Основные стандарты кодирования речи, применяемые в IP-телефонии, приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1 Стандарты ITU-T по кодированию речи, применяемые в

IP-телефонии.

Стадарт	Описание
G.711	Импульсно-кодовая модуляция 64 кбит/с (ИКМ) (А-закон и -закон
G.722	Широкополосные кодеры, работающие на скорости 64, 56 или 48 кбит/с
G.726	Рекомендации по кодерам АДИКМ, которые охватывают G.721 и G.723
G.727	АДИКМ, работающие на скоростях 40, 32, 24 и 16 кбит/с
G.728	Вокодеры с линейным предсказанием, с кодовым возбуждением, с низкой задержкой, скорость 16 кбит/с
G.729	Вокодеры с линейным предсказанием, с алгебраическим кодовым возбуждением, с сопряженной структурой, скорость 8 кбит/с (CS-ACELP)
G.723.1	Низкоскоростные вокодеры для связей мультимедиа, работающие на скорости 6,3 и 5,3 кбит/с

6. РАСЧЕТ ВЛИЯНИЯ ОШИБОК В КАНАЛЕ СВЯЗИ НА КАЧЕСТВО ПАКЕТНОЙ ПЕРЕДАЧИ РЕЧЕВЫХ СООБЩЕНИЙ

Оценим погрешности восстановления речевых сообщений, обусловленные трансформацией передаваемых символов при приёме и вызванные ошибками в информационной части сообщения.

Пусть передаваемые уровни описываются вектором-строкой , .

Качество приёма будем характеризовать матрицей трансформаций сигнала

, (6.1)

где - вероятность приёма переданного сообщения при условии

передачи уровня .

В результате ошибка воспроизведения значения переданного отсчёта разности сигнала на приёмной стороне .

Условная ПРВ восстановленного сообщения при условии, что передавался уровень, имеет вид:

,((6.2)

где дельта функция;

шаг квантования, так что .

Тогда

.

Усреднённая (6.2) по всем возможным , найдём безусловную ПРВ распределения погрешности восстановления

.

Искомая дисперсия дискретной случайной величины характеризующей ошибку воспроизведения, может быть оценена по формуле:

(6.3)

где - вероятность ошибки , которая связана со статистикой

сигнала ошибки предсказания:

.(6.4)

С учётом (6.4) преобразуем (6.3) к виду

,(6.5)

где ПРВ ошибка квантования, соответствующая моменту .

В случае кодирования сигналов двоичным безызбыточным ходом элементы матрицы имеют вид

(6.6)

где кодовое расстояние между уровнями и ;

- искажения символов кодов комбинаций;

- число символов в информационной части кодового

слова;

P0 - искажения символов кодов комбинаций.

Среднеквадратическая погрешность, обусловленная искажениями символов всех кратностей, будет иметь вид

(6.7)

где m_Z1 и M_Z2 - первый и второй моменты распределения передаваемых

уровней.

При малых значениях Р₀ , когда можно пренебречь ошибками двойной и более кратностей, вместо (6.6) можно использовать соотношения

(6.8)

С учётом (6.8) можно преобразовать (6.5) к виду

,(6.9)

или в более упрощённом виде

.(6.10)

В случае, если необходимо учесть ошибки кратностей второго и более высокого порядка, следует воспользоваться формулой (6.5). Для этого необходимо воспользоваться матрицей трансформаций , которая известна для каждого из способов кодирования.

Данные формулы рассчитываем с помощью программы.

6.1 Программа расчета влияния ошибок в канале передачи на качество пакетной передачи речевых сообщений

program Err_NET;

uses

Forms,

Unit1 in 'Unit1.pas' {Form1};

{$R *.RES}

begin

Application.Initialize;

Application.CreateForm(TForm1, Form1);

Application.Run;

end.

6.1.1 Модуль расчета влияния ошибок в канале передачи на качество пакетной передачи речевых сообщений

unit Unit1;

interface

uses

Windows, Messages, SysUtils, Classes, Graphics, Controls, Forms, Dialogs,

StdCtrls;

type

TForm1 = class(TForm)

Label3: TLabel;

Edit3: TEdit;

Label5: TLabel;

Edit5: TEdit;

Label6: TLabel;

Edit6: TEdit;

Label7: TLabel;

Edit7: TEdit;

Label8: TLabel;

Edit8: TEdit;

Button1: TButton;

Label4: TLabel;

Edit4: TEdit;

procedure Button1Click(Sender: TObject);

private

{ Private declarations }

public

{ Public declarations }

end;

var

Form1: TForm1;

implementation

{$R *.DFM}

procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);

Var

Delta,N,Po,Mz1,Mz2,Sigma:real;

begin

Delta:=StrToFloat(Edit3.Text);

N:=StrToFloat(Edit5.Text);

Po:=StrToFloat(Edit6.Text);

Mz1:=StrToFloat(Edit7.Text);

Mz2:=StrToFloat(Edit8.Text);

Sigma:=delta*delta*((n*n-1)*Po/3-(n*n-1)*Po*Po/3+(n-1)*(n-1)*Po*Po+4*Mz2*Po*Po-4*(n-1)*Mz1*Po*Po);

Edit4.Text:=FloatToStr(Sigma);

end;

end.

Результат программы: .



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 6.1 Алгоритм работы программы

6.2 Погрешности передачи речевых процессов, обусловленные ошибками в адресной части сообщения

Трансформация символов адресной части сообщения, вызванная ошибками в канале связи, может приводить к потерям отдельных отсчётов у одного сообщения и к появлению ложных отсчётов у других сообщений, следующих в пакете.

Оценим среднеквадратичную погрешность восстановления, обусловленную искажением адресной части сообщения.

Потеря отсчётов. Можно показать, что погрешность, обусловленная потерей отсчётов в адресной части, может быть оценена формулой

(6.11)

где - вероятность потери произвольного отсчёта.

При известной матрице трансформаций (6.1) легко вычисляется вероятность потери

.(6.12)

В частном случае использования двоичного безызбыточного кода с учётом (6.8) можно найти

(6.13)

где - число символов адресной части сообщения.

Ложные отсчёты. Оценим погрешности, возникающие за счёт появления ложных отсчётов, моменты появления которых совпадают с моментами появления отсчётов суммарного потока на выходе системы передачи. Поскольку отсчёты сообщения появляются на выходе системы передачи через регулярные интервалы времени, а события генерирования ложного адреса i-го сообщения независимы, можно считать, что поток ложных отсчётов, попадающих в i-й канал, является биномиальным.

Интервалы между ложными отсчётами имеют геометрическое распределение

,(6.14)

где вероятность появления интервала длиной lT;

T - длительность сообщения ;

вероятность ложного адреса для i-го сообщения.

При малых вероятностей ошибок поток ложных отсчётов можно считать пуассоновским со средним значением интервала T/. В результате вероятность появления ровно k ложных отсчётов в i-ом сообщении за интервал времени t описыватся соотношением

, (6.15)

где интенсивность потоков ложных отсчётов.

Для случая экспоненциально распределённых интервалов следования ложных отсчётов (пуассоновский поток отсчётов) дисперсия погрешности восстановления, вызванная генерированием ложного адреса i-го cообщения, может быть оценена соотношением

.(6.16)

Здесь интенсивность потока отсчетов i-го сообщения.

Как и при приёме информационной части сообщения, для вычисления интенсивности потока «ложных» отсчётов i-го канала основной характеристикой качества является матрица трансформации адресов

 ,(6.17)

где - число передаваемых в общем потоке каналов.

Информация о элементах матрицы (6.17) и интенсивности потоков отсчётов всех каналов позволяет определить интенсивность потока ложных отсчётов I-го канала:

. (6.18)

Соотношения (6.16) - (6.18) позволяют оценить искомую погрешность восстановления. В частности для безызбыточного кодирования можно пренебречь ошибками двойной и более кратностей. Тогда при одинаковых интенсивностях потоков каналов имеем . В результате (6.16) примет вид

. (6.19)

Напомним, что Р₀ - вероятность ошибочного приёма символов.

Данные формулы рассчитываем с помощью программы.

6.3 Программа расчета погрешности передачи речевых процессов

program Err_Noise;

uses

Forms,

Unit1 in 'Unit1.pas' {Form1};

{$R *.RES}

begin

Application.Initialize;

Application.CreateForm(TForm1, Form1);

Application.Run;

end.

6.3.1 Модуль расчета погрешности передачи речевых процессов

unit Unit1;

interface

uses

Windows, Messages, SysUtils, Classes, Graphics, Controls, Forms, Dialogs,

StdCtrls;

type

TForm1 = class(TForm)

Label3: TLabel;

Edit3: TEdit;

Label5: TLabel;

Edit5: TEdit;

Label6: TLabel;

Edit6: TEdit;

Button1: TButton;

Label4: TLabel;

Edit4: TEdit;

Label1: TLabel;

Edit1: TEdit;

Label2: TLabel;

Edit2: TEdit;

Label7: TLabel;

Edit7: TEdit;

procedure Button1Click(Sender: TObject);

private

{ Private declarations }

public

{ Public declarations }

end;

var

Form1: TForm1;

implementation

{$R *.DFM}

procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);

Var

Delta,Madr,Po,Ppot,sigma,sigmaL,sig:real;

begin

Delta:=StrToFloat(Edit3.Text);

Madr:=StrToFloat(Edit5.Text);

Po:=StrToFloat(Edit6.Text);

sig:=StrToFloat(Edit7.Text);

Ppot:=Madr*Po;

Sigma:=ABS(delta*delta*Ppot*(1+Ppot)/(1-Ppot*Ppot));

SigmaL:=2*sig*sig*madr*po;

Edit4.Text:=FloatToStr(Sigma);

EDit1.Text:=FloatToStr(Ppot);

EDit2.Text:=FloatToStr(Sigmal);

end;

end.

Результат программы: Р_оптт= 16Е-5;

6,40010240163843E-5;

3,2E-11.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 6.2 Алгоритм работы программы

6.4 Оценка результирующей погрешности, вносимой каналом связи

В соответствии с вышеизложенным, суммарная погрешность вносимая каналом при передачи аналоговой речевой информации

.(6.20)

В предположении независимости каждой из составляющих, входящих в (6.20), дисперсию результирующей погрешности, вносимой каналом связи можно оценить в виде

.(6.21)

Нормируя каждое из слагаемых, входящее в (6.21), к дисперсии передаваемого сообщения, найдём приведённую погрешность

.(6.22)

Воспользовавшись соотношениями (6.11), (6.12), (6.17), (6.19), можно получить ряд частных случаев

а) при безызбыточном кодировании адреса и информационной части сообщения

;(6.23)

б) при безызбыточном кодировании информационной части и приёме со стиранием адресной части (код с поверкой на чётность)

;(6.24)

в) при приёме со стиранием адресной и информационной частей, при раздельной поверке на чётность адреса и информационной части

,(6.25)

где - общее число разрядов сообщения.

Таким образом, полученные выражения позволяют оценить погрешности передачи речевого сообщения по каналу связи при любом способе кодирования, как с адресацией, так и без адресации сообщения.

Первичным источником информации, необходимым для расчета дисперсии (6.21), являются матрицы трансформаций (6.1) и (6.16), которые априорно известны для каждого из способов кодирования.

Данные формулы рассчитываем с помощью программ.

6.5 Программа оценки результирующей погрешности канала связи

program Err_RESULT;

uses

Forms,

Unit1 in 'Unit1.pas' {Form1};

{$R *.RES}

begin

Application.Initialize;

Application.CreateForm(TForm1, Form1);

Application.Run;

end.

6.5.1 Модуль оценки результирующей погрешности канала связи

unit Unit1;

interface

uses

Windows, Messages, SysUtils, Classes, Graphics, Controls, Forms, Dialogs,

StdCtrls;

type

TForm1 = class(TForm)

Label3: TLabel;

Edit1: TEdit;

Button1: TButton;

Label1: TLabel;

Edit2: TEdit;

Label2: TLabel;

Edit3: TEdit;

Label4: TLabel;

Edit4: TEdit;

Label5: TLabel;

Edit5: TEdit;

procedure Button1Click(Sender: TObject);

private

{ Private declarations }

public

{ Public declarations }

end;

var

Form1: TForm1;

implementation

{$R *.DFM}

procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);

Var

S1,S2,S3,S4,Sigma:real;

begin

S1:=StrToFloat(Edit1.Text);

S2:=StrToFloat(Edit2.Text);

S3:=StrToFloat(Edit3.Text);

S4:=StrToFloat(Edit5.Text);

Sigma:=(S1*S1+S2*S2+S3*S3)/(s4*s4);

Edit4.Text:=FloatToStr(Sigma);

end;

end.

Результат программы: 1,3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 6.3 Алгоритм работы программы

7. РАСЧЕТ ВОЗМОЖНОСТИ ПЕРЕДАЧИ РЕЧИ ПО СЕТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ FRAME RELAY

Целью настоящего анализа является оценка вместимости каналов корпоративной сети передачи данных (КСПД) для организации в них речевых трактов, при передачи речи согласно методу VoFR, а также расчет задержки передачи речи по сети передачи данных Frame Relay, как основного показателя качества передачи речи.

7.1 Наиболее вероятная схема организации речевой связи по сети передачи данных Frame Relay

При организации телефонной связи на основе сети передачи данных Frame Relay основным руководящим документом является стандарт FRF.11. В нем четко сформулированы функции VFRAD, а также способы подключения к нему телефонного оборудования и место VFRAD в структуре сети. Для кодирования речи желательно использовать вокодер ACELP, описанный в рекомендации ITU G.723.1. Выбор этого вокодера обусловлен самым выгодным соотношением качество речи/скорость потока. В таблице 7.1 приведены параметры вокодера [3].

Таблица 7.1 Параметры вокодера ACELP

Параметры вокодера	Вокодер
	ACELP
Скорость бит, кбит/с	5,3…6,3
Размер фрейма, мс.	30
Размер подфрейма, мс.	7,5
Алгебраическая задержка, мс.	37,5
Быстродействие, млн оп./с	14…20
Объем ПЗУ, байт	4,4 К
Качество	Хорошее

На рисунке 7.1 приведена схема подключения телефонного оборудования к 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.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 7.1 Схема организации телефонной связи по сети передачи данных Frame Relay

Положим, что в сети организован виртуальный канал, с максимально возможной гарантированной скоростью передачи, и в рамках него организовано максимально возможное количество речевых трактов. Для этого рассмотрим два типа каналов: с пропускной способностью 19,2 кбит/с и 2048 кбит/с.

7.2 Оценка количества речевых трактов при организации речевой связи по физическому каналу 19,2 кбит/с

Исходя из того, что скорость алгоритма кодирования речи составляет 5,3 кбит/с, можно делать выводы о возможном количестве речевых трактов. Ясно, что их количество по крайней мере должно быть не более 3

,

где 19,2 скорость физического канала в кбит/с;

5,3 скорость алгоритма в кбит/с.

Это означает, что номера подканалов можно представить в виде 6 разрядного двоичного числа и тем самым уменьшить на один байт размер заголовка подкадра. Исходя из того, что размер речевого кадра составляет 20 байтов, формат речевого подкадра согласно стандарту FRF.11 будет иметь вид, представленный на рисунке 7.2.

Октеты	Биты
	8	7	6	5	4	3	2	1
1	E1	L1	CID
2	Размер информационного элемента
3	Порядковый номер	Тип кодирования
4	Речевой кадр G.723.1 (5,3 кбит/с)
.
.
.
23

Рисунок 7.2 Формат речевого подкадра

Предположим, что в одном виртуальном канале функционируют 3 речевых тракта. Это означает, что кадр Frame Relay, согласно стандарту FRF.11, будет иметь вид, представленный на рисунке 7.3.

Октеты	Биты
	8	7	6	5	4	3	2	1
1	Флаг
2	DLCI	CR	EA
3	DLCI	FECN	BECN	DE	EA
4	E1	L1	CID
5	Порядковый номер	Тип кодирования
6	Речевой кадр G.723.1 (5,3 кбит/с)
.
25
26	FCS
27
28	Флаг

Рисунок 7.3 Формат кадра Frame Relay, при организации 3 речевых подканалов

Из рисунка 7.3 видно, что общий размер кадра Frame Relay составляет 28 байтов. Из них 20 байтов 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 байтов, составляющих речевой кадр, должны быть переданы со скоростью 5,3 кбит/с, следовательно 28 байтов кадра Frame Relay 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 физического канала

7,4·3 = 22,2 кбит/с,

и это означает, что невозможно организовать три речевых тракта в канале 19,2 кбит/с. Возможна организация лишь два речевых трактов. В случае организации двух речевых трактов, необходимо 14,8 кбит/с пропускной способности канала связи [5].

Воспользуемся такой возможностью метода VoFR как мультиплексирование различных подканалов в единственном кадре Frame Relay и попробуем вложить в кадр Frame Relay три речевых подкадра различных пользователей. В этом случае, в соответствии со стандартом FRF.11, кадр Frame Relay, будет иметь формат, представленный на рисунке 7.4.

Из рисунка видно, что общий размер кадра Frame Relay составляет 73 байта. Из них 60 байтов полезная нагрузка. Исходя условия, что каждый речевой кадр должен быть передан со скоростью 5,3 кбит/с, скорость передачи кадра Frame Relay по каналу связи должна составить 19,3 кбит/с (20 байтов, составляющих речевой кадр, должны быть переданы со скоростью 5,3 кбит/с, следовательно 73 байта кадра Frame Relay должны быть переданы со скоростью 19,3 кбит/с, для своевременной доставки речевого кадра). Таким образом даже в случае мультиплексирования нескольких речевых кадров в пределах одного кадра Frame Relay нельзя организовать 3 речевых тракта в канале 19,2 кбит/с.

На основании полученных данных можно сделать вывод о том, что при использовании физического канала связи с пропускной способностью 19,2 кбит/с и алгоритма кодирования речи G.723.1 (ACELP 5,3 кбит/с) для передачи речи по сети Frame Relay можно организовать 2 речевых тракта.

7.3 Оценка количества речевых трактов, при организации речевой связи по физическому каналу 2048 кбит/с

При определении размера кадра Frame Relay будем исходить из того, что в одном кадре Frame Relay передается один речевой кадр. Дело в том, что мультиплексирование различных подканалов в пределах одного кадра Frame

Relay приводит к дополнительной задержке.

Количество речевых трактов для данного физического канала, по крайней мере, должно быть не более 386:

,

где 2048 скорость физического канала в кбит/с;

5,3 скорость алгоритма в кбит/с.

Рассмотрим виртуальный канал с максимальным числом речевых трактов (т.е. 255 речевых подканалов). Это означает, что номера 63 первых подканалов будут представлены 6 разрядным двоичным числом, поэтому заголовок подкадра будет составлять 1 байт, а номера последующих 192 подканалов будут представлены в виде 8 разрядного двоичного числа, т.е. заголовок подкадра будет иметь размер 2 байта. Кроме того, каждый речевой кадр должен быть снабжен фиксированным заголовком в 1 байт. Таким образом, размер 63 кадров Frame Relay составит 28 и размер 192 кадров 29 байтов [3].

Октеты	Биты
	8	7	6	5	4	3	2	1
1	Флаг
2	DLCI	CR	EA
3	DLCI	FECN	BECN	DE	EA
4	E1	L1	CID
5	Порядковый номер	Тип кодирования
6	Речевой кадр G.723.1 (5,3 кбит/с)
.
.
.
26
27	E1	L1	CID
28	Порядковый номер	Тип кодирования
29	Речевой кадр G.723.1 (5,3 кбит/с)
.
.
.
48
49	E1	L1	CID
50	Порядковый номер	Тип кодирования
51	Речевой кадр G.723.1 (5,3 кбит/с)
.
.
.
70
71	FCS
72
73	Флаг

Рисунок 7.4 Формат кадра Frame Relay с несколькими речевыми кадрами

Рассматривается час наибольшей нагрузки, когда все речевые тракты одновременно активны. Исходя из того условия, что каждый речевой кадр должен быть передан со скоростью 5,3 кбит/с, 63 кадра Frame Relay должны быть переданы со скоростью не менее 7,4 кбит/с, а 192 кадра со скоростью 7,7 кбит/с, для своевременной доставки речевых кадров. Исходя из этого условия можно определить полосу пропускания необходимую для организации 255 речевых трактов:

[63·7,4] + [192·7,7] = 1945 кбит/с.

Видно, что при использовании канала 2048 кбит/с остается еще 103 кбит/с пропускной способности, где можно организовать дополнительный виртуальный канал для нужд речевой связи.

Количество речевых подканалов по крайней мере не будет превышать 19:

.

Это означает, что номера подканалов могут быть представлены 6 разрядным двоичным числом, и, следовательно, размер кадра составит 28 байтов. Исходя из того, что каждый речевой кадр должен быть, передан со скоростью 5,3 кбит/с, кадр Frame Relay должен быть передан со скоростью не менее 7,4 кбит/с. Это означает, что в случае активности всех речевых трактов для данной пропускной способности их число составит 13.

Окончательно можно сделать вывод о том, что при использовании физического канала связи с пропускной способностью 2048 кбит/с и алгоритма кодирования речи G.723.1 (ACELP 5,3 кбит/с) для передачи речи по сети Frame Relay можно организовать 2 виртуальных канала с общим числом речевых трактов равным 268 [2].

7.4 Анализ задержки передачи речи по сети передачи данных Frame Relay

Основным показателем качества передачи речи является совокупная задержка передачи речевого сигнала, поэтому основное внимание следует обратить именно на этот показатель качества телефонной связи.

Условия анализа были приведены в предыдущем разделе, однако для удобства рассмотрения вводится такое условие, что в сети организован один виртуальный канал содержащий единственный речевой тракт. В этом случае размер кадра Frame Relay будет составлять 28 байтов и, следовательно, должен быть передан со скоростью 7,4 кбит/с.

Формат кадра Frame Relay представлен на рисунке 7.5.

Октеты	Биты
	8	7	6	5	4	3	2	1
1	Флаг
2	DLCI	CR	EA
3	DLCI	FECN	BECN	DE	EA
4	E1	L1	CID
5	Порядковый номер	Тип кодирования
6	Речевой кадр G.723.1 (5,3 кбит/с)
.
25
26	FCS
27
28	Флаг

Рисунок 7.5 Формат кадра Frame Relay для единственного речевого подканала

На рисунке 7.6 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:

,

где мс;

мс;

мс;

мс;

задержка, вносимая транзитным узлом.

Последовательная задержка рассчитывалась 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.114 рассчитывается из соотношения:



Рисунок 7.6 Схема распределения задержек в сети передачи данных Frame Relay

задержка распространения, мс = 0,004·протяженность канала связи, км. (7.1)

В таблице 7.1 представлены величины задержек, возникающих при передачи речи между абонентами некоторых узлов корпоративной сети передачи данных [4].

Таблица 7.1 Односторонняя задержка при передаче речевого сигнала по сети Frame Relay (от ТЛФ до ТЛФ)

	Алматы.	Астана	Павлодар
Алматы		153 мс	154 мс
Астана			187 мс
Павлодар

8. РАСЧЕТ ВОЗМОЖНОСТИ ПЕРЕДАЧИ РЕЧИ ПО СЕТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ IP

Как и в предыдущем случае, целью данного анализа является оценка возможного числа речевых трактов, которые можно организовать на основе физических каналов сети передачи данных пропускной способности 19,2 и 2048 кбит/с, а также расчет общей задержки, возникающей при передаче речи по сети передачи данных IP корпоративной сети передачи данных.

8.1 Наиболее вероятная схема организации речевой связи по сети передачи данных IP

Организация речевой связи по сети IP основана на использовании метода VoIP. Основными устройствами, обеспечивающими передачу речи, являются шлюз VoIP, 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.

Как правило, в сетях передачи данных используется оборудование не позволяющее в полной мере реализовать все требования стандарта VoIP IA 1.0, так как не все маршрутизаторы поддерживают протокол резервирования ресурсов RSVP, который рассматривался в этом стандарте как средство обеспечения гарантированного качества передачи речи.

Для кодирования речи будет использоваться вокодер ACELP, описанный в рекомендации ITU G.723.1. Выбор этого вокодера обусловлен самым выгодным соотношением качество речи/скорость потока.

На рисунке 8.1 приведена схема подключения телефонного оборудования к сети IP.

В качестве протокола канального уровня, при передачи информации между узлами сети, используется протокол Frame Relay. Для передачи информации, между соседними узлами сети выделяется виртуальный канал с максимально возможной согласованной скоростью передачи.

8.2 Оценка количества речевых трактов, при организации речевой связи по физическому каналу 19,2 кбит/с

Исходя из того, что размер речевого кадра составляет 20 байтов, формат пакета IP согласно стандарту VoIP IA 1.0 будет иметь вид представленный на рисунке 8.2

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 8.1 Схема организации телефонной связи по сети передачи данных IP

При передачи этот пакет упаковывается в кадр Frame Relay, который добавляет еще 6 байтов служебной информации (2 байта флаги, 2 байта FCS, 2 байта стандартный заголовок). Итого, полный размер кадра Frame Relay составит 74 байта.

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 19,6 кбит/с (20 байтов, составляющих речевой кадр, должны быть переданы со скоростью 5,3 кбит/с, следовательно 74 байта кадра Frame Relay должны быть переданы со скоростью 19,6 кбит/с, для своевременной доставки речевого кадра). Таким образом, канал пропускной способности 19,2 кбит/с нельзя использовать для передачи речи в соответствии со стандартом VoIP IA 1.0.

Октеты	Биты
	8	7	6	5	4	3	2	1
1	Заголовок IP
.
24
25	Заголовок UDP
.
32
33	Заголовок RTP
.
48
49	Речевой кадр G.723.1. (53 кбит/с)
.
68

Рисунок 8.2 Формат пакета IP

8.3 Оценка количества речевых трактов при организации речевой связи по физическому каналу 2048 кбит/с

Как и в предыдущем случае, рассуждения основаны на том, что между соседними узлами на базе физического канала 2048 кбит/с создан виртуальный канал с максимально возможной согласованной скоростью передачи.

В рамках этого канала передаются речевые пакеты IP от различных абонентов, одновременно ведущих телефонные переговоры. Требуется определить максимально возможное количество телефонных абонентов, которые будут иметь возможность одновременно использовать данный канал.

Размер пакета IP составляет 68 байтов, и таким образом размер кадра Frame Relay составит 74 байта (2 байта флаги, 2 байта FCS, 2 байта стандартный заголовок, 68 байтов пакет IP).

Необходимо вычислить, какое количество кадров Frame Relay можно передать по каналу 2048 кбит/с за 30 мс (это условие обосновывается тем, что речевой кадр размером 20 байтов любого из абонентов должен быть передан от узла к узлу со скоростью не менее 5,3 кбит/с). Количество речевых кадров, а значит и число возможных абонентов составит 104.

Таким образом, проведенный анализ показывает, что в физическом канале пропускной способности 2048 кбит/с можно организовать одновременную передачу речевой информации от 104 различных абонентов КСПД (имеющих различные адреса IP), что равносильно организации 104 отдельных речевых трактов.

8.4 Анализ задержки передачи речи по сети передачи данных IP

Для определенности условимся, что в сети осуществляется телефонные разговоры между 103 абонентами речевых терминалов двух различных узлов КСПД, соединенных каналом 2048 кбит/с. Локальная сеть функционирует согласно протоколу Ethernet, 10 Мбит/с.

Метод передачи информации, предусмотренный протоколом Ethernet, заключается в том, что перед посылкой данных станции "слушают" сеть, чтобы определить, используется ли она в данный момент. Если сеть используется, то желающая передавать станция ожидает. Передача информации осуществляется кадрами Ethernet, которые имеют формат, представленный в таблице 8.1.

Каждый речевой пакет пользователя упаковывается в кадр Ethernet и передается по локальной сети согласно приведенному выше правилу. Это означает, что пакет 113 - го абонента будет передан с задержкой 8 мс.

Таблица 8.1 Формат кадра Ethernet

Преамбула определяет начало кадра	4 октета
Адрес получателя	8 октетов
Адрес отправителя	8 октетов
Тип кадра инструкция сетевой маршрутизации	2 октета
Данные (N=46…1200)	N октетов
Циклическая проверочная последовательность	4 октета

Такое заключение сделано из следующих соображений: размер кадра Ethernet для каждого абонента будет иметь 26 байтов - служебная информация кадра Ethernet), а скорость передачи кадра по локальной сети составляет 10 Мбит/с. Значит, максимальная задержка передачи по локальной сети будет составлять:

10·[ 752 /10000000 ] = 0,008 с.

На данных (скоростных) направлениях применяются магистральные маршрутизаторы серии Cisco 7000, или, в недалеком будущем, Cisco 7200, которые отличаются высокой производительностью (например, у маршрутизатора Cisco 7200 скорость передачи по системной шине составляет 600 Мбит/с). Из этих соображений, вносимая ими задержка, при обработке пакетов IP на сетевом уровне, будет незначительная и учитываться не будет.

Из маршрутизатора речевой пакет IP передается на порт с функциями FRAD коммутатора Frame Relay серии Cascade STDX 6000, где формируется кадр Frame Relay для передачи информации между узлами сети. Информация между маршрутизатором и коммутатором передается со скоростью 2048 кбит/с (скорость физического интерфейса), и это означает, что последовательная задержка передачи пакета IP в худшем случае составит 27 мс (задержка передачи 103 пакетов IP размером 68 байт со скоростью 2048 кбит/с составит 27мс).

Размер кадра Frame Relay составит 74 байта (2 байта флаги, 2 байта FCS, 2 байта стандартный заголовок, 68 байтов - пакет IP). Таким образом, последовательная задержка передачи речевого пакета 103-го пользователя составит 30 мс.

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

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

На рисунке 8.3 представлена схема распределения задержек при передачи речи по сети IP КСПД.

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

,

где задержка, вносимая транзитным узлом;

(мс)

(мс)

(мс)

(мс)

(мс)

(мс)

Рисунок 8.3 Схема распределения задержек в сети IP

Использование низкоскоростных каналов для передачи речи по сети IP недопустимо, поэтому рассмотрим КСПД построенную на основе цифровых каналов 2048 кбит/с.

В таблице 8.2 представлены величины задержек, возникающих при передачи речи между абонентами некоторых узлов корпоративной сети.

Таблица 8.2 Односторонняя задержка передачи речевого сигнала по сети IP

	Алматы	Астана	Павлодар	Усть -Кам-ск
ЦУС	190 мс	193 мс	193 мс	200 мс
Алматы		193 мс	193 мс	200 мс
Павлодар				193 мс

Приведенные показатели задержек могут помочь оценить величину реальной задержки в полноценно работающей сети передачи данных IP.

9. РАСЧЕТ СРЕДНЕГО ВРЕМЕНИ ЗАПАЗДЫВАНИЯ ПРИ ПАКЕТНОЙ ПЕРЕДАЧЕ

Время запаздывания пакета речи (запаздывания в канале связи плюс время передачи) в непустой системе описывается формулой [1]:

,(9.1)

где коэффициент использования;

время передачи.

Время передачи (обслуживания) при обслуживании пакета является постоянной величиной и определяется:

,(9.2)

где длина информационной части пакета, бит;

служебные биты (преамбула и концевик) пакета, бит;

пропускная способность тракта между маршрутизаторами, бит/с.

Для рассматриваемой системы связи коэффициент использования как функция параметров канала связи записывается в виде:

,(9.3)

где время передачи;

скорость передачи данных от терминала, бит/с;

число абонентов, установивших связь с входным

маршрутизатором.

Подставляя в (9.1) соответствующие параметры из (9.2) и (9.3), получим:

.(9.4)

Пологая и считая, что используется ненулевой заголовок, так что , получим:

,(9.5)

.

Значения одинаковы для всех абонентов

9.1 Расчет общей задержки

Результирующая задержка складывается из задержки в очереди (время ожидания плюс время обслуживания), задержки пакетизации и алгометрической задержки кодерах речи.

Поскольку дисперсия задержек определяет вероятности появления пропусков в потоке отсчетов при восстановлении сигнала, особый интерес представляет анализ характеристик распределения задержек пакетов при передаче.

Распределения, имеющие значимые длинные «хвосты», являются неприемлемыми, поскольку в этом случае могут потребоваться большие затраты на управление сетью в моменты кратковременных перегрузок с целью получить заданное качество передачи. Действительно, пакетная передача речи чувствительна к появлению длинных «хвостов» распределения задержки, поскольку в этом случае увеличивается вероятность сброса пакета. Если сеть спроектирована неудачно (например, имеется много узлов маршрутизаторов и, следовательно, линий, связывающих их) и загрузка канала близка к пределу, то возможно увеличение задержки при передачи пакета до нескольких секунд, что неприемлемо.

С учетом вышеизложенного определим общую задержку при пакетной передаче следующим образом:

.(9.6)

Численные значения типовой алгометрической задержки в низкоскоростных кодерах, характеризующихся скоростью , представлены в таблице 9.1

Таблица 9.1

, кбит/с	5.6	8	16	24	32
, мс	35	15	5	2	0

Выполнив некоторые преобразования, найдем оптимальную длину пакета:

,(9.7)

Где

.(9.8)

Подставив найденное значение оптимальной длины пакета в (9.6), найдем оптимальное время запаздывания:

(9.9)

Данные формулы рассчитываем с помощью программы.

9.2 Программа расчета среднего времени запаздывания и общей задержки

program Err_NET;

uses

Forms,

Unit1 in 'Unit1.pas' {Form1};

{$R *.RES}

begin

Application.Initialize;

Application.CreateForm(TForm1, Form1);

Application.Run;

end.

1.1.1.1 9.2.1 Модуль расчета среднего времени запаздывания и общей

1.1.1.2 задержки

unit Unit1;

interface

uses

Windows, Messages, SysUtils, Classes, Graphics, Controls, Forms, Dialogs,

StdCtrls;

type

TForm1 = class(TForm)

Label3: TLabel;

Edit3: TEdit;

Label5: TLabel;

Edit5: TEdit;

Label6: TLabel;

Edit6: TEdit;

Label7: TLabel;

Edit7: TEdit;

Label8: TLabel;

Edit8: TEdit;

Button1: TButton;

Label4: TLabel;

Edit4: TEdit;

procedure Button1Click(Sender: TObject);

private

{ Private declarations }

public

{ Public declarations }

end;

var

Form1: TForm1;

implementation

{$R *.DFM}

procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);

Var

Delta,N,Po,Mz1,Mz2,Sigma:real;

begin

Delta:=StrToFloat(Edit3.Text);

N:=StrToFloat(Edit5.Text);

Po:=StrToFloat(Edit6.Text);

Mz1:=StrToFloat(Edit7.Text);

Mz2:=StrToFloat(Edit8.Text);

Sigma:=delta*delta*((n*n-1)*Po/3-(n*n-1)*Po*Po/3+(n-1)*(n-1)*Po*Po+4*Mz2*Po*Po-4*(n-1)*Mz1*Po*Po);

Edit4.Text:=FloatToStr(Sigma);

end;

end.

Результат программы: m(T) = 0.1 c;

m(T)= 0.061 c.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 10.1 Алгоритм работы программы

10. Расчет пропускной способности канала в сети IP

Для расчета пропускной способности канала в сети IP сначала определим общий объем передаваемой информации между локальными сетями в течении одного рабочего дня. Для этого предположим, что в сети предприятия работают несколько категорий пользователей:

пользователи, использующие компьютерную сеть для передачи документов с помощью электронной почты;

пользователи, производящие загрузку программ с удаленных файловых серверов;

пользователи, регулярно работающие с удаленными базами данных;

пользователи, пользующиеся услугами голосовой связи и телеконференций для проведения рабочих совещаний и переговоров, т.е. передающие данные мультимедиа.

Информация об объеме передаваемых данных пользователем каждой категории взята на основе статистических исследований.

Для расчета общего объема передаваемых данных пользователями ЛВС воспользуемся формулой:

,(10.1)

где Q_i - объем передаваемых данных (в байтах) одним пользователем i-той категории;

N_i - число пользователей i-той категории в одной локальной сети.

Общее число пользователей распределенной сетей составляет 150 человек. Количество пользователей каждой категории приведено в таблице 10.1, причем один и тот же пользователь может одновременно принадлежать к разным категориям, т.е., например, он может пользоваться услугами электронной почты и информацией из удаленных баз данных одновременно.

Таблица 10.1 - Число пользователей каждой категории

Категория пользователей	Количество пользователей
Пересылка документов по электронной почте	150
Загрузка ПО с удаленного файл-сервера	70
Работа с удаленными БД	100
Передача данных мультимедиа	25

Цифры приведенные в таблице 10.1 взяты на основании статистических наблюдений за работой больших сетей на протяжении нескольких лет. Данные наблюдения показали, следующее:

услугами электронной почты пользуются как правило 98100% пользователей;

загрузкой ПО с удаленных серверов заняты 4550% пользователей сети;

работой с информационными базами и банками данных заняты 6070% пользователей;

передачей мультимедийных данных (услуги видеоконференций, телефония по компьютерной сети и т.п.) пользуются 1020% пользователей, причем с каждым годом число пользователей данной категории значительно увеличивается.

Рассчитаем объем передаваемых данных мультимедиа одним пользователем. Для этого воспользуемся формулой:

, (10.2)

где q - скорость передачи данным мультимедиа, бит/с;

t - время передачи, часов.

Числено объем передаваемых данных мультимедиа одним пользователем равен:

байт.

Общий объем информации, передаваемый конечными пользователями составляет:

=776700000 байт.

Для расчета объема передаваемой серверами информации по распределенной сети предположим, что в каждую ЛВС включен один файл-сервер и один сервер базы данных. Следовательно, на все распределенную сеть предприятия приходится 4 служебных сервера. Для расчетов примем, так же, что каждый сервер в течении астрономических суток передает информацию объемом 1 Гбайт, причем 75 % всей информации передается в течении рабочего дня и лишь 25 % в ночное время, когда происходит обновление данных на всех серверах без участия пользователей.

Для расчета количества передаваемой серверами информации используем формулу:

,(10.3)

где Q_i - объем передаваемой информации одним сервером;

N - число одновременно работающих серверов;

K - доля от общего объема передаваемой серверами информации, приходящейся на рабочий день.

Числено объем передаваемой серверами информации равен:

байт.

Для расчета пропускной способности маршрутизатора IP необходимо учитывать, что он работает в дуплексном режиме, т.е. одновременно может передавать и принимать данные.

Общий объем данных, обрабатываемых маршрутизатором IP определим по формуле:

, (10.4)

где Q_п - объем передаваемых пользователями данных;

Q_с - объем передаваемых серверами данных.

Числено общий объем данных, обрабатываемых маршрутизатором IP равен:

байт.

Для дальнейших расчетов необходимо знать число передаваемых кадров в течении рабочего дня. Технология IP использует кадры длиной 74 байта, из которых 68 байт являются информационными и 6 байт адресной информацией.

Необходимое число кадров IP для передачи полезной информации рассчитаем по формуле:

, (10.5)

где Q - объем передаваемой информации;

68 - длина информационной (полезной) части одного кадра Frame Relay;

[ ] - обозначают целую часть.

Числено число кадров передаваемых кадров равно:

кадров/день.

Для расчета необходимой пропускной способности канала связи через сеть IP воспользуемся математическим аппаратом теории массового обслуживания. Исходными данными для расчета будут служить найденное выше число передаваемых кадров и длина информационной части одного кадра, которая является стандартной величиной.

Для использования теории массового обслуживания необходимо знать соотношение между скоростью поступления кадров и скоростью обслуживания.

Скорость поступления кадров можно определить исходя из интенсивности трафика, т.е. от количества передаваемых кадров по формуле:

,(10.6)

где N_кадров - количество передаваемых кадров в течении рабочего дня;

T - продолжительность рабочего дня.

Для определения скорости поступления кадров учитываем следующие обстоятельства:

обе ЛВС, между которыми происходит обмен данными, находятся в одном часовом поясе;

продолжительность рабочего дня составляет 8 часов.

При данных условиях скорость поступления кадров равна:

кадра/с.

Для передачи информации по магистральной сети к информационным пакетам добавляется адресная информация, следовательно общая длина кадра, передаваемого по магистральному каналу, рассчитывается по формуле:

, (10.7)

где L_инф - длина информационной части кадра;

L_адр - длина адресной части кадра.

Для технологии Frame Relay длина информационной части L_инф =68 байт и длина адресной части L_адр =6 байт, следовательно, общая длина кадра равна:

байта.

Для расчета скорости обслуживания зададимся некоторой фиксированной скоростью работы магистрального канала. Время обслуживания одного кадра определяется по формуле:

,(10.8)

где L_кадра - длина передаваемого кадра;

V_канала - скорость обмена информации в магистральном канале.

Время передачи кадра отождествляется с временем обслуживания. Скорость обслуживания является обратной величиной ко времени обслуживания и определяется по формуле:

(10.9)

В результате расчета скорости обслуживания возможны две ситуации:

скорость обслуживания кадров оказывается больше, чем скорость поступления кадров;

скорость обслуживания кадров оказывается меньше, чем скорость поступления кадров. В данном случае возникают очередь и задержки. Теория массового обслуживания позволяет оценить время задержки исходя из скорости работы линии связи.

Расчет времени и скорости обслуживания производится с помощью электронной таблицы Microsoft Excel. В таблицу 10.2 сведены результаты расчета для скорости работы магистрального канала от 1240 Кбит/с до 4 Мбит/с с шагом изменения скорости 64 Кбит/с.

Таблица 10.2 - Результаты расчета скорости обслуживания в магистральном канале

	Скорость передачи информации в канале, Кбит/с
	1240	2480	4192
tобс.кад., с	0,000477	0,000238	0,000141
Vобслуж., кадров/с	2094	4202	7067

Теперь рассчитаем степень использования канала связи в сети IP. Для этого воспользуемся формулой:

, (10.10)

где V - скорость поступления кадров;

V_{обслуж.} - скорость обслуживания кадров.

Зная степень использования магистрального канала можно рассчитать вероятность отсутствия кадров в магистральном канале по формуле:

, (10.11)

где P - степень использования магистрального канала.

Расчет степени использования и вероятности отсутствия кадров в канале производится с помощью электронной таблицы Microsoft Excel для различ...