Иманкулов Р. А., д.т.н. Суханов В.И.

Уральский государственный технический университет

Моделирование канала связи для управления качеством речевого сигнала в системах IP-телефонии

Центральное место в направлениях исследований IP-телефонии занимают вопросы управления качеством услуг. Сети IP-телефонии относятся к сетям с коммутацией пакетов, как правило, не имеющим возможности обеспечить гарантированное качество обслуживания, и потому к ним неприменимы методы оценки и обеспечения качества речевого сигнала, используемые в сетях традиционной телефонии. Перспективным вариантом решения проблемы улучшения качества является вариант с использованием методов адаптивного управления, которые базируются на динамическом изменении параметров кодирования речи оконечными сетевыми устройствами на основе оценки текущих параметров канала связи и достигнутого качества декодированной речи.

Оценка свойств канала и принятие решения о необходимости изменения режима кодирования требует наличия модели канала связи, обеспечивающей точность представления реального канала связи, достаточную для принятия решения, и в то же время допускающую идентификацию модели средствами оконечного устройства (IP-телефона).

Анализ работ предыдущих исследователей в данной области позволяет утверждать, что существуют две основные причины потерь пакетов в сети [1-3]. Первая причина — ненадежные линии связи, по своей природе допускающие случайные потери отдельных пакетов (например, беспроводные линии). Вторая причина — перегруженность линий связи или ограниченная полоса канала. В этом случае промежуточные маршрутизаторы, сталкиваясь с чрезмерным потоком данных, задерживают часть данных во внутренних буферах либо просто их отбрасывают. Таким образом, мы можем выделить два свойства канала, существенные для качества выходного сигнала:

- полоса B пропускания;

- доля L случайных некоррелированных потерь пакетов.

Полоса пропускания канала определяет максимальное количество данных, которые могут быть переданы по данному каналу в единицу времени. В случае, если входной поток данных превышает пропускную способность канала, часть данных задерживается или отбрасывается промежуточными маршрутизаторами. В установившемся режиме канал с ограниченной полосой обладает следующим свойством — при превышении битового потока передатчика R полосы пропускания B за счет ограничения полосы будет потеряно пакетов. В силу неизвестности информации о количестве ограничивающих полосу маршрутизаторов на пути следования пакета, а также о статистических свойствах трафика, поступающего на каждый из маршрутизаторов в целом, предложение более точной оценки распределения уровня потерь и наличия возможных корреляций между потерями отдельных пакетов в рамках данной модели не представляется возможным.

Величина и распределение случайных потерь — это вторая рассматриваемая характеристика канала связи. Возникновение случайных пропаданий пакетов связано с особенностями прохождения VoIP трафика по пакетным сетям. Речевая информация передается в пакетах поверх стека IP/UDP/RTP. Ни один из протоколов стека не обеспечивает гарантированную доставку сообщений, и поэтому случайные помехи, возникшие в сети, станут причинами потерь отдельных пакетов речевого сигнала на прикладном уровне.

Ряд исследователей [4-6] отмечает, что модель некоррелированных случайных потерь недостаточно точно описывает характеристики реальных каналов связи, предлагая использование вместо них моделирование цепей Маркова или Гильберта. Однако невозможность определения статистических характеристик потерь, возникающих вследствие ограничения полосы, приводит к невозможности определения параметров моделей, указанных выше, и потому единственно доступным вариантом является модель случайных некоррелированных потерь.

В общем случае, в условиях реального сеанса связи ни полоса пропускания B, ни процент случайных потерь L заранее неизвестен, и необходима разработка подхода к их идентификации. В соответствии с принципами теории автоматического управления, возможны два принципиально различных метода идентификации — пассивная и активная.

Необходимость определения двух неизвестных параметров канала (полосы и потерь) требует решения двух уравнений, составленных на основе измерения параметров канала в двух состояниях. Пассивная идентификация не изменяет режим кодирования, а значит, величина битового потока закодированного речевого сигнала будет постоянной. Необходимость получения второго уравнения приводит к необходимости изменить состояние канала путем изменения характеристик входного сигнала. Таким образом, можно отметить, что единственно возможный способ определения параметров предложенной модели канала — это активная идентификация объекта управления.

Первое уравнение строится при тестировании канала с заведомой перегрузкой . Этого можно достичь, например, за счет дублирования пакетов. Здесь и далее параметр - общие потери потока на входе (i=1) и в самом канале (i=2) .

Второе уравнение строится при тестировании нагрузкой не превышающей пропускную способность канала. можно получить как фактически принятую полезную нагрузку в первом усиленном эксперименте. Тогда

откуда

Все необходимые для расчета величины измеряются на приемном оконечном устройстве. Таким образом, в предположении, что канал стационарный, можно по заранее заготовленным таблицам требуемой полосы пропускания для разных режимов кодирования подобрать такие, которые требуют полосы не большей, чем B.

Применение предложенной модели канала связи в системах IP-телефонии позволит разработать недорогой в реализации и эксплуатации способ улучшения качества речевого сигнала, доступный как операторам IP-телефонии, так и конечным пользователям услуг.

Литература:

1. Cermac, G.W. Multimedia Quality as a Function of Bandwidth, Packet Loss, and Latency [Text] / Gregory W. Cermac // International journal of speech technology.— 2005.— №8.— P. 259–270.

2. Ding, L. Assessment of effects of packet loss on speech quality in VoIP [Text] / L. Ding, R.A. Goubran // HAVE 2003 Proceedings.— 2003.— Vol.1.— P. 49-54.

3. Roychoudhuri, L. On the impact of loss and delay variation on Internet packet audio transmission [Text] / L. Roychoudhuri, E. Al-Shaer, G. B. Brewster // Computer Communications.— 2006.— Vol. 29.— P. 1578-1589.

4. Jiang, W. Modeling of Packet Loss and Delay and their Effect on Real-Time Multimedia Service Quality [Text] / W. Jiang, H. Schulzrinne // Proceedings of NOSSDAV.— 2000.— Vol. 1.— 10 p.

5. Sanneck, H. A Framework Model for Packet Loss Metrics Based on Loss Runlengths [Text] / H. Sanneck, G. Carle // SPIE/ACM SIGMM Multimedia Computing and Networking Conference.— 2000.— Vol. 1.— P. 177-187.

6. Biernacki, A. Stochastic models for VoIP traffic and their applications [Text] / A. Biernacki // Proceedings of the 25th IASTED.— 2007.— Vol. 1.— P. 145-150.