PERFORMANSE VoIP SAOBRAAJA U GPRS MREŽI Bojovi,Ž 1., Despotovi,M. 2, Deli.V. 3, 1 Telekom Srbija, Zona održavanja Panevo 2,3 FTN u Novom Sadu

Size: px

Start display at page:

Download "PERFORMANSE VoIP SAOBRAAJA U GPRS MREŽI Bojovi,Ž 1., Despotovi,M. 2, Deli.V. 3, 1 Telekom Srbija, Zona održavanja Panevo 2,3 FTN u Novom Sadu"

Agatha Robbins
6 years ago
Views:

1 PERFORMANSE VoIP SAOBRAAJA U GPRS MREŽI Bojovi,Ž 1., Despotovi,M. 2, Deli.V. 3, 1 Telekom Srbija, Zona održavanja Panevo 2,3 FTN u Novom Sadu I SADRŽAJ GSM/GPRS mreže su dizajnirane za prenos govora, slike i podataka. Naši cilj je da prouimo ponašanje GPRS mehanizama (RLC (Radio Link Control) /MAC sloj (Medium Access Control kontro-liše pristup radio-kanalima i mapiranje LLC ramova na GSM fizikom kanalu)) kada sloj aplikacije nosi paketizovani govor, i da ustanovimo da li je QoS koji mreža nudi odgovarajui za VoIP servis. lanak ukljuuje diskusiju o modelovanju izvora govora, analizu efekata na kapacitet GPRS operatora kada dolazi sa VoIP paketima, merenja statistikih parametara toka govornog saobraaja i diskusiju o uticaju na kvalitet servisa. II. UVOD General Packet Radio Service (GPRS) je standard za paketsku komutaciju u okviru GSM sistema koji je usvojio European Telecommunications Standards Institute (ETSI). Uvoenjem GPRS-a u mobilne telefonske mreže (Public Land Mobile Network, PLMN) pretplatnicima je omoguen pristup spoljnim mrežama baziranim na IP protokolu (Internet protocol based) i X.25 protokolu. Važno je istai da više korisnika mogu istovremeno koristiti iste resurse (dinamiko dodeljivanje 7 GSM kanala) pošto se resursi dodeljuju samo u trenucima kada se podaci šalju/primaju. Ovakav nain dodeljivanja i korišenja resursa omoguava pogodnost konstantnog on-line pristupa mreži. Uvoenjem Internet servisa u GSM mreže realizovan je i digitalni protok na radio-interfejsu do 160 kbit/s kada se koriste svih 8 vremenskih slotova [1]. U poreenju sa tradicionalnim mrežama mobilne telefonije sa komutacijom kola, korišenje paketske komutacije kao osnove za prenos govora znatno bi povealo iskorišenost raspoloživih radio resursa. To je razlog da sledee generacije bežinih sistema budu zasnovane na tehnici paketske komutacije, ime bi se end to end IP transport proširio i na radio interfejse i na bežini Internet. Ono što danas predstavlja glavni izazov za inženjere jeste ostvarivanje dobre korelacije izmeu efikasnog korišenja spektra i dobrog kvaliteta za real-time servise, kao što je prenos govora i slike. Važan predmet prouavanja (Poglavlje III) su: kapacitet GPRS sistema, efekti multislotnog prenosa, end to end kašnjenje u GPRS radio prenosu, džiter, iskorišenost PDCH (Packet Data Channels kanali za prenos podataka) kanala. Rezultati koji se dobijaju (poglavlje IV) moraju biti razmotreni u smislu: procene mere za maksimalan broj simultanih VoIP sesija u GPRS sistemu, usvajanja strategije za planiranje u RLC/MAC sloju, vrednosti dobijenog end to end kašnjenja, džitera, iskorišenosti PDCH kanala, i utvrivanja odnosa izmeu broja simultanih uesnika u saobraaju i zahtevanog QoS, koji predlažu internacionalna regulatorna tela [2]. III. OPIS SCENARIJA I GPRS SIMULACIONI MODEL Prenos govora, kao svaki real-time servis, ima veoma striktne zahteve u pogledu QoS. Ti zahtevi se odnose na kašnjenje u prenosu (150ms za prihvatljiv kvalitet, u nekim sluajevima dostiže 400ms) ili na gubitak paketa koji u skladu sa preporukama TIPHOH grupom ETSI-a, mora biti manji od 5% [3]. Ovi kriterijumi su postavljeni da bi se procenio maksimalan broj simulatanih voice poziva u GPRS scenariju, pri emu je BER na radio interfejsu 10-2 (dobar radio kanal). Meutim, postoji i problem, a to je veliko kašnjenje koje se javlja kao posledica nedovoljno raspoloživih radio resursa. Druga važna stvar je udeo (koliina) informacija iz RTP/UDP/IP zaglavlja u dužini paketa. Kada se koristi G.729B kodek, pretpostavlja se da dužina zaglavlja ini od 62-67% dužine paketa. Korišenjem mehanizama za kompresiju zaglavlja, kao što su CRTP i ROCCO, zaglavlje se svodi na na 50-55% [4]. Kako na kvalitetan nain modelovati VoIP saobraaj? Naješe korišeni model jeste ON/OFF model [5]. Ovaj model zasnovan je na praenju govorne aktivnosti odnosno ON (ima govorne aktivnosti) i OFF perioda (nema govorne aktivnosti). Prema ITU-T G.729 preporuci govor je kodovan brzinom 8Kbps, sa subjektivnim kvalitetom (MOS) poredivim sa 32Kbps ADPCM. Za karakterizaciju ON i OFF perioda u pogledu srednje vrednosti, varijanse i raspodele, od strane mnogih strunjaka naješe se koriste testovi Kolmogorov-Smirnova i χ 2 test. Kada se grafiki prikažu funkcija raspodele gustine verovatnoa može se uoiti da vrednost promenljive ON perioda podleže gama raspodeli, ali da OFF period ima rep koji je strmiji od eksponencijalnog. U tabeli 1. sumirani su parametri ovog voice modela [6]. Parametar Srednja Standardna Funkcija vrednost devijacija raspodele ON period 0,4011 s 0,3637 s Gama OFF period 0,5775 s 1,774 s Weibull Tabela 1.Parametri modela koji je predložen nakon analize praenja realnog VoIP saobraaja

2 U praksi je uraeno više simulacija koje su kopija tipinog GPRS scenarija koji naješe nude operateri mobilne telefonije Rekapitulirajmo jedan u praksi najee korišeni GPRS simulator koji modeluje radio interfejs i implementira osnovne funkcije RLC/MAC i LLC sloja koristei ETSI-eve preporuke. U realizaciji autori scenarija [6] polaze su od sledeih pretpostavki: Mobilna stanica (MS) za svaki ON period da bi dobila resurse od kontrolera bazne stanice (BS) generiše sluajan paket za RACH pristup. Vreme tog pristupa (prenos sluajnog paketa+odziv+vreme procesiranja) modelovano je uniformnom raspodelom, sa minimalnom vrednošu od 20ms, i maksimalnom vrednošu od 40ms. Pretpostavljeno je da je to vreme potrebno za odluku (dozvolu) i dodelu resursa MS. algoritam za planiranje ima nekoliko parametara kao što su broj vremenskih kanala koji se dodeljuje pozivu (2 ili 4) i slotove TDM frejma namenjene GPRS-u (u svim simulacijama pretpostavka je da postoji 7PDCH saobraajnih kanala i 1 PRACH kanal za kontrolu). Cilj implementacije ovog algoritma je da se uspostavi balansirano optereenje PDCH kanala i minimizira interferencija izmeu razliitih MS-ova. Model propagacije je ETSI-jev TU-3 (3Km/h). Od mogue etiri kodne šeme koje se koriste zavisno od željenog kvaliteta prenošenog signala u ovom scenariju korišene su dve CS-2 i CS-3. U aktuelnim realizacijama uglavnom su implementirane kodne šeme CS-1 i CS-2, jer su jako robustne na uslove penosa. Kodna šema CS-2 znaajno utie na govorni kodek G.729B. Naime on svakih 20ms generiše ram od 20 bajtova, kojima je dodata enkapsulacija i komprivano RTP/UDP/IP i GPRS LLC/RLC zaglavlje. Osim toga, potrebno je znati da su za prenos jednog IP rama od 20 bajtova potrebna dva RLC bloka. Cilj autora ove tehnike bio je da smanje redundantnost koja nastupa zbog veeg broja zaglavlja, ali se pri tome pojavio problem koji se ogleda u unošenju dodatnog kašnjenja od 20ms. IV REZULTATI SIMULACIJE Sigurno je da se ovo i slina istraživanja mogu proširiti veim brojem kombinacija šeme kodovanja i modela kanala. U ovom lanku zbog prostornog ogranienja pokušali smo da damo komentar izloženog scenarija, fokusirajui se kako na kapacitet GPRS sistema u pogledu broja simultanih govornih poziva, tako i na kašnjenja i gubitke paketa. 1. Kašnjenje Kašnjenje je u mrežama sa implementiranom VoIP tehnologijom (VoIP delay) definisano kao vremenski period koji proe od momenta kada govornik generiše govor do trenutka kada ga uje uvo slušaoca [7], i T kašnjenja je u stvari zbir T pristupa + T procesiranja +T propagacije + T kodovanja. Na kašnjenje na GPRS radio interfejsu utiu tri faktora: kašnjenje prilikom pristupa za svaki ON period (promenljiva vrednost), kašnjenje procesa multipleksiranja (promenljiva vrednost), i kašnjenje prilikom prenosa (izmeu 10ms i 20ms). Na slici 2 prikazano je proseno kašnjenje na GPRS radio interfejsu za CS-2 i CS-3, za oba prethodno navedena modela (poglavlje III). Definisana je taka u kojoj nastupa skokovita promena u sluajevima kada je broj poziva vei od 9 i kada se vrednost kašnjenja znaajno poveava. S tim u vezi autori scenarija [6] su pokazali da je poveanje kašnjenja u korelaciji sa onime što je dobitak multipleksiranja. Zavisno od veliine ponuenog saobraaja (mali ili veliki saobraaj), jednom pozivu se može dodeliti 7 saobraajnih kanala, ili se za više od 7 simultanih poziva pristupa deljenu slotova izmeu korisnika. Rezultati pomenutog scenarija su pokazali da kašnjenje može biti posledica i rezervacije resura, ali i da izbor govornog modela znaajno utie na analizu kašnjenja. U pogledu kašnjenja tradicionalni govorni modeli (sa eksponencijalnom raspodelom za ON i OFF periode) nisu u stanju da daju optimalne rezultate, jer ne mogu realno da procene koliinu saobraaja. Ovo može da dovede do procene da je potrebno manje resursa za odreeni nivo QoS, i do prepunjavanja (overflow) bafera. Na slici 1 prikazano je proseno kašnjenje GPRS radio interfejsu. Broj poziva Slika. 1. Proseno kašnjenje GPRS radio interfejsa

3 % IP paketa kašnjenja. Kada sistem nije zagušen raspodela kašnjenja može biti uniformna, zavisno od mehanizama za pristup i rezervaciju resursa, ali kada se broj simultanih mobilnih stanica poveava, raspodela se menja mnogo više. Na kašnjenje utie takoe i upotreba 2 ili 4 time slota (pri istom optereenju). Kada se koriste 4 time slota, smanjuje se kašnjenje usled blokade (ekanje na slobodan resurs time slot koji se ne koristi), a posledica je smanjeno kašnjenje, i, specifino, maksimalno kašnjenje, kao što je prikazano na slici 3. Slika 2. Verovatnoa graninog (prekomernog) kašnjenja Ovde treba napomenuti da je kao kriterijum za proseno kašnjenje uzet 150 ms ili niže, i pri tome je pretpostavljeno da maksimalno kašnjenje u najveem broju sluajeva nije vee od 200ms (graninog kašnjenja). Na slici 2 prikazana je verovatnoa da IP paket ima vee kašnjenje od odreenog graninog kašnjenja. Ovi podaci se mogu koristiti za dimenzionisanje broja MS-ova i odgovarajui QoS, npr. za 11 MS (ili 11 poziva) dobija se da 24% IP paketa ima kašnjenje vee od 100ms, a 6% njih ima kašnjenje vee od 400ms. Pomou prikazanih podataka na slici i u Tabeli 2, može se podesiti granica izmeu 9 i 11 simultanih poziva u 7PDCH kanala sa G.729B govornim kodekom, u zavisnosti od kašnjenja koje postavi mobilni operater. Prilikom dimenzionisanja sistema funkcija raspodela gustina verovatnoa kašnjenja je kritian parametar. Prema ovom scenariju, granica od 9 poziva je taka u kojoj usled efekta miltipleksiranja nastupa skokovita promena u statistikom toku. Ona oblikuje rep raspodele i ini ga strmijim. Za potvrdu ovog rezultata, raunat je α parametar koji opisuje hiperbolini nagib (opadanje) raspodele. U tu svrhu korišene su [5] dve tipine metode: metod najmanjeg kvadrata (MSR) sa logaritamskom funkcijom verovatnoe, i Hill estimator. Broj MS-ova MSR Hill 7 5,36 5,39 9 2,60 2, ,39 1, ,53 1, ,72 2,88 Tabela 2. Procenjene vrednosti parametra koji opisuje hiperboliko opadanje raspodele kašnjenja Rezultati prikazani u tabeli 2 pokazuju promene raspodele kašnjenja u opsegu 1 α 2. Na osnovu tih rezultata, može se izvesti zakljuak da raspored multipleksiranja ima uticaj ne samo na proseno i maksimalno kašnjenje, nego i na raspodelu broj poziva Slika 3. Poreenje kašnjenja 2 TS-4 TS 2. Džiter Kvalitetan prenos govora ne dozvoljava džiter, i pošiljalac oekuje da pouzdano šalje govorne pakete u regularnim intervalima Meutim, govorni paketi mogu kasniti kroz paketsku mrežu i ne stii do primaoca u oekivanom vremenskom trenutku. Razlika izmeu oekivanog i stvarnog vremena prijema paketa je džiter. Jasno je da džiter (varijacija kašnjenja) ima znaajan uticaj na statistike osobine real-time saobraaja [7]. Slika 4. Varijacija vremena dospea paketa - Pitanja koje se nameu glase: Kako se ponaša funkcija raspodele džitera? Šta utie na ponašenje te funkcije?

4 Raspodela džitera je pokazala isti trend (ponašanje) kao raspodela kašnjenja. Kada je broj poziva manji od broja raspoloživih time slotova džiter e imati deterministiku raspodelu, ali kada broj poziva raste doi e do promene koja se vidi u raspodeli sa jakim repom. Kada se koriste 4 time slota uticaj multipleksiranja je vei ak i sa manjim brojem poziva, jer nema kašnjenja zbog ekanja ili blokade, ali su varijacije kašnjenja vee. Taka u kojoj nastupa skokovita promena je ista kao u analizi kašnjenja. 3. Gubitak IP paketa U VoIP pozivu, paketi se gube iz dva razloga: pogrešni RLC blok koji utie na itav IP paket, ili IP paket sa kašnjenjem veim od odreene granine vrednosti (i prema tome, neupotrebljiv). Kada je kašnjenje vee od odreene gornje granice paket se može smatrati izgubljenim, pošto je korisna informacija ve zastarela. Kao što se da primetiti, prihvatljivo kašnjenje je veoma zavisno od broja simultanih poziva. Iskustvena granica je oko 9-11 mobilnih stanica, i tada sigurno manje od 5% paketa ima kašnjenje vee od 400ms. % IP paketa CI (db) Slika 5. Verovatnoa greške IP paketa u poreenju sa C/I 4. Iskorišenost PDCH, diskusija rezultata kašnjenja i gubitaka U praksi PDCH kanali se mogu dodljivati samo za prenos paketa ili na zahtev kao privremeni dinamiki GPRS resursi. Meutim, u oba sluaja namee se pitanje iskorišenosti PDCH resursa s jedne strane, i nivoa QoS sa druge strane. U odnosu na GSM, koji može da ponudi samo 7 simultanih poziva po jednom nosiocu, VoIP preko GPRS-a unosi inkrement od 28% do 57%. Prilikom analize ustanovljeno je da se u nekim sluajevima pojavljuje raspodela sa jakim repom, što je bitno za korektno dimenzionisanje bafera za uobliavanje tj. za rekonstrukciju real-time toka govornog saobraaja, i smanjenje distorzije kašnjenja koje mreža unosi. Dizajniranje ovih bafera je kompromis izmeu kašnjenja i gubitaka. V ZAKLJUAK Prednosti koje sobom nosi paketska komutacija u odnosu na tradicionalnu komutaciju kola je evidentna. U ovom radu je dat osvrt na GSM mreže sa primenjenim GPRS prenosom i pokušano je da se ukaže na znaaj primene GPRS sistema. Naime, paketizacija govora u GPRS sistemu ne samo da e zameniti GSM, ve e i direktno implementirati VoIP u 3G mobilnim mrežama. Rezultati koji se na taj nain dobijaju pokazuju da GPRS poveava kapacitet mreže za 25-50%. Meutim, takvo poveanje kapaciteta ima cenu. Ta cena koja se plaa je kontrolisano degradiranje kvaliteta govora kao posledica poveanog gubitka paketa i još veeg end - to - end kašnjenja. Posmatrajui kašnjenje, kao gornju granica u ovom scenariju definisan je broj od 10 poziva u GPRS sistemu sa 7 PDCH kanala za saobraaj. Prema primenjenom modelu, G.729B kodek više odgovara za simulaciju od tradicionalnog ON/OFF modela koji se zasniva na Gama i Weibull raspodeli. Naime dobijaju se precizniji rezultati, i to naroito u pogledu raspodele kašnjenja. Ovaj lanak predstavlja nov pristup problemu, koji zahteva dalje pokušaje. Potrebno je više rada, s ciljem da se opiše kompromis izmeu QoS i kapaciteta mreže. Jasno je, i to je i neizbežno da to vodi razliitim nivoima servisa koji mogu biti komercijalno isplativi. Ipak se mora rei da bi novi VoIP servisi mogli da koegzistiraju sa mrežama sa komutacijom kola uz korišenje tehnika za kapacitet na zahtev, i nudei mnogo pristupanije cene za niže performanse ( u pogledu kvaliteta govora). LITERATURA [1] Stojanovi,J., Sekuli S., Analiza GPRS servisa za prenos podataka u GSM-u, Telfor [2] Oliver M., Ferrer C., Overview and Capacity of the GPRS, Proceedings of PIMRC 98, Boston (MA) [3] ETSI TIPHON Project. [4] Gran AP Eriksson, Olin B., Svanbro K., Turina D.,The challenges of voice-over-ip-over-wireless, Ericsson Review No1,2000. [5] Jiang W., Henning S., Analysis of ON-OFF Patterns in VoIP and Their Effect on Voice Traffic Agregation,In the 9 th IEEE Internacional Conference on Computer Communication Networks, [6] Belalta B., Mquel O., Rincon D., Capacity and Traffic Analysis of for Voice services GPRS Mobile Networks, Spain [7] Bojovi Ž., Problemi u primeni VoIP tehnologije, Sombor, DOGS Abstract: GPRS is the network for the transmitting voice, video and data. Our amis are to study the behaviour of the GPRS mechanisms when the application layer carries packetized voice, and determine if the QoS provided by the network is suitable for the VoIP service. In this paper we conside measurements of the

5 statistical parameters of the VoIP traffic and their influence in the QoS. PERFORMANCE OF THE GPRS NETWORK WITH VoIP TRAFFIC, Despotovi,M., Deli.V.,Bojovi,Ž.

SIMPLE PAST TENSE (prosto prošlo vreme) Građenje prostog prošlog vremena zavisi od toga da li je glagol koji ga gradi pravilan ili nepravilan.

SIMPLE PAST TENSE (prosto prošlo vreme) Građenje prostog prošlog vremena zavisi od toga da li je glagol koji ga gradi pravilan ili nepravilan. 1) Kod pravilnih glagola, prosto prošlo vreme se gradi tako