無線LANにおけるVoIPの通信品質 早稲田大学理工学部 コンピュータ・ネットワーク工学科 後藤研究室 学部４年 1g04r065-7 栢沼 圭輔 2008/2/4 研究の背景、目的 背景 •• 様々なコンテンツの利用 様々なコンテンツの利用 •• 各種アプリケーションで送信機会が均等 各種アプリケーションで送信機会が均等 •• サービスに適したQoS（Quality サービスに適したQoS（Quality of of Service） Service） •• •• 優先度順にトラフィックを制御 優先度順にトラフィックを制御 様々なコーデックの利用 様々なコーデックの利用 目的 VoIP環境に特化したQoS実装法の実現 VoIP環境に特化したQoS実装法の実現 コーデックにおける違いの検討 コーデックにおける違いの検討 2008/2/4 2 IEEE 802.11e •• •• •• IEEE IEEE 802.11a/b/gがベース 802.11a/b/gがベース セキュリティ機能やQoS機能を追加 セキュリティ機能やQoS機能を追加 IEEE IEEE 802.11eで採用されているQoS技術は、 802.11eで採用されているQoS技術は、 EDCAとHCCAの２つ EDCAとHCCAの２つ 本研究ではEDCAを用いる 本研究ではEDCAを用いる 2008/2/4 3 EDCA •• トラヒックを４種類のアクセス・カテゴリーに分 トラヒックを４種類のアクセス・カテゴリーに分 け、優先順位をつける け、優先順位をつける •• 優先度に応じて、次のパラメータを設定 優先度に応じて、次のパラメータを設定 CW（Contention CW（Contention Window） Window） − − 送信待ち時間を決める乱数パラメータ 送信待ち時間を決める乱数パラメータ AIFS（Arbitration AIFS（Arbitration IFS） IFS） − − フレーム送信間隔 フレーム送信間隔 TXOP（Transmission TXOP（Transmission Opportunity） Opportunity） − − チャネルを排他的に使用できる時間 チャネルを排他的に使用できる時間 2008/2/4 4 コーデック コーデックとは 符号化方式を使ってデータのエンコード（符号化）と 符号化方式を使ってデータのエンコード（符号化）と デコード（復号）を双方向にできる装置やソフトウェア デコード（復号）を双方向にできる装置やソフトウェア 音声圧縮に用いられるコーデック G.711 G.711 G.726 G.726 G.723.1 G.723.1 G.729 G.729 Annex Annex A A 2008/2/4 5 IP電話クラス分け（R値） クラス R値 遅延 A 80超 100ms未満 B 70超 150ms未満 C 50超 400ms未満 参考文献：TTC標準JJ-201.01 2008/2/4 6 実験環境 ・音声品質評価基準：R値 ・音声品質評価基準：R値 SD ・コーデック： ・コーデック： C ONS OLE FDX LP OK B1 WI C 0 OK B2 LOOP B RI S /T 100 LN K AU X DS U C PU S3 WIC 1 OK Cisco 1 720 音声トラフィック 負荷トラフィック -G.711 -G.711 -G.723.1 -G.723.1 ・測定機器：Astec ・測定機器：Astec Eyes Eyes for for VoIPアナライザ VoIPアナライザ 2008/2/4 7 実験の概要 •• 実験１ 実験１ ––R R 値の低下が起こるネットワーク環境を実現 値の低下が起こるネットワーク環境を実現 し、EDCA し、EDCA の効果を確認 の効果を確認 •• 実験２ 実験２ ––負荷に耐えうるEDCAパラメータの発見 負荷に耐えうるEDCAパラメータの発見 •• 実験３ 実験３ ––実験２より得た提案パラメータの検証 実験２より得た提案パラメータの検証 ※すべての実験をG.711とG.723.1に対して行う 2008/2/4 8 実験２（最適パラメータの発見）（1/4） CWmin CWmax CW_X CWmin CWmax CW_X 0 0 A 1 15 I 0 1 B 3 3 J 0 3 C 3 7 K 0 7 D 3 15 L 0 15 E 7 7 M 1 1 F 7 15 N 1 3 G 15 15 O 1 7 H 2008/2/4 デフォルト 9 実験２（最適パラメータの発見）（2/4） 75 70 65 G.7 1 1 G.7 2 3 .1 R値 60 55 50 45 40 35 30 A B C D E F G H CW_X I J K L M N O 最適パラメータ デフォルトパラメータ 2008/2/4 10 CWmin CWmax CW_X CWmin CWmax CW_X 0 0 A 1 15 I 0 1 B 3 3 J 0 3 C G.711 3 7 K 0 7 D 3 15 L 0 15 G.723.1 E 7 7 M 1 1 F 7 15 N 1 3 G 15 15 O 1 7 H 2008/2/4 デフォルト 11 実験２（最適パラメータの発見）（3/4） 72 70 R値 68 G.711 G.723 .1 66 64 62 60 58 0 1 3 AIFS 7 最適パラメータ デフォルトパラメータ 2008/2/4 12 実験２（最適パラメータの発見）（4/4） 74 72 R値 70 G.711 G.723 .1 68 66 64 62 752 1504 3008 6016 TXOP 12032 24064 最適パラメータ デフォルトパラメータ 2008/2/4 13 最適パラメータ CWmin CWmax AIFS TXOP デフォルト パラメータ ３ ７ １ １５０４ G.711 パラメータ 3 15 1 ３００８ G.723.1 パラメータ 7 15 1 １２０３２ 2008/2/4 14 R値 実験３（デフォルトとの比較） 78 76 74 72 70 68 66 64 62 60 58 75.2 72.3 70.22 デフォルトパラメータ 提案パラメータ 64.26 G.711 G.723.1 コーデック 2008/2/4 15 追加実験 •• それぞれのコーデックでの最適パラメータを それぞれのコーデックでの最適パラメータを 入れ替え、R値を測定 入れ替え、R値を測定 R値 提案パラメータ G.711 ７２．３ 提案パラメータ 入れ替え ６５．９ G.723.1 ７５．２ ７０．７ 2008/2/4 16 まとめ •• コーデックの違いにより、最適なEDCAパラ コーデックの違いにより、最適なEDCAパラ メータに違いがでた メータに違いがでた •• コーデックG.711では、最適パラメータを用い コーデックG.711では、最適パラメータを用い ることにより、R値がクラスC水準からクラスB ることにより、R値がクラスC水準からクラスB 水準を満たすまで向上した 水準を満たすまで向上した 2008/2/4 17 ご清聴ありがとうございました 2008/2/4 18 補足 2008/2/4 19 R値 予備実験（デフォルトパラメータ） （１/２） 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 EDCAなし EDCAあり 10M 20M 30M 40M 50M 60M 70M 負荷トラフィック [ bps ] G.711 2008/2/4 20 R値 予備実験（デフォルトパラメータ） （２/２） 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 EDCAなし EDCAあり 10M 20M 30M 40M 50M 60M 70M 負荷トラフィック [ bps ] G.723.1 2008/2/4 21 今後の課題 •• 大規模で、様々なアプリケーションを同時に 大規模で、様々なアプリケーションを同時に 実行する複雑なネットワーク下における品質 実行する複雑なネットワーク下における品質 評価をおこなう 評価をおこなう •• 今回使用していないコーデックでも同様に測 今回使用していないコーデックでも同様に測 定する必要がある 定する必要がある •• 今回使用していないアクセス・カテゴリの影響 今回使用していないアクセス・カテゴリの影響 を考慮する必要がある を考慮する必要がある 2008/2/4 22 VoIP •• Voice Voice over over Internet Internet Protocol Protocol –– ネットワーク上で音声パケットを扱う ネットワーク上で音声パケットを扱う –– 例 例 ＩＰ電話、Ｓｋｙｐｅ、音声チャット ＩＰ電話、Ｓｋｙｐｅ、音声チャット etc etc •• 評価基準：Ｒ値 評価基準：Ｒ値 –– Ｅ−ｍｏｄｅｌと呼ばれる計算式に、音声品質に関 Ｅ−ｍｏｄｅｌと呼ばれる計算式に、音声品質に関 する２０個のパラメータを入れ計算 する２０個のパラメータを入れ計算 2008/2/4 23 R値 •• 主観的品質評価、客観的品質評価の要素を 主観的品質評価、客観的品質評価の要素を 踏まえ、総合的に品質を評価する指標 踏まえ、総合的に品質を評価する指標 •• Ｅ−ｍｏｄｅｌと呼ばれる計算式に、音声品質に Ｅ−ｍｏｄｅｌと呼ばれる計算式に、音声品質に 関する２０個のパラメータを入れ計算 関する２０個のパラメータを入れ計算 •• 00 ∼ ∼ 100 100 までの数値で表し、数値が大きい までの数値で表し、数値が大きい ほど品質が高い ほど品質が高い 2008/2/4 24 主観的品質評価・客観的品質評価 【【 主観的品質評価 主観的品質評価 】】 •• MOS MOS（Mean （Mean Opinion Opinion Score） Score） –– 多くの人に音声を聞かせ、5段階で評価 多くの人に音声を聞かせ、5段階で評価 【【 客観的品質評価 客観的品質評価 】】 •• PSQM PSQM（Perceptual （Perceptual Speech Speech Quality Quality Measure） Measure） ‒‒ 送信前と受信後の音声の劣化具合を数値化 送信前と受信後の音声の劣化具合を数値化 •• PESQ PESQ（Perceptual （Perceptual Evaluation Evaluation of of Speech Speech Quality） Quality） ‒‒ PSQMに対して、パケットの揺らぎ・損失を考慮 PSQMに対して、パケットの揺らぎ・損失を考慮 2008/2/4 25 CSMA / CA •• 通信路が一定時間以上継続して空いている 通信路が一定時間以上継続して空いている ことを確認しデータを送信 ことを確認しデータを送信 2008/2/4 26 TDMA •• Time Time Division Division Multiple Multiple Access Access •• 携帯電話などの無線通信で利用 携帯電話などの無線通信で利用 •• １つの周波数を時間軸に沿って短時間ずつ分 １つの周波数を時間軸に沿って短時間ずつ分 割し、分割した各時間を各ユーザに割り当てる 割し、分割した各時間を各ユーザに割り当てる 2008/2/4 27 Dynamic TDMA •• ノード同士が互いの制御情報を交換 ノード同士が互いの制御情報を交換 どの時間に帯域を割り当てるかを動的に更新 どの時間に帯域を割り当てるかを動的に更新 •• 特定の通信に対して一定の帯域を確保できる 特定の通信に対して一定の帯域を確保できる 2008/2/4 28 QoS（Quality of Service） •• ネットワーク上で、ある特定の通信のための帯 ネットワーク上で、ある特定の通信のための帯 域を予約し、一定の通信品質を保証する技術 域を予約し、一定の通信品質を保証する技術 •• 音声、動画などのリアルタイム配信などの通信 音声、動画などのリアルタイム配信などの通信 の遅延、停止が許されないサービスにとって重 の遅延、停止が許されないサービスにとって重 要な技術 要な技術 2008/2/4 29 EDCA（追加情報） •• Enhanced Enhanced Distributed Distributed Channel Channel Access Access •• CSMA/CAを拡張 CSMA/CAを拡張 •• データを４種類のカテゴリに分類し、待ち時間 データを４種類のカテゴリに分類し、待ち時間 やデータ送信時間を優先度に応じて変化 やデータ送信時間を優先度に応じて変化 優先度の高いフレームを送りやすくする 優先度の高いフレームを送りやすくする 2008/2/4 30 アクセス・カテゴリ •• 送信データの種類ごとに分類 送信データの種類ごとに分類 サービス品質に差を付ける サービス品質に差を付ける •• アクセス・カテゴリは次の４種類 アクセス・カテゴリは次の４種類 ‒‒ AC-BK（バックグランドトラフィック用） AC-BK（バックグランドトラフィック用） ‒‒ AC-BE（ベストエフォート用） AC-BE（ベストエフォート用） ‒‒ AC-VI（ビデオ伝送用） AC-VI（ビデオ伝送用） ‒‒ AC-VO（音声用） AC-VO（音声用） 2008/2/4 31 HCCA •• Hybrid Hybrid Coordination Coordination Function Function Controlled Controlled Channel Channel Access Access •• 端末の優先度を考慮したスケジューリング 端末の優先度を考慮したスケジューリング 送信を許可した端末にポーリングフレーム送信 送信を許可した端末にポーリングフレーム送信 送信が許可された端末以外はアクセスを制御 送信が許可された端末以外はアクセスを制御 2008/2/4 32 EDCAを選択した理由 •• 一般的に利用されるアプリケーションでもQoS 一般的に利用されるアプリケーションでもQoS を保証できる を保証できる 今回の実験では音声の優先度を上げる 今回の実験では音声の優先度を上げる EDCAは送信データの種類ごとに優先度を設定 EDCAは送信データの種類ごとに優先度を設定 EDCAを選択 EDCAを選択 2008/2/4 33 ＥＤＣＡデフォルトパラメータ Cwmin Cwmax AIFS TXOP AC_BE 15 63 3 0 AC_BK 15 1023 7 0 AC_VI 7 15 1 3008 AC_VO 3 7 1 1504 2008/2/4 34 CW（Contention Window） •• 送信待ち時間を決める乱数パラメータ 送信待ち時間を決める乱数パラメータ •• 待ち時間＝乱数値×一定時間 待ち時間＝乱数値×一定時間 （CWmin （CWmin ≦ ≦ CW CW ≦ ≦ CWmax） CWmax） ––乱数値：0∼CWのランダムな整数 乱数値：0∼CWのランダムな整数 •• CWはフレーム衝突後の再送のたびに2倍と CWはフレーム衝突後の再送のたびに2倍と なり、CWmaxに達すると一定値 なり、CWmaxに達すると一定値 2008/2/4 35 AIFS（Arbitration Inter Frame Space） •• フレーム送信間隔を表すパラメータ フレーム送信間隔を表すパラメータ •• 優先度の高いアクセス・カテゴリ 優先度の高いアクセス・カテゴリ AIFS時間を短く設定 AIFS時間を短く設定 2008/2/4 36 TXOP（Transmission Opportunity） •• チャネルを排他的に使用できる時間 チャネルを排他的に使用できる時間 •• TXOP TXOP == 0の場合 0の場合 アクセス権獲得後の送信フレーム数が１つ アクセス権獲得後の送信フレーム数が１つ 2008/2/4 37 VoIP通信で使われるコーデック コーデック名称 符号化方式 ビットレート 動作原理 G.711 PCM 64Kbps 波形符号化 MP−MLQ 6.3Kbps ACELP 5.3Kbps G.723.1 G.729 G.729 Annex A 2008/2/4 CS−ACELP ハイブリッド 符号化 8Kbps CS−ACELP 38 波形符号化方式 目的 目的 :: 入力信号の波形をそのまま復元 入力信号の波形をそのまま復元 【メリット】 【メリット】 音楽など、人間の声以外でも良好な品質 音楽など、人間の声以外でも良好な品質 【デメリット】 【デメリット】 高いビットレートが必要 高いビットレートが必要 ビットレートを低くすると、品質が著しく劣化 ビットレートを低くすると、品質が著しく劣化 2008/2/4 39 ハイブリッド符号化方式 •• •• 人間の発声構造がベース 人間の発声構造がベース 入力信号の波形をそのまま復元 入力信号の波形をそのまま復元 【【メリット メリット】】 波形符号化方式に対して、 波形符号化方式に対して、 低いビットレートでも品質が良い 低いビットレートでも品質が良い 【【デメリット デメリット】】 人間の声以外 人間の声以外 ⇒ ⇒ 品質劣化 品質劣化 2008/2/4 40 実装基本コーデック •• 現在、情報通信審議会でIP電話の技術基本 現在、情報通信審議会でIP電話の技術基本 が討議中 が討議中 •• その報告書の中では次のように記載 その報告書の中では次のように記載 「050-IP電話に対しても、符号則、ベアラ規定 「050-IP電話に対しても、符号則、ベアラ規定 については、0AB∼J-IP電話と同様、G.711 については、0AB∼J-IP電話と同様、G.711 μ.Lawのサポートを基本とすることが適当で μ.Lawのサポートを基本とすることが適当で あり、TTC技術レポートTR-9024に準ずること あり、TTC技術レポートTR-9024に準ずること が望ましい。」 が望ましい。」 2008/2/4 41 Astec Eyes for VoIP アナライザ •• ネットワークトラフィックの測定 ネットワークトラフィックの測定 •• パケットの収集・分析 パケットの収集・分析 •• IP電話などの音声品質の測定、セッションの IP電話などの音声品質の測定、セッションの シーケンスの閲覧、音声の再生が可能 シーケンスの閲覧、音声の再生が可能 2008/2/4 42 iptables •• 現在のネットワークは最善努力型 現在のネットワークは最善努力型 •• QoS保証がない QoS保証がない •• パケットヘッダ内のTOS値により優先制御 パケットヘッダ内のTOS値により優先制御 •• Iptablesを用いてTOS値の書き換え Iptablesを用いてTOS値の書き換え 2008/2/4 43 TOS値 •• Type Type Of Of Service Service •• EDCAでのアクセス・カテゴリの分類 EDCAでのアクセス・カテゴリの分類 パケットヘッダ内のTOS値により判断 パケットヘッダ内のTOS値により判断 2008/2/4 44 無線アクセスポイント •• Corega Corega cg-wlbarag2 cg-wlbarag2 •• 無線環境 無線環境 :: IEEE IEEE 802.11b 802.11b •• EDCAを実装することによりIEEE EDCAを実装することによりIEEE 802.11e環 802.11e環 境を構築 境を構築 2008/2/4 45
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