СРАВНЕНИЕ КАЧЕСТВА ПЕРЕДАЧИ IPTV-ТРАФИКА В СЕТИ WI-FI НА ЧАСТОТАХ 2,4 И 5 ГГЦ

На сегодняшний день услуга интерактивного телевидения (IPTV) приобрела огромную популярность, вытесняя устоявшуюся услугу КТВ (кабельное телевидение). Интерактивность данной услуги обеспечивается за счет двустороннего взаимодействие с клиентом. Клиент вправе приостановить видеотрансляцию, записать ее, добавить в избранное, активировать ДВО. Доступ к данной услуге может осуществляться проводным и беспроводным способом. Наиболее предпочтительным для пользователя считается беспроводной способ по технологии 802.11 (Wi-Fi). Данная технология позволяет минимизировать длину кабельной системы и обеспечить пользователю доступ к услуге в любой точке помещения. При этом пользователи могут столкнуться с такими проблемами как: резкие скачки звука, пикселизация и зависание изображения [1]. Эти проблемы обусловлены не только особенностями пакетной передачи, но и нестабильностью радиосреды.

В данной статье сравним качество получаемого изображения при передаче интерактивного трафика на частотах 5 ГГц и 2,4 ГГц, а также предложим методы по улучшению качества передачи видеотрафика.

Данный вопрос является актуальным, поскольку качественное предоставление услуги позволит удовлетворить потребности пользователя и принести высокую прибыль оператору связи. Немаловажным является стоимость роутера, работающего на частоте 2,4 и/или 5ГГц. Например, средняя стоимость однодиапозонного роутера составляет от 500 до 1500 рублей. Стоимость двудиапазонного роутера составляет 2500р и выше (прим. магазин DNS). Таким образом, есть ли необходимость переплачивать за второй рабочий диапазон, или достаточно диапазона 2,4 ГГц?

При исследовании передачи трафика через IP-сеть был собран стенд на базе оборудования Eltex (см. рисунок 1), предоставленным Научно-образовательным центром СибГУТИ.

Рисунок 1. Стенд по исследованию качества IPTV-трафика

В качестве источника видеоконтента используется сервер на базе OS Linux Ubuntu 14.0. Данная система установлена на виртуальную машину Oracle VirtualBox. Используемое решение позволяет гибко настраивать параметры передаваемого трафика, производить одновременную трансляцию нескольких потоков, а также данное решение минимально нагружает ОС персонального компьютера. От персонального компьютера требуется около 2-4 единиц оперативной памяти для нормальной работы виртуальной машины. Вся логика и работа видеосервиса заключена в виртуальной ОС.

В роли ядра сети выступает коммутатор агрегации фирмы Eltex MES-3124. Данное устройство обладает широким спектром функций для работы как на уровне L2, так и на уровне L3. Вся настройка осуществлялась через CLI, так как это позволяет гибко и детально настроить необходимые параметры устройства(VLAN, QoS, DHCP) [2]. На коммутаторе было задействовано два порта FE: один в сторону точки доступа, второй в сторону IPTV-сервера. В дальнейшем планируется увеличить число клиентов и задействовать гигабитные порты.

Для реализации источника радиосигнала была выбрана точка доступа RG-5421G-Wac. Выбор данной точки доступа связан с ее возможностью работать в двух диапазонах частот, наличие функций по работе с IPTV-трафиком, простота настройки [4]. Управление данным устройством осуществлялось через Web-интерфейс.

Мониторинг осуществлялся с ноутбука, на котором были установлены следующие программы:

• Проигрыватель VLC;
• Анализатор радиосреды Wi-FiScaner;
• Анализатор трафика Wireshark;

Данные программы имеют бесплатную лицензию и свободно распространяются в сети Интернет. VLC позволяет запускать видеоданные любого формата на любом устройстве (мобильные телефоны, планшет, ПК). Видеоконтент можно проигрывать как локально с рабочей станции, так и удаленно, установив в URL-поиске адрес IPTV-сервера. Анализатор радиосреды Wi-FiScaner использовался для определения уровня мощности сигнала, оценки качества принимаемого сигнала, анализа электромагнитной обстановки (расположение сторонних сетей Wi-FI и занимаемые ими каналы). Анализатор трафика Wireshark позволяет детально изучить содержимое любого пакета на каждом уровне модели OSI, просмотреть логику TCP-соединения, проанализировать различные аудио- и видеопараметры трафика. [3, стр. 896] Данная программа использовалась для анализа параметров качества видеотрафика.

 В качестве основных показателей качества предоставления услуги выделяют следующие:

• IPTD – (IP Packet Transfer Delay) абсолютная задержка пакета;
• IPDV – (IP Packet Delay Variation ) вариация задержки пакета;
• IPLR – (IP Packet Loss Ratio) коэффициент потерянных пакетов;
• IPER – (IP Packet Error Ratio) коэффициент поврежденных пакетов.[3]

Наибольший интерес представляют абсолютная задержка и вариация задержки (джиттер), так как именно они визуально отражают качество получаемого изображения и звука. Абсолютная задержка равна разности задержки между вводом пакета и выводом пакета из сети [3]. Вариация задержки пакета между входной и выходной точками сети является отклонением значений задержки от заданной величины [5]. Джиттер проявляется в следующем: регулярно передаваемые пакеты прибывают к абоненту в нерегулярные моменты времени, следовательно, в результате действие джиттера речь становится неразборчивой, а изображение искажается настолько, что его трудно разглядеть.

На рисунке 2 приведены графики зависимостей параметров качества от расстояния между приемником и передающей точкой доступа. Измерения проводились на частотах 2.4 ГГц и 5 ГГц.

Рисунок 2. Графики зависимости параметров качества от расстояния на частоте 2.4 и 5 ГГц

Как мы видим, при удалении рабочей станции от точки доступа на расстоянии 5 метров лучше использовать диапазон 5 ГГц. Во-первых, это связано с тем, что данный диапазон мало используется и не “засорен” сторонними сетями. Во-вторых, значение вариации задержки для 5ГГц диапазона меньше. Поведение графика IPDV объясняется несколькими факторами:

- Во-первых, коммутатор, находящийся в сети, через которую проходят наши пакеты, вносит свой джиттер, который в совокупности влияет на общее значение задержки;

-Во-вторых, если рассматривать участок между приемником и передатчиком, то здесь большую роль играет природа радиоволн. На величину джиттера могут повлиять такие явления как: отражение, интерференция, преломление и эффект Доплера (для движущихся объектов).

Для минимизации влияния джиттера было предложено следующее решение: увеличить значение джиттер-буфера на приеме. Чем больше джиттер, тем больше размер джиттер-буфера требуется для компенсации изменения задержек, иначе часть пакетов будет отброшена, если они придут позже времени воспроизведения. При максимальном размере джиттер-буфера появляется возможность свести количество отбрасываемых пакетов к минимуму, но это внесёт задержку на отображение всего потока видео, однако изображение станет плавным и без искажений.  

 Так же, при удалении от точки доступа, величина потерь на расстоянии более 5 метров для диапазона 2,4 ГГц меньше, чем при 5 ГГц. Это можно объяснить тем, что при большем значении частоты, величина затухания сигнала больше, а, следовательно, число ошибочных/потерянных бит будет увеличиваться. Таким образом, если пользователь захочет посмотреть видео со средним качеством и на дальнем расстоянии, оптимальным выбором является частота 2,4ГГц.

Ниже приведены кадры из видео, которое передавалось по радиоканалу на расстоянии 10 метров до получателя на разных частотах.

Рисунок 3. Качество изображения на частоте 2.4 ГГц (слева) и на частоте 5ГГц (справа) при 10 метрах от передатчика

Как можно заметить, на рисунке справа явно выделяется пикселизация изображения, что связано с потерей и искажением пакетов данных. На том же расстоянии, на частоте 2.4 ГГц качество изображения можно оценить, как “хорошее”.

В заключение приведу основные результаты, полученные по ходу данной работы:

1. На расстоянии 5м от точки доступа до абонента, желательно использовать каналы в диапазоне 5 ГГц. С увеличением расстояния требуется переходить на диапазон 2,4 ГГц.
2. Для минимизации джиттера можно увеличить размер джиттер-буфера на приемной стороне.
3. Мощность сигнала при работе точки доступа в диапазоне  5ГГц выше, чем при 2,4ГГц. Это следует из того, что диапазон 5ГГц, редко используется и менее зашумлен,по сравнению с диапазоном 2,4ГГц, на котором работают ИК-устройства,технология Bluetooth и т.д.

В дальнейшем планируется продолжить работу по исследованию качества передачи IPTV-трафика по сети доступа Wi-Fi.

Список литературы:

1.  Ибраева Л. О. Анализ проблем обеспечения качества в мультисервисных сетях //SCIENCE AND WORLD. – 2013. – С. 38.
2. Коммутатор агрегации MES3124 //Техническая документация — 2017. — [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://eltex.nsk.ru/ catalog/mes3124.php (дата обращения: 5.04.2017).
3. Олифер В. Г., Олифер Н. А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 3-е изд //СПб.: Питер. – 2006. – Т. 958.
4. Точка доступа RG 5421G-WAC //Техническая документация — 2017. — [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://eltex.nsk.ru/catalog/rg5421.php (дата обращения: 12.05.2017).
5. ITU-T Recommendation Y.1910-200809-I: IPTV functional architecture //Техническая документация — 2015. — [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: https://www.itu.int/rec/T-REC-Y.1910-200809-I (дата обращения: 28.05.2017).