Исследования способов передачи информации с пакетной технологией

Функции диспетчера могут быть встроены в шлюзы, элементы распределенных УПАТС, блоки управления многоточечными конференциями, а также Н.323 (терминалы).

В рамках технологии Н.323 может быть использовано два подхода для построения системы управления многоточечными конференциями:

- децентрализованное управление многоточечными конференцией;

- централизованное управление многоточечными конференцией.

Первый тип требует, чтобы все участники конференции пересылали многоадресные (групповые ) сообщения всем остальным. Это позволяет избежать концентрации трафика в некоторых сегментах сети, но управлять такой конференцией не очень удобно. Но большинство производителей предлагают централизованные системы MCU. При их использовании конечные узлы передают сигнал системе MCU, которая и обеспечивает рассылку. Чтобы связывать группы участников конференции, централизованные системы MCU могут каскадироваться.

По технологии MCU подразделяются на системы на базе стандартных серверов (Windows NT) и автономные программно-аппаратные комплексы, устанавливаемые в стойку.

1.2 Коммутация при пакетной передаче речи

Речь представляет собой поток чередующихся интервалов активности и пауз.

В сетях с коммутацией пакетов (КП) сообщение разбивается на части стандартной длины (пакеты); снабжаемые служебной информацией (символы начала и конца, управления, адреса, контрольные символы для обнаружения или исправления ошибок) и передаваемые по сети как единое целое. Каждый пакет может передаваться независимо от других, что существенно снижает задержку, которая относительно равномерно распределяется между всеми активными абонентами; или же с учетом других переданных пакетом.

Число преодолеваемых пакетами узлов случайно, что может приводить для многопакетных сообщений к изменению порядка их поступления в узел коммутации (УК) получателя и непосредственно к получателю. Для передачи в реальном масштабе времени, когда задержка не должна превышать допустимую величину, это приводит к необходимости “выбрасывания” пакетов на приемном конце и их пересортировке в требуемой последовательности.

Каждый пакет может следовать по фиксированному или независимому маршруту. Для протокола с фиксированным маршрутом число узлов, проходимых каждым пакетом, фиксировано на стадии установления соединения. Это позволяет уменьшить долю служебной информации в каждом пакете, но увеличивает задержку. Для протокола с независимым маршрутом пакеты могут передаваться по разным маршрутам, т.е. число УК, проходимых каждым пакетом, представляет собой случайную величину.

Основное влияние на передачу оказывают блокировки и потери пакета в УК, вызванные перегрузками в сети. Для качества передачи сообщений необходимо задать:

- длину пакета;

- распределение потока пакетов;

- распределение задержки пакета в узле;

- распределение числа УК, проходимых каждым пакетом.

Разработки систем передачи речи связаны с необходимостью учета потерь, вызываемых задержкой.

Общее время задержки РП не должно превышать допустимого и, вместе с тем, должно быть достижимым при достаточно низких затратах на соответствующее оборудование. Когда задержка достигает 800мс, психологические факторы препятствуют нормальному телефонному разговору, задержка ниже 200 мс, с этой точки зрения, является допустимой. Это достигается при передаче речи короткими пакетами.

Речевой обмен имеет ряд особенностей, выдвигающих требования к сети КП.

Различные методы устранения избыточности в процессе преобразования речевого сигнала представляют широкий диапазон возможных скоростей передачи (от 1,2 до 64 кбит/с).

Обмен речевой информации через сеть КП включает в себя следующие основные этапы [2].

а) Формирование и передача пакета “вызов” адресату.

б) Прием пакета “вызов” из сети, формирование акустического сигнала для вызываемого абонента и передача пакета “подтверждение” приема “вызова ” или пакета “занято”.

в) Прием пакета “Подтверждение” из сети, формирование сигнала “контроль посылки вызова” для слухового восприятия вызывающим абонентом и передача пакета “готовность к обмену”. В случае приёма пакета “занято” , формирование для вызывающего абонента сигнал “отбой” , возвращение терминала речи в исходное состояние.

г) Приём из сети пакета “готовность к обмену”, формирование и передача ответного пакета “ готовность к обмену”, включение речепреобразующего устройства (РПУ) вызываемого абонента.

д) Прием из сети ответного пакета “готовность к обмену”, включение РПУ вызывающего абонента.

е) Передача и прием РП, пакетов управления межконцевым обменом.

ж) Формирование и передач пакета “ конец обмена”, возвращения терминала речи в исходное состояние (на стороне абонента, закончившего обмен первым).

з) Прием от сети пакета “конец обмена”, формирование абоненту сигнала “отбой” , возвращение терминала речи в исходное состояние (на стороне , получающей отбой).

При установленном соединении абонентов аналоговой речевой сигнал поступает на РПУ, где известными методами преобразовывается в цифровую последовательность. С выхода РПУ цифровой сигнал поступает на вход пакетизатора речи, где осуществляется анализ активности абонента и формирование РП, несущего информацию о соответствующем сегменте речи. После этого РП совместно с другими РП и пакетами данных передается по сети с КП в соответствии с принятыми на сети протоколами.

Достигнув центра, к которому подключен абонент-адресат, РП выводится из сети в депакетизатор, где и происходит выделение информационного блока РП. С выхода депакетизатора РП поступает в сглаживающий буфер, где вводится необходимая задержка воспроизведения речевой информации, и речевой сигнал воспроизводится в аналоговой форме, обеспечивая непрерывное звучание.

1.3 Преимущество и недостатки использования IP-телефонии

Конечный пользователь IP-телефонии не только сохранит имеющиеся преимущества телефонной сети общего пользования, которые включают широкий диапазон услуг, простоту использования, надёжность и качество голоса, но и получит следующие дополнительные преимущества:

- более низкие цены на традиционные услуги телефонной связи;

- IP-телефония одновременно поддерживает голос и данные, удовлетворяя требованиям конвергенции. Это означает, что клиенты получат дополнительные преимущества от экономии в развитии, возможные за счёт использования единой сети, а также за счёт того, что объёмы трафика и шаблоны быстро сменяются от данных к голосу и наоборот и это защищает клиента;

- Феноменальная мобильность пользователя, которую обеспечивает сеть IP-телефонии: звонки и факсы автоматически перенаправляются в любую точку. Пользователи будут иметь доступ к одному и тому же набору услуг вне зависимости от того, где и как они подключаются к сети. Эта распределенная технология обеспечивает прекрасную гибкость и делает возможным отсутствие привязки к месту предоставления услуги;

- новый выбор устройств доступа, от традиционных телефонов и факсов до компьютера;

- доступ к новым услугам (голосовая почта, конференцсвязь, передача факсов и др.) через открытый интерфейс технологии на базе IP, что обеспечивает совместимость для широкого спектра разработчиков приложений;

- возможность настройки;

- простота оплаты услуг IP-телефонии (обычно с помощью предоплаченных телефонных карточек);

- простота контроля пользователем состояния его расчетного счета (через сеть Интернет).

Наряду с провайдерами IP-телефонии Интернет-провайдеры также могут занять определенную нишу на рынке услуг IP-телефонии, так как существующая у них IP-инфраструктура дает хорошие возможности для внедрения услуг голосовой связи. Необходимые для этого аппаратные и программные средства можно установить поэтапно. Интернет-провайдеры уже имеют точки присутствия, связанные с коммутаторами местных провайдеров и операторов сети общего пользования.

Для Интернет-провайдеров услуга Интернет-телефонии обеспечивает следующие преимущества:

- сбережение капитальных вложений за счет использования открытых компьютерных платформ;

- снижение эксплуатационных расходов как результат предоставления разнообразия услуг на единой сети;

- открытая среда разработчика услуги означает более конкретную, а следовательно, менее дорогую разработку новых услуг;

- множество услуг может быть доступно через единственный канал с пользователем, что означает больше услуг (прибыли) в расчете на одного пользователя.

К недостаткам субъективных методов качества воспроизведения речи в первую очередь следует отнести [5]:

- низкую оперативность;

- сложность в получении результатов.

1.4 Постановка задачи

Появление новых разработок призванные способствовать развитию Internet-телефонии, например, совсем недавно образована коалиция Voice Over IP (VoIP) Forum, состоящая из почти 40 компаний. Цель этой коалиции состоит в разработке и распространении технических стандартов на продукты Internet-телефонии, включая оборудование, программное обеспечение. сетевые средства, добавление пересылки факсимильных сообщений, включение биллинговых систем. В любом случае развитие Internet-телефонии - это очень мощный стимул для развития Internet и качественная доставка информации при пакетном соединении [8].

Для достижения своей цели рассмотрим следующие вопросы:

а) меры по обеспечению качества передачи;

б) исследование способов организации передачи речи;

в) определение факторов, влияющих на качество передачи;

г) анализ передачи пакетов;

д) математическая модель пакетного представления речи;

е) разработаем модель повышения надежности при пакетном представлении речи;

ж) произведем расчет по безопасной жизнедеятельности;

з) представим бизнес план проекта IP-сети.

2 ТЕХНОЛОГИИ И СТАНДАРТЫ ПЕРЕДАЧИ РЕЧИ IP -ТЕЛЕФОНИИ

2.1 Меры по обеспечению гарантированного качества передачи речи

Факторы, возникающие при передаче речи по сетям с пакетной коммутацией, в соответствие с допустимыми нормами, необходимо придерживаться ряда мер по обеспечению гарантированного качества услуг (Quality of Service, QoS).

Обеспечить гарантированное качество услуг - значит распределить внутренние сетевые ресурсы коммутаторов и маршрутизаторов таким образом, чтобы данные могли передаваться точно по назначению, быстро, стабильно и надежно. Существуют не слишком много способов обеспечения QoS. Самый простой из них - увеличение полосы пропускания сети. Можно использовать и такие приемы, как задание приоритетов данных, организация очередей, предотвращение перегрузок и формирования трафика. Управление сетью по заданным правилам в перспективе должно объединить все эти способы в единую автоматизированную систему, которая будет гарантировать качество услуг абсолютно на всех участках сети.

Средства QoS узла сети, выполняющие обработку поступающего в узел трафика в соответствии с требованиями качества обслуживания.

Протоколы Qos-сигнализации для координации работы сетевых элементов по поддержке качества обслуживания [1, 7].

Централизованные функции политики, управления и учета Qos, позволяющие администраторам сети централизованно воздействовать на сетевые элементы для разделения ресурсов сети между различными видами трафика с требуемым уровнем QoS.

Средства QoS узла сети с коммутацией пакетов являются основным исполнительным механизмом службы QoS, так как именно они влияют на процесс продвижения пакетов между входными и выходными интерфейсами коммутаторов и маршрутизаторов и, следовательно, определяют вклад данного устройства в характеристики качества обслуживания.

Способы приоритезации данных можно условно подразделить на явные и неявные. При неявном назначении приоритетов маршрутизатор или коммутатор автоматически присваивает передаваемым пакетам соответствующие уровни, исходя из заданных администратором сети критериев. Каждый входящий пакет анализируется (фильтруется) на соответствие этим критериям.

2.2 Способы организации передачи речи по сетям передачи данных с пакетной коммутацией

Пакетная сеть средств для передачи данных между ЭВМ (другими оконечными устройствами), где информационная связь между абонентами устанавливается коммутацией пакетов. Коммутация пакетов производится путем разбивки сообщения на пакеты - элементы сообщения, снабженные заголовком, имеющие фиксированную максимальную длину, и последующей передачи пакетов по маршруту, определяемому узлами сети (рисунок 2.1).

Сеть передачи данных

с пакетной коммутацией

Источник Получатель

Рисунок 2.1 - Разбиение сообщения на пакеты

Пакеты транспортируются в сети как независимые информационные блоки. Коммутаторы сети принимают пакеты от конечных узлов и на основании адресной информации передают их друг другу, а в конечном итоге - узлу назначения [1].

Коммутаторы пакетной сети отличаются от коммутаторов каналов тем, что они имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, если выходной порт коммутатора в момент принятия пакета занят передачей другого пакета. В этом случае пакет находится некоторое время в очереди пакетов в буферной памяти выходного порта, а когда до него дойдет очередь, то он передается следующему коммутатору. Такая схема передачи данных позволяет сглаживать пульсации трафика на магистральных связях между коммутаторами и тем самым использовать их наиболее эффективным образом для повышения пропускной способности сети в целом.

Основными моментами при передачи речи по сети передачи данных с пакетной коммутацией являются: преобразование аналогового речевого сигнала в цифровой вид, формирование пакетов, передача пакетов по пакетной сети, восстановлении речевого сигнала на приемном конце. Таким образом, для организации телефонной связи на передающем и приемном концах необходимо иметь набор аппаратно-программных средств, осуществляющих оцифровку/восстановление речи, формирование пакетов и ввод этих пакетов вместе с пакетами данных в пакетную сеть.

При организации телефонной (речевой) связи по пакетной сети важную роль играют некоторые характеристики телефонного разговора, которые могут накладывать существенные ограничения на выбор той или иной модели передачи.

В самом общем виде схема организации телефонной связи по сети передачи данных с пакетной коммутацией представлена на рисунке 2.2

Центральный узел

Рисунок 2.2 - Схема организации телефонной связи по сети передачи данных с пакетной коммутацией

Подразумевается, что УСПРД - устройство совместной передачи речи и данных, включает весь набор аппаратно-программных средств, реализующих возможность совместной передачи речи и данных по сети передачи данных с пакетной коммутацией.

2.3 Структура программного обеспечения, необходимого для реализации возможности передачи речи по сетям передачи данных с пакетной коммутацией

Для организации телефонной связи по сети передачи данных с пакетной коммутацией необходим набор аппаратно-программных средств, функциями которого является:

- Преобразование речевого аналогового сигнала и сигналов телефонной сигнализации в информационные единицы протоколов (пакеты или кадры);

- Объединение речевого трафика и трафика данных.

Для частичной реализации первой функции используется цифровой процессор обработки сигналов (ЦПОС), который необходим для преобразования речевого сигнала в цифровой вид и формирование речевых кадров. Остальные преобразования реализуются программными средствами с использованием обычных универсальных процессоров. На рисунке 2.3 изображена структура ПО для реализации возможности передачи речи по сети передачи данных с пакетной коммутацией.

Рисунок 2.3 - Структура программного обеспечения организации телефонной связи по сети передачи данных с пакетной коммутацией

Данное ПО организует интерфейсы для речевых сигналов и сигналов сигнализации, исходящих из телефонов или УПАТС и преобразует их в единый информационный поток для передачи по сети . ПО разделено на четыре части, с тем чтобы обеспечить четкий интерфейс между программным обеспечением ЦПОС и остальным ПО для возможности использования различных протоколов пакетной передачи речи ПО для реализации возможности передачи речи по сети с пакетной коммутацией состоит из следующих частей:

а) ПО пакетирование речи. Это ПО запускается на ЦПОС и используется для подготовки речевых элементов для последующей передачи их по сети передачи данных с пакетной коммутацией. Это ПО позволяет реализовать: алгоритм речепреобразования; алгоритм эхоподавления; алгоритм обнаружения активности речи и алгоритм удаления джиттера.

б) ПО шлюза телефонной сигнализации. Данное ПО взаимодействует с телефонным оборудованием, преобразуя сигналы телефонной сигнализации в так называемые изменяемые состояния (установления соединения, отбой и т.п.), которые используются в модуле сетевых протоколов для установления соединений.

в) ПО сетевых протоколов. Это ПО обрабатывает информацию о сигнализации и преобразует ее из формата телефонных протоколов сигнализации в конкретный протокол передачи сигнальной информации по сетям с коммутацией пакетов. Кроме того, это ПО выполняет упаковку речевых кадров и сигнальной информации в информационные единицы сетевых протоколов, используемых в пакетной сети.

г) ПО управления сетью. Это ПО предоставляет интерфейс управления передачей речи для конфигурации и обслуживания модулей системы пакетной передачи речи. Вся управляющая информация определяется в соответствии с ASN.1 и имеет синтаксис SNMP (Simple Network Management Protocol).

2.3.1 Программное обеспечение пакетирования речи

Программное обеспечение пакетирования речи выполняет подготовку речевого сигнала для дальнейшей передачи по пакетной сети. В связи с этим, в его основные функции входит: преобразование речевого сигнала в цифровую форму, кодирование речевого сигнала, эхоподавления, обнаружение активности речи и адаптация воспроизведения. Кроме того, для нужд системы сигнализации вырабатываются специальные тоны сигнализации.

Определение активности речи заключается в том, что полученный сигнал проверяется на наличие в нем речевой информации. Если в течение определенного времени активность не обнаружена, то ПО информирует об этом протокол пакетной передачи речи. Данная функция позволяет избежать передачи речевых пауз, что может существенно влиять на эффективность использования полосы пропускания.

Адаптация воспроизведения заключается в буферизации речевых кадров для их равномерного воспроизведения. Реализация этой функции имеет следующие особенности: организуется буфер FIFO (First In First Out), предназначенный для хранения речевых элементов перед воспроизведением и компенсации задержек при передаче речевых пакетов;

Выбирается время измерения джиттера, которое позволяет осуществлять адаптивный контроль задержки FIFO.

Адаптация воспроизведения заключается в буферизации речевых кадров для их равномерного воспроизведения. Реализация этой функции имеет следующие особенности: организуется буфер FIFO (First In First Out), предназначенный для хранения речевых элементов перед воспроизведением и компенсации задержек при передаче речевых пакетов;

Выбирается время измерения джиттера, которое позволяет осуществлять адаптивный контроль задержки FIFO.

2.3.2 Программное обеспечение шлюза телефонной сигнализации

Данное По осуществляет телефонную сигнализацию для обнаружения нового вызова и собирает адресную информацию (номер вызываемого абонента), которая используется системой для передачи вызова в порт получателя. ПО взаимодействует с ЦПОС для детектирования и генерации тонов сигнализации, а также для управления режимами работы, основанное на наблюдении состояния телефонной линии. Кроме того, ПО взаимодействует с телефонным интерфейсом для обеспечения функций сигнализации.

Структура программного обеспечения шлюза телефонной сигнализации представлена на рисунке 2.4



Рисунок 2.4 - Структура ПО шлюза телефонной сигнализации

Функционирование ПО телефонной сигнализации происходит следующим образом: модуль телефонного интерфейса (цифровой вход) осуществляет периодический контроль интерфейсов сигнализации и в случае обнаружения вызова подключает модуль обработки вызовов, который поддерживает различные стандарты телефонной сигнализации. В модуле трансляции адресов телефонные номера преобразуются в сетевые адреса для передачи вызова по пакетной сети. На приемном конце модуль преобразования протоколов сигнализации переведет сообщения телефонной сигнализации, принятые в конкретной пакетной сети, в формат, совместимый с протоколом сигнализации инициатора сеанса связи. Драйвер интерфейса ЦПОС занимается распределением управляющей информации между основным микропроцессором и одним или несколькими ЦПОС.

2.4 Факторы, влияющие на качество речи, передаваемой по сетям передачи данных с пакетной коммутацией

Передача телефонного трафика по сетям с пакетной коммутацией сопряжена с определенными трудностями, которые вытекают из естественных особенностей телефонного разговора.

Основное нежелательное явление - задержка передачи речевого сигнала от одного абонента другому. Задержка вызывает два нежелательных явления - эхо и наложение речи.

Под эхом понимается физический процесс отражения звуковых сигналов, поступающих на дифференциальную систему, осуществляющую согласование 4-проводного и 2-проводного каналов. Отраженные таким образом сигналы поступают обратно к говорящему абоненту и ухудшают разборчивость принимаемой речи. Эхо становится существенной проблемой, если задержка распространения звукового сигнала от источника к приемнику и обратно становится большей 50 мс. В сетях с пакетной коммутацией такая задержка почти всегда выше 50 мс, и в связи с этим должна быть предусмотрен механизм устранения эха.

Наложение речи - процесс, при котором речь одного говорящего прослушивается в телефоне другого в тот момент, когда он ведет активный разговор, в отличие от эха, когда абонент прослушивает собственный голос. Со гласно рекомендации ITU G.114 данная проблема становится существенной, если односторонняя задержка становится большей 150 мс.

Общая задержка в сети является величиной, состоящей из следующих компонентов.

а) задержка накопления. Эта задержка вызвана необходимостью подготовки кадра из последовательности речевых отсчетов, который будет обрабатываться вокодером. Величина данной задержки будет равна размеру (длительности) кадра выбранного типа вокодера. Время подготовки одного речевого отсчета равно 125 мкс.

В таблице 2.5 - Приведены параметры задержки некоторых наиболее часто встречающихся типов вокодеров.

Таблица 2.5 - Задержка некоторых вокодеров

Стандарт	Требуемая полоса пропускания	Задержка накопления
G.726 (ADPCM)	16; 24; 32; 40 кбит/с	125 мкс
G.728 (LD-CELP)	16 кбит/с	2,5 мс
G.729 (CS-ACELP)	8 кбит/с	10 мс
G.723.1 (ACELP, MP-MLQ)	5,3; 6,3 кбит/с	30 мс

б) Задержка кодирования. Для того, чтобы не вносить дополнительную задержку в результате собственно процесса кодирования, необходимо подобрать цифровой процессор обработки сигналов такой производительности, чтобы задержка кодирования была меньше или, по крайней мере, равна задержке накопления. Выбор ЦПОС можно сделать на основании данных о сложности применяемого алгоритма кодирования. Производительность ЦПОС должна быть выше или равна указанным величинам. Эти данные приведены в таблице 2.6

Таблица 2.6 - Показатели сложности алгоритмов

Миллион операций в секунду

Стандарт	Сложность алгоритма
G.726 (ADPCM)	8
G.728 (LD-CELP)	40
G.729 (CS-ACELP)	30
G.723.1 (ACELP, MP-MLQ)	20

в) Задержка формирования пакетов. Эта задержка вызвана процессом подготовки речевых пакетов (как информационных единиц протоколов). Например, в одном пакете могут быть собраны три речевых кадра, полученных в результате преобразования G.729 (30 мс речи). Это приводит к тому, что задержка пакета составит 30 мс, а не 10 мс, как если бы в нем передавался 1 кадр.

г) Сетевая задержка. Эта задержка возникает при передаче пакетов по сети и зависит от используемых в сети каналов и протоколов передачи, а также приемных буферов для удаления джиттера. Данная задержка может занимать существенную часть общей задержки, и в некоторых сетях IP и Frame Relay составляет 70-100 мс и больше.

Рассмотрим проблему удаления джиттера в приемном буфере, так как эта операция может существенно влиять на задержку сети. По определению, джиттер - это величина, равная разнице во времени между моментами времени поступлений пакетов в приемный буфер, которая возникает вследствие передачи пакетов в сети. Процедура удаления джиттера заключается в объединении пакетов и удержании их некоторое время в буфере, чтобы позволить самым “медленным” пакетам успеть прибыть и занять соответствующее место в последовательности. Естественно, это приводит к дополнительной задержке. Таким образом, две противоречивые цели уменьшения задержки и удаления джиттера привели к созданию различных схем оптимизации размера приемного буфера. Эта оптимизация имеет цель уменьшения размера приемного буфера и вносимой задержки, а также предотвращает приемный буфер от переполнения. Возможны два подхода к оптимизации размера приемного буфера.

Первый подход состоит в наблюдении изменения уровня (порядкового номера) пакета в приемном буфере за некоторый период времени и постепенно приводить размер буфера в соответствие с расчетным джиттером. Этот подход более всего пригоден для сетей, которые обеспечивают последовательное изменение джиттера во времени.

Второй подход состоит в том, чтобы подсчитать число пакетов, прибывших с опозданием, и определить отношение таких пакетов к числу успешно обработанных пакетов. Этот коэффициент затем используется, чтобы отрегулировать приемный буфер. Это подход лучше всего использовать в сетях, для которых характерны большие изменения интервалов между прибываемыми пакетами, например, в сетях IP.

Для того, чтобы обеспечить гарантированное качество речевой связи, сеть должна быть конфигурируема и управляема таким образом, чтобы обеспечить минимальную задержку и джиттер.