Krystian Rylko, METODA DOBORU ŚCIEŻEK TRANSMISYJNYCH DLA POPRAWY JAKOŚCI POŁĄCZEŃ GŁOSOWYCH IPSesja: Kształcenie w dziedzinie elektroniki i telekomunikacji.Politechnika Szczecińska

Pełen tekst

(1)www.pwt.et.put.poznan.pl. Krystian Ryłko Zakład Sieci Komputerowych Wydział Informatyki Politechnika Szczecińska krystian@ps.pl. 2005. Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne Poznań 8 - 9 grudnia 2005. METODA DOBORU ŚCIEŻEK TRANSMISYJNYCH DLA POPRAWY JAKOŚCI POŁĄCZEŃ GŁOSOWYCH IP Streszczenie: W referacie zaprezentowano mechanizm zróżnicowania ścieżek transmisyjnych w sieciach pakietowych IP, służący poprawie jakości połączeń VoIP. Przybliżono relacje pomiędzy parametrami transmisji sieci IP a jakością połączenia głosowego. Zaproponowano przykładowy mechanizm doboru ścieżki w oparciu o szacowaną jakość połączenia MOS. Omówiono również rezultaty przeprowadzonych testów.. 1. WSTĘP Obecne sieci transmisji głosu migrują ze środowiska komutacji kanałów do sieci pakietowych. Usługi głosowe wykorzystujące ogólnodostępne sieci IP (Voice over IP) zyskują coraz większą popularność zarówno w zastosowaniach klasy przedsiębiorstwa, jak i wśród użytkowników domowych. Wkraczają one także w obszar sieci radiowych standardu IEEE 802.11 (Voice over WLAN), rywalizując na małym obszarze z sieciami GSM/3G. Do ich sukcesu przyczyniają się niski koszt i wykorzystanie publicznej infrastruktury sieci IP. Niemniej jednak oferowana transmisja w sieciach IP, typu best-effort nie zaspokaja wymagań połączeń głosowych, bardziej wrażliwych na jakość transmisji od danych. Dlatego poszukuje się metod poprawiających jakość przekazu głosowego. Sieci IP charakteryzują szybkie zmiany stanów poszczególnych łączy i węzłów. Obecnie stosowane mechanizmy transmisji zwykle przysyłają dany strumień głosu raz ustanowioną trasą. Dzieje się tak, ponieważ tablice rutingu odnawiane są znacznie wolniej niż zachodzą chwilowe zmiany stanu sieci. Mechanizmy rutingu nie są zaprojektowane do transmisji pakietów głosowych, a aplikacje VoIP nie oferują wyznaczania ścieżek dla swoich pakietów. Przesyłanie strumienia audio pojedynczą, najkorzystniejszą w momencie nawiązywania połączenia marszrutą może być w danej chwili mało korzystne. 2. ZRÓŻNICOWANIE ŚCIEŻEK Dywersyfikacja ścieżek jest mechanizmem, w którym pakiety przenoszące dane pomiędzy aplikacją nadawczą i odbiorczą transportowane są częściowo bądź zupełnie rozłącznymi marszrutami, czyli poprzez odmienne węzły pośrednie. Celem zastosowania dywersyfikacji ścieżek VoIP jest poprawa uzyskanej oceny jakości połączenia głosowego, przy dostępnych warunkach panujących w sieci transportowej.. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005. Polepszenie jakości realizowane jest poprzez wybór tras o aktualnie najlepszych parametrach (straty, opóźnienie, jitter) oraz minimalizację prawdopodobieństwa negatywnych zjawisk (zator, awaria łączy) w sieci. Dekoncentracja tras powoduje pewne uśrednienie stanów poszczególnych ścieżek, które przez aplikacje końcowe postrzegane są nadal jako pojedyncza ścieżka. O jakości połączenia głosowego IP decydują zarówno wykorzystane mechanizmy transmisyjne: typ kodeka, korekcja FEC (Forward Error Correction), PLC (Packet Loss Concealment) [1], jak również czynniki zależne od stanu sieci: opóźnienie, jitter, starty pakietów. Dywersyfikacja ścieżek oferuje minimalizację tych ostatnich poprzez dobór tras o najlepszych parametrach. Dywersyfikacja ścieżek może być stosowana poprzez wykorzystanie kilku niezależnych łączy (tzw. Multihoming), kanałów transmisji. Oddzielne ścieżki mogą być również wyznaczane z zastosowaniem protokołów sieciowych: MPLS (Multi Protocol Label Switching) bądź opcji nagłówka IPv4/IPv6. Możliwych jest kilka scenariuszy dywersyfikacji ścieżek: - z wykorzystaniem multihomingu, gdzie dany węzeł źródłowy połączony jest z niezależnymi od siebie sieciami, - dokładne wyznaczanie oddzielnych tras przez nadawcę. Wymaga wiedzy o topologii logicznej sieci oraz jej stanach na całej trasie połączenia. Dodatkowo konieczna jest znajomości adresacji kolejnych urządzeń sieciowych, które częstokroć są ukrywane przez operatorów. Metoda ta miernie nadaje się dla sieci WAN. - za pomocą węzłów-przekaźników (luźne trasowanie). Pakiety kierowane są do konkretnych, wyznaczonych do tego węzłów, które kierują je dalej do sieci. Pakiety VoIP zawierające adres docelowy, po stronie nadawczej opakowywane są w adres węzła-przekaźnika, który jest usuwany po dotarciu do tego węzła, a pakiet jest przesyłany dalej. - kodowanie podstrumieni głosu. Strumień danych głosowych dzielony jest na mniejsze strumienie, oddzielnie kodowane i niezależnie przesyłane. Podstrumienie mogą być niesymetryczne, zależnie od parametrów danej ścieżki. Kanały transportowe Ci, w najprostszym przypadku mogą być wybierane równomiernie, cyklicznie Ci+1=(Ci+1)mod n. Mogą być również kierowane zależnie od bieżących stanów środowiska sieciowego,. 1/5.

(2) www.pwt.et.put.poznan.pl. tak aby uzyskać maksymalizację jakości przesyłanego głosu. 3. OCENA JAKOŚCI POŁĄCZEŃ Jakość połączeń głosowych zależy zarówno od stanów sieci transportowej: opóźnienia, straty, jitter, przekłamania transmisji, jak i od mechanizmów VoIP: algorytm kodeka, mechanizmy ukrywania błędów, bufor pakietów głosowych po stronie aplikacji odbiorczej. Przekroczenie odpowiednich parametrów transmisji powoduje zauważalne pogorszenie konwersacji. Głos zanim zostanie umieszczony w sieci IP poddawany jest próbkowaniu, dyskretyzacji, kompresji, pakietyzacji, kolejkowaniu, serializacji oraz enkapsulacji, zwykle w stos RTP/UDP/IP. W węźle docelowym następuje jego depakietyzacja, skierowanie do kolejki bufora odbiorczego (bufor jittera), dekompresja i emisja dźwięku. Kolejkowanie pakietów w buforze jittera ma na celu wygładzenie fluktuacji opóźnień. Rozmiar tego bufora może ustalany statycznie bądź adaptacyjnie. Pakiety dostarczone ze zbyt dużym opóźnieniem lub jitterem można klasyfikować jako stratę pakietów, ponieważ nie nadają się one do emisji i są odrzucane. Sieci transportu danych, takie jak np. TCP radzą sobie ze stratami pakietów poprzez mechanizm retransmisji i kanału zwrotnego. Starty pakietów VoIP można sklasyfikować jako: • odizolowane, pojedyncze straty. Niweluje się je wykorzystując techniki typu PLC, FEC, dzięki czemu nie wpływają istotnie na jakość połączenia. • sekwencja straconych pakietów – zauważalnie degraduje jakość odbioru. Wykorzystanie dywersyfikacji ścieżek pakietów znacząco zmniejsza prawdopodobieństwo ich wystąpienia, zamieniając je na odizolowane straty lub całkowicie im zapobiegając – w zależności od techniki doboru ścieżek. • chwilowy brak transmisji – całkowita strata większej sekwencji pakietów, skutkująca najczęściej zerwaniem połączenia. Jeżeli prawdopodobieństwo zatoru dla danej ścieżki wynosi Pzator, to w przypadku zróżnicowania tras wynosi ono zaledwie (Pzator)n, gdzie n - ilość ścieżek. ścieżka 1 czas Strumień odbiorczy Źródło pakietów VoIP. czas ścieżka 2. Strata pakietu. Rys 1. Dostarczanie i wybór pakietów ze zduplikowanego strumienia VoIP ścieżka 1 czas Strumień odbiorczy Źródło pakietów VoIP. czas ścieżka 2. Rys 2. Dostarczanie pakietów przy podziale strumienia na dwa podstrumienie (mod2) Ponieważ metody oceny jakości połączenia stosowane dla sieci PSTN, nie nadają się dla systemów pakietowych VoIP, opracowano nowe metody oceny przeznaczone dla VoIP i stosowanych w nim kodeków. Jedną z metod jest uśredniona ocena jakości głosu MOS (Mean Opinion Score), która odzwierciedla ludzkie wrażenia odsłuchowe. Określa ona stosunek ilości zgłosek odebranych poprawnie przez słuchaczy do liczby zgłosek wysłanych [2]. Jakość połączenia głosowego doskonała dobra dostateczna słaba zła. MOS 4.34 - 4.5 4.03 – 4.34 3.60 – 4.03 3.10 – 3.60 2.58 – 3.10. Tab 1. Ocena jakości głosu i odpowiadające jej wartości MOS [2] Ocena MOS może być również wyznaczana dla dwóch przypadków: ocena odsłuchu MOS-LQ (Mean Opinion Score Listening Quality) lub konwersacji MOSCQ (Mean Opinion Score Conversional Quality). Aby możliwa była estymacja jakości połączenia VoIP, ITU-T opracowało przybliżony model oczekiwanej jakości połączeń, tzw. E-model [4]. Jego zaletą w odróżnieniu od innych metod, jest to że ocena może być przeprowadzana w czasie rzeczywistym. Czynniki wpływające na degradację oceny MOS wyrażane są współczynnikiem R: R = R0 − I s − I e − I d + A , (1) gdzie: R0 – stosunek sygnału do szumu, porównuje głośność nadawania oraz szumu z różnych źródeł (np. szum tła), Is – spadek jakości wskutek czynników występujących równolegle z transmisją głosu, m.in. efekt lokalny, zniekształcenia kwantyzacji, Ie – suma czynników związanych ze stosowaniem określonego kodeka, startami podczas transmisji oraz ich wpływ na jakość głosu, Id – pogorszenie jakości wynikające z opóźnienia: kanału transmisyjnego, echa, A – współczynnik kompensacji (od 0 do 20) wyrażający akceptację przez użytkownika niższych parametrów połączenia w zamian za inne korzyści z danego systemu telefonicznego (np. mobilność – telefony GSM, satelitarne). Współczynnik R określa jakości połączeń w przedziale od 100 (najlepsza) do 0 (najgorsza). Wartość oceny MOS w zależności od uzyskanej wartości R określa się zależnością: if R < 0 → MOS = 1, if 0 < R < 100 → → MOS = 1 + 0.035R + 7 × 10−6 R( R − 60)(100 − R) , if R > 100 → MOS = 4,5 (2). Strata pakietu. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005. 2/5.

(3) www.pwt.et.put.poznan.pl. Przyjmując na podstawie [4] wartości domyślne, można zredukować (1) do: (3) R = 94.2 − I e − I d. danej ścieżki/metody - jakości połączenia. Rysunek przedstawia przykładowy sposób realizacji „klasyfikatora ścieżek”, który może być zaimplementowany bądź po stronie aplikacji VoIP bądź bramy VoIP. Przychodzące pakiety VoIP. Pomiar param. transmisji. Statystyki: delay, packet loss, jiter. E-Model. Ekstrapolacja MOS dla pathi, wybór pathi ← max. MOS. Rys 4. Wartość współczynnika R w zależności od opóźnienia i strat pakietów (kodek G.711) Kodeki przejawiają różną wrażliwość na straty pakietów. Wartość Ie dla danej wielkości utraconych pakietów można oszacować wyrażeniem: I e ≈ γ 1 + γ 2 ln(1 + γ 3e) , (4) γ1 - pogorszenie jakości głosu wskutek zastosowanego algorytmu kodeka, γ2, γ3 - wpływ start na subiektywną jakość połączenia dla danego kodeka, e - całkowite prawdopodobieństwo strat pakietów, tzn: (5) e = esieć + (1 - esieć) ebufor_jittera, esieć – prawdopodobieństwo start w sieci transportowej, ebufor_jittera - prawdopodobieństwo start związane z buforem jitter (aplikacja odbiorcza). Oszacowano współczynniki γ1, γ2, γ3, dla różnych kodeków wynoszą [5]: - G.711 (γ1=0, γ2=30, γ3=15), G.729A (γ1=11, γ2=30, γ3=16), G.723A (γ1=15, γ2=30, γ3=17), natomiast po wypełnianiu strat pakietów ciszą (PLC): - G.729 (γ1=10, γ2=48, γ3=18), G.723A (γ1=19, γ2=71, γ3=6).. Aplikacja VoIP/ Centrala IP PBX. Programowy przełącznik ścieżek (adresacja pakietów). Pakiety wychodzące. Rys 4. Mechanizm wyznaczania ścieżek pakietów Do pakietów przenoszących głos dodawany jest znacznik czasu (time stamp) oraz numer pakietu, które służą do gromadzenia statystyki parametrów transmisyjnych. Ponieważ trudne jest dokładne zsynchronizowanie zegarów w dwóch różnych hostach, dlatego taki pomiar różnicy nadania i odbioru pakietu nie jest wiarygodny. Do szacowania czasu transmisji wykorzystuje się łączny czas w obu kierunkach RTT (Round-trip time) lub w jednym kierunku OWD (Oneway delay). Ponieważ szybkość transmisji w obu kierunkach zwykle nie ma charakteru symetrycznego, dlatego pomiar RTT nie pozwoliłby wybrać trasy o najkrótszym czasie transmisji w danym kierunku. Mierzony jest więc czas OWD dla wszystkich ścieżek i wybierany ten o najmniejszej wartości. Pomiar czasu przeprowadzany po synchronizacji protokołem NTP z tym samym serwerem czasu może wprowadzać znaczący błąd pomiaru [7]. Za punkt odniesienia wykorzystuje się ścieżkę o najkrótszym czasie propagacji. 5. MECHANIZM DOBORU ŚCIEŻKI. Rys 5. Relacja współczynnika Ie do prawdopodobieństwa strat dla różnych kodeków Jeżeli suma opóźnienia całkowitego, jednostronnego OWD (One-way delay) przekroczy 177,3 ms, wtedy następuje znaczna degradacja jakości konwersacji [5]. 4. OCENA SCIEŻEK Aby wybrać najlepszą metodę dywersyfikacji należy przeprowadzić estymację przewidywanej dla. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005. Celem jest takie opracowanie algorytmu doboru ścieżek, aby był on jak najbardziej zbliżony do optymalnego wyboru, przy znajomości aktualnych warunków sieci w danej chwili. Mechanizm ten powinien również chronić przed zbyt częstym przełączaniem ścieżek wskutek krótkotrwałych wahań stanów poszczególnych łączy. Należy tak dobrać okres służący ocenie jakości danego łącza, aby uchronić aplikację przed jej nadregulowaniem. Aby możliwa była ocena korzyści z zastosowanego mechanizmu należy przyjąć model odniesienia. Dokonywany jest pomiar jakości transmisji głosu danymi ścieżkami (i,..,k,..,j) bez mechanizmu przełączania. Następnie najlepszy z tych wyników. 3/5.

(4) www.pwt.et.put.poznan.pl. Awz obierany jest jako wzorcowy i porównywany z wynikiem po zastosowaniu dywersyfikacji ścieżek. Jeżeli jakość wzorcowego połączenia głosowego w. t ∈ [1,.., T ] – Atwz , a jakość połączenia. czasie. wyznaczonego w drodze wyboru ścieżki k dla tej samej k. wartości czasu t – Bt , to zysk D z dywersyfikacji ścieżek w czasie [1,..,T]:. 1 T 1 T (6) ( Btk − Atwz ) = ∑ Dt , ∑ T t =1 T t =1 Należy ustalić taką wartość ∆D , aby ewentualna D=. zmiana jakości była zauważalna, np. 0,2. Najprostszą metodą wyznaczania ścieżki o najlepszych parametrach jest wybór na podstawie bieżącej wartości, tzn. Bt +1 = Bt . k. k. Jeżeli Dt jest zbyt małe wówczas zamiana ścieżek. Rys 5. Oszacowana jakość transmisji MOS dla początkowej ścieżki, kodek G.711. jest nieopłacalna. Mała wartość czasu służącego do oceny jakości połączenia, z jednej strony sprawia, że mechanizm szybciej reaguje na zmianę parametrów sieci, z drugiej zaś czyni go podatnym na krótkotrwałe fluktuacje stanów sieci, co może powodować pogorszenie jakości transmisji. Dlatego do porównywania jakości transmisji wykorzystywane jest. ~. okno D< t − n;t > . Jeżeli nowo wybrana ścieżka ma większy czas propagacji sygnału, wówczas podczas przełączania zwiększy się jitter, d i − d k > 0 . Gdy natomiast opóźnienie jest mniejsze może dojść do przepełnienia bufora odbiorczego (playout buffer), d i − d k < 0 . Przykład algorytmu wyboru ścieżki: i. begin. path ← path for t = 1 to T do Dt (loss, delay, jitter) If t > n do. Rys 6. Oszacowana jakość transmisji MOS dla alternatywnej ścieżki, kodek G.711. ~i. If Dt − D< t − n −1;t −1> > ∆D then k. pathi ← pathk jitter ← jitter + (di-dk) end end t ← t+1 end 6. TEST MECHANIZMU DOBORU SCIEŻEK Poniżej przedstawiono uzyskany w teście pomiar jakości transmisji głosowej w skali MOS dwóch ścieżek oraz po zastosowaniu mechanizmu dywersyfikacji. Nie zastosowano mechanizmu wykrywania ciszy (VAD), ani kompresji nagłówka RTP - cRTP. Rys 6. Oszacowana jakość transmisji MOS przy zastosowaniu doboru ścieżek, n=10 Na rys 7 widoczne jest w dwóch punktach opóźnienie przy zmianie ścieżki spowodowane. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005. 4/5.

(5) www.pwt.et.put.poznan.pl. mechanizmem zabezpieczającym przed chwilowymi wahaniami parametrów transmisyjnych, n=10. 7. PODSUMOWANIE Zastosowanie dyspersji ścieżek pakietów do transmisji nie tylko audio, ale również multimedialnych może zwiększyć jakość przekazu, niezawodności transmisji, poprzez zmniejszenie opóźnień, jittera oraz minimalizację prawdopodobieństwa utraty sekwencji pakietów, awarii i przeciążeń sieci pakietowej. Uzyskane efekty różnią się zależnie od zastosowanej metody dyspersji. Jakość połączeń VoIP nie zależy tylko od opóźnień i strat pakietów. Bezpośredni wybór ścieżek o najlepszych parametrach transmisyjnych nie jest tożsamy z uzyskaniem najlepszej jakości połączenia, a zależy również od specyficznej dla danej aplikacji parametrów. Polepszenie parametrów transmisji pakietów głosowych umożliwia stosowanie kodeków o zwiększonych wymaganiach odnośnie pasma (np. G.722), oferujących jednocześnie lepsze wrażenia dźwiękowe. Zastosowany mechanizm powinien realizować pomiar aktualnego stanu łącza i predykcję jego stanu z danym wyprzedzeniem. Dostosowywać otrzymane wyniki do wymagań danej usługi oraz podejmować decyzję o przełączeniu na daną ścieżkę w oparciu o przeprowadzoną estymację jakości połączenia. 8. LITERATURA [1] Y. Liang, E. Steinbach, B. Girod, Real-time Voice Communication over the Internet Using Packet Path Diversity, Proceedings of the ninth ACM international conference on Multimedia, pp. 431 – 440, 2001 [2] ITU Recommendation P.800, Methods for subjective determination of transmission quality, 1996 [3] J. G. Apostolopoulos, Reliable video communication over lossy packet networks using multiple state encoding and path diversity, Proc. Visual Communication and Image Processing, pp. 392-409, 2001 [4] ITU Recommendation G.107, The E-model, a computational model for use in transmission planning, 2003 [5] R. Cole, J. Rosenbluth, Voice over IP performance monitoring, ACM SIGCOMM Computer Communication Review, Volume 31 , Issue 2, pp. 9-24, 2001 [6] L. Ding, R. Goubran, Speech quality prediction in VoIP using the extended E-model, Proc. Of IEEE GLOBECOM, 2003 [7] V. Smotlacha, One-way delay measurement using NTP synchronization, TERENA, 2003. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005. 5/5.

(6)