Тема 8.3 Технологія ір- телефонії
План лекції
1. Переваги використання ір- телефонії
2. Особливості процесу передачі голосу
1. Переваги використання ір- телефонії
VoIP, як технологічний процес, є досить складним і містким. П|та|оняття VoIP має на увазі не лише використання мережі|сіті| Інтернет як середовище|середа| передачі мови|промови|, але й сам протокол IP і його технологічні особливості. Саме вони забезпечують надійну і високоякісну передачу мовної інформації в мережах|сітях| пакетної комутації. Розрізняють ще Інтернет-телефонію як окремий випадок IP-телефонії, де в якості каналу передачі пакетів телефонного трафіку від абонента до оператора або на магістралі (або на обох названих|накликати| ділянках) використовується звичайний|звичні| канал мережі|сіті| Інтернет.
Технологія кардинально відрізняється від технології, що використовується в традиційній телефонії. Класичні телефонні мережі|сіті| засновані на технології комутації каналів, яка для кожної телефонної розмови вимагає виділеного фізичного з'єднання|сполучення,сполуки|. Отже, одна телефонна розмова є одним фізичним з'єднанням|сполученням,сполукою| телефонних каналів. В цьому випадку аналоговий сигнал шириною 3,1 кГц| передається на найближчу АТС, де він мультиплексується| за технологією тимчасового розділення|поділу| з|із| сигналами, які надходять|надходять| від інших абонентів, підключених до цієї АТС. Далі груповий сигнал передається по мережі|сіті| міжстанційних каналів. Досягнувши призначеної АТС, сигнал демультиплексується| і доходить до адресата. Основним недоліком|нестачею| телефонних мереж|сітей| з|із| комутацією каналів є|з'являється,являється| неефективне використання смуги каналу — під час пауз в мові|промові| канал не несе ніякого|жодного| корисного навантаження.
На відміну від класичної телефонії в мережах ІР за допомогою технології пакетної комутації дані можуть передаватись одночасно між багатьма користувачами і процесами по одній і тій же лінії. При виникненні проблем IP-мережі|сіті| можуть змінювати|зраджувати| маршрут для обходу несправних ділянок. При цьому протокол IP не вимагає виділеного каналу для сигналізації.
2. Особливості процесу передачі голосу
У мережах|сітях| пакетної комутації по каналах зв'язку будь-які дані (голос, текст, відео, комп'ютерні програми тощо) передаються у вигляді інформаційних одиниць, які не залежать від фізичного носія. Такими одиницями можуть бути пакети або кадри|чарунки,вічка,комірки|. У| будь-якому випадку|в будь-якому разі| вони передаються по мережі|сіті|, що розділяється та по окремих віртуальних каналах, незалежних від фізичного середовища|середи|. Кожен пакет ідентифікується заголовком, який може містити|утримувати| інформацію про використовуваний ним канал, його походження (тобто про джерело або відправника) і пункт призначення (про одержувача або приймача).
Процес передачі голосу по ІР-мережах складається з декількох етапів. На першому етапі здійснюється оцифрування голосу. Потім оцифровані дані аналізуються і обробляються з метою зменшення їхнього фізичного об'єму|обсягу|. Як правило, на цьому етапі відбувається|походить| придушення непотрібних пауз і фонового шуму, а також компресування.
На наступному етапі одержана|отримана| послідовність даних розбивається на пакети і до неї додається|добавляється| протокольна інформація — адреса одержувача, порядковий номер пакету на випадок, якщо вони будуть доставлені не послідовно, і додаткові дані для корекції помилок. При цьому відбувається|походить| тимчасове накопичення необхідної кількості інформації для створення пакету до його безпосередньої відправки в мережу|сіть|. Одним з важливих|поважних| чинників|факторів| ефективного використання пропускної спроможності IP-каналу, є|з'являється,являється| вибір оптимального алгоритму кодування та декодування мовної інформації — кодека. Всі існуючі|наявні| сьогодні типи мовних кодеків за принципом дії можна об‘єднати в три групи:
1) Кодеки з|із| імпульсно-кодовою модуляцією (ІКМ), що з'явилися|появилися| в кінці|у кінці,наприкінці| 50-х років і використовувалися сьогодні в системах традиційної телефонії.
2) Кодеки з|із| вокодерним перетворенням мовного сигналу, які виникли в системах мобільного зв'язку для зниження вимог до пропускної спроможності радіотракту. Ця група кодеків використовує гармонійний синтез сигналу на підставі інформації про його вокальні складові — фонеми. В більшості випадків, такі кодеки реалізовані як аналогові пристрої|устрої|.
3) Комбіновані (гібридні) кодеки поєднують|сполучають| в собі технологію вокодерного перетворення мови|промови|, але|та| оперують вже з|із| цифровим сигналом.
Всі методи кодування, засновані на певних припущеннях|гадках| про форму сигналу, тому вони не пристосовані|пасують,личать| до передачі сигналу з|із| різкими скачками амплітуди. Та саме такий вигляд|вид| має сигнал, що генерується модемами або факсимільними апаратами, тому апаратура, що підтримує стиснення|стискування|, повинна автоматично розпізнавати сигнали апаратів факсів чи модемів і обробляти їх інакше, ніж голосовий трафік.
Багато методів кодування беруть свій початок від методу кодування з|із| лінійним прогнозом|передбаченням| LPC (Linear Predicative Coding). В якості вхідного сигналу в LPC використовується послідовність цифрових значень амплітуди, але|та| алгоритм кодування застосовується не до окремих цифрових значень, а до певних їх блоків. Для кожного такого блоку значень обчислюються|обчисляються,вичисляють| його характерні|вдача| параметри: частота, амплітуда і ряд|лава,низка| інших. Саме ці значення і передаються по мережі|сіті|. При такому підході до кодування мови|промови|, по-перше: зростають вимоги до обчислювальних потужностей спеціалізованих процесорів, які використовуються для обробки сигналу, а по-друге: збільшується затримка при передачі, оскільки кодування застосовується не до окремих значень, а до їх набору, який перед початком перетворення слід накопичити|скупчити,нагромадити| в спеціальному буфері.
Важливим є те|поважно|, що затримка в передачі мови|промови| пов'язана не тільки|не лише| з часом витраченим на обробку цифрового сигналу (цю затримку можна зменшувати, збільшуючи потужність процесора), але і безпосередньо з|із| характером|вдачею| методу стиснення|стискування|. Метод кодування з|із| лінійним прогнозом|передбаченням| LPC дозволяє досягати дуже великих ступенів|мір| стиснення|стискування|, проте|однак| якість звуку при цьому сильно страждає. Тому в комерційних додатках|застосуваннях| він не використовується, а застосовується в основному для ведення службових переговорів. Складніші методи стиснення|стискування| мови|промови| засновані на застосуванні|вживанні| LPC в поєднанні з|із| елементами кодування форми сигналу. У цих алгоритмах використовується кодування із|із| зворотним зв'язком, коли при передачі сигналу здійснюється оптимізація коду. Закодувавши сигнал, процесор намагається|пробує| відновити його форму і звіряє результат з|із| початковим|вихідним| сигналом, після чого починає|розпочинає,зачинає| варіювати параметри кодування, добиваючись якнайкращого|щонайкращого,найкращого| збігу. Досягнувши такого збігу, апаратура передає одержаний|отриманий| код по лініях зв'язку; на протилежному кінці відбувається|походить| відновлення звукового сигналу. Ясно, що для використання такого методу потрібні ще серйозніші обчислювальні потужності.
Більшість кодеків обробляють мовну інформацію блоками, так званими кадрами (frames), і їм необхідно проводити|виробляти,справляти| попередній аналіз наступних|слідуючих| відліків, безпосередньо за відліками в блоці, який вони в даний момент кодують. Тому для хорошої якості передачі мови вагомим критерієм є розмір кадру, що передається.
Розмір кадру важливий|поважний|, оскільки|тому що| мінімальна теоретично досяжна затримка передачі інформації (алгоритмічна затримка) визначається сумою цього параметра і довжини буфера попереднього аналізу. Насправді процесори цифрової обробки сигналів, які виконують алгоритм кодування, мають кінцеву|скінченну| продуктивність, де реальна затримка сигналу більша за теоретичну.
Кодеки з|із| меншим розміром кадру мали би бути кращими в сенсі|змісті,рації| такого важливого|поважного| критерію як мінімізація затримки. Але,|од враховуючи, що відбувається|походить| при передачі інформації по мережі|сіті|, до кадру, сформованого кодеком, додається|добавляється| безліч додаткової інформації.
Тому зазвичай використовується пересилка декількох кадрів в пакеті, при чому їх кількість обмежена максимально допустимою затримкою. В більшості випадків в одному пакеті передається до 60 мс| мовної інформації. Чим менша тривалість кадру, тим більше кадрів можливо помістити в один пакет, тобто затримка визначається не стільки довжиною кадру, а практично прийнятним|допустимим| об'ємом|обсягом| корисного навантаження в пакеті. Крім того, кодеки з|із| більшою довжиною кадру ефективніші, оскільки|тому що| чим довше спостерігається явище (мовний сигнал), тим краще він може бути змодельований.
Після передачі інформації, сформованої в пакеті, відбувається процес її прийому та декодування.|видобування||із| |отримЦе також відбувається|походить| у декілька етапів. Коли голосові пакети приходять на термінал одержувача, то спочатку перевіряється їх порядкова послідовність. Оскільки IP-мережі|сіті| не гарантують час доставки, то пакети із|із| старшими порядковими номерами можуть прийти раніше, більш того|більше того|, інтервал часу отримання|здобуття| також може коливатися|вагатися|.
Для відновлення початкової|вихідної| послідовності і синхронізації відбувається|походить| тимчасове накопичення пакетів. Проте|однак| деякі пакети можуть бути взагалі втрачені|згублені,змарновані,загублені| при доставці або затримка їх доставки перевищує допустимий час. У звичайних|звичних| умовах приймальний|усиновлений| термінал запрошує повторну передачу помилкових або втрачених|згублених,змарнованих,загублених| даних. Але|та| передача голосу дуже|занадто| критична до часу доставки, тому в цьому випадку або включається алгоритм апроксимації (наближення значення), що дозволяє на основі одержаних|отриманих| пакетів приблизно відновити втрачені пакети|згублені,змарновані,загублені|, або ці втрати просто ігноруються, а пропуски заповнюються даними випадковим чином.
Одержана|отримана| таким чином послідовність даних декомпресуєтся| і перетворюється безпосередньо в аудіо-сигнал|, що несе голосову інформацію одержувачу. Тому, з|із| великим ступенем|мірою| вірогідності|ймовірності|, одержана|отримана| інформація може не відповідати початковій (спотворена) або бути затримана (обробка на передавальній і приймальній|усиновленій| сторонах вимагає проміжного накопичення). Проте|однак| в деяких межах надмірність голосової інформації дозволяє миритися з|із| такими втратами.
Рисунок 8.2. З`єднання в мережі з комутацією пакетів
Контрольні питання
1. Які переваги використання ір- телефонії над традиційної ір-
телефонією ?
2. З яких етапів складаєтья процес передачі голосу по мережах з
пакетною комутацією ?
3. Що таке кодеки і як вони класифікуються по принципу дії ?
4. Як відбувається процес формування даних у аудіо сигнал ?
1 Використовується тільки при запуску системи і ніколи не є коректною адресою призначення.
2 Ніколи не є коректною адресою джерела.
3 Ніколи не повинна з’являтися в мережі.
4 Поле “xxx” представляє поле номера станції в адресі, який призначається локальним мережевим адміністратором (з урахуванням угод про спеціальні адреси).