Задержка
Рассмотрим более подробно наиболее важные из приведенных факторов, и методы борьбы с ними.
Задержка.
Задержка создает неудобство при ведении диалога, приводит к перекрытию разговоров и возникновению эхо [2]. При передаче речи по IP-сети возникают намного большие задержки, (чем в ТфОП) которые, к тому же, изменяются случайным образом. Задержка (или время запаздывания) определяется как промежуток времени, затрачиваемый на то, чтобы речевой сигнал прошел расстояние от говорящего до слушающего. Затруднение диалога и перекрытие разговора становятся серьезной проблемой, когда задержка в одном направлении передачи превышает 250 мс. Можно выделить следующие виды задержки при пакетной передаче речи из конца в конец (рис.3.2).
· 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 следующие длительности кадров: G.729 CS-ACELP (8 кбит/с) – 10 мс и G.723.1 -Multi Rate Coder (5,3; 6,3 кбит/с) – 30 мс
· Задержка обработки: процесс кодирования и сбора закодированных отсчетов в пакеты для передачи через пакетную сеть создает определенные задержки. Задержка кодирования или обработки зависит от времени работы процессора и используемого типа алгоритма обработки. Для уменьшения загрузки пакетной сети обычно несколько кадров речевого кодера объединяются в один пакет.
Рисунок 3.2 – Составляющие задержки в сети IP-телефонии
· 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.
Остановимся на том, что и как оказывает влияние на количественные характеристики этого промежутка времени [1].
– Влияние сети. Если нагрузка сети относительно мала, маршрутизаторы и коммутаторы, безусловно, могут обрабатывать пакеты практически мгновенно, а линии связи бывают доступны почти всегда. Однако, если загрузка сети относительно велика, то пакеты могут довольно долго ожидать обслуживания в очередях. Чем больше маршрутизаторов, коммутаторов и линий в маршруте, по которому проходит пакет, тем больше время его запаздывания, тем больше задержка вносимая сетью.
– Влияние операционной системы. Многие приложения IP-телефонии (особенно клиентские) являются программами, выполняемыми под Windows или Linux. Эти программы обращаются к периферийным устройствам (платам обработки речевых сигналов, специализированным платам систем сигнализации) через интерфейс прикладных программ для взаимодействия с драйверами этих устройств, а доступ к IP-сети осуществляют через Socket-интерфейс. Большинство операционных систем не может контролировать распределение времени центрального процессора между разными процессами с точностью, превышающей несколько десятков миллисекунд, и не может обрабатывать за такое же время более одного прерывания от внешних устройств. Это приводит к тому, что задержка в продвижении данных между сетевым интерфейсом и внешним устройством речевого вывода составляет, независимо от используемого алгоритма кодирования речи, величину такого же порядка, или даже больше.
– Влияние кодека и количества передаваемых в пакете кадров. Большинство современных алгоритмов кодирования/декодирования речи ориентировано на передачу информации кадрами, а не на передачу последовательности кодов отдельных отсчетов. Поэтому в течение времени, определяемого длиной кадра кодека, должна накапливаться определенной длины последовательность цифровых представлений отсчетов. Кроме того, некоторым кодекам необходим предварительный анализ большего количества речевой информации, чем должно содержаться в кадре. Так, время накопления и предварительного анализа входит в общую длительность задержки пакета.
Методы борьбы с задержкой. Телефонный разговор – это интерактивный процесс, не допускающий больших задержек [1]. В соответствии с рекомендацией ITU-TG. 114 для большинства абонентов задержка речевого сигнала на 150 мс приемлема, а на 400 мс – недопустима. Существующие на сегодняшний день решения Internet-телефонии превышают предел, так что разговор похож на связь по обычной телефонной сети через спутник, которую оценивают обычно как связь вполне удовлетворительного качества, требующую лишь некоторого привыкания, после которого задержки для пользователя становятся неощутимы.
Уменьшить общую задержку (состоящую из – задержки при кодировании/декодировании речи в шлюзах и задержки вносимой самой сетью) можно двумя путями: во-первых, спроектировать инфраструктуру сети таким образом, чтобы задержка в ней была минимальной, и, во-вторых, уменьшить время обработки речевой информации шлюзом.
Для уменьшения задержки в сети нужно сокращать количество транзитных маршрутизаторов и соединять их между собой высокоскоростными каналами. А для сглаживания вариации задержки можно использовать такие эффективные методы как, например, механизмы резервирования сетевых ресурсов.
Чтобы минимизировать влияние операционной системы (ОС) на задержку, производители шлюзов и IP-телефонов предлагают также 2 варианта: использовать ОС реального времени (VxWorks, pSOS, QNX Neutrino и т.д.). Эти системы используют более сложные механизмы разделения времени процессора и действуют так, чтобы обеспечивать более быструю реакцию на прерывания и более эффективный обмен потоками данных между процессами.
Вторым, более плодотворным способом, является попытка переложить все функции, которые необходимо выполнять в жестких временных рамках (обмен данными между речевыми кодеками и сетевым интерфейсом, поддержку RTP и т.д.), на отдельный быстродействующий специализированный процессор (DSP). При этом пересылка речевых данных осуществляется через выделенный сетевой интерфейс периферийного устройства, а операционная система рабочей станции поддерживает только алгоритмы управления соединениями и протоколы сигнализации, т.е. задачи, для выполнения которых жестких временных рамок не требуется.
Кроме того, задержки уменьшаются благодаря следующим трем факторам:
- усовершенствованию телефонных серверов (улучшение алгоритмов работы);
- развитию частных (корпоративных) сетей (их владельцы могут контролировать ширину полосы пропускания и, следовательно, величины задержки);
- развитию самой сети Internet – современный Internet не был рассчитан на коммуникации в режиме реального времени. Организация IETF вместе с операторами сетей Internet предлагают новые технологии, такие, как Reservation Protocol (RSVP), позволяющие резервировать полосу пропускания и управлять ресурсами.