6

АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра Автоматической электросвязи

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к дипломному проекту

Тема: Улучшение качества услуг, передаваемых в сетях с коммутацией пакетов

Алматы 2002

АННОТАЦИЯ

Настоящий дипломный проект посвящен проблеме обеспечения качества услуг в сетях с коммутацией пакетов, путем устранения сигналов электрического эха. Рассмотрены основные комбинированные методы с мешающим действием токов электрического эха. Представлена система математических и имитационных моделей эхоподавления и их среды функционирования. Произведена оценка методов эхоподавления способом имитационного моделирования на ЭВМ и разработаны необходимые программы.

В экономической части дипломного проекта рассмотрены вопросы расчета стоимости разработки.

В разделе "Безопасность жизнедеятельности" приводится расчет искусственного освещения и системы кондиционирования воздуха.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Основные характеристики качества IP-телефонии

1.1 Показатели качества IP-телефонии

1.2 Влияние сети на показатели качества IP-телефонии

1.3 Сравнительный анализ задержек речи и передачи данных по сетям IP и Frame Relay

1.4 Расчет задержек при передаче речи

1.5 Обработка речи в IP-телефонии, необходимая для обеспечения качественной передачи

1.6 Обработка речи в IP-телефонии, необходимая для обеспечения качественной передачи

1.7 Постановка задачи

2. Улучшение качества услуг за счет борьбы с мешающим воздействием электрического эха

2.1 Физиологические аспекты влияния эха

2.2 Механизм возникновения электрического эха

2.3 Возможные способы борьбы с эхосигналом

2.4 Метод самобалансирующейся дифсистемы

2.5 Компенсационный метод

2.6 Метод эхозаграждения

2.7 Эподавление в структуре IP-телефонии

2.8 Комбинированные методы эхоподавления

3. Безопасность жизнедеятельности

3.1 Анализ условий труда

3.2 Расчет естественной освещенности

3.3 Расчет системы кондиционирования

4. Бизнес-план

4.1 Резюме

4.2 Обзор предоставляемых услуг

4.3 Анализ рынка

4.4 Маркетинг

4.5 Финансовый план

Заключение

Список литературы

Приложение

ВВЕДЕНИЕ

Идея обеспечить гарантированное качество обслуживания в сетях передачи данных впервые возникла в 1970 году. Идея была воплощена в сети Х.25. Однако пакетные системы Х.25, производя проверку ошибок на каждом сетевом узле, вносили задержку порядка нескольких сотен миллисекунд в каждом узле на пути информации от отправителя до получателя.

В сетевых узлах (коммутаторах пакетов) высокоскоростных транспортных сетей Frame Relay проверка и коррекция ошибок не производится. Эти функции возложены на оборудование пользователя, вследствие чего задержка при передаче информации по таким сетям намного ниже, чем в сетях Х.25.

Но самой популярной сегодня технологией пакетной передачи информации является передача речи по сетям пакетной коммутации - концепция “Voice over IP” (VoIP) - с использованием алгоритмов низкоскоростного кодирования речевых сигналов. Объем потоков данных, передаваемых по глобальной информационной сети Интернет, удваивается каждые три месяца. Частично это происходит из-за постоянного увеличения количества новых пользователей сети Интернет, а также из-за того, что мультимедийная передача и видеоконференции через Интернет стали, наконец-то, доступны и популярны среди обеспеченных пользователей. Качество обслуживания в этой сети привлекает все более пристальное внимание специалистов пользователей, так как в Интернет заключается все больше сделок и контрактов, а рост ее пропускной способности несколько отстает от роста спроса.

Использование технологии VoIP приводит также к увеличению времени распространения сигналов даже в относительно «коротких» каналах и, как следствие, появлению в них эхосигналов. Существующие способы борьбы с мешающим воздействием электрического эха (методы эхозаграждения, эхокомпенсации и самобалансирующейся дифференциальной системы - СДС) имеют свои достоинства и недостатки. Так, например, широко применяемы на зарубежных сетях связи эхокомпенсатор (ЭК), обладая более высокой абонентской оценкой качества передачи, чем эхозаградитель (ЭЗ), неработоспособен на значительной части (до 20%) эхотрактов (ЭТ) Взаимоувязанной сети связи Республики Казахстан (ВСС РК) [2]. Данную проблему можно решить либо значительным повышением сложности технической реализации эхоподавителей (ЭП), не гарантируя при этом их стопроцентную работоспособность, либо созданием ЭП комбинированного типа. Последние должны обладать положительными качествами существующих методов эхоподавлениядля наибольшего улучшения качества услуг.

Следует отметить, что высокое качество обслуживания представляет интерес не только для конечного пользователя, но и для самого поставщика услуг. Например, исследования, проведенные в сетях мобильной связи, показали, что с улучшением качества передачи речи абоненты чаще и дольше пользуются услугами таких сетей, что означает увеличение годовых доходов операторов.

1 ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КАЧЕСТВА IP-ТЕЛЕФОНИИ

1.1 Показатели качества IP-телефонии

Традиционные телефонные сети коммутируют электрические сигналы с гарантированной полосой пропускания, достаточной для передачи сигналов голосового спектра. При фиксированной пропускной способности передаваемого сигнала цена единицы времени связи зависит от удаленности и расположения точек вызова и места ответа.

Сети с коммутацией пакетов не обеспечивают гарантированной пропускной способности, поскольку не обеспечивают гарантированного пути между точками связи.

Для приложений, где не важен порядок и интервал прихода пакетов, например, e-mail, время задержек между отдельными пакетами не имеет решающего значения. IP-телефония является одной из областей передачи данных, где важна динамика передачи сигнала, которая обеспечивается современными методами кодирования и передачи информации, а также увеличением пропускной способности каналов, что приводит к возможности успешной конкуренции IP-телефонии с традиционными телефонными сетями.

Основными составляющими качества IP-телефонии являются (рисунок 1.1):

а) качество речи, которое включает:

1) диалог - возможность пользователя связываться и разговаривать с другим пользователем в реальном времени и полнодуплексном режиме;

2) разборчивость - чистота и тональность речи;

3) эхо - слышимость собственной речи;

4) уровень - громкость речи.

б) качество сигнализации, включающее:

1) установление вызова - скорость успешного доступа и время установления соединения;

2) завершение вызова - время отбоя и скорость разъединения;

3) DTMF - определение и фиксация сигналов многочастотного набора номера.

Факторы, которые влияют на качество IP-телефонии, могут быть разделены на две категории:

а) факторы качества IP-сети:

1) максимальная пропускная способность - максимальное количество полезных и избыточных данных, которые она передает;

2) задержка - промежуток времени, требуемый для передачи пакета через сеть;

3) джиттер - задержка между двумя последовательными пакетами;

4) потеря пакета - пакеты или данные, потерянные при передаче через сеть;

б) факторы качества шлюза:

1) требуемая полоса пропускания - различные вокодеры требуют различную полосу. Например, вокодер G.723 требует полосы 16,3 кбит/с для каждого речевого канала;

2) задержка - время, необходимое цифровому сигнальному процессору DSР или другим устройствам обработки для кодирования и декодирования речевого сигнала;

3) буфер джиттера - сохранение пакетов данных до тех пор, пока все пакеты не будут получены и можно будет передать в требуемой последовательности для минимизации джиттера;

4) потеря пакетов - потеря пакетов при сжатии и/или передаче в оборудование IP-телефонии;

5) подавление эхо - механизм подавления эхо, возникающего при передаче по сети;

6) управление уровнем - возможность регулировать громкость речи

Рисунок 1.1 - Факторы, влияющие на качество IP-телефонии

Качество передачи речи Качество передачи сигнализации

эхо

уровень

диалог

разборчивость

установление и завершение соединения

многочастотный набор (DTMF)

Качество шлюза Качество сети

подавление эхо

управление уровнем

пакетизация

буфер для устранения джиттера

устранение перегрузки

управление DTMF

максимальное качество на всем пути

задержка

джиттер

потеря пакета

23

1.2 Влияние сети на показатели качества IP-телефонии

1.2.1 Задержка

Задержка создает неудобства при ведении диалога, приводит к перекрытию разговоров и возникновению эхо. Эхо возникает в случае, когда отраженные речевой сигнал вместе с сигналом от удаленного конца возвращается опять в ухо говорящего. Эхо становится трудной проблемой, когда задержка в петле передачи больше, чем 50 мс. Так как эхо является проблемой качества, системы с пакетной коммутацией речи должны иметь возможность управлять эхо и использовать эффективные методы эхоподавления. Данные методы будут рассмотрены в разделе 2.

Затруднение диалога и перекрытие разговоров становятся серьезным вопросом качества, когда задержка в одном направлении передачи превышает 250 мс [3]. Можно выделить следующие источники задержки при пакетной передачи речи из конца в конец, которые показаны на рисунке 1.2:

- задержка накопления (иногда называется алгоритмической задержкой): эта задержка обусловлена необходимостью сбора кадра речевых отсчетов, выполняемая в речевом кодере. Величина задержки определяется типом речевого кодера и изменяется от небольших величин (0,125 мкс) до нескольких милисекунд. Например, стандартные речевые кодеры имеют следующие длительности кадров:

G.729 CS-ACELP (8 кбит/с) - 10 мc

G.723.1 - Multi Rate Coder (5,3;6,3 кбит/с) - 30 мс;

- задержка обработки: процесс кодирования и сбора закодированных отсчетов в пакеты для передачи через пакетную сеть создает определенные задержки. Задержка кодирования или обработки зависит от времени работы процессора и используемого типа алгоритма обработки. Для уменьшения загрузки пакетной сети обычно несколько кадров речевого кодера объединяются в один пакет. Например, три кадра кодовых слов G.729, соответствующих 30 мс речи, могут быть объединены для уменьшения размера одного пакета;

- сетевая задержка: задержка обусловлена физической средой и протоколами, используемыми для передачи речевых данных, а также буферами, используемыми для удаления джиттера пакетов на приемном конце. Сетевая задержка зависит от емкости сети и процессоров передачи пакетов в сети.

Суммарная задержка не должна превышать 250 мс

Рисунок 1.2 - Составляющие задержки в сети IP-телефонии

Время задержки при передаче речевого сигнала можно отнести к одному из трех уровней:

- первый уровень до 200 мс - отличное качество связи. Для сравнения, в телефонной сети общего пользования допустимы задержки до 150- 200 мс;

- второй уровень до 400 мс - считается хорошим качеством связи. Но если сравнивать с качеством связи по сетям ТфОП, то разница будет видна. Если задержки постоянно удерживаются на верхней границе 2-го уровня (400 мс), то не рекомендуется использовать эту связь для деловых переговоров;

- третий уровень до 700 мс - считается приемлемым качеством связи для ведения неделовых переговоров. Такое качество связи возможно при передаче пакетов по спутниковой связи.

Качество Интернет-телефонии попадает под 2-3 уровни, причем невозможно уверено сказать, что тот или иной провайдер Интернет-телефонии работает по второму уровню, так как задержки в сети Интернет изменчивы. Более точно можно сказать о провайдерах IP-телефонии, работающих по выделенным каналам. Они попадают под 1-2 уровни. Также необходимо учитывать задержки при кодировании/декодировании голосового сигнала. Средние суммарные задержки при использовании IP-телефонии обычно находятся в пределах 150-200 мс.

Важно отметить тот факт, что задержки в сетях с коммутацией пакетов влияют не только на качество передачи речевого трафика в реальном времени. Не менее важно и то, что данные задержки в определенных ситуациях могут нарушить правильность функционирования телефонной сигнализации в цифровых трактах Е1/Т1 на стыке голосовых шлюзов с оборудованием коммутируемых телефонных сетей. Причиной этого можно назвать тот факт, что набор рекомендаций Н.323 на рисунке 1.3 в момент своего появления в 1997 году был ориентирован на мультимедийные приложения, осуществляющие аудио и видеоконференцсвязь через сети IP. Данное решение позволяло значительно снизить стоимость таких систем по сравнению с их аналогами, работающими в сетях традиционной телефонии с коммутацией каналов. В процессе выделения IP-телефониии в самостоятельное направление и развития ее до услуги операторского уровня возникла необходимость соединения IP-шлюзов с телефонными станциями ТфОП по цифровым трактам Е1/Т1.



Рисунок 1.3 - Совокупность рекомендаций Н.323

При этом, шлюзы осуществляют взаимодействие с цифровыми АТС, используя стандартные механизмы телефонной сигнализации Q.931, интерпретированные через команды Н.225 и транслируемые в IP-сети с использованием протокола ТСР. Сообщения сигнализации Q.931 могут передаваться по логическому каналу через gatekeeper (контроллер зоны) или непосредственно между двумя оконечными устройствами. Выбор способа передачи осуществляет gatekeeper и сообщает об этом оконечному оборудованию. Согласно рекомендации Q.931, при установлении телефонного соединения значения временных задержек между фазами выполнения команд сигнализации строго регламентированы. Однако, при интерпретации в IP-шлюзах команд телефонной сигнализации Q.931 стеком Н.225/ТСР/IP, задержки, возникшие на пути прохождения сигнала, увеличивают заданные временные интервалы между командами Q.931, и в большинстве случаев нарушают целостность функционирования данного протокола. Хотя версия второго набора рекомендаций Н.323 в фазе два предусматривает процедуру Н.323v2 Fast Connect, ускоряющую обработку команд Q.931 стеком Н.323/ТСР, задержки IP-канала, особенно характерные для инфраструктуры Интернет, могут заведомо превышать все допустимые значения временных интервалов протокола Q.931. Данное обстоятельство можно расценивать как еще один аргумент в пользу использования выделенных каналов при построении сети IP-телефонии.

1.2.2 Джиттер

Когда речь или данные разбиваются на пакеты для передачи через IP-сеть, пакеты часто прибывают в пункт назначения в различное время и в разной последовательности. Это создает разброс времени доставки пакетов (джиттер). Джиттер воспринимается в виде тресков и щелчков, искажает в первую очередь короткие звуки типа взрывных согласных. Не воспринимается джиттер не более 30-50 мс. Аналога таких искажений в коммутируемой сети нет. Различают три формы джиттера:

а) джиттер, зависимый от данных (Data Dependent Jitter - DDJ) - происходит в случае ограниченной полосы пропускания или при нарушениях в сетевых компонентах;

б) искажение рабочего цикла (Duty Cycle Distortion - DCD) - обусловлено задержкой распространения между передачей снизу вверх и сверху вниз;

в) случайный джиттер (Random Jitter - RJ) - является результатом теплового шума.

На рисунке 1.4 приведены гистограммы джиттера пакетов в локальной сети и в сети Интернет с различными скоростями работы, показывающие эмпирические распределения вероятностей задержек. На оси абсцисс отложена относительная задержка, характеризующая реальное положение пакета в последовательности на временной оси по отношению к идеальному в предположении, что первый пакет пришел без задержки.

Рисунок 1.4 - Гистограммы джиттера пакетов

Величины возникающих задержек и их вероятности важны для организации процедуры обработки и выбора параметров обработки. Понятно, что временная структура речевого пакетного потока меняется. Возникает необходимость организации буфера для превращения пакетной речи, отягощенной нестационарными задержками в канале, возможными перестановками пакетов, в непрерывный, естественный речевой сигнал реального времени.

Параметры буфера определяются компромиссом между величиной запаздывания телефонного сигнала в режиме дуплексной связи и процентом потерянных пакетов. Потеря пакетов является другим серьезным негативным явлением в IP-телефонии.

1.2.3 Потеря пакетов

Потерянные пакеты в IP-телефонии нарушают речь и создают искажения тембра. В существующих IP-сетях все голосовые кадры обрабатываются как данные. При пиковых нагрузках и перегрузках голосовые кадры будут отбрасываться, как и кадры данных. Однако кадры данных не связаны со временем и отброшенные пакеты могут быть успешно переданы путем повторения. Потеря голосовых пакетов, в свою очередь, не может быть восполнена таким способом и в результате произойдет неполная передача информации. Предполагается, что потеря до пяти процентов пакетов незаметна, а свыше 10-15% - недопустима. Причем данные величины существенно зависят от алгоритмов компрессии/декомпрессии.

Существенно, что потеря большой группы пакетов приводит к необратимым локальным искаежниям речи, тогда как потери одного, двух, трех пакетов можно пытаться компенсировать.

Интуитивно ясно, что с повышением трафика возрастают задержки и потери в телефонном канале. В условиях ограниченных пропускных способностей это проявляется не только при интегральном увеличении загрузки каналов, например, в часы наибольшейнагрузки, но и при увеличении потока локального источника информации. Кривые графиков рисунка 1.4 и 1.5, построенные для различных скоростей передачи информации, убедительно свидетельствуют о необходимости использования как можно более низких скоростей передачи речевой информации при естественном требовании обеспечения желаемого качества телефонной связи.

1.3 Анализ задержек речи и передачи данных по сетям IP и Frame Relay

Frame Relay (FR) - протокол коммутации пакетов, используемый в глобальных сетях для высокоскоростной передачи кадров или пакетов с минимальными задержками в узле коммутации и для эффективного использования пропускной способности сети. Действует на канальном уровне модели OSI. Может применяться в ЛВС, в каналах с временным мультиплексированием, а также в сетях с коммутацией пакетов и каналов. При ретрансляции сеть направляет кадр в точку назначения в соответствии с содержащимся в нем адресом получателя. Вместо средств управления потоком включает функции извещения о перегрузках в сети, использует более длинные кадры. Главным фактором повышения скорости передачи является то, что анализ ошибок в данном случае не осуществляется и узлы ретрансляции не посылают уведомления или запросы на повтор ошибочно принятых кадров.

При организации связи на основе сети Frame Relay (FR) основным руководящим документом является стандарт FRF.11 [4]. В нем четко сформулированы функции VFRAD, а также способы подключения к нему телефонного оборудования и место VFRAD в структуре сети. Для кодирования речи во FR желательно использовать вокодер ACELP, описанный в рекомендации ITU-T G.723.1 [4]. Выбор этого вокодера обусловлен самым выгодным соотношением «качество речи/скорость потока». Параметры задержек некоторых вокодеров приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Задержка некоторых вокодеров

Стандарт	Требуемая полоса пропускания, кбит/с	Задержка накопления, мс
G.726 (ADPCM)	16; 24; 32; 40	125?10-3
G.728 (LD-CELP)	16	2,5
G.729 (CS-ACELP)	8	10
G.723.1 (ACELP, MP-MLQ)	5,3; 6,3	30

Общая задержка в сети является величиной, состоящей из следующих компонентов:

а) задержка накопления. Эта задержка вызвана необходимостью подготовки кадра из последовательности речевых отсчетов, который будет обрабатываться вокодером. Величина данной задержки будет равна размеру (длительности) кадра выбранного типа вокодера. Время подготовки одного речевого отсчета равно 125 мкс.

б) Задержка кодирования. Для того, чтобы не вносить дополнительную задержку в результате собственно процесса кодирования, необходимо подобрать цифровой процессор обработки сигналов такой производительности, чтобы задержка кодирования была меньше или, по крайней мере, равна задержке накопления.

На рисунке 1.6 приведена схема подключения телефонного оборудования к сети Frame Relay.

Рисунок 1.6 - Схема организации телефонной связи по сети Frame Relay

Для определенности предположим, что услугами телефонной связи пользуются абоненты двух узлов. Для этого выделен постоянный виртуальный канал, в рамках которого может быть организовано до 255 речевых трактов (подканалов). Теоретически, максимальная гарантированная скорость передачи по виртуальному каналу (CIR) не может превышать величины пропускной способности физического канала связи, соединяющего узлы сети.

Предположим, что в одном виртуальном канале функционируют три речевых тракта. Это означает, что FR-кадр, согласно стандарту FRF.11, будет иметь вид, представленный на рисунке 1.7.

Биты Октеты	8	7	6	5	4	3	2	1
1	Флаг
2	DLCI	CR	EA
3	DLCI	FECN	BECN	DE	EA
4	EL	LI	CID
5	Порядковый номер	Тип кодирования
6	Речевой кадр G.723.1 (5,3 кбит/с)
.
.
.
25
26	FCS
27
28	флаг

Рисунок 1.7 - Формат кадра Frame Relay для единственного речевого подканала.

Из рисунка видно, что общий размер кадра FR составляет 28 байт. Из них 20 байт - полезная нагрузка. Исходя из того условия, что каждый речевой кадр должен быть передан со скоростью 5,3 кбит/с, скорость передачи кадра Frame Relay по каналу связи должна составить 7,4 кбит/с (20 байт, составляющих речевой кадр, должны быть переданы со скоростью 7,4 кбит/с для своевременной доставки речевого кадра). Этот вывод показывает, что для организации трех речевых трактов потребуется 22,2 кбит/с пропускной способности канала (7,4 кбит/с·3=22,2 кбит/с), и это означает, что невозможно организовать три речевых тракта в канале 19,2 кбит/с. Возможна организация лишь двух речевых трактов. В случае организации двух речевых трактов, необходимо 14,8 кбит/с пропускной способности канала связи.

Таким образом, для удобства рассмотрения введем такое условие, что в сети организован один виртуальный канал содержащий единственный речевой тракт. В этом случае размер кадра будет составлять 28 байт и, следовательно, должен быть передан со скоростью 7,4 кбит/с.

На рисунке 1.8 представлена схема распределения задержек, возникающих при передачи речи по сети Frame Relay корпоративной сети передачи данных.

Предположим, что в сети отсутствует какая-либо дополнительная нагрузка. Таким образом, опираясь на приведенную схему распределения задержек, а также учитывая количество транзитных узлов при передаче речевого сигнала от абонента к абоненту, можно с достаточной точностью определить величину совокупной задержки передачи речевого сигнала по сети передачи данных Frame Relay в соответствии со следующим соотношением:

Т=(t_накопл + t_обраб + t_посл) +…+ (t_распр + t_посл) +…+ (t_распр + t_посл + t_обраб), (1.1)

где t_накопл - задержка накопления (t_накопл=30 мс);

t_обраб - задержка обработки (t_обраб=30 мс);

t_посл - последовательная задержка (t_посл=30 мс);

t_распр - задержка распространения (t_распр=30 мс).

Последовательная задержка рассчитывается из того минимально допустимого условия, что кадры Frame Relay от узла к узлу будут передаваться с постоянной скоростью 7,4 кбит/с. Задержка распространения сигнала, рассчитывалась из того условия, что передача осуществляется по коаксиальному кабелю, и в соответствии с рекомендацией ITU G.I 14 рассчитывается из соотношения:

задержка распространения (мс) = 0,004 протяженность канала связи (км).

Как было описано выше, организация речевой связи по IP-сети основана на использовании протокола Н.323. Основными устройствами, обеспечивающими передачу речи, являются шлюз Н.323, к которому может быть подключена УПАТС или отдельные телефонные аппараты, и речевой терминал. В качестве речевого терминала, в частности, может выступать персональный компьютер удаленного абонента корпоративной сети, снабженный соответствующими аппаратными и программными средствами.

Задержка распространения сигнала в IP-сети рассчитывается из того условия, что передача осуществляется по коаксиальному кабелю, и в соответствии с рекомендацией ITU-T G. 114 рассчитывается из соотношения:

задержка распространения (мс) = 0,004·протяженность канала связи (км)

Рисунок 1.8 - Схема распределения задержек в сети передачи данных Frame Relay

На рисунке 1.9 представлена схема распространения задержек при передаче речи по сети IP.

Опираясь на приведенную схему распределения задержек, а также учитывая количество транзитных узлов, при передаче речевого сигнала от абонента к абоненту, можно с достаточной точностью определить величину совокупной задержки передачи речевого сигнала по сети передачи данных IP, в соответствии со следующим соотношением:

Т=(t_накопл + t_обраб + t_ЛВС + t_{посл.комм}) +…+ (t_распр + t_{посл.комм} + t_{посл.маршр}) +…+

+..+ (t_распр + t_{посл.комм} + t_{посл.маршр} + t_{ЛВС +} t_обраб), (1.2)

где t_накопл - задержка накопления (t_накопл=30 мс);

t_обраб - задержка обработки (t_обраб=30 мс);

t_посл - последовательная задержка (t_посл=30 мс);

t_распр - задержка распространения (t_распр=30 мс).

Рисунок 1.9 - Схема распределения задержек в сети IP

1.4 Расчет задержек при передаче речи

В очередях сообщения упорядочены по времени их поступления. Когда в канале заканчивается передача очередного сообщения, то управление переходит к программе “Привратник”. Программа выбирает для очередной передачи сообщение с наивысшим приоритетом, если очереди более старших приоритетов не содержат сообщений, т.е. оказываются пустыми. Выбранное для передачи сообщение захватывает канал на все время его передачи. Если в систему поступает N простейших потоков сообщений с интенсивностями , средние длительности передачи сообщений каждого типа, соответственно, равны , и вторые начальные моменты соответственно , то среднее время t_к ожидания в очереди сообщений, имеющих приоритет К, определится соотношением:

, (1.3)

где ,

,

t_x =

Получим соотношение среднеквадратичного отклонения времени передачи сообщения:

(1.4)

где к = 1, 2, …, N.

t_x =

Данный алгоритм задержек сообщений при передаче речи представлен на рисунке 1.10.

Рисунок 4.4 - Алгоритм задержек сообщения

В соответствии с данным алгоритмом разработана программа, представленная в приложении А.

1.5 Сравнение сетей IP и FR

Основное отличие VoIP от VoFR состоит в том, что размер служебной информации пакета IP существенно больше кадра Frame Relay. Трафик IP использует почти в три раза большую полосу пропускания, чем трафик FR. Например, в канале 64 кбит/с сети FR может быть организовано 64/7,4=8 речевых трактов, в отличие от 64/18=3 при использовании IP-сети.

Последствием сегментации пакетов данных является уменьшение эффективности передачи данных. Поскольку есть фиксированный заголовок для каждого пакета, то создание небольших пакетов увеличивает процент служебной информации. Последствия сегментации в сетях Frame Relay менее чувствительны, чем в сетях IP поскольку размер заголовка FR существенно меньше.

В сетях IP эффективность функционирования сети может уменьшиться на 10-15%, а в сетях Frame Relay - на 2-4%.

При использовании метода VoFR , сегментация пакетов происходит автоматически в VFRAD всякий раз, когда есть речевой вызов. В случае завершения разговора сегментация прекращается.

При использовании VoIP сегментация пакетов происходит в маршрутизаторе доступа по команде администратора сети или под управлением протокола «шлюз-маршрутизатор», как, например, RSVP. При использовании RSVP, устанавливается сеанс RSVP с маршрутизатором, в течение которого маршрутизатор сегментирует пакеты с данными.

Поскольку большинство маршрутизаторов и шлюзов VoIP не поддерживают RSVP или аналогичный управляющий протокол, принудительная сегментация, при использовании VoIP, в среднем на 10-15% снижает эффективность функционирования сети на низкоскоростных каналах, независимо от того, присутствуют или нет телефонные вызовы.

Таким образом, основным преимуществом VoFR над VoIP являются:

более эффективное использование полосы пропускания каналов;

меньшие показатели задержек передачи речи;

автоматическая сегментация данных.

1.6 Обработка речи в IP-телефонии, необходимая для обеспечения качественной передачи

Для обеспечения качества услуг, предоставляемых в сетях с коммутацией пакетов в первую очередь необходимо применение качественного оборудования, которое позволит успешно решать задачи установления, модификации и завершения телефонных соединений, включая процессы межсетевого взаимодействия, управления безопасностью вызова, запроса качества обслуживания, шифрования, аутентификации и другие. В рекомендации Н.323 описаны четыре основных устройства, используемые для качественной передачи по IP-сетям, показанные на рисунке 1.10.

Рисунок 1.10 - Зона Н.323

Терминалы Н.323 представляют собой конечную точку в сети, способную передавать и принимать трафик в масштабе реального времени, взаимодействуя с другими терминалами Н.323, шлюзом или устройством многоточечной конференции (MCU - Multipoint Control Unit). Н.323-терминал должен поддерживать протоколы Н.245,Q.931, RAS, RTP/RTCP и семейство протоколов Н.450, а также включать в себя аудиокодек G.711. Примером терминала, поддерживающего стандарт Н.323 являются аппараты фирмы Selsius Systems и компании Cisco Sistems. Они выглядят как системные телефоны, только оснащенные интерфейсом Ethernet вместо порта RJ-11. Такие терминалы, используя собственные процессоры, микропрограммные кодеки и стек TCP/IP, обеспечивают высокое качество звука и уровень надежности.

Шлюз IP-телефонии обеспечивает сжатие информации (голоса), конвертирование ее в IP-пакеты и направление в IP-сеть. С противоположной стороны шлюз осуществляет обратные действия: расшифровку и расформирование пакетов вызовов. В результате обычные телефонные аппараты без проблем принимают эти вызовы. Большая часть функций IР-шлюза в рамках архитектуры TCP/IP реализуется в процессах прикладного уровня. В Казахстане в основном в IP-телефонии используются IP-шлюзы Н.323 фирмы Cisco следующей емкости:

Cisco 3620 c одним модулем NM-HDV-2E1-60E, в зависимости от выбранного типа сложности кодеков - от 30 до 60 голосовых портов;

Cisco 3640 с тремя модулями NM-HDV-2E1-60E, в зависимости от выбранного типа кодеков - от 90 до 180 голосовых портов;

Cisco 3660 содержит на шасси встроенный порт Ethernet и благодаря этому имеет возможность установить шесть модулей NM-HDV-2E1-60E, что в зависимости от выбранного типа кодеков, позволяет получить от 180 до 360 голосовых портов.

А также используется продукт компании 3Com Corp. - PathBuilder S200 Voice Access Switch - представляющий собой маршрутизатор, коммутатор доступа и шлюз в едином исполнении. Допускает подключение до 28 речевых каналов. Поддерживает аналоговые телефонные интерфейсы FXS, FXO, E&M и цифровые Е и PRI-ISDN. Важным достоинством является возможность передачи речи через сети Frame Relay. Поддерживает стандарт Н.323 и, соответственно, алгоритмы кодирования голоса G.711, G.723.1 и G.729а. При этом достигается компрессия голоса до 5,3кбит/с. Положение шлюзов в сети показано на рисунке 1.11, а обработка сигнала - на рисунке 1.12.

Рисунок 1.11 - Положение шлюза в сети с коммутацией пакетов

Рисунок 1.12 - Схема обработки сигналов в шлюзе

Наличие разноплановых функций с вычислительной точки зрения функций, выполняемых системой, порождает проблему ее программной и аппаратной реализации. Рациональное решение этой проблемы основано на использовании распределенной системы, в которой управленческие задачи и связь с сетью осуществляется с помощью универсального процессора, а решения задач сигнальной обработки и телефонного интерфейса выполняются на цифровом процессоре обработки сигналов.

Телефонный сигнал с двухпроводной абонентской линии поступает на дифференциальную систему, которая разделяет приемную и передающую части канала. Далее сигнал передачи вместе с «просочившейся» частью сигнала приема подается на аналогово-цифровой преобразователь (ADC) и превращается либо в стандартный двенадцати разрядный сигнал, либо в восьмиразрядный сигнал, закодированный по м- или А-закону. В последнем случае обработка должна также включать соответствующий экспандер. В устройстве эхокомпенсации (Echo canceller) из сигнала передачи удаляются остатки принимаемого сигнала. Эхокомпенсатор представляет собой адаптивный нерекурсивный фильтр, длина памяти (порядок) которого и механизм адаптации выбираются таким образом, чтобы удовлетворить требованиям МСЭ-Т G.165. Для обнаружения и определения сигналов внутриполосной многочастотной телефонной сигнализации (MF сигналов), сигналов частотного (DTMF) или импульсного наборов используются детекторы соответствующих типов. Дальнейшая обработка входного сигнала происходит в речевом кодере (Speech Coder). В анализаторе кодера сигнал сегментируется на отдельные фрагменты определенной длительности (в зависимости от метода кодировании) и каждому входному блоку присваивается информационный кадр соответствующей длины.

Часть параметров, вычисленная в анализаторе кодера, используется в блоке определения голосовой активности (VAD - Voice Activity Detector), который решает, является ли текущий анализируемый фрагмент сигнала речью или паузой. При наличии паузы информационный кадр может не передаваться в службу виртуального канала. На сеансовый уровень передается лишь каждый пятый «паузный» информационный кадр. Кроме того, при отсутствии речи для кодировки текущих спектральных параметров используется более короткий информационный кадр. На приемной стороне из виртуального канала в логический поступает либо информационный кадр, либо флаг наличия паузы. На паузных кадрах вместо речевого синтезатора включается генератор комфортного шума (Noise Generator), который восстанавливает спектральный состав паузного сигнала. Параметры генератора обновляются при получении паузного информационного кадра. Наличие информационного кадра включает речевой декодер, на выходе которого формируется речевой сигнал. Для эхокомпенсатора этот сигнал является сигналом дальнего абонента, фильтрация которого дает составляющую электрического эха в передаваемом сигнале. В зависимости от типа цифро-аналогового преобразования (DAC) сигнал может быть подвергнут дополнительной кодировке по А- или м-закону.

Можно выделить следующие основные проблемы цифровой обработки сигналов в шлюзе.

При использовании двухпроводной абонентской линии актуальной остается задача эхокомпенсации, особенность которой состоит в том, что компенсировать необходимо два различных класса сигналов - речи и телефонной сигнализации. Очень важной является задача обнаружения и детектирования телефонной сигнализации. Ее сложность состоит в том, что служебные сигналы могут перемешиваться с сигналами речи.

С построением кодеков тесно связана задача синтеза VAD. Основная трудность состоит в правильном детектировании пауз речи на фоне достаточно интенсивного акустического шума (шум офиса, улицы, автомобиля и т.д.).

Gatekeeper (контроллер зоны) выполняет функции управления вызовами, а также:

преобразовывает адреса-псевдонимы в транспортные адреса;

контролирует доступ в сеть на основании авторизации вызовов, наличия необходимой для связи полосы частот и других критериев, определяемых производителем;

контролирует полосу частот;

управляет зонами.

Сервер управления конференциями (MCU) обеспечивает связь трех и более Н.323-терминалов. Сервер управляет ресурсами конференции, согласовывает возможности терминалов по обработке звука и видео, определяет аудио- и видеопотоки, которые необходимо направлять по многим адресам.

Также для обеспечения качественной передачи речевых сигналов в IP-телефонии необходима их следующая обработка:

а) устранение всех нежелательных компонентов из входного аудиосигнала. После оцифровки речи необходимо удалить эхо из динамика в микрофон, комнатное эхо и непрерывный фоновый шум (например, шум от вентиляторов), а также отфильтровать шумы переменного тока на низких частотах звукового спектра.

Эффективное эхоподавление и уменьшение шумов абсолютно необходимо в любой конфигурации с «открытым микрофоном» и с громкоговорителем на базе персонального компьютера (ПК) для традиционной и IP-телефонии. Эти функции все в большей мере реализуются аудиокомпонентами ПК, так что сама система IP-телефонии может их и не иметь. Шлюзам IP-телефонии требуется выполнять меньший объем предварительной обработки, нежели конечным решениям, потому что УАТС и телефонная сеть обеспечивают фильтрацию и уменьшение шумов;

б) подавление пауз в речи; распознавание остаточного фонового шума (внешних шумов) и кодирование для восстановления на дальнем конце; то же самое для опознаваемых сигналов. Паузы лучше всего полностью подавлять на ближнем конце. Для сохранения окружающих звуков необходимо смоделировать фоновые шумы, чтобы система на дальнем конце могла восстановить их для слушателя. Сигналы многочастотного набора номера DTMF и другие сигналы можно заменить на короткие коды для восстановления на дальнем конце (или для непосредственной обработки). Возможные проблемы: из-за того, что функция подавления пауз активизируется, когда громкость речи становится ниже определенного порога, некоторые системы обрезают начала и концы слов (в периоды нарастания и снижения энергии речи);

в) сжатие голосовых данных. Сжать оцифрованный голос можно разными способами. В идеале решения, используемые для IP-телефонии, должны быть достаточно быстрыми и давать на выходе небольшие массивы данных;

г) «нарезание» сжатых голосовых данных на короткие сегменты равной длины, их нумерация по порядку, добавление заголовков пакетов и передача. Хотя стек протоколов TCP/IP поддерживает пакеты переменной длины, их использование затрудняет достижение устойчивой и предсказуемой межсетевой маршрутизации в голосовых приложениях. Маршрутизаторы быстро обрабатывают небольшие пакеты и рассматривают обычно все передаваемые по одному и тому же IP-адресу пакеты одного размера одинаковым образом. В результате пакеты проходят по одному маршруту, поэтому их не надо переупорядочивать;

д) прием и переупорядочивание пакетов в адаптивном «буфере ресинхронизации» для обеспечения интеллектуальной обработки потерь или задержек пакетов. Главной целью здесь является преодоление влияния переменной задержки между пакетами. Решение данной проблемы состоит в буферизации достаточного числа поступающих пакетов (при отложенном их воспроизведении) с тем, чтобы воспроизведение было непрерывным, даже если время между поступлением пакетов сильно различается. Лучшие продукты для IP-телефонии моделируют производительность сети и регулируют размер буфера ресинхронизации соответствующим образом - уменьшая его (сокращая задержку перед воспроизведением), когда сеть ведет себя предсказуемым образом, и увеличивая в противоположной ситуации.

1.7 Постановка задачи

Так как настоящий дипломный проект посвящен проблеме обеспечения качества услуг в сетях с коммутацией пакетов, путем устранения сигналов электрического эха, то в следующих главах будут подробно рассмотрены основные методы борьбы с мешающим действием токов электрического эха, а также комбинированные методы, объединяющие методы эхозаграждения и эхокомпенсации, эхокомпенсации и самобалансирующейся дифференциальной системы (СДС), а также эхозаграждения и СДС. Представлена система математических и имитационных моделей эхоподавления и их среды функционирования. Произведена оценка методов эхоподавления по критерию эффективности способом имитационного моделирования на ЭВМ, для чего были разработаны необходимые программы.

В экономической части дипломного проекта рассмотрены вопросы расчета стоимости разработки. Произведено технико-экономическое обоснование целесообразности разработки программы имитирующей различные методы эхоподавления.

Таким образом, остановимся подробнее на мешающем воздействии эха и борьбе с ним.

2 УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА УСЛУГ ЗА СЧЕТ БОРЬБЫ С МЕШАЮЩИМ ДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭХА

2.1 Физиологические аспекты влияния эха

При обмене телефонными сообщениями каждый абонент осознанно или неосознанно оценивает качество принятой информации. Эта оценка ведется по нескольким критериям одновременно: громкости, разборчивости, смысловому восприятию, узнаваемости и т. д. Такой метод оценки получил наименование “интегрального”. Снижение интегральной оценки приводит к таким последствиям, как возрастание времени ведения разговоров за счет переспросов, усиление напряженности ведения разговора из-за увеличения уровня шума, а в отдельных случаях вообще к отказу обмена сообщениями.

Причины снижения качества ведения переговора могут быть самыми различными: акустические помехи, помехи линейного тракта и станционного оборудования, кратковременные перерывы, отраженные сигналы, погрешности в работе систем АРУ и др. Рассмотрим подробнее одну из перечисленных причин - отраженные сигналы, действие которых особенно проявляется на каналах связи большой протяженности.

Телефонный разговор между двумя абонентами состоит из ряда смысловых отрезков речи, разделенных паузами. IP-сеть для обычного вызова с двумя абонентами и временные диаграммы эхосигнала представлены в приложении Б и в приложении В. Смысловые отрезки могут содержать отдельные слово, фразу, ряд фраз, длительность которых может колебаться от долей секунды до сотен секунд. Такую же длительность имеют паузы между смысловыми отрезками. Наличие времени запаздывания в прямом и обратном направлениях передачи приводит к замедлению скорости ведения разговора, что уже само по себе снижает эффективность телефонной связи с точки зрения ее оперативности. Кроме того, наличие времени запаздывания увеличивает общее время существования “встречного разговора”, когда оба собеседника говорят одновременно. Часто время ответа собеседника t_отв может быть отрицательным, т. е. абонент начинает говорить, не дослушав до конца смысловой отрезок, если ему уже все ясно из предыдущих фраз. В этом случае при значительном времени задержки ответ абонента Б может быть воспринят абонентом А как ответ на последующую смысловую фразу из смыслового отрезка и вызвать недоумение, что, в свою очередь, потребует переспроса, а следовательно, увеличения общего времени “встречного разговора”.

Опыты, проведенные в ряде стран, показали, что при общем времени запаздывания до 2 с телефонная связь становится невозможной. Это явление получило название “потеря чувства контакта между говорящими абонентами”.

Еще большие трудности при ведении разговоров вызывают отраженные сигналы. Следует отметить, что наличие отраженных сигналов при малых временах запаздывания не вызывает неприятных ощущений в процессе разговора и, наоборот, создается ощущение “исправности” телефонного канала, так как голос говорящего маскирует звуки отраженных сигналов, поступающих с телефона. При увеличении времени запаздывания сигналов эха, т. е. при возрастании дальности связи, повышается вероятность попадания таких сигналов в межслововые или межфразовые паузы исходного речевого сигнала, а, следовательно, увеличивается вероятность того, что говорящий их будет слышать.

Для того чтобы эффективно бороться с мешающим действием отраженных сигналов, необходимо знать причины их возникновения.

2.2 Механизм возникновения электрического эха

Телефонный канал связи представляет собой электрически замкнутую систему, обеспечивающую двусторонний режим работы.

Как и во всякой электрически замкнутой системе, в телефоном канале всегда присутствуют токи обратной связи, вызывающие характерные искажения амплитудно-частотных (АЧХ) и фазо-частотных (ФЧХ) характеристик прямого и обратного трактов. Условия работы одиночной замкнутой системы, схема которой представлена на рисунке 2.1, в значительной степени определяются влиянием одного направления передачи на другое.

Рисунок 2.1 - Схема одиночной замкнутой системы

Это влияние, если оно велико, может вызывать самопроизвольные колебания, т. е. генерацию, и тем самым нарушать связь. Но даже если генерация не возникнет, это влияние оказывает мешающее действие в виде специфических искажений частотных характеристик; искажений от обратной связи или мешающих токов электрического эха. Величина этих искажений однозначно связана с затуханием по петле X, определяемой выражением:

где S_у1 и S_у2 - коэффициенты усиления усилительных устройств;

а_п1 и a_п2 - переходные затухания дифференциальных систем.



Если учесть, что переходное затухание а_п развязывающего устройства (дифсистемы) связано с затуханием несогласованности сопротивлений абонентского тракта Z_a61 и входного дифсистемы Z₁, т. е.

или а_п1=A_l1+7 дБ, то выражение для затухания по петле может быть преобразовано в другой вид:

где S₁=S_y1-7 дБ и S₂=S_y2-7 дБ - рабочие усиления в прямом и обратном направлениях замкнутой системы.

Величина искажений от обратной связи должна быть в следующих пределах:

Анализ (2.4) показывает, что искажения от обратной связи могут быть сведены к минимуму либо за счет увеличения A_l1 и A_l2 (улучшения условия согласования), либо за счет снижения S₁ и S₂ (ослабление усиления в прямом и обратном направлениях передачи). С точки зрения повышения качества передачи информации для снижения искажения целесообразно использовать первый фактор.

Все эти положения справедливы только при условии, что время распространения сигнала в замкнутой системе неизмеримо меньше времени существования стационарного сигнала, т. е. процесс можно рассматривать в установившемся режиме. В действительности сигналы, передаваемые в каналах телефонной связи большой протяженности, особенно через ИСЗ, приходят на приемный конец с существенным замедлением (время запаздывания t_з), а следовательно, время распространения сигналов по замкнутому пути больше. Это обстоятельство приводит к значительному снижению качества ведения телефонных переговоров, а при некоторых условиях делает их совершенно невозможным.

Запаздывание сигналов при передаче их на большие расстояния обусловлено конечной скоростью распространения электрических сигналов в линейных трактах, а также в аппаратуре оконечной и промежуточной станций из-за наличия в различных ее узлах реактивных элементов. Речь идет об абсолютном запаздывании, т. е. о равномерном по спектру замедлении группового времени прохождения сигнала. Неравномерность в замедлении группового времени распространения db/d=const приводит к изменению формы сигнала, т. е. к его искажению. Для всех видов связи, за исключением телефонной, абсолютное запаздывание на несколько миллисекунд или даже на долю секунды не играет никакой роли. Однако при телефонной связи абсолютное запаздывание сигнала более чем на 1,8 с значительно снижает качество связи [5], так как контактность ведения переговора резко падает.

Схема телефонной связи с учетом существующих временных задержек в распространении информационных сигналов изображена на рисунке 2.2.

Как видно из схемы, отражение сигналов может возникнуть в различных точках трактов. Основными из этих точек являются: места соединения абонентского тракта с дифференциальной системой и телефонного аппарата с абонентским трактом, а также микротелефонная трубка телефонного аппарата (источник акустического эха). Однако могут быть и дополнительные точки отражения внутри абонентского тракта, особенно при использовании аппаратуры систем передачи по городским соединительным линиям. Причины появления отраженных сигналов кроются в рассогласовании характеристических сопротивлений трактов в перечисленных выше местах соединения. Количественно степень рассогласования оценивается коэффициентом отражения:

где Z_л и Z_б - характеристические сопротивления трактов в месте их со единения.

Рисунок 2.2 - Схема телефонной связи с учетом существующих временных задержек в распространении информационных сигналов

t'_{а т}, t”_{а т} - времена задержки в абонентских трактах;

а₁, а₂ - затухания прямого и обратного трактов;

Z _б1, _{Z б2} - балансные сопротивления дифсистем;

t'_{л т} , t”_{л т} - времена задержки в прямом и обратном направлениях линейного тракта.

В технике связи степень рассогласования может оцениваться величиной затухания несогласованности, определяемой выражением:

Как видно из приведенных выражений, степень рассогласования будет тем меньше, чем ближе будут величины характеристических сопротивлений соединяемых трактов. Мощность отраженного сигнала пропорциональна квадрату коэффициента отражения, т.е.

где P_э - мощность эхосигнала (отраженного сигнала);

Р_с - мощность информационного сигнала.

Таким образом, для снижения мощности отраженных сигналов и устранения их мешающего воздействия необходимо обеспечить согласование характеристических сопротивлений в места соединений различных узлов и трактов канала связи. Если в канале имеется несколько точек отражения, то общая мощность эхосигнала может быть определена как сумма мощностей отраженных от различных точек. Для схемы, изображенной на рисунке 2.2, при наличии двух точек отражения n и m мощность эхосигнала на входе с удлинителя с затуханием а₁ будет:

где Р_с - мощность информационного сигнала на выходе усилителя Ус2; а_дс - затухание дифференциальной системы от двухпроводного тракта к прямому и обратному направлениям передачи;

_n и _m - коэффициенты отражения в точках n и m.

На основании полученного выражения можно получить обобщенную формулу при любом числе точек отражения для эхосигнала:



Даже поверхностный анализ выражения (2.9) показывает, что около 80% мощности эхосигнала приходится на составляющую первой точки отражения. Поэтому особое внимание с точки зрения возникновения эхосигнала следует обращать именно на эту точку. В то же время необходимо учитывать то обстоятельство, что все составляющие суммарной мощности эхосигнала появляются неодновременно. Это вызывает дополнительные сложности при решении проблемы подавления отраженных сигналов.

Итак, подводя итог, можно сделать вывод о том, что наибольшее мешающее действие эхосигналы будут оказывать на абонента, у которого собеседник находится в непосредственной близости от междугородной телефонной станции (близкий абонент), а канал связи организован либо через ИСЗ, либо имеет значительную протяженность.