logo itpoint.cz

Problematika QoS v klasických a IP sítích

Druhá z připraveného seriálu celkem jedenácti přednášek zaměřených na problematiku teorie a praxe IP telefonie, které zazněly na dvoudenním odborném semináři ve dnech 26. a 27.5. 2004 v pražském hotelu Olšanka. Za účasti předních odborníků kci pořádala ČVUT FEL / Katedra telekomunikační techniky, Sdělovací technika a ProTel engineering s.r.o.. Cílem přednášek je uživatelům se zkušenostmi s klasickou telefonií zprostředkovat informace o technickém řešení i organizačních souvislostech telekomunikací s moderními počítačovými sítěmi a uživatelům s praxí v oblasti výpočetní techniky a počítačových sítí poskytnout přehled o technických i organizačních problémech specifických pro telefonní techniku.

Druhá z připraveného seriálu celkem jedenácti přednášek zaměřených na problematiku teorie a praxe IP telefonie, které zazněly na dvoudenním odborném semináři ve dnech 26. a 27.5. 2004 v pražském hotelu Olšanka. Za účasti předních odborníků akci pořádala ČVUT FEL / Katedra telekomunikační techniky, Sdělovací technika a společnost ProTel engineering s.r.o. (TZ k této akci naleznete ZDE). Server telefonie.cz měl tu čest být mediálním partnerem této akce. Všech 11 přednášek bude průběžně zveřejněno - vždy 2 x týdně a to v ÚT a PÁ (poslední v ÚT 21.12. 2004) a všechny budou také následně na serveru dlouhodobě přímo dostupné v sekci zpráv "IP telefonie". Cílem přednášek je uživatelům se zkušenostmi s klasickou telefonií zprostředkovat informace o technickém řešení i organizačních souvislostech telekomunikací s moderními počítačovými sítěmi a uživatelům s praxí v oblasti výpočetní techniky a počítačových sítí poskytnout přehled o technických i organizačních problémech specifických pro telefonní techniku.

Celkový přehled všech jedenácti přednášek :

  • Konvergence telekomunikačních a informačních technologií
  • Problematika QoS v klasických a IP sítích
  • Technické principy IP telefonie
  • Principy zpracování hlasu v klasické a IP telefonii
  • Metody signalizace v telekomunikačních sítích
  • Signalizační a komunikační protokoly v IP telefonii
  • Číslování a adresování v klasických a IP telefonních sítích
  • Přenosové plány (útlum a zpoždění) v klasické a IP telefonii
  • Měření a hodnocení QoS v IP telefonii
  • Ekonomické aspekty IP telefonie
  • Normalizační aktivity v oboru IP telefonie

- bude zveřejněno k 23.11. 2004 / ÚT
- bude zveřejněno k 26.11. 2004 / PÁ
- bude zveřejněno k 30.11. 2004 / ÚT
- bude zveřejněno k 3.12. 2004 / PÁ
- bude zveřejněno k 7.12. 2004 / ÚT
- bude zveřejněno k 10.12. 2004 / PÁ
- bude zveřejněno k 14.12. 2004 / ÚT
- bude zveřejněno k 17.12. 2004 / PÁ
- bude zveřejněno k 21.12. 2004 / ÚT

Abstrakt : Služba, jakost služby, možnosti hodnocení služby. Koncepce popisu kvality služby QoS podle ITU-T doporučení E.800. Pojem ukazatel. Ukazatele kvality obsluhy GOS sítí. Vývoj v jednotném posouzení QoS. Příklady hodnocení: ISDN, veřejné datové sítě, multimediální služby podle doporučení H.323, veřejná radiotelefonní síť PLMN, univerzální telekomunikační služba. Příklad ukazatelů ETR. Problematika hodnocení a ukazatelů služby VoIP.

1 Úvod

S přenosem informace od volajícího k volanému jsou spojeny určité procesy, které probíhají v různých prostředích, jsou zajišťovány různými technickými zařízeními a v souhrnu se podílejí na tzv. službě. Realizaci služby lze v čase rozdělit do intervalů v nichž probíhají specifické činnosti tvořící tzv. fáze posytování služby. Službu definuje ITU - T v doporučení E.800 jako "Množinu činností (funkcí) nabízených uživateli organizací". Sledování jakosti v oblasti telekomunikací QoS (Quality of Service) je předmětem trvalého zájmu. Příslušná doporučení jsou publikována Mezinárodní telekomunikační unií a dalšími institucemi.

Dříve než popíšeme problematiku sledování jakosti v oblasti telekomuniakčních sítí a služeb, uveďme si několik příkladů z historie vývoje v oblasti sdělování v časové posloupnosti jejich vzniku :

Ve výčtu by bylo možné pokračovat. Podívejme se nyní na problémy spojené s hodnocením kvality služby poskytované telekomunikačními sítěmi.

2 Hodnocení jakosti poskytovaných služeb v doporučeních ITU-T

Aby bylo možné jakost hodnotit a měřit musí být nejdříve definována. Mezinárodní telekomunikační unie definuje jakost služby QoS (Quality of Service) v doporučení E.800 jako : "celkový účinek poskytnutí služby, který určuje stupeň uspokojení uživatele služby" a uvádí vlastnosti, pomocí kterých by bylo možné hodnotit souhrnně každou službu poskytovanou telekomunikačními sítěmi i sítě samotné viz obr. 1. V doporučení ITU-T G.1000 se definuje :

Jakost služby QoS se hodnotí ve fázi zřizování služby (doba zřízení), vyžádání služby (pohotovost služby), poskytování služby (srozumitelnost, hlasitost, chybovost) a po poskytnutí služby (rozpojení, vyúčtování). Nedílnou součástí poskytování služby je její zajištění (údržba, seznamy účastníků).

 Koncepce hodnocení QoS a NP podle doporučení ITU-T
Obr. 1: Koncepce hodnocení QoS a NP podle doporučení ITU-T

Vlastnosti uvedené v obr. 1 jsou hodnoceny pomocí ukazatelů, které jsou specifické pro určitou službu, resp. síť. Ukazatel (parametr) je charakterizován názvem, definicí a hodnotou. V praktické aplikaci je nutné stanovit zdroj (místo) a způsob získávání dat, způsob nezávislé kontroly, četnost získávání dat, statistické vyhodnocení, směr vývoje a formu výsledků.

Celkové posouzení služby je možné provést na základě vlastností služby a zajištění služby. Hlediska, která bezprostředně souvisejí se zajištěním poskytované služby operátorem, posuzují tzv. výkonnost sítě NP (Network Performance).

Koncepce hodnocení QoS a NP podle doporučení ITU-T je vypracována tak, aby postihla hodnocení kvality poskytovaných služeb i výkonnosti sítě v souvislostech. Pro úplnost a doplnění obr. 1 si uveďme definice uvedených pojmů.

2.1 Vlastnosti vztahující se k popisu jakosti služby QoS

2.2 Vlastnosti vztahující se k popisu výkonnosti sítě NP

3 Hodnocení GOS, QoS a NP

3.1 Kvalita obsluhy GOS

Kvalita obsluhy GOS - Grade of Service - je nedílnou součástí hodnocení jakékoli služby a jako kritérium kvality patřilo a patří historicky mezi první kritéria hodnocení kvality (ztráta volání, odbavení volání v přípustné čekací době apod.).

Na přenosu informace se podílejí různá zařízení sítě - koncová zařízení, přenosové a spojovací prostředky, které jsou obsluhovými systémy (OS). Obsluhové systémy pracují buď na principu ztráty nebo čekání volání, kterému v okamžiku jeho příchodu nemůže být přidělena obsluhová linka k jeho obsluze (řídicí jednotka, kanál, okruh, koncové zařízeni apod.). Z principu činnosti systémů samých vyplývá, že nelze všechny ukazatele, hodnotící kvalitu obsluhy GOS, zcela sloučit. Kritéria kvality obsluhy GOS obsluhových systémů jsou pravděpodobnostními charakteristikami OS, v praxi reprezentovanými odhady získanými na základě statistického zpracování naměřených hodnot (převážně v době hlavní provozní hodiny HPH či v době normálního nebo zvýšeného provozního zatížení (ITU-T, doporučení E. 500 (11/1998) ) nebo výsledků šetření.

Z pravděpodobnostních charakteristik OS se ve funkci ukazatelů zpravidla používají pro :

Protože v telekomunikačních sítích nejsou zařízení stoprocentně spolehlivá, přistupují k výše uvedeným charakteristikám charakteristiky z oblasti teorie spolehlivosti, např. :

3.2 Jakost služby QoS a výkonnost sítě NP

Se vznikem prvních telekomunikačních sítí se hodnocení kvality poskytovaných služeb přirozeně rozdělilo na hodnocení uživatelem a hodnocení provozovatelem služby. Hodnocení QoS je zaměřeno na pohled uživatele a posuzuje se v přístupových bodech služby nebo mezi nimi.

Kritéria hodnocení výkonnosti sítě NP jsou zaměřena tak, aby mohla být využita při plánování, rozvoji, řízení údržby a hodnotí koncový provoz nebo prvky sítě. V současné době lze napočítat více jak sto ukazatelů QoS, NP a GOS. Tyto ukazatele, např.: ztráta (volání, buňky, paketu, rámce), doba čekání na (oznamovací tón, obnovení služby, přidělení řídicí jednotky, potvrzení přijetí paketu, vyřízení žádosti), doba zpoždění (paketu v síti nebo v určitém úseku sítě), četnost odbavení v přípustné čekací době (procento přihlášení operátora informační služby, ale také procento vyřízených žádostí nebo stížností do určité doby) apod., se liší kvantitativně v závislosti na poskytované službě. S rozvojem nových sítí a služeb přirozeně vznikají ukazatele nové.

3.3 Jednotný pohled na hodnocení jakosti

Přístup ke sjednocenému pohledu na posuzování jakosti služby se postupně vyvíjel viz tab. 1 a tab. 2.

fáze procesu poskytnutí služby výkonnostní kritérium
rychlost přesnost spolehlivost
fáze sestavování spojení primární ukazatele výkonnosti a jejich hodnoty

(Pohotovost)

přenos uživatelské informace
rozpojení

Tab. 1 : Matice 3 x 3 hodnocení QoS

V první fázi byla navržena tabulka - nazývaná matice tři na tři - viz tab. 1, která hodnotí jednotlivé fáze procesů poskytnutí služby: sestavení spojení, přenos uživatelské informace a rozpojení. Kritérii jsou rychlost, přesnost, spolehlivost a pohotovost a jsou pro jednotlivé služby specifikována. Pomocí primárních ukazatelů lze odvodit hodnoty ukazatelů jiných.

Na hodnocení pomocí tabulky 1 navázalo ITU-T v doporučení G.1000 tabulkou podstaně rozšířenou - viz tab. 2.

řízení služby - SERVICE MANAGEMENT | kvalita spojení - Connection Quality Kritéria jakosti služby
rychlost
SPEED1
přesnost
ACCURACY2
pohotovost
AVAILABILITY3
spolehlivost
RELIABILITY4
bezpečnost
SECURITY5
jednoduchost
SIMPLICITY6
pružnost
FLEXIBILITY7
funkce Service Function              
prodej & obchodní činnost Sales &Pre-Contract Activities              
poskytování Provision              
změna Alteration              
zajištění služby Service Support              
odstranění poruchy Repair              
přerušení Cessation              
sestavení spojení Connection Establish              
přenos informace Information Transfer              
rozpojení Connection Release              
účtování Billing              
řízení sítě účastníkem Network Service management by customer              

Tab. 2 : Matice hodnocení QoS podle ITU-T doporučení G.1000

4 Příklady ukazatelů

Digitální síť integrovaných služeb úzkopásmová N-ISDN

Přístupové body pro hodnocení QoS jso u uvedeny na obr. 2. Pro službu přepojování okruhů si uveďme vedle ukazatelů také jejich definice.

 Přístupové body pro hodnocení QoS ISDN
Obr. 2: Přístupové body pro hodnocení QoS ISDN

Digitální síť integrovaných služeb širokopásmová B-ISDN

Úroveň volání :

Úroveň buněk :

GOS ukazatele orientované na rámec (se studuje) :

Veřejné datové sítě

Hodnocení QoS veřejných datových sítí podle X.140 vychází z tabulky 3 x 3. Obsah ukazatelů je zřejmý z názvu

fáze spojení QoS ukazatele
rychlost přesnost spolehlivost
sestavení spojení přístupové zpoždění pravděpodobnost nesprávného přístupu četnost nezdařeného přístupu
přenos uživatelské informace přenosové zpoždění,přenosový výkon pravděpodobnost chyby,pravděpodobnost navíc dodaných datpravděpodobnost zaměněného dodání dat četnost ztráty dat
rozpojení rozpojovací zpoždění pravděpodobnost nezdařeného rozpojení

Tab. 3: Matice pro hodnocení QoS veřejných datových sít podle X.140

Služba přepojování paketů pro multimediální komunikační systémy - H.323

Ukazatele QoS podle ITU-T doporučení H.323 jsou kvantitativně určeny pro čtyři třídy služby, takže jde celkem o 24 číselných údajů. Doposud jsou stanoveny hodnoty pouze pro třídu 1.

Radiotelefonní síť s přepojováním okruhů PLMN - Public Land Mobile Telephone Network

Univerzální osobní telekomunikace UPT - Universal Personal Telecommunication

Univerzální telefonní služba

Univerzální telefonní služba je definována jako minimální soubor služeb, které jsou dostupné ve stanovené kvalitě všem uživatelům na celém území státu za dostupnou cenu (zákon č. 526/1990) a jejími ukazateli jsou :

Poznámka : Vyhláška č. 196/2000 stanovuje ukazatele kvality služeb poskytovaných v rámci univerzální služby. V kategorii základních telekomunikačních služeb náleží do univerzální služby pouze veřejná telefonní služba poskytovaná prostřednictvím pevné telefonní sítě s tím, že uživatelům umožňuje komunikaci datovou a faxem.

Tabulka ukazatelů podle návrhu Evropské unie

Pro názornost jsou v následující tabulce uvedené ukazatele, které jsou předmětem návrhu doporučovaného v Projektu 9707 a materiálu ETR 138 pro jednotné hodnocení telekomunikačních služeb a sítí v Evropské unii.

  ukazatel doporučovaný pro: BT OS ISDN PP AD
1 doba zřízení přípojky xE   x   x  
2 procento žádostí vyřízených x   x   x  
3 poruchovost na přípojku xE   xE      
4 doba odstranění poruchy xE   x   x  
5 doba obnovení služby x   x   x  
6 neúspěšnost volání xE   xE      
7 doba výstavby spojení xE   xE      
8 přesnost účtování x          
9 kvalita přenosu xE          
10 doba vyřízení reklamací x          
11 doba přihlášení operátora / adresářové služby E x/x        
12 pohotovost veřejných telefonních automatů (VTA) E     xE    
13 nepřípustná chybovost     xE      
14 nepropustnost (neúspěšnost volání)     E      
15 zpoždění ve smyčce     E      
16 pohotovost přenosové služby     E      
17 počet přerušení služby za rok     E      
x - PHARE project 9707
E - ETR 138

Tab. 4 : Tabulka ukazatelů podle návrhu Evropské unie

5 Ukazatele QoS pro přenos hlasu pomocí protokolu IP

Ukazatele kvality přenosu hlasu digitální sítí VoIP (Voice Over Internet Protocol) pomocí datagramů (paketů) se doposud studují a nejsou v plném rozsahu stanoveny. Ukazatele navrhované ITU-T v doporučení I.380, (pohotovost v doporučení Y.1540) shodné s maticí v tab. 1, jsou aplikovatelné např. pro hodnocení kvality koncového spojení prostřednictvím protokolu IP mezi dvěma koncovými stanicemi identifikovatelnými jejich IP adresou nebo pro hodnocení výkonnosti služby poskytované síťovými prvky mezi dvěma specifikovanými síťovými body. K hodnocení výkonnosti na rozhraní - v tzv. měřících bodech MP (Measurement Points - I.353) - je navržen vrstvový model - viz obr. 3.

Pro hodnocení kvality přenosu uživatelských dat mezi koncovými účastnickými zařízeními jsou navrhovány v doporučení I.380 následující ukazatele :

 Příklad vrstvového modelu pro hodnocení kvality služby IP podle I.380, Y.1540
Obr. 3: Příklad vrstvového modelu pro hodnocení kvality služby IP podle I.380, Y.1540

V nově vzniklém doporučení E.681 z října 2001, které se zabývá provozně inženýrskými metodami pro IP přístupové sítě založené na hybridním systému optické vlákno - koaxiální pár se za ukazatele GOS pro IP telefonii na úrovni volání uvádějí :

Po vytvoření spojení se pod pojmem paket rozumí paket, obsahující jeden nebo více vzorků hlasu. Pro tuto fázi spojení se doporučují následující ukazatele GOS :

Důležitou charakteristikou pro službu VoIP (nespojově orientovaná) je zpoždění přenosu v přenosové cestě mezi volajícím a volaným - "ústa - ucho" v jednom směru, které by pro hypotetický referenční okruh do 5000 km nemělo překročit 150 ms a pro okruhy do 10 000 km 225 ms. V hypotetickém referenčním okruhu 27 500 km nelze vyloučit i zpoždění které překročí 300 ms - (ITU-T doporučení Y.1541).

Kvalita hlasu přenášeného mezi koncovými zařízeními v analogové telefonní síti byla od počátcích rozvoje telefonní služby garantována vztažným útlumem RE (Reference Equivalent) spojení a šířkou pásma. Měření prováděná na přenosových systémech nebo jejich částech pomocí řeči a sluchu nebo pomocí akustických zdrojů a indikátorů se nazývají telefonometrická měření a spadají do oboru telefonometrie.

Připomeňme si, že šířka telefonního pásma byla před druhou světovou válkou stanovena 300 až 2400 Hz (kvalita použitých mikrofonů a sluchátek), později se horní frekvence pásma stále zvyšovala, dnes je telefonní pásmo stanoveno 300 až 3400 Hz. Frekvenční šířka pásma se stanovila experimentálně. Horní mezní frekvence byla určena měřením slabikové srozumitelnosti (80%) a dolní mezní frekvence byla určena pomocí výkonu hovorového spektra (80%), který klesá velmi rychle omezováním hovorového spektra zdola.

Vztažný útlum (vyjádřený v dB) sloužil jako míra hlasitosti mikrofonů, sluchátek, vysílacích nebo přijímacích částí telefonních přístrojů nebo celých přenosových řetězců včetně mikrofonů a sluchátek a to ve vztahu k původnímu přesně definovanému telefonometrickému normálu SFERT (Systeme fondamental européen de référence pour la transmission téléphonique) od roku 1926. Tento normál nerespektoval dynamickou nelinearitu lidského ucha, a proto byl v roce 1960, především pro účely plánování telekomunikačních sítí, navržen nový telefonometrický normál NOSFER (Nouveau systéme fondamental pour la détermination des équivalents de référence), pomocí kterého byl měřen tzv. korigovaný vztažný útlum CRE (Corrected Reference Equivalent). Na míru CRE navázala míra hlasitosti LR (Loudness Rating) vyjádřená taktéž v dB. Na základě této míry jsou vypracovány přenosové plány (úrovňový a útlumový) pro digitální sítě jak pevné tak mobilní. V současné době se používá pro hodnocení kvality hlasu model nepoměrně složitější a komplexnější - tzv. E-model, který je předmětem např. doporučení ITU-T G.107 (03/2003).

Pro kvalitní telefonní službu VoIP je důležitá mj. doba přenosu signálu - zpoždění -, které je v sítích s přepojováním paketů zvyšováno kódováním, zpracováním paketů v uzlech a dekódováním na přijímací straně, ztráta paketu a zpoždění mezi pakety.

Hodnocením kvality hlasu se zabývá samostatný příspěvek, a proto není tento problém dále rozebírán.

Závěr

Hodnocení kvality služeb poskytovaných telekomunikačními sítěmi je neobyčejně rozsáhlé a při možnosti využití řady technologií pro přenos signálu mezi dvěmi koncovými zařízeními velmi složité. Cílem tohoto příspěvku bylo poukázat na celou problematiku v souvislostech. Doporučení ITU-T jsou v této oblasti provázaná a mnohdy terminologicky nejednotná. Pro řadu termínů neexistuje normalizovaný český ekvivalent. V oblasti názvoslovné panuje nejednotnost a silný vliv anglických termínů. K tomu přispívá i skutečnost, že terminologii se nevěnuje dostatečná pozornost a dokonce se lze setkat s normami převzatými převzetím originálu - tedy bez překladu.

Doc. Ing. František Křížovský, CSc.
ČVUT FEL / Katedra telekomunikační techniky
krizovsk@feld.cvut.cz

ZDE naleznete přehled firem na itpoint.cz, které se zabývají nabídkou služeb IP telefonie

telefonie.cz

Článek ze dne 19. listopadu 2004 - pátek

Cool letní akce datového centra Coolhousing