Analýza zpoždění v IP telefonním systému I.

Autor: P. Bezpalec <bezpalec(at)fel.cvut.cz>, Pracoviště: České vysoké učení technické v Praze, FEL, Téma: QoS, Vydáno dne: 09. 05. 2008

Článek se zabývá rozborem vzniku a velikosti zpoždění v komunikačním řetězci mezi mluvčím a posluchačem v IP telefonním systému (VoIP). První část se věnuje vysílací straně a datové síti, druhá část je zaměřena na  přijímací stranu a shrnutí problematiky.

Úvod

IP telefonie umožňuje přenos hovoru v sítích s přepojováním paketů, založených na protokolu IP. Paketový režim přenosu dat použitý v IP sítích však představuje faktory, které mohou negativně ovlivňovat kvalitu komunikace. Jsou to zejména zpoždění (latency), změna pořadí paketů (packet order), variabilita zpoždění (delay jitter) a ztráta paketů (packet loss).

Z literatury vyplývá, že právě velikost zpoždění se významnou měrou k podílí na kvalitě hovorové konverzace. A proto bude v následujícím textu proveden rozbor komunikačního řetězce v IP telefonii s ohledem na vznik a velikosti zpoždění v jeho jednotlivých blocích.

Popis komunikace v IP telefonii

Hovorový signál mluvčího je snímán mikrofonem, který převádí modulovaný proud vzduchu na elektrický signál, a dále je zpracováván metodami digitálního zpracování řeči, kodeky, které provádějí kódování a následnou kompresi vzorků časového průběhu hovorového signálu.

Vzniklý proud dat je dále paketizován na pakety shodné délky. Ke každému paketu je přidána řídící informace (záhlaví protokolu RTP - nejčastěji) a je vyslán IP sítí směrem k adresátovi.

Průchodem IP sítí může dojít ke zpoždění, ztrátě nebo duplikování paketu. IP pakety jsou přijímány s předem nedefinovatelnými parametry významně ovlivňujícími přenos (zpoždění, variabilita zpoždění, duplikace či ztráta paketů).

Přijatá data prostupují skrze moduly zpracovávající nižší protokoly komunikace tj. na fyzické a spojové vrstvě, a jsou extrahována do IP paketů. Dále pak postupují přes vyrovnávací paměť (dejitter buffer), jejímž úkolem je vyrovnat variabilitu zpoždění a zajistit plynulý přísun dat do depaketizeru pro proces dekódování s následnou rekonstrukcí řeči.

Příchozí pakety prostupují protokolovým sloupcem vzhůru a jsou zpracovány tak, aby bylo odstraněno co nejvíce parametrů zhoršení. Některé formy zhoršení provozu (chyby, variabilita zpoždění) jsou transformovány do jiných zhoršení (celková ztráta, celkové zpoždění).

Delay_01

Obr. 1: IP telefonní systém, komponenty

Komunikační řetězec s funkčními bloky významně se podílejícími na vzniku zpoždění zobrazující výše popsanou komunikaci v IP telefonii zobrazuje Obr. 1; jsou to zejména:

Vysílací část IP telefonního systému

Zdrojem dat pro IP telefonní komunikaci je mluvčí, jehož projev je snímán mikrofonem a digitalizován. Dále již projev v digitální podobě prochází kodérem (PCM), paketizérem (RTP/UDP/IP) a řadičem rozhraní sítě (nejčastěji Ethernet).

Delay_02

Obr. 2: Model zdroje IP telefonní komunikace

Celkové zpoždění ve vysílací části IP telefonního systému je (aditivně) složeno z dílčích zpoždění v jednotlivých komponentách.

Kodér

Primární funkcí kodéru je přeměnit hovorový signál na elektrický signál a dále jet zpracovat kompresními algoritmy tak, aby se co nejvíce redukovaly požadavky na přenosové pásmo při zachování dobré srozumitelnosti, barvy hlasu mluvčího a přiměřené výpočetní náročnosti použitých algoritmů.

Zpoždění v kodéru TCD (Coding Delay) je složeno z algoritmického TCDAlg a kompresního TCDComp zpoždění.

 
Delay_vz_01
(1)

Algoritmické zpoždění vzniká při kódování vstupního navzorkovaného signálu a je dáno algoritmem zpracování kódových vzorků. Některé kódovací algoritmy pro správné zakódování k-tého vzorku potřebují znát i k+1, k+2, … vzorky, které se musí dočasně uchovat (pozdržet) ve vyrovnávací paměti.

Kompresní zpoždění je doba nutná k vykonání kompresního algoritmu, který společně zpracovává několik bloků vzorků PCM předem definované velikosti.

Zpoždění v kodéru pro nejčastěji používané kodeky ukazuje Tab. 1, převzato z [1].

Doporučení ITU-T

Typ kodeku

Algoritmické zpoždění
TCDAlg [ms]

Kompresní zpoždění
TCDComp [ms]

Zpoždění v kodéru
TCD [ms]

G.711

PCM

0

0,125

0,125

G.729

CS-ACELP

5

10

15

G.723.1

ACELP

7,5

30

37,5

G.723.1

MP-MLQ

7,5

30

37,5

Tab. 1: Zpoždění v kodéru pro známé kodeky

Paketizér

Hlavní funkcí paketizéru je zapouzdření datových bloků do paketů podle požadavků síťové vrstvy. Vzhledem k tomu, že jako síťové prostředí se používá protokol IP, který pracuje s proměnnou délkou paketu, je možno definovat libovolnou (v mezích IP protokolu) velikost datového bloku. Ovšem data se přenáší zapouzdřená postupně do protokolů RTP/UDP/IP a dle specifikace RTP, je možno přenášet max. 160 oktetů v jednom bloku.

Mezní zpoždění paketizace TPD (Packetization Delay) v kodéru pro nejčastěji používané kodeky ukazuje Tab. 2, převzato z [1].

Doporučení ITU-T

Typ kodeku

Přenosová rychlost
[kbit/s]

Velikost bloku
[oktet]

Paketizační zpoždění
TPD [ms]

G.711

PCM

64

20

2,5

G.711

PCM

64

160

20

G.729

CS-ACELP

8

20

20

G.729

CS-ACELP

8

30

30

G.723.1

ACELP

5,3

20

30

G.723.1

ACELP

5,3

60

60

G.723.1

MP-MLQ

6,3

24

24

G.723.1

MP-MLQ

6,3

60

48

Tab. 2: Zpoždění při paketizaci pro známé kodeky

V reálném provozu se paketizační zpoždění buď nastavuje přímo v parametrech kodeku nebo je nastaveno automaticky podle výběru použitého kodeku..

Při volbě kodeku je třeba zvážit i výpočetní výkon použitého zařízení. Platí, že čím nižší paketizační zpoždění, tím vyšší nárok na výkonnost výpočetního systému komunikujícího zařízení.

Řadič rozhraní sítě

Primární funkcí řadiče rozhraní sítě je vyššími vrstvami vytvořený paket odeslat prostřednictvím síťového rozhraní přes přenosové prostředí do sítě. Zpoždění, které vzniká při tomto procesu, se nazývá serializační, TSER (Serialization delay). Zřejmě závisí na rychlosti přenosového média v a na celkové velikosti paketu LP, tj. velikost záhlaví + velikost datové části

 
Delay_vz_02
(2)

Serializační zpoždění TSER je pevné zpoždění a jeho hodnoty pro nejčastěji užívané kodeky a přenosové rychlosti jsou vyneseny v Tab.3. Nepříznivě se projevuje při pomalých přenosových rychlostech, malých velikostech paketu.

Velikost paketu
LP [oktet]

Přenosová rychlost rozhraní v

64 kbit/s

1 Mbit/s

100 Mbit/s

1 Gbit/s

512

64,00

0,000410

0,000040960

0,000004096

768

96,00

0,000614

0,000061440

0,000006144

1024

128,00

0,000819

0,000081920

0,000008192

1500

187,50

0,001200

0,000120000

0,000012000

Tab. 3: Hodnoty serializačního zpoždění TSER [ms]

Serializační zpoždění při řazení paketu o velikosti LP = 1500 oktetů na rozhraní o přenosové rychlosti v = 100 Mbit/s je 120 μs, což je vzhledem hodnotám ostatních parciálních zpoždění zanedbatelné.

Datová síť mezi dvěma komunikujícími koncovými body je tvořena směrovači vzájemně propojenými přenosovými prostředky. Průchodem paketů IP sítí může dojít k jejich zpoždění, variabilitě zpoždění, ztrátě nebo duplikování.

Směrovače

Úkolem směrovače je přijmout paket na libovolném vstupním rozhraní od koncové stanice nebo předcházejícího směrovače a rozhodnout, jakým výstupním rozhraním bude tento paket poslán dál do zbývající části sítě.

Delay_03

Obr. 3: Datová IP síť se směrovači

Podle způsobu práce směrovače je možné je dělit na role, viz Obr. 3

  • přístupové – připojují koncová zařízení, tj. zdroje a cíle datového provozu, tvoří základní lokální sítě, LAN
  • distribuční – spojují LAN do větších celků, nemusí se nacházet ve všech sítích
  • páteřní – propojují geograficky vzdálené distribuční nebo i přístupové směrovače pomocí vysokorychlostních (obvykle dvoubodových) spojů a tvoří páteř, hlavní spojnici, datové sítě

V každém směrovači je paket zpožděn po dobu, která je dána

  • zdržením paketu ve vstupní vyrovnávací paměti směrovače
  • zdržením při výpočtu směrování
  • zdržením paketu při řazení do výstupního rozhraní

Doporučení ITU-T Y.1541 a Tab. 4, definuje průměrné zpoždění paketu ve směrovači podle jeho role.

Role směrovače

Průměrné celkové zpoždění

Změna zpoždění

přístupový

TRacc = 10 ms

16 ms

distribuční

TRdistr = 3 ms

3 ms

Páteřní

TRcore = 2 ms

3 ms

Tab. 4: Podíl na zpoždění ve směrovač podle jeho role

Při výpočtu celkového zpoždění na trase od zdroje komunikace k cíli se z celé datové sítě vezme pouze její fragment, který postupuje cestou s N směrovači, (za předpokladu > 2). Z toho vždy 2 směrovače jsou přístupové a N-2 páteřní. Celkové zpoždění TR je tedy

 
Delay_vz_03
(3)

Přenosové prostředky

Zpoždění dat putujících přenosovými prostředky je způsobeno fyzikálními vlastnostmi přenosového prostředí. Toto přenosové zpoždění TPROP (Propagation Delay) je možno pozorovat u elektrického signálu ve vodiči, světelného signálu v optickém vlákně nebo při šíření elektromagnetické vlny prostorem. Každé přenosové prostředí je charakterizováno faktorem NVP (Normalized Velocity of Propagation), který udává, kolikrát pomaleji se šíří signál konkrétním prostředí ve srovnání s rychlostí světla (c = 3.108 ms-1).

 
Delay_vz_04
(4)

Přenosové zpoždění TPROP obecně je, viz vztah (2), přímo úměrné délce přenosového prostředí L a nepřímo úměrné rychlosti šíření v daném prostředí v.

 
Delay_vz_05
(5)

Při výpočtu celkového zpoždění na trase od zdroje komunikace k cíli se z celé datové sítě vezme pouze její fragment, který postupuje cestou s N směrovači a N+1 přenosovými trasami o délkách Li. Celkové zpoždění TPROP je pak dáno součtem zpoždění v jednotlivých úsecích mezi směrovači

 
Delay_vz_06
(6)

Za předpokladu, že jednotlivé úseky mezi směrovači trasy jsou rovnocenné z pohledu zpoždění, není počet směrovačů na trase významný a důležitá je pouze celková délka trasy L, tedy vztah (18).

Z uvedených vztahů vyplývá, že hodnota přenosového zpoždění je přibližně 4,83 μs na 1 km optické trasy (při NVP = 0,69). V porovnání s hodnotami jiných zpoždění ovlivňující přenos hovoru je hodnota zpoždění TPROP i pro rozsáhlejší lokální sítě zanedbatelná (L < 10km, TPD < 48,3 μs). Uplatnilo by se pouze v případě použití velmi dlouhých transkontinentálních tras.

Tento příspěvek vznikl za podpory výzkumného záměru MSM6840770014 - Výzkum perspektivních informačních a komunikačních technologií.

Literatura

[1] Understanding Delay in Packet Voice Networks [online]. Cisco Systems, Inc., c2006-2007, poslední aktualizace 2007-03-05 [cit. 2007-05-05]. Dostupné z: http://www.cisco.com/warp/public/788/voip/delay-details.html
[2] Thomsen, G. – Jani, Y. Internet telephony: going like crazy. IEEE Spectrum, Vol. 37, No. 5, s. 52-58, květen 2000.
[3] ITU-T G.1020 – Quality of service and performance – Generic and user-related aspects. ITU-T Study Group 12, July 2006.
[4] Bezpalec, P. Hodnocení hovorové komunikace v IP sítích. [Doktorská práce (Ph.D.)]. Praha: ČVUT FEL, Katedra telekomunikační techniky, 2007. 68 s.