Analiza kvaliteta usluga multimedijalnih telekomunikacionih mreža Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Profesor dr Milojko Jevtovk, dipl. ini. Vojnotehnitki mstiiut VJ.

Beograd

ANALIZA KVALHETA USLUGA MULTIMEDIJALNIH TELEKOMUNIKACIONIH MREŽA

UDC: 621.39:65.012.7

Retime:

Kvalitet usluga QoS (Quality of Service) - multimedijalnih telekomunikacionih mrela razmoiran je preko nivoa performansi, kaiegorija parametara kvaliteta, trantlacije parametara, kao i zahteva za saobraćaj i kvalitet prenosa u telekomunikacionoj mreli. Prezentirani su parametri kvaliteta govomih i audio signala, video signala, grafičkih dokumenata i podataka. Analizirani su QoS parametri kvaliteta A TM multimedijalnih mrela. QoS predstavlja jedan od valnih potaznih elemenata u projektovanju i realizaciji multimedijalnih mrela. S obzirom na to da je QoS odreden skupom od nekoliko desenna parametara, problem je kako te se njime upravljati ako u mreii dode do degradacije kvaliteta. V radu je predlolen originalni algoritamski postupak za analizu i upravljanje QoS-om multimedijalne mrele.

Kljućne reči: multimedijalne telekomunikacione mrele, kvalitet usluga, a/taliza kvaliteta, upravljanje kvalitetom, parametri kvaliteta.

MULTIMEDIA COMMUNICATIONS QUALITY OF SERVICE ANALYSIS

Summary:

This paper present the analysis of the multimedia communication quality of service (QoS) and a new concept for the QoS management. One of the main questions with respect to the real-time multimedia information over traditional and next generation networks is the quality of service, and how to manage the QoS. This paper offers one possible solution.

Key words: mulrimedia networks, Quallity of Service - QoS, quality analysis, quality management, parameters of quality.

Uvod

Multimedijalne telekomunikacione mreže, za razliku od klasićnih monomedi* jalnih mreža (telefonska mreža, mreža za prenos podataka, telegrafska mreia, tele-faks mreža, mobilna telefonska mreža, mreža za distribuciju video signala, itd.), omogućavaju korisniku komunikaciju sa jednim ili viSe učesnika istovremeno, raz-menom informacija u više medija kao što su: govor, audio signali, štampani ili ru-

kom pisani tekst, podaci, grafika, video siike i siično, pri čerau se takve poruke mogu računarski procesirati. U takvoj komunikaciji korisnik raspolaže jednim kanalom veze potrebnog propusnog opse-ga, kapaciteta (informacionog protoka) i kvaliteta. Poseban značaj u multimedijal-noj komunikaciji ima kvalitet usluga (u daijem tekstu QoS). Taj značaj ogleda se u sledećem:

- pri projektovanju multimedijalnih mreža QoS definiše kriterijume za ocenu

622

VOJNOTEHNIČKI GLASN1K 6fX01.

mogućnosti date telekomunikacione strukture (sistema veza) za izgradnju mul-timedijalne mreže;

- zahtevani parametri QoS-a direk-tno utiču na cenu realizacije multimedijalne telekomunikacione ili računarske mreže.

Opšte o kvalitetu usluga

Definicije Q0S-0

Pri projektovanju i realizaciji multi* medijalne mreže ili određenih multimedi-jalnih aplikacija nezaobilazan je izbor određenog QoS-a. Analiza ponašanja određene mreže u eksploataciji, izbor algoritama rutiranja saobraćaja i imple-mentacija nekog algoritma za sinhroniza-ciju zasnivaju se na željenom QoS*u. Ne postoji jedinstvena definicija QoS-a, već više definicija koje opisuju tehničke per* formanse prenosa multimedijalnih po-ruka u zavisnosti od karakteristika date mreže i vrste multimedijalne aplikacije. Preporukom E.800 Međunarodne unije za telekomunikacije (ITU-T) kvalitet usluga se definiše kao efekat performansi usluge kojim je određen stepen zadovolj* stva korisnika datom uslugom [1]. Na sličan način, u dokumcntu Foruma za multimedijalne telekomunikacije (oznake MMCF/95-010), QoSse definiše kaoskup karakteristika usluge koje određuju stepen zadovoljstva korisnika ponudenom telekomunikacionom uslugom.

Preporukom ITU-T X.902 kvalitet usluga se definite kao skup zahteva u pogledu kvaliteta koji opisuju grupno ponašanje jednog ili više objekata medija [2]-

U ATM (Asynchronous Transfer Mode - asinhroni način transfera) leksi-konu QoS se definite kao termin koji se

odnosi na skup parametara za opisivanje ATM karakteristika kvaliteta, koje ka-rakterišu saobraćaj na konkretnom vir-tuclnom putu ATM veze. U ovom slučaju parametre kvaliteta čine: verovatnoća gu-bitka ćelija, broj pogrešno prenetih ćelija, stepen pogrešno ubačenih ćelija, kašnje-nje ćelija u prenosu. varijacija kašnjenja ćelije, kapacitet transfera ćelija, verovat-noća bitske-greške (BER) i drugi. Uočava se da je kod ATM-a QoS definisan sku-pom parametara koji se mogu kvantita* tivno meriti.

Zahtevi za QoS

U tehničkom pogledu QoS predstav-lja skup merljivih performansi, odnosno karakteristika multimedijalne mreže, među kojima su najznačajnije sledeće:

- raspoloživost (Availability). U idealnom slučaju mreža treba da bude raspoloživa u 100% radnog vremena. Što u realnim uslovima eksploatacije nije ostvarivo. Kvalitetnim se smatraju one mreže čija raspoloživost iznosi 99,9999% radnog vremena („šest devetki“), što od-govara jednom prekidu u trajanju 2,6 sekundi mesećno [3];

- efektivni kapacitet ili propusna sposobnost (Throughput). Ovaj parame-tar označava efektivnu brzinu prenosa podataka, izraženu brojem prenetih in* formacionih bita u sekundi. Ova veličina je manja od kapaciteta kanala i bitskog protoka u mreži. U multimedijalnim mre* žama definiše se efek*.ivna propusna sposobnost, odnosno, najniža brzina prenosa informacija;

- gubitak paketa (Packet loss) u mreži nastaje kada dođe do prepunjava-nja bafera u komutacionim sistemima i ruterima, kao posledica čekanja paketa u redovima za usmeravanje, odnosno ruti-

VOJNOTEHNlCKI GLASNIK 6QOOI.

623

ranje. Do gubitaka paketa, takođe, može doći ako se usled grešaka u prenosu paket usmeri na pogrešno odredište. U mrežama sa dobro rešenim upravljanjem gubitak paketa prosečno iznosi manje od 1% mesečno;

- kašnjenje (Latency). Vreme po-trebno da se paketska poruka prenese od izvora do odredišta definite se kao ka-šnjenje. Veličina kaSnjenja zavisi od niza faktora kao što su: kašnjenje pri kodova-nju - dekodovanju i kompresiji - dekom-presiji. kašnjenje zbog paketizacije, ka-šnjenje u prenosu, kaSnjenje propagacije po različitim medijima prenosa, kašnjenje pri komutaciji, kašnjenje zbog čekanja u baferima, kašnjenje pri reasembliranju poruke, itd.;

- varijacija kašnjenja (Jitter). Na po-javu džitera, ili varijacije kašnjenja, utiču brojni faktori kao što su: varijacija dužine redova čekanja paketa, varijacija vre-mena obrade paketa, varijacija trajanja vremena reasembliranja paketa, itd.

Karakteristtike multimedijalnog

saobraćaja

Kvalitet usluga i efikasnost upravlja-nja kvalitetom QoS*om znatno zavise od karakteristika multimedijalnog saobraća-ja. Priroda multimedijalnog saobraćaja zavisi od toga da li se prenos u mreži obavlja konstantnim ili promenljivim bit-skim protokom, a takode i u kojoj men je saobraćaj osetljiv na kašnjenje složenih multimedijalnih poruka koje se prenose i drugih elemenata.

U tabeli 1 prikazane su razlike iz-medu multimedijalnog saobradaja i sao-braćaja u tradicionalnim telekomunika-cionim mrežama.

U multimedijalnim mrežama zahte-vaju se velike brzine prenosa u odnosu

Tabela 1

Uporedenje karakteristika multimedijalnog sao-braćaja i saobraćaja u trcdicionalnim mreiama

Karakterislikc saobraćaja Saobraćai u iradicionalnim mrežama Multimedijalni saobraćaj

Brzina prenosa male velika

Osobine saobraćaja ,.naletni“ izrazito „naletni"

Zahicvi za pouzdani prenos bez gubitaka mali gubtci

Zahtevi za kaSnjenje ncma malo.npr. 20-30 m:

Natin komunikaeije taćka-tačka izmedu višc taiaka (multipoint)

Vremenska zavis-nost prenosa nema sinhronizovan prenos

na tradicionalnc mreže, a saobraćaj je izrazito ,,naletniM, Što znači da u kratkim vremenskim intervalima treba preneti veoma veliku količinu informacija. Od multimedijalnih mreža zahteva se prenos poruka (govor, video slika) u realnom vremenu, a pri tome se mora obezbediti sinhronizovani prenos. Zahtevi za bitske brzine prenosa i osetljivost u prenosu različitih tipova informacija u multimedi* jalnoj komunikaciji prikazani su u tabe-li 2.

Multimedijalne aplikacije u realnom vremenu znatno se razlikuju po karakte-ristikama od aplikacije tradicionalnih ra-čunarskih, odnosno telekomunikacionih mreža. Razlike se ogledaju u:

- vedoj osetljivosti na promene QoS parametara u odnosu na klasične aplikacije. Multimedijalne aplikacije u realnom vremenu (tabela 2) osetljive su na kaSnjenje i greške, odnosno gubitak segmenata poruke. Kod multimedijalnih aplikacija nije moguća primena metoda i tehnika za korekciju grešaka nastalih u prenosu;

- velikom broju multimedijalnih informacija u realnom vremenu koje gene-rišu kontinualan saobraćaj u dužem pe-

624

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 6T2001.

Tabela 2

Zahtevi za protok i osetljivost u prenosu različitih tipova informacija

Karakteristikc saobraćaja Tip informaeije Bitski protok (hft) Osetljivost na kaSnjenjc Osctljivost na greSke

Kontinualni dupleksni saobraćaj (dijalog. kooperaeija) - telefoniia, govor - video „licem u lice** (H.26I, H.263, MPEG-1) 5,3k-64k 128k-2M mala mala velika srednja

Kontinualni simpleksni saobraćaj (distribueija. kooperaeija) - Hi Fi audio - standardni TV video (MPEG-2) - studijski kvalitet TV video signala (pokret. JPEG) 192 k-1.4 M do 10M 20M-50M velika srednja srednja srednja mala mala

Naletni saobraćaj (razme-na poruka, transakeije. distribueija, kooperaeija) - stike visoke rezolueije - podaei (transfer fajlova) - upravljački podaei 64k-8M 64k i veći 16k velika velika mala srednja srednja mala

JPEG (Joint Photographic Expert Group) MPEG (Motion Picture Expert Group) RPC (Remote Procedure Call)

riodu. Zbog toga mrcža mora u kontinui-tetu da obezbedi potrebne resurse;

- specifičnostima multimedijalnog saobraćaja koje $e ogledaju u njegovoj „naletnosti4*, odnosno nepredvidivosti u smislu pojave zahteva za posluživanje. To otežava proceduru dodele potrebnih resursa zahtevanoj vezi. Tako, na primer, dodeia resursa na bazi prosečne bitske brzine ne može da obezbedi zahteve QoS-•a, a dodeia resursa na bazi maksimalnih brzina dovodi do smanjenja efikasnosti mreže. To se. svakako, odnosi na mreže koje podržavaju komunikaeiju promenlji-vim brzinama.

Nivoi kvaliteta iisluga

U određcnoj mreži nivo kvaliteta njenih QoS performansi (tabela 3) može biti:

- garantovan, u slučaju kada multi-medijalna mreža obezbeđuje korisniku garantovan kvalitet usluga. Garantovani QoS obezbeđuje se analizom tzv. „worst-«case“ saobraćaja i rezervaeijom resursa potrebnih za realizaeiju zahtevanog QoS--a. U slučaju kada se QoS ovako obezbe-

đuje, mreža će imati maii stepen iskoriš-ćenja resursa;

- statistički, u slučaju kada je mala verovatnoća da zahtevani QoS neće biti realizovan. Statistički QoS se realizuje na bazi analize statističkih parametara sao* braćaja, na osnovu koje mreža sprečava degradaeiju QoS-a ispod unapred defini-sanog nivoa;

- prediktivni, kada mreža pokušava da obezbedi QoS uz mogućnost neuspelih pokušaja. Nadgledanjem stepena iskoriS-ćenja resursa mreže i QoS performansi

Tabela 3

Nivoi QoS performansi

Nivo QoS performansi Reatizacija zahtevanog QoS parametara 0 QoS pouzda- nost Korišće-nje resursa

Garantovan Qje garantovan velika maio

Statistićki mala verovatnoća da Q neće biti realizovan velika malo

Prediktivni mreža pokušavada obezbedi Q uz mo-gućnost neuspcSaih pokuSaja velika malo

-Best* -effort" Q se ignoriJe pri obezbedivanju usluge mala veliko

VOJNOTEHNlCKI GLASNIK 6/2001.

625

vrši se adaptacija u skladu sa promenje* nim uslovima u mreži, kako bi se time ostvario zahtevani QoS;

- „best-effort“, u slučaju kada se QoS ignoriSe pri obezbeđivanju usluge, a tipičan primer su tradtcionalne LAN/ WAN mreže. Ovakav QoS nije pogodan za distribuirane mreže, zbog toga što ne uzima u obzir specifične zahteve odre-đene aplikacije koje zahteva odgovarajući nivo QoS-a.

U tabeli 4 prikazani su nivoi kvaliteta različitih usluga, kao što su: prenos go-vora i audio signala, prenos video signala, prenos dokumenata i grafike i prenos podataka.

Kategorizacija i translacija QoS parametara

S obzirom na složenost problema određivanja i obezbeđenja QoS razlikuju se kategorije QoS-a. U tabeli 5 prikazana

Tabela 4

Nivoi kvaliteta usluga

Službc Nivo kvaliteta usluga

Prenos audio signala telefonski govomi signal (300x 3400 Hz) MPEG kvalitet govomog signala Hi-Fi kvalitet audio signala CD-kvalitet audio signala studijski kvalitet audio signala

Prenos video signala slika male rezolucije (128 x 220 piksela) VCR (Video Cassete Recorder) kvalitet TV studijski kvalitet slike TV visoke dcfinkijc (HDTV) MPEG-L kvalitet slike MPEG-2 kvalitet slike MPEG-4 kvalitet slike

Prenos dokumc-naia i grafike grafički dokumenti male rezolucije dokumenti prcncti faksimilom grupe 3 dokumenti preneti faksimilom grupe 4 mime slike i dokumenti visoke rezolucije (256 nijansi) mirne slike u boji visoke rezolucije

Prenos podataka prenos fajlova sa kašnjenjem prenos fajlova sa ograničenim kašnjenjem

Tabelo 5

Kategorizacija QoS parametara

Kategorija Primeri parametara

Performanse ka5njenje od kraja do kraja. bitska brzina

Format video rczolucija. brzina prenosa rama. Serna kompresijc. mcmorijski medij

Sinhronizadja kaSnjenje izmedu audio i video sekvenci

Cena cena vezei prenosa

Korisnik subjektivni kvalitet slike i zvuka

je podela QoS parametara u pet katego-rija sa primerima njihove primene.

Složenost QoS-a ogleda se, pored ostalog, u postojanju lazlika između parametara koji se odnose na aplikaciju i mrežnih QoS parametara. Poseban zna-čaj ima veza između tih parametara, od-nosno pretvaranje (mapiranje) korisnič-kih - aplikativnih QoS parametara u mrežne QoS parametre.

Na slid 1 prikazana je transiacija percepcijskih u aplikativne, a aplikativnih u mrežne QoS parametre i obratno. Jedna opšta klasifikacija QoS-a prikazana je na slid 2. Vidi se da je QoS definisan prema određenom korisniku (percepcija, aplikacija) i prema sistemu (terminal, mreža, prenos). Mapiranjem se postiže

SL 1 - Translacija QoS parametara

626

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 6Q001.

povezivanje, odnosno translacija jednog u drugi QoS.

MuHimedijalna mreža mapira aplika-tivne QoS zahteve u skup parametara koji opisuju multimedijaini terminal, pro* tokole i mrežu. Karakteristike terminaia i mrežnih elemcnata koji su angažovani u procesu multimedijalnc komunikacije dcfinišu se preko aplikativnih QoS parametara. Tako, na primer, kvalitet video signala definite se brzinom prenosa ra* mova (15 ili 30 ramova/s), veličinom rama (visina x širina) izraženom u pikse* lima i drugim.

Parametri koji se koriste za opis kvaliteta individualnih medijuma, od ko-jih se formira multimedijalna poruka, nazivaju se parametrima kvaliteta medijuma. Parametri kvaliteta medijuma mogu se podeliti na „interfrejm** i „intrafrejm" parametrc. Prva grupa parametara od-nosi se na karakteristike homogenog niza odredenog medijuma, kao što su veličina odmerka, brzina odmeravanja, protok, itd. Druga grupa parametara omogućava opisivanje razlika u kvalitetu pojedinih odmeraka medijuma, kao što je kašnjenje ili pomak izmedu dva medijuma, npr. izmedu govomog i video signala.

Prenosni sistem multimedijalne mreže konfiguriše se mrelnim QoS parametrima, koji opisuju zahteve koji se odnose na kvalitet mrežne infrastrukture, odnosno mrežnih resursa (3).

Analiza parametara kvaliteta usluga

Pri projektovanju multimedijalnih (računarskih, telekonunikacionih) mre-ža, kroz projektne zahteve, definišu se aplikaeije koje treba ba budu obezbedene korisnicima mreže (4). Svaki tip aplikaeije zahteva odredenu Sirinu propusnog op-sega kanala u multimedijalnoj mreži.

Na slici 3 prikazani su potrebni pro-pusni opsezi za razlićite multimedijalne aplikaeije kao što su: govorni i audio signali, video pošta, video konfereneija, video na zahtev uz primenu kompresije (MPEG algoritam), standardna TV video slika i virtuelna realnost.

Po pravilu, preko multimedijalne mreže prenose se različiti tipovi signala. U tabeli 6 prikazana su tri tipa signala, i to:

- audio signali (uskopojasni govor, širokopojasni govor, CD audio signali);

VOJNOTEHNIĆKl GLASNIK 6/2001.

627

AUDIO

SIGNAL!

video poSta

VIDEO KONFERENCUfl

VIOEO

NAZAHTEV

KVALITET

VIDEO-TV

VIRTUEINA

STVARNOST

I I Prer os podataka

] Sporo

( ovor

loOkb/s

promenljivi1 ideo

1 Mb/s

Virtuelna reolfiost

[=z

MPEG vid o

) A jdiovizudne 1 onlerencije

)TV video

10 Mb/s

i

100 Mb/s

SI. 3 - Propusni opsezi za raziićite muitimedijalne aplikacje

Tabela 6

Karakteristike standardnih formata za govor, mime slike i video signale

Tip audio signala Frckvcntni opscg Brzina odmcravanja Bita po odmcrku Nekomprimovana bitska brzina Maks, stepen kompresije

Uskopojasni govor 200-3200 Hz 8 kHz 16 128 kb/s 30:1

Sirokopojasni govor 50-7000 Hz 16 kHz 16 256 kb/s 15:1

CD Audio 20-20000 Hz 44.1kHz 16x2 kanala 1,41 Mb* 22:1

Tip slike Tačaka po ramu Bita po tački Nekomprimovana veličina Maks, stepen kompresije

FAXIMIL4 1700x 2200 1 3,74 Mb 100:1

VGA 640x480 8 2,46 Mb 100:1

XVGA 1024 x 768 24 18,87 Mb 100:1

Tip video signala Tačaka po ramu Ramova u slici Bita po ta£ki Nekomprimovana brzina Maks, stepen kompresije

HDTV 1920x 1080 30 12 746,5 Mb/s 100:1

NTSC 480x483 30 16 111.2 Mb/s 100:1

PAL 576x576 25 16 132.7 Mb/s 100:1

CIF 352x288 15 12 18.2 Mb/s 100:1

CIF-2 320x240 15 8 9.2 Mb/s 100:1

QCIF 176x144 10 12 3.0 Mb/s 100:1

QCIF-2 176x144 10 8 2,03 Mb/s 100:1

628

VOJNOTEHNIĆKI GLASNIK 6Q001.

QoS zahtevi za prenos audio sigrtala

Tabela 7

QoS parametar Opseg Opis

Kainjenje od 0-150 ms prihvatljivo za većinu aplikacija

kraja do kraja 150-400 ms degradacija kvaliteta kod nekth aplikacija

Cubitak paketa šio1 telefonija

16 kb/s telefonija

32 kb/s audio konferenrija

Propusni opseg 64 kb/s 128 kb/s \ CD audio kvalitet

192 kb/s Komprimovani MPEG audio signali

Brzina 8 kHz telefonski kvalitet govora

odmeravanja 16 kHz CD audio kvalitet

Tabela 8

QoS zahtevi za prenos video signala

QoS parametar Opseg Opis

64 kb/s-2 Mb/s H.261 video konferencijski sistemi

1-2 Mb/s MPEG-1 VCR kvalitet

2-4 Mb/s MPEG-2 komprimovani studijski TV kvalitet

3-6 Mb/s nckomprimovani TV HDTV. MPEG-2 kompresija

Bitska brzina 140-166 Mb/s

25-34 Mb/s HDTV, kompresija sa gubicima

500 Mb/s 21 Gb/s HDTV, nekompnmovani

<10J nekomprimovani video

Gubitak paketa si On kompnmovani video

Kalnjenje od 250 ms video telefonija

kraja do kraja 200 ms JPEG video prenos

10 ms video telefonija

D&ter 5 ms JPEG video prenos

Faktor 2:1 HDTV, kompresija bez gubitaka

kompresiic 50:1 HDTV, kompresiia sa eubicima

- mima slika, grafika (faksimil grupe 4, VGA, XVGA);

- video signal! (HDTV, NTSC, PAL, C1F, CIF-2, QCIF, QCIF-2).

U tabeli 6 prikazani su: širina fre-kvencijskog opsega, brzina odmeravanja pri konverziji analognih signala u digitalni oblik, bitska brzina potrebna za prenos nekomprimovanih signala i maksimalni mogući stepen kompresije za pomenute tipove signala. Za svaki tip signala defi-ni$u se posebni QoS zahtevi, odnosno QoS parametri kvaliteta.

U tabeli 7 prikazani su QoS parame-tri: kašnjenje od kraja do kraja veze, granična dozvoljena verovatnoća gubitka paketa govornog signala, propusni opseg za odgovarajući nivo kvaliteta usluge i brzina odmeravanja pri analogno-digital-noj konverziji govomih signala. QoS parametri dati su za različite aplikacije, odnosno nivoe usluga.

U tabeli 8 prikazani su QoS zahtevi za prenos video signala u multimedijal-nim telekomunikacionim mrežama.

VOJNOTEHNICKI GLASNIK 6/2001.

629

Tabela 9

Parametri kvaliteta govornog signala

Parametri kvaliteta Definicija kvaliteta i zahtevi

MOS (Mean Opinion Score - srednja subjektivna ocena) Subjektivna mera kvaliteta dobijena testiraniem grupe slušalaca. Krcće se od ocene 5 (odlićan) do 0 (nepnhvat-Ijivo). Tipifne vrednosti za VoIP kreiu se izmedu 3,5 do 4,2

PSQM (Perceptual Speech Quality Measure - pcrcepcijska mera kvaliteta govora) Objcktivna mera za kvalitet govomog signala. Dobija se pri prenosu govomog test-signala kroz mrežu. Poreae se referentni i primljcni test-signali.

QDU (Quantization Distorsion Unit -izoblifienja signala pri kvantovanju) Mera izobličenja govomog signala, koje nastaje pri kvantovanju i kodovanju.

R-faktor Koristi se za ocenjivanje kvaliteta govora pri prenosu kroz mreiu od usta do uha. Primcnjuje se za procenu MOS rezultata.

Kašnjenje govornog signala pri obradi i prenosu kroz komunikacionu mreiu 0 do 25 ms odličan kvalitet 25 do 150 ms dobar kvalitet 150 do 300 ms zadovoljava 300 do 450 ms degradiran veće od 450 ms neprihvatljiv kvalitet

Varijacija kaSnjenja (džiter) Video konfereneija do 130 ms, Govorni signal ispred video signala < 20 ms Govomi signal iza video signala < 120 ms MPEG govomi signal <0,1 ms

U ovom slučaju QoS parametri su: bitska brzina za različite nivoe kompresije ili percepcijskog kvaliteta video signala, dozvoljena verovatnoda gubitka paketa komprimovanog i nckomprimovanog video signala, kašnjcnje u prenosu od kraja do kraja veze, dopuštena vrednost džitc-ra, kao i opseg faktora kompresije televi-zijskog video signala visoke definicije (HDTV).

Pored QoS parametara prenosa signala definišu se tzv. percepcijski parametri QoS-a.

U tabeli 9 prikazani su percepcijski parametri kvaliteta govornog signala.

Parametri kvaliteta govornog signala (5) koji omogudavaju ocenu vernosti, ra-zumljivosti i drugih karakteristika su:

- MOS - Mean Opinion Score, predstavlja meru za kvalitet govora, od-nosno subjektivnu ocenu kvaliteta koja se dobija testiranjem grupe slušalaca. Vrednost MOS-a kreće se od ocene 5

(odlično) do ocene 0 (neprihvatljivo). Vrednosti MOS parametara za različite algoritme kompresije - dekompresije go-vomog signala prikazane su na slid 4 [6];

- PSQM - Perceptual Speech Quality, predstavlja objektivnu meru za kvalitet govora koji se dobija pri prenosu ispitnog test-go vomog signala kroz mrežu i njegovog poredenja sa referentnim sig-nalom na odrcdištu;

- QDU - Quantization Distortion Unit, predstavlja meru izobličenja, koje je nastalo pri kvantizaeiji, odmeravanju i kodovanju govornog signala. Ne predstavlja najpogodniju meru kvaliteta za performanse modernih najnovijih algori-tama za kompresiju i kodno predstavlja-nje govornih signala;

- R - faktor, predstavlja metodu ocenjivanja kvaliteta prenosa govora u datoj telekomunikacionoj mreži. Obično se koristi za procenu MOS rezultata. Kategorije kvaliteta prenosa govora pred-

630

VOJNOTEHNICKI GLASNIK 6/2001.

_ Opseg R - vrednosti 100-90 90-80 80-70 70-60 60-0

Kaicgorija kvaliteta najbotii visok srednji nizak vrlo slab

prenosa govora (best) (high) (medium) (low) (very poor)

stavljene opsezima vrednosti R-faktora prikazane su u tabeli 9b [7];

- Delay - kašnjenje kojim se defi-nišu dozvoljena granična kašnjenja go vora u odnosu na zahtevani kvalitet. U tabeli 9 prikazani su nivoi kvaliteta (o-cene kvaliteta) u zavisnosti od veličine kašnjenja;

- Jitter - džiter predstavlja varijaciju kašnjenja u mreži. Nastaje u slučaju kada se paketi govomog signala (slično važi i za druge multimedijalne poruke, odnosno pakete) prenose sa različitim kašnjenjem.

Za odredene multimedijalne aplika-cije definiše se granično kašnjenje i mak-simalni džiter paketa od kraja do kraja veze. U tabeli 10 prikazane su dozvoljene granične vrednosti kašnjenja i džitera za neke audio i video službe. Vrednosti

intermedijalnog kašnjenja kod nekih mul-timedijalnih aplikacija prikazane su u tabeli 11.

Tabeta 10

Kainjenje i varijacija kairjenja (dliler) za audio i video sluibe

Služba KaSnienie Džiter

(primcoa) (ms) (ms)

64 kb/s video konferencija 300 t30

1.5 Mb/s MPEG video signali 5 6.5

20 Mb/s HDTV video signali 0,8 1

16 kb/s

komprimovani govomi signali 30 0.1

2S6kb/s MPEG govomi signali 7 0.1

VOJNOTEHNIĆKI GLASN1K W2001.

631

Tabela 11

Vrednosii intermedijalnog kainjenja u nekim mul-timedijalrtim apUkacijama

Multimcdijalna primena Kainjenje

audio-ftekst ili slika (veza point to point) grubo kašnjonj« < 1 $

audio+video (veza multipoint - multipoint) erubo kaSnjcnjc < 200 s fmo kainjenjc: - audio unapred prema videu < 20 s - video unapred prema audiu < 120 s

komolcksna konfereneija audio+video ^+ slika+tekst grubo kaSnjcnje < 200 s fino kašnjenjc: - audio unapred prema videu < 20 s - video unapred prema audiu < 120 $

Analiza parametara kvaliteta usluga

ATM mreža

Koncepcija ATM mreža zasniva se na prenosu i komutaciji digitalnih signala u formi paketa fiksne dužine 53 bajta, od čega 5 bajtova dini zaglavlje, a 48 bajtova sadrži korisničku informaciju. Takav pa-ket nazvan je ćelija kako bi se napravila razlika izmedu ATM-a i paketskog pre-nosa u računarskim mrežama.

ATM mreže realizuju se sa ciljem da se u njima po jednom kanalu obezbedi istovremeni (simultani) prenos govora. audio i video signala, grafidkih poruka i podataka, odn. da obezbedi prenos mul-timedijalnih poruka. Za svaki tip medija mreža treba da obezbedi prihvatljivi nivo kvaliteta performansi. Nije jednostavno da se pri istovremenom prenosu različitih vrsta poruka, za svaku od njih obezbedi zahtevani kvalitet. Nije u pitanju samo zahtevana širina propusnog opsega, već problemi koji se odnose na uticaj kašnje-nja i grešaka nastalih u prenosu i trajanju prenosa poruke [8].

Međunarodna unija za telckomuni* kaeije, odnosno ITU-T, svojom preporu-kom I.35B definisala je za ATM, odnosno širokopojasnc mreže, slučajeve koji se mogu dogoditi pri prenosu delija kroz ATM mrežu [8]:

- uspešno preneta delija (Successfully Cell). Ćelija dolazi na odredište sa kašnjenjem koje je manje od T. Nema uticaja grešaka na informacioni sadržaj (Payload) ćelije. Ćelija mora stići na odredište u definisanom vremenu, ali to ne znadi da u informacionom sadržaju ne može biti grešaka;

- delija sa greškom (Errored Cell). Ćelija dolazi na odredište sa najmanje jednom detektovanom bitskom greškom u informacionom polju ćelije. Druga mo-gudnost je da postoji nekoliko bitskih grešaka u informaeiji koju nosi ćelija, pri demu je broj grešaka N (N>1). Broj dozvoljenih grešaka nije definisan, odnosno ITU-T ga nije scandardizovao. Pri-hvatljiva vrednost bi mogla biti N=2;

- izgubljena delija (Lost Cell). Ćclija nekada ne stigne na odredište ili stigne sa kašnjenjem vedim od T. U tom sludaju se primljena delija odbacuje;

- ubadena delija (Inserted Cell). Će-lija sadrži nedetektovanu grešku u svom zaglavlju ili je pogre&no usmerena u ne-kom dvoru ATM mreže, usled Čega je dospela na pogrešnu destinaeiju.

Imajudi u vidu navedene slučajeve koji se mogu pojaviti u komunikaeiji, performansc ATM mreže karakterišu sic-dedi parametri kvaliteta:

1. Verovatnoda (stepen) gubitka delija (Cell Loss Ratio), koja se definiše odnosom broja izgubljenih delija prema zbiru broja izgubljenih i uspešno prenetih (isporudenih korisniku).

2. Brzina ubacivanja delija (Cell Insertion Rate), koja se definite kao broj

632

VOJNOTEHNlCKI GLASMK 60001.

ubačcnih ćelija u niz otprcmljenih ćelija u datom kanalu ATM mreže, u posmatra-nom vremenskom intervalu ili u jedinici vremena za određenu vezu. Ovaj parame-tar definiSc ITU-T. ATM forum koji $e, pored ostaiog, bavi standardizacijom u oblasti ATM, redefinisao je prethodni parametar uvodeći novi parametar stepen ubacivanja ćelija (Cell Insertion Rate). Po novoj definiciji stepen ubačenih ćelija meri se kao ukupan broj ubačenih ćelija na nekoj vezi, podeljen zbirom broja ubačenih ćelija i broja otpremljenih ćelija po datoj vezi.

3. Verovatnoća (stepen) prosečno pogrešnih ćclija (Severely Insertion Rate), koja se definiše kao njihov odnos (broj ćelija sa više od jednog pogrešnog bita u zaglavlju) prema broju uspešno prenetih ćelija (isporučenih korisniku bez grešaka).

4. Kapacitet transfera ćelija (Cell Transfer Capacity) koji predstavlja mak-simalan broj uspešno prenetih ćelija prcko definisane ATM veze, u jedinici vremena.

5. KaŠnjenje u transferu ćelija (Cell Transfer Delay) koje sadrži dve kompo-nente: minimalno kašnjenje u transferu ćelije i aritmetičku srednju vrednost ka-šnjenja odredenog broja ćelija.

6. Varijacija kašnjenja (Cell Delay Variation), koja u transferu ćelija, tako-de, predstavlja kritičan parametar za kva-litet prenosa, posebno kada se radi o prenosu u realnom vremenu, kao što je prenos govora i video slike.

7. Verovatnoća (stepen) bitske gre-5ke (Bit Error Rate), koja se definite kao odnos broja pogrešnih prema ukupnom broju prenetih bita na posmatranom kanalu veze.

Parametri kvaliteta prikazani su u tabeli 12.

Navedeni parametri kvaliteta spa-daju u klasu QoS-a parametara prenosa, i predstavljaju veličine koje se mere u ATM mreži. Za to se koriste ATM ana-lizatori protokola (ATM Protocol Analyzer). Rezultati dobijeni merenjem omo-gućavaju da se uoče i otklone problemi

Tabela 12

Parametri kvaliteta prenosa u Širokopojasnim (ATM) mretama

Red. br. Parametar kvaliteta QoS prenosa Definirija

1. stepen gubitka ćelija (Cell Loss Ratio) - CLR Odnos broja izgubljenih prema zbiru broja iz-gubljenih i uspesno prenetih ćclija

2. brzina ubacivanja ćelija (Cell Insertion Rate) - CIRa Broj ubaienih ćelija (u nizu primljenih u posmatranom intervalu) u jedinici vremena

3. stepen ubacivanja ćclija (Cell Insertion Ratio) - CIR Odnos broja ubačenih ćelija prema zbiru broja ubačenih i broja otpremljenih delija

4. stepen proscčno pogrešnih ćelija (Severely Cell Ratio) - SCR Odnos proseinog broja pogrcSnih ćelija prema broju uspešno prenetih celija

5. kapacitet transfera ćclija (Cell Transfer Capacity) - CTC Maksimalan broj uspešno prenetih ćelija u jedinici vremena (na posmatranoj vezi)

6- kaSnjenje u transferu ćelija (Cell Transfer Variation) - CTO Aritmctička srednja vrednost kaSnjenja odredenog broja ćelija

7. varijadja kašnjenja čelije (Cell Delay Variation) - CDV Ukupno kaSnjenje uprenosu i komutadji izmedu dva odredišta u mrcži (450 p$ po komutacionom čvoru za govomi signal)

8. stepen greSkc bita - količnik grešaka BER (Bit Error Rate) Odnos broja pogrešnih biia prema broju ukupno prenetih bita u posmatranom intervalu

VOJNOTEHNIĆKI GLASN1K 6000!.

633

Tabela 13

Kiase bitskih brzina i kvalitet usluga koje podriava ATM mreia

Parametri kvaliteta usluga Kiase bitskih brzina

Konstantna bitska brzina (CBR) Promcnljiva bitska brzina (VBR) Neodrcdcna bitska brzina (UBR) Raspoloživa bitska brzina (ABR)

Rad u rcalnom vremenu da da/ne ne nc

Garantovana iirina propusnog opsega da da nc da

Garantovana (ugovorena) varijaeija kaišnjenja da da/nc ncma ..ugovorenih" parametara kvaiteta ne

Garantovano kaSnjcnje delija da da nc

Definisani (ugovoreni) dozvoljeni gubitak ćelija da da nc

Vrtni gubitak ćclija da da if da

Povratna informaeija o zagu$cnju nc nc ne da u okviru sped* jalnih povratnil dclija

Dcfinisana toJcrancija na varijaeije kaSnjcnja da da da da

Prihvatljivi protok ćclija nc da ne ne

Maksimalna duiina perioda intcnzivnog saobraćaja nc 1 da nc nc

Minimalni protok ćclija nc ne nc da

Garantovani protok ćcliia ! nc da ne da

koji se javljaju u prenosu ćelija za datu vczu ili ATM mrcžu.

Za razliku od tradicionalnih računar-skih LAN/WAN, mreža uskopojasnog ISDN-a (Integrated Service Digital Network), pakctskih mreža i javnih telefon-skih mreža, ATM mreže omogućavaju multimcdijalnu komunikaciju različitim bitskim brzinama, odnosno protocima, kao što su:

- CBR (Costant Bit Rate) - kon-stantan bitski protok;

- VBR (Variable Bit Rate) - pro-mcnljiv bitski protok;

- ABR (Available Bit Rate) - ras-položiv bitski protok;

- UBR (Unasigned Bit Rate) - ne-naznačcn bitski protok.

Pored parametara QoS-a prenosa postoji niz parametara kvaliteta koji se

odnose na pojedine kiase bitskih brzina. U tabeli 13 prikazane su kiase bitskih brzina i kvalitct usluga koje podržava ATM mrcža. Parametri navedeni u tabeli odnose sc na saobraćajne karakteristike ATM veza, a spadaju u grupu tzv. kvan-titativnih parametara (vršna brzina transfer čclija. kašnjenje u prenosu, maksi-malna dužina perioda intcnzivnog saobra* ćaja, garantovana širina propusnog opse-ga, itd.).

Upravljanje kvalitetom usluga

Prcthodna analiza pokazuje da QoS multimcdijalnih mreža opisuju brojni parametri (u tabelama 4,6,7,8,9 navedeno je viSc od 30 parametara kvaliteta). U tabelama 12 i 13 navedeno je preko 20 različitih parametara QoS-a koji se od-

634

VOJNOTEHNIĆKI GLASNIK 6/2001.

nose na ATM mreže. Pored njih postoje brojni kvalitativni ili percepcijski parame-tri koji se odnose na kvalitet govora, video slike, grafike i njihove kombinaeije u muitimedijalnoj komunikaeiji. Prema tome, QoS multimedijalne mreže defmiše se sa više desetina (preko pedeset) razli-čitih parametara kvaliteta. S obzirom na to postavlja se pitanje kako u takvim uslovima upravljati QoS-om u slučaju kada dode do degradaeije kvaliteta u muitimedijalnoj mreži.

Kvalitet usluga koji mreža obezbe-duje korisniku. odreden skupom parametara kvaliteta, može se predstaviti matri-com parametara QoS-a oblika:

[OJ-

9ll 9l2 9l3 ••• 9ln

<\2\ 922 <\23 92n

931 932 933 ••• 93n

(1)

,9ml 9m2 9m3 **• 9n)i).

Muitimedijalni terminal permanen-tno kontroliše (slika 5) QoS parametre i uporeduje ih sa očekivanim parametrima kvaliteta j = {1, 2, 3, ...» m}. U mreži može doći do degradaeije kvaliteta usled različitih spoljnih ili unutrašnjih faktora koji izazivaju odredene promene u po-smatranoj muitimedijalnoj mreži.

Koncept upravljanja kvalitetom usluga multimedijalne telekomunikacione mreže prikazan je blok-šemom na slici 6.

To stanje može se predstaviti matri-com degradaeije [D] oblika:

[D] =

du dl2 d13 ... dl„

d2i da da ... d’n

d3j d32 d33 ... djn

dfnl df^ dm3 ... dmn.

(2)

Elcmcnti d,, matricc degradaeije QoS-a imaju sledeće vrednosti:

Elementi matrice QoS imaju sle-deće značenje:

- i = {1, 2, 3, .... n) označavaju redni broj elementa mreže koji je odgovo-ran za parametre kvaliteta, odnosno koji obezbeduje definisani ili ugovoreni kvalitet;

- j = {1, 2, 3, m} su redni bro-jevi parametara kvaliteta.

Prema tome, elementi matrice parametara QoS-a imaju sledeće vrednosti:

0, ako i-ti element mreže ne obezbeduje j-ti parametar kvaliteta

9« =

1, ako i-ti element obezbeduje j-ti kvalitet

Kada mreža funkcioni$e regularno, muitimedijalni terminal ima dodeljen (ili ugovoren) kvalitet, definisan skupom parametara j {1, 2, 3, m).

0, ako i-ti element mreže nije ugro-žen i obezbeduje j-ti kvalitet

djj = '

1, ako je i-ti element ugrožen obezbeduje j-ti parametar kvaliteta

Kvalitet usluga koji korisnik ima u slučaju degradaeije ugovorenog kvaliteta možc se odrediti kao proizvod matrice kvaliteta usluga i matrice degradaeije:

[Qr] = [Qzl*[D]T (3)

koja označava matricu degradiranog QoS• •a, gde je [D]T transponovana matrica matricc [D).

Muitimedijalni terminal analizira tre-nutni kvalitet, odnosno parametre kvaliteta, i detektuje degradirane parametre. Na osnovu tih podataka u povratnoj vezi formiraju se komance kojima se preko sistema za upravljanje mrežom detuje na

VOJNOTEHNIĆKI GLASNIK 6/2001.

635

St. 5 - Upravtjanje QuS-om

one elemente mrežc koji su narušeni đegradacijom. Upravljačke informacije mogu se predstaviti korekcionom matri-com oblika:

ku kj2 ku ... kin

^21 k23 ... k2o

kjl k32 k.!.! ... k3n

kml km3 ... kmn

Element kjj ima vrednost 0 ako na i-ti element mreže ne treba delovati radi izmene j-tog parametra kvaliteta, a ima vrednost 1 ako na i-ti element mreže treba delovati da bi se obezbcdio zahte-vani parametar kvaliteta j.

Ovde sc pod elementima mreže po-drazumevaju: komutacioni čvorovi, rute-ri, mrežne kapije, linkovi koji povezuju čvorove ili rutere, digitalne korisničke

linije kojima su multimcdijalni terminali povezani na čvorove, multimcdijalni terminali i druga mrežna oprcma. U pret-hodnim relacijama elementi mreže pred-stavljeni su skupom označenim sa i = {1, 2, 3....n}.

Algoritamski postupak upravljanja QoS-om (slika 6) odvija se prema slede-dim koracima:

- korisnik za svaku vezu definiše ili ugovara zahtevani kvalitet usluga;

- za datu vezu u mreži i kod traže-nog učesnika formira se matrica parame-tara QoS-a;

- terminal permaitentno prati defini-sani QoS proverom kvaliteta multimedi-jalne poruke;

- ako ncki ili svi parametri QoS-a ne zadovoljavaju u terminalu se formira matrica degradiranog QoS-a;

636

VOJNOTEHNlCKt GLASN1K 60001.

St. 6 - Algoritamskipostupak upravljanja QoS-om

- terminal formira elemente korek* done matrice koji se preko podsistema za upravljanje mrežom prenose na elemente mreže kod kojih je došlo do pro-mene parametara QoS-a;

- mreža menja stanja koja su uticala na degradaciju ili postavlja zahteve (se-lektuje nedegradirane puteve, čvorove ili druge elemente) za novu vczu sa definisa-nim QoS-om.

Procedura korekdje kvaliteta svodi se na uspostavljanje odredenog virtuel-nog kanala ili virtuelnog kanala koji pose-duje potreban kvalitet.

Zaključak

Kvalitet usluga postojao jc kao teh-nički problem u tradidonalnim mrežama, ali jc posebno značajan i složen kod multimedijalnih mreža. Ta važnost QoS-a za multimedijalnu komunikaciju proistiic iz brojnosti parametara kvaliteta koji su razlidti za govor, audio signale, mimu sliku, grafiku visoke rezolucije, podatkc ili video sliku. Problemi mogu nastati u slučaju kada u mreži, usled prirodnih smetnji, namernog ometanja, havarijskih otkaza ili neregularnih saobraćajnih slu-čajeva dode do degradacije kvaliteta. U radu je prcdložen jedan postupak koji omogućava upravljanje mrcžom u slučaju kada se dogodi odstupanjc QoS-a od definisanog ili ugovorenog nivoa kvaliteta usluga.

Littratura:

]l| International Telecommunication Union; Terms and defini-tionrelated for quality of servsicc and natwork performance including dependability. ITU-T Recommendation E.800. august 1995.

|2| International Telecommunication Union: ITU-T Recommendation X. 902. november 1995.

|3) Amitava Dutts-Roy: The cost of quality in Internet - Kile networks. IEEE Spectrum. September 2000.

|4) Katsuyoshi Lida, Kenji Kawakara. Tetsuya Takine: Performance Evaluation of the Architecture for F.nd-to-End Qua-lity-of-Service Provisioning. IEEE Communications Magazine. April 2000.

(5] International Telecommunication Union; Definition of categories of speech Transmission quality. ITU-T Recommendation G.I09. September 1999.

|6] D. De Vleeschauwcr. J. Janssen. G. H. Petit. F. Poppc: Quabty Bounds for Packctizcd Voice Traspotrii. Alcatel Telecommunications Rewicw, ./St Quarter 2000. pp. 19-23.

[7] M. J. C. Buchli. D. De Vleeschauwcr. J. Janssen. G- H. Petit. A. Van Moffset: Qualiy of calH transported over a DSL access network, Alcatel Telecommunications Review 2-nd Quarter 2001. pp. 111-115.

(8) Waller J. GoraUki: Introduction to ATM networking, McGraw-HiU Inc.. San Fr&ncnko. 1995.

VOJNOTEHNIĆKI GLASNIK 6/2001.

637