[ Pobierz całość w formacie PDF ]
STUDIA INFORMATICA
2001
Volume 22
Number 2 (44)
Jacek CAŁA
Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Informatyki
ORGANIZACJA TRANSMISJI GŁOSU W SIECI IP
Streszczenie
. W artykule poruszono najwaŜniejsze problemy w dostosowaniu
sieci komputerowych opartych na protokole IP do transmisji głosu. Przedstawiono
takŜe rozwiązania, dzięki którym technologia Voice over IP moŜe być z powodzeniem
wykorzystywana w sieciach IP. Artykuł zamyka opis testów przeprowadzonych dla
serwisu dostępowego do sieci telefonicznej, uruchomionego w Grupie Systemów
Rozproszonych (DSRG).
VOICE TRANSMISSION OVER IP NETWORK
Summary
. Article discusses the most important issues in adaptation IP computer
networks to the voice transmission. It describes some solutions which allow to use
Voice over IP in packet networks successfully. At the end there are presented results
of tests made in Distributed Systems Research Group with Voice over IP service.
1.
Wstęp
Zwiększenie dostępności sieci Internet pozwala na uruchamianie coraz wygodniejszych i
bardziej zaawansowanych usług. Ciekawym i obiecującym zastosowaniem jest technologia
przesyłania głosu w sieci IP nazywana telefonią internetową lub technologią voice over IP
(VoIP). Dzięki niej moŜliwa staje się komunikacja głosowa z wykorzystaniem sieci
komputerowej, co pozwala na obniŜenie kosztów transmisji; połączenie głosowe w zwykłej
telefonii wymaga zajęcia całego łącza, natomiast w sieci komputerowej z komutacja pakietów
transmisja głosu moŜe przebiegać równocześnie z transmisją danych, a zastosowanie
kompresji głosu umoŜliwia zmniejszenie potrzebnego pasma sieci nawet do 5,3 kb/s.
100
J. Cała
Obok VoIP istnieją takŜe inne technologie przesyłania głosu w sieciach komputerowych:
Voice over ATM, Voice over Frame Relay, Voice over xDSL i inne. We wszystkich tych
rozwiązaniach natrafia się na pewne wspólne problemy m.in. z opóźnieniem transmisji,
jakością głosu, powstającym echem.
W dalszej części artykułu przedstawiono zalety stosowania technologii VoIP i jej
przewagę nad tradycyjną telefonią, a następnie poruszono najwaŜniejsze problemy powstające
przy dostosowywaniu sieci komputerowych do przesyłania głosu w czasie rzeczywistym.
2. Potrzeba integracji usług
Korzyści płynące z integracji sieci telefonicznej z siecią komputerową obejmują przede
wszystkim obniŜenie kosztów połączenia głosowego, które w przypadku połączeń
międzymiastowych czy międzynarodowych mogą urastać do znacznych wartości. Istotną
zaletą jest równieŜ zwiększenie konkurencyjności na rynku operatorów telefonicznych, co
dodatkowo pozwoli na obniŜenie kosztów połączeń. Wreszcie wykorzystanie telefonii
internetowej oferuje o wiele większe moŜliwości rozwoju niŜ tradycyjna telefonia,
pozwalając na łatwe tworzenie mostków konferencyjnych, stereofoniczną transmisję głosu
czy integrację z istniejącymi usługami w Internecie (np. głosowy dostęp do portali
internetowych). Integracja obu sieci z wykorzystaniem bramek dźwiękowych umoŜliwia
ponadto transmisję głosu pomiędzy sieciami telefoniczną i komputerową. Dzięki tej integracji
komputer podłączony do sieci staje się wygodnym narzędziem do komunikacji głosowej, a
połączenia mogą odbywać się niezaleŜnie od tego czy drugi rozmówca korzysta z komputera,
czy osiągalny jest tylko przez zwykły aparat telefoniczny.
Zastosowanie do komunikacji głosowej specjalnych aparatów telefonicznych tzw.
IP Phone, pozwala w rozwiązaniach budowanych od podstaw zrezygnować z okablowania dla
zwykłej sieci telefonicznej; telefon IP Phone dołączony jest bezpośrednio do sieci
komputerowej (rys. 1).
dane do/z
komputera
dane do/z
komputera
dane dźwiękowe
do/z telefonu
IP LAN
Komputer
IP Phone
Rys. 1.
IP Phone jako punkt dostępowy do sieci.
Fig. 1.
IP Phone is an access point to the network
NajwaŜniejszymi zaletami tego typu telefonu są: wygoda uŜytkowania oraz fakt, Ŝe jest
on punktem pośredniczącym w dostępie komputera uŜytkownika do sieci komputerowej.
Organizacja transmisji głosu w sieci IP
101
UŜytkownik korzystający dotychczas ze zwykłego aparatu telefonicznego nie musi zmieniać
swoich przyzwyczajeń, a jednocześnie IP Phone moŜe lepiej, niŜ oprogramowanie
zainstalowane na komputerze, sterować obciąŜeniem sieci, rezerwując potrzebne dla siebie
pasmo w momencie, gdy uŜytkownik prowadzi rozmowę telefoniczną.
Wykorzystanie przedstawionych zalet przesyłania głosu w sieci komputerowej oraz
nowych rozwiązań sprzętowych staje się moŜliwe dopiero wówczas, gdy jakość transmisji
głosu porównywalna będzie do tej otrzymywanej w tradycyjnej sieci telefonicznej. Sam
uŜytkownik, korzystając z telefonu nie powinien być świadom, kiedy jego głos wędruje
poprzez sieć komputerową, kiedy zaś siecią telefoniczną. Wymaga to jednak rozwiązania
kilku istotnych problemów z transmisją głosu w czasie rzeczywistym.
3. Transmisja głosu w sieci IP
W transmisji telefonicznej głos przesyłany jest w postaci analogowej mając do dyspozycji
pasmo o szerokości 3 kHz. Aby moŜliwa była jego transmisja poprzez sieć IP do drugiego
aparatu telefonicznego, musi on pokonać pewną ścieŜkę: konwersja do postaci cyfrowej,
ewentualnie kompresja, pakietyzacja, kolejkowanie (ze względu na zapewnienie
odpowiedniej jakości usług – ang. Quality of Service; QoS), transmisja, buforowanie (ze
względu na zmienność opóźnienia – ang. jitter), depakietyzacja, ewentualnie dekompresja aŜ
wreszcie konwersja do postaci analogowej i transmisja do sieci telefonicznej. Dodatkowo
dźwięk poddawany jest obróbce mającej na celu usunięcie ciszy (ang. Voice Activation
Detection; VAD) oraz wyeliminowanie echa (ang. echo cancellation); zabiegi te pozwalają na
polepszenie jakości połączenia głosowego.
3.1. Konwersja dźwięku do postaci cyfrowej
Konwersja do postaci cyfrowej przebiega zwykle z częstotliwością próbkowania 8 kHz, i
8 bitowym krokiem kwantyzacji. Częstotliwość próbkowania jest dobrana tak, aby dobrze
reprezentować głos ludzki (maksymalna częstotliwość ok. 4 kHz), nie jest natomiast
dostosowana do przesyłania muzyki, gdyŜ to wymagałoby o wiele szerszego pasma. Mimo to
do transmisji głosu wymagane pasmo wynosi 64 kb/s, dlatego często stosuje się kompresję
dźwięku. Organizacja International Telecomunications Union (ITU) zdefiniowała szereg
standardów opisujących kodowanie i kompresję dźwięku (tzw. CODEC). Standardy serii G
wykorzystywane najczęściej przy transmisji głosu w sieci IP wraz z ich najwaŜniejszymi
parametrami zostały zestawione w tabeli 1.
102
J. Cała
Tabela 1
Schematy kodowania opracowane przez ITU
Jakość
[1–5]
G.711 PCM 64 4,1
G.726 ADPCM 32 3,85
G.728 LD-CELP 16 3,61
G.729 CS-ACELP 8 3,92
G.729a CS-ACELP 8 3,7
G.723.1 MLQ 6,3 3,9
G.723.1 ACELP 5,3 3,65
Jak wynika z powyŜszej tabeli najlepsze parametry jakości ma kodowanie serii G.711 –
jest to kodowanie PCM bez kompresji, a jego zaletą jest niewielki narzut czasowy ok.
0,75 ms. Dającym stosunkowo dobrą jakość przy niewielkiej zajętości pasma jest kodowanie
G.729 – ale w tym wypadku narzut czasowy wynikający z kompresji głosu wzrasta do
poziomu ok. 10 ms. Jeszcze większe opóźnienie generowane jest podczas kodowania G.723.1
– ok. 30 ms, duŜą zaletą tego standardu jest natomiast niewielkie wymagane pasmo (6,4 lub
5,3 kb/s) przy dość dobrej jakości głosu.
W sieciach lokalnych opóźnienie generowane przez zastosowane kodowanie nie wpływa
znacząco na jakość połączenia, ze względu na niewielkie opóźnienia samej transmisji w sieci
LAN. Jest to natomiast czynnik bardzo istotny przy przesyłaniu głosu w czasie rzeczywistym
w sieciach rozległych (MAN, WAN), gdzie transmisja danych w sieci wprowadza tak duŜe
opóźnienia, Ŝe zapewnienie dobrej jakości połączenia głosowego wymaga wyeliminowania
moŜliwie największej ilości źródeł opóźnienia.
Standard
Kodowanie
Zajętość pasma
[kb/s]
3.2. Opóźnienie
Jednym z najtrudniejszych aspektów w dostosowaniu sieci IP do przesyłania głosu jest
uzyskanie opóźnienia na stałym niewielkim poziomie. Ze względu na opóźnienie, transmisja
głosu powinna odbywać się z wykorzystaniem jak najmniejszych pakietów, które są buforami
dla przesyłanego dźwięku. Rozmiar pakietów jest jednak często kompromisem pomiędzy
opóźnieniem a narzutem generowanym przez nagłówek pakietu i wynosi zwykle ok. 20 B dla
kodowania z kompresją lub 40 i więcej bajtów dla kodowania bez kompresji. Niekorzystny
wpływ na opóźnienie mają takŜe zatory w sieci, które mogą powodować gubienie pakietów,
opóźnienie w dostarczaniu czy zmianę kolejności ich otrzymywania. W przypadku transmisji
głosu w czasie rzeczywistym efekty takie często powodują spadek jakości połączenia, gdyŜ
Organizacja transmisji głosu w sieci IP
103
retransmisje pakietów, z powodzeniem stosowane przy przesyłaniu danych, nie mają tu
zastosowania.
Opóźnienie niekorzystnie wpływa na jakość połączenia głosowego, aby pozostało ono
niezauwaŜone przez rozmówców nie powinno przekroczyć 100 ms w jednym kierunku.
Osiągnięcie wartości opóźnienia 250 ms powoduje, Ŝe rozmowa zaczyna przypominać
komunikację podobną do komunikacji naprzemiennej (half-duplex), co znacząco obniŜa
jakość połączenia głosowego. Zminimalizowanie opóźnienia jest zatem bardzo istotnym
elementem przy wdraŜaniu technologii transmisji głosu, szczególnie w przypadku sieci IP,
która ma ograniczone moŜliwości sterowania jakością transmisji.
Najistotniejszy wpływ na wielkość opóźnienia mają następujące czynniki:

kodowanie dźwięku,

czas transmisji (szczególnie w sieciach rozległych),

eliminacja zmienności opóźnienia,

serializacja.
Jak wspomniano wyŜej kodowanie dźwięku generuje opóźnienie zaleŜne od
zastosowanego standardu i mieści się w granicach od 0,75 ms dla G.711 do 30 ms dla
G.723.1. Wybór odpowiedniego schematu kodowania zaleŜał więc będzie od parametrów
sieci, w której transmitowany jest głos. Dla sieci o niewielkim opóźnieniu transmisji i małej
przepustowości lepiej stosować kodowanie z kompresją, dla sieci o większym opóźnieniu ale
jednocześnie większej przepustowości kodowanie o niŜszym stopniu kompresji.
Z jakością otrzymywanego z sieci głosu wiąŜe się bezpośrednio równieŜ czas potrzebny
na eliminację zmienności opóźnienia. Polega ona na docieraniu pakietów do odbiorcy w
róŜnych odstępach czasu i jest integralnie związana z transmisją w sieciach pakietowych.
Nierównomierne nadchodzenie pakietów dźwiękowych wpływa niekorzystnie na jakość
głosu, konieczne zatem staje się wyeliminowanie tego efektu. Do usunięcia skutków efektu
jitter stosuje się bufor, z którego w równych odstępach czasu moŜna pobierać dane do dalszej
obróbki. Wielkość tego bufora zaleŜy od jakości sieci stosowanej do transmisji danych. Im
większe zróŜnicowanie w czasach dotarcia kolejnych pakietów tym bufor taki musi być
większy, gdyŜ pakiety dostarczone zbyt późno uznane będą za zagubione. Jednocześnie
zwiększanie bufora powoduje zwiększanie opóźnienia transmisji, co równieŜ jest zjawiskiem
niekorzystnym. Rozmiar bufora ma zatem wartość, która jest kompromisem pomiędzy
całkowitym wyeliminowaniem efektu, a minimalizacją opóźnienia.
3.3.
Gubienie pakietów
Istotnym czynnikiem wpływającym na jakość połączenia głosowego w sieci pakietowej
jest takŜe zjawisko gubienia pakietów. W transmisji strumienia danych w czasie
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
  • zanotowane.pl
  • doc.pisz.pl
  • pdf.pisz.pl
  • adbuxwork.keep.pl
  • Copyright (c) 2009 Życie jednak zamyka czasem rozdziały, czy tego chcemy, czy nie | Powered by Wordpress. Fresh News Theme by WooThemes - Premium Wordpress Themes.