Ж у р н а л   о   к о м п ь ю т е р н ы х   с е т я х   и   т е л е к о м м у н и к а ц и о н н ы х   т е х н о л о г и я х
СЕТИ И СИСТЕМЫ СВЯЗИ on-line
  ПОИСК: ПОДПИСКА НА НОВОСТИ: НОМЕР:
    ДОМОЙ • Архив: Новостей | Конференций | НомеровПодписка
 
   
 
   
    
РЕДАКЦИЯ
 
Все о журнале
Подписка
Как проехать
Где купить
Отдел рекламы
График выхода журнала
Адреса в Интернет

РУБРИКАТОР
   
• Инфраструктура
• Информационные
   системы

• Сети связи
• Защита данных
• Кабельные системы
• Бизнес
• Колонка редактора
• Электронная
   коммерция

• Только на сервере
• Системы
   учрежденческой
   связи

• Новые продукты


Rambler's Top100

  

Оптимизация решений для беспроводной IP-телефонии

Горан Эрикссон, Биргитта Олин, Кристер Сванбро, Далибор Турина

Основная цель разработки концепции беспроводной IP-телефонии (VoIPoW, см.: Сети и системы связи. 2000. № 7. С. 66) — это перенос речевых услуг на новую транспортную платформу, основанную на коммутации пакетов, с сохранением качества связи, характерного для современных сетей с коммутацией каналов (например, GSM). Для достижения этой цели необходимо решить несколько проблем, связанных с обеспечением качества услуг как в магистральной сети, так и в сети радиодоступа. Речевые услуги должны стать интегральной частью разговорных мультимедийных услуг, и долгосрочное решение в этой области подразумевает их базирование на беспроводной IP-технологии.

Следует заметить, что условия, необходимые для передачи речевого потока, являются более жесткими по сравнению с условиями передачи других потоков мультимедийного сеанса связи; это касается, в частности, требований к частоте появления ошибок (BER) и временноўй задержке. Использование радиоинтерфейса для доступа к Интернет и услугам IP-телефонии осложняется еще и тем обстоятельством, что емкость радиоканала — это очень ограниченный ресурс, который надо использовать максимально рационально. Следовательно, важным требованием к сети радиодоступа является обеспечение высокой эффективности использования спектра.

Для повышения этой эффективности можно классифицировать различные потоки пакетов по их требованиям к полосе пропускания и задержкам. Подобная классификация будет полезна и при реализации алгоритмов управления доступом. Также можно применять механизмы сжатия заголовков RTP/UDP/IP и сообщений сигнализации. Существенно уменьшая объем служебной информации, они позволяют использовать спектр почти столь же эффективно, как и при беспроводной передаче речи по сети с коммутацией каналов.

Классификация трафика

При запросе транспорта в сетях радиодоступа следующего поколения UTRA (UMTS Radio Access) или GSM/EDGE предоставляемый сервис описывается рядом параметров — атрибутов транспортных служб радиодоступа (Radio-Access Bearer — RAB). К ним относятся гарантированная битовая скорость передачи, остаточная BER, коэффициент потерь пакетов и задержка. Получение информации, необходимой для назначения атрибутов RAB, и само их назначение называется классификацией трафика и является важнейшей составляющей процесса предоставления IP-услуг по радиосети. Если в сетях сотовой связи приложение и транспорт обычно интегрированы, то в IP-сетях они, как правило, отделены друг от друга и работают независимо. Поэтому, чтобы выделить подходящую транспортную службу в сети радиодоступа, сначала необходимо получить данные о том трафике, для которого она будет использоваться. Необходимо иметь в виду, что, помимо собственно RTP-потока с пользовательской информацией, во время сеанса IP-телефонии передаются также потоки управляющей информации (рис. 1) с различными характеристиками. Более того, этот сеанс можно легко расширить, дополнив его видеотрафиком или фоновой передачей файлов по протоколу FTP.

Наличие интерфейса прикладных программ (API) между приложением и радиоканалом позволяет использовать метод явного заказа транспортных служб радиодоступа. Этот интерфейс может быть задействован как на стороне клиента, так и на стороне сервера. В первом случае он находится между приложением и радиосистемой мобильного терминала, а во втором — между сервером обработки вызовов (например, сервером H.323) и сотовой радиосетью.

Более прозрачный метод получения информации о трафике базируется на алгоритме классификации, который читает заголовки пакетов и извлекает из них сведения для идентификации и описания потоков. Заголовок RTP содержит поле типа полезной нагрузки (PT), позволяющее узнать о кодеке вызывающего абонента. Однако в ряде случаев (динамический РТ) получить сведения о кодеке таким способом нельзя. Тогда алгоритм измеряет такие параметры, как размер пакета и временноўй интервал между пакетами, и уже на их основе пытается идентифицировать кодек и предоставить информацию, необходимую для дальнейшего определения параметров радиотранспорта. Объем собираемой информации зависит от “глубины” проникновения в структуру пакетов (возможен также захват некоторых сигнальных сообщений), однако многое здесь зависит от максимально допустимой задержки на изучение трафика.

Сжатие заголовков

Большие заголовки пакетов, переносящих речь через IP-сети, — одна из основных проблем, стоящих перед разработчиками систем беспроводной IP-телефонии. Пакет IP с речевой информацией имеет в своем составе заголовки IP (20 байт), UDP (8 байт) и RTP (12 байт) — итого 40 байт служебной информации (в случае IPv6 эта цифра увеличивается до 60), тогда как размер собственно речевого кадра в зависимости от используемого кодека составляет всего 15—30 байт. Приведенные цифры являются сильным аргументом в пользу решения о терминировании IP-трафика перед радиоинтерфейсом: заголовки IP/UDP/RTP занимают слишком большую часть полосы пропускания и делают неэффективным использование ценного радиоспектра. Тем не менее данную проблему можно обойти с помощью алгоритмов сжатия заголовков.

В заголовках соседних пакетов, принадлежащих одному и тому же потоку, очень много избыточной информации; этот факт и используется алгоритмами сжатия заголовков. Подобные алгоритмы сохраняют на обоих концах канала так называемый контекст — по сути, это полная (несжатая) версия последнего переданного заголовка. Сжатые заголовки несут в себе только информацию об изменениях контекста: неизменные поля не передаются, а поля с небольшими изменениями обновляются путем передачи всего нескольких битов. Однако в случае потери или повреждения пакетов в процессе передачи контекст на принимающей стороне не будет обновлен корректно, и развертывание последующих сжатых заголовков даст неправильные результаты. Поэтому алгоритмы сжатия заголовков должны иметь механизмы для обнаружения устаревших контекстов и восстановления контекста принимающей стороны в случае ошибок.

Предложенный Инженерной проблемной группой Интернет (IETF) алгоритм сжатия заголовков CRTP (compressed RTP) при передаче речи по IP способен сжимать 40-байтовые заголовки IPv4/UDP/RTP до 2 байт. Для восстановления контекста CRTP использует обратный канал, по которому декомпрессор посылает запросы на обновление заголовков. Понятно, что все пакеты, получаемые в то время, пока контекст остается некорректным, будут потеряны, поскольку в этом случае восстановить их заголовки невозможно. Следовательно, эффективность механизма восстановления контекста будет в первую очередь зависеть от времени прохождения сигнала по каналу туда и обратно. Моделирование показывает, что при использовании CRTP частота потери пакетов примерно в четыре раза выше той, что допускается оптимальной схемой реализации IP-телефонии в системах на основе технологии WCDMA. Значит, для систем беспроводной IP-телефонии нужна другая, более надежная схема сжатия заголовков.

Такую схему разработали специалисты компании Эрикссон. Это ROCCO (robust checksum-based header-compression) — схема, основанная на использовании контрольной суммы. Она обеспечивает высокую степень сжатия и достаточную надежность для приложений сотовой связи. Вычисляемая для исходного (несжатого) заголовка контрольная сумма включается в сжатый заголовок и позволяет определить, во-первых, корректность контекста, а во-вторых, правильность его локального восстановления (рис. 2).

Более того, для достижения действительно высокой степени сжатия и хорошей надежности без потери общности метода специалисты Эрикссон разработали также концепцию профилей компрессии. Чтобы достичь оптимальной производительности, при обработке различных RTP-потоков на различных каналах используются разные профили. Разрабатываются профили для речевых и видеопотоков; могут быть созданы и универсальные профили. На рис. 3 и 4 приведены данные, показывающие надежность работы и производительность различных схем сжатия заголовков в зависимости от качества канала при предоставлении услуг беспроводной IP-телефонии.

Помимо контрольной суммы, алгоритм ROCCO включает в сжатый заголовок специальный код с информацией об изменениях полей заголовка. Для профиля IP-телефонии данный код содержит достаточно информации о заголовках предыдущих пакетов для локального восстановления контекста даже после потери до 26 последовательных пакетов на пути между компрессором и декомпрессором. При использовании профиля с максимальным коэффициентом сжатия минимальный размер сжатого заголовка составит 1 байт. Возможность локального восстановления заголовков практически устраняет негативное влияние большого времени круговой задержки на работу алгоритма сжатия заголовков.

Реализация в сетях UTRA и GSM/EDGE

При разработке транспортных служб радиодоступа важной задачей является выбор подходящих вариантов их реализации. Дело в том, что два требования — повышение гибкости IP-услуг и увеличение эффективности использования спектра — в какой-то степени противоречат друг другу. Например, объем служебной информации (т. е. заголовок IP) не может быть минимизирован, если нужно предусмотреть возможность шифрования передаваемых сведений. Напротив, если необходимы только речевые услуги, то можно задействовать в радиоинтерфейсе транспортную службу, которая по эффективности использования спектра будет сравнима с традиционными реализациями. Короче говоря, различные транспортные службы должны быть оптимизированы для разных приложений.

Для получения эффективных (в том числе по экономическим показателям) и обеспечивающих требуемое качество обслуживания решений по внедрению мультимедиа-приложений, основанных полностью на IP, необходимо, чтобы сеть радиодоступа UTRA могла выбирать транспортную службу, наилучшим образом соответствующую типу передаваемого трафика. Оптимизируя способ выделения частотного ресурса, можно увеличить и емкость системы. Потоки данных со схожими характеристиками и приблизительно одинаковыми требованиями к качеству обслуживания можно сгруппировать по классам и приписать к одному и тому же радиотранспорту. Выделим несколько таких классов для сеанса беспроводной IP-телефонии (см. рис. 1).

Речевые RTP-потоки. Передача речевой информации требует минимизации задержек, отсутствия их разброса и обеспечения частоты ошибок BER не больше 10–4 (при отсутствии надежного механизма сжатия заголовков максимально допустимая частота ошибок должна быть еще меньше). Поскольку требование к малой величине задержки несовместимо с повторной передачей, то наиболее предпочтительной для транспорта RTP-потоков является прозрачная служба RLC (Radio Link Control), обеспечивающая гарантированную пиковую скорость передачи и не вносящая в информационный поток никакой дополнительной служебной информации.

Служебные сообщения протоколов сигнализации типа RTCP, H.323 (или SIP) и RSVP. Трафик этого класса не столь чувствителен к задержке, но зато нуждается в обеспечении лучшей целостности данных, чем речевая информация. Последнее требование может быть удовлетворено путем повторной передачи сообщений на уровне управления радиоканалом (RLC). В некоторых случаях качество обслуживания, необходимое данному классу трафика, не может быть обеспечено простой службой best-effort, и нужна служба на уровне RLC с гарантированной минимальной скоростью передачи.

Управление радиоресурсами (RRC) и сигнализация NAS (Non-Access Stratum). Обмен этими служебными сообщениями сети UTRA происходит между инфраструктурой UMTS и абонентскими терминалами. Их быстрая и надежная доставка может оказаться чрезвычайно важным условием для работы всей системы. Таким образом, передача сообщений сети UTRA должна быть гарантированной, надежной, иметь низкие задержки и самый высокий приоритет.

Емкость

Для определения того, как внедрение IP-услуг в сети UMTS, построенной на основе технологии WCDMA, повлияет на ее емкость, было проведено соответствующее моделирование. Основной упор при этом был сделан на радиоканал, который считается самым “узким” местом системы. Были изучены четыре разных варианта передачи речи и соответственно четыре различных технических решения:
1. Передача речи в режиме с коммутацией каналов при равномерной защите от ошибок. Это решение было принято в качестве эталонного, с его емкостью (принятой за 1) сравнивали емкости других решений.
2. Передача речи по IP без сжатия заголовков RTP/UDP/IP.
3. Передача речи по IP со сжатием заголовков по алгоритму CRTP.
4. Передача речи по IP со сжатием заголовков по схеме ROCCO.

Емкость сети UMTS/WCDMA была получена с помощью специального эмулятора, который моделировал зону с шестиугольными сотами, покрываемыми тремя секторными антеннами. Вызовы с мобильного терминала инициировались случайным образом (по Пуассону) во времени и равномерно на местности. Длительности вызовов распределялись экспоненциально, а их средняя продолжительность составляла 120 с. Для обработки речевых потоков на абонентских терминалах использовались модели кодеков AMR 12.2, функционирующие в режиме прерывистой передачи (DTX). Модель сети предусматривала передачу по радиоканалу сообщений сигнализации (H.323 и RSVP) до и после вызовов, в момент же вызовов служебный трафик RTCP и RSVP отсутствовал.

При использовании эмулятора трудно определять качество речи, воспринимаемое реальными абонентами, поэтому эта характеристика оценивалась по частоте кадровых ошибок (FER). “Живые” тесты подтверждают, что существует хорошая корреляция между воспринимаемым абонентами качеством и значением FER.

Емкость системы определялась как максимальная нагрузка, при которой сохраняется заданный уровень качества. Этот уровень был установлен таким, чтобы частота FER была менее 1% минимум для 95% соединений. Как показали результаты моделирования (рис. 5), для малых нагрузок уровень интерференции в сети вполне приемлемый, а система управления мощностью в состоянии устанавливать индивидуальные уровни мощности таким образом, чтобы обеспечить подключение не менее 95% абонентов с желаемым уровнем качества (FER = 1%).

С повышением нагрузки уровень интерференции тоже увеличивается. В какой-то момент интерференция становится избыточной, система перегружается, и большое число соединений деградирует — значит, мы достигли предела емкости. При передаче речи по IP без сжатия заголовков RTP/UDP/IP емкость системы равна примерно половине емкости эталонной системы с коммутацией каналов. При использовании алгоритма сжатия CRTP она меньше емкости эталонной системы примерно на 20%, а при использовании алгоритма ROCCO — всего на 10% (см. рис. 5).

Вперед к Третьему поколению

Повсеместный рост числа пользователей Интернет создал массовый рынок мультимедийных и информационных услуг. Задачу предоставления таких услуг через системы беспроводной связи Третьего поколения можно рассматривать в двух аспектах: маркетинговом — объединение существующей базы абонентов сотовой связи и пользователей Интернет — и технологическом — выработка общей платформы для сотовых решений и эффективного доступа в Интернет. Для успешного ее решения системы беспроводной связи Третьего поколения должны быть мультисервисными и обеспечивать гибкий радиодоступ с дифференцированным качеством обслуживания и эффективным использованием радиоспектра.

Как уже говорилось выше, основной целью беспроводной IP-телефонии является перенос услуг передачи речи на новую, пакетную платформу с сохранением качества обслуживания и эффективности использования спектра на том уровне, какой характерен для сегодняшних беспроводных систем связи с коммутацией каналов. Для достижения этой цели не существует какого-либо одного универсального варианта реализации. Поэтому надо разработать несколько вариантов, обеспечивающих подходящее соотношение между гибкостью услуг и эффективностью использования спектра. Задействуя алгоритмы классификации трафика и сжатия заголовков, можно создать решения беспроводной IP-телефонии с достаточно высоким уровнем обоих этих показателей.

При разработке беспроводных систем третьего поколения, полностью основанных на IP, стоит задача разделения компонентов магистральной сети и сети радиодоступа, что позволит использовать общую пакетную магистраль (на основе GPRS) для сетей радиодоступа UMTS и GSM/EDGE. Системы Третьего поколения должны стать эффективной платформой для IP-приложений, и описанные нами решения — это еще один шаг в этом направлении.

Об авторах:
Эрикссон Горан, Олин Биргитта и др.
сотрудники фирмы Эрикссон
E-mail: Information@ecr.ericsson.se





  
8 '2000
СОДЕРЖАНИЕ

колонка редактора

• Тупую сеть интеллектом не испортишь

локальные сети

• Элегантные кабельные розетки пополняют ряды Категории 6

• Повышение гибкости кабельной проводки, или Вторая жизнь кабелепроводов

• Служба RIS Windows 2000: снижаем затраты на ИТ

услуги сетей связи

• Интервью с руководителем департамента радио, телевидения и спутниковой связи Министерства РФ по связи и информатизации Василием Илларионовичем Павловым

• Беспроводные коммуникации: взгляд Hewlett-Packard

• IP-телефония - это не только дешевая связь

• Беспроводные мосты соединяют

• Оптимизация решений для беспроводной IP-телефонии

• IP-телефония: "cветлое будущее" или..?

новые продукты

• SURPASS открывает новые горизонты перед операторами

только на сервере

• Snap Server 1000 впечатляет

• Проблемы интероперабельности решений на основе IPSec

• Параллельные миры

корпоративные сети

• Почему ваша сеть стала работать медленно? Откройте ей "второе дыхание". Часть 1

• Подключение карманных компьютеров к корпоративной сети

• Unix BSD: жизнь продолжается

защита данных

• Защита информации на предприятии

• Информационная защита сервера Windows NT

электронная коммерция

• XML достигает "совершеннолетия"

бизнес

• Мушкетеры отечественной промышленности: АПОС, СППОСС и РОСС

• Lucent объявляет о начале эры "Фотонной Долины"

• Новая стратегия Novell

• Дистрибуция конвергированных решений

системы учрежденческой связи

• Корабль телефонии меняет курс


• КАЛЕЙДОСКОП



 Copyright © 1997-2007 ООО "Сети и Системы Связи". Тел. (495) 234-53-21. Факс (495) 974-7110. вверх