Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ особенностей функционирования IPTV-сетей мультисервисного типа 38
1.1 Механизмы гарантированного качества обслуживания 38
1.2 Анализ механизмов QoS для передачи видео – данных 42
1.3 Технологии подключения абонентов к IPTV-сети мультисервисного типа 44
1.3.1 Организация широкополосного доступа с помощью абонентских телефонных линий 44
1.3.2 Системы кабельного телевидения с древовидной схемой распределения сигналов 47
1.3.2.1 Стандарты цифровых систем кабельного телевидения 49
1.3.3 Особенности оптического абонентского широкополосного доступа 60
1.3.4 Сети абонентского широкополосного доступа на базе технологии Ethernet 64
1.4 Тестирование IPTV-сети при передаче видеоизображений 66
Выводы по первой главе 68
2 Методы оценки качества цифрового ТВ-изображения 69
2.1 Постановка задачи тестирования цифрового канала 69
2.2 Измерение качества изображения в ТВ-каналах с компрессией 76
2.2.1 Искажения и дефекты изображения после компрессии–декомпрессии 76
2.2.2 Оценка качества изображения методом субъективных экспертиз 79
2.2.3 Односторонние методы объективных измерений 83
2.2.4 Двухсторонние методы объективных измерений 85
2.2.5 Разделение ТВ-экрана при сравнении изображений 87
2.2.6 Оценка качества изображения после декомпрессии методом объективных измерений 94
2.3 Тестирование ТВ-канала с компрессией на уровне транспортного потока 103
2.3.1 Анализ потоков компрессированных данных 103
2.3.2 Контроль и анализ транспортного потока в процессе передачи 106
2.3.3 Анализ транспортного потока вне реального времени 108
Выводы по второй главе 110
3 Разработка метода объективной оценки качества цифрового изображения в IPTV-сети 112
3.1 Вычисление средних оценок 115
3.2 Расчет доверительного интервала 115
3.3 Определение закона статистической функции распределения оценок 118
3.4 Объективная оценка качества цифрового телевизионного изображения при использовании технологии подключения GPON 119
3.4.1 Оценка уравнения регрессии для участка Q1 120
3.4.2 Оценка уравнения регрессии для участка Q3 122
3.4.3 Оценка уравнения для участка Q2 123
Выводы по третьей главе 125
4 Статистическое моделирование пропускной способности канала IPTV-сети 126
4.1 Статистический алгоритм метода математического моделирования 126
4.2 Моделирование влияния задержек пакетов на пропускную способность телекоммуникационной сети 129
4.3 Результаты моделирования 134
Выводы по четвертой главе 138
Заключение 139
Список использованной литературы 141
Приложение А 150
Приложение Б 155
Приложение В 159
Приложение Г 166
Приложение Д 171
Приложение Е 175
Приложение Ж 180
Приложение З 197
Приложение И 202
Приложение К 209
Приложение Л 217
Приложение М 226
- Стандарты цифровых систем кабельного телевидения
- Оценка качества изображения методом субъективных экспертиз
- Моделирование влияния задержек пакетов на пропускную способность телекоммуникационной сети
- Результаты моделирования
Введение к работе
Актуальность темы исследования
Цифровое телевизионное вещание представляется одним из основных способов информативного сервиса и используется в различных областях деятельности общества, которое определяется быстрым развитием технических возможностей оборудования связи, увеличением пропускной способности канала и многосложностью предоставляемых услуг.
Внедрение новых цифровых технологий передачи ТВ-сигналов требует от операторов мультисервисных сетей обеспечения качества телевизионного изображения с учетом различных сред передачи цифровых сигналов, технологии доступа, протоколов маршрутизации, а также осуществления контроля качества обслуживания.
Важным аспектом при просмотре цифрового видеоматериала является качество изображения, к которому предъявляется множество требований, при оценке которых можно судить о качестве работы сети, предоставляющей видеоконтент, качеству и настройке применяемого оборудования.
Основная сложность при оценке качества изображения определяется использованием различных стандартов доставки видеоконтента, среды передачи, что в свою очередь подразумевает определение пропускной способности канала мультисервисной сети.
Основные исследования в области разработки методов оценки качества ТВ-изображения проводятся Международным союзом электросвязи (International Telecommunication Union – ITU), Группой экспертов по качеству видео (Video Quality Experts Group – VQEG), Европейским институтом по стандартизации в области телекоммуникаций (European Telecommunications Standards Institute – ETSI), Альянсом по решениям в области телекоммуникаций (Alliance for Telecommunications Industry Solutions IPTV Interoperability Forum – ATIS IIF).
Вопросам методов оценки и измерений качества цифровых ТВ-изображений, посвящены работы зарубежных (Z.Wang, H.R. Sheikh, R. Kooij, R. Huysegems, J.A. Pulido, A.C. Bovik) и отечественных (Б.С. Гольдштейн, А.В. Осин, С.Н. Степанов, Б.А. Локшин, М.А. Шнепс-Шнеппе и др.) авторов.
В настоящее время имеются различные методы оценки качества цифрового ТВ-изображения, как объективные, так и субъективные, однако не существует метода оценки в режиме реального времени, с помощью которого можно было бы определить, соответствует или нет качество видеоизображения заявленным требованиям пользователя.
Перечисленные аспекты позволяют считать актуальным дальнейшее исследование возможностей оценки качества цифрового ТВ-изображения. В частности целесообразно исследовать:
1. Особенности функционирования мультисервисных IPTV-сетей.
-
Оценка влияния на качество цифрового ТВ-изображения затухания, вносимого в оптический кабель, и его функциональной зависимости от мощности сигнала на входе ONT.
-
Оценка влияния на качество цифрового ТВ-изображения скорости подключения DSLAM и ADSL-модема.
4. Влияние на полосу пропускания сигнала протоколов маршрутизации.
5. Возможность разработки программного средства для определения
влияния задержки на пропускную способности IPTV-сети.
Объект исследования
Технологии передачи цифровых ТВ-сигналов.
Предмет исследования
Оценка качества цифровых телевизионных изображений и пропускной способности канала мультисервисной сети.
Соответствие паспорту специальности
Результаты исследования соответствуют следующим пунктам паспорта специальности 05.12.13 «Системы, сети и устройства телекоммуникаций»:
Пункт 2. Исследование процессов генерации, представления, передачи, хранения и отображения аналоговой, цифровой, видео, аудио и мультимедиа информации; разработка рекомендаций по совершенствованию и созданию новых соответствующих алгоритмов и процедур.
Пункт 12. Разработка методов эффективного использования сетей, систем и устройств телекоммуникаций в различных отраслях народного хозяйства.
Пункт 14. Разработка методов исследования, моделирования и
проектирования сетей, систем и устройств телекоммуникаций.
Цель работы и задачи исследования
Целью настоящей работы является исследование особенностей определения качества цифровых телевизионных изображений и факторов, влияющих на качество и пропускную способность цифрового канала, разработка методов их определения.
Поставленная цель исследований требует решения следующих основных задач:
1. Провести исследования особенностей функционирования
мультисервисных IPTV-сетей.
2. Выполнить анализ методов оценки качества цифрового ТВ-изображения.
3. Разработать метод определения качества цифрового ТВ-изображения,
передаваемого по оптическому и медному кабелю.
4. Исследовать конфигурацию маршрутизаторов для определения влияния
протоколов маршрутизации на полосу пропускания сигнала;
5. Разработать и реализовать статистический алгоритм моделирования IPTV-сети для определения пропускной способности канала при заданных вероятностях безотказной работы оборудования.
Методы исследования
Для решения поставленных задач используются методы статистической
обработки данных, теории вероятностей, математического моделирования,
статистической радиотехники, метод Монте-Карло, а также методы
статистического моделирования и вычислительной математики. Часть
результатов получена с использованием оборудования NetUP IPTV Combine и программных продуктов симуляции Router GNS3 и LAN Traffic v.2. Для моделирования задержек пакетов и расчета пропускной способности канала разработана модель IPTV-сети, на основе которой на языке программирования Delphi реализована программа DelayProg.
Научная новизна результатов работы
В диссертации получены следующие новые научные результаты:
-
Выполненные теоретические исследования особенностей функционирования мультисервисных IPTV-сетей и анализ, позволили выявить недостатки существующих методов оценки качества цифрового ТВ-изображения.
-
Впервые проведено исследование зависимости качества изображения от мощности сигнала на входе ONT в диапазоне от – 27 дБм до – 35 дБм, что дало возможность, используя функцию Хевисайда, разработать метод оценки качества цифрового ТВ-изображения предаваемого по оптической линии передачи.
-
Впервые проведено исследование зависимости качества изображения от скорости подключения DSLAM и ADSL-модема в диапазоне от 4 Мб/с до 8 Мб/с, что позволило, на основе регрессионного анализа, разработать метод оценки качества цифрового ТВ-изображения предаваемого по медной линии передачи.
4. Впервые проведено исследование используемых протоколов
маршрутизации, которое позволило определить полосу пропускания сигнала в
IPTV-сети в диапазонах: 60-100 Мб/с, 50-100 Мб/с, 10-100 Мб/с, 40-100 Мб/с, 10-
40 Мб/с, 20-70 Мб/с.
5. Разработан статистический алгоритм расчета пропускной способности
канала IPTV-сети, который защищен свидетельством о государственной
регистрации прав на объект авторского права. При технологии передачи ATM, с
учетом размера информационного пакета в 53 байта и вероятности безотказной
работы телекоммуникационного оборудования от 0.98 до 1, установлено
изменение пропускной способности от 25.6 до 30.9 Мб/с.
Практическая ценность результатов
Исследованные в данной работе вопросы актуальны для практических приложений при построении и обслуживании цифровых сетей телевизионного вещания.
Результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, позволили более существенно понять причины появления искажений на цифровом ТВ-изображении.
Создана программная реализация статистической модели пропускной способности IPTV-сети.
Результаты диссертационной работы используются при проектировании мультисервисных IPTV-сетей, настройке и выборе оборудования операторов связи РК АО «Казахтелеком», ТОО «Элитком», что подтверждается актами внедрения.
Апробация работы
Материалы работы докладывались на следующих научных конференциях:
1. Республиканская научно – теоретическая конференция «Сейфуллинские
чтения», г. Астана, 2008, 2010, 2012, 2017 г.
-
Международная научно – техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов государств участников регионального содружества в области связи «Техника и технологии связи», секция «Радио и телевидение», г. Алматы, 2009 г.
-
VII Международная научно-техническая и научно-методическая конференция «Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании» г. Санкт-Петербург, 2018 г.
Достоверность полученных результатов
Достоверность полученных научных выводов подтверждена
использованием численных методов моделирования, статистической обработки данных, математическим моделированием в среде Delphi, согласованием полученных результатов с результатами эксперимента.
Основные положения работы, выносимые на защиту
1. Получены результаты исследований особенностей функционирования
IPTV-сетей и выполнен анализ существующих методов оценки качества
цифрового ТВ-изображения, которые позволили установить четыре типа
аппаратно-программных комплексов для доставки услуг IPTV с предварительным
тестированием и оценки метрик (качество изображения).
-
Установлена зависимость качества изображения от мощности сигнала на входе ONT в диапазоне от – 27 дБм до – 35 дБм, что позволило разработать метод оценки качества цифрового ТВ-изображения передаваемого по оптической линии передачи.
-
Обнаружена зависимость качества изображения от скорости подключения
DSLAM и ADSL-модема в диапазоне от 4 Мб/с до 8 Мб/с, и на ее основе разработан метод оценки качества цифрового ТВ-изображения передаваемого по медной линии передачи.
-
Результаты исследований влияния протоколов маршрутизации на полосу пропускания сигнала в IPTV-сети. В зависимости от используемого протокола установлено изменение полосы пропускания в диапазонах: 60-100 Мб/с, 50-100 Мб/с, 10-100 Мб/с, 40-100 Мб/с, 10-40 Мб/с, 20-70 Мб/с.
-
Разработана модель пропускной способности IPTV-сети, основанная на времени задержки, вносимой в сеть телекоммуникационным оборудованием, и вероятности его безотказной работы от 0.98 до 1. Установлено, что для передачи видеоизображений с длиной пакетов в 53 байта, изменение пропускной способности, при использовании технологии передачи ATM, составляет от 25.6 до 30.9 Мб/с.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе: 4 входят в перечень журналов и изданий, рекомендованных ВАК; 1 свидетельство о регистрации программы ЭВМ, 8 публикаций – материалы докладов всероссийских и международных конференций.
Личное участие автора в получении научных результатов
В исследованиях, результаты которых приведены в диссертационной работе, автору принадлежит определяющая роль. Диссертант непосредственно разрабатывал и исследовал приведенные в работе математические и программные модели. Совместно с научным руководителем обсуждались цели работы и пути их достижения, результаты работы.
Структура и объем работы
Стандарты цифровых систем кабельного телевидения
Стандарт DOCSIS.
Первым стандартом, предназначенным для передачи пакетных данных по сетям СКТВ, был DOCSIS1.0, разработанный в США в 1998 г. консорциумом CableLabs в сотрудничестве с отраслевой группой MCNS, объединяющий широкий круг производителей оборудования кабельных сетей. Данный стандарт был жестко ориентирован на использование Интернета, т.е. на реализацию единой стандартной платформы для IP-услуг. Вследствие этого стандарт DOCSIS предусматривает в основном использование стандартных кадров Ethernet. Одновременно спецификация DOCSIS допускает несколько равноправных вариантов инкапсуляции IPTV-пакетов, включая, например, IPTV over ATM, IPTV over Ethernet, в зависимости от организации сетей провайдера интерактивных услуг и пользователя услуг. Кроме того, стандарт DOCSIS1.0 учитывал параметры телевизионных каналов, действующих в Северной Америке (ширина полосы частотного канала 6 МГц; диапазон частот, отведенный для передачи сигналов в обратном направлении, 5. 42 МГц) [12].
В 1999 г. был разработан модернизированный стандарт DOCSIS1.1, в котором была предусмотрена служба QoS (Quality of Service- гарантированное качество обслуживания), что в значительной степени улучшило работу с услугами реального времени — голосовым трафиком и видеопотоками. Для использования в европейских странах оборудования, изготовленного в США по стандарту DOCSIS1.1, была создана версия EuroDOCSIS, которая является приложением к DOCSIS 1.1. В этой версии учтены отличия европейских сетей СКТВ от американских: ширина телевизионных каналов принята равной 8 МГц, а диапазон частот, отведенный для передачи сигналов в обратном направлении, т.е. от абонента, взят равным 5...65 МГц.
Затем в США был разработан стандарт DOCSIS2.0, принятый для внедрения в Северо-Американском регионе. Основным преимуществом стандарта DOCSIS2.0 по сравнению с предыдущей версией DOCSIS1.0 стала более высокая (до 30 Мб/с) скорость передачи данных в обратном канале. В новой версии стандарта DOCSIS используются сразу два способа множественного доступа к каналу передачи: с временным (TDMA) и кодовым (CDMA) разделением.
В соответствии со стандартом DOCSIS обратный канал может занимать полосу частот 0.2; 0.4; 0.8; 1.6 или 3.2 МГц. В целом стандарт DOCSIS определяет, что для предоставления услуг передачи данных используются модуляция QAM-64 или QAM-256 в прямом канале и QAM-16 или QPSK в обратном канале. Следовательно, максимальная скорость, которую можно получить в прямом канале, составляет около 39 Мб/с. Европейской разновидностью стандарта DOCSIS является EuroDOCSIS, в соответствии с которой должны применяться кабельные модемы, использующие для организации прямого канала полосу 8 МГц вместо 6 МГц. В этом случае при модуляции QAM-64 можно достичь скорости 38.3 Мб/c, а модуляция QAM-256 позволяет добиться скорости 52.8 Мб/с. С технической точки зрения в частотном канале с полосой 6 МГц, с помощью известных многопозиционных методов модуляции, можно передавать данные с более высокой скоростью, но это ухудшает распознаваемость передаваемых символов на приеме и повышает вероятность ошибочного декодирования данных. В обратном канале кабельные модемы позволяют передавать данные со скоростью от 290 кбит/с до 9.2 Мб/с в зависимости от отведенной полосы и используемого способа модуляции. С целью повышения помехозащищенности в прямом и обратном каналах предусмотрено помехозащитное кодирование кодом Рида-Соломона. Значение скорости цифрового потока в прямом и обратном каналах СКТВ, достигаемые при использовании разных типов модуляции, приведены в таблицах 1.4, 1.5.
Значения скоростей цифрового потока, представленные в данных таблицах, требуют некоторого пояснения. Символьная скорость равна количеству состояний несущей (символов) в единицу времени. Символьные скорости различаются для разных видов модуляции. Скорость передачи цифрового потока - это общая скорость битового потока с учетом избыточных бит помехозащитного кодирования, дополнительных бит заголовка, преамбулы и защитного интервала.
Эффективная скорость передачи - это скорость передачи полезной информации без учета избыточных бит, поэтому она всегда несколько ниже общей скорости битового потока. Скорости в обратном канале соответствуют его пропускной способности (максимальной скорости), но реальная скорость будет зависеть от количества одновременно функционирующих активных модемов, поскольку обратный канал является многопользовательским. Стандарт DOCSIS устанавливает ряд параметров, позволяющих контролировать уровень QoS, предоставляемый абонентам сети, что особенно актуально при передаче информации, чувствительной к задержкам (видео, речь). К этим параметрам относятся максимальная и минимальная гарантированная полосы пропускания в прямом и обратном канале, а также количество тайм-слотов в единицу времени, выделяемых модему для передачи данных по обратному каналу. Стандарт DOCSIS1.1 определяет ряд дополнительных параметров, улучшающих качество сервиса. В частности, в нем реализованы механизмы фрагментации и сборки больших пакетов данных, организации виртуальных каналов и задания приоритетов, уменьшающие задержки при передаче речи и видео. В основном эти механизмы предназначены для поддержки IP-телефонии и видеоконференции.
В качестве механизма взаимодействия с терминальным оборудованием абонента стандарт DOCSIS предусматривает использование протокола Ethernet. В соответствии с ним данные упаковываются в кадры. Кроме того, при передаче в прямом канале кадры могут помещаться в транспортные потоки MPEG-2;4 для совместимости со стандартами цифрового телевидения. В качестве основного транспортного механизма для связи сети СКТВ с сетью передачи данных стандарт DOCSIS использует протокол IPTV-сети с нефиксированной длиной пакетов. Каждому устройству в системе доступа, включая абонентские кабельные модемы, назначается свой IPTV-адрес. Одному абонентскому устройству, имеющему единственный МАС-адрес, может назначаться несколько различных IPTV-адресов. Пакет IРTV имеет заголовок и область данных. В заголовок каждого пакета добавляются IPTV-адреса отправителя и получателя данных. В соответствии с этими адресами головное оборудование маршрутизирует пакеты данных от абонентов кабельной сети во внешнюю сеть Интернет и обратно. В стандарте DOCSIS реализована прямая поддержка протокола IPTV, без преобразований формата пакетов. В дополнение к стандарту DOCSIS был выпущен ряд спецификаций, объединенных названием Packet Cable. Они касаются порядка функционирования системы сетевого менеджмента, сигнализации и механизмов гарантирования качества QoS.
Стандартами DOCSIS предусмотрены опережающая коррекция ошибок и криптозащита.
В 2013 году представлена спецификация DOCSIS 3.1 регламентирует скорость прямого канала 10 Гб/с и более и 1 Гб/с обратного канала за счёт использования схемы модуляции 4096 QAM. Здесь вместо частотного разделения каналов шириной 6 MГц и 8 MГц используются поднесущие шириной от 20 кГц до 50 кГц с OFDM мультиплексированием. Их можно уложить в спектр шириной вплоть до 200 MГц. DOCSIS 3.1 также регламентирует средства управления энергопотреблением, что позволит снизить энергоёмкость индустрии кабельного телевидения.
Оценка качества изображения методом субъективных экспертиз
Субъективная оценка качества изображения заключается в наблюдении испытательных изображений на экране контрольного монитора, подключенного к выходу абонентской розетки. В качестве испытательных изображений следует использовать специальные статические изображения, исключая испытательные таблицы. Допускается использование телевизионного изображения реальных сюжетов.
В ходе субъективного эксперимента по оценке качества телевизионной системы осуществляется сбор большого объема данных. Эти данные в форме бланков экспертных оценок или их электронных эквивалентов должны быть преобразованы с помощью статистических методов для получения результатов в форме графиков и (или) числового выражения, формулы, алгоритма, которые обобщают данные о качестве испытываемых систем [27].
При проведении статистического эксперимента большое значение имеет вопрос о минимально необходимом числе независимых оценок экспертов, относящихся к одному и тому же значению исследуемого параметра и подлежащих усреднению, потому что количество экспертов непосредственно определяет, с одной стороны, объем эксперимента, а с другой – точность и надежность полученных результатов.
Для определения минимального количества наблюдателей в теории вероятностей имеется множество методик, например [31]. В рекомендации МСЭ-R ВТ.500-13 определены критерии, учитывающие все условия проведения субъективной оценки качества, основанные на исследованиях согласованности результатов различных испытательных лабораторий.
Необходимо, чтобы наблюдателей было не менее 15. Они не должны быть экспертами, что означает, что они не связаны непосредственно с оценкой качества телевизионного изображения, как частью их обычной работы, и они не являются опытными оценщиками. До сеанса следует оценить (или скорректировать) остроту зрения наблюдателей при помощи таблицы Снеллена и Ландольта и проверить цветовое зрение, используя специально отобранные таблицы (например, Ишихара). Необходимое количество наблюдателей зависит от критичности и надежности принятой процедуры испытания и от ожидаемого воздействия оцениваемого эффекта. По предварительным заключениям с помощью наблюдателей, не являющихся экспертами, могут быть получены более ценные результаты при оценке технологий передачи и устройств отображения более высокого качества [27].
Для обеспечения должной достоверности эксперимента группу наблюдателей следовало бы выбрать так, чтобы количественно и качественно отразить состав телевизионной аудитории СНГ, что очень сложно осуществить практически.
Рекомендуемые для предоставления данные могут включать:
- профессиональную категорию (например, работник радиовещательной
- организации, студент университета, служащий), пол и возрастную группу [27].
Так как при подготовке к статистическим экспериментам проводились предварительные испытания, в процессе которых наблюдатели ознакомились с особенностями цифровых телевизионных изображений и оценкой их качества, то это позволило отнести наблюдателей, участвующих в экспериментах, к категории квалифицированных экспертов и уменьшить погрешность испытаний, связанных с влиянием обучения наблюдателей во время их проведения.
В качестве наблюдателей использовались сотрудники предприятия АО «Казахтелеком», ТОО «ЭЛИТКОМ», а также сотрудники кафедры радиотехники, электроники и телекоммуникаций АО «КазАТУ им. С. Сейфуллина» и студенты.
В Рекомендации ВТ.500 - 13 детально описаны несколько методов субъективных испытаний:
1. Метод с двумя источниками воздействия и с использованием шкалы искажений (DSIS).
Типичный метод оценки может быть применен для оценки либо новой системы, либо искажений, вносимых на пути передачи. Если представляет интерес изменение влияния параметра, то необходимо выбрать такой набор его значений, который перекроет весь диапазон изменения искажений с использованием небольшого числа больших шагов равного размера. Метод с двумя источниками воздействия - циклический, в нем эксперту по оценке сначала демонстрируется неискаженный эталон, а затем - именно это изображение с искажениями. После этого его просят оценить второй образец относительно первого. Во время сеанса, который длится до получаса, эксперту демонстрируют наборы изображений или их последовательности в случайном порядке и со случайными искажениями, охватывая все возможные комбинации. Неискаженное изображение также включается в последовательность, которая должна быть оценена. В конце серии испытаний вычисляют среднюю оценку для каждого условия испытаний и тестового изображения.
Метод использует шкалу искажений, для которой обычно стабильность результатов выше при небольших искажениях, чем при значительных.
2. Метод двух источников воздействия с непрерывной шкалой качества (DSCQS).
Типичный метод может быть применен для оценки либо новой системы, либо влияний трактов передачи на качество. Идея метода с двумя источниками воздействия особенно полезна в тех случаях, когда в отношении источников воздействия невозможно обеспечить такие условия испытания, которые представляют полный диапазон качества.
Данный метод является циклическим, при котором эксперта просят рассмотреть пару изображений, полученных от одного и того же источника, но одно из них при этом подверглось рассматриваемому процессу обработки, а второе получено непосредственно от источника. Его просят оценить качество обоих изображений.
Во время сеансов, которые длятся до получаса, эксперту представляют пары изображений (случайно подобранные) в случайном порядке, со случайными искажениями, но при этом должны быть представлены все требуемые сочетания. В конце сеансов вычисляется средняя оценка для каждого условия испытаний и испытательного изображения.
Так как в нашем случае целью является определение параметров оборудования и показателей IPTV-сети, влияющих на качество цифрового изображения, то можно утверждать о правильности выбора выше указанных методов испытаний [27].
Если тестирование проводится для оценки качества системы при оптимальных условиях, используется 5-балльная шкала оценки качества, для оценки ухудшений при неоптимальных условиях применяется шкала ухудшений. Обе шкалы приведены в табл. 2.2.
Моделирование влияния задержек пакетов на пропускную способность телекоммуникационной сети
Учитывая вероятностный характер потерь и задержек пакетов [67], для разработки модели пропускной способности сети можно воспользоваться методом статистического моделирования.
Под численным статистическим моделированием понимают реализацию с помощью персонального компьютера (ПК) вероятностной модели какого-либо объекта с целью оценивания изучаемых интегральных характеристик на основе закона больших чисел, например, метода Монте-Карло [68,69].
В общем виде схема метода Монте-Карло выглядит так. Необходимо вычислить некоторую величину Z. Подразумевается, что можно построить случайную величину x с математическим ожиданием Mx, равным Z, и с конечной дисперсией Dx, причем выборочные значения х. случайной величины x просто реализуются на ПК. Главным фактором при использовании приближения (4.1) является возможность эффективной реализации выборочных значений случайных величин на ПК.
Сущность метода математического моделирования [70,71,72] заключается в том, что процесс функционирования системы имитируется при помощи арифметических и логических операций на ПК в той последовательности элементарных актов, которая характерна для моделируемого процесса. Имитация случайных факторов производится при помощи случайных чисел, формируемых компьютером. Таким образом, в качестве математической модели процесса задержек, потерь пакетов в IPTV-сети и пропускной способности выступает алгоритм, реализуемый на ПК, позволяющий по заданным параметрам задержек, потерь пакетов и начальным условиям определить вероятность достоверности не превышения времени задержки в соответствии с требованиями механизмов QoS. Статистический алгоритм исследования включает следующие основные блоки (рис. 4.1) [68]:
- блок программного получения случайных чисел;
- блок реализации формализованной схемы исследуемого процесса;
- блок анализа результатов и печати.
Предлагаемая модель позволяет исследовать время задержки пакетов в IPTV-сети и соответственно пропускную способность канала абонента IPTV (рис. 4.2).
Согласно [73-76] вероятность отказа оборудования равна 0.0005.
Тогда:
-вероятность безотказной работы компрессора Р{С) = 0.9995;
-вероятность безотказной работы сервера P(S)=0.9995;
- вероятность безотказной работы маршрутизатора Р(R)=0.9995.
Вероятность отказа всех трех устройств Р(т) будет рассчитываться по следующему выражению [31;77]: Р(т) = Р(С) + P(S) + P(R) - P(S)P(R) - P(S)P(C) - P(R)P(C) - P(C)P(S)P(R), (4.2) где P(C) = l-P(C) -вероятность отказа компрессора; P(S) = 1-P(S) -вероятность отказа сервера; P(R) = l-P(S) - вероятность отказа маршрутизатора.
Очевидно, что при заданных значениях величин вероятностей безотказной работы, входящих в формулу (4.2) произведения трех сомножителей будут пренебрежимо малы по сравнению с заданными величинами, и, следовательно, при расчете величины Р{т) их можно не учитывать. Тогда Р{т) = 0.0015. Полученные данные приблизительны, поэтому необходимо проверить их другими расчетами, например, моделированием IPTV-сети с процессами задержки и потери пакетов.
При использовании метода статистического моделирования существенным является определение необходимого количества испытаний [78]. Увеличение количества испытаний повышает точность определения статистических характеристик, но одновременно увеличивает затраты времени на моделированиеИсходя из того, что погрешность (є) может быть равна единице младшего разряда, имеем г=0.01. Доверительную вероятность Q примем равной g=0.95 [79]. Вероятность Р(г) примем соответственно рассчитанной по выражению (4.3). Значение Nx, влияющее на точность модели при числе реализаций, будет увязана с точностью исходной информации и практической задачей исследования достоверности информации, получаемой при моделировании.
Результаты моделирования
Моделирование задержек пакетов и соответственно расчет пропускной способности канала осуществлялось в разработанной программе DelayProg [82]. Данная программа написана на языке Delphi и состоит из двух окон (рис. 4.4). В первом окне программы находится кнопка «Старт» для запуска работы и три окна для вывода всех результатов моделирования.
После нажатия меню «Файл» выводится окно настроек для ввода массива входных данных.
Принцип работы программы описан в п. 4.2.
Изменяя значения вероятности безотказной работы согласно[73-76], в результате моделирования с помощью данной программы, получаем следующие данные (таб. 4.1).
Как видно из таблицы 4.1 результаты значений моделирования сильно рознятся, что не представляет отобразить их графически одновременно. Для лучшего анализа результатов сведем их в соответствующие группы по уровню их значений и представим графически (рис. 4.5-4.8).На рис. 4.5 приведена зависимость доставки (P(Z)) и потери (P(L)) пакетов от вероятности безотказной работы. При вероятности безотказной работы от 0.999 до 1, значения P(Z) и P(L) практически равны 1 и 0 соответственно.Согласно результатам моделирования определено возможное количество отказов компрессора (C), сервера (S), маршрутизатора (R) (рис. 4.6). При изменении вероятности безотказной работы от 0,98 до 1 количество отказов оборудования изменяется по экспоненциальному закону.
Разработанная программа при указанных значениях задержек позволяет определить количество потерянных (D), обработанных (P1) и общее число отправленных (O) пакетов абоненту (рис. 4.7).В DelayProg реализована возможность задавать размер информационного пакета. При размере пакета 53 байта изменение пропускной способности канала (B) представлено на рис. 4.8.