Технические требования к передаче видеоинформации в сетях ATM

Как уже не раз отмечалось, ATM была разработана как технология, поддерживающая передачу голоса, видео и данных. Можно сказать, что ATM разрабатывалась для работы с видеоприложениями, поддерживающими появлявшиеся в то время стандарты группы MPEG. С учетом того, что наиболее распространенным стандартом для проведения видеоконференций в настоящее время считается Н.320, появилась необходимость такой адаптации ATM, которая обеспечила бы контроль за задержкой и дрожанием.

При соответствующей адаптации технологии ATM важно было определить, как именно задержка и дрожание влияют на передачу видеоинформации. Основываясь на проведенных исследованиях в этой области, были определены следующие требования к задержкам и дрожанию на уровне коммутаторов для двунаправленного обмена видеоинформацией:

q Коэффициент потери ячеек в сети не должен превышать 1.7 10^-9;

q Задержка при доставке ячейки через сеть не должна превышать 4 мс, а при прохождении через коммутатор – 150 мкс;

q Изменения в задержках при доставке через сеть должны варьироваться в пределах 500 мкс.

Если коммутаторы ATM удовлетворяют выдвинутым требованиям, то они могут принимать участие в процессе передачи высококачественной видеоинформации по сети.

Особенностью двунаправленного взаимодействия является необходимость реализации более строгого контроля за задержкой (по сравнению с однонаправленной передачей), о чем говорилось выше. При всей, казалось бы, жесткости ограничений по времени, видно, что даже для двунаправленной передачи видеоинформации средняя задержка и дрожание измеряется в миллисекундах, а не в микросекундах Это позволяет производителям иметь достаточный временной «зазор», облегчающий выпуск продуктов. В табл. 18.6 перечислены допустимые задержки и дрожание применительно к видео различного качества.

Таблица 18.6. Допустимые значения задержки и дрожания

Так как даже задержка в несколько сотен миллисекунд является приемлемой (для приложения начального уровня) при организации двунаправленного обмена видеоинформацией, то сеть ATM может легко справляться с такой нагрузкой. С точки зрения передачи высококачественного видео хорошие скоростные возможности сети ATM позволяют нейтрализовать некоторые «всплески задержек». Каждое приложение имеет некоторую рабочую область, границы которой определяют верхние и нижние допустимые значения задержки (или других параметров). На рис. 18.2 показаны рабочие области некоторых приложений в аспекте изменения двух параметров – времени задержки и надежности доставки.

С одной стороны, некоторые временные выбросы задержек сглаживаются возможностями технологии ATM, с другой стороны, их негативные последствия призваны устранить верхние уровни MPEG, точнее, их специальные механизмы. В частности, кодеки имеют внутренние буфера, которые позволяют «выровнять» сигнал при его небольшом дрожании. Более того, передача временной информации (нечто вроде временных меток) в потоках стандартов MPEG позволяет восстановить синхронизацию при наличии дрожания в сети. Так как значительное дрожание может привести к потере пакетов, то верхние уровни (выше сетевого) должны более эффективно оберегать поток видеоинформации от возможных потерь такого рода. Частично соответствующие возможности уже заложены в существующие спецификации MPEG. Ожидается, что они будут усилены с принятием нового видеостандарта, такого как цифровое телевидение высокого качества.

Одна из причин, по которой Форум ATM выделил спецификацию VBR (Variable Bit Rate – переменная скорость передачи), состояла в необходимости обеспечения передачи видеоинформации с переменной скоростью. Необходимость использования переменной скорости диктовалась применяемой схемой кодирования – при использовании для сжатия методов MPEG или Н.261 скорость передачи меняется в зависимости от интенсивности движения в кадрах. Уровень взрывообразности (то есть изменений интенсивности) для движущегося изображения зависит от качества видео (табл. 18.7)

Выделение полосы пропускания и проверка ее достаточности с помощью механизма САС (напомним, что он позволяет проверить наличие сетевых ресурсов для установления соединения) для видеоинформации и данных различных приоритетов как раз и позволяет обеспечивать такую передачу с определенным качестном обслуживания. Трафик с постоянной скоростью передачи, например, будет требовать наивысшего приоритета, в то время как нечувствительным к задержкам данным может быть предоставлен самый низкий приоритет. Трафику rtVBR может быть присвоен либо высокий, либо низкий приоритет в зависимости от требований пользователей.

Таблица 18.7. «Взрывообразность» видео

Нельзя говорить о широком развертывании в сети ATM видеоприложений и игнорировать при этом требования UPC (функции контроля за использованием полосы пропускания), которые гарантируют, что входящий трафик будет удовлетворять трафик-контракту, заключенному между пользователем и сетью. Без таких функций уже установленные соединения могут потерять свою производительность из-за неправомерных действий пользователей, нарушающих свои трафик-контракты. В результате, использование функций UPC является необходимым условием для сети ATM, которая должна поддерживать обмен видеоинформацией. Эти функции гарантируют, что трафик всех типов будет соответствовать своим трафик-контрактам и получит запрошенный уровень производительности от сети.

Кроме того, использование кодеков с буферами, которые значительно сглаживают всплески трафика, также помогает реализовать требования, выдвигаемые UPC. Применение обоих методов (выделение полосы пропускания и UPC) согласно, многим исследованиям является наиболее эффективным способом контроля за передачей видеоинформации с переменной скоростью.

Важным параметром для передачи аудио- и видеоинформации является коэффициент потери ячеек (Cell Loss Rate, CLR). В целях снижения уровня потери ячеек при работе в сети ATM блоки данных уровня адаптации ATM (AAL PDU), содержащие мультимедийную информацию, кодируются с помощью процедуры коррекции ошибок Рида-Соломона (Reed-Solomon). Использование этой процедуры делает возможным корректировать потерю до четырех байт в блоке из 128. Если длина блока данных составляет только один байт, то эта процедура может скорректировать потерю до четырех ячеек. Теоретические исследования показывают, что когда поток ячеек следует через семь коммутаторов, каждый из которых выполняет до семи стадий коммутации, вероятность потери ячейки в блоке (длиной более четырех ячеек) очень мала. В табл. 18.8 показаны приемлемые коэффициенты потери ячеек (CLR) и битовых ошибок (Bit Error Rate, BER) для различных видеоприложений.