základní zapojení lokální sítě a pro jednotlivé délky paketů. Rozsáhlé analýze byl podroben základní prvek lokální sítě typu Ethernet sdílený segment. Na základě těchto simulací byl zjištěn zásadní vliv délky paketů a počtu připojených počítačových stanic na hodnotu mezní propustnosti, která rozděluje závislost průměrné hodnoty přenosového zpoždění paketů na propustnosti na dvě části. První odpovídá pracovnímu stavu sítě, druhá stavu přetížení.
U sdíleného segmentu s přenosovou rychlostí 10 Mbit/s byla simulací stanovena minimální mezní propustnost pro pakety délky 46 B 8022 paketů/s, což odpovídá přibližně 54 % maximální teoretické propustnosti paketů této délky. Pro zvyšující se délku paketů hodnota mezní propustnosti roste. Pro nejdelší pakety délky 1500 B byla simulací stanovena minimální hodnota mezní propustnosti 639 paketů/s, což odpovídá 79 % maximální teoretické propustnosti paketů této délky. Počet připojených stanic ke sdílenému segmentu má při konstantní délce přenášených paketů vliv na nejvyšší dosaženou propustnost, která se s počtem stanic snižuje.
Za předpokladu zaručené vysoké kvality přenosu hlasu danou minimální velikostí R-faktoru rovnou 80 a za předpokladu konstantní délky rušících paketů 46 B je možné službu IP telefonie v prostředí sdíleného segmentu s deseti připojenými stanicemi provozovat do propustnosti 5,769 Mbit/s, pro rušící pakety 1500 B do propustnost 9,142 Mbit/s. Tyto hodnoty propustností jsou vyšší než hodnoty mezních propustností. Z toho vyplývá, že pro sdílený segment je zaručena vysoká kvalita přenosu hlasu pro všechny hodnoty propustnosti menší než mezní.
Přepínaný segment pracující s přenosovou rychlostí 10 Mbit/s nebo 100Mbit/s se vyznačuje konstantní závislostí minimální hodnoty R-faktoru na propustnosti. Službu IP telefonie je na základě této závislosti možné provozovat v prostředí přepínaného segmentu bez vlivu rušících stanic.
Po vyhodnocení a porovnání charakteristik z obou skupin simulací jsem pro sdílený segment došel k závěru, že závislost průměrného zpoždění paketů služby IP telefonie na propustnosti se blíží závislosti průměrného zpoždění paketů rušících počítačových stanic na propustnosti. Za cenu určitého zjednodušení je možné řešit jednodušší případ simulace pouze počítačových stanic případně využít matematického modelu a získat tak hodnoty průměrného zpoždění pro danou hodnotu propustnosti. Tuto hodnotu lze považovat za hodnotu průměrného zpoždění paketů služby IP telefonie. Řešení složitějších zapojení lokální sítě s využitím přepínačů již nelze pomocí matematického modelu získat a je nutné použít simulaci. Po vyhodnocení porovnání výsledků simulace s matematickým modelem jsem došel k závěru, že uvedený matematický model nelze použít v oblasti přetížení, kde se projevuje vliv opakovaného vysílání paketů po vzniku kolize.
Po provedené analýze se pro IP telefonii v prostřednictvím lokální počítačové sítě ukázala jasná výhoda přepínačů v porovnáním s využitím opakovačů. Pro výstavbu lokálních sítí typu Ethernet s podporou IP telefonie jsou z hlediska kvality přenášené řeči přepínače aktivními prvky, které lze jednoznačné doporučit.
Tento příspěvek vznikl při tvorbě disertační práce Analýza kvality přenosu řeči v síti LAN.

Seznam publikací vztahujících se k danému problému

1. ŠIMEK, P. Performance Measures of Local Area Networks. In Poster 2001. ČVUT v Praze, FEL, 2001, s. C16.
2. ŠIMEK, P. Performance Simulation of Local Area Networks. In Research in Telecommunication Technology 2001: proceedings of the international conference. Brno: VUT v Brně, FEI, 2001, s. 201-204. ISBN 80-214-1938-5.
3. ŠIMEK, P. Features of Local Area Networks. In Research in Telecommunication Technology 2002: proceedings of the international conference. Žilina: University of Žilina, 2002, vol. 1, s. 255-257. ISBN 80-7100-991-1.
4. ŠIMEK, P. Simulation Model of Shared and Switched Segment of LAN. In Research in Telecommunication Technology 2003: proceedings of the international conference. Bratislava: FEI, Slovak University of Technology, 2003.
5. ŠIMEK, P. Assessment of Speech Quality of Narrow-Band Telephone Network, In Research in Telecommunication Technology 2005: proceedings of the international conference [CD-ROM]. Ostrava: VŠB - TUO, FEI, Katedra elektroniky a telekomunikační techniky, 2005, ISBN 80-248-0897-8.
6. ŠIMEK, P. Simulační model hlasových zdrojů pro službu IP telefonie. In Research in Telecommunication Technology 2006: proceedings of the international conference [CD-ROM]. Brno: Vysoké učení technické v Brně, 2006, díl II, s. 129-132. ISBN 80-214-3243-8.
7. ŠIMEK, P. Analysis of LAN Performance and Performance Measures of IP Telephony. In Research in Telecommunication Technology 2007: proceedings of the international conference [CD-ROM]. Žilina: University of Žilina, 2007, s. 375-380. ISBN 978-80-8070-735-4.

Literatura

[1] Doporučení ITU-T G.1000 (11/2001), Communications quality of service: A framework and definitions.
[2] Doporučení ITU-T G.1010 (11/2001), End-user multimedia QoS categories.
[3] Doporučení ITU-T I.350 (03/1993), General aspects of quality of service and network performance in digital network, including ISDN.
[4] Doporučení ITU-T E.800 (08/1994), Terms and definitions related to quality of service and network performance including dependability.
[5] Doporučení ITU-T Y.1540 (12/2002), Internet protocol data communication service - IP packet transfer and availability performance parameters.
[6] Doporučení ITU-T Y.1541 (05/2002), Network performance objectives for IP-based services.
[7] HIGGINBOTTOM G. Performance Evaluation of Communication Network, 1. vydání. Nordwood: Artech House, 1998. 366 s. ISBN 0-89006-870-4.
[8] KŘÍŽOVSKÝ F., KŘÍŽ P., ŠŤASTNÝ M., VANĚK N. Provozní zatížení v telekomunikacích. Nepublikováno.
[9] AHLGREN B., ANDERSSON A., HAGSAND O. Dimensioning Links for IP Telephony, Sweden, SICS CNA Laboratory, 2001.
[10] STALLINGS W., Local Network Performance, IEEE Communications Magazíne. str. 27-36, 1984.
[11] VO-DAI T. Throughput-Delay Analysis of the Non-Slotted and Non-Persistent CSMA/CD Protocol, North-Holland: Local Computer Network, 1982.
[12] Doporučení ITU-T G.1020 (11/2003), Performance parameter definitions for quality of speech and other voiceband applications utilising IP networks.
[13] Dokument RFC 2544 (03/1999), Benchmarking Methodology for Network Interconnect Devices.
[14] Doporučení ITU-T G.107 (03/2001), The E-Model, a computational model for use in transmission planning.
[15] COLE, R. G., ROSENBLUTH, J. H. Voice over IP performance monitoring. ACM SIGCOMM Computer Communication Review. April 2001, vol. 31, no.2, p. 9-24.

Příspěvek vznikl v rámci výzkumného záměru MSM6840770014.