Нечетко-множественный анализ показателей обслуживания в сетях с коммутацией пакетов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Узбекское Агентство Связи и Информатизации

Ташкентский Университет Информационных Технологий

Диссертация

Нечетко-множественный анализ показателей обслуживания в сетях с коммутацией пакетов

Специальность: (5А522202 - Сети связи, узлы и распределения информации)

Абасханов Шарофиддин Абдурашидович

Ташкент-2012

Содержание

Введение

1. Методология и обеспечения качества обслуживания в сетях NGN

1.1 Основы качества обслуживания в сетях NGN

1.2 Характеристики качества функционирования сети

1.3 Требования к качеству обслуживания типовых услуг NGN

Выводы

2. Методы оценки качества обслуживания

2.1 Методы оценки качества ITU-T

2.2 Метод оценки качества речи

2.3 Метод оценки качества передача данных

Выводы

3. Нечетко-множественный анализ качества обслуживания

3.1 Основы нечетко множественного анализа

3.2 Метод оценки качества на основе нечеткого множества

3.3 Нечетко - множественной анализ качества обслуживания в среде Мatlab

Выводы

Заключение

Список литературы

Введение

В Республике Узбекистан на сегодняшний день наблюдается положительная тенденция - ускоренный рост услуг связи и информатизации, которые за год возросли на 41,6 процента. Это обеспечено в первую очередь за счет увеличения количества абонентов, пользующихся услугами мобильной связи и сети Интернет. Сегодня около 8 миллионов человек являются активными пользователями сети Интернет.[1]

В нашем государстве, как и во всем мировом сообществе, внедряются Сети Следующего Поколения (NGN).Операторы и провайдеры телекоммуникаций решают внедрением NGN бизнес - задачи по обеспечению роста доходности и удержания абонентской базы. При этом модернизация устаревшего оборудования и введение новых универсальных услуг требует больших инвестиций, как в оборудование, так и в обучение персонала.

Сети следующего поколения, позволяют на основе одной универсальной среды предоставлять различные телекоммуникационные услуги - услуги видеотелефонной связи, видеоконференций, высокоскоростного доступа в Интернет и высокоскоростной передачи данных, комплекс IP-телевидения, услуги по созданию мультисервисных корпоративных сетей, IP-телефония и услуги документооборота. На практике функционирование этих сетей позволит сделать предоставляемые услуги мобильными и доступными независимо от географии участников коммуникации.

В Узбекистане созданы все необходимые предпосылки для плавного перехода от традиционных сетей телекоммуникаций к сетям NGN. На сегодняшний день ряд компаний Узбекистана, представляющих коммуникационные услуги, продолжают развивать сети NGN или их фрагменты. Это отностится к АК «Узбектелеком», операторам сотовой связи,

компаниям интернет провайдерам. Однако эволюция традиционных сетей телекоммуникаций к сетям NGN требует решения целого ряда задач, относящихся к архитектуре сети, регулированию деятельности операторов и межсетевому взаимодействию, организацию синхронизации в сетях NGN.

Узбекистан является 13 страной мира, в которой был реализован проект по созданию сети NGN. Инициатором проекта выступило СП «East Telecom». Данная технология дает возможность предоставлять различные виды услуг речи, видео, данные через единую универсальную многопротокольную мультисервисную сеть, открывая новые горизонты для развития новых приложений.

Актуальность темы научного исследования. В последнее время наблюдается бурное развитие информационных технологий, что связано с переходом от постиндустриального общества к информационному. Технической основой построения информационного общества является Глобальная информационная инфраструктура, включающая в свой состав телекоммуникационную подсистему. От телекоммуникационной подсистемы требуется обеспечение возможности передачи любого вида информации, из любой точки мира, в любое время. В настоящее время в качестве такой сети рассматриваются сети связи, построенные согласно концепции NGN. Сети NGN ориентируются при своем построении на использование современных телекоммуникационных технологий, отличаются архитектурой от ранее используемых и не ограничиваются количеством предоставляемых услуг и видов передаваемой информации. Перечисленные свойства внедряемой сети выдвигают новые требования к проектированию. В процессе проектирования решаются такие задачи как: синтез структуры будущей системы, синтез топологии и выбор параметров элементов системы.

Цели и задачи исследования. Основной целью данной диссертации является анализ показателей качества обслуживания пакетов на основе теории нечетких множеств.

Основными задачами данной магистерской диссертации являются:

1.Анализ методов и характеристик качества обслуживания, в сетях следующего поколении.

2. Оценки качества обслуживания на основе нечеткого множества

3.Разработка нечеткий системы оценки качества обслуживания в среде Matlab (fuzzy tech).

Научная новизна диссертационной работы. Разработана имитационная модель на основе нечеткого множества для оценки качества обслуживания на основе пакетов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1.Анализ характеристик качества функционирование сети.

2. Требования к качества обслуживания типовых услуг NGN.

3.Методы оценки качества ITU-T.

4.Оценки качества обслуживания сети следующего поколение на основе нечеткого множества

Методология научного исследования. Для решения задач поставленных в данной диссертации использованы элементы имитационного моделирования и методы теории нечетких множеств.

Объекты и предмет исследования. Объектом диссертационного исследования являются мультисервисные сети связи. Предметом исследования являются методы оценки качества обслуживания пакетов.

Практическая ценность научного исследования. Практическая ценность диссертационной работы заключается в том, что разработанная нечеткое

система оценки качества обслуживания можно использовать в составления соглашения об уровня качества обслуживания (SLA) между операторам и пользователем сети

Апробация результатов работы. Результаты исследований и выполненных работ по теме диссертации обсуждались на Республиканской научно-технической конференции «Технологии информации - коммуникации» 4 - 5 марта 2008 г. и были изложены в следующих докладах:

1. «Анализ технической возможности NGN технологий»,4-5 марта 2008 г.

2. «Роль NGN технологии в современном технологии»,4-5 марта 2008 г.

1. Методология и обеспечения качества обслуживания в сетях NGN

1.1 Основы качества обслуживания в сетях NGN

Термин NGN(NextGenerationNetwork-сеть следующего поколения) стал встречаться в специальной литературе начиная с 2000 г., однако четкого определения данного понятия не сформировалось до сих пор. Активно использующие этот термин специалисты сходятся в одном: сети NGN основаны на пакетных технологиях передачи и обеспечивают функциональные возможности «Triple Play» (коммерческой концепции, применяемой поставщиками телекоммуникационных услуг для обозначения совместного предоставления пользователю услуг передачи речи, видео и данных)[2]. Разработкой международных стандартов для NGN занимаются Международный союз электросвязи (МСЭ, рекомендации серии Y.2000 «Глобальная информационная структура, аспекты протокола Интернет и сети следующего поколения»), проект TISPAN (Telecoms & Internet converged Services & Protocols for Advanced Networks) в рамках Европейского Института по стандартизации в области телекоммуникаций (EuropeanTelecommunicationsStandardsInstitute, ETSI),атакже организация 3rd Generation Partnership Project (3GPP). TISPAN и 3GPP являются авторами концепции IMS (Internet Protocol-based Multimedia Subsystem) и разрабатывают основанное на подсистеме IMS ядро сети NGN, которое может использоваться для построения как беспроводных, так и фиксированных сетей связи.

Следует понимать, что NGN - не конкретная сеть, а концепция развития сетей связи в направлении создания универсальной сетевой инфраструктуры,котораяпозволялабыпереноситьлюбыевиды информации и предоставлять пользователям любые услуги, независимо от времени и места расположения. Способом реализации концепции NGN

является создание мультисервисных сетей связи, ориентированных на предоставление самого широкого спектра услуг в рамках единой сетевой

структуры. На сегодняшний день концепция NGN находится на этапе исследований и становления, причем чаще формулируются требования к NGN и задачи изучения, а не конкретные решения. Приведем определения NGN в соответствии с документами ведущих международных организаций по стандартизации. Под сетями связи следующего поколения институт ETSI понимает «сеть связи на базе технологии коммутации пакетов, способную обеспечивать предоставление услуг связи и пригодную для использования различных транспортных высокоскоростных технологий, обеспечивающих качество обслуживания, в которой функции, связанные с предоставлением услуг, не зависят от технологии транспортной сети». В документах МСЭ-Т это определение дополнено следующим образом:

«…NGN обеспечивает неограниченный доступ пользователей к сетям связи и конкурирующим между собой поставщикам услуг и/или услугам связи,выбираемымсамими пользователями.Сеть поддерживает

универсальнуюмобильность,котораяобеспечиваетпостоянноеи повсеместное предоставление услуг связи пользователям»[3].

Ключевыми особенностями сети NGN являются:

? использование режима коммутации пакетов для передачи данных;

? разделение функций управления на функции, связанные с управлением транспортом, управлением вызовами/сессиями и приложениями/услугами;

? отделение процесса предоставления услуг от процесса транспорта, использование открытых интерфейсов;

? поддержка большого набора услуг, приложений и механизмов, основанных на конструктивных блоках, включая потоковые услуги, услуги в режиме реального и нереального времени, мультимедийные услуги;

? поддержка широкополосных технологий со сквозным («из конца в конец», end-to-end) обеспечением качества обслуживания;

? взаимодействие с существующими сетями через открытые интерфейсы;

? мобильность в обобщенном смысле (generalized mobility);

? неограниченный доступ пользователей к различным поставщикам услуг;

? множество схем идентификации абонента;

? одни и те же характеристики для одинаковых с точки зрения пользователя услуг;

? конвергенция услуг мобильных и фиксированных сетей;

? независимость услуго - ориентированных функций от используемых транспортных технологий;

? поддержка различных технологий для реализации сети доступа и др.

Одними из наиболее актуальных вопросов при предоставлении услуга связи являются вопросы качества обслуживания. Высокий уровень качества важен как для пользователя, так и для поставщика услуг, при этом принципиальным является гарантированность качества предоставляемых

услуг, когда пользователь имеет возможность выбирать требуемый ему уровень обслуживания, а поставщик услуг принимает на себя обязательства этот уровень обеспечить.

Рис.1.1 Архитектура сети следующего поколения

Оценка качества в сети следующего поколения производится на трех уровнях:

? на уровне пользователя оцениваются показатели субъективного мнения человека, например субъективная оценка качества восприятия отдельного вида информации;

? на уровне услуг оцениваются различные аспекты качества услуги, такие как скорость передачи данных, механизмы кодирования и многое другое;

? на транспортном уровне оценивается качество функционирования сети: задержки, потери, вариация задержки и т. д.

На каждом уровне определены соответствующие параметры оценки качества: показатели качества восприятия (Quality of Experience, QoE) на

уровне пользователя, показатели качества обслуживания (Quality of Service, QoS) на уровне услуг и показатели качества функционирования сети (Network Performance, NP) на транспортном уровне. На рис 1.2 показана трехуровневая модель оценки качества и соответствующие параметры оценки.

Рис. 1.2. Трехуровневая модель оценки качества

сеть качество передача данные

Качество восприятия определяется как общая приемлемость услуги или приложения с точки зрения конечного пользователя. Влияние на оценку пользователя может оказывать как эффективность функционирования всех элементов системы, включая терминалы, сеть, клиентское оборудование, инфраструктуру сервисов, так и субъективные факторы, такие как ожидание пользователя, связанные с предоставляемой ему услугой, и контекст применения, а также параметры его зрения и слуха. Пользователь интуитивно оценивает качество данной услуги, сравнивая его с качеством подобных услуг других операторов. Качество восприятия с точки зрения пользователя может быть выражено совокупностью параметров. Эти параметры описываются в терминах, понятных как службе, предоставляющей услугу, так и пользователю, и не зависят от структуры сети. Они ориентированы преимущественно на эффект, воспринимаемый пользователем, должны быть гарантированы пользователю службой и поддаваться объективному измерению в точке доступа к услуге.

Качество обслуживания согласно Рекомендации Е.800 представляет собой «суммарный эффект показателей качества услуги, который определяет степень удовлетворенности пользователя услуги». Показатели QoS специфицируют характеристики и свойства конкретных приложений, однако требования для различных приложений могут отличаться. Например, для телемедицины точность доставки информации более важна, чем вариация задержки передачи, в то время как для IP-телефонии значение и вариация задержки являются ключевыми параметрами и должны быть минимизированы. Термин «качество обслуживания» также относится к совокупности сетевых технологий (механизмов QoS), целью которых является предоставление поставщику возможности управлять уровнем качества предоставляемых им услуг. С помощью механизмов QoS поставщик может распределить ресурсы сети в зависимости от потребностей той или иной услуги, а также того или иного пользователя, и снизить нагрузку на сеть.

Качество функционирования сети согласно Рекомендации I.350 измеряется посредством параметров, которые рассматриваются оператором связи и используются при разработке, конфигурации, эксплуатации и техническом обслуживании сети. Такие показатели определяются независимо от производительности оконечного оборудования и действий пользователя, но зависят от используемой сетевой технологии. Для каждой сетевой технологии определяется система уровней качества обслуживания, описываемых с помощью наборов требований, которые носят название классов QoS этой технологии. Разработаны сетевые классы QoS для протоколов IP, ATM (Asynchronous Transfer Mode), Frame Relay и т. д.

На рис.1.3 представлена общая эталонная конфигурация QoE, QoS и NP для сетей NGN, в таблице 1.1 приведено краткое описание этих концепций.

Рис.1.3. Общая эталонная конфигурация QoE, QoS и NP для сетей NGN

Концепции QoE, QoS и NP оценивают качество на разных уровнях и с различных точек зрения. Параметры качества восприятия носят в большей степени субъективный характер и зависят от действий и желаний пользователя. Для оператора сети наибольший интерес представляют параметры NP, детализирующие аспекты QoS и представляющие собой проекцию общих требований к функционированию системы на уровень сети и отдельные сетевые технологии. Параметры качества функционирования сети могут быть определены, измерены или вычислены, а также контролируемы оператором.

Параметры качества обслуживания определяются с учетом влияния всех компонентов и участков сети, в том числе с учетом влияния сетей различных операторов, поэтому под термином QoS подразумевается прежде всего сквозное качество, или качество «из конца в конец».

Параметры качества функционирования сети могут определяться как для всей сети, так и для отдельных ее участков и объектов, например: качество функционирования транспортной сети, абонентского участка сети и т. д [4].

Таблица 1.1 Общая характеристика концепций QoE, QoS и NP

Хар-ка	Уровень NGN	Краткое описание	Примеры показателей
QoE	Уровень пользователя	Общая приемлемость услуги с точки зрения конечного пользователя	Субъективная оценка качества восприятия отдельного вида информации (например, громкость, разборчивость при передаче речи) по 5- балльной шкале MOS (Mean Opinion Score)
QoS	Уровень услуг	Суммарный эффект показателей производительности услуги, который определяет степень удовлетворенности пользователя услугой	Скорость передачи данных, скорость механизмов кодирования, доступность обслуживания
NP	Транспортный уровень	Характеристика работы сети, измеряемая посредством параметров, рассматриваемых оператором и используемых для проектирования, настройки и эксплуатации сети	Односторонняя задержка передачи по сети, коэффициент потери пакетов

Взаимосвязь между показателями QoS и NP может определяться эмпирическим путем, если для этого не существует аналитической методики. Знание взаимосвязи между показателями QoS и NP позволяет, с одной стороны, по измеренным значениям параметров NP предсказать значения параметров QoS или, с другой стороны, по целевым значениям параметров QoS определить требуемые для их поддержания значения параметров NP. Для удовлетворения требований международных стандартов и рекомендаций и для поддержания конкурентоспособности услуг в МСС необходимо учитывать потребности пользователя в услугах c определенным уровнем качества. В связи с этим при расчете и проектировании мультисервисных сетей связи целесообразно использовать второй подход и при определении показателей NP отталкиваться от нормированных значений показателей QoS.

1.2 Характеристики качества функционирования сети

Транспортная сеть NGN строится на основе пакетных технологий передачи информации. Задачей транспортной сети является прозрачная передача информации - как пользовательской, так и управляющей. Основными технологиями построения транспортных сетей NGN являются IP/MPLS (Multiprotocol Label Switching) и ATM, причем технология ATM, как правило, используется на канальном уровне в качестве транспорта для IP. Измерения и параметры качества функционирования на уровне IP позволяют определить эталонные величины для требований к сети, которые не зависят от основных технологий передачи данных и подходят для использования при сквозной оценке качества. Поэтому мы ограничимся рассмотрением характеристик качества функционирования сети на уровне IP[5].

Существует два основных подхода к измерению качества функционирования сети - активное (active, intrusive) и пассивное (passive, non-intrusive). Активное измерение производится с помощью тестового потока в условиях обычного функционирования сети. Такой тип измерения позволяет детально выделить характеристики NP, например, время односторонней задержки, влияние размера блока данных и т. д., однако активное измерение вносит дополнительную нагрузку на сеть. Пассивное измерение производится с помощью сбора информации в узлах сети (маршрутизаторах уровня IP, коммутаторах ATM и Ethernet) с использованием базового протокола управления сетью (Simple Network Management Protocol, SNMP) и других технологий. Метод не вносит дополнительной нагрузки на сеть и позволяет производить измерения для каждого устройства или звена сети, однако измерения могут быть ограничены в рамках одного домена или сети в связи с использованием разных протоколов. Согласно общей модели качества функционирования сети на уровне IP, определенной в Рекомендации Y.1540, основными сетевыми компонентами являются хост, маршрутизатор, хост-источник, хост-получатель и звено. Под точкой измерения (Measurement point, MP) понимается граница между хостом и смежным звеном, на которой можно констатировать эталонные события (Reference Event, RE) и произвести измерение характеристик передачи. Примерами эталонного события могут служить такие события, как «пакет покидает хост» или «пакет достигает хоста». Передача пакета констатируется, когда пакет проходит точку измерения, при условии что проверка контрольной суммы его заголовка стандартными методами дает положительный результат и значения адресных полей заголовка соответствуют IP-адресам ожидаемых источника и получателя. Также важными понятиями модели являются сегмент сети (network section) и звено обмена (exchange link). Под сегментом сети понимается совокупность хостов и соединяющих их звеньев, которые совместно обеспечивают передачу информации на уровне IP между хостом-источником и хостом-получателем и находятся в пределах одной автономной системы.

Звено обмена - это звено, соединяющее либо хост- источник или хост-получатель с соседним хостом (например, маршрутизатором), который может принадлежать иной юрисдикции (в этом случае звено обмена называют также звеном доступа); либо два маршрутизатора, принадлежащих к различным сегментам сети. Звено обмена, сегмент сети, хост-источник и хост-получатель являются базовыми сегментами сети, ограничивающимися точками измерения.

Ансамбль сегментов (network section ensemble) - любая совокупность связанных между собой сегментов сети и всех звеньев обмена, их соединяющих.

Показатели качества функционирования сети подразделяются на четыре основные категории[6].

1. Задержка передачи в базовом сегменте сети. К этой категории относятся два показателя NP уровня IP для версии протокола IPv4: задержка передачи (или переноса) IP пакетов (IP packet transfer delay, IPTD) и вариация задержки IP пакетов, или джиттер задержки (IP packet delay variation, IPDV).

2. Ошибки и потери передачи в базовом сегменте сети. Основными показателями NP в этой категории являются доля потерянных IP пакетов, или коэффициент потери IP пакетов (IP packet loss ratio, IPLR), и доля искаженных IP пакетов, или коэффициент ошибок IP пакетов (IP packet error ratio, IPER).

3. Готовность базового сегмента сети. Готовность - свойство объекта быть в состоянии выполнять требуемую функцию при заданных условиях в данный момент времени или в течение заданного интервала времени при условии обеспечения необходимыми внешними ресурсами. Готовность является ключевым показателем, определяющим качество функционирования сети. Основой для определения показателя готовности сети на уровне IP служит параметр IPLR - доля потерянных IP пакетов, или коэффициент потерь IP пакетов.

4. Пропускная способность базового сегмента сети. Полезно иметь возможность охарактеризовать качество функционирования сети с помощью показателей, связанных с понятием пропускной способности. При введении таких показателей необходимо учитывать, что на пропускную способность сети на уровне IP оказывают влияние протоколы вышележащих уровней, например протокол управления передачей (Transmission Control Protocol, TCP). Можно рассматривать такие показатели, характеризующие ширину полосы пропускания, как пропускная способность звена/канала (capacity of a link/path), коэффициент использования звена (link utilization), доступная ширина полосы пропускания звена (available bandwidth of a link), достижимая ШПП канала (achievable bandwidth on a path). Однако работа МСЭ-Т над определением показателей данной категории пока не завершена.

1.3 Требования к качеству обслуживания типовых услуг NGN

Требования к параметрам качества функционирования сети определяются требованиями к качеству обслуживания при предоставлении той или иной инфокоммуникационной услуги. Услуги мультисервисной сети связи подразделяются на три основные категории по общему характеру требований к QoS:

? услуги передачи речи (например, телефония);

? услуги передачи видео (например, IP-телевидение);

? услуги передачи данных (например, предоставление доступа в

Интернет).

Заметим, что речь идет о классификации наиболее востребованных услуг NGN, попадающих в рамки концепции «Triple Play». Можно привести примеры услуг NGN, обладающих специфическими требованиями к QoS, однако мы не выделяем их в отдельные категории в силу их недостаточной распространенности[7].

Предоставление услуг передачи речи в сетях IP явилось первым шагом на пути конвергенции в сфере инфокоммуникаций и развивается на протяжении более чем пяти лет. Работа над стандартами качества при предоставлении таких услуг в целом ряде международных и национальных организаций по стандартизации продвинулась весьма далеко.

Среди услуг по передаче речи выделяют три основные группы:

? телефония;

? голосовые сообщения;

? потоковая речь.

На качество обслуживания при передаче речи значительное влияние оказывает односторонняя задержка передачи по сети. Результатом влияния этого параметра являются два эффекта: возникновение эха и нарушение динамики разговора. Первый эффект становится заметен при значении

величины задержки выше нескольких десятков миллисекунд, что делает механизмы, ограничивающие эффект эха, обязательными для оборудования IP-телефонии. Второй - когда величина задержки превышает сотни миллисекунд. Для голосовой связи рекомендована задержка не более 150 мс.

К кратковременным вариациям задержки человеческое ухо малочувствительно. В зависимости от типа кодека не воспринимается вариация задержки в пределах 15-50 мс. На практике для всех голосовых услуг вариация задержки компенсируется посредством использования буфера для сглаживания фазового дрожания.

Поскольку голосовые пакеты не передаются повторно, при их потере или искажении качество восприятия речи на принимающей стороне может заметно ухудшаться. Частые потери голосовых пакетов могут привести к ухудшению разборчивости речи и полной невозможности общения. Искажения при потере пакетов зависят от типов применяемых кодеков.

При телефонии хорошего качества допустимый уровень потерь пакетов не должен превышать 1%.Для услуги передачи голосовых сообщений требования к уровню потери информации такие же, как для телефонии. Ключевое различие между указанными услугами состоит в том, что при передаче голосовых сообщений параметр задержки не оказывает настолько сильного влияния. Значение имеет только задержка между запросом пользователя на прослушивание нового голосового сообщения и тем моментом, когда он услышит начало сообщения. Для услуг голосовой телефонии считается приемлемой величина задержки до нескольких секунд. Требования к задержке при передаче потоковой речи (например, для услуги радио через Интернет) могут быть ослаблены в связи с односторонней передачей. Однако к потерям предъявляются более жесткие требования, чем для телефонии. Значения параметров качества при предоставлении услуг передачи речи согласно Приложению I к Рекомендации G.1010 приведены в таблице 1.2 Характеристики задержек и потерь при передаче речи для различных классов обслуживания ETSI TIPHON (Telecommunications and Internet Protocol Harmonization Over Networks) показаны в таблице 1.3.

Таблица 1.2 Значения показателей качества передачи речи

Приложение	Степень симметрии	Скорость передачи данных, кбит/с	Значения ключевых параметров
			Односторонняя задержка, мс	Вариация задержки, мс	Потеря пакетов
Голосовая телефония	Двусторонняя	4-64	Предпочтит. < 150, предельная < 400	< 1	< 3%
Голосовые сообщения	Преимущественно односторонняя	4-32	< 1 с для записи, < 2 с для воспроизведения	< 1	< 3%
Потоковая речь высокого качества	Преимущественно односторонняя	16-128	< 10 с	<< 1	< 1%

Таблица 1.3 Классы качества для услуг передачи речи ETSI TIPHON

Характеристика	Классы обслуживания
	наилучший (Gold)	высокий (Silver)	средний (Bronze)	низкий
Сквозная односторонняя задержка, мс	< 150	< 250	< 350	< 450
Вариация задержки, мс	< 10	10-20	20-40	-
Коэффициент потерь пакетов	< 0,5%	0,5-1 %	1-2%	-

Предоставление услуги передачи видео на основе IP-сетей сравнительно молодое, хотя и очень перспективное направление развития отрасли. На сегодняшний день для передачи видео нет согласованных стандартов, регламентирующих качество предоставления таких услуг.

Среди видео услуг выделяют две основные категории:

? интерактивное видео (например, видеоконференции);

? потоковое видео (например, IPTV).

Интерактивное видео подразумевает двусторонний обмен как видео, так и аудиоинформацией. В связи с этим требования к характеристикам качества обслуживания и качества функционирования сети для интерактивного видео такие же, как для голосовой телефонии. Из-за односторонней задержки передачи по сети возникают эффекты эха и нарушения динамики. Кроме того, при передаче трафика интерактивного видео возникает дополнительное требование синхронизации видео и аудиоинформации. Человеческий глаз нечувствителен к небольшой потере информации, поэтому допустим невысокий уровень потерь, который зависит от особенностей видеокодека и способов защиты от потерь информации[8]. Для предотвращения значительных потерь рекомендуется использовать механизмы, реализующие алгоритмы приоритезации трафика, например DiffServ (Differentiated Services).

Отличительной особенностью потокового видео, например IPTV, является отсутствие диалогового элемента, благодаря чему требования к задержкам могут быть снижены по сравнению с требованиями для интерактивного видео. Вариация задержки несущественна, поскольку компенсируется адаптивными буферами на стороне пользователя. При этом задержка, добавляемая буфером, может достигать 100-500 мс.

Для сохранения хорошего качества изображения требуется низкая величина потери пакетов. Для гарантии эффективного предоставления видеоуслуг по сети IP величина коэффициента потерь пакетов IP не должна превышать 10^-5 .

Модель измерения качества видеоуслуг согласно Рекомендации J.241

показана на рис.1.4. Здесь заданы четыре точки измерений[9]: ? A - кодер видео;

? B - уровень IP на стороне головной станции (IP-трафик);

? C - уровень IP на стороне оборудования пользователя (IP-трафик);

? D - декодер видео.

Рис. 1.4. Модель измерения показателей качества при предоставлении услуг передачи видео

В таблице 1.4 приведены значения параметров NP при передаче видеоинформации.

Таблица1. 4 Значения показателей NP при передаче видео

Приложение	Степень симметрии	Скорость передачи данных, бит/с	Значения ключевых параметров
			Одностор. задержка, мс	Вариация задержки, мс	Потеря пакетов, %	Доп. параметры
Интерактив- ное видео	Двустор.	16-384	Предпочт. < 150, допуст. < 400	-	< 1	Рассинхро- низация видео и аудио < 80 мс
Потоковое видео	Одностор.	16-384	< 10 с	-	< 1	-

Традиционно в сетях IP трафик передается по методу «негарантированной доставки» (best effort). Сеть старается обработать поступающий трафик как можно быстрее, но при этом не дается гарантий относительно результата. По методу best effort обслуживаются преимущественно веб-услуги, электронная почта, обмен сообщениями, передача файлов. Также популярны приложения реального времени, связанные с передачей данных, например интерактивные игры.

Для всех видов услуг по передаче данных основным требованием к качеству передачи является гарантия отсутствия потерь информации. Вариация задержки при передаче незначительно влияет на качество, тем не менее определенные ограничения на уровень синхронизации между информационными потоками мультимедийной сессии (например, аудиоинформация при просмотре широковещательной презентации) должны быть установлены. Требования к задержке при передаче отличаются для различных типов приложений. На основе требований к задержкам можно выделить следующие классы услуг по передаче данных[10,11]:

? Веб-услуги, под которыми понимается поиск и просмотр текстовых компонентов веб-страниц. Остальные компоненты, такие как изображения и видеоклипы, относятся к другим категориям в рамках данного раздела. С точки зрения пользователя основополагающим фактором качества является

скорость появления страницы после запроса. Для данной категории услуг задержка менее 10 секунд считается приемлемой.

? Класс объемных данных (файлы). Поскольку при передаче файлов пользователю предоставляется возможность просмотра информации о ходе передачи (скорости передачи, проценте полученной информации от общего размера файла и т. д.), то требования к задержке можно ослабить по сравнению с требованиями для веб - страниц.

? Высокоприоритетные услуги по передаче данных, например электронная коммерция. Основные требования пользователя к данной категории услуг - немедленное начало передачи после запроса пользователя. Задержка при передаче в пределах нескольких секунд считается приемлемой.

? Передача изображений различных форматов, некоторые из которых могут быть терпимы к потерям во время передачи, при передаче других потери недопустимы. Однако, учитывая тот факт, что искажение даже одного бита может вызвать видимое ухудшение качества изображения, принято считать, что в общем случае необходима гарантия отсутствия потерь информации.

Требования к задержке при передаче изображений не критичные и сравнимы с требованиями при передаче файлов, поскольку изображение обычно появляется на экране пользователя по мере поступления данных, что иллюстрирует процесс передачи.

? Интерактивные игры, требования к параметрам качества которых в значительной степени зависят от специфики игры. В общем случае для данной категории задержки при передаче должны быть минимальными и не превышать доли секунды.

? Приложения для удаленного доступа типа Telnet, обеспечивающие удаленный доступ пользователя к узлам сети. Значения задержек при передаче должны быть минимальны и не превышать доли секунды, для того чтобы разница во времени между набором символов пользователем и их отображением на экране не была ощутима для пользователя.

? Электронная почта. При передаче сообщений электронной почты различают процесс обмена информацией между пользователем и локальным почтовым сервером и обмен информацией между серверами. В первом случае задержки при передаче информации не должны превышать нескольких секунд. Во втором случае требования к задержкам минимальны, допустимыми считаются задержки в пределах нескольких минут или даже часов.

? Мгновенный обмен сообщениями, как правило, подразумевает обмен текстовой информацией, однако может также включать обмен аудио и видеоданными. Несмотря на название данной категории, она не относится к категориям передачи данных в реальном времени, и задержки в пределах нескольких секунд считаются приемлемыми.

? Фоновые приложения. Для данной категории единственным требованием к качеству передачи данных является отсутствие ошибок при передаче. Требования к задержкам минимальны. К данной категории относится передача факсимильных сообщений, задержка при передаче которых не должна превышать 30 секунд, однако допустимы потери информации в некоторых пределах. К фоновым услугам также относится обмен короткими сообщениями, при котором допускается задержка в пределах 10 секунд.

Выводы

Исходя из информации, рассмотренной в первой главе можно сделать следующие выводы:

- Рассмотрены уровни оценки качества сети следующего поколения и общие характеристики концепций QoE, QoS и NP

- Анализ показал, что параметры качества обслуживания определяются с учетом влияния всех компонентов и участков сети, в том числе с учетом влияния сетей различных операторов, поэтому под термином QoS подразумеваются, прежде всего, сквозное качество или качество «из конца в конец».

- Произведен анализ подходов к измерению качества функционирования сети, анализ показал, что в измерение качества функционирования сети следующего поколение существует два основных подхода: активное (active, intrusive) и пассивное (passive, non-intrusive). Активное измерение производится с помощью тестового потока в условиях обычного функционирования сети. Такой тип измерения позволяет детально выделить характеристики NP, например, время односторонней задержки, влияние размера блока данных и т. д., однако активное измерение вносит дополнительную нагрузку на сеть. Пассивное измерение производится с помощью сбора информации в узлах сети (маршрутизаторах уровня IP, коммутаторах ATM и Ethernet) с использованием базового протокола управления сетью (Simple Network Management Protocol, SNMP) и других технологий.

- Рассмотрены основные категории показателя качества функционирования сети.

2. Методы оценки качества обслуживания

2.1 Методы оценки качества ITU-T

Предоставление услуг гарантированного качества независимо от типа передаваемой информации является отличительной особенностью сетей следующего поколения (Next Generation Network, NGN). Качество обслуживания абонентов в NGN является ключевым вопросом и в той или иной форме присутствует при решении практически любой задачи, связанной с проектированием или эксплуатацией сетей данного типа. Как правило, качество предоставляемой пользователю услуги фигурирует в роли ограничений в рамках математической постановки какой-либо более общей задачи, например задачи выбора пропускных способностей каналов передачи на этапе проектирования или задачи распределения этих пропускных способностей между информационными потоками на этапе управления сетью в процессе ее эксплуатации. Зачастую эти ограничения формулируются в терминах сетевых показателей качества, отражающих качество передачи трафика на участке транспортной сети и не учитывающих влияние других элементов соединения, например локальных сетей и оконечного оборудования[12]. В общем случае формулировка требований и ограничений должна осуществляться в терминах оценок качества, воспринимаемого конечным пользователем, которые являются производными качества работы сети.

Рассматривая управление сетевыми ресурсами как основной инструмент достижения заданного качества обслуживания на этапе эксплуатации телекоммуникационной сети (ТКС), следует отметить, что наибольшая эффективность управления трафиком, канальными и буферными ресурсами достигается при условии реализации динамической многопутевой стратегии. При ориентировании именно на такой подход возникает следующая научно-техническая задача: сформулировать в аналитическом виде условия (ограничения) обеспечения требований конечных пользователей к воспринимаемому качеству услуги в условиях реализации динамической много путевой стратегии управления трафиком и другими сетевыми ресурсами.

Поставленную задачу условно можно разделить на две последовательно решаемые подзадачи: первая связана с получением формализованной зависимости оценок качества конечного пользователя от текущего значения сетевых параметров, вторая - с формированием зависимости сетевых параметров качества от текущего распределения ресурсов при условии реализации динамической многопутевой стратегии[13].

Сквозное качество обслуживания пользователей определяется рядом факторов, среди которых качество сетевого соединения (на уровне IP), специфические для конкретного приложения действия, аспекты восприятия самого пользователя. В соответствии с перечисленным можно выделить три уровня качества обслуживания, для описания каждого из которых вводится свой термин (рис.2.1 - сквозная оценка качества телекоммуникационной услуги, рис.2.2 - точки измерения параметров качества; табл.2.1);

- качество работы сети (Network Performance, NP), соответственно на уровне сети;

- качество телекоммуникационных услуг (обслуживания) (Quality of Service, QoS)на уровне приложения;

- воспринимаемое качество телекоммуникационной услуги (Quality of Experience, QoE) на уровне пользователя.

Оценка QoE представляет собой количественно выраженную степень удовлетворенности конечного пользователя качеством полученной им телекоммуникационной услуги. На достижение хороших значений именно этих оценок направлены все усилия операторов связи. Это интегральная оценка качества, выражаемая не в технической терминологии, а в некоторых

баллах. Рекомендациями ITU-T определены несколько таких оценок, среди которых в качестве основных следует выделить (табл.2.2)[14]:

- рейтинг качества R (Quality Rating), 0?R?100 ;

- среднюю экспертную оценку MOS (Mean Opinion Score), 1? MOS ?5.

Рис.2.1 Сквозная оценка качества телекоммуникационной услуги

Таблица 2.1 Точки измерения параметров качества

	Воспринимаемое качество QoE	Качество телекоммуни- кационной услуги QoS	Качество работы сети (сетевые характеристики NP)
Ориентировано на	на пользователя	на оператора (провайдера)
Уровень	Конечного пользователя	Приложения	Сети
Указывает на	Соответствие ожидаемому пользователем качеству услуги, отражает потребительские свойства услуги	Получаемое пользователем качество услуги	«Слабые места» в работе сети, отражает текущее качество работы сети, ориентировано на разработку, проектирование, эксплуатацию и техническое обслуживание
Определяется	Пользователем с учетом аспектов восприятия	Путем измерения в точках доступа к услуге	Типом (возможностью) сетевых элементов, протоколов и соединений в целом
Описывается параметрами (атрибутами)	Восприятия пользова- теля (оценки MOS, R)	Услуги (суммарная с учетом терминального оборудования задержка, результирующий уровень потерянных и принятых с ошибками пакетов, скорость с учетом ТСР)	Элемента соединения (выделенная пропускная способность, сетевая задержка с учетом времени распространения и обслуживания в очереди, сетевой джиттер, вероятности потери пакета в сети, возникновения ошибок в пакете, нарушения порядка следования)
Характер оценки	Интегральная	Совокупность оценок
Документация ITU-Т	G.107, G.109, G.1070, P.800, P.830	G.1010, G.1030, Y.1541	Y.1540, Y.1541

Таблица2.2 Пределы R и MOS по стандарту ITU-T

R (нижний предел)	MOS (нижний предел)	Удовлетворенность пользователя
90	4,34	Очень удовлетворен
80	4,03	Удовлетворен рено
70	3,60	Некоторые пользователи не удовлетворены
60	3,10	Многие пользователи не удовлетворены
50	2,58	Почти все пользователи не удовлетворены

Рис.2.2 Точки измерения параметров качества

Оценки MOS и R связаны между собой нелинейной зависимостью, которую в диапазоне 2,5<MOS<4,4 можно аппроксимировать выражением MOS=R/20.

Требование хорошего качества в терминах QoE можно записать как

R_треб >70 или MOS_треб >3,5. На практике QoE определяется качеством соединения, а также психологическими аспектами восприятия, где главную роль играет не столько получаемое качество, сколько его соответствие ожидаемому. Это указывает на важность предварительного соглашения о качестве предоставляемых услуг SLA (Service Level Agreement) между пользователем и провайдером. Хотя QoS, так же, как QoE, определяется в точке потребления услуги (интерфейс пользователь-машина), однако, в отличие от QoE, качество телекоммуникационной услуги QoS выражается через совокупность специфических (технических) показателей и параметров услуги, которые, с одной стороны, определяются качеством работы телекоммуникационной сети, а с другой - определяют способность данной услуги удовлетворять установленные или прогнозируемые требования пользователя. QoS отражает качество предоставляемой услуги на уровне приложения и в соответствии с делением приложений по типу передаваемой информации (речь, видео и данные) в качестве ключевых параметров использует задержку, джиттер и величину потерь для аудио и видеоприложений (для видеотелефонии добавляется еще синхронизация между потоками звука и изображения) и задержку и величину потерь для приложений передачи данных.

Рекомендация ITU-T G.1010 содержит граничные значения указанных параметров, необходимые для приемлемого качества работы различных приложений. Следует отметить, что для приложений передачи данных фактором, определяющим результирующее качество услуги (QoE), является величина потерь, в то время как для передачи речи и видео критичными будут величины задержки и джиттера (рис.2.3). Показатели QoS являются функцией качества работы терминального (оконечного) оборудования и качества работы сети, включая сети доступа и транспортную сеть. В результате можно выделить два направления в достижении требуемого качества телекоммуникационной услуги QoS[15]:

1) улучшающие качество настройки терминального оборудования (выбор и настройка кодеков, настройка ТСР и операционной системы, выбор алгоритма и размера буфера компенсации джиттера, правильный выбор скорости передачи и частоты кадров, обеспечение при необходимости синхронизации между звуком и изображением и пр.);

2) приемлемое качество работы сети NP. Учитывая долю сети в суммарном значении перечисленных выше параметров QoS, качество ее работы должно находиться под тщательным контролем со стороны сетевой системы управления и само по себе представляет предмет для исследования.

Качество работы сети NP - это количественные характеристики сети, технические показатели и параметры, полученные в результате испытаний и измерений параметров телекоммуникационной сети, каналов электросвязи, технических средств телекоммуникаций.

В качестве основных параметров сетевого уровня, определяющих качество обслуживания абонентов, в соответствии с Y.1540 можно выделить:

- задержку передачи IP-пакета TNP, которая включает в себя задержки распространения и обработки в очереди;

- межконцевую вариацию задержки (джиттер ) DNP;

- процент потерянных IP-пакетов PNP;

- процент пакетов, принятых с ошибками РЕ NP;

- процент пакетов с нарушенной очередностью РRO NP;

- скорость передачи BNP, выражаемую в пакетах или в битах в секунду.

Рис.2.3.Граничные значения рекомендации ITU-T G.1010

В рекомендации Y.1540 оговаривается, что параметры, связанные с потоком и пропускной способностью на уровне IP, не являются необходимыми, так как под влиянием протоколов более высоких уровней, прежде всего ТСР, результирующие их значения могут существенно измениться.

Требования к параметрам различных приложений послужили основой для создания восьми классов сетевого качества обслуживания (табл.2.3). Здесь класс 5 не содержит ни одного граничного значения, что подразумевает возможность их динамического формирования на основании текущего запроса.

Таблица 2.3 Классы QoS сетевого качества обслуживания

2.2 Метод оценки качества речи

На практике значения перечисленных параметров качества работы сети NP определяются текущим распределением сетевых ресурсов между принятыми к обслуживанию информационными потоками. При наличии системы динамического управления ресурсами сети параметры NP являются управляемыми и выступают в качестве инструмента достижения требуемого пользователем качества обслуживания [16](рис.2.4).

Таким образом, используя введенную терминологию, можно рассматривать сквозное качество обслуживания как функциональную зависимость QoE(QoS (NP)) и в целях достижения качества обслуживания, удовлетворяющего пользователя, необходимо согласовать оценки потребителя QoE и оператора NP, что составляет основу системного подхода к качеству обслуживания. Рассматривая управление параметрами NP как основной инструмент достижения запрашиваемого качества обслуживания, можно выделить два подхода к математической формулировке задачи его обеспечения. Оба они предполагают введение в существующую математическую модель ТКС дополнительных ограничений, однако в первом случае эти ограничения формулируются в терминах NP, а во втором - в терминах QoE (или QoS).

Рис.2.4 Динамической управление сети

Ограничения на сетевые параметры качества в рамках первого, являющегося общепринятым, подхода могут быть записаны в общем виде как:

 (2.1)

Данный поход предусматривает наличие предварительного этапа формирования требований к сетевым параметра качества NPтреб на основании известных требований на уровне пользователя QoEтреб (или приложения QoSтреб), то есть как функцию NPтреб(QoEтреб) или NPтреб(QoSтреб).

Воспринимаемое качество обслуживания QoE зависит как от качества работы сети, так от ряда действий, производимых над трафиком в оконечном оборудовании в соответствии с типом приложения, генерирующего данный трафик.

В результате функциональная зависимость QoE(QoS(NP)) определяется типом приложения. Как показали результаты анализа, формализованная зависимость QoE(NP) (а значит NPтреб(QoEтреб)) существует только для трех типов услуг: передача речи, видеотелефония и просмотр информации в Web. Для некоторых типов услуг (различные приложения передачи данных, цифровое телевизионное вещание) существует формализованная зависимость QoS(NP), что позволяет сформировать требования к сетевым параметрам как NPтреб(QoSтреб), где QoSтреб - характерные для данного приложения требования к качеству в терминах QoS, содержащиеся в G.1010. В случае полного отсутствия формализованной зависимости показателей различных уровней при формировании требований к сетевым параметрам следует воспользоваться рекомендацией Y.1541 и выбрать класс обслуживания (табл.2.3) с учетом изложенного там же руководства по применению классов QoS протокола IP (рис. 2.5).



Рис.2.5 Классы QoS протокола IP

Другой подход к обеспечению гарантированного качества связан с введением зависимости QoE(QoS(NP)) в математическую модель сети. Тогда проверка выполнения требований относительно предоставляемого качества будет формализована в виде ограничений на уровне QoE:

MOS ? MOSтреб или R ? Rтреб (2.2)

Для тех видов услуг, для которых существует только формализованная зависимость QoS(NP) ограничение (2.2) можно записать как:

(2.3)

где

- соответствующие параметры качества на уровне приложения.

Тогда в общем виде задача гарантированного качества обслуживания может быть сформулирована как оптимизационная, связанная с поиском экстремума некоторого, как правило, стоимостного функционала при наличии ряда ограничений, среди которых вида (2.1) или (2.2), (2.3). Учитывая достаточно сложную взаимосвязь отдельных сетевых параметров в их влиянии на сквозную оценку качества и возможность ее более полного учета только в рамках второго подхода (2.2), (2.3), именно он заслуживает дальнейшего развития и предполагает следующие два этапа: формализацию зависимости QoE(NP) или QoS(NP) и ее введение в математическую модель сети.

В случае передачи речевой информации через сети IP (VoIP) результирующее качество обслуживания QoE может быть оценено с использованием Е-модели, в наиболее полной степени на данный момент отражающей сложную взаимосвязь факторов качества передачи речи (рис. 2.6).

В рамках Е-модели для оценки воспринимаемого качества передачи речи используется рейтинг качества R, который представляет собой зависимость:

(2.4)

где R0 - фактор, связанный со значением отношения сигнал/шум, учитывает влияние шумов, возникающих при передаче, таких как шумы оборудования, шумы в помещении; при значении всех входящих в его состав параметров, рекомендуемых по умолчанию, R0 =93,2; Is -коэффициент снижения качества, вызванного всеми одновременными искажениями, которым подвергается речевой сигнал, включая процессы преобразования в ЦАП/АЦП, а также вызванного неоптимальным местным эффектом; Id - коэффициент снижения качества, обусловленного влиянием задержек и наличие эха сигнала;

Ie-eff ? коэффициент снижения качества, вызванного искажениями, вносимыми в процессе кодирования/декодирования, а также потерями речевых пакетов;

A - коэффициент выигрыша.

Рис.2.6. Факторы качества передачи речи

В целом Е-модель позволяет объединить в едином показателе качества как индивидуальные характеристики сигналов, так и сетевые параметры передачи (задержку и величину потерь пакетов в сети) и представляет собой совокупность ряда математических выражений, зависящих от множества входных параметров. Положив все входные параметры, не связанные с передачей по сети, равными значениям по умолчанию , можно сформировать зависимость QoE(NP) для передачи речевого трафика следующим образом