Стеки протоколов. Качество передачи в сетях VoIP

Игорь Иванцов

В предыдущем цикле статей мы рассматривали протоколы, касающиеся одной из ключевых проблем VoIP — установления, поддержания и прекращения мультимедийного соединения в условиях составной сети, одна часть которой (или несколько) работает по протоколу ТфОП, а другая (или другие) по протоколу IP.

Оба элемента такой сети являются в значительной степени антиподами: ТфОП создавалась как сеть передачи аналоговых речевых сигналов, в некоторой степени толерантных к ошибкам, но очень чувствительных к задержке и ее вариации (jitter), тогда как сеть на базе протокола IP появилась и развилась как сеть передачи данных, терпимая к задержке, зато чувствительная к ошибкам.

Таким образом, необходимо приспособить часть сети VoIP, работающую по протоколу IP, для передачи стандартного телефонного сигнала. Более того, в связи с появлением приложения IPTV сеть VoIP должна качественно передавать не только речевую, но и видеоинформацию. Говоря кратко, перед сетью VoIP стоит задача обеспечения качества доставки (Quality of Service, QoS) мультимедийной информации. Заметим, что требования к качеству доставки пакетной информации зависят от типа приложения.

Так, некоторые приложения устойчивы к потере пакетов, причем небольшую их часть можно даже восстановить на основе принятых данных. К такому типу относится большая часть мультимедийных приложений, в первую очередь аудио- и видеоприложения. Допустимый процент потери пакетов не должен, как правило, превышать 1%. В то же время для таких видов мультимедийного трафика, как сжатые аудио- и видеосигналы, характерна очень большая чувствительность к потере пакетов, и для них даже 1% является недопустимым.

Далее, говоря о QoS, мы будем иметь в виду механизмы, посредством которых можно обеспечить требуемое качество доставки конкретного мультимедийного приложения. Эти механизмы будут обсуждаться на примере телефонного соединения VoIP.

Проблемы качества соединения VoIP уже упоминались в нашей первой статье, посвященной протоколам VoIP, где говорилось о двух работающих совместно ключевых протоколах надежной доставки пакетной информации реального времени — о транспортном протоколе реального времени (RTP, Real-Тime Transport Protocol), предоставляющем транспортные услуги мультимедийным приложениям, и управляющем протоколе реального времени (Real-time Control Protocol, RTСP), который обеспечивает управление потоком данных и контроль перегрузки.

Надо сказать, что не существует точной оценки качества ни речевого, ни телевизионного сигнала, поскольку оно зависит от восприятия человека, т.е. такая оценка в значительной степени субъективна. На помощь приходит статистика. Например, для оценки качества речи была предложена так называемая средняя экспертная оценка (Mean Opinion Score, MOS). Она формируется на основе большого числа испытаний, в каждом из которых участвует множество экспертов. Возможные значения MOS находятся в пределах от 1 до 5. Средний показатель с цифрой 4 соответствует хорошему качеству речевого соединения, менее 3,5 означает неудовлетворительное качество.

На Рис. 1 приведены логические оценки качества телефонного сигнала, соответствующие разным областям значений MOS. Оценивать можно и с помощью коэффициента R в процентах. Если R превышает 93%, значит, качество передачи телефонного сигнала хорошее. Абонент замечает ухудшение качества при значениях R менее 70%.

Рис. 1 - Логические оценки качества телефонного сигнала

При наличии стойкой тенденции уменьшения значений MOS и R обычно проводится детальное тестирование соединения с целью определения возможной причины ухудшения показателей. Важно отметить, что качество телефонного соединения зависит от условий, в которых находятся пользователи.

Применительно к соединению VoIP MOS дает интегральную оценку влияния на качество речи таких факторов, как вносимая задержка, ее вариация, потеря пакетов, эхо, условия помещения и др.

Задержка пакетов (delay/latency) зависит от множества факторов, включая методы обработки и преобразования сигнала, свойства сетевого оборудования, используемой среды передачи и т.д.

Для достижения удовлетворительного качества время задержки пакетов соединения VoIP не должно превышать 150 мс. Правда, нередко в соединении VoIP присутствуют спутниковые участки со временем задержки до 500 мс, однако не все пользователи замечают это, а некоторые достаточно успешно адаптируются.

Задержка в сетях VoIP складывается из четырех составляющих:

• задержка распространения (propagation delay) вследствие конечной скорости распространения сигнала в среде передачи (меди, волокне, спутниковой линии и др.);
• задержка пакетов в сетевых устройствах (handling delay), когда требуется время для формирования пакетов, сжатия, коммутации и т.д.;
• задержка при преобразовании битов в байты на интерфейсах (serialization delay), которая, как правило, существенно меньше двух первых составляющих;
• специфическая для пакетных сетей «задержка в очереди» (queuing delay), возникающая при задержке пакетов, вызванная перегрузкой сети.

Вариация задержки в соединении VoIP является результатом флуктуации времени отправления и прибытия пакетов. Если два узла не подключены к одному коммутатору, то возможно изменение задержки от пакета к пакету. Когда соединение перегружено, вариация задержки растет. Для таких приложений, как загрузка файлов и серфинг в Web, это, как правило, не так уж и важно. Однако потоковое видео и IP-телефония очень чувствительны к величине вариации. Для борьбы с ней обычно используют специальные буферы памяти, что остается эффективным лишь до определенного предела, поскольку буфер большей емкости увеличивает общее время задержки пакетов. Так, увеличение емкости буфера до 300 мс может заметно ухудшить качество соединения VoIP.

Таким образом, хотя время задержки и ее вариация являются принципиально разными понятиями, они взаимосвязаны. Допустимая величина вариации задержки лежит в диапазоне от 100 до 150 мс.

Буферы для компенсации вариации задержки бывают двух типов — статический и динамический. Динамический обычно увеличивает свою емкость, опираясь на результаты анализа вариации задержки нескольких последних пакетов.

Потеря пакетов может быть причиной ухудшения качества соединения VoIP. Сброс (потеря) пакетов чаще всего возникает при перегрузке соединений и приводит к пропаданию целых фрагментов данных из потока передачи, нарушению соединений и другим проблемам. Более того, возможна повторная передача сброшенных пакетов, что только усугубляет проблему.

Все время работы соединения VoIP можно условно разбить на два периода — потери отдельных пакетов и потери множества соседних пакетов. Сброс отдельных пакетов (gap) практически не влияет на качество соединения, поскольку имеющиеся методы позволяют это скрыть. Параметрами gap являются плотность, т.е. отношение длительности соответствующего интервала к общему времени разговора, процент потерянных пакетов за определенный период и его средняя длительность.

Сброс большого числа соседних пакетов обычно происходит на участках высокой плотности, когда пакеты передаются пачками (burst). В подобных ситуациях качество соединения VoIP может серьезно ухудшиться. Оценкой этого параметра является процентное содержание пачек пакетов во время соединения, а также плотность пачек, т.е. средний процент потерянных пакетов в пачке.

Для восстановления используется целый ряд механизмов (см. Рис. 2). Если пакет не принят в ожидаемое время (оно может быть переменным), то считается потерянным и заменяется последним успешно принятым пакетом. Поскольку потеря пакета приводит к утрате всего 20 мс речевого сигнала, то абонент не заметит замены. Такой механизм называется «стратегией скрытия» (Сoncealment Strategy). При ее использовании для кодеров G.729, согласно неписаному правилу, допускается потеря до 5% пакетов в сеансе связи. Следует отметить, что указанный механизм эффективен только при потере отдельных пакетов.

Рис. 2 Алгоритм работы вокодера

Эхо при разговоре нередко приводит к существенному ухудшению качества телефонного разговора. Основным источником этого явления в традиционной ТФОП является отраженный сигнал в дифференциальной системе Hybrid местной АТС, где происходит стык четырехпроводной части телефонного соединения с двухпроводной абонентской линией собеседника.

В традиционной ТфОП применяются так называемые эхоподавители (Echo Cancellers). Эхо характеризуется громкостью и длительностью — чем больше эти показатели, тем неприятней эффект. Допустимым считается величина запаздывания порядка 25 мс.

В современных пакетных сетях эхоподавители встраиваются в низкоскоростные речевые кодеки. Основным параметром таких устройств является время ожидания приема отраженного сигнала (Echo Tail), реальные значения которого могут составлять 16, 24, 32, 64 и 128 мс. Очень важно точно сконфигурировать величину ожидания при первоначальной настройке оборудования VoIP. Если величина времени срабатывания эхоподавителя установлена неточно, то участники разговора будут слышать собственное эхо.