Обеспечение качества ip-телефонии
Традиционные телефонные сети коммутируют электрические сигналы с гарантированной полосой пропускания, достаточно для передачи сигналов голосового спектра. При фиксированной пропускной способности передаваемого сигнала цена единицы времени связи зависит от удаленности и расположения точек вызова и места ответа.
Сети с коммутацией пакетов не обеспечивают гарантированной пропускной способн6ости, поскольку не обеспечивают гарантированного пути между точками связи.
Для приложений, где важен порядок и интервал прихода пакетов, например, e-mail, время задержек между отдельными пакетами не имеет решающего значения. IP-телефония является одной из областей передачи данных, где важна динамика передачи сигнала, которая обеспечивается современными методами кодирования и передачи информации, а также увеличением пропускной способности каналов, что приводит к возможности успешной конкуренции IP-телефонии с традиционными телефонными сетями.
Основными составляющими качествами IP-телефонии являются (рис. 8.7):
§ Качество речи, которое включает:
- диалог - возможность пользователя связываться и разговаривать с другим пользователем в реальном времени и полнодуплексном режиме;
- разборчивость - чистота и тональность речи;
- эхо - слышимость собственной речи;
- уровень - громкость речи.
§ Качество сигнализации, включающее:
- установление вызова - скорость успешного доступа и время установления соединения;
- завершение вызова - время отбоя и скорость разъединения.
Факторы, которые влияют на качество IP-телефонии, могут быть разделены на две категории:
§ Факторы качества IP-сети:
- максимальная пропускная способность - максимальное количество полезных и избыточных данных, которая она передает;
- задержка - промежуток времени, требуемый для передачи пакета через сеть;
- джиттер - задержка между двумя последовательными пакетами;
- потеря пакета - пакеты или данные, потерянные при передаче через сеть.
§ Факторы качества шлюза:
- требуемая полоса пропускания;
- задержка - время, необходимое устройствам обработки для кодирования и декодирования речевого сигнала;
- буфер джиттера - сохранение пакетов данных до тех пор, пока все пакеты не будут получены и можно будет передавать в требуемой последовательности для минимизации джиттера;
- потеря пакетов - потеря пакетов при сжатии и/или передаче в оборудовании IP-телефонии;
- подавление эхо - механизм для подавления эхо, возникающего при передаче по сети;
- управление уровнем - возможность регулировать громкость речи.
Рис. 8.7. Факторы, влияющие на качество IP-телефонии.
Задержка создает неудобство при ведении диалога, приводит к перекрытию разговоров и возникновению эха. Это возникает в случае, когда отраженный речевой сигнал вместе с сигналом от удаленного конца возвращается опять в ухо говорящего. Это становится трудной проблемой, когда задержка в петле передачи больше, чем 50 мс. Так как эхо является проблемой качества, системы с пакетной коммутацией речи должны иметь возможность управлять эхом и использовать эффективные методы эхоподавления.
Затруднение диалога и перекрытие разговоров становятся серьезным вопросом качества, когда задержка в одном направлении передачи превышает 250 мс. Можно выделить следующие источники задержки при пакетной передачи речи из конца в конец (рис. 8.8).
§ Задержка накопления (иногда называется алгоритмической задержкой): эта задержка обусловлена необходимостью сбора кадра речевых отсчетов, выполняемая в речевом кодере. Величина задержки определяется типом речевого кодера и изменяется от небольших величин (0,125 мкс) до нескольких миллисекунд. Например, стандартные речевые кодеры имеют длительность кадров от 10 мс до 30 мс.
§ Задержка обработки: процесс кодирования и сбора закодированных отсчетов в пакеты для передачи через пакетную сеть создает определенные задержки.
§ Сетевая задержка: задержка обусловлена физической средой и протоколами, используемыми для передачи речевых данных, а также буферами, используемыми для удаления джиттера пакетов на приемном конце. Сетевая задержка зависит от емкости сети и процессов передачи пакетов в сети.
Рис. 8.8. Составляющие задержки в сети IP-телефонии.
На рис. 8.8 голосовой шлюз вносит задержку при выполнении следующих операций по преобразованию сигнала:
- кодирование - преобразование аналогового сигнала (голоса) в цифровой (до 20 мс);
- инкапсуляция - сжатие сообщений и организация пакетов (до 10 мс);
- постановка в очередь - отправление пакетов в соответствии с адресом по освободившемуся каналу (до 20 мс).
Задержка пакетов сообщений в сети зависит от скорости передачи информации. Чем выше скорость, тем меньше задержка. Например, если информация передается со скоростью Е1 (2048 кбит/с), то задержка - 0,2 мс, а если со скоростью всего 64 кбит/с, задержка составит 7 мс.
При поступлении пакетов сообщений из сети в голосовой шлюз также происходят задержки:
- буферизация (10 мс) - выстраивание пакетов в определенной последовательности:
- инкапсуляция (10 мс) - операция обратная сжатию;
- декодирование (10 мс) - преобразование цифрового сигнала в аналоговый.
Время задержки при передачи речевого сигнала можно отнести к одному из трех уровней:
первый уровень до 200 мс - отличное качество связи. Для сравнения, в телефонной сети общего пользования допустимы задержки до 150-200 мс;
второй уровень до 400 мс - считается хорошим качеством связи. Но если сравнивать с качеством связи по сетям ТфОП, то разница будет видна. Если задержки постоянно удерживаются на верхней границе 2-го уровня (на 400 мс), то не рекомендуется использовать эту связь для деловых переговоров;
третий уровень до 700 мс - считается приемлемым качеством связи для ведения неделовых переговоров. Такое качество связи возможно также при передаче пакетов по спутниковой связи.
Когда речь или данные разбиваются на пакеты для передачи через IP-сеть, пакеты часто прибывают в пункт назначения в различное время и в разной последовательности. Это создает разброс времени доставки пакетов (джиттер). Джиттер приводит к специфическим нарушениям передачи речи, слышимым как трески и щелчки.
потерянные пакеты в IP-телефонии нарушают речь и создают искажения тембра. В существующих IP-сетях все голосовые кадры обрабатываются как данные. При пиковых нагрузках и перегрузках голосовые кадры будут отбрасываться, как и кадры данных. Однако кадры данных не связаны со временем, и отброшенные пакеты могут быть успешно переданы путем повторения. Потеря голосовых пакетов, в свою очередь, не может быть восполнена таким способом и в результате произойдет неполная передача информации. Предполагается, что потеря до 5% пакетов незаметна, а свыше 10-15% - недопустима.
Существенно, что потеря большой группы пакетов приводит к необратимым локальным искажениям речи, тогда как потери одного, двух, трех пакетов можно пытаться компенсировать.
Взаимосвязь методов обеспечения качества IP-телефонии, показателей качества сети и качества вызова представлена на рис. 8.9.
а 
Рис. 8.9. Схема обеспечения качества IP-телефонии.
Для обеспечения качественной передачи речевых сигналов в IP-телефонии необходима их следующая обработка.
1. Устранение всех нежелательных компонентов из входного аудиосигнала. После оцифровки речи необходимо удалить эхо из динамика в микрофон, комнатное эхо и непрерывный фоновый шум (например, шум от вентилятора), а также отфильтровать шумы переменного тока на низких частотах звукового спектра.
Эффективное эхоподавление и уменьшение шумов абсолютно необходимо в любой конфигурации «с открытым микрофоном» и с громкоговорителем на базе персонального компьютера (ПК) для традиционной и IP-телефонии. Эти функции все в большей мере реализуются аудиокомпонентами ПК, так что сама система IP-телефонии может их и не иметь. Шлюзам IP-телефонии требуется выполнять меньший объем предварительной обработки, нежели конечным решениям, потому что телефонная сеть обеспечивает фильтрацию и уменьшение шумов.
2. Подавление пауз в речи; распознавание остаточного фонового шума (внешних шумов) и кодирование для восстановления на дальнем конце; тоже самое для опознаваемых сигналов. Паузы лучше всего полностью подавлять на ближнем конце. Для сохранения окружающих звуков необходимо смоделировать фоновые шумы, чтобы система на дальнем конце могла восстанавливать их для слушателя. Сигналы многочастотного набора номера DTMF и другие сигналы можно заменить на короткие коды для восстановления на дальнем конце (или для непосредственной обработки.) Возможные проблемы: из-за того, что функция подавления пауз активизируется, когда громкость речи становится ниже определенного порога, некоторые системы обрезают начала и концы слов (в периоды нарастании и снижения энергии речи).
3. Сжатие голосовых данных. Сжать оцифрованный голос можно разными способами. В идеале решения, используемые для IP-телефонии, должны быть достаточно быстрыми для выполнения не недорогих цифровых сигнальных процессорах, сохранять качество речи и давать на выходе небольшие массивы данных.
4. «Нарезание» сжатых голосовых данных на короткие сегменты равной длины, их нумерация по порядку, добавление заголовков пакетов и передача. Хотя протоколы IP поддерживают пакеты переменной длины, их использование затрудняет достижение устойчивой и предсказуемой межсетевой маршрутизации в голосовых приложениях. Маршрутизаторы быстро обрабатывают небольшие пакеты и рассматривают обычно все передаваемые по одному и тому же IP-адресу пакеты одного размера одинаковым образом. В результате пакеты проходят по одному маршруту, поэтому их не надо переупорядочивать.
5. Прием и переупорядочивание пакетов в адаптивном «буфере ресинхронизации» для обеспечения интеллектуальной обработки потерь или задержек пакетов. Главной целью здесь является преодоление влияния переменной задержки между пакетами. Решение этой проблемы состоит в буферизации достаточного числа поступающих пакетов (при отложенном их воспроизведении) с тем, чтобы воспроизведение было непрерывным, даже если время между поступлением пакетов сильно разнится. Лучшие продукты для IP-телефонии моделируют производительность сети и регулируют размер буфера ресинхронизации соответствующим образом - уменьшая его (сокращая задержку перед воспроизведением), когда сеть ведет себя предсказуемым образом, и увеличивая в противоположной ситуации.