METODA DOBORU ŚCIEŻEK TRANSMISYJNYCH DLA POPRAWY JAKOŚCI POŁĄCZEŃ GŁOSOWYCH IP

Krysian Ryłko Zakład Sieci Kompuerowych Wydział Informayki Poliechnika Szczecińska krysian@ps.pl 2005 Poznańskie Warszay Telekomunikacyjne Poznań 8-9 grudnia 2005 METODA DOBORU ŚCIEŻEK TRANSMISYJNYCH DLA POPRAWY JAKOŚCI POŁĄCZEŃ GŁOSOWYCH IP Sreszczenie: W referacie zaprezenowano mechanizm zróżnicowania ścieżek ransmisyjnych w sieciach pakieowych IP, służący poprawie jakości połączeń VoIP. Przybliżono relacje pomiędzy paramerami ransmisji sieci IP a jakością połączenia głosowego. Zaproponowano przykładowy mechanizm doboru ścieżki w oparciu o szacowaną jakość połączenia MOS. Omówiono również rezulay przeprowadzonych esów. 1. WSTĘP Obecne sieci ransmisji głosu migrują ze środowiska komuacji kanałów do sieci pakieowych. Usługi głosowe wykorzysujące ogólnodosępne sieci IP (Voice over IP) zyskują coraz większą popularność zarówno w zasosowaniach klasy przedsiębiorswa, jak i wśród użykowników domowych. Wkraczają one akże w obszar sieci radiowych sandardu IEEE 802.11 (Voice over WLAN), rywalizując na małym obszarze z sieciami GSM/3G. Do ich sukcesu przyczyniają się niski kosz i wykorzysanie publicznej infrasrukury sieci IP. Niemniej jednak oferowana ransmisja w sieciach IP, ypu bes-effor nie zaspokaja wymagań połączeń głosowych, bardziej wrażliwych na jakość ransmisji od danych. Dlaego poszukuje się meod poprawiających jakość przekazu głosowego. Sieci IP charakeryzują szybkie zmiany sanów poszczególnych łączy i węzłów. Obecnie sosowane mechanizmy ransmisji zwykle przysyłają dany srumień głosu raz usanowioną rasą. Dzieje się ak, ponieważ ablice ruingu odnawiane są znacznie wolniej niż zachodzą chwilowe zmiany sanu sieci. Mechanizmy ruingu nie są zaprojekowane do ransmisji pakieów głosowych, a aplikacje VoIP nie oferują wyznaczania ścieżek dla swoich pakieów. Przesyłanie srumienia audio pojedynczą, najkorzysniejszą w momencie nawiązywania połączenia marszruą może być w danej chwili mało korzysne. 2. ZRÓŻNICOWANIE ŚCIEŻEK Dywersyfikacja ścieżek jes mechanizmem, w kórym pakiey przenoszące dane pomiędzy aplikacją nadawczą i odbiorczą ransporowane są częściowo bądź zupełnie rozłącznymi marszruami, czyli poprzez odmienne węzły pośrednie. Celem zasosowania dywersyfikacji ścieżek VoIP jes poprawa uzyskanej oceny jakości połączenia głosowego, przy dosępnych warunkach panujących w sieci ransporowej. Polepszenie jakości realizowane jes poprzez wybór ras o akualnie najlepszych paramerach (sray, opóźnienie, jier) oraz minimalizację prawdopodobieńswa negaywnych zjawisk (zaor, awaria łączy) w sieci. Dekoncenracja ras powoduje pewne uśrednienie sanów poszczególnych ścieżek, kóre przez aplikacje końcowe posrzegane są nadal jako pojedyncza ścieżka. O jakości połączenia głosowego IP decydują zarówno wykorzysane mechanizmy ransmisyjne: yp kodeka, korekcja FEC (Forward Error Correcion), PLC (Packe Loss Concealmen) [1], jak również czynniki zależne od sanu sieci: opóźnienie, jier, sary pakieów. Dywersyfikacja ścieżek oferuje minimalizację ych osanich poprzez dobór ras o najlepszych paramerach. Dywersyfikacja ścieżek może być sosowana poprzez wykorzysanie kilku niezależnych łączy (zw. Mulihoming), kanałów ransmisji. Oddzielne ścieżki mogą być również wyznaczane z zasosowaniem prookołów sieciowych: MPLS (Muli Proocol Label Swiching) bądź opcji nagłówka IPv4/IPv6. Możliwych jes kilka scenariuszy dywersyfikacji ścieżek: - z wykorzysaniem mulihomingu, gdzie dany węzeł źródłowy połączony jes z niezależnymi od siebie sieciami, - dokładne wyznaczanie oddzielnych ras przez nadawcę. Wymaga wiedzy o opologii logicznej sieci oraz jej sanach na całej rasie połączenia. Dodakowo konieczna jes znajomości adresacji kolejnych urządzeń sieciowych, kóre częsokroć są ukrywane przez operaorów. Meoda a miernie nadaje się dla sieci WAN. - za pomocą węzłów-przekaźników (luźne rasowanie). Pakiey kierowane są do konkrenych, wyznaczonych do ego węzłów, kóre kierują je dalej do sieci. Pakiey VoIP zawierające adres docelowy, po sronie nadawczej opakowywane są w adres węzła-przekaźnika, kóry jes usuwany po doarciu do ego węzła, a pakie jes przesyłany dalej. - kodowanie podsrumieni głosu. Srumień danych głosowych dzielony jes na mniejsze srumienie, oddzielnie kodowane i niezależnie przesyłane. Podsrumienie mogą być niesymeryczne, zależnie od paramerów danej ścieżki. Kanały ransporowe C i, w najprosszym przypadku mogą być wybierane równomiernie, cyklicznie C i+1 =(C i +1)mod n. Mogą być również kierowane zależnie od bieżących sanów środowiska sieciowego, PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005 1/5

ak aby uzyskać maksymalizację jakości przesyłanego głosu. 3. OCENA JAKOŚCI POŁĄCZEŃ Jakość połączeń głosowych zależy zarówno od sanów sieci ransporowej: opóźnienia, sray, jier, przekłamania ransmisji, jak i od mechanizmów VoIP: algorym kodeka, mechanizmy ukrywania błędów, bufor pakieów głosowych po sronie aplikacji odbiorczej. Przekroczenie odpowiednich paramerów ransmisji powoduje zauważalne pogorszenie konwersacji. Głos zanim zosanie umieszczony w sieci IP poddawany jes próbkowaniu, dyskreyzacji, kompresji, pakieyzacji, kolejkowaniu, serializacji oraz enkapsulacji, zwykle w sos RTP/UDP/IP. W węźle docelowym nasępuje jego depakieyzacja, skierowanie do kolejki bufora odbiorczego (bufor jiera), dekompresja i emisja dźwięku. Kolejkowanie pakieów w buforze jiera ma na celu wygładzenie flukuacji opóźnień. Rozmiar ego bufora może usalany saycznie bądź adapacyjnie. Pakiey dosarczone ze zby dużym opóźnieniem lub jierem można klasyfikować jako sraę pakieów, ponieważ nie nadają się one do emisji i są odrzucane. Sieci ransporu danych, akie jak np. TCP radzą sobie ze sraami pakieów poprzez mechanizm reransmisji i kanału zwronego. Sary pakieów VoIP można sklasyfikować jako: odizolowane, pojedyncze sray. Niweluje się je wykorzysując echniki ypu PLC, FEC, dzięki czemu nie wpływają isonie na jakość połączenia. sekwencja sraconych pakieów zauważalnie degraduje jakość odbioru. Wykorzysanie dywersyfikacji ścieżek pakieów znacząco zmniejsza prawdopodobieńswo ich wysąpienia, zamieniając je na odizolowane sray lub całkowicie im zapobiegając w zależności od echniki doboru ścieżek. chwilowy brak ransmisji całkowia sraa większej sekwencji pakieów, skukująca najczęściej zerwaniem połączenia. Jeżeli prawdopodobieńswo zaoru dla danej ścieżki wynosi P zaor, o w przypadku zróżnicowania ras wynosi ono zaledwie (P zaor ) n, gdzie n - ilość ścieżek. Źródło pakieów VoIP Rys 1. Dosarczanie i wybór pakieów ze zduplikowanego srumienia VoIP Źródło pakieów VoIP ścieżka 1 ścieżka 2 ścieżka 1 ścieżka 2 Sraa pakieu Sraa pakieu Srumień odbiorczy Srumień odbiorczy Rys 2. Dosarczanie pakieów przy podziale srumienia na dwa podsrumienie (mod2) Ponieważ meody oceny jakości połączenia sosowane dla sieci PSTN, nie nadają się dla sysemów pakieowych VoIP, opracowano nowe meody oceny przeznaczone dla VoIP i sosowanych w nim kodeków. Jedną z meod jes uśredniona ocena jakości głosu MOS (Mean Opinion Score), kóra odzwierciedla ludzkie wrażenia odsłuchowe. Określa ona sosunek ilości zgłosek odebranych poprawnie przez słuchaczy do liczby zgłosek wysłanych [2]. Jakość połączenia głosowego MOS doskonała 4.34-4.5 dobra 4.03 4.34 dosaeczna 3.60 4.03 słaba 3.10 3.60 zła 2.58 3.10 Tab 1. Ocena jakości głosu i odpowiadające jej warości MOS [2] Ocena MOS może być również wyznaczana dla dwóch przypadków: ocena odsłuchu MOS-LQ (Mean Opinion Score Lisening Qualiy) lub konwersacji MOS- CQ (Mean Opinion Score Conversional Qualiy). Aby możliwa była esymacja jakości połączenia VoIP, ITU-T opracowało przybliżony model oczekiwanej jakości połączeń, zw. E-model [4]. Jego zaleą w odróżnieniu od innych meod, jes o że ocena może być przeprowadzana w ie rzeczywisym. Czynniki wpływające na degradację oceny MOS wyrażane są współczynnikiem R: R = R 0 Is Ie Id + A, (1) gdzie: R 0 sosunek sygnału do szumu, porównuje głośność nadawania oraz szumu z różnych źródeł (np. szum ła), I s spadek jakości wskuek czynników wysępujących równolegle z ransmisją głosu, m.in. efek lokalny, zniekszałcenia kwanyzacji, I e suma czynników związanych ze sosowaniem określonego kodeka, sarami pod ransmisji oraz ich wpływ na jakość głosu, I d pogorszenie jakości wynikające z opóźnienia: kanału ransmisyjnego, echa, A współczynnik kompensacji (od 0 do 20) wyrażający akcepację przez użykownika niższych paramerów połączenia w zamian za inne korzyści z danego sysemu elefonicznego (np. mobilność elefony GSM, saeliarne). Współczynnik R określa jakości połączeń w przedziale od 100 (najlepsza) do 0 (najgorsza). Warość oceny MOS w zależności od uzyskanej warości R określa się zależnością: if R < 0 MOS = 1, if 0 < R < 100 6 MOS = 1+ 0.035R + 7 10 R( R 60)(100 R), if R > 100 MOS = 4,5 (2) PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005 2/5

Przyjmując na podsawie [4] warości domyślne, można zredukować (1) do: R = 94. 2 I e I d (3) danej ścieżki/meody - jakości połączenia. Rysunek przedsawia przykładowy sposób realizacji klasyfikaora ścieżek, kóry może być zaimplemenowany bądź po sronie aplikacji VoIP bądź bramy VoIP. Przychodzące pakiey VoIP Pomiar param. ransmisji Saysyki: delay, packe loss, jier E-Model Eksrapolacja MOS dla pah i, wybór pah i max. MOS Rys 4. Warość współczynnika R w zależności od opóźnienia i sra pakieów (kodek G.711) Aplikacja VoIP/ Cenrala IP PBX Programowy przełącznik ścieżek (adresacja pakieów) Kodeki przejawiają różną wrażliwość na sray pakieów. Warość I e dla danej wielkości uraconych pakieów można oszacować wyrażeniem: I e γ 1 + γ 2 ln( 1+ γ 3e), (4) γ 1 - pogorszenie jakości głosu wskuek zasosowanego algorymu kodeka, γ 2, γ 3 - wpływ sar na subiekywną jakość połączenia dla danego kodeka, e - całkowie prawdopodobieńswo sra pakieów, zn: e = e sieć + (1 - e sieć ) e bufor_jiera, (5) e sieć prawdopodobieńswo sar w sieci ransporowej, e bufor_jiera - prawdopodobieńswo sar związane z buforem jier (aplikacja odbiorcza). Oszacowano współczynniki γ 1, γ 2, γ 3, dla różnych kodeków wynoszą [5]: - G.711 (γ 1 =0, γ 2 =30, γ 3 =15), G.729A (γ 1 =11, γ 2 =30, γ 3 =16), G.723A (γ 1 =15, γ 2 =30, γ 3 =17), naomias po wypełnianiu sra pakieów ciszą (PLC): - G.729 (γ 1 =10, γ 2 =48, γ 3 =18), G.723A (γ 1 =19, γ 2 =71, γ 3 =6). Pakiey wychodzące Rys 4. Mechanizm wyznaczania ścieżek pakieów Do pakieów przenoszących głos dodawany jes znacznik u (ime samp) oraz numer pakieu, kóre służą do gromadzenia saysyki paramerów ransmisyjnych. Ponieważ rudne jes dokładne zsynchronizowanie zegarów w dwóch różnych hosach, dlaego aki pomiar różnicy nadania i odbioru pakieu nie jes wiarygodny. Do szacowania u ransmisji wykorzysuje się łączny w obu kierunkach RTT (Round-rip ime) lub w jednym kierunku OWD (Oneway delay). Ponieważ szybkość ransmisji w obu kierunkach zwykle nie ma charakeru symerycznego, dlaego pomiar RTT nie pozwoliłby wybrać rasy o najkrószym ie ransmisji w danym kierunku. Mierzony jes więc OWD dla wszyskich ścieżek i wybierany en o najmniejszej warości. Pomiar u przeprowadzany po synchronizacji prookołem NTP z ym samym serwerem u może wprowadzać znaczący błąd pomiaru [7]. Za punk odniesienia wykorzysuje się ścieżkę o najkrószym ie propagacji. 5. MECHANIZM DOBORU ŚCIEŻKI Rys 5. Relacja współczynnika I e do prawdopodobieńswa sra dla różnych kodeków Jeżeli suma opóźnienia całkowiego, jednosronnego OWD (One-way delay) przekroczy 177,3 ms, wedy nasępuje znaczna degradacja jakości konwersacji [5]. 4. OCENA SCIEŻEK Aby wybrać najlepszą meodę dywersyfikacji należy przeprowadzić esymację przewidywanej dla Celem jes akie opracowanie algorymu doboru ścieżek, aby był on jak najbardziej zbliżony do opymalnego wyboru, przy znajomości akualnych warunków sieci w danej chwili. Mechanizm en powinien również chronić przed zby częsym przełączaniem ścieżek wskuek krókorwałych wahań sanów poszczególnych łączy. Należy ak dobrać okres służący ocenie jakości danego łącza, aby uchronić aplikację przed jej nadregulowaniem. Aby możliwa była ocena korzyści z zasosowanego mechanizmu należy przyjąć model odniesienia. Dokonywany jes pomiar jakości ransmisji głosu danymi ścieżkami (i,..,k,..,j) bez mechanizmu przełączania. Nasępnie najlepszy z ych wyników PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005 3/5

wz A obierany jes jako wzorcowy i porównywany z wynikiem po zasosowaniu dywersyfikacji ścieżek. Jeżeli jakość wzorcowego połączenia głosowego w ie [ 1,.., T ], a jakość połączenia A wz wyznaczonego w drodze wyboru ścieżki k dla ej samej warości u B, o zysk D z dywersyfikacji k ścieżek w ie [1,..,T]: T T 1 k wz 1 D = ( B A ) = D, (6) T = 1 T = 1 Należy usalić aką warość D, aby ewenualna zmiana jakości była zauważalna, np. 0,2. Najprosszą meodą wyznaczania ścieżki o najlepszych paramerach jes wybór na podsawie k k bieżącej warości, zn. B +1 = B. Jeżeli D jes zby małe wów zamiana ścieżek jes nieopłacalna. Mała warość u służącego do oceny jakości połączenia, z jednej srony sprawia, że mechanizm szybciej reaguje na zmianę paramerów sieci, z drugiej zaś czyni go podanym na krókorwałe flukuacje sanów sieci, co może powodować pogorszenie jakości ransmisji. Dlaego do porównywania jakości ransmisji wykorzysywane jes ~ okno D < n ; >. Jeżeli nowo wybrana ścieżka ma większy propagacji sygnału, wów pod przełączania zwiększy się jier, d i d k > 0. Gdy naomias opóźnienie jes mniejsze może dojść do przepełnienia bufora odbiorczego (playou buffer), d d < 0. Przykład algorymu wyboru ścieżki: pah i pah begin for = 1 o T do D (loss, delay, jier) If > n do k ~ i If D D< n 1; 1> > D pah i pah k jier jier + (d i -d k ) +1 i hen k Rys 5. Oszacowana jakość ransmisji MOS dla począkowej ścieżki, kodek G.711 Rys 6. Oszacowana jakość ransmisji MOS dla alernaywnej ścieżki, kodek G.711 6. TEST MECHANIZMU DOBORU SCIEŻEK Poniżej przedsawiono uzyskany w eście pomiar jakości ransmisji głosowej w skali MOS dwóch ścieżek oraz po zasosowaniu mechanizmu dywersyfikacji. Nie zasosowano mechanizmu wykrywania ciszy (VAD), ani kompresji nagłówka RTP - crtp. Rys 6. Oszacowana jakość ransmisji MOS przy zasosowaniu doboru ścieżek, n=10 Na rys 7 widoczne jes w dwóch punkach opóźnienie przy zmianie ścieżki spowodowane PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005 4/5

mechanizmem zabezpieczającym przed chwilowymi wahaniami paramerów ransmisyjnych, n=10. 7. PODSUMOWANIE Zasosowanie dyspersji ścieżek pakieów do ransmisji nie ylko audio, ale również mulimedialnych może zwiększyć jakość przekazu, niezawodności ransmisji, poprzez zmniejszenie opóźnień, jiera oraz minimalizację prawdopodobieńswa uray sekwencji pakieów, awarii i przeciążeń sieci pakieowej. Uzyskane efeky różnią się zależnie od zasosowanej meody dyspersji. Jakość połączeń VoIP nie zależy ylko od opóźnień i sra pakieów. Bezpośredni wybór ścieżek o najlepszych paramerach ransmisyjnych nie jes ożsamy z uzyskaniem najlepszej jakości połączenia, a zależy również od specyficznej dla danej aplikacji paramerów. Polepszenie paramerów ransmisji pakieów głosowych umożliwia sosowanie kodeków o zwiększonych wymaganiach odnośnie pasma (np. G.722), oferujących jednocześnie lepsze wrażenia dźwiękowe. Zasosowany mechanizm powinien realizować pomiar akualnego sanu łącza i predykcję jego sanu z danym wyprzedzeniem. Dososowywać orzymane wyniki do wymagań danej usługi oraz podejmować decyzję o przełączeniu na daną ścieżkę w oparciu o przeprowadzoną esymację jakości połączenia. 8. LITERATURA [1] Y. Liang, E. Seinbach, B. Girod, Real-ime Voice Communicaion over he Inerne Using Packe Pah Diversiy, Proceedings of he ninh ACM inernaional conference on Mulimedia, pp. 431 440, 2001 [2] ITU Recommaion P.800, Mehods for subjecive deerminaion of ransmission qualiy, 1996 [3] J. G. Aposolopoulos, Reliable video communicaion over lossy packe neworks using muliple sae encoding and pah diversiy, Proc. Visual Communicaion and Image Processing, pp. 392-409, 2001 [4] ITU Recommaion G.107, The E-model, a compuaional model for use in ransmission planning, 2003 [5] R. Cole, J. Rosenbluh, Voice over IP performance monioring, ACM SIGCOMM Compuer Communicaion Review, Volume 31, Issue 2, pp. 9-24, 2001 [6] L. Ding, R. Goubran, Speech qualiy predicion in VoIP using he exed E-model, Proc. Of IEEE GLOBECOM, 2003 [7] V. Smolacha, One-way delay measuremen using NTP synchronizaion, TERENA, 2003 PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005 5/5