Телефония в сетях передачи данных

1. Что такое ip-телефония?

Ip-телефония - это технология, которая позволяет использовать любую сеть с пакетной коммутацией на базе протокола IP в качестве средства организации и ведения медународных, междугородных и местных телефонных разговоров и передачи факсов в режиме реального времени.

Подключить услугу IP-телефонии

2. Преимущества ip-телефонии

Преимущества IP-телефонии для конечного пользователя:

• Более низкие цены на услуги телефонной связи;
• Одновременная поддержка голоса и данных - клиент получает дополнительные преимущества от экономии в развитии, возможные за счет использования единой сети, а также дополнительные сервисы в рамках одной сети;
• Новый набор устройств доступа, от традиционных телефонов и факсов до компьютеров;
• Доступ к новым услугам (голосовая почта, конференцсвязь, передача факса и др.) через открытый интерфейс архитектуры на базе IP;
• Возможность автоматической настройки набора услуг;
• Простота оплаты услуг IP-телефонии.

Преимущества IP-телефонии для провайдеров:

• Сбережение капитальных вложений за счет использования открытых компьютерных платформ;
• Снижение эксплуатационных расходов как результат предоставления разнообразия услуг единой сети;
• Множество услуг может быть доступно через единственный канал с пользователем,  что означает больше услуг (прибыли) в расчете на одного пользователя.

Возможности  IP-телефонии для крупных операторов:

• Создание резервных каналов для передачи трафика на случай перегрузок или аварий;
• Универсальные магистральные IP-сети, которые в будущем существенно дополнят  традиционные телефонные сети услугами передачи данных, видео и мультимедиа;
• Уплотнение выделенных магистральных каналов с помощью технологии VoIP.

Хотя для построения качественной универсальной IP-сети требуются инвестиции, сравнимые с построением  традиционной телефонной сети, для крупных операторов IP-телефония сегодня v это способ более эффективно использовать существующий сетевой ресурс и возможность предоставления своим клиентам современного спектра дополнительных услуг (голосовая почта, конференсвязь, поиск номеров, контроль за расчетами и другое), которые не реализуемы в традиционной телефонной сети, и за счет которых оператор может получить дополнительную прибыль.

3. Транспортные технологии, используемые при  пакетной передачи речи

Основные технологии пакетной передачи речи - Frame Relay, ATM, и маршрутизация пакетов IP . Они различаются  различаются эффективностью использования каналов связи, степенью охвата разных участков сети, надёжностью, управляемостью, защитой информации и доступа, а также стоимостью.

Транспортная сеть ATM уже несколько лет успешно используется в магистральных сетях общего пользования и в корпоративных сетях, а сейчас её начинают активно использовать и для высокоскоростного доступа по каналам xDSL (для небольших офисов) и SDH/SONET (для крупных предприятий). Главные преимущества этой технологии v её зрелость, надёжность и наличие развитых средств эксплуатационного управления сетью. В ней имеются непревзойденные по своей эффективности механизмы управления качеством обслуживания и контроля использования сетевых ресурсов. Однако ограниченная распостраненность и высокая стоимость оборудования не позволяют считать ATM лучшим выбором для организации сквозных телефонных соединений от одного конечного узла до другого.

Пользователями недорогих услуг Frame Relay, обеспечивающих вполне предсказуемую производительность, стали многие корпоративные сети, и большинство их них вполне довольны своим выбором. В краткосрочной перспективе технология передачи речи по Frame Relay будет вполне эффективна для организации мультисервисного доступа и каналов дальней связи.

Технология передачи речевой информации по сетям с маршрутизацией пакетов IP привлекает, в первую очередь, своей универсальностью v речь может быть преобразована в поток IP-пакетов в любой точке сетевой инфраструктуры: на магистрали сети оператора, на границе территориально распределенной сети, в корпоративной сети и даже непосредственно в терминале конечного пользователя. В конце концов, она станет наиболее широко распостраненной технологией пакетной телефонии, поскольку способна охватить все сегменты рынка, будучи при этом хорошо адаптируемой к новым условиям применения. Несмотря на универсальность протокола IP, внедрение систем IP-телефонии сдерживается тем, что многие операторы считают их недостаточно надёжными, плохо управляемыми и не очень эффективными. Но грамотно спроектированная сетевая инфраструктура с эффективными механизмами обеспечения качества обслуживания, делает эти недостатки в малосущественные. В расчете на порт стоимость систем IP-телефонии находится на уровне (или немного ниже) стоимости систем Frame Relay, и заведомо ниже стоимости оборудования ATM. При этом уже сейчас можно наблюдать заметное снижение цен на продукты IP-телефонии по сравнению с продукцией на базе других технологий, а также обострение конкуренции на этом рынке.

4. Существующие кодеки G.7xx.x

Рассмотрим основные кодеки, используемые в устройствах  IP-телефонии.

Кодеки, стандартизованные ITU-T:

Кодек G.711.

Рекомендация G.711 описывает кодек, использующий преобразование аналогового сигнала с точностью 8 бит, тактовой частотой 8 кГц и простейшей компрессией амплитуды сигнала. Скорость потока данных на выходе преобразователя составляет 64 Кбит/c (8 бит x 8 кГц). Для снижения шума квантования и улучшения преобразования сигналов с небольшой амплитудой при кодировании используется нелинейное квантование по уровню согласно специальному псевдо-логарифмическому закону.
Типичная оценка MOS составляет 4.2. Обычно любое устройство VoIP поддерживает этот тип кодирования.

Кодек G.723.1

Своим появлением данные кодеки обязаны  системам мобильной связи. Данный алгоритм преобразования позволяет снизить скорость кодированной информации до 5,3 - 6,3 Кбит/с без заметного ухудшения качества речи. Кодек имеет две скорости и два варианта кодирования: 6,3 кбит/c с алгоритмом MP-MLQ (Multi-Pulse - Multi Level Quantization - множественная импульсная, многоуровневая  квантизация)  и 5,3 кбит/c с алгоритмом CELP(Code-Excited Linear Prediction - кодирование с линейным предсказанием). Первый вариант предназначен для сетей с пакетной передачей голоса и обеспечивает лучшее качество кодирования по сравнению с вариантом CELP, но менее адаптирован к использованию в сетях со смешанным типом трафика (голос/данные).
Оценка MOS составляет 3.9 для MP-MLQ, и 3.7 для CELP.

Кодек имеет функцию VAD(Voice Activity Detector - детектор речевой активности), и обеспечивает генерацию комфортного шума на удаленном конце в период молчания.

Кодек G.726

Рекомендация G.726 основана на алгоритме кодирования ADPCM - адаптивная дифференциальная ИКМ. Этот алгоритм даёт практически такое же качество воспроизведения речи, как и ИКМ, однако для передачи информации при его использовании требуется полоса всего 16-32 кбит/c. Кодек предназначен для использования в системах видеоконференций, в приложениях IP-телефонии этот кодек практически не используется. Оценка по MOS составляет 4.3.

Кодек G.728

Кодек G.728 использует оригинальную технологию с малой задержкой LD-CELP (low delay code excited linear prediction) и гарантирует оценки MOS, аналогичные G.726 при скорости передачи 16 Кбит/c. Предназначен для использования, в основном, в системах видеоконференций. В устройствах IP-телефонии данный кодек применяется достаточно редко.

Кодек G.729

Используется технология CS-ACELP(Conjugate Structure v Algebraic Code Excited Linear Prediction). Содержит VAD и генератор комфортного шума. Скорость кодированного речевого сигнала составляет 8 кбит/c. В устройствах VoIP, VoFR данный кодек занимает лидирующее положение, обеспечивая наилучшее качество кодирования речевой информации при достаточно высокой компрессии

Кодеки, стандартизованные ETSI для применения в системах мобильной связи(GSM):

Кодек GSM Full Rate (GSM 06.10), утвержден в 1987 году. Это первый, и, скорее всего, наиболее известный из узкополосных кодеков, применяемых в мобильных телефонах по всему миру. Обеспечивает хорошее качество и устойчивую работу в условиях фонового шума (оценка MOS 3.7 в условиях без шума). Скорость образованного цифрового потока составляет 13 Кбит/c. Кодек очень важен для некоммерческих проектов в области IP-телефонии, особенно v для проектов, связанных с открытым распостранением исходных текстов ПО (open source), благодаря возможности бесплатного лицензирования.

5. Оценка качества голоса

Качество голоса в IP-телефонии оценивается по пятибальной шкале единицами субъективной оценки MOS (Mean Opinion Score). Оценки 3,5 баллов и выше соответствуют стандартному и высокому телефонному качеству, 3,0-3,5 - приемлемому, 2,5-3,0 - синтезированному звуку. Для передачи речи с хорошим качеством целесообразно ориентироваться на MOS не ниже 3,5 баллов. Значения MOS для различных кодеков приведены в таблице ниже.

6. Технологию ip-телефонии можно успешно использовать в сетях с низкой пропускной способностью, например, в каналах ТЧ

Каналы ТЧ характеризуются большой протяжённостью и низкой пропускной способностью. Средняя скорость передачи данных в таком канале - 19200 бит/c, а его протяжённость может достигать 100 км.

До недавнего времени такие каналы использовались для организации одного голосового канала, либо для передачи данных. Появление технологии IP-телефонии позволяет использовать данные каналы более эффективно.

Так, использование кодеков компрессии голоса позволяет "уложить" в пропускную способность канала ТЧ (19200-33600бит/c) 2-4 голосовых канала с сохранением возможности передачи данных.
Возможность же установки асинхронного модемного соединения на таком канале позволяет организовать на нём  канальный протокол  Frame Relay, и передавать голосовой трафик, используя технологию VoFR (Voice over Frame Relay).

Для практической организации такого решения требуется пара модемов для каналов ТЧ, работающих в асинхронном режиме (для возможности поднятия FrameRelay на этом канале), маршрутизаторы, поддерживающие протокол Frame Relay и технологию VoFR.

Общая схема выглядит так: