IP-телефония и видеосвязь

Размещено на http://www.allbest.ru/

Алматинский институт энергетики и связи

Кафедра телекоммуникационных систем

IP-телефония и видеосвязь

Г.С. Казиева

Конспект лекций

для студентов - бакалавров всех видов обучения

для специальности 050719 - Радиотехника, электроника и телекоммуникации

Алматы 2007



Данный конспект лекций освещает тенденции современных информационных технологий, позволяющие создавать, хранить, перерабатывать и обеспечивать эффективные способы представления информации потребителю.

Работа устройств в сети Интернет осуществляется с использованием специального протокола IP (Internet Protocol протокол межсетевого взаимодействия). В настоящее время IP протокол используется не только в сети Интернет, но и в других сетях передачи данных с пакетной коммутацией (локальных, корпоративных, региональных). И во всех этих сетях, имеется возможность передавать речевые сообщения с использованием пакетов данных. Такой способ передачи речи получил название IP-телефония. В лекциях охвачены вопросы передачи речи в IP-телефонии рассмотрены различные сценарии реализаций IP-телефонии. Охвачены также вопросы реализации видеосвязи.

Лекции предназначены для студентов, обучающихся по специальности 050719 - Радиотехника, электроника и телекоммуникации.



Содержание

Введение

Лекция 1. Сеть Интернет и протокол IP

Лекция 2. Способы передачи голосовых пакетов по IP-сетям

2.1 Принципы пакетной передачи речи

Лекция 3. Построение сети по рекомендации ITU H.323

Лекция 4. Установление соединения в сетях IP-телефонии

4.1 Принципы установления соединения в сетях IP-телефонии

Лекция 5. Реализации сценариев IP-телефонии

5.1 Три основных сценария IP-телефонии

Лекция 6. Обеспечение качества IP-телефонии

6.1 Показатели качества IP-телефонии

6.2 Влияние сети на показатели качества IP-телефонии

Лекция 7. Процедуры обработки речи и методы кодирования

7.1 Процедуры обработки речи

7.2 Обеспечение качества на базе протоколов RSVP, RTP и RTCP

Лекция 8. Принципы реализации IP-телефонии

8.1 Оборудование IP-телефонии

Лекция 9. Адресация в IP-сетях

9.1 Типы адресов стека TCP/IP

9.2 Формы записи IP-адреса

Лекция 10. Таблицы маршрутизации в IP-сетях

10.1 Примеры таблиц для маршрутизаторов различных типов

Лекция 11. Протоколы маршрутизации и маршрутизаторы

11.1 Классификация протоколов маршрутизации

Лекция 12. Видеосвязь

Лекция 13. Цифровое представление телевизионного сигнала

Список используемой литературы



Введение

В Республике Казахстан уделено особое значение формированию Национальной информационной системы с широким доступом к глобальным информационным системам и технологиям, являющимися решающими для прогресса страны в XXI веке. Создаются необходимый фундамент и условия для дальнейшего устойчивого развития данной отрасли, все большей ее интеграции в мировое информационное телекоммуникационное пространство.

В условиях современного динамического развития общества информация становится таким же стратегическим ресурсом, как и традиционные ресурсы: материальные и энергетические. Современные информационные технологии, позволяющие создавать, хранить, перерабатывать и обеспечивать эффективные способы представления информации потребителю, стали неотъемлемой частью жизни общества и средством повышения эффективности управления всеми сферами общественной деятельности.

Работа устройств в сети Интернет осуществляется с использованием специального протокола IP (Internet Protocol протокол межсетевого взаимодействия). В настоящее время IP протокол используется не только в сети Интернет, но и в других сетях передачи данных с пакетной коммутацией (локальных, корпоративных, региональных). И во всех этих сетях, имеется возможность передавать речевые сообщения с использованием пакетов данных. Такой способ передачи речи получил название IP-телефония.

В широком смысле основная задача IP-телефонии заключается в обеспечении естественного речевого или видео общения как минимум двух лиц, являющихся абонентами различных коммуникационных сетей, посредством сети связи с коммутацией пакетов. IP-телефония позволяет существенно экономить требуемую полосу пропускания каналов, что неизбежно ведёт к снижению тарифов, особенно на междугородние и международные телефонные разговоры.

Продолжает развиваться Национальная сеть передачи данных, осуществляется модернизация и реконструкция телефонной сети общего пользования, формируются информационные ресурсы, расширяется перечень современных и перспективных услуг телекоммуникаций, включающий такие услуги как: электронный документооборот; электронная коммерция; дистанционное обучение; мультимедиа; телеконференции; IP-телефония.

В настоящее время IP-телефония получила достаточно широкое распространение. Многие компании имеют представительства в разных странах мира и им приходиться тратить большие средства на междугородние и международные переговоры, поэтому IP-телефония, позволяющая тратить на это меньше средств, была сразу же востребована потребителем. Также развитие IP-телефонии уже сейчас вынуждает операторов традиционной связи снижать тарифы на междугородние и международные переговоры.



Лекция 1. Сеть Интернет и протокол IP

Цель лекции: ознакомить студентов с основами технологии Интернет, протоколом IP, с основами IP-телефонии.

Создатели технологии Интернет исходили из двух основополагающих соображений: невозможно создать единую физическую сеть, которая позволит удовлетворить потребности всех пользователей; пользователям нужен универсальный способ для установления соединений друг с другом.

В пределах каждой физической сети подсоединённые компьютеры используют ту или иную технологию (Ethernet, Token Ring, FDDI, ISDN, соединения типа точка-точка, а в последнее время к этому списку добавились сеть АТМ и даже беспроводные технологии).

Между механизмами коммуникаций, зависящими от данных физических сетей, и прикладными системами встраивается новое программное обеспечение, которое обеспечивает соединение различных физических сетей друг с другом. При этом детали этого соединения скрыты от пользователей и им предоставляется возможность работать как бы в одной большой физической сети. Такой способ соединения в единое целое множества физических сетей и получил название технологии Интернет, на базе которой реализована одноимённая сеть Интернет. Основной протокол, на базе которого строится сеть Интернет, называется Интернет протоколом или протоколом IP.

Для соединения двух и более сетей в сети Интернет используются маршрутизаторы - устройства, которые физически соединяют сети друг с другом и с помощью специального программного обеспечения передают пакеты из одной сети в другую.

Технология Интернет не навязывает какой-то определённой топологии межсетевых соединений. Добавление новой сети к сети Интернет не влечёт за собой её подсоединения к некоторой центральной точке коммутации или установке непосредственных физических соединений со всеми уже входящими в сеть Интернет сетями. Маршрутизатор знает топологию сети Интернет за пределами тех физических сетей, которые он соединяет, и, основываясь на адресе сети назначения, передаёт пакет по тому или иному маршруту. В сети Интернет используются универсальные идентификаторы подсоединённых к ней компьютеров (адреса), поэтому любые две машины имеют возможность взаимодействовать друг с другом. В Интернет должен также быть реализован принцип независимости пользовательского интерфейса от физической сети, то есть должно существовать множество способов установления соединений и передачи данных (см. рисунок 1), одинаковых для всех физических сетевых технологий.

Рисунок 1 - Внутренняя структура сети Интернет

Уровень сетевого интерфейса отвечает за установление сетевого соединения в конкретной физической сети компоненте сети Интернет, к которой подсоединён компьютер. На этом уровне работают драйвер устройства в операционной системе и соответствующая сетевая плата компьютера.

Фундаментальным принципом Интернет является равнозначность всех объединённых с её помощью физических сетей: любая система коммуникаций рассматривается как компонент Интернет, независимо от её физических параметров, размеров передаваемых пакетов данных и географического масштаба. На рисунке 1 использованы одинаковые обозначения для любых физических сетей, объединённых в сеть Интернет.

Универсальная сеть Интернет строится на основе семейства протоколов TCP/IP и включает в себя протоколы четырех уровней коммуникаций (см. рисунок 2).

Прикладной Telnet, FTP, E mail
Транспортный TCP, UDP
Сетевой IP, ICMP, IGMP
Сетевой интерфейс драйвер устройства и сетевая плата

Четыре уровня стека протоколов TCP/IP

Сетевой уровень основа стека протоколов TCP/IP. Именно на этом уровне реализуется принцип межсетевого соединения, в частности маршрутизация пакетов по сети Интернет. Протокол IP - основной протокол сетевого уровня, позволяющий реализовывать межсетевые соединения. Он используется обоими протоколами транспортного уровня TCP и UDP. Протокол IP определяет базовую единицу передачи данных в сети Интернет IP дейтаграмму, указывая точный формат всей информации, проходящей по сети TCP/IP. Программное обеспечение уровня IP выполняет функции маршрутизации, выбирая путь данных по соединениям физических сетей. Для определения маршрута поддерживаются специальные таблицы; выбор осуществляется на основе адреса сети, к которой подключён компьютер-адресат. Протокол IP определяет маршрут отдельно для каждого пакета данных, не гарантируя надёжной доставки в нужном порядке. Он задаёт непосредственное отображение данных на нижележащий физический уровень передачи и реализует тем самым высокоэффективную доставку пакетов.

На сетевом уровне протокол IP реализует ненадёжную службу доставки пакетов по сети от системы к системе без установления соединения. Это означает, что будет выполнено всё необходимое для доставки пакетов, однако эта доставка не гарантируется. Пакеты могут быть потеряны, переданы в неправильном порядке, продублированы и т.д. Протокол IP не обеспечивает надёжность коммуникации. Нет контроля ошибок для поля данных, а имеется только контрольная сумма для заголовка. Надежную передачу данных реализует следующий уровень, транспортный, на котором два основных протокола, TCP и UDP, осуществляют связь между машиной-отправителем пакетов и машиной-адресатом.

Прикладной уровень - это приложения типа клиент-сервер, базирующиеся на протоколах нижних уровней. В отличие от протоколов остальных трёх уровней, протоколы прикладного уровня занимаются деталями конкретного приложения и не интересуются способами передачи данных по сети. Среди основных приложений TCP/IP, имеющихся практически в каждой его реализации, протокол эмуляции терминала TELNET, протокол передачи файлов FTP, протокол электронной почты SMTP, протокол управления сетью SNMP, используемый в системе World Wide Web (WWW), протокол передачи гипертекста HTTP и другие.

Между конечными системами может быть несколько десятков маршрутизаторов и множество промежуточных физических сетей различных типов, но приложение будет воспринимать этот конгломерат как единую физическую сеть. Это и обуславливает основную силу и привлекательность технологии Интернет и протокола IP.



Лекция 2. Способы передачи голосовых пакетов по IP-сетям

Цель лекции: ознакомить студентов с принципами пакетной передачи речи, дать классификацию сетей IP-телефонии.

2.1 Принципы пакетной передачи речи

"Классические" телефонные сети основаны на технологии коммутации каналов (см. рисунок 3), которая для каждого телефонного разговора требует выделенного физического соединения. Следовательно, один телефонный разговор представляет собой одно физическое соединение физических каналов. В этом случае аналоговый сигнал шириной 3,1 кГц передаётся на ближайшую АТС, где мультиплексируется по технологии временного разделения с сигналами, которые поступают от других абонентов, подключённых к этой АТС. Далее групповой сигнал передаётся по сети межстанционных каналов. Достигнув АТС назначения, сигнал демультиплексируется и доходит до адресата. Основным недостатком телефонных сетей с коммутацией каналов является неэффективное использование полосы канала - во время пауз в речи канал не несёт никакой полезной нагрузки.

Рисунок 3 - Соединение в «классической» телефонной сети



Переход от аналоговых к цифровым технологиям стал важным шагом для возникновения современных цифровых телекоммуникационных сетей. Одним из таких шагов в развитии цифровой телефонии стал переход к пакетной коммутации. В сетях пакетной коммутации по каналам связи передаются единицы информации, которые не зависят от физического носителя. Такими единицами могут быть пакеты, кадры или ячейки (в зависимости от протокола), но в любом случае они передаются по разделяемой сети (см. рисунок 4), более того по отдельным виртуальным каналам, не зависящим от физической среды. Каждый пакет идентифицируется заголовком, который может содержать информацию об используемом им канале, его происхождении и пункте назначения.

В настоящее время в IP-телефонии существует два основных способа передачи голосовых пакетов по IP сети:

- через глобальную сеть Интернет (Интернет-телефония);

- используя сети передачи данных на базе выделенных каналов (IP-телефония).

Рисунок 4 - Соединение в сети с коммутацией пакетов

В первом случае полоса пропускания напрямую зависит от загруженности сети Интернет пакетами, содержащими данные, голос, графику и так далее, а значит, задержки при прохождении пакетов могут быть самыми разными. При использовании выделенных каналов исключительно для голосовых пакетов можно гарантировать фиксированную скорость передачи. В виду широкого распространения сети Интернет особый интерес вызывает реализация системы Интернет-телефонии, но в этом случае качество телефонной связи оператором не гарантируется. Для того чтобы осуществить междугородную (международную) связь с помощью телефонных серверов, организация или оператор услуги должны иметь по серверу в тех местах, куда и откуда планируются звонки.

Общий принцип действия телефонных серверов Интернет-телефонии таков: с одной стороны, сервер связан с телефонными линиями и может соединиться с любым телефоном мира. С другой стороны сервер связан с Интернетом и может связываться с любым компьютером в мире. Сервер принимает стандартный телефонный сигнал, оцифровывает его (если он исходно не цифровой), значительно сжимает, разбивает на пакеты и отправляет через Интернет по назначению с использованием протокола IP. Для пакетов приходящих из сети на телефонный сервер и уходящих в телефонную линию, операция происходит в обратном порядке.

Вход сигнала в телефонную сеть и его выход из телефонной сети происходят практически одновременно, что позволяет обеспечить полнодуплексный разговор. На основе этих базовых операций можно построить много различных конфигураций. Например, звонок телефон - компьютер или компьютер - телефон может обеспечивать один телефонный сервер.

Для организации связи телефон (факс) - телефон (факс) нужно два сервера. Основным сдерживающим фактором на пути масштабного внедрения IP-телефонии является отсутствие в протоколе IP механизмов обеспечения гарантированного качества услуг, что делает его пока не самым надёжным транспортом для передачи голосового трафика. Сам протокол IP не гарантирует доставку пакетов, а также время их доставки, что вызывает такие проблемы, как рваный голос и просто провалы в разговоре.

С точки зрения масштабируемости IP- телефония представляется вполне законченным решением.

Соединение на базе протокола IP может начинаться и заканчиваться в любой точке сети от абонента до магистрали. Соответственно, IP- телефонию можно вводить участок за участком.

Для решений IP-телефонии характерна определённая модульность: количество и мощность различных узлов шлюзов, контролеров зоны можно наращивать практически независимо, в соответствии с текущими потребностями. Проблемы наращивания ресурсов сетевой инфраструктуры не учитываются, поскольку узлы самой сети могут быть независимы от системы IP-телефонии, могут и совмещать в себе их функции.

Классификация сетей IP-телефонии

Сеть IP-телефонии представляет собой совокупность оконечного оборудования, каналов связи и узлов коммутации. Сети IP-телефонии строятся по тому же принципу, что и сети Интернет. Однако в отличие от сетей Интернет, к сетям IP-телефонии предъявляются особые требования по обеспечению качества передачи речи. Одним из способов уменьшения времени задержки речевых потоков в узлах коммутации является сокращение количества узлов коммутации, участвующих в соединении. Поэтому при построении крупных транспортных сетей ,в первую очередь ,организуется магистраль, которая обеспечивает транзит трафика между отдельными участками сети, а оконечное оборудование (шлюзы) включается в ближайший узел коммутации (см. рисунок 5). Оптимизация маршрута позволяет улучшить качество предоставляемых услуг. При подключении к сети других операторов их оборудование также подключается к ближайшему узлу коммутации. Для связи между устройствами внутри сети и с устройствами других сетей IP-телефонии используются выделенные каналы или сеть Интернет. По способу связи оконечных устройств между собой сети IP- телефонии можно разделить на выделенные, интегрированные и смешанные.

В выделенных сетях (см. рисунок 6) связь между оконечными устройствами осуществляется по выделенным каналам и пропускная способность этих каналов используется только для передачи речевых пакетов. Чаще всего провайдеры IP-телефонии не строят собственную инфраструктуру, а арендуют каналы у провайдеров первичной сети.

Рисунок 5 - Пример построения сети с использованием магистрали

Рисунок 6 - Пример построения сети IP-телефонии

Главное преимущество выделенной сети - это высокое качество передачи речи, так как такие сети предназначены только для передачи речевого трафика. Для обеспечения гарантированного качества предоставляемых услуг в этих сетях, кроме протокола IP, применяются и другие транспортные протоколы ATM и Frame Relay.



Лекция 3. Построение сети по рекомендации ITU H.323

Цель лекции: рассмотреть варианты построения сетей IP-телефонии по рекомендации H.323.

Первый в истории подход к построению сетей IP-телефонии на стандартизированной основе предложен Международным Союзом Электросвязи (ITU) в рекомендации Н.323. Сети на базе протоколов Н.323 ориентированы на интеграцию с телефонными сетями и могут рассматриваться как сети ISDN, наложенные на сети передачи данных.

Рекомендация Н.323 предусматривает довольно сложный набор протоколов, который предназначен не просто для передачи речевой информации по IP сетям с коммутацией пакетов. Его цель обеспечить работу мультимедийных приложений в сетях с негарантированным качеством обслуживания. Речевой трафик это только одно из приложений Н.323 наряду с видеоинформацией и данными.

Вариант построения сетей IP-телефонии по рекомендации Н.323 хорошо подходит тем операторам, которые заинтересованы в использовании IP сети для предоставления услуг междугородней и международной связи.

На рисунке 9 показана архитектура сети на базе рекомендации Н.323. Основными устройствами сети являются: терминал, шлюз, контроллер зоны (привратник) и устройство управления конференциями.

Рисунок 7 - Архитектура сети Н.323



Терминал Н.323 представляют собой конечную точку в сети способную передавать и принимать трафик в масштабе реального времени, взаимодействуя с другим терминалом Н.323, шлюзом или устройством управления многоточечной конференцией.

Для обеспечения этих функций терминал включает в себя:

- элементы аудио (микрофон, акустические системы, система акустического эхоподавления);

- элементы видео (монитор, видеокамера);

- элементы сетевого интерфейса;

- интерфейс пользователя.

Технология передачи голоса по IP сети вместо классической сети с коммутацией каналов предусматривает конфигурацию с установкой шлюзов. Шлюз обеспечивает сжатие информации (голоса), конвертирование её в IP пакеты и направление в IP-сеть. С противоположной стороны шлюз осуществляет обратные действия: расшифровку и расформирование пакетов вызовов. В результате обычные телефонные аппараты без проблем принимают эти вызовы.

Такое преобразование информации не должно значительно исказить исходный речевой сигнал, а режим передачи обязан сохранить обмен информацией между абонентами в реальном масштабе времени.

Основные функции, выполняемые шлюзом, состоят в следующем:

- реализация физического интерфейса с телефонной и IP сетью;

- детектирование и генерация сигналов абонентской сигнализации;

- преобразование сигналов абонентской сигнализации в пакеты и обратно;

- соединение абонентов;

- передача по сети сигнализационных и речевых пакетов;

- разъединение связи.

Большая часть функций шлюза в рамках архитектуры TCP/IP реализуются в процессах прикладного уровня. Схема обработки сигналов в шлюзе при подключении аналогового двухпроводного телефонного канала показано на рисунке 8.Телефонный сигнал с двухпроводной абонентской линии поступает на дифференциальную схему, которая разделяет приёмную и передающую части канала. Далее сигнал передачи вместе с просочившейся частью сигнала приёма подаётся на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и превращается в стандартный 12-разрядный сигнал. В последнем случае обработка должна включать соответствующий экспандер. В устройстве эхокомпенсации из сигнала передачи удаляются остатки принимаемого сигнала. Эхокомпенсатор представляет собой фильтр. Для обнаружения и определения сигналов внутриполосной многочастотной телефонной сигнализации (MF сигналов), сигналов частотного (DTMF) или импульсного наборов используются детекторы соответствующих типов. Дальнейшая обработка входного сигнала происходит в речевом кодере. В анализаторе кодера сигнал сегментируется на отдельные фрагменты определённой длительности (в зависимости от метода кодирования) и каждому входному блоку сопоставляется информационный кадр соответствующей длины.

Часть параметров, вычисленная в анализаторе кодера, используется в блоке определения голосовой активности, который решает, является ли текущий анализируемый фрагмент сигнала речью или паузой.

Рисунок 8 - Схема обработки сигналов в шлюзе



При наличии паузы информационный кадр может не передаваться в службу виртуального канала. На сеансовый уровень передаётся лишь каждый пятый паузный информационный кадр. При отсутствии речи для кодировки текущих спектральных параметров используется более короткий информационный кадр. На приёмной стороне из виртуального канала в логический поступает либо информационный кадр, либо флаг наличия паузы. На паузных кадрах вместо речевого синтезатора включается генератор комфортного шума, который восстанавливает спектральный состав паузного сигнала. Параметры сигнала обновляются при получении паузного информационного кадра. Наличие информационного кадра включает речевой декодер, на выходе которого формируется речевой сигнал. Для эхокомпенсатора этот сигнал является сигналом дальнего абонента, фильтрация которого даёт составляющую электрического эха в передаваемом сигнале. В зависимости от типа цифроаналогового преобразования, сигнал может быть подвергнут дополнительной кодировке.

Можно выделить следующие основные проблемы цифровой обработки сигналов в шлюзе.

При использовании двухпроводных абонентских линий актуальной остаётся задача эхокомпенсации, особенность которой состоит в том, что компенсировать необходимо два различных класса сигналов речи и телефонной сигнализации. Очень важной является задача обнаружения и детектирования телефонной сигнализации. Её сложность состоит в том, что служебные сигналы могут перемешиваться с сигналами речи.

В контроллере зоны (привратнике) сосредоточен весь интеллект сети IP-телефонии. Сеть, построенная в соответствии с рекомендацией Н.323, имеет зонную архитектуру. Контроллер зоны выполняет функции управления одной зоной сети IP-телефонии, в которую входят: терминалы, шлюзы, устройства управления конференциями, зарегистрированные у одного контроллера зоны. Отдельные фрагменты зоны сети Н.323 могут быть территориально разнесены и соединяться друг с другом через маршрутизаторы.

Наиболее важными функциями контроллера зоны являются:

- регистрация оконечных и других устройств;

- контроль доступа пользователей системы к услугам IP-телефонии при помощи сигнализации RAS;

- преобразование alias адреса вызываемого пользователя (объявленного имени абонента, телефонного номера, адреса электронной почты и др.) в транспортный адрес сетей с маршрутизацией пакетов IP (IP адрес -номер порта TCP);

- контроль, управление и резервирование пропускной способности сети;

- ретрансляция сигнальных сообщений Н.323 между терминалами.

В одной сети IP-телефонии, отвечающей требованиям ITU H.323, может находиться несколько контроллеров зоны, взаимодействующих друг с другом по протоколу RAS.

Устройство управления конференциями (MCU) обеспечивает возможность организации связи между тремя или более участниками. Рекомендация Н.323 предусматривает три вида конференции: централизованная (то есть управляемая MCU, с которым каждый участник конференции соединяется в режиме точка-точка), децентрализованная (каждый участник конференции соединяется с остальными её участниками в режиме точка группа точек) и смешанная. Устройство управления конференциями состоит из одного обязательного элемента контроллера конференций (MC), и, может включать в себя один или более процессоров для обработки пользовательской информации (МР). МС может быть физически совмещён с контроллером зоны, шлюзом или устройством управления конференциями, а последнее, может быть совмещено со шлюзом или контроллером зоны.

Существует ещё один элемент сети Н.323 - прокси-сервер Н.323, то есть сервер-посредник. Этот сервер функционирует на прикладном уровне и может проверять пакеты с информацией, которой обмениваются два приложения. Прокси-сервер может определять, с каким приложением (Н.323 или другим) ассоциирован вызов, и осуществляет нужное соединение.

Семейство протоколов Н.323 включает в себя три основных протокола: протокол взаимодействия оконечного оборудования с привратником RAS, протокол управления соединениями Н.225 и протокол управления логическими каналами Н.245.

Международный союз электросвязи в рекомендации Н.225.0 определил протокол взаимодействия компонентов сети Н.323: оконечного оборудования (терминалов, шлюзов, устройств управления конференциями) с привратником. Этот протокол получил название RAS (Registration, Admission and Status).



Лекция 4. Установление соединения в сетях IP-телефонии

Цель лекции:: ознакомить студентов с принципами установления соединения в сетях IP-телефонии.

4.1 Принципы установления соединения в сетях IP-телефонии

В традиционной телефонии вызывающий пользователь набирает номер нужного ему абонента, а телефонная сеть использует его для маршрутизации вызова. Процедура управления вызовами делится на три фазы: установления соединения, передача речи или данных и разъединение. Сообщения системы сигнализации инициируют и завершают эти фазы, а стандартные контрольные сигналы и записанные голосовые сообщения информируют абонента о характере прохождения его вызова.

В системах IP-телефонии процедуры управления вызовами (см. рисунок 9) выполняются протоколами сигнализации.

Рисунок 9 - Управление вызовами в сети IP-телефонии

Ещё важный вопрос в IP-телефонии - это контроль за доступом к сети. В сети телекоммуникаций общего пользования (СТОП) абонент подключается к АТС через фиксированный местный шлейф, поэтому идентифицировать его телефонный аппарат очень просто. В сети IP-телефонии всё гораздо сложнее, поскольку существует множество разных способов доступа к ней:

- с обычного телефона через СТОП;

- по модемному соединению через сервер удалённого доступа;

- через ЛВС и территориально распределённую сеть.

В общем случае для установления соединения между вызываемым и вызывающим абонентом шлюзы IP-телефонии должны:

- найти контроллер зоны, на котором возможна регистрация оконечного устройства;

- зарегистрировать свой мнемонический адрес на контроллере зоны;

- указать требуемую полосу пропускания;

- передать запрос на установление соединения;

- установить соединение;

- в процессе вызова управлять параметрами соединения;

- разъединить соединение.

Алгоритмы установления, поддержания и разрушения соединения

В общем случае алгоритмы установления, поддержания и разрушения соединений по Н.323 включают в себя следующие фазы:

- фаза А. Установление соединения;

- фаза В. Определение ведущего/ведомого оборудования и обмен данными о функциональных возможностях;

- фаза С. Установление аудиовизуальной связи между вызывающим и вызываемым оборудованием;

- фаза D. Изменение полосы пропускания, запрос текущего состояния оборудования, создание конференций и обращение к дополнительным услугам;

- фаза Е. Завершение соединения.

Базовое соединение с участием контроллера зоны осуществляется: вызывающее оборудование передаёт сообщение ARQ с alias адресом вызывающего абонента, в ответ на которое контроллер зоны передаёт сообщение ACF с уведомлением, что именно он будет маршрутизировать сигнальные сообщения, и с указанием транспортного адреса своего сигнального канала. Далее вызывающее оборудование передаёт на этот транспортный адрес запрос соединения Setup (установка). Контроллер зоны пересылает сообщение Setup вызываемому оборудованию и передаёт вызывающему оборудованию сообщение Call Proceeding (переход запроса), означающее, что полученной информации достаточно для обслуживания поступившего вызова. Вызываемое оборудование также отвечает на Setup сообщением Call Proceeding. Если оборудование имеет возможность принять вызов, то оно передаёт запрос допуска к ресурсам сети ARQ, на который контроллер зоны может ответить подтверждением ACF или отказом в допуске к ресурсам сети ARG. В первом случае вызываемое оборудование передаёт сообщение Alerting (приведение в готовность), и контроллер зоны маршрутизирует его к вызывающему оборудованию. Вызываемому пользователю подаётся визуальный или акустический сигнал о входящем вызове, а вызывающему подаётся индикация того, что вызываемый пользователь не занят и ему подаётся вызывной сигнал. При отказе в допуске к ресурсам сети вызываемое оборудование закрывает сигнальный канал путём передачи контроллеру зоны сообщения Release Complete (освобождение).

После того, как вызываемый пользователь примет входящий вызов, контроллеру зоны передаётся сообщение Connect с транспортным адресом управляющего канала Н.245 вызываемого оборудования. Контроллер заменяет этот адрес транспортным адресом своего управляющего канала Н.245 и пересылает Connect вызывающему оборудованию, после чего открывается управляющий канал Н.245.

Чтобы ускорить открытие разговорной сессии, управляющий канал может быть открыт вызываемым оборудованием после получения сообщения Setup c транспортным адресом управляющего канала Н.245 вызывающего оборудования или контроллера зоны, или вызывающим пользователем после получения сообщения Call Proceeding или Alerting, содержащего транспортный адрес управляющего канала Н.245 вызываемого пользователя или контроллера зоны.

После открытия управляющего канала Н.245 начинается обмен данными о функциональных возможностях оборудования. В нашем случае все управляющие сообщения, передаваемые от одного оконечного оборудования к другому, маршрутизируются контроллером зоны. Терминалы обмениваются сообщениями TerminalCapabilitySet (терминальный набор способностей), в которых указываются возможные алгоритмы декодирования принимаемой информации. Следует отметить, что сообщение TerminalCapabilitySet должно быть первым сообщением, передаваемым по управляющему каналу. Оборудование, принявшее сообщение TerminalCapabilitySet от другого оборудования, подтверждает его получение передачей сообщения TerminalCapabilitySetAck.

Затем инициируется процедура определения ведущего/ведомого оборудования, необходимая для разрешения конфликтов, возникающих между двумя устройствами при организации конференции, когда оба они могут быть активными контроллерами конференций, или между двумя устройствами, пытающимися одновременно открыть двунаправленные логические каналы. В ходе процедуры устройства обмениваются сообщениями masterSlaveDetermination (определение главного).

В ответ на полученные сообщения (mSD) оба устройства передают сообщения mSDAck, в которых указывается, какое из этих устройств является для данного соединения ведущим, а какое ведомым. Оборудование, передавшее сообщение mSD и получившее в ответ сообщение mSDAck, передаёт сообщение mSDAck.

После обмена данными о функциональных возможностях и определения ведущего и ведомого оборудования может выполняться процедура открытия однонаправленных логических каналов. В требовании открыть логический канал Open LogicalChannel (открыть логический канал) оборудование указывает вид информации, который будет передаваться по этому каналу, и алгоритм кодирования. Логический канал предназначается для переноса речи, поэтому в сообщении OpenLogicalChannel включается параметр media Control Channel с указанием транспортного адреса канала RTCP, при помощи которого производится контроль передачи RTP пакетов. В ответ на сообщение OpenLogicalChannel оборудование должно передать подтверждение OpenLogicalChannelAck, в котором указывается транспортный адрес, на который передающей стороне следует посылать RTP пакеты, а также транспортный адрес канала RTCP.

Далее открывается разговорная сессия. Оборудование вызывающего пользователя передаёт речевую информацию, упакованную в пакеты RTP/UDP/IP, на транспортный адрес RTP канала оборудования вызванного пользователя, а вызванный пользователь передаёт пакетированную речевую информацию на транспортный адрес RTP канала оборудования вызывающего пользователя. При помощи канала RTCP ведётся контроль передачи информации по RTP каналам.

После окончания разговорной фазы начинается фаза разрушения соединения. Оборудование пользователя, инициирующего разъединение, должно прекратить передачу речевой информации, закрыть логические каналы и передать по управляющему каналу Н.245 сообщение end Session Command (команда об окончании сессии), означающее, что пользователь хочет завершить соединение. Далее от встречного оборудования ожидается сообщение endSessionCommand, после приёма которого управляющий канал Н.245 закрывается. Далее, если сигнальный канал ещё открыт, передаётся сообщение Release Complete.

Пользователь, получивший команду endSessionCommand от пользователя, инициировавшего разрушение соединения, должен прекратить передачу речевой информации, закрыть логические каналы и передать сообщение end Session Command. Далее, если сигнальный канал остался открытым, передаётся сообщение Release Complete, и сигнальный канал закрывается.

После всех этих действий оконечное оборудование извещает контроллер зоны об освобождении зарезервированной полосы пропускания. С этой целью каждый из участников соединения передаёт по каналу RAS запрос выхода из соединения DRQ, на который контроллер зоны должен ответить подтверждением DCF, после чего обслуживание вызова считается завершённым.



Лекция 5. Реализации сценариев IP-телефонии

Цель лекции: рассмотреть со студентами варианты реализации сценариев IP-телефонии.

5.1 Три основных сценария IP-телефонии

Рассмотрим три наиболее часто используемых сценария IP-телефонии:

- "компьютер - компьютер";

- "компьютер - телефон";

- "телефон - телефон".

Сценарий "компьютер - компьютер" реализуется на базе стандартных компьютеров, оснащённых средствами мультимедиа и подключённых к сети Интернет. Компоненты модели IP-телефонии по сценарию "компьютер - компьютер" показаны на рисунке 10.

.

Рисунок 10 - Сценарий IP-телефонии "компьютер - компьютер"

В этом сценарии аналоговые речевые сигналы от микрофона абонента А преобразуются в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), обычно при 8000 отсчётов/с, 8 битов/отсчёт, в итоге 64 Кбит/сек.

Затем отсчёты речевых данных в цифровой форме сжимаются кодирующим устройством для сокращения нужной для их передачи полосы в отношении 4:1, 8:1 или 10:1. Выходные данные после сжатия формируются в пакеты, к которым добавляются заголовки протоколов, после чего пакеты передаются через IP- сеть в систему IP- телефонии, обслуживающую абонент Б. Когда пакеты принимаются системой абонента Б, заголовки протокола удаляются, а сжатые речевые данные поступают в устройство, развёртывающие их в первоначальную форму, после чего речевые данные снова преобразуются в аналоговую форму с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и попадают в телефон абонента Б.

Для обычного соединения между двумя абонентами системы IP-телефонии на каждом конце одновременно реализуют как функции передачи, так и функции приёма. Под IP- сетью подразумевается либо глобальная сеть Интернет, либо корпоративная сеть передачи данных.

Для проведения телефонных разговоров друг с другом абоненты А и Б должны иметь доступ к Интернет или к другой сети с протоколом IP. Рассмотрим алгоритм организации связи между этими абонентами:

- абонент А запускает своё приложение IP-телефонии, поддерживающее протокол Н.323;

- абонент Б уже заранее запустил своё приложение IP-телефонии, поддерживающее протокол Н.323,

- абонент А знает доменное имя абонента Б элемент системы имён доменов(DNS), вводит это имя в раздел "кому позвонить" в своём приложении IP-телефонии и нажимает кнопку Return;

- приложение IP-телефонии обращается к DNS серверу (который в данном примере реализован в компьютере абонента А) для того, чтобы преобразовать доменное имя абонента Б в Ipадрес;

- сервер DNS возвращает IP адрес абонента Б;

- приложение IP-телефонии абонента А получает IPадрес абонента Б и отправляет ему сообщение Н.225 Setup;

- при получении сообщения Н.225 Setup приложение абонента Б сигнализирует ему о входящем вызове;

- абонент Б принимает вызов и приложение IP-телефонии отправляет ответное сообщение Н.225 Connect;

- приложение IP-телефонии у абонента А начинает взаимодействие с приложением у абонента Б в соответствии с рекомендацией Н.245;

- после окончания взаимодействия по протоколу Н.245 и открытия логических каналов абоненты А и Б могут разговаривать друг с другом через IP сеть.

Сценарий "телефон - компьютер" находит применение в разного рода справочно-информационных службах технической поддержки. Рассмотрим две модификации этого сценария IP-телефонии:

- от компьютера (пользователя IP сети) к телефону (абоненту СТОП), в частности, в связи с предоставлением пользователям IP сетей доступа к телефонным услугам, в том числе, к справочно-информационным услугам и к услугам Интеллектуальной сети;

- от абонента СТОП к пользователю IP сети с идентификацией вызываемой стороны на основе нумерации Е.164 или IP адресации.

В первой модификации сценария "компьютер - телефон" соединение устанавливается между пользователем IP сети и пользователем сети коммутации каналов (см. рисунок 11).

Рисунок 11 - Вызов абонента СТОП пользователем IP сети



Предполагается, что установление соединения инициирует пользователь IP сети. Шлюз для взаимодействия сетей СТОП и IP может быть реализован в отдельном устройстве или интегрирован в существующее оборудование СТОП или IP сети.

Рассмотрим несколько подробнее пример упрощённой архитектуры системы IP-телефонии по сценарию "телефон - компьютер" (см. рисунок 12).

Рисунок 12- Пользователя IP сети вызывает абонент СТОП

При попытке вызвать справочно-информационную службу используя услуги пакетной телефонии и обычный телефон на начальной фазе, абонент А вызывает близлежащий шлюз IP-телефонии. От шлюза к абоненту А поступает запрос ввести номер к которому должен быть направлен вызов и личный идентификационный номер (PIN) для аутентификации и последующего начисления платы ,если это служба, вызов которой оплачивается вызывающим абонентом. Основываясь на вызываемом номере, шлюз определяет наиболее доступный путь к данной службе. Кроме того, шлюз активизирует свои функции кодирования и пакетизации речи, устанавливает контакт со службой, ведёт мониторинг процесса обслуживания вызова и принимает информацию о состояниях этого процесса (занятость посылка вызова разъединение) от исходящей стороны через протокол управления и сигнализации. Разъединение с любой стороны передаётся противоположной стороне по протоколу сигнализации и вызывает завершение установленных соединений и освобождение ресурсов шлюза для обслуживания следующего вызова.

Следующий сценарий "телефон - телефон" отличается от остальных сценариев IP-телефонии, поскольку, целью его применения является предоставление обычным абонентам СТОП альтернативной возможности междугородней и международной телефонной связи. В этом режиме современная технология IP-телефонии предоставляет виртуальную телефонную линию через IP доступ.

Обслуживание вызовов по такому сценарию IP-телефонии выглядит следующим образом. Поставщик услуг IP-телефонии подключает свой шлюз к коммутационному узлу или станции СТОП ,а по сети Интернет или по выделенному каналу соединяется с аналогичным шлюзом находящимся в другом городе или другой стране (см. рисунок 13).

Рисунок 13 - Соединение абонентов СТОП через транзитную IP сеть

Поставщики услуг IP-телефонии предоставляют услуги "телефон - телефон" путём установки шлюзов IP-телефонии на входе и выходе IP сетей. Абоненты подключаются к шлюзу поставщика через СТОП, набирая специальный номер доступа. Абонент получает доступ к шлюзу, используя персональный идентификационный номер (PIN) или услугу идентификации номера вызывающего абонента. После этого шлюз просит ввести телефонный номер вызываемого абонента, анализирует его и определяет, какой шлюз имеет лучший доступ к нужному телефону. Как только между входным и выходным шлюзами устанавливается контакт, дальнейшее установление соединения к вызываемому абоненту выполняется выходным шлюзом через его местную сеть.

Для организации соединения через сеть IP, абонент А набирает местный телефонный номер шлюза своего поставщика услуг IP-телефонии. Абоненту А передаётся второй сигнал ответа станции и предлагается ввести телефонный номер вызываемого абонента. Далее устанавливается соединение со стороной вызываемого абонента Б.

Эффективность объединения услуг передачи речи и данных является основным стимулом использования IP-телефонии по сценариям "компьютер - компьютер" и "компьютер - телефон".



Лекция 6. Обеспечение качества IP-телефонии

6.1 Показатели качества IP-телефонии

Традиционные телефонные сети коммутируют электрические сигналы с гарантированной полосой пропускания, достаточной для передачи сигналов голосового спектра. При фиксированной пропускной способности передаваемого сигнала цена единицы времени связи зависит от удалённости и расположения точек вызова и места ответа.

Сети с коммутацией пакетов не обеспечивают гарантированной пропускной способности, поскольку не обеспечивают гарантированного пути между точками связи.

Для приложений, где не важен порядок и интервал прихода пакетов (например, электронная почта) 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.

Основными составляющими качества IP-телефонии являются качество речи и сигнализации (см. рисунок 14). Качество речи включает:

- диалог или возможность пользователя связываться и разговаривать с другим пользователем в реальном времени и полнодуплексном режиме;

- разборчивость или чистота и тональность речи;

- эхо слышимость собственной речи;

- уровень или громкость речи.

Качество сигнализации включает:

- установление вызова или скорость успешного доступа и время установления соединения;

- завершение вызова или время отбоя и скорость разъединения;

- DTMF или определение и фиксация сигналов многочастотного набора номера.

Рисунок 14 - Факторы, влияющие на качество IP-телефонии

Факторы, которые влияют на качество IP-телефонии, могут быть разделены на две категории: качества IP сети и шлюза.

Факторы качества IP сети:

- максимальная пропускная способность или максимальное количество полезных и избыточных данных, которая она передаёт;

- задержка или промежуток времени, требуемый для передачи пакета через сеть;

- джиттер или задержка между двумя последовательными пакетами.

- потеря пакета или пакеты, потерянные при передаче через сеть.

Факторы качества шлюза:

- требуемая полоса пропускания или различные вокодеры требуют различную полосу;

- задержка или время, необходимое цифровому процессору или другим устройствам обработки для кодирования или декодирования речевого сигнала;

- буфер джиттера или сохранение пакетов данных до тех пор , пока все пакеты не будут получены и можно будет передать в требуемой последовательности для минимизации джиттера;

- потеря пакетов или потеря пакетов при сжатии или передаче в оборудовании IP-телефонии;

- подавление эха или механизм для подавления эха, возникающего при передаче по сети;

- управление уровнем или возможность регулировать громкость речи.

6.2 Влияние сети на показатели качества IP-телефонии

Задержка создаёт неудобство при ведении диалога, приводит к перекрытию разговоров и возникновению эха. Эхо возникает, когда отражённый речевой сигнал вместе с сигналом от удалённого конца возвращается опять к говорящему. Эхо становится трудной проблемой, когда задержка в петле передачи больше, чем 50 мс.

Затруднение диалога и перекрытие разговоров становится серьёзным вопросом качества, когда задержка в одном направлении превышает 250 мс.

Можно выделить следующие источники задержки при передаче речи из конца в конец (см. рисунок 15):

- задержка накопления (алгоритмическая задержка): эта задержка обусловлена необходимостью сбора кадра речевых отсчётов, выполняемая в речевом кодере;

- задержка обработки: определённые задержки создаются в процессе кодирования и сбора закодированных отсчётов в пакеты для передачи через пакетную сеть;

- сетевая задержка: задержка обусловлена физической средой и протоколами, а также буферами, используемыми для удаления джиттера на приёмном конце. Сетевая задержка зависит от ёмкости сети и процессов передачи в сети.

Время задержки можно отнести к одному из трёх уровней:

- первый уровень до 200 мс отличное качество связи. Для сравнения, в СТОП допустимы задержки 150, 200 мс;

- второй уровень до 400 мс хорошее качество связи. Но при сравнении с СТОП разница ощутима;

- третий уровень до 700 мс приемлемое качество связи для неделовых переговоров. Такое качество связи возможно и в спутниковой связи.

Рисунок 15 - Составляющие задержки в сети IP-телефонии

Когда речь или данные разбиваются на пакеты для передачи через IP сеть, пакеты часто прибывают в различное время и в разной последовательности. Это создаёт разброс времени доставки пакетов (джиттер). Джиттер приводит к нарушениям передачи речи, слышимым как трески и щелчки. Различают три формы джиттера:

- джиттер, зависимый от данных, происходит в случае ограниченной полосы пропускания или при нарушениях в сети;

- искажения рабочего цикла обусловлено выдержкой распространения между передачей снизу вверх и сверху вниз;

- случайный джиттер является результатом теплового шума.

Потерянные пакеты в IP-телефонии нарушают речь и создают искажения тембра. Все голосовые кадры обрабатываются как данные, поэтому при пиковых нагрузках голосовые кадры будут отбрасываться, как и кадры данных. Кадры данных не связаны со временем, и отброшенные пакеты могут быть успешно переданы путём повторения, а потеря голосовых пакетов приведёт к неполной передаче информации. Предполагается, что потеря до 5% пакетов незаметна, а свыше 10 - 15 % недопустима. Можно предположить, что с повышением трафика возрастают задержки и потери в канале.



Лекция 7. Процедуры обработки речи и методы кодирования

Цель лекции: ознакомить студентов с методами кодирования в IP-телефонии .

7.1 Процедуры обработки речи

Для обеспечения качественной передачи речевых сигналов в IP-телефонии необходима их следующая обработка:

а) устранение всех нежелательных компонентов из входного аудиосигнала. После оцифровки речи надо удалить эхо из динамика в микрофон, комнатное эхо и непрерывный фоновой шум, а также отфильтровать шумы переменного тока на низких частотах звукового спектра. Эти функции реализуются аудиокомпонентами персонального компьютера, так что сама система IP-телефонии может их и не иметь;

б) подавление пауз в речи; распознавание остаточного фонового шума (внешних шумов) и кодирование для восстановления на дальнем конце. Паузы лучше полностью подавлять на ближнем конце. Сигналы DTMF и другие сигналы можно заменить на короткие коды для восстановления на дальнем конце. Из-за того, что функция подавления пауз активизируется, когда громкость речи становится ниже определённого порога, некоторые системы обрезают начала и концы слов (в периоды нарастания и снижения энергии);

в) сжатие голосовых данных. Сжать оцифрованный голос можно разными способами. В идеале решения, используемые в IP-телефонии, должны быть быстрыми, сохранять качество речи и давать на выходе небольшие массивы данных;

г) нарезание сжатых голосовых данных на короткие сегменты равной длины, их нумерация по порядку, добавление заголовков пакетов и передача;

д) приём и переупорядочивание пакетов в адаптивном буфере ресинхронизации для обеспечения интеллектуальной обработки потерь или задержек пакетов. Главной целью является преодоление влияния переменной задержки между пакетами. Решение этой проблемы состоит в буферизации достаточного числа поступающих пакетов с тем, чтобы воспроизведение было непрерывным, даже если время между поступлением пакетов разное.

Одним из важных факторов эффективного использования пропускной способности IP канала, является выбор оптимального алгоритма кодирования/декодирования речевой информации кодека.

Все типы речевых кодеков по принципу действия можно разделить на три группы:

а) кодеки с ИКМ и адаптивной дифференциальной ИКМ (АДИКМ), появившиеся в 50х годах и использующиеся сегодня в системах традиционной телефонии. В большинстве случаев представляют собой сочетание АЦП/ЦАП;

б) кодеки с вокодерным преобразованием речевого сигнала возникли в системах мобильной связи для снижения требований к пропускной способности радиотракта. Эта группа кодеков использует гармонический синтез сигнала на основании информации о его вокальных составляющих фонемах. Обычно такие кодеки реализованы как аналоговые устройства;

в) комбинированные (гибридные) кодеки сочетают в себе технологию вокодерного преобразования/синтеза речи, но оперируют уже с цифровым сигналом посредством специализированных процессоров. Кодеки этого типа содержат в себе ИКМ или АДИКМ кодек и реализованный цифровым способом вокодер.