3.5 Методика розрахунку затримок у мережі
Затримка в голосових мережах складається з багатьох компонентів. При проектуванні мережі необхідно прийняти до уваги всі її складові. Можливі ситуації, коли жоден з компонентів окремо не створює серйозної проблеми, однак їхня комбінація викликає значну затримку в мережі. Складові частини затримки включають постійні та змінні компоненти затримки. Якщо величина їх відома, то може бути обчислена загальна затримка в мережі і виконана оцінка її впливу на голосові потоки. Постійні компоненти затримки є по своїй природі фіксованими і незначно збільшують варіацію затримки:
затримка поширення виникає внаслідок переміщення пакета між двома пунктами. Вона визначається загальною відстаню між відправником і одержувачем. Як розрахункову величину для затримки поширення можна прийняти значення 6 мікросекунд на 1 кілометр;
затримка перетворення в послідовну форму включає процес розміщення бітів у каналі. Чим більше швидкість каналу, тим менше часу потрібно для того, щоб розмістити в ньому біти; отже, чим вище швидкість, тим менше послідовна затримка. Наприклад, для розміщення одного байта в каналі 64 Кбіт/с потрібно 125 мкс. Той самий байт, розміщений у каналі ОС-3, зажадає половини мікросекунди;
затримка обробки може бути підрозділена на наступні частини:
затримка кодування, стиску, декомпресії і розкодування залежить від використовуваного алгоритму. Необхідно відзначити, що перераховані функції можуть бути виконані як за допомогою апаратного забезпечення, так і програмного забезпечення. Спеціалізоване апаратне забезпечення, таке як процесори DSP, значно поліпшує якість і зменшує затримку, зв'язану з різними схемами стиску голосу. Сучасні програмні продукти для передачі голосу в мережі Іnternet, що використовують стиск на основі програмного забезпечення, не слід плутати з технологіями VoIP;
затримка, пов'язана зі створенням пакетів, викликається проміжним збереженням цифрових вибірок голосу для розміщення в корисному навантаженні каналу доти, поки не буде зібрано достатню кількість для заповнення пакета.
Змінні компоненти затримки викликають велику варіацію затримки, ніж фіксовані компоненти затримки; але даними видами затримки легше керувати. Розглянемо змінні компоненти затримки:
затримка, зв'язана з постановкою пакета в чергу, має місце в тому випадку, коли пакет очікує, доки інші пакети в магістральному каналі будуть обслуговані. Час чекання статистично базується на швидкості надходження потоку даних; відповідно, чим більше даних надходить, тим більш імовірно, конкуренції потоків у магістральному каналі. Величина такої затримки також залежить від розміру та пріоритету оброблюваних пакетів;
буфери відновлення синхронізації використовуються на приймальному кінці лінії для згладжування варіацій затримки та забезпечення часу для розкодування та декомпресії потоку. Вони також допомагають згладжувати на початку розмови перші звуки. Якщо таких буферів установлено недостатньо чи вони мають недостатню ємність, то можуть виникати проблеми переповнення мережі та втрати даних. Установка занадто великої їхньої кількості викликає зайву затримку. Фактично буфер відновлення синхронізації чи зменшує, чи усуває варіацію затримки, перетворюючи її у фіксовану затримку.
Після того як встановлено постійні та змінні компоненти затримки, можна обчислити загальну затримку в мережі. Загальна затримка в мережі являє собою затримку, що може виникнути в планованій мережі та разом з тим задовольняє вимогам, пропонованим до якості надаваних нею послуг.
У мережі АТМ затримка може бути різною для кожного пакета АТМ і являє собою випадкову величину. Випадкова величина затримки у віртуальному з'єднанні може бути виражена так:
,
де М – кількість ланок у віртуальному з'єднанні;
N – кількість вузлів комутації;
– випадкова
величина часу пакетизації;
– випадкова
величина
часу поширення сигналу в i-й ланці;
– випадкова
величина
часу обслуговування пакета в j-му
комутаційному пристрої за умови
відсутності черги;
–
випадкова
величина
часу
чекання пакета в черзі в j-му
комутаційному пристрої.
У мережах АТМ процеси доставки пакетів в окремих ланках мережі й обробки в різних комутаційних пристроях можна вважати незалежними. Це дозволяє визначити середнє значення і дисперсію часу затримки пакета АТМ між відправником і одержувачем (на підставі теорем про числові характеристики незалежних випадкових величин):
; (3.16)
(3.17)
(3.18)
(3.19)
Затримки при пакетизації, на поширення сигналу і при обслуговуванні пакета АТМ у комутаційних пристроях можуть вважатися для даного віртуального з'єднання практично постійними.
Для усунення негативного впливу джитера затримки в процесі доставки повідомлень служб ШЦСИО в кінцевому устаткуванні передбачається здійснення додаткової затримки пакетів АТМ. Але, якщо джитер затримки пакетів АТМ буде перевершувати встановлену величину додаткової затримки, такі пакети не встигнуть включитися в процес депакетизації та будуть загублені.
Розходження між сигналами на вході та виході повинно бути мінімальним. При цьому прийнятне розходження залежить від служби. Так, для деяких служб, здійснюваних у масштабі реального часу, припустимі дуже незначні зміни (флуктуації) часу затримки в проходженні сигналу. Такі служби називають службами з постійною швидкістю передачі чи ізохронними. Для їхньої реалізації неприпустимі будь-які флуктуації (можуть допускатися дуже незначні зміни часу затримки). Відомо, що мовний сигнал зберігає гарну якість тільки при дуже малому коливанні бітового потоку та прослизанні.
Важливим параметром є загальна затримка в доставці. Вона не є критичною для односпрямованого мовного чи відеосигналу, але дуже негативно позначається при двоспрямованих сигналах. Так, для телефонії така затримка не повинна перевищувати 50 мс, тому що при більш великій затримці необхідне застосування спеціальних пристроїв, які будуть зменшувати ефект луни. При наявності таких пристроїв затримка може перевищувати 50 мс, але повинна бути менш 400 мс, інакше інтерактивність діалогу стає дуже скрутною.
Виникнення помилок також повинно контролюватися. Для якісного відтворення відеосигналів кількість одиночних помилок і пакетних помилок не повинне бути дуже великим. У табл. 3.13 приведені вимоги до затримки, ймовірності помилки на біт, ймовірності втрати пакета та ймовірності засилання пакета не за адресою для основних служб. Ці дані були отримані в результаті досліджень Європейського дослідницького центра в області телекомунікацій.
Таблиця 3.3 – Параметри основних служб
Служба |
Pber |
Pplr |
Ppir |
Затримка D, мс |
Телефонія |
10-7 |
10-3 |
10-3 |
50мс/400мс |
Передача даних |
10-7 |
10-6 |
10-6 |
1000мс (50 мс) |
Телебачення |
10-6 |
10-8 |
10-8 |
1000 мс |
Звуковий сигнал з високою точністю відображення |
10-5 |
10-7 |
10-7 |
1000 мс |
Управління обробкою у розподілених базах даних |
10-5 |
10-3 |
10-3 |
1000 мс |
У таблиці 3.14 узагальнені рекомендації ITU для голосової затримки.
Таблиця 3.14 – Рекомендації ITU для затримки при передачі голосових даних
Однобока затримка, мс |
Опис |
0 – 150 |
Прийнятна для більшості |
150 – 400 |
Прийнятна за умови, що адміністратори інформовані про вплив часу передачі на якість звучання в користувальницьких додатках |
400+ |
Неприпустима для більшості мережних задач. Однак дане обмеження може бути збільшено у виняткових випадках |
Як можна побачити, затримка нижча за 150 мс у більшості додатків розглядається як прийнятна. Затримки від 150 до 400 мс також прийнятні (згідно сучасних вимог до передачі голосу). Крім того, досить велика величина затримки може вважатися прийнятною, якщо вона супроводжується значною економією коштів.