Значение оценки MOS

90<R<100

Самая высокая (Отлично)

4,34 – 4,50

80<R<90

Высокая (Хорошо)

4,03 – 4,34

70<R<80

Средняя (приемлемо: часть пользователей оценивает качество как неудовлетворительное)

3,60 – 4,03

60<R<70

Низкая (плохо: большинство пользователей оценивает качество как неудовлетворительное)

3,10 – 3,60

50<R<60

Неприемлемая (не рекомендуется)

2,58 – 3,10

Рис. 3.5. Зависимость между оценками MOS и R-фактором Таким образом, Е-модель и R-фактор могут быть использованы для объективной оценки качества передачи речи в технологии VoIP. Как только R-фактор получен, могут быть вычислены соответствующие оценки MOS. Вычисление R-фактора начинается для случая, когда искажения сигнала в канале не учитываются, а принимаются во внимание искажения, которые имеют место при преобразовании реальной речи в электрический сигнал (и обратно). Теоретическое значение R-фактора уменьшается от 100 до вели-чины, равной 93,2, которая соответствует оценке MOS, равной 4,4. При использовании Е-модели оценка 4,4 в системе MOS является максимально возможной оценкой качества речи в сети без искажений. Ве-личина R-фактора меняется от 0 до 93,2, что соответствует изменению оце-нок MOS от 1 до 4,4. Значение R-фактора определяется по следующей формуле: R = Ro – Is – Id – Ie + A, где Ro = 93,2 – исходное значение R-фактора; Is – искажения, вносимые кодеками и шумами в канале; Id – искажения за счет суммарной сквозной задержки (―из конца в конец‖) в сети; Ie – искажения, вносимые оборудованием, включая и потери пакетов; A – так называемый фактор преимущества. Например, мобильные пользо-ватели могут соглашаться с низким уровнем качества, получая дополни-тельные удобства. В большинстве случаев расчета R-фактора параметр A принимается равным нулю.

3.4.3. Анализ факторов, влияющих на качество речи в пакетных сетяхА. Влияние кодеков на качество пакетизированной речи При расчете R-фактора одна из составляющих – Is, уменьшающая значение R-фактора, определяется искажениями, возникающими в кодеке при пакетизации речевого сигнала. Качество передачи речи в сетях с ком-мутацией пакетов в последние годы было значительно улучшено путем создания эффективных кодеков, обеспечивающих хорошую разборчивость речевого сигнала на приемном конце. В состав этих методов входят: · методы эффективного кодирования речи (рекомендации МСЭ-Т серии G.7xx); · механизмы подавления пауз (механизм кодирования речи при прерывистой передаче, известный как Voice Activity Detection, VAD); · механизмы подавления эхо (рекомендация МСЭ G.164) и компен-сации эха (рекомендации МСЭ G.165 и G.168); · механизмы маскирования ошибок (packet loss concealment), обес-печивающие компенсацию пробелов в речевом потоке, вызванных потерей отдельных пакетов.

Характеристики речевых кодеков. При обработке аудио (и видео) информации используются специальные устройства – кодеки. На пере-дающей стороне кодек преобразует аналоговый сигнал в цифровой и на приемной стороне кодек выполняет обратное преобразование. Сегодня имеется большой набор эффективных кодеков с различными характеристи-ками. В табл. 3.2 представлены характеристики кодеков соответствующих стандартам МСЭ-Т. Исторически первый тип кодека, известный как G.711 (версии G.711a и G.711u, скорость выходного сигнала кодека – 64 кбит/с), преобразует аналоговый сигнал в цифровой с очень высоким качеством и без применения операции сжатия. Однако при этом требуется значительная пропускная способность по сравнению с кодеками, в которых осуществля-ется сжатие информации. При создании первых кодеков (70-е гг.) техноло-гия современных цифровых сигнальных процессоров (DSP) была недос-тупна. Сегодня на базе DSP возможно построить весьма эффективные ко-деки со значительно меньшими требованиями к пропускной способности тракта передачи. Низкоскоростные кодеки требуют существенно меньшие значения пропускных способностей, однако оказывают значительно большее влия-ние на качество речевого сигнала по сравнению с высокоскоростными ко-деками, определяемое потерями при высоких коэффициентах сжатия.

Таблица 3.2. Типы речевых кодеков и их характеристики

Кодек

Ско-рость пере-дачи, кбит/с

Длитель-ность да-таграммы, мс

Задержка пакетиза-ции, мс

Полоса пропус-кания для дву-направленного соединения, кГц

Задержка в буфере джит-тера

Теоретическая максимальная оценка MOS

G.711u

174,4

2 датаграммы, 40 мс

4,4

G.711a

174,4

2 датаграммы, 40 мс

4,4

G.726-32

110.4

2 датаграммы, 40 мс

4,22

G.729

62,4

2 датаграммы, 40 мс

4,07

G.723m

6,3

67,5

43,73

2 датаграммы, 60 мс

3,87

G.723a

5,3

67,5

41,6

2 датаграммы, 60 мс

3,69

Таблица 3.3. Качество речи для различных типов кодеков (оценки на базе R-фактора и модели MOS)

Кодек

Скорость пере-дачи, кбит/с

R-фактор

MOS

G.711

93,2

4,4

G.729

82,2

4,1

G.723.1m

6,3

78,2

3,9

G.723.1a

5,3

74,2

3,7

Меньшая пропускная способность означает, что можно организовать большее число телефонных соединений по одному и тому же тракту, но при этом уменьшается разборчивость речи, возрастают задержки и качест-во речи становится более чувствительно к потере пакетов. В табл. 3.3 пред-ставлены оценки качества речи на базе R-фактора и оценки MOS для неко-торых типов кодеков МСЭ-Т. Б. Задержки и джиттер в сетях IP

Задержка доставки пакета. Задержка доставки пакета определяется временем переноса пакета от источника до получателя. Время задержки меняется в зависимости от трафика в сети и доступных сетевых ресурсов, в частности, пропускной способности сети во время доставки. Речь пред-

ставляет собой трафик, чувствительный к задержке, тогда как большинство приложений данных относительно устойчиво к задержке. Если задержка доставки пакета превышает определенное значение, пакет отбрасывается. В результате, при большом числе отброшенных пакетов качество речи ухуд-шается, что и отражено в приведенной выше формуле для R-фактора, где влияние задержки учтено через составляющую Id. Естественным является вопрос, какая задержка допустима при пакет-ной передаче речи. В результате исследований качества речевого сигнала еще в 60-х гг. прошлого века было установлено, что человек начинает чув-ствовать задержки речевого сигнала, превышающие 150 мс, и ощущает за-метный дискомфорт, если задержка превышает 250 мс. Позднее, при под-держке МСЭ были проведены масштабные исследования влияния сетевой задержки на качество телефонного разговора. Эти результаты нашли отра-жение в рекомендации МСЭ G.114, в соответствии с которой рекомендуе-мый порог задержки при передаче речи равен 150 мс. При задержке 300 мс разговор распадается на фрагменты, которые невозможно связать в слит-ную речь. Рассмотрим, какие факторы определяют суммарную величину за-держки доставки пакета. Сквозная задержка доставки пакета Dд («из конца в конец») определяется как сумма четырех составляющих: Dд = Dр + Dпк + Dпп + Dбд, где: Dр – задержка распространения: время прохождения электрического сигна-ла в металлическом или волоконно-оптическом кабеле или в беспроводной среде. Это время зависит от физического расстояния между точкой входа в сеть и точкой выхода из сети. Как известно, в вакууме время распростране-ния сигнала равно примерно 3,3 мкс/км; в случае металлических кабелей время распространения сигнала составляет примерно 5 мкс/км, в волокон-но-оптических кабелях – примерно 4 мкс/км. Таким образом, в случае ор-ганизации сеанса связи через спутник, находящийся на высоте 40 тыс. км, задержка прохождения сигнала между двумя земными станциями может составить порядка 260 мс; задержка распространения на трассе Москва – Владивосток по металлическому кабелю равно примерно 50 мс, по воло-конно-оптическому кабелю – 40 мс; Dпк – задержка пакетизации: время, которое необходимо затратить в кодеке для преобразования аналогового сигнала в цифровой и формирования па-кета. Как видно из табл. 3.2, чем ниже скорость сигнала на выходе кодека, тем выше задержка пакетизации, поскольку кодек тратит больше времени на процессы компрессии и декомпрессии сигнала; кодек G.711 тратит всего 1 мс на пакетизацию, тогда как кодеку G.723 требуется для пакетизации 67,5 мс;

Dпп – задержка переноса пакета: время прохождения пакета через все уст-ройства сети, расположенные вдоль пути передачи пакета, включая мар-

шрутизаторы, шлюзы, сетевые экраны, обработчики трафика, сегменты се-ти с относительно малой пропускной способностью в условиях перегрузки и т.д. Для некоторых устройств, например синхронных мультиплексоров, эта величина постоянна, для других, таких как маршрутизаторы, задержка переноса меняется с изменением нагрузки в сети; Dбд – задержка на приемной стороне в буфере джиттера: буфер джиттера используется для уменьшения вариаций между моментами поступления пакетов на вход приемного устройства. Буфер может накапливать от одной до нескольких датаграмм. В соответствии с данными табл 3.2 типичный буфер джиттера накапливает две датаграммы и задержка Dбд составляет от 20 до 30 мс в зависимости от типа кодека. Рис. 3.6. Влияние величины суммарной задержки на R–фактор и оценки МОС

Очевидно, что задержка распространения, задержки в кодеке и в бу-фере джиттера являются постоянными величинами для выбранного пути передачи пакета, тогда как задержка переноса является случайной величи-ной, зависящей от условий в сети в конкретный момент времени. Рассмат-ривая возможные количественные оценки всех составляющих задержки доставки пакета, можно видеть, что в сети Интернет общего пользования задержка речевого сигнала может легко превысить 150 мс, в основном из-за перегрузок, пакетизации и наличия буфера джиттера. На рис. 3.6 показано, как задержки влияют на R-фактор и показатели МОС. Вариация задержки доставки пакета (джиттер). Термин «джит-тер» используется для обозначения случайных изменений между момента-ми поступления последовательных пакетов речи в приемник. Джиттер оп-ределяется большим числом причин, включая следующие: вариации длин очередей в узлах сети, вариации времени обработки пакетов, которые по-ступают в пункт назначения с нарушением последовательности их на пере-даче, наличие в сети трафика данных, конкурирующего с трафиком речи при доступе к общим ресурсам. Когда моменты прибытия речевых пакетов в пункт назначения становятся нерегулярными, это ведет к искажению зву-кового сигнала и при больших значениях джиттера, превышающих не-сколько десятков мс, речь становится неразборчивой. В. Потери пакетов Потери пакетов определяются как процент пакетов, не доставленных к месту назначения.

В сети имеется ряд причин, приводящих к потерям пакетов. Назовем основные из них:

· при перегрузке сети очереди в коммутаторах и маршрутизаторах быстро растут. Если перегрузка сохраняется в течение длительного време-ни, происходит переполнение буферов, и пакеты теряются;

· при потере пакетов данных, они могут быть переданы повторно в соответствии с запросом приемной стороны. Повторная передача увеличи-вает задержку пакетов, и поэтому при пакетной передаче речи речевые па-кеты сбрасываются. Потери речевых пакетов не должны превышать 1% в среднем на достаточно большом интервале, скажем, в течение месяца. При больших значениях коэффициента потерь в восстановленной на приемной стороне речи возникают разрывы.

Таким образом, рекомендации МСЭ Р.800 и G.107 определяют два возможных подхода к оценке качества передачи речи в сетях VoIP. В пер-вой рекомендации определен метод, основанный на субъективных оценках,

Задержка

R-фактор

93.19

91.74

90.65

89.53

85.79

79.17

72.66

67.02

62.24

выносимых группой экспертов. Этот метод, используемый в телефонных сетях, к сожалению, не может учитывать влияние вероятностно-временных характеристик сетей на качество передачи речи в пакетных сетях. Второй метод вычисления R-фактора, основанный на Е-модели, может рассматри-ваться как общая модель МСЭ-Т для объективной оценки качества переда-чи речи. Главной особенностью Е-модели является учет большого набора факторов, отражающих воздействие оконечных устройств и транспортной среды на качество обслуживания. 3.5. Сети IPTV 3.5.1. Определение и основные свойства IPTVТехнология IPTV (IP Television) представляет собой технологию дос-тавки мультимедийных услуг (ТВ, аудио/видео, текст, данные, графика) на базе сетей IP в интерактивном режиме и в режиме вещания. Технология IPTV характеризуется следующими основными свойст-вами:

· поддержка интерактивного ТВ. Возможности IPTV поддержи-вать двунаправленную передачу позволяют оператору/провайдеру обслу-живать широкий спектр интерактивных приложений: стандартное «живое» телевидение, телевидение высокой четкости, интерактивные игры, высоко-скоростной доступ к Интернет;

· персонализация. Система IPTV поддерживает двухстороннюю связь и позволяет пользователям самостоятельно решать, что и когда они хотят смотреть. Например, услуга видео по требованию VoD (Video on De-mand) – трансляция фильмов из видеосервера Оператора по заказу абонен-та;

· отложенный просмотр (Time Shifting). Комбинация IPTV с ви-деомагнитофоном обеспечивает механизм для записи контента IPTV для последующего просмотра;

· доступность услуг IPTV при использовании терминалов разных типов. Просмотр контента IPTV не ограничивается только телевизионными приемниками. Для доступа к услугам IPTV потребители могут использо-вать свои персональные компьютеры и мобильные устройства.

3.5.2. Архитектура систем IPTVАрхитектура системы IPTV в достаточно общем виде представлена на рис. 3.7. Архитектура включает в свой состав следующие функциональные блоки:

· источники контента. Источник контента определяется как центр данных IPTV, принимающий видеоконтент от производителей (вещатель-

ные программы, фильмы, игры и т.д.). Затем контент кодируется и переда-ется пользователям или накапливается в базе данных для услуг VoD; · узлы услуг IPTV. Узел услуг представляет собой компонент, при-нимающий видеопотоки в различных форматах. Эти видео-потоки затем инкапсулируются в пакеты для передачи в сеть IP; · широкополосные сети. Широкополосные сети, включающие в себя магистральные сети и сети доступа, характеризуются высокой пропускной способностью, высокими показателями качества обслуживания и распреде-лительными возможностями. Важным свойством является многоадресная рассылка (мультикастинг), которая необходима для надежного распределе-ния потоков данных IPTV от узлов услуг к оборудованию пользователей. Магистральные сети IPTV реализуются на волоконно-оптических линиях, а в сетях доступа могут быть использованы различные широкополосные тех-нологии – проводные и беспроводные; · оборудование пользователя. В состав оборудования пользователя IPTV входят средства, формирующие интерфейс с широкополосным сете-вым окончанием. Здесь могут быть применены различные шлюзы, обра-зующие домашние сети. Функциональный блок, терминирующий трафик IPTV в оборудовании пользователя, называется клиентом IPTV. Этот блок обычно реализуется в виде ТВ-приставки (set-top box). Основные функции ТВ-приставки включают в свой состав установление соединения с узлом услуг, декодирование видеопотоков, отображение управления со стороны пользователя и подключение к монитору.

В сетях IPTV используется большой набор стандартов, разрабаты-ваемых разными международными организациями, в том числе, МСЭ-Т, ETSI, IETF, MPEG (Moving Picture Experts Group) и др. Стандарты сжатия ТВ-сигнала (семейство MPEG) позволяют уменьшить требуемую полосу пропускания в десятки и сотни раз. Наиболее распространенными стандар-тами цифрового вещания являются европейский стандарт DVB, американ-ский стандарт ATSC и японский стандарт ISDB. Среди большого числа се-тевых протоколов, поддерживающих предоставление услуг IPTV, назовем только некоторые из них: транспортные протоколы UDP, RTP и RTCP, протоколы сигнализации SIP, H.323, протоколы маршрутизации RIP, OSPF, протокол многоадресной рассылки IGMP. В транспортных сетях использу-ется, как правило, технология MPLS; технологии, применяемые в сетях доступа, определяются типом физической среды – витая пара, коаксиаль-ный кабель, волоконно-оптический кабель или беспроводная среда.

Центр данных

IPTV

Серверы VoD

Вещательные

серверы

Оборудование

пользователей

и домашние сети

Источники

контента

Узлы услуг

IPTV

Управление сетями и услугами

Магистральные

сети

Сети доступа

Широкополосные

сети

Рис. 3.7. Упрощенная диаграмма системы IPTV

В заключение этого краткого описания IPTV отметим, что услуги

IPTV относятся к услугам Triple Play, в которых осуществляется доставка

трафика всех трех видов – аудио, данных и видео в фиксированных сетях.

В сочетании IPTV с мобильными сетями эта услуга превращается в Quadruple

Play.