Передача речи по IP сетям |
87 |
|
|
Алгоритм кодирования АДИКМ (рекомендация ITU T G.726, при нятая в 1990 г.) описан выше. Он обеспечивает кодирование циф рового потока G.711 со скоростью 40, 32, 24 или 16 Кбит/с, гаран тируя оценки MOS на уровне 4.3 (32 Кбит/с), что часто принимается за эталон уровня качества телефонной связи (toll quality). В прило жениях IP телефонии этот кодек практически не используется, так как он не обеспечивает достаточной устойчивости к потерям инфор мации (см. выше).
Кодек G.728 использует оригинальную технологию с малой за держкой LD CELP (low delay code excited linear prediction) и гаранти рует оценки MOS, аналогичные АДИКМ G.726 при скорости переда чи 16 Кбит/с. Данный кодек специально разрабатывался как более совершенная замена АДИКМ для оборудования уплотнения телефон ных каналов, при этом было необходимо обеспечить очень малую величину задержки (менее 5 мс), чтобы исключить необходимость применения эхокомпенсаторов. Это требование было успешно вы полнено учеными Bell Labs в 1992 году: кодер имеет длительность кадра только 0.625 мс. Реально задержка может достигать 2.5 мс, так как декодер должен поддерживать синхронизацию в рамках струк туры из четырех кадров.
Недостатком алгоритма является высокая сложность – около 20 MIPS для кодера и 13 MIPS для декодера – и относительно высо кая чувствительность к потерям кадров.
Кодек G.729 очень популярен в приложениях передачи речи по се тям FrameRelay. Он использует технологию CS ACELP (Conjugate Struc ture, Algebraic Code Excited Linear Prediction). Кодек использует кадр длительностью 10 мс и обеспечивает скорость передачи 8 Кбит/с. Для кодера необходим предварительный анализ сигнала продолжитель ностью 5 мс.
Существуют два варианта кодека:
•G.729 (одобрен ITU T в декабре 1996), требующий около 20 MIPS для кодера и 3 MIPS для декодера.
•Упрощенный вариант G.729A (одобрен ITU T в ноябре 1995), тре бующий около 10.5 MIPS для реализации кодера и около 2 MIPS для декодера.
Вспецификациях G.729 определены алгоритмы VAD, CNG и DTX. В периоды молчания кодер передает 15 битовые кадры с информа цией о фоновом шуме, если только шумовая обстановка изменяется.
88 |
Глава 3 |
|
|
3.4 Кодеки, стандартизованные ETSI
В рамках деятельности европейского института ETSI стандарти зованы узкополосные кодеки для применения в системах мобильной связи (GSM).
Спецификации кодека GSM Full Rate, известного также как GSM 06.10, утверждены в 1987г. Это первый и, скорее всего, наибо лее известный из узкополосных кодеков, применяемый в миллионах мобильных телефонов по всему миру. Обеспечивает хорошее каче ство и устойчивую работу в условиях фонового шума (оценка MOS порядка 3.7 в условиях без шума). Кодируются кадры длительностью 20 мс, образуя цифровой поток со скоростью 13 Кбит/c. Кодек не тре бует высокой производительности процессора – необходимо толь ко 4.5 MIPS для дуплексной реализации. Кодек очень важен для не коммерческих проектов в области IP телефонии, особенно – для про ектов, связанных с открытым распространением исходных текстов ПО (open source), благодаря возможности бесплатного лицензиро вания. Такие проекты сегодня могут использовать только кодеки GSM FR и G.711, а также АДИКМ.
Существуют также спецификации кодеков GSM Half Rate, приня тые в 1994 году, и GSM Enhanced Full Rate, принятые в 1995 году. Ха рактеристики этих кодеков превосходят характеристики исходного варианта, описанного выше, однако алгоритмы требуют большей производительности процессора (до 30 MIPS). В приложениях IP те лефонии они, по разным причинам, распространения пока не полу чили.
Рассмотрение кодеков было бы неполным, если бы, наряду со специфицированными ITU T и ETSI, не были упомянуты и т.н. нестан дартные кодеки.
Сегодня в приложениях VoIP кроме кодеков, прошедших проце дуры международной стандартизации в ITU T и ETSI, в продуктах ряда фирм–производителей применяются также нестандартные внутри фирменные алгоритмы. Такие алгоритмы часто лицензируются для использования в продуктах других компаний. В качестве примеров можно назвать такие кодеки, как Lucent/Elemedia SX7003P имеющий очень хорошие характеристики при умеренной вычислительной слож ности, и Voxware RT24, который предусматривает сверхнизкую (2.4 Кбит/с) скорость передачи информации при сохранении доста точно хорошего качества речи (оценка MOS около 3.2).
Строго говоря, сигналы многочастотного набора номера (DTMF) – это не что иное, как просто звуковые сигналы, передаваемые по те
Передача речи по IP сетям |
89 |
|
|
лефонному каналу. При передаче их по цифровой телефонной сети не возникает никаких проблем, так как кодирование при помощи алгоритма G.711 не накладывает никаких ограничений на вид зву ковых сигналов – это может быть речь, сигналы модема, или тональ ные сигналы – все они будут успешно воспроизведены на прини мающей стороне.
Узкополосные кодеки, чтобы достичь низких скоростей переда чи, используют тот факт, что сигнал, который они кодируют, представ ляет именно речь. Сигналы DTMF при прохождении через такие ко деки искажаются и не могут быть успешно распознаны приемником на приемной стороне.
Когда пользователю ТфОП нужно ввести какую то дополнитель ную информацию в удаленную систему при уже установленном со единении (например, номер дебитной карты или номер пункта меню автоинформатора), необходимо обеспечить возможность надежной передачи DTMF сигналов через сеть IP телефонии. В случаях, когда система, взаимодействующая с пользователем, просто задает во прос и ждет ввода, длительность и момент передачи сигнала не важ ны. В других случаях система зачитывает пользователю список и про сит его нажать, например, кнопку «#», как только он услышит нужную информацию; здесь ситуация более сложная, и необходима более точная привязка ко времени.
Существуют два основных метода передачи сигналов DTMF по сетям IP телефонии.
•Обязательный метод. Специальное сообщение протокола H.245 (UserInputIndication) может содержать символы цифр и «*», «#».
Вданном случае используется надежное TCP соединение, так что информация не может быть потеряна. Однако из за особенностей TCP могут иметь место значительные задержки;
•Нестандартный метод, предложенный Форумом VoIP. Он может быть применен в терминалах H.323v2 при использовании проце дуры fastStart и отсутствии канала H.245. Для передачи сигналов DTMF открывается специальная RTP сессия, в которой переда ются кодированные значения принятых цифр, а также данные об амплитуде и длительности сигналов. Может быть использована та же сессия, что и для речи, но со специальным типом полезной нагрузки. Использование RTP позволяет привязать DTMF сигна лы к реальному времени, что является важным преимуществом данного метода.
Впринципе, первый метод может быть более предпочтительным, однако в случае международных вызовов и при использовании уда ленных систем, требующих жесткой привязки ввода пользователя ко времени, может оказаться необходимым применить второй метод.
90 |
Глава 3 |
|
|
Шлюзы IP телефонии должны обязательно подавлять искаженные сигналы DTMF прошедшие через основной речевой канал. В против ном случае, при восстановлении сигналов, о которых была принята информация, могут возникнуть неприятные эффекты наложения
иразмножения сигналов.
Встановлении IP телефонии, наряду с телефоном, значительную роль сыграл телефакс. Идею нынешнего телефакса (от греческого «теле» – далеко и латинского «facsimale» – делай подобное) предло жил англичанин Александр Байн в 1843 году, то есть за 33 года до появления телефона. В такой же последовательности (начиная с фак сов) стали практически использоваться преимущества IP телефонии с ее весьма низкими тарифами для передачи информации на даль ние расстояния. Значительный экономический эффект от такого при менения обусловлен чрезвычайно высокой распространенностью факс машин; в мире их насчитывается много миллионов.
Говоря о распространенности факс машин, отметим, что имеют ся в виду аппараты группы 3, специфицированные в рекомендации ITU T T.30. Именно появление этой технологии и открыло дорогу ши рокому внедрению услуг факсимильной связи. Оказалось, что функ ции, реализованные в факсах группы 3, вполне устраивают пользо вателей, а стандарт практически не требует развития. Об этом сви детельствует тот факт, что более современная технология, т.н. факс группы 4, не получила никакого распространения и практически за быта. На наш взгляд, неуспех этой технологии можно объяснить тем, что, во первых, все ее потенциальные преимущества (передача цвет ных изображений, высокая скорость обмена и т.д.) проще и дешевле реализуются на базе компьютерных технологий (обмен файлами по электронной почте, например), а во вторых, сеть ISDN, на которую были ориентированы факсы группы 4, не получила глобального рас пространения.
Что же касается необходимости обеспечить возможность обмена факсимильными сообщениями факс машин группы 3, то, в силу ог ромного количества последних, без такой функции не имеет смысла даже рассуждать о предоставлении услуг ТфОП на базе IP сетей. Пересылка факсов через Интернет не является чем то новым. Очень многие компании предлагают услуги факс серверов отложенной дос тавки (Store & Forward). Пользователь отправляет факс на специаль ный сервер по заранее установленному телефонному номеру, вводя вслед за этим телефонный номер пункта назначения. Сервер, ими тирующий работу факса принимающей стороны, принимает сообще ние, преобразует его в набор графических файлов и отправляет дан
Передача речи по IP сетям |
91 |
|
|
ные файлы через Интернет к другому серверу, который находится ближе к месту назначения, например, в другой стране. Сервер по лучатель организует связь с пунктом назначения по полученному им телефонному номеру и передает факсимильное сообщение адреса ту, уведомляя отправителя об успешной (или неуспешной) переда че. Технология Store & Forward Fax описана в рекомендации Т.37.
Использование такого принципа пересылки факсов не очень удоб но с точки зрения как пользователя, так и оператора сети IP телефо нии. Для пользователя в данном случае теряется одно из важнейших преимуществ факсимильной технологии – возможность сразу же уз нать результат пересылки: доставлен ли документ, и с каким качест вом он доставлен. Оператора же технология Store&Forward вынуж дает принимать на себя дополнительную ответственность за успеш ную доставку сообщения, в то время как оно может оказаться не дос тавленным не по вине оператора, а просто потому, что адресат за был включить свою факс машину.
Единственным полноценным решением этих проблем является организация передачи факсов по IP сетям в реальном времени и так, чтобы пользователи двух факсимильных аппаратов не подозревали о том, что связь между их терминалами осуществляется с использо ванием сети с коммутацией пакетов. К счастью, спецификации про токола передачи факсимильной информации группы 3 позволяют реализовать такое решение. Результатом усилий ITU T в данном на правлении стала рекомендация T.38, определяющая процедуры взаи модействия факсимильных терминалов группы 3 в реальном време ни с использованием IP сетей. Эта рекомендация позволяет обмен факсимильной информацией между факсами с использованием шлюзов, между факсом и компьютером, подключенными к Интернет, или даже между компьютерами, хотя последнее не кажется полез ным свойством – просто при установлении соединения мы можем не догадываться, что имеем дело с компьютером, а не с факсом.
Принцип передачи факсов в реальном времени очевиден: на ближ нем конце сигналы факса демодулируются и упаковываются в паке ты двоичных данных, а на удаленном конце происходит их восста новление в вид, пригодный для передачи по каналам ТфОП. Кроме собственно информационных пакетов, содержащих управляющие последовательности и графические данные, передается также ин формация обо всех прочих событиях, связанных с передачей факса, т.е. о тональных сигналах и служебных последовательностях, необ ходимых для настройки приемников модемных сигналов. Такой под ход, по понятным причинам, не требует для передачи факса значи тельной полосы пропускания. Однако нужно отдавать себе отчет в том, что факсимильные сессии более требовательны к качеству об служивания, чем речевые, в связи с особенностями протокола пере дачи факсимильной информации. Действительно, потеря 100 мс ре