Проектирование сети провайдера IP-услуг

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Учреждение образования

“ВЫСШИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОЛЛЕДЖ СВЯЗИ”

ФАКУЛЬТЕТ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ

КАФЕДРА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СЕТЕЙ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

Пояснительная записка к курсовому проекту

по дисциплине: «Системы коммутации»

Проектирование сети провайдера IP-услуг

Минск 2014



ВВЕДЕНИЕ

Задача республиканского унитарного предприятия по оказанию услуг связи - обеспечение долгосрочной конкурентоспособности и повышение экономической эффективности компании путем своевременного и полного удовлетворения спроса на современные и доступные услуги электросвязи. Чтобы достичь задачи необходимо расширять присутствие компании на рынке электросвязи за счет внедрения новых услуг, предлагать удобные для потребителей тарифные планы, применять эффективные рыночные стратегии непрерывно развивать производственную базу компании путем применения инновационных технологий и совершенствования бизнес- процессов. В значительной степени этому способствует появление новых услуг электросвязи, среди которых лидирующее место занимает стационарный широкополосный доступ. Кроме того с каждым днём увеличивается спрос на такие услуги, как IPTV и VoIP.

Основными услугами, оказываемыми операторами электросвязи, являются широкополосный доступ в сеть Интернет и IPTV. Операторы электросвязи Республики Беларусь предлагают все эти услуги в одном пакете (Triple Play). В 2008 году на сетях передачи данных введено в эксплуатацию оборудование для предоставления услуг телевидения по IP-протоколу (IPTV) - это услуга, позволяющая пользователю получать определенный набор мультимедийного контента посредствам сети передачи данных. Сегодня данная технология является прямым конкурентом кабельному, эфирному и спутниковому телевидению. Однако в отличие от традиционной модели вещания, когда один и тот же контент доставляется всем абонентам, причем трансляция идет независимо от того, смотрит ее кто-нибудь или нет, контент в рамках модели IP-TV доставляется конкретному пользователю или группе пользователей строго по их запросу. Общее количество абонентов и пользователей, имеющих доступ в сеть Интернет с использованием технологий стационарного широкополосного доступа на начало 2014 года составило 2,67 млн.[1]

Согласно данных государственной статистической отчетности по итогам 2013 года общее количество абонентов услуг IP-телевидения составило более 1,0 млн. по всей республике. В то же время, по всему миру насчитывается 690,1 млн. подключений широкополосного доступа в Интернет. Реализация данных технологий стала возможна благодаря использованию IP-сетей. Если сравнить с 2008 годом, то количество абонентов в нашей стране выросло в 100 раз(на то время это число было около 20 тысяч).

Число абонентов IPTV ZALA на 25 сентября 2014 составляет 994 тыс. [2]

Число подключений IPTV в мире в первом квартале 2014 года составило 100,9 млн, в Китае-32,7 млн., во Франции 14,8млн., в США-12,3 млн., в Южной Корее-9,1 млн., В России, Германии и Великобритании - 3,6 млн., 2,7 млн., 1,9 млн. соответственно [3].

ByFly предлагает доступ в сеть по проводным (ADSL, xPON) и беспроводным (Wi-Fi, WiMAX и 3G) технологиям, которые обеспечивают высокую скорость передачи данных, а также работу с большим объемом информации и бесперебойный просмотр цифрового видео. На сегодняшний день количество абонентов, подключённых по технологии GPON, превышает 150 тыс. [1]

С 2010 года в республике изменены подходы к развитию связи. Основным направлением развития является внедрение программно-аппаратной платформы IMS (IP Multimedia Subsystem) - стандартной архитектуры сетей для оказания всех видов телекоммуникационных услуг, которая позволит национальному оператору при подключении своих клиентов к сети передачи данных предоставлять им весь спектр телекоммуникационных услуг, включая телефонную связь. IMS-платформа введена в коммерческую эксплуатацию и с июля 2011 года начато подключение абонентов к сети электросвязи с ее использованием. Число таких абонентов в настоящее время более 514,5 тысяч. При задействовании емкости платформы абоненту предоставляется возможность подключения максимального количества услуг.

Таким образом, тема курсового проекта актуальна, т.к. во всём мире, в том числе и в РБ, наблюдается постоянное повышение спроса на так называемый «тяжёлый» мультимедийный трафик, для предоставления которого оптимально использование IP-сетей.



1. IP-СЕТИ. АРХИТЕКТУРА И УСЛУГИ

1.1 Принцип построения IP-сетей

Сети на базе IP обеспечивают поставщикам телекоммуникационных услуг два основных преимущества. Во-первых, они снижают эксплуатационные затраты путем сокращения числа сетей и сервисов. Во-вторых, гибкость IP-сетей позволяет операторам предоставлять любые виды услуг связи. Поскольку по IP-сетям можно передавать любую информацию, будь то голос, видео или данные, эти услуги можно легко объединять, причем намного эффективнее и экономичнее, чем с помощью традиционных технологий. В итоге операторы используют IP-сети как инструмент для освоения новых рынков: операторы кабельного телевидения начинают предлагать услуги телефонной связи и передачи данных, а телефонные компании (как стационарной, так и мобильной связи) начинают предлагать услуги передачи данных и видео. На сегодняшний день IP-технологии постепенно вытесняют услуги традиционной связи и занимают ведущее место на рынке телекоммуникационных услуг, так как позволяют потребителю пользоваться самым широким спектром услуг, будь то общение, развлечения и игры, деловые приложения или информационные услуги с любыми возможными комбинациями голоса, видео, графики, Web ресурсов.

В настоящее время большинство сетей строятся на основе IP-протокола, основными функциями которого являются:

маршрутизация IP-пакетов;

фрагментация IP-пакетов.

К основным услугам, предоставляемым IP-сетями, можно отнести широкополосный доступ, IP-телефонию, а так же IP-телевидение.

Обобщенная структурная схема IP-сети представлена в приложении А данного курсового проекта.

1.2 Особенности технологий VoIP и IPTV

Под IP-телефонией подразумевается голосовая связь, которая осуществляется по сетям передачи данных, в частности по IP-сетям (IP -- InternetProtocol). На сегодняшний день IP-телефония все больше вытесняет традиционные телефонные сети за счет легкости развертывания, низкой стоимости звонка, простоты конфигурирования, высокого качества связи и сравнительной безопасности соединения.

Согласно H.323 четырьмя основными компонентами VoIP-соединения являются:

терминал;

шлюз;

контроллер зоны;

контроллер управления многоточечной конференции (MCU -- MultipointControlUnit).

Рисунок 1 - Пример структурной схемы сети в IP-телефонии

Все существующие сегодня типы речевых кодеков, применяемых в ip-телефонии, по принципу действия можно разделить на три группы:

1) Кодеки с импульсно кодовой модуляцией (ИКМ) и адаптивной дифференциальной импульсно кодовой модуляцией (АДИКМ), появившиеся в конце 50-х годов и использующиеся сегодня в системах традиционной телефонии. В большинстве случаев, представляют собой сочетание АЦП/ЦАП.

2) Кодеки с вокодерным преобразованием речевого сигнала возникли в системах мобильной связи для снижения требований к пропускной способности радио тракта. Эта группа кодеков использует гармонический синтез сигнала на основании информации о его вокальных составляющих - фонемах. В большинстве случаев, такие кодеки реализованы как аналоговые устройства.

3)Комбинированные (гибридные) кодеки сочетают в себе технологию вокодерного преобразования/синтеза речи, но оперируют уже с цифровым сигналом посредством специализированных DSP. Кодеки этого типа содержат в себе ИКМ или АДИКМ кодек и реализованный цифровым способом вокодер.

G.711.Рекомендация, утверждённая МККТТ в 1984 г., описывает кодек, использующий ИКМ преобразование аналогового сигнала с точностью 8 бит, тактовой частотой 8 кГц и простейшей компрессией амплитуды сигнала. Скорость потока данных на выходе преобразователя составляет 64 Кбит/с. Для снижения шума квантования и улучшения преобразования сигналов с небольшой амплитудой, при кодировании используется нелинейное квантование по уровню согласно специальному псевдо - логарифмическому закону.[4]

Первые ИКМ кодеки с нелинейным квантованием появились уже в 60-х гг. Кодек G.711 широко распространён в системах традиционной телефонии с коммутацией каналов. Несмотря на то, что рекомендация G.711 в стандарте Н.323 является основной и первичной, в шлюзах IP-телефонии данный кодек применяется редко из-за высоких требований к полосе пропускания и задержкам в канале передачи. Использование G.711 в системах IP-телефонии обосновано лишь в тех случаях, когда требуется обеспечить максимальное качество кодирования речевой информации при небольшом числе одновременных разговоров.

Рекомендация G.723.1 описывает гибридные кодеки, использующие технологию кодирования речевой информации, сокращённо называемую - MP-MLQ (Multy-Pulse - MultyLevelQuantization - множественная импульсная многоуровневая квантизация), данные кодеки можно охарактеризовать, как комбинацию АЦП/ЦАП и вокодера. Как уже упоминалось выше, своим возникновением гибридные кодеки обязаны системам мобильной связи. Применение вокодера позволяет снизить скорость передачи данных в канале, что принципиально важно для эффективного использования как радиотракта, так и IP-канала. Основной принцип работы вокодера - синтез исходного речевого сигнала посредством адаптивной замены его гармонических составляющих соответствующим набором частотных фонем и согласованными шумовыми коэффициентами. Кодек G.723 осуществляет преобразование аналогового сигнала в поток данных со скоростью 64 Кбит/с (ИКМ), а затем при помощи многополосного цифрового фильтра/вокодера выделяет частотные фонемы, анализирует их и передаёт по IP-каналу информацию только о текущем состоянии фонем в речевом сигнале. Данный алгоритм преобразования позволяет снизить скорость кодированной информации до 5,3 - 6,3 Кбит/сбез видимого ухудшения качества речи. Кодек имеет две скорости и два варианта кодирования: 6,3 Кбит/с с алгоритмом MP-MLQ и 5,3 Кбит/с с алгоритмом CELP. Первый вариант предназначен для сетей с пакетной передачей голоса и обеспечивает лучшее качество кодирования по сравнению с вариантом CELP, но менее адаптирован к использованию в сетях со смешанным типом трафика (голос/данные). [5]

Процесс преобразования требует от DSP 16,4 - 16,7 MIPS (MillionInstructionsPerSecond) и вносит задержку 37 мс. Кодек G.723.1 широко применяется в голосовых шлюзах и прочих устройствах IP-телефонии. Кодек уступает по качеству кодирования речи кодеку G.729а, но менее требователен к ресурсам процессора и пропускной способности канала.

G.729 Семейство включает кодеки G.729, G.729 Annex А, G.729 Annex B (содержит VAD и генератор комфортного шума). Кодеки G.729 сокращенно называют CS-ACELP ConjugateStructure - AlgebraicCodeExcitedLinearPrediction - сопряжённая структура с управляемым алгебраическим кодом линейным предсказанием. Процесс преобразования использует 21,5 MIPS и вносит задержку 15 мс. Скорость кодированного речевого сигнала составляет 8 Кбит/с. В устройствах VoIP данный кодек занимает лидирующее положение, обеспечивая наилучшее качество кодирования речевой информации при достаточно высокой компрессии.

Рекомендация G.726 описывает технологию кодирования с использованием адаптивной дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (АДИКМ) со скоростями: 32 кбит/с, 24 кбит/с, 16 кбит/с. Процесс преобразования не вносит существенной задержки и требует от DSP 5,5-6,4 MIPS. Кодек может применяться совместно с кодеком G.711 для снижения скорости кодирования последнего. Кодек предназначен для использования в системах видеоконференций. Гибридный кодек, описанный в рекомендации G.728 в 1992 г, относится к категории LD-CELP - LowDelay - CodeExcitedLinearPrediction. Кодек с управляемым кодом линейным предсказанием и малой задержкой. Кодек обеспечивает скорость преобразования 16 Кбит/с, вносит задержку при кодировании от 3 до 5 мс и предназначен для использования в системах видеоконференций. В устройствах IP-телефонии данный кодек применяется достаточно редко. [6] В таблице 1 представлены характеристики кодеков.

Таблица 1- Характеристики кодеков

Кодек	Тип кодека	Скорость кодирования	Задержка при кодировании
G.711	ИКМ	64 Кбит/с	0,75 мс
G.726	АДИКМ	32 Кбит/с	1 мс
G.728	LD - CELP	16 Кбит/с	От 3 до 5 мс
G.729	CS - ACELP	8 Кбит/с8 Кбит/с	10 мс
G.726 a	CS - ACELP		10 мс
G.723.1	MP - MLQ	6,3 Кбит/с	30 мс
G.723.1	ACELP	5,3 Кбит/с	30 мс

IPTV (англ. InternetProtocolTelevision)--технология цифровоготелевидения в сетях передачиданных по протоколу IP, новое поколение телевидения.[7]

Основные компоненты архитектуры IPTV-сети включают:

1) Центральная головная станция (SHE). Передачи в прямом эфире и кодирование в реальном времени видео передач, идущих из узла SHE, как это делают системы распределения ресурсов в услугах по запросу. Узел SHE также может включать такие внутренние системы, как, например, база данных абонентов. У операторов видео обычно есть один или два узла SHE, которые находятся в ядре транспортной сети.

2) Узлы концентрации видео (VHO). VHO зачастую содержат кодировщики реального времени для местных телевещательных станций и серверов «видео по запросу» (VoD), а также маршрутизаторы сети, которые соединяют распределенную сеть с ядром сети. Многие VHO содержат серверы контента для услуг «видео по запросу». Многие операторы поддерживают несколько десятков региональных VHO, преимущественно в зонах больших городов. Эти VHO обычно обслуживают от 100 000 до 500000 домов.

3) Узлы связи и узлы коммутации видео (VSO). Агрегирующие маршрутизаторы центральной головной станции SHE и узлы VSO, объединяющие трафик от домов абонентов. Для провайдеров DSL центральный узел обычно обрабатывает трафик от мультиплексоров доступа местных цифровых линий абонентов (DSLAM).



Рисунок 2 - Базовая архитектура IP-видеосети

Для сжатия входной видеоинформации и ее последующего восстановления используются различные типы кодеков.

Основные методы компрессии, применяемые в настоящее время, можно разделить на две группы. Первую группу составляют методы, использующие внутрикадровое сжатие (каждый кадр обрабатывается отдельно). Это JPEG (Motion JPEG), Wavelet и JPEG-2000. Во вторую группу входят методы, использующие межкадровое или поточное сжатие: MPEG-1, H.261/H.263, MPEG-2, MPEG-4. Существуют разновидности Wavelet, в которых применяется межкадровое сжатие (так называемая дельта-компрессия). Основные характеристики различных методов приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Требования к пропускной способности (видео со сжатием)

Видеоформат	Ориентировочная пропускная способность, Мбит/с	Поддерживаемое разрешение
Motion JPEG	5-16	QCIF, CIF, 4CIF
Н.261	0,03-1,92	QCIF, GIF
Н.263	0,03-4	QCIF, CIF, 4CIF, 16CIF
MPEG-4	0,1-100	QCIF, CIF, 4CIF, 16CIF
MPEG-1	0,4-2	QCIF, CIF
MPEG-2	0,3-100	QCIF, CIF, 4CIF, 16CIF
JPEG-2000	1,5-5	QCIF, CIF, 4CIF, 16CIF

При использовании MPEG-2 как наиболее распространенного формата цифрового сжатия видеоданных, каждый телевизионный канал занимает в IP-сети от 3,5 до 6 Мбит/с. Сеть оператора загружается телевизионным каналом только в том случае, если имеется подписчик на этот канал, который выбрал его для просмотра, то есть запросил его просмотр в данный момент. Передача выбранного абонентом IP-сети телевизионного канала реализуется на базе технологии IP-multicast или для случая просмотра видео по заказу на базе IP-unicast.

Стандарт MPEG-4 был существенно доработан по сравнению с MPEG-2 по нескольким направлениям: добавлены новые схемы разбиения исходной видеокартинки на исходные блоки для ДКП, расширена схема поиска векторов движения и усложнены алгоритмы компенсации движения. Этим было достигнуто существенное улучшение качества видеокартинки при потоковой видеотрансляции. Но практически никакого улучшения не произошло для режима покадровой записи. В MPEG-4 остались все недостатки ДКП и его непригодность для документальной покадровой видеозаписи. [3]

У всех методов компрессии есть свои достоинства и недостатки.

MPEG-подобные, оптимизированные по скорости алгоритмы компрессии Н.261 и Н.263 (с модификациями Н.261+, Н.263+) разрабатывались в расчете на видеоконференции и видеотелефонию по сетям ISDN, то есть на приложения с практическим отсутствием динамических сцен. По мнению большинства экспертов, формируемые ими изображения (при высокой динамике) имеют блочную структуру, являются нечеткими и "дергаными". По степени компрессии они занимают промежуточное положение между Wavelet и MPEG и встречаются в цифровых системах видеозаписи довольно редко.

MPEG-1 обеспечивает качество, приблизительно эквивалентное VHS, и может использоваться в случае, если пропускная способность канала ограничена 2 Мбит/с. В то же время качество передачи динамичных сцен, характерных для системы видеонадзора за движением транспорта, довольно невысокое.

MPEG-2 разрабатывался в расчете на пропускную способность канала передачи 0,3-100 Мбит/с с ориентацией на телевидение высокой четкости (HDTV). При коэффициентах сжатия до 30:1 он обеспечивает качество, приблизительно эквивалентное DVD, с хорошим воспроизведением динамичных сцен. В то же время при больших коэффициентах сжатия (до 200:1) начинают проявляться эффекты мозаики, искажения (типа ступеньки и т.д.). Гибкость алгоритма позволяет использовать его в различных сферах: от съемки и монтажа видеопродукции до последующего ее цифрового распространения (DVD) и передачи (DVB ?DigitalVideoBroadcasting). Очевидное различие этих задач приводит к разнообразию возможных схем кодирования. Сильная сторона MPEG-2 - жестко определенная международным стандартом процедура декодирования. Это означает, что несмотря на возможные различия использованных схем компрессии, любой MPEG-2поток будет успешно воспроизведен стандартным MPEG-2декодером. Таким образом, гарантируется совместимость оборудования различных поставщиков.

MPEG-3 разрабатывался как стандарт кодирования аудио и видео для телевидения высокой четкости (High-definitiontelevision), имеющего скорость передачи данных в диапазоне от 20 до 40 Mбит/с. MPEG-3 начал разрабатываться приблизительно в то же время, что и MPEG-2. Однако вскоре выяснилось, что те же задачи может выполнять немного модифицированная версия стандарта MPEG-2. Вскоре после этого работа по стандарту MPEG-3 была прекращена.

MPEG-4 является стандартом, ориентированным на клиент-серверные системы доставки интерактивного мультимедиа по сети. Аудиовизуальные сцены в нем рассматриваются как объекты, которые мультиплексируются в единый поток наряду с дополнительным описанием сцен. Это дает возможность конечному пользователю при воспроизведении самому управлять процессом презентации. В некоторых отношениях (в частности, по качеству видео) он является шагом назад по сравнению с MPEG-2, однако при том же bitrate, что и Н.261, он обеспечивает существенно (на 30-40%) более высокое качество. Для разрешения 4CIF (Full) средний информационный поток составляет около 1 Мбит/с (лучше, чем у MPEG-2 и Wavelet).

Общий недостаток методов компрессии семейства MPEG заключается в том, что они практически перестают работать при мультиплексировании видеосигналов, когда могут возникать задержки между отдельными видеокадрами до 100-200 мс и более, а при интервале между кадрами более 475 мс появляется противоречие со стандартом MPEG-2 System, которое может привести к невозможности воспроизведения записей некоторыми декодерами. Второй существенный недостаток методов компрессии семейства MPEG - синтетичность "не опорных" видеокадров, что делает их абсолютно непригодными для систем, где требуется последующий криминалистический анализ видеорядов.

JPEG2000 предполагает увеличение коэффициента сжатия по сравнению с JPEG на 30%. Этот метод сжатия использует вейвлет-преобразование, благодаря чему характерные для JPEG блочные искажения исчезают, а коэффициент сжатия может достигать 200 (хотя при больших коэффициентах сжатия появляются артефакты, создаваемые вейвлет-преобразованием).

1.3 Требования различных типов приложений к качеству обслуживания в IP- сети

Качество обслуживания (QoS) исключительно важно при оценивании архитектуры IPTV, так как передача видео по IP очень чувствительна к потере пакетов. И хотя потеря одного или нескольких последовательных пакетов незначительно скажется на восприятии зрителем ТВ, если потеря длится более секунды, это заметно снизит качество изображения. ТВ-приставки имеют ограниченную функциональность для борьбы с потерями видеокадров. Многие из ТВ-приставок (STB), например, позволяют избежать видимых артефактов из-за перерыва в сети с помощью схем прямого исправления ошибок, которые скрывают отсутствующую информацию, или путем повторной передачи недостающей информации. Оба этих метода технически достаточно сложны.

Джиттер также является важным параметром, который следует учитывать, поскольку у ТВ-приставок (STB) ограничена емкость для компенсации джиттера (обычно порядка 150 мс). И хотя абсолютная задержка не столь важна при передаче видео (если она постоянна во времени), помощь в обеспечении контроля задержек от начала до конца является основным атрибутом для проекта передачи видео через IP-сеть. Наконец, также важно учесть совместное существование видео с передачей речи через IP (VoIP) и другого трафика реального времени. При передаче по одной и той же сети нескольких услуг появляются различные требования к организации очередности. Надежное планирование и механизмы исключения перегрузок, а также настраиваемые размеры очереди должны стать частью сетевого решения.

В сетях на основе IP высокое качество обслуживания трафика, чувствительного к задержкам передачи не обеспечивается по умолчанию. При использовании протокола TCP имеется гарантия достоверной доставки информации, но ее перенос может осуществляться с непредсказуемыми задержками. Для UDP характерна минимизация задержек, но гарантия верной доставки пакета отсутствует.

В то же время добротность речевого трафика сильно зависит от качества передачи, и в сети, где не реализованы механизмы, гарантирующие соответственное качество, реализация IP-телефонии может быть не удовлетворяющей требованиям пользователей.

Основными показателями качества обслуживания являются пропускная способность сети и задержка передачи. Задержка при этом определяется как промежуток времени, прошедший с момента отправки пакета, до момента его приема.

Также существуют такие характеристики, как готовность сети и ее надежность (оцениваются по результатам контроля уровня обслуживания в течение длительного времени, либо по коэффициенту использования).

Для улучшения качества связи используются следующие механизмы:

Перемаршрутизация. При перегрузке одного из каналов связи позволяет осуществить доставку при помощи резервных маршрутов.

Резервирование ресурсов канала связи на время соединения.

Приоретизация трафика. Дает возможность помечать пакеты в соответствии с уровнем их важности и производить обслуживание на основе меток.

Как было сказано ранее, голосовой трафик чрезвычайно чувствителен к задержкам передачи. Максимальное время задержки не должно превышать 400 мс (сюда включается и продолжительность обработки информации на конечных станциях). Различают два основных типа задержек:

Задержка при кодировании информации в голосовых шлюзах или терминальном оборудовании. Уменьшается путем улучшения алгоритмов обработки и преобразования голоса.

Задержка, вносимая сетью передачи. Уменьшается путем улучшения сетевой инфраструктуры, в частности, сокращением количества маршрутизаторов и использованием высокоскоростных каналов.

Рисунок 3 - Источники задержки в IP-телефонии.

Таблица 3 - Нормы для характеристик сетей IP с распределением по классам качества обслуживания

Сетевые характеристики	Классы QoS
	0	1	2	3	4	5
Задержка доставки пакета IP, IPTD	100мс	400 мс	100 мс	400 мс	1 с	Н
Вариация задержки пакета IP, IPDV	50 мс	50 мс	Н	Н	Н	Н
Коэффициент потери пакетов IP, IPLR	1х10-3	1х10-3	1х10-3	1х10-3	1х10-3	Н
Коэффициент ошибок пакетов IP, IPER	1х10-4	1х10-4	1х10-4	1х10-4	1х10-4	Н

Качество восприятия (англ. QualityofExperience, QoE),также известно как восприятие приложения конечным пользователем, является субъективной оценкой восприятия клиентом таких сервисов, как:

веб-серфинг;

телефонные звонки;

телевизионное вещание;

обращения в Call-центр.

Системы контроля QoE стремятся измерить показатели, которые клиент воспринимает непосредственно как параметр качества (например: выбор времени показа для новой программы при смене ТВ-канала). Эта система рассматривает предложение продавца/поставщика с точки зрения заказчика или конечного пользователя.

Понятие QoE связано c качеством обслуживания (англ. QualityofService, QoS), но это не тождественные термины. Главное их отличие в том, что QoS стремится объективно измерить качество сервисов, предоставляемые поставщиком. Измерения QoS в большинстве случаев связаны не с клиентом, а с медиа (клиент никогда не скажет вам: дрожание изображения слишком сильное). QoS тесно связано с преимуществами и недостатками контракта. Оно измеряет то, насколько поставщик обеспечивает надлежащее качество сервисов до истечения срока договора.

Продавец/поставщик может полностью выполнять формальные условия контракта. Не смотря на то, что достигнут высокий рейтинг QoS, пользователи могут быть очень недовольны, тем самым отмечая низкое QoE. С другой стороны, пользователи могут быть весьма удовлетворены продуктом или поставщиком, в результате чего QoE искусственно завышается. Но в то же время, если продавец фактически выполняет того, за что ему заплатили, то рейтинг QoS будет низким.

QoE в контексте телекоммуникационных сетей является чисто субъективным измерением общей ценности предоставляемых услуг, с точки зрения пользователя. Это означает, QoE не может быть измерено как просто эффективное качеством обслуживания - также должен учитываться каждый фактор, который вносит свой вклад в общую ценность для пользователя. Среди этих факторов:

уместность;

гибкость;

мобильность;

безопасность;

стоимость;

персонализация;

возможность выбора.

Помимо своей зависимости от пользователя, QoE неизменно оказывать влияние на следующее:

клиентское устройство (например ТВ низкого разрешение или ТВ высокой четкости);

окружение пользователя (в машине или дома);

ожидания пользования (мобильный или стационарный телефон);

природа контента и его важность (простое сообщение да/нет или концерт для оркестра).

Оценка среднего мнения (англ. MeanOpinionScore, MOS), используется для оценки качества телефонной связи. Она является ограниченной формой процесса измерения QoE, относящихся к определенному типу медиа-контента. MOS производится в контролируемой среде и без конкретных ожиданий пользователей. MOS была расширена, чтобы оценивать качество телевидения через ADSL (IPTV) - наличие дрожания изображения, квадратов и артефактов при просмотре видеосигнала.

Хотя QoE воспринимается как субъективная оценка, это единственная мера, которая считается с клиентами сервиса. Возможность проводить измерения QoE контролируемым образом помогает операторам понять, что может быть не так с их сервисом.

Классы QoS и соответствующие им приложения (рекомендация Y.1541):

Класс0: Приложения реального времени, чувствительные к джиттеру, характеризуемые высоким уровнем интерактивности (VoIP, видеоконференции);

Класс1: Приложения реального времени, чувствительные к джиттеру, интерактивные (VoIP, видеоконференции);

Класс 2: Транзакции данных, характеризуемые высоким уровнем интерактивности (например, сигнализация);

Класс 3: Транзакции данных, интерактивные приложения;

Класс 4: Приложения, допускающие низкий уровень потерь (короткие транзакции, массивы данных, потоковое видео);

Класс 5: Традиционные применения сетей IP.

Основные параметры классов качества услуг IP-телефонии приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Требования, предъявляемые к классам качества услуг VoIP

Класс качеств услуги передачи речи	Высший	Высокий	Средний	Низший
Качество голоса в одном направлении	Не хуже, чем по G.711	Не хуже, чем по G.726 для V=32 кбит/с	Не хуже, чем по GSM-FR	?
Сквозная задержка	<150 мс	<250 мс	<450 мс	>450 мс
Время установления соединения	Прямая IP-адресация	<1,5 сек	<4сек	<7сек	?
	Перевод e-mail в IP-адрес	<4сек	<13сек	<25сек	?
Коэффициент потерь пакетов IP	0%	3%	15%	25%
Пиковое дрожание фазы (джиттер)	0 мс	75 мс	125 мс	225 мс

Таблица 5 - Требования, предъявляемые к основным видео-кодекам

Скорость передачи данных (Мбит/с)	Джиттер	Максимальная длительность одиночной ошибки	Соответствующий период потерь в IP пакетах	Количество ошибок в час	Уровень потерь
QoS для H.262 в SDTV (стандартное качество)
3,0	<50 мс	<=16мс	<6	<=1	<=5.85E-06
3,75	<50 мс	<=16мс	<7	<=1	<=5.46E-06
5,0	<50 мс	<=16мс	<9	<=1	<=5.26E-06
QoS для H.264 в SDTV (стандартное качество)
1,75	<50 мс	<=16мс	<4	<=1	<=6.68E-06
2,0	<50 мс	<=16мс	<5	<=1	<=7.31E-06
2,5	<50 мс	<=16мс	<5	<=1	<=5.85E-06
3,0	<50 мс	<=16мс	<6	<=1	<=5.85E-06



1.4 Технология абонентского доступа x.DSL

DSL? семейство технологий, позволяющих значительно расширить пропускную способность абонентской линии местной телефонной сети путём использования эффективных линейных кодов и адаптивных методов коррекции искажений линии на основе современных достижений микроэлектроники и методов цифровой обработки сигнала.

ADSL- Асимметричная цифровая абонентская линия (AsymmetricDigitalSubscriberLine) позволяет осуществлять передачу данных по асимметричной схеме. Данная технология превращает стандартные телефонные аналоговые и цифровые линии в линии высокоскоростного доступа. Асимметричность означает, что полосы частот, используемые для передачи в разных направлениях, различаются. Обычно при использовании ADSL скорость передачи данных по направлению к пользователю может быть до 8 Мбит/с (24 Мбит/с - ADSL 2+), а по направлению от пользователя до 1 Мбит/с (3,5 Мбит/с - Аннекс М). Скорость передачи данных зависит от протяженности абонентской линии (обратная пропорциональность). ADSL можно использовать для обеспечения высокоскоростного доступа в сеть Интернет или, например, для передачи видео-потока. Одновременно с использованием ADSL может использоваться и обычная телефонная связь (POTS), потому что для передачи телефонных сигналов не требуется такая широкая полоса частот, как для передачи данных, и данные передаются в диапазоне более высоких частот. Обычная телефонная линия использует для передачи голоса полосу частот 0…4 кГц. Чтобы не мешать использованию телефонной сети по её прямому назначению, в ADSL нижняя граница диапазона частот находится на уровне 26 кГц. Верхняя же граница, исходя из требований к скорости передачи данных и возможностей телефонного кабеля, составляет 1,1 МГц. Эта полоса пропускания делится на две части -- частоты от 26 кГц до 138 кГц отведены восходящему потоку данных, а частоты от 138 кГц до 1,1 МГц -- нисходящему.

HDSL (HighDataRateDigitalSubscriberLine) -- высокоскоростная цифровая абонентская линия. Это первая технология высокоскоростной передачи данных по скрученным медным парам телефонных кабелей, использующая высокие частоты. HDSL может оперировать как скоростью T1 (1.544 Мбит/с) или E1 (2 Мбит/с). Более низкие скорости обслуживаются использованием 64 Кбит/с каналов, внутри T1/E1 пакета. Из-за необходимости обеспечения симметричной передачи данных максимальная скорость ПД поддерживается только на расстоянии не более 4,5 км при использовании одной или двух скрученных пар кабеля. Возможна передача данных на большие расстояния, при условии использования регенераторов.

SHDSL (Single-pairHigh-speedDigitalSubscriberLine, ITUG.991.2) - одна из xDSL технологий, описывающая метод передачи сигнала по паре медных проводников. Используется преимущественно для решения проблемы «последней мили», т.е.соединения абонентов с узлом доступа провайдера. Технология обеспечивает симметричную дуплексную передачу данных со скоростями от 192 Kбит/с до 2,3 Мбит/с (с шагом в 8 Кбит/с) по одной паре проводов, и 384 - 4,6 Мбит/с по двум парам.

VDSL (Very-highdatarateDigitalSubscriberLine, сверхвысокоскоростная цифровая абонентская линия) -- аналог технологии ADSL, отличается тем, что может работать как в асимметричном, так и в симметричном режиме. По сравнению с ADSL VDSL имеет значительно более высокую скорость передачи данных: от 13 до 52 Мбит/с в направлении от сети к пользователю (Downstream) и до 11 Мбит/с от пользователя к сети (Upstream) при работе в асимметричном режиме; максимальная пропускная способность линии VDSL при работе в симметричном режиме составляет примерно 26 Мбит/с в каждом направлении передачи. В зависимости от требуемой пропускной способности и типа кабеля длина линии VDSL лежит в пределах от 300 метров до 1,3 км.

Проектируемая сеть должна обеспечивать хорошее качество услуг, т.е. должны соблюдаться следующие параметры: для VoIP - время задержки пакета между двумя соседними маршрутизаторами не более 10 мс, вероятность потерь не более 3 %, а для IPTV - время задержки пакета не более 150 мс, вероятность потерь не более 1 %.



2. РАСЧЕТ СЕТЕВЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЕКТИРУЕМОЙ СЕТИ

2.1 Математическая модель расчета сетевых параметров

Рассмотрим основные характеристики систем пакетной коммутации:

1. Cкорость передачи (пропускная способность С).

Пропускная способность канала связи рассчитывается, исходя из следующих формул:

, (1)

, (2)

где с - загрузка сети (задана как 0,2; 0,4; 0,6; 0,8);

л - интенсивность поступающей нагрузки, пакетов/с (значения в матрице информационного тяготения);

м - интенсивность обслуживания вызовов;

Lп - длина пакета, равная 592 байта (в битах: 592*8=4736 бит).

Из формул (1) и (2) пропускную способность можно выразить, как

(3)

2. Время задержки доставки пакета:

(4)

3. Вероятность потерь пакетов в общем случае определяется формулой Эрланга:

, (5)

где S - условный пучок цифровых каналов 64 кбит/с.

4. Время передачи пакета по сети (tпер). Для полносвязной сети формула имеет вид:

, (6)

где Nk-1 - число узлов, которые проходит пакет до получателя.

5. Вероятность своевременной доставки для полносвязной сети с учетом старения информации:

, (7)

где н - интенсивность старения информации.

Параметр н выбирается с тем условием, чтобы сеть обеспечивала хорошее качество услуг, т.е. время прохождения пакета между двумя маршрутизаторами (tзад) должно быть определено как:

tзад ? 10 мс для VoIP;

tзад ? 150 мс для IPTV.

6. Вероятность потерь пакетов:

(8)

Причем, вероятность потерь должна быть определена как:

Рп ? 3% для VoIP;

Рп ? 1% для IPTV.

7. Вероятность доставки с учетом среднесетевой задержки рассчитывается по формуле

, (9)

где - заданное время доставки (10мс).

Среднесетевая задержка рассчитывается по формуле

, (10)

где - нормировочный коэффициент;

- суммарный внешний трафик;

m - число маршрутизаторов (m=11);

Ti - время задержки для каждого маршрутизатора.

2.2 Расчет матрицы информационного тяготения

Используем следующий алгоритм расчета матрицы информационного тяготения:

1) задается прогнозируемое число коммутаторов, в соответствии с заданием N = 11;

2) задается число IP абонентов для зоны обслуживания каждого коммутатора (таблица 5);

3) задается удельная абонентская нагрузка, равная 0,055 Эрл;

4) умножением числа IP абонентов (по всем зонам) на удельную абонентскую нагрузку находится суммарный внешний трафик.

5) суммарный внешний трафик пересчитывается в пакетизированный трафик путем умножения трафика в Эрл на скорость работы кодека речепреобразующего устройства РПУ (паузы не учитываются, т. к. они не кодируются). Далее полученный результат делится на объем пакета и находится интенсивность суммарного входящего потока.

6) далее алгоритм расщепляет суммарный входящий поток "пакет/с" по направлениям связи с учетом неравномерности распределения абонентов по зонам обслуживания коммутаторов. Итогом работы является матрица тяготения - квадратная таблица размерности 11 x 11, где 11 - исходное число коммутаторов. Сумма элементов матрицы должна быть равна суммарному входящему потоку.

В таблице 6 показаны этапы работы программы в виде исходных и промежуточных данных.

Далее рассчитывается матрица информационного тяготения, которая будет представлена для большей точности в трех разных форматах (получаем в таблицe 6 указанного ниже вида).

Таблица 6 - Распределение IP абонентов для зоны обслуживания каждого коммутатора

Номер коммутатора	Число абонентов
1	2500
2	2500
3	4500
4	5500
5	4800
6	6500
7	5500
8	5000
9	4900
10	4500
11	4500
Всего	50700

Таблица 7 - Исходные и промежуточные данные

Наименование показателя	Единица измерения	Значение показателя
Число коммутаторов	ед.	11
Средняя длительность разговора	секунд	100
Интенсивность вызовов(в час от абонента)	-	2
Удельная исходящая абонентская нагрузка	Эрл.	5,5556
Суммарная входящая абонентская нагрузка	Эрл.	2788
Объем пакета (кадра)	Байт	592
Скорость работы РПУ	бит/с	8000
Средняя длительность фонемы	секунд	1,34
Средняя длительность паузы	секунд	1,67
Среднее число активных периодов в разговоре	-	16
Суммарный внешний трафик	пакетов/с	7798,935

Таблица 8 - Матрица информационного тяготения

М	М1	М2	М3	М4	М5	М6	М7	М8	М9	М10	М11
М1	19.1	19,1	34,3	42,0	36,6	49,6	42,0	38,2	37,4	34,3	34,3
М2	19.1	19.1	34,3	42,0	36,6	49,6	42,0	38,2	37,4	34,3	34,3
М3	34.3	34.3	61,8	75,6	65,9	89,3	75.6	68.7	67.3	61.8	61.8
М4	42,0	42,0	75.6	92.4	80.6	109.1	92.4	84.0	82.3	75.6	75.6
М5	36,6	36,6	65.9	80.6	70.3	95.3	80.6	73.3	71.8	65.9	65.9
М6	49,6	49,6	89.3	109.1	95.3	129.0	109.1	99.2	97.2	89.3	89.3
М7	42,0	42,0	75.6	92.4	80.6	109.1	92.4	84.0	82.3	75.6	75.6
М8	38,2	38,2	68.7	84.0	73.3	99.2	84.0	76.3	74.8	68.7	68.7
М9	37,4	37,4	67.3	82.3	71.8	97.2	82.3	74.8	73.3	67.3	67.3
М10	34,3	34,3	61.8	75,6	65,9	89,3	75,6	68,7	67,3	61.8	61.8
М11	34,3	34,3	61.8	75,6	65,9	89,3	75,6	68,7	67,3	61.8	61.8

Суммируя элементы матрицы МИТ, получим суммарный внешний трафик матрицы информационного тяготения, измеренный в пакет/с равен 7798,935.



2.3 Расчет канального ресурса проектируемой сети

Значение интенсивности поступающей нагрузки для каждого из маршрутизаторов из матрицы информационного тяготения подставляем в программу расчета пропускной способности.

Расчеты основных сетевых параметров (пропускная способность, задержка, загрузка, вероятность своевременной доставки, вероятность потерь) для каждого направления представляются в таблице 8.

Во внимание принимаются заданные нормы для хорошего качества доставки:

- задержка пакета не должна превышать 0.01 с (или 10 мс);

- вероятность потери пакета не должна превышать 3%.

Значения сетевых параметров получаются, вводя в программу расчета сетевых параметров значение интенсивности входящей нагрузки для каждого маршрутизатора в направлении других маршрутизаторов.

Таблица 9 - Сетевые параметры для маршрутизатора М1 по всем направлениям связи

Направление связи	Пропускная способность, бит/c	Загрузка	Задержка, с	Вероятность своевременной доставки	Вероятность потерь
М1-М2	452288,00 226144,00 150762,67 113072,00	0,2 0,4 0,6 0,8	0,013089 0,034904 0,078534 0,209424	0,971699 0,886798 0,745295 0,547191	0,028301 0,113202 0,254705 0,452809
М1-М3	812224,00 406112,00 270741,33 203056,00	0,2 0,4 0,6 0,8	0,007289 0,019436 0,043732 0,116618	0,984241 0,936963 0,858167 0,747853	0,015759 0,063037 0,141833 0,252147
М1-М4	994560,00 497280,00 331520,00 248640,00	0,2 0,4 0,6 0,8	0,005952 0,015873 0,035714 0,095238	0,987130 0,948520 0,884170 0,794080	0,012870 0,051480 0,115830 0,205920
М1-М5	866688,00 433344,00 288896,00 216672,00	0,2 0,4 0,6 0,8	0,006831 0,018215 0,040984 0,109290	0,985231 0,940925 0,867080 0,763698	0,014769 0,059075 0,132920 0,236302
М1-М6	1174528,00 587264,00 391509,33 293632,00	0,2 0,4 0,6 0,8	0,005040 0,013441 0,030242 0,080645	0,989102 0,956408 0,901918 0,825632	0,010898 0,043592 0,098082 0,174368
М1-М7	994560,00 497280,00 331520,00 248640,00	0,2 0,4 0,6 0,8	0,005952 0,015873 0,035714 0,095238	0,987130 0,948520 0,884170 0,794080	0,012870 0,051480 0,115830 0,205920
М1-М8	904576,00 452288,00 301525,33 226144,00	0,2 0,4 0,6 0,8	0,006545 0,017452 0,039267 0,104712	0,985850 0,943399 0,872648 0,773596	0,014150 0,056601 0,127352 0,226404
М1-М9	885632,00 442816,00 295210,67 221408,00	0,2 0,4 0,6 0,8	0,006684 0,017825 0,040107 0,106952	0,985547 0,942188 0,869923 0,768753	0,014453 0,057812 0,130077 0,231247
М1-М10	812224,00 406112,00 270741,33 203056,00	0,2 0,4 0,6 0,8	0,007289 0,019436 0,043732 0,116618	0,984241 0,936963 0,858167 0,747853	0,015759 0,063037 0,141833 0,252147
М1-М11	812224,00 406112,00 270741,33 203056,00	0,2 0,4 0,6 0,8	0,007289 0,019436 0,043732 0,116618	0,984241 0,936963 0,858167 0,747853	0,015759 0,063037 0,141833 0,252147

Таблица 10 - Сетевые параметры для маршрутизатора М2 по всем направлениям связи

Направление связи	Пропускная способность, бит/c	Загрузка	Задержка, с	Вероятность своевременной доставки	Вероятность потерь
М2-М1	452288,00 226144,00 150762,67 113072,00	0,2 0,4 0,6 0,8	0,013089 0,034904 0,078534 0,209424	0,971699 0,886798 0,745295 0,547191	0,028301 0,113202 0,254705 0,452809
М2-М3	812224,00 406112,00 270741,33 203056,00	0,2 0,4 0,6 0,8	0,007289 0,019436 0,043732 0,116618	0,984241 0,936963 0,858167 0,747853	0,015759 0,063037 0,141833 0,252147
М2-М4	994560,00 497280,00 331520,00 248640,00	0,2 0,4 0,6 0,8	0,005952 0,015873 0,035714 0,095238	0,987130 0,948520 0,884170 0,794080	0,012870 0,051480 0,115830 0,205920
М2-М5	866688,00 433344,00 288896,00 216672,00	0,2 0,4 0,6 0,8	0,006831 0,018215 0,040984 0,109290	0,985231 0,940925 0,867080 0,763698	0,014769 0,059075 0,132920 0,236302
М2-М6	1174528,00 587264,00 391509,33 293632,00	0,2 0,4 0,6 0,8	0,005040 0,013441 0,030242 0,080645	0,989102 0,956408 0,901918 0,825632	0,010898 0,043592 0,098082 0,174368
М2-М7	994560,00 497280,00 331520,00 248640,00	0,2 0,4 0,6 0,8	0,005952 0,015873 0,035714 0,095238	0,987130 0,948520 0,884170 0,794080	0,012870 0,051480 0,115830 0,205920
М2-М8	904576,00 452288,00 301525,33 226144,00	0,2 0,4 0,6 0,8	0,006545 0,017452 0,039267 0,104712	0,985850 0,943399 0,872648 0,773596	0,014150 0,056601 0,127352 0,226404
М2-М9	885632,00 442816,00 295210,67 221408,00	0,2 0,4 0,6 0,8	0,006684 0,017825 0,040107 0,106952	0,985547 0,942188 0,869923 0,768753	0,014453 0,057812 0,130077 0,231247
М2-М10	812224,00 406112,00 270741,33 203056,00	0,2 0,4 0,6 0,8	0,007289 0,019436 0,043732 0,116618	0,984241 0,936963 0,858167 0,747853	0,015759 0,063037 0,141833 0,252147
М2-М11	812224,00 406112,00 270741,33 203056,00	0,2 0,4 0,6 0,8	0,007289 0,019436 0,043732 0,116618	0,984241 0,936963 0,858167 0,747853	0,015759 0,063037 0,141833 0,252147



Таблица 11 - Сетевые параметры для ...