Ip-телефония

 Некоммерческое  акционерное общество

 «АЛМАТИНСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ»

 Кафедра Телекоммуникационных систем   
 
 
 
 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

 по  дисциплине: IP-телефония и видеосвязь  
 
 

Специальность 5В0719 – Радиотехника, электроника  и телекоммуникации

Выполнил Сыдыков Н.С.           Группа МТС-08-7

№ зачетной книжки 083438 

Руководитель  ст.пр. Сакабаева А. К.

_____________________________ «____» _____________________2011 г.    
 
 
 
 

Алматы 2011

Содержание 

Введение	3
1 Задание 1	4
2 Задание 2	14
3 Задание 3	22
Заключение	32
Список  литературы	33

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение 

     VoIP (Voice over Internet Protocol) или IP-телефония - это технология, которая обеспечивает передачу голоса в сетях с пакетной коммутацией по протоколу IP, частным случаем которых являются сети Интернет, а также другие IP - сети. Для связи сети Интернет (IP - сети) с телефонной сетью общего пользования PSTN (Public Switched Telephone Network), которая относится к глобальным сетям с коммутацией каналов, используются специальные аналоговые VoIP-шлюзы.

     Необходимо  отметить, что сети Интернет через  цифровые шлюзы VoIP связаны с цифровыми  телефонными сетями ISDN (Integrated Services Digital Network). Кроме того, интеграция VoIP в  сети сотовой связи является практически  неизбежным процессом, интеграция обеспечит более низкую по сравнению с традиционной сотовой телефонией стоимость разговоров.

     На  сегодняшний день доступ в Интернет возможен непосредственно с мобильных  телефонов, которые поддерживают технологии: CSD (Circuit Switched Data или GSM Data), GPRS (General Packet Radio Service), EDGE (Enhanced Data rates for Global Evolution), CDMA (Code Division Multiple Access), EV-DO (Evolution-Data Optimized), которые обеспечивают широкий спектр услуг "Мобильный Интернет" и WAP. Необходимо отметить, что в мобильной связи уже внедряются новые технологии беспроводного широкополосного доступа в Интернет на базе технологии связи 4G (GSM/WiMAX/Wi-Fi mobile phone).

     В настоящее время к сетям PSTN и ISDN подключены центры коммутации сотовой связи (сотовые сети разных операторов соединены между собой), что обеспечивает звонки с сотовых телефонов на стационарные телефоны (PSTN или ISDN) и наоборот. Характерным для сетей 3G мобильной связи является скоростная беспроводная передача данных и мощные магистральные сети пакетной коммутации. В связи с тем, что сети PSTN связаны с сетями Интернет и сетями сотовой связи, может быть обеспечена передача голосовых сигналов между этими сетями.

     IP-телефония  обеспечивает передачу голосовых  сигналов с компьютера на компьютер, с компьютера на телефон (аналоговый телефон, цифровой телефон, IP-телефон, мобильный телефон) и с телефона на телефон. Звонки осуществляются через провайдера услуг VOIP. Качество передачи голоса зависит от VoIP-провайдера и способа подключения к Интернету.

     Одно  из преимуществ IP-телефонии - это экономия финансовых средств на ведение международных  и междугородних телефонных переговоров  за счет того, что значительную часть  расстояния между абонентами голосовой  сигнал в цифровом виде проходит по сетям пакетной коммутации (по сети Интернет), а не по телефонным сетям с коммутацией каналов. В настоящее время IP-телефония обеспечивает самые дешевые или бесплатные междугородние и международные звонки необходимо только оплатить использованный трафик Интернет-провайдеру. 

     1 Задание 1 

     Провести  расчёт производительности узла доступа  с учётом структуры нагрузки поступающей  от абонентов, пользующихся различными видами услуг.

     а) сделать расчёт числа пакетов  от первой группы (телефония);

     б) провести расчёт числа пакетов от второй группы (телефония и интернет);

     в) сделать расчёт числа пакетов от третьей группы абонентов (triple play);

     г) оценить требования к производительности маршрутизатора, агрегирующего трафик мультисервисной сети доступа NGN;

     д) сделать выводы.

     Исходные  данные для расчета приведены в таблицах 1,2,3,4. 

     Т а б л и ц а 1 – Доля абонентов по группам

Группа  абонентов	Последняя цифра  номера зачетной книжки	8
1	Доля абонентов 1 группы, p1 в%	53
2	Доля абонентов 2 группы, p2 в%	40
3	Доля абонентов 3 группы, p3 в%	7

 

     Т а б л и ц а 2 – Характеристики нагрузки, создаваемой клиентами различных групп.

Последняя цифра номера зачетной книжки fi	8
Вызовов в час, fi	4
Средняя длительность разговора, ti минут	3
Объём переданных данных в час наибольшей нагрузки, V2, Мбайт/с	10
Объём переданных данных в час наибольшей нагрузки, V3, Мбайт/с	65
Время просмотра видео в час наибольшей нагрузки, Тв,  минут	40
Мультисервисный узел доступа обслуживает N, абонентов	3500

 

     Т а б л и ц а 3 – Выбор  кодеков

Предпоследняя цифра номера зачетной книжки	3
Кодеки	G.711u G.726-32

 
 
 
 
 
 
 

     Т а б л и ц а  4 - Параметры  кодеков

Кодек	Ско- рость пере- дачи, кбит/с	Длитель ность датаграм-мы, Мс	Задержка пакети-зации, мс	Полоса пропускания  для двунаправ-ленного соединения, кГц	Задержка в  джиттер-буфере	Теоре-тическая максималь-ная оценка MOS
G.711u	64	20	1	174,4	2 датаграммы, 40 мс	4,4
G.726-32	32	20	1	110.4	2 датаграммы, 40 мс	4,22

 

     Всех  потенциальных клиентов оператора  по уровню приносимого дохода можно  условно разделить на три группы.

     Наиболее  многочисленная группа абонентов приносит минимальный уровень дохода, однако отказаться от её обслуживания оператор не может из-за социальной значимости предоставления услуг этим абонентам.

     В структуре пользователей можно  выделить незначительное число абонентов, готовых использовать максимальное количество предоставляемых услуг. Скорее всего, это корпоративные пользователи, потребляющие весь спектр услуг «Triple Play». Несомненно, для организации обслуживания данного сектора организовывается широкополосный доступ.

     Расчёт  производительности узла доступа необходимо проводить с учётом всех абонентов, пользующихся услугами. Три группы клиентов:

• пользователи телефонии, p₁;
• пользователи телефонии и передачи данных, p₂;
• пользователи телефонии, передачи данных и видео,p₃.

     Схема групп пользователей показана на рисунке 1.

     

     Рисунок 1 - Состав абонентов сети доступа 

     Каждая  группа абонентов совершает в  среднем f_i вызовов в час средней длительностью t_i минут. Для второй и третьей группы, необходимо задать объём переданных данных в час наибольшей нагрузки, величина обозначается V_i, Мбайт/с. Третья группа будет характеризоваться еще временем просмотра видео в час наибольшей нагрузки Т_В минут.  Мультисервисный узел доступа обслуживает N абонентов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1.1 Расчёт числа пакетов от первой группы (телефония) 

     Рассчитаем  число пакетов создаваемых пользователями телефонии, использующие выбранные  ранее кодеки. Параметры кодеков  представлены в таблице 4.

     Рассчитаем  параметры сети для двух кодеков соответственно варианту. Длительность дейтаграммы T_PDU равна 20 мс, согласно рекомендации RFC 1889. При этом в секунду передаётся 

      n_j= 1/ T_PDU = 1/20∙10^-3 = 50 кадров в секунду      

     Размер  пакетизированных данных

     

     h_j = v_j·T_PDU                            

     где  v_j – скорость кодирования, байт/с;

     h_j – размер пакетизированных данных;

     T_PDU – длительность одной речевой выборки (длительность пакета).

     Рассчитываем v_j – скорость кодирования, байт/с; h_j – размер пакетизированных данных для двух выбранных согласно варианту кодеков (индекс j  соответствует 1-первый кодек без сжатия, 2- второй кодек со сжатием).

     При использовании кодека скорость кодирования  

     v_i = R_Gi/8, (байт/с), 

     v₁ = R_G1/8 = 64/8 = 8 кбит/с = 1000 байт/с 

     v₂ = R_G2/8 = 32/8 = 4 кбит/с = 500 байт/с 

     h_j = v_j · T_PDU, (байт). 

     h₁ = v₁ · T_PDU = 1000 · 20 · 10^-3 = 20 байт 

     h₂ = v₂ · T_PDU = 500 · 20 · 10^-3 = 10 байт 

     Для определения размера пакета необходимо учесть заголовки:

• Ip – 20 байт;
• UDP – 8 байт;
• RTP – 12 байт.

     Суммарный размер пакета для кодека без сжатия  

     h_åG1 = h_j + Ip + UDP+ RTP = 20 + 20 + 8 + 12 = 60, байт. 

     Суммарный размер пакета для кодека со сжатием 

     h_åG2= h_j + Ip + UDP+ RTP = 10 + 20 + 8 + 12 = 50, байт. 

     Для определения числа пакетов, генерируемых первой группой абонентов, необходимо учесть их долю в общей структуре пользователей, количество вызовов в час наибольшей нагрузки, среднюю длительность разговора.

     

     N_1j = n_1j· t₁·f₁·p₁·N = 50·180·4·0,53·3500 = 66 780 000 пакетов  

     где N_1j – число пакетов, генерируемое первой группой пользователей в час наибольшей нагрузки;

     n_1j – число пакетов, генерируемых в секунду одним абонентом;

     t₁ – средняя длительность разговора в секундах для первой группы абонентов;

     f₁ – число вызовов в час наибольшей нагрузки для первой группы абонентов;

     p₁ – доля пользователей группы 1 в общей структуре абонентов;

     N – общее число пользователей. 

2. Расчёт  числа пакетов  от второй группы (телефония  и интернет)

 

     Рассуждения, приведённые для первой группы абонентов, в полной мере можно применить  и ко второй группе для расчёта числа пакетов, возникающих в результате пользования голосовыми сервисами. Разница будет лишь в индексах. 

      N_{2_тj} = n_1j· t₂· f₂·p₂· N =  50·180·4·0,4·3500 = 50 400 000 пакетов    

     где  N_{2_тj} – число пакетов, генерируемое второй группой пользователей в час  наибольшей нагрузки при использовании голосовых сервисов;

     n_1j – число пакетов, генерируемых в секунду одним абонентом;

     t₂ – средняя длительность разговора в секундах для второй группы абонентов;

     f₂ – число вызовов в час наибольшей нагрузки для второй группы абонентов;

     p₂ – доля пользователей группы 2 в общей структуре абонентов;

     N – общее число пользователей.

     Для расчёта числа пакетов, генерируемых второй группой пользователей при  использовании сервисов передачи данных, необходимо задаться размером пакетов.  При построении сети NGN, как правило, на одном или нескольких участках сети на уровне звена данных используется та или иная разновидность технологии Ethernet, поэтому использовать пакеты, превышающие максимальную длину поля данных Ethernet, не имеет смысла. Очень длинный пакет рано или поздно будет фрагментирован, что приведёт, во-первых, к излишней нагрузке на коммутаторы, и, во-вторых, к возможным перезапросам в случае потерь.

       Кроме того, использование пакетов  большого размера затрудняет  обеспечение качества обслуживания и на магистральной сети, и в сети доступа. Более того, как правило, корпоративные пользователи устанавливают на границе своей сети «firewall», который, иногда, ограничивает максимальный размер кадра. При передаче данных вместо протоколов RTP и UDP используется TCP, вносящий точно такую же избыточность (20 байт).

     Для расчёта числа пакетов в час  наибольшей нагрузки необходимо задаться объёмом переданных данных. Предположим, что абоненты второй группы относятся  к интернет-сёрферам, т.е. в основном просматривают веб-страницы. Средний объём данных, переданных за час при таком способе подключения, составит около V₂ необходимо выразить в битах. То есть V₂  ≈ V₂(Мбайт) /8·1024·1024 бит. Число пакетов, переданных в ЧНН, будет равно 

      N_{2_дj} = p₂· N ·V_2j/h_j  

     N_{2_д1} = p₂· N ·V_2j/h₁ = 0,4·3500·1310720/160 = 11,4688·10⁶ пакетов  

     N_{2_д2} = p₂· N ·V_2j/h₂ = 0,4·3500·1310720/80 = 22,9376·10⁶ пакетов 

     где  N_{2_дj} – количество пакетов, генерируемых в час наибольшей нагрузки абонентами второй группы при использовании сервисов передачи данных;

     p₂ – доля пользователей группы 2 в общей структуре абонентов;

     h_2j – размер поля данных пакета;

     N – общее число пользователей.

     Суммарное число пакетов, генерируемых второй группой пользователей в сеть в час наибольшей нагрузке, будет равно

     

     N_2j = N_{2_тj} + N_{2_дj}   

     N₂₁ = N_{2_тj} + N_{2_д1} = 66,78·10⁶ + 11,7504·10⁶ = 78,5304·10⁶ пакетов 

     N₂₂ = N_{2_тj} + N_{2_д2} = 50,4·10⁶ + 22,9376·10⁶ = 73,3376·10⁶ пакетов 

     1.3 Расчёт числа пакетов от третьей группы абонентов (triple play) 

     Все рассуждения, проведённые относительно первых двух групп, остаются в силе и для третьей группы, применительно  к сервисам передачи голоса, а именно: 

      N_{3_тj} = n_1j· t_{3_т}· f₃· p₃· N = 50·180·4·0,07·3500 = 8 820 000 пакетов 

     где  N_{3_т} – число пакетов, генерируемое третьей группой пользователей в час наибольшей нагрузки при использовании голосовых сервисов;

     n_1j – число пакетов, генерируемых в секунду одним абонентом;

     t₃  – средняя длительность разговора в секундах;

     f₃ – число вызовов в час наибольшей нагрузки;

     p₃ – доля пользователей группы 3 в общей структуре абонентов;

     N – общее число пользователей.

     Предположим, что абоненты третьей группы относятся  к «активным» пользователям интернета, т.е., используют не только http, но и ftp, а также прибегают к услугам пиринговых сетей. Объём переданных и принятых данных данных при таком использовании интернета составляет до V₃ . Число пакетов, переданных в ЧНН, будет равно 

     N_{3_дj} = p₃· N · V₃/h_j     

     N_{3_д1} = p₃· N · V₃/h₁ = 0,07·3500·8,5197·10⁶/160 = 13,0458·10⁶ пакетов

        

     N_{3_д2} = p₃· N · V₃/h₂ = 0,07·3500·8,5197·10⁶/80 = 26,0916·10⁶ пакетов 

     Для расчёта числа пакетов, генерируемых пользователями видео-услуг, воспользуемся  соображениями относительно размера  пакета, приведёнными в предыдущем пункте. Размер пакета не должен превосходить 200 (120) байт (вместе с накладными расходами).

     Одной из наиболее перспективных и динамически  развивающихся услуг является IPTV – передача каналов телевещания с помощью протокола IP. При организации данного сервиса для каждого пользователя в транзитной сети доступа не требуется выделения индивидуальной полосы пропускания. До мультисервисного узла доходит определённое количество каналов, которые распределяются между заказчиками услуги, причём существует возможность организации широковещательной рассылки. Допустим, что в мультисервисной сети предоставляется возможность просмотра K_tv = 55 каналов вещания. Для обеспечения удовлетворительного качества скорость кодирования должна быть порядка 2 Мбит/с.

      Например, при скорости передачи v = 2048000 бит/с и размере полезной нагрузки пакета h_j число пакетов, возникающих при трансляции одного канала, равно:

     n_3j = v/h_j     

n₃₁ = v/h₁ = 2048000/160 = 12800 

    

n₃₂ = v/h2 = 2048000/80 = 25600 

     Количество  пакетов,  передаваемых по каналами в ЧНН, составит 

      N_{3i_Вj} =  p₃· N · n_3i · t_{3_В}      

     N_{3i_В1} =  p₃· N · n_3i · t_{3_В} = 0,07·3500·12800·2400 = 7,526·10⁹ пакетов 

     N_{3i_В2} =  p₃· N · n_3i · t_{3_В} = 0,07·3500·25600·2400 = 15,053·10⁹ пакетов 

     где  N_{3j_В} – число пакетов, генерируемое третьей группой пользователей в час наибольшей нагрузки при использовании видео-сервисов сервисов;

     n_3j – число пакетов, генерируемых в секунду одним абонентом при использовании просмотре видео, сжатого по стандарту MPEG2;

     t_{3_В} – среднее время просмотра каналов в ЧНН, сек;

     p₃ – доля пользователей группы 3 в общей структуре абонентов;

     N – общее число пользователей.

     Суммарное число пакетов, генерируемых третьей  группой пользователей в сеть в час наибольшей нагрузке, будет  равно

     

     N_3j = N_{3j_т} + N_{3j_д} + N_{3j_В}   

     N₃₁ = N_{3j_т} + N_{3j_д1} + N_{3j_В1} = 0,00882·10⁹ + 0,01305·10⁹ + 7,526·10⁹ = 7,548·10⁹ пакетов  

N₃₂ = N_{3j_т} + N_{3j_д2} + N_{3j_В2} = 0,00882·10⁹ + 0,01305·10⁹ + 15,053·10⁹ = 15,0749·10⁹  пакетов 

     1.4 Требования к производительности мультисервисного узла доступа

     Мультисервисный узел доступа должен обслуживать трафик от всех трёх групп пользователей. Кроме того, именно узел доступа должен обеспечить поддержку качества обслуживания путем приоритезации трафика, которая должна осуществляться независимо от используемой технологии транспортной сети доступа.

     Суммарное число пакетов, которое должен обработать мультисервисный узел доступа, будет  равно:  

     Nj_Σj = N_1j + N_2j + N_3j =  n_1j· t₁·f₁·p₁·N + (n_1j· t₂· f₂· p₂· N + p₂· N · V₂/h_j) +

      + (n_1j· t₃·f₃·p₃· N + p₃·N ·V₃/h_j + p₃· N · n_3j · t_{3_В}) 

     Учитывая, что:

     t₁ = t₂ = t₃ = t – средняя длительность разговора в секундах;

     f₃ =  f₂ = f₁ = f – число вызовов в ЧНН;

     получим 

      Nj_Σj = n_1j · t · f ·N · (p₁ + p₂ + p₃) + N/h_j · (p₂·V₂ + p₃·V₃) + p₃· N · n_3j · t_3В                                  

     Учитывая, что  p₁ + p₂ + p₃ = 1, получим

     

     N_Σj = N · (n_1j · t · f  + ( p₂·V₂ +  p₃·V₃)/h_j) + p₃· N · n_3j · t_{3_В}  

     N_Σ1 = N · (n_1j · t · f  + ( p₂·V₂ +  p₃·V₃)/h₁) + p₃· N · n₃₁ · t_{3_В} = 3500·(50·180·4 + (0,4·1,31072·10⁶ + 0,07·8,5197·10⁶)/160) + 0,07·3500·12800·2400 = 7,677·10⁹ пакетов 

     N_Σ2 = N · (n_1j · t · f  + ( p₂·V₂ +  p₃·V₃)/h₂) + p₃· N · n₃₂ · t_{3_В} = 3500·(50·180·5 + (0,4·1,31072·10⁶ + 0,07·8,5197·10⁶)/80) + 0,07·3500·25600·2400 = 15,228·10⁹ пакетов  

     Среднее число пакетов в секунду рассчитывается для двух выбранных кодеков и  равно

     

     N_{Σ_секj} = N_Σj/3600.       

N_{Σ_сек1} = N_Σ1/3600 = 7,677·10⁹/3600 = 2,133·10⁶ пакетов/с 

N_{Σ_секj} = N_Σj/3600= 15,228·10⁹/3600 = 4,23·10⁶ пакетов/с 

     Данные  показатели позволяют оценить требования к производительности маршрутизатора, агрегирующего трафик мультисервисной сети доступа NGN.

     Анализируем как и какие группы сети больше всего загружают систему для рассчитываемых длин пакетов. Для этого формируем таблицу  6 и строим диаграмму рисунок 2. 

     Таблица 5 - количество передаваемых пакетов в сек для трех групп      пользователей

Количество передаваемых пакетов в сек      G.711u      G.726-32 1 группа (p1),%      0,7      0,4 2 группа (p2) ,%      8,5      8,3 3 группа (p3) ,%      90,8      91,3