Атс. Атс Шпоры 4 курс 2 семестр. 2 Основные понятия ipтелефонии и технологии пакетной коммутации. Принцип статистического мультиплексирования. Понятие мультисервисной сети
 Скачать 1.25 Mb.
|
|
2.6 Под IP-телефонией понимают технологию по организации телефонной связи на сетях с пакетной коммутацией, применяющих протокол IP. Такими сетями могут быть локальная и глобальная сети и их комбинации. В литературе можно также часто встретить термины VoIP (Voice Over IP — «Голос поверх протокола IP») и интернет-телефония. Эти понятия близки к IP-телефонии, однако считается, что термин IP-телефония является общим по сравнению с другими. Сеть IP-телефонии строится на основе IP-сети, к которой получают доступ терминалы с пакетной коммутацией (IP-телефоны, софт-фоны) и подключаются классические сети телефонной связи — TDM-сети. Терминалы с пакетной коммутацией либо включаются в IP-сеть непосредственно, либо — через локальные вычислительные сети. На рис. показан пример построения сети IP-телефонии, в котором IP-сеть построена на маршрутизаторах. Сеть IP-телефонии образована на трех станциях и в нее входят: 4 сети LAN типа Ethernet, две TDM-сети, отдельные IP-телефоны. У пользователей сети LAN находятся IP-телефоны и софтфоны (softphones). IP-телефон имеет обязательные устройства, присущие любому телефонному аппарату: разговорные и вызывное устройства, номеронабиратель. Софтфон представляет собой мультимедийный компьютер, имеющий разговорные устройства: микрофон и громкоговоритель, микротелефонную гарнитуру, а также программные средства для установления соединений и разъединения и для дополнительных функций. IP-телефон и софтфон имеют внешний интерфейс сети Ethernet. В TDM-сети находится АТС с коммутацией каналов, в которую включены телефонные аппараты, аналоговые или цифровые. Между АТС TDM-сети и IP-сетью установлен шлюз, выполняющий основные функции по переходу с TDM-сети на IP-сеть и наоборот. В сети IP-телефонии обычно бывает контроллер, выполняющий следующие основные функции: установление соединений и разъединение, регистрация пользователей сети, управление шлюзами и другие. В качестве контроллера может выступать: прокси-сервер, привратник (gatekeeper), а на крупных сетях — Softswitch.  В сети IP-телефонии возможны соединения между любой парой терминалов. При этом соединения устанавливаются через IP-сеть, за исключением соединений между пользователями одной локальной сети. В последнем случае соединение замыкается внутри локальной сети. Важной особенностью сети IP-телефонии является разделение процессов установления соединения и разъединения от процессов передачи речевых пакетов. Как и в традиционной телефонии с коммутацией каналов, в IP-телефонии можно выделить три этапа: установление соединения, передача речи и разъединение. При установлении соединения и при разъединении используется один из принятых для IP-телефонии протоколов сигнализации. На примере соединения IP-телефонов станций А и В (см. рис. 4.12) рассмотрим указанные этапы (рис. 4.13).    , что инициатором соединения является IP-телефон A (IP-TA А). Сообщение с вызовом от этого телефона через IP-сеть передается контроллеру. В этом же сообщении содержится транспор   тный адрес IP-TA А и адрес вызываемого IP-телефона В (IP-TA В), например, цифры номера. Эта цифры номера контроллер переводит в транспортный адрес IP-TA В. Транспортный адрес представляет собой совокупность IP-адреса и номера порта приложения, через которое посылаются речевые пакеты. Используя транспортный адрес IP-TA В, контроллер обменивается сигнальной информацией с IP-TA В. В этой информации содержится транспортный адрес IP-TA А. Если телефон свободен, пользователю IP-TA В передается вызов и когда он ответит на него, сигнал ответа поступит в контроллер. Контроллер пересылает сигнал ответа в IP-TA А вместе с транспортным адресом IP-TA В. Теперь абоненты разговаривают и речевые пакеты передаются через IP-сеть, минуя контроллер. В зависимости от направления передачи в каждом речевом пакете посылается транспортный адрес IP-TA А или IP-TA В. По окончании разговора производится разъединение, в течение которого сигнальной информацией обмениваются IP-телефоны и контроллер.Возможен вариант установления соединения между IP-телефонами без участия контроллера. Для этого каждый IP-телефон должен знать транспортный адрес другого IP-телефона. При установлении соединения и при разъединении IP-телефоны обмениваются сигнальными сообщениями. В рассмотренной схеме IP-телефоны являются многофункциональными устройствами, осуществляющими прием и передачу речи и обмен сигнальными сообщениями. При приеме и передачи речи осуществляется: преобразование звуковых колебаний в электрические и наоборот, кодирование речи, инкапсуляция и выделение элементов речи из пакетов. IP-сеть может быть использована для соединения абонентов TDM-сетей. Пример такого соединения показан на рис. 4.14. Предположим, что абонент с телефонным аппаратом А (ТА-А) станции А вызывает абонента с ТА-В станции Б. Вначале вызов от ТА-А поступает на шлюз 1, который взаимодействует по одной из систем сигнализации TDM-сети с АТС1. В то же время шлюз взаимодействует с контроллером по принятой для IP-сети системе сигнализации. Шлюз 1 получает номер вызываемого абонента В и транслирует его контроллеру, который переводит этот номер в транспортный адрес шлюза 2. Шлюз 1 также сообщает контроллеру свой транспортный адрес. Теперь контроллер обменивается сигнальной информацией со шлюзом 2, которому передаются транспортный адрес шлюза 1 и номер абонента В. Шлюз 2 передает вызов на АТС2 станции Б и обменивается с ней сигналами, принятыми на TDM-сети. Эта АТС получает от шлюза 2 номер абонента В и устанавливает соединение с ТА-В. После ответа абонента В начинается разговор между абонентами. Каждый шлюз производит кодирование речи, инкапсуляцию и выделение элементов речи из пакетов. Речевые пакеты пересылаются через IP-сеть, минуя контроллер, с использованием транспортных адресов шлюзов 1 и 2. По окончании разговора производится разъединение, в процессе которого сигнальной информацией обмениваются АТС и шлюзы, шлюзы и контроллер: Через IP-сеть могут устанавливаться соединения между абонентскими устройствами пакетной сети и TDM-сети. На рис. 4.15 приведен пример соединения между IP-телефоном станции В и телефонным аппаратом, включенным в АТС2. Как и прежде, соединение устанавливается через контроллер. При вызове от IP-ТА А адресная информация должна содержать адрес шлюза 2 и цифры номера ТА-В. При установлении соединения в обратном направлении абонент с ТА-В набирает цифры номера, принятого для IP-TA А Этот номер поступает в контроллер, где преобразовывается в транспортный адрес IP-TAA. 2.8 Рассмотрим основные вопросы, связанные с преобразованием речи. В IP-телефонии находят применение следующие устройства преобразования речи: кодеры формы речевой волны, вокодеры и гибридные кодеры. Такие устройства различаются скоростью передачи цифрового потока, качеством передачи речи, задержкой речи в процессе преобразования и требованием к производительности процессоров, обрабатывающих речевые сигналы. Кодеры формы речевой волны имеют широкое применение в системах с коммутацией каналов. Прежде всего — это импульсно-кодо-вая модуляция (ИКМ или PCM — Pulse Code Modulation), соответствующая рекомендации МСЭ-Т G.711. В этом методе предусмотрено цифровое сжатие, что позволяет амплитуду каждой выборки речевого сигнала преобразовать в 8-битовое слово (при линейном кодировании потребовалось бы 12-битовое слово). Скорость передачи равна 64 кбит/с. Другой метод кодирования — адаптивная дифференциальная ИКМ (АДИКМ или ADPCM — Adaptive Differential Pulse Code Modulation), рекомендация МСЭ-Т G.721 для скорости передачи 32 кбит/с. В этом методе кодируется не сама амплитуда сигнала, а ее изменение по сравнению с предыдущей выборкой. Обработка сигнала происходит с применением предсказания и адаптивного квантования. В обоих методах преобразования, ИКМ и АДИКМ, задержка речи при преобразовании минимальна и составляет 125 мкс. Оба метода обеспечивают высокое качество передачи речи и характеризуются относительно невысокими требованиями к процессорам обработки сигналов. Вокодеры используют кодеры речи, основанные на параметрическом компандировании (сжатии). В вокодерах осуществляется линейное предсказание речи (LPC), являющееся эффективным методом анализа речи. Этот метод позволяет определить основные параметры речевых сигналов: основной тон, форманты, частотный спектр. При кодировании выявляются периодические процессы в речевом сигнале, определяются их параметры, а затем устраняют из речевого сигнала избыточность, исключая найденные периодичности. В итоге получается остаточный речевой сигнал, который после аппроксимации передается вместе с параметрами периодических процессов речи на выход кодера. В декодере по принятому остаточному сигналу и по параметрам периодических процессов речи восстанавливают речевой сигнал, выполняя синтез речи. Вокодеры предъявляют высокие требования к процессорам обработки сигналов и вносят заметные задержки преобразования. Увеличение задержки объясняется тем, что кодирование применяется не к отдельным значениям речевого сигнала, а к некоторому их набору, который перед преобразованием следует накопить. При применении вокодеров скорость передачи находится в пределах 1,2—4,8 кбит/с. Вокодеры обеспечивают относительно высокую разборчивость речи, однако теряется натуральность звучания. Гибридные кодеры используют еще более сложную схему кодирования, в которой сочетаются линейное предсказание и элементы кодирования формы речевой волны. В этом случае используется алгоритм с обратной связью. Закодировав речевой сигнал, процессор пытается восстановить его форму и для этого сравнивает результат кодирования с исходным сигналом. При этом процессор меняет параметры кодирования, добиваясь наилучшего совпадения. Добившись этого, соответствующее кодовое слово передается на выход кодека. В пункте приема речевых пакетов элементы речи восстанавливаются в декодере. В гибридных кодерах наибольшее применение нашли методы кодирования LD-CELP, MP-MLQ и ACELP, а также CS-ACELP. Метод LD-CELP (Low-Delay Code Excited Linear Prediction—линейное предсказание с кодовым возбуждением и низкой задержкой) обеспечивает кодирование со скоростью передачи 16 кбит/с и соответствует рекомендации МСЭ-Т G.728. Этот метод позволяет получить удовлетворительное качество передачи речи с относительно невысокой задержкой преобразования. Методы MP-MLQ (Multi-pulse Multy Level Quantization — множественная импульсная многоуровневая квантизация) и ACELP (Algebraic Code Excited Linear Prediction — алгебраическое линейное предсказание с кодовым возбуждением) позволяют добиться значительного сжатия речи, однако при преобразовании появляется большая задержка речи. Несмотря на низкую скорость передачи 5,3 или 6,3 кбит/с обеспечивается хорошее качество передачи речи. Эти методы кодирования соответствуют рекомендации МСЭ-Т G.723.1. Кодирование CS-ACELP (Conjugate Structure — Algebraic Code Exited Linear Prediction — сопряженная структура с управляемым алгебраическим кодом и линейным предсказанием) приводит к относительно небольшой задержке со скоростью передачи 8 кбит/с. Алгоритм кодирования описан в рекомендации МСЭ-Т G.729. Этот метод кодирования в первую очередь предназначен для технологий пакетной передачи Frame Relay и ATM (Asynchronous Transfer Mode — асинхронный режим передачи). В табл. 4.2 приведены основные характеристики кодеков, которые получили название по наименованию рекомендации МСЭ-Т. К одному из параметров относится производительность цифрового сигнального процессора (DSP), реализующего соответствующий алгоритм кодирования в вокодерах и в гибридных кодерах (производительность оценивается в миллионах команд в секунду). Наиболее высокие требования к DSP предъявляет кодек G.728, однако он обеспечивает и небольшую задержку преобразования. По сравнению с другими кодек G.711 практически не вносит задержки при преобразовании речевых сигналов. Таблица 4.2 |