Введение к работе
Актуальность работы
Все большая доля пропускной способности глобальной сети Интернет, корпоративных и локальных сетей отводится для передачи речевого трафика. Между тем такой вид трафика предъявляет ряд специфических требований по отношению к сети, которые существенно определяются состоянием уровня развития технологий сжатия и передачи речевой информации по IP-сети. Наиболее важным требованием к сети для обеспечения необходимого качества передачи речи является задержка при передаче, определяемая как промежуток времени, затрачиваемый на то, чтобы пакеты от источника достигли получателя. Согласно рекомендации G.114 союза ITU-T качество передачи речи считается хорошим, если сквозная задержка при передаче сигнала в одну сторону не превышает 150 мс. При этом пакеты, задержавшиеся в пути дольше некоторого определенного значения, считаются потерянными, и качество воспроизводимой речи, соответственно, снижается. Еще одной трудностью является то, что даже если величина задержки находится в допустимых пределах, но при передаче по IP-сети будет существенно непостоянной и будет изменяться от пакета к пакету (джиттер), это вызовет у слушающего неприятное ощущение дрожания речи. Тем самым, несмотря на то, что требование VoIP к пропускной способности сети является относительно невысоким, многие тонкие характеристики сети оказываются принципиально значимыми для обеспечения заданного качества передачи речевого трафика. Связь этих характеристик сети с параметрами трафика VoIP оказывается весьма сложной, и анализ сетей на этапе проектирования и обслуживания может проводиться только методами имитационного моделирования. Для использования имитационных моделей необходимо располагать достаточно хорошими статистическими моделями источников трафика.
Анализ литературных источников показывает, что относительно небольшое число исследований посвящено изучению его характера с точки зрения IP-телефонии. В большинстве случаев используются грубые модели, основанные на работах по анализу пауз в речевом сигнале, выполненных в классической телефонии. Между тем такие модели не позволяют оценивать эффекты, возникающие в сети при динамичном изменении VoIP трафика от многих источников и при передаче через перегруженные участки сети. Модель источника речевого трафика оказывается полезной при моделировании и не IP сетей, например при анализе статистического мультиплексирования с разделением времени, когда несколько речевых потоков объединяются в один за счет того, что в каждом потоке присутствуют периоды, в течение которых речевая информация не передается. Здесь в соответствии с моделью можно генерировать входящие потоки, как последовательности значений продолжительностей интервалов с речью и паузами.
Цель работы
Целью данной работы является разработка статистических моделей источников трафика IP-телефонии как в ходе монологе, так и в диалоге, с последующей их реализацией в виде компонентов широко распространенной системы имитационного моделирования J-Sim. Разработанные модели должны учитывать влияние уровня кодируемого сигнала на их параметры и, как следствие, – на создаваемую нагрузку на сеть. Оценивание качества разработанных моделей проводится в процессе сетевого моделирования путем определения средней битовой скорости и сравнения полученных результатов с экспериментальными данными.
Задачи работы
В данной работе поставлены и решены следующие задачи:
-
Проведен сбор и анализ задержки, возникающей в стеке протоколов UDP/IP/ETHERNET при передаче блоков с речевой информацией как вверх, так и вниз по стеку, при разных значениях количества блоков, содержащихся в одном пакете;
-
Разработаны статистические и имитационные модели источников трафика IP-телефонии как в ходе монолога, так и в ходе диалога, где присутствует парная корреляция источников;
-
Определен метод вычисления параметров модели источника речевого трафика при монологе в зависимости от уровня кодируемого сигнала;
-
Проведено вычисление ошибок моделирования средней битовой скорости при монологе и диалоге при разных значениях уровня кодируемого сигнала.
Методы исследования
Для решения поставленных задач использовался математический аппарат частотного и регрессионного анализа, а также непараметрические тесты. Сбор статистической информации производился с помощью сетевого анализатора пакетов CommView. Измерение задержки в стеке протоколов проводилось с использованием языка программирования C++ и архитектуры WinPcap. Разбор и анализ собранных экспериментальных данных осуществлялся с помощью языка программирования C++ и пакета прикладных программ MATLAB. Моделирование выполнялось средствами MATLAB и пакета сетевого моделирования J-SIM.
Научная новизна
На основе исследования статистики распределения продолжительностей интервалов передачи пакетов и пауз в процессе VoIP монологов и пересечений таких интервалов в ходе диалога, построены статистические модели, описывающие источники трафика IP-телефонии, в том числе с учетом корреляции диалоговых пар;
Впервые проверялось согласие эмпирических и теоретических распределений на основе результатов нескольких непараметрических критериев согласия, по-разному оценивающим отличия между распределениями. При этом учитывалась сложность проверяемой гипотезы.
Впервые в качестве входного параметра моделей учитывается энергия входного сигнала, что позволяет в итоге генерировать динамический трафик, создающий различную нагрузку на сеть, отражая тем самым с большей правдоподобностью процессы, протекающие в реальных сетях.
Практическая ценность
Практическая ценность работы заключается в том, что разработанные модели источников трафика IP-телефонии могут быть реализованы в широком классе систем имитационного моделирования. Написанные автором компоненты системы сетевого моделирования J-Sim, могут быть использованы при генерировании нагрузки, создаваемой приложениями IP-телефонии. С помощью построенной модели можно также моделировать входящие потоки, как последовательности значений продолжительностей периодов с речью и паузами, что может использоваться для анализа качества статистического мультиплексирования с разделением времени, когда несколько речевых потоков объединяются в один за счет того, что в каждом потоке присутствуют периоды, в течение которых речевая информация не передается. Также практическая ценность работы подтверждена внедрением разработанных моделей в продуктах VoIP компании «МЕРА РУ».
Апробация работы
Основные результаты работы были представлены на:
Всероссийской научно-технической конференции «Информационные системы и технологии ИСТ-2005», посвященной 60-летию Победы в Великой Отечественной войне и 110-летию изобретения радио А. С. Поповым (г. Нижний Новгород, 2005);
Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии ИСТ-2006», посвященной 70-летию факультета информационных систем и технологий (г. Нижний Новгород, 2006);
Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» (г. Москва, 2006);
2-ом Международном форуме «Актуальные проблемы современной науки» (г. Самара, 2006);
VI Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» (г. Н. Новгород, 2007);
Международной молодежной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии (ИСТ-2007)», посвященной 90-летию НГТУ (г. Н. Новгород, 2007).
Публикации
Основное содержание диссертации отражено в десяти печатных работах.
Положения, выносимые на защиту
-
Метод определения параметров модели источника речевого IP трафика при монологе в зависимости от уровня кодируемого сигнала;
-
Имитационная модель источника трафика IP-телефонии в ходе монолога;
-
Имитационное моделирование трафика IP-телефонии в ходе диалога в виде совокупности коррелированной пары источников.
Структура и объем работы
Текст диссертационной работы состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.
