Передача голоса: подходы, проблемы, решения

Алексей Шереметьев, Александр Непомнящий, Алексей Любимов

Традиционные подходы к построению телекоммуникационных сетей для передачи голоса и данных не подразумевают тесной взаимосвязи этих процессов. Управление двумя этими различными системами, естественно, связано со значительными вложениями в оборудование и обслуживающий персонал. В последние годы для решения этой проблемы было предложено несколько основополагающих вариантов реализации единой сетевой инфраструктуры для передачи разнородного трафика.

В 80-е годы территориально-распределенные корпоративные сети строились на основе выделенных каналов E1/T1. Для уплотнения каналов применялись мультиплексоры, ставшие, пожалуй, самыми первыми аппаратными платформами для интеграции голоса и данных в частных и публичных сетях и являющиеся наиболее распространенным способом передачи разнородного трафика по единой сети в настоящее время. В то же время принципы построения телефонных сетей кардинально не менялись. В таких сетях телефонные соединения устанавливаются по предопределенным маршрутам (основным и альтернативным) и страдают множеством ограничений: высокая стоимость поддержки большого количества маршрутных таблиц каждой УАТС (PBX) и их реконфигурации при изменении телефонных потоков, неэффективное использование полосы пропускания, ухудшение качества речи при применении механизмов сжатия в сетях с множеством АТС и др.

В течение последних лет были разработаны устройства, обеспечивающие передачу голоса по сетям, изначально нацеленным на передачу данных, таким, как frame relay (FR) и IP-сети. Движущей силой при этом является стремление сократить расходы на использование арендуемых линий связи и повысить эффективность применения выделенных корпоративных коммуникаций.

Новый импульс развитию телефонных сетей дало появление механизмов, обеспечивающих передачу голоса по АТМ-сетям, которые предусматривают возможность подключения АТС к АТМ-коммутаторам, способным коммутировать как потоки данных, так и голоса.         

Передача голоса по сетям frame relay

Изначально ориентированный на передачу данных, протокол frame relay довольно-таки быстро стал основой для передачи смешанного трафика: данных вычислительных сетей, речевых и факсимильных сообщений, обеспечивая при этом высокое качество и приемлемую стоимость решений. Широкое распространение frame relay объясняется малыми потерями при инкапсуляции (3 - 4%), возможностью выделения гарантированной полосы пропускания (CIR - Committed Information Rate), а также предсказуемостью и минимальными задержками передачи информации. Использование frame relay позволяет строить сети с интеграцией не только на выделенных каналах, но и на базе существующих глобальных сетей. Передача голоса по frame relay строится, как правило, на основе частных протоколов, например Voice Relay компании Motorola.

Для успешной реализации голосового обмена по сетям frame relay необходимо решить проблемы эффективного использования полосы пропускания, задержек и заторов при передаче кадров.

Известно, что для передачи одного голосового канала требуется пропускная способность 64 кбит/с (СТК). Однако это значение может быть снижено с помощью механизмов сжатия голосовой информации и технологии подавления пауз. Алгоритмы, реализованные в специализированных процессорах для обработки цифрового сигнала (Digital Signal Processor - DSP), обеспечивают сжатие цифрового голосового сигнала до уровня 32, 16, 8 кбит/с и менее. Как правило, телефонный разговор состоит из речи всего лишь на 40 - 50%, поэтому если выделять паузы и не передавать молчание по линиям связи, а использовать высвобождающееся время для передачи данных, то можно достичь еще большей экономии пропускной способности.

Для того чтобы обеспечить необходимое качество передачи голоса, нужно, согласно рекомендациям МСЭ-Т, чтобы задержки при передаче речи по международным линиям связи не превышали 150 мс. Это возможно, во-первых, при использовании системы приоритетов, во-вторых, при фрагментации пакетов данных, в-третьих, при снижении числа процедур компрессии/декомпрессии. При этом пакеты, содержащие голосовой сигнал, должны передаваться раньше пакетов с данными, а сетевой трафик из пакетов переменной длины, приводящий к появлению значительных пауз в восстановленной речи и низкому качеству ее звучания, должен разбиваться на небольшие пакеты фиксированной длины, с тем чтобы время передачи каждого пакета составляло от 5 до 10 мс. Допустимое число процедур компрессии/декомпрессии зависит от используемого алгоритма сжатия, длины линий и других факторов. Как будет показано далее, для качественной передачи речи процедуру компрессии/декомпрессии желательно применять в сети только один раз.

Для успешной передачи голоса по frame relay необходимо решить проблему правильной обработки заторов. Как известно, при передаче пакетов данных по этим сетям подтверждений о получении пакетов не посылается, а проверка целостности данных производится только средствами протоколов более высоких уровней. Поскольку надежность передачи пакетов в современных сетях достаточно высока, то такой подход не приводит к существенным потерям, одновременно позволяя значительно снизить накладные расходы на пересылку данных. При передаче голосовых данных потеря пакетов вызывает нарушение воспроизведения голоса на приемной стороне, поэтому следует приложить максимум усилий для решения этой проблемы. Одной из ситуаций, которая может привести к потере пакетов, является затор, возникающий, когда тот или иной коммутатор оказывается не в состоянии пропустить по исходящим от него каналам весь поступающий на него трафик. При возникновении затора коммутатор посылает специальное сообщение всем устройствам доступа, от которых исходит трафик, вызвавший затор. Реакцией на это сообщение должно являться снижение скорости передачи данных в сеть, однако не все устройства доступа обладают такой способностью. Для корректной передачи голоса эффективная обработка заторов является абсолютно необходимой, в противном случае трудно ожидать, что вся пересылаемая голосовая информация дойдет по назначению в случае возникновения затора.

Посмотрим, как вышеперечисленные проблемы решаются компанией Motorola в уже упомянутой технологии Voice Relay.

Когда маршрутизатор MPR 6520/6560 обнаруживает на одном из своих голосовых портов вызов, то, во-первых, он фиксирует длину всех пакетов, передаваемых через вызываемый канал FR, как голосовых, так и пакетов с данными, а во-вторых, для качественной передачи голоса присваивает голосовым пакетам более высокий приоритет при передаче, причем между двумя голосовыми пакетами может быть передано не более двух пакетов с данными.

В оборудовании Motorola применяется механизм под названием smoothing delay (плавная задержка), сущность которого состоит в том, что если источником послана последовательность пакетов VDDVX (где V - голосовой пакет, D - пакет с данными, а стрелка указывает порядок передачи пакетов), то на стороне приемника первый голосовой пакет “придерживается” для устранения задержки и последовательность пакетов выглядит как VVDDX. Motorola “умеет” восстанавливать потерянные пакеты. Как уже отмечалось, frame relay - это протокол, в котором проверка данных на правильность при передаче отсутствует. Проверку осуществляют протоколы верхних уровней. Для голосовых пакетов (с целью уменьшения задержек) проверка не осуществляется, но при получении сбойного пакета или же при потере пакета MPR 6520/6560 интерполирует утерянный пакет в силу аналоговой природы голоса.

Voice Relay имеет в своем составе механизм подавления эха (echo cancellation) и использует паузы в разговоре для передачи данных. По окончании разговора MPR 6520/6560 ждет в течение 30 с, не начнется ли разговор снова, и отменяет фиксацию длины пакета, переходя вновь к переменной длине. Соответственно, отключаются все функции передачи голосовой информации, т. е. передаются только данные.

Несмотря на все перечисленные трудности, технология передачи голоса по сетям frame relay имеет много сторонников и достаточно широко применяется для связи между штаб-квартирой компании и ее филиалами.

Однако сети FR ограничены полосой пропускания T1/E1, что может быть недостаточно при передаче быстро растущего объема голосового трафика и данных.    

IP-телефония

IP становится стандартным протоколом для магистральных сетей корпораций при построении интра- и экстрасетей, а также при подключении предприятий к Интернету. Решения VoIP, т. е. передача голоса поверх IP-протокола, становятся все более и более plug and play, что определяет легкость их установки и обучения пользователей. Однако если вы используете программное решение, то соответствующее обеспечение должно быть установлено на каждом ПК, с которым требуется установить связь; необходимо также обучение каждого пользователя применению VoIP-программы. В качестве более сложного VoIP-решения может быть использован шлюз, устанавливаемый на единственном сервере (персональном компьютере) в центральном офисе и филиалах. Этот сервер может выполнять и другие функции. При использовании шлюза VoIP-функция прозрачна для пользователя, работающего с обычным телефоном и факс-аппаратом.

Рассмотрим механизмы передачи голоса через IP на примере решения на основе шлюзов как более предпочтительного для корпоративного применения. В общем случае шлюз VoIP выполняет шесть основных функций.

1. Функция поиска. Когда исходящий IP-шлюз размещает телефонный вызов через IP-сеть, он принимает номер вызывающего абонента и конвертирует его в IP-адрес шлюза назначения на основе данных таблицы в исходящем шлюзе или централизованном сервере. Просмотр таблицы в исходящем шлюзе часто требует меньше времени, чем просмотр в централизованном сервере: время соединения - 1 - 2 секунды, а не 4 - 5, как во втором случае.

2. Функция связи. Исходящий шлюз устанавливает соединение со шлюзом назначения, обмениваясь информацией о параметрах соединения и совместимости устройств.

3. Функция оцифровки. Аналоговые сигналы телефонной связи, входящие в шлюз, оцифровываются шлюзом и преобразуются обычно в 64 кбит/с ИКМ-сигнал. Эта функция требует от шлюза поддержки разнообразных интерфейсов телефонной связи.

4. Функция демодуляции. Некоторые шлюзы могут принимать только голосовой сигнал или сигнал факса, но не оба вместе, поэтому должны быть заранее определены магистральные каналы к модулям обработки голоса или факса. Более сложные шлюзы могут обрабатывать данные обоих типов, автоматически определяя, является ли цифровой сигнал звуковым или факсимильным, и производя обработку сигнала в соответствии с его типом. Если сигнал факсимильный, то он демодулируется сигнальным процессором (DSP) обратно в цифровой формат 2,4 - 14,4 кбит/с. Этот демодулированный сигнал затем помещается в IP-пакеты для передачи к шлюзу назначения. После этого демодулированная информация перемодулируется обратно в аналоговый факс-сигнал шлюзом назначения для доставки к факс-аппарату.

Передача факса может быть осуществлена с использованием или UDP/IP-, или TCP/IP-форматов. UDP/IP в отличие от TCP/IP не требует исправления ошибок в передаче пакетов. Казалось бы, что формат UDP/IP предпочтительнее, так как поврежденный пакет факса мог бы затронуть только одну линию факса. Однако, если потери пакетов происходят во время обработки страницы negotiation, передача факса может быть закончена. При использовании TCP/IP программное обеспечение хоста скрывает повторную передачу TCP-пакетов с данными факса, не оказывая на документ никакого воздействия.

5. Функция компрессии. После определения того, что сигнал является голосовым, он обычно сжимается сигнальным процессором (DSP) с использованием одного из методов компрессии/декомпрессии (табл. 1) и помещается в IP-пакеты. При этом важно обеспечение хорошего качества речи и малой задержки при оцифровке.

Таблица 1. Методы компрессииречи

Звуковые пакеты передаются как пакеты UDP/IP, а не TCP/IP во избежание довольно-таки больших задержек, возникающих при повторной передаче последних. Если используется режим FEC (непосредственное исправление ошибок), то искаженный или отсутствующий звуковой пакет может быть восстановлен на основе данных предыдущего звукового пакета. Если механизм FEC не применяется, то искаженный пакет просто отвергается и шлюз использует предыдущий пакет. Этот механизм работает незаметно для пользователя в случае низкого процента искажения/потерь пакетов (<5%), в противном случае действует хорошо отработанная техника коррекции звука: “А? Не слышу+ Громче+”.

Данные, оцифровываемые КОДЕКом, не содержат адрес IP-пакета и управляющую информацию, или “заголовок”, которые обычно составляют дополнительные 7 кбит/с, если IP-маршрутизатор отдельно не компрессирует заголовок, в противном случае - 2 - 3 кбит/с.

Сложность обработки определяется мощностью необходимого DSP-процессора, требуемой для обработки голосового сигнала, исключая функции компенсации эха и подавления молчания, и измеряемой в миллионах операций в секунду (MIPS). Более низкая сложность подразумевает меньшие затраты DSP на обработку.

6. Функция декомпрессии/перемодуляции. Шлюз, исполняя шаги 1 - 4, описанные выше, в то же самое время принимает пакеты от других IP-шлюзов и декомпрессирует пакеты, вновь придавая им форму, “понятную” соответствующим устройствам аналоговой телефонной связи, цифровой сети с интеграцией служб или с интерфейсами T1/E1. Он также может осуществлять перемодуляцию цифрового факса обратно к первоначальному виду, а затем - в соответствующий интерфейс телефонной связи.

Кроме того, шлюз может выполнять функции согласования интерфейсов инициатора звонка и принимающего вызов, делая необходимые преобразования.

Описанный выше процесс передачи голоса через VoIP-шлюз отличается от механизма передачи голоса по сетям frame relay, используемого маршрутизаторами голоса/факса и устройствами доступа frame relay, (FRAD). VoIP-шлюз является устройством локальной вычислительной сети, которое способно сократить затраты при передаче речи и факсов по региональной сети связи, причем соединения по сети связи осуществляются маршрутизатором, а не шлюзом. Маршрутизатор голоса/факса или FRAD, однако, являются устройствами региональной сети связи, соединяющими локальную вычислительную сеть с региональной сетью связи, что во многом определяет их функции, повышает сложность их исполнения, а также предъявляет более высокие требования к их отказоустойчивости и управляемости по сравнению со шлюзом.

При передаче голоса через IP-сеть возникает, как и в случае с frame relay, проблема задержки голосовых пакетов, причем в отличие от frame relay возникающие в Интернете непредсказуемые заторы и задержки, кардинально понижающие качество передачи голоса, пользователь никак не может контролировать.

Выгода для пользователя от передачи голоса через Интернет состоит в значительном снижении стоимости междугородных и международных телефонных переговоров, составляющей, по некоторым оценкам, от 20 до 40%.

При этом пользователям не стоит забывать, что технология передачи голоса через IP-сети еще не устоялась. Если у инициатора вызова и его адресата не установлено идентичное ПО голосового обмена через IP, то поговорить им, скорее всего, не удастся.

Для того чтобы программное обеспечение различных производителей было способно к взаимодействию, необходима поддержка стандартов, таких, например, как H.323.

Пользователи надеются, что массовое внедрение Интернета поможет решить проблему пропускной способности и тем самым избежать задержек при передаче голоса. Однако контролировать этот процесс невозможно, поэтому производители работают и над другими проблемами.

Большие надежды возлагаются на протокол резервирования ресурсов (Resource Reservation Protocol - RSVP), благодаря которому оказывается возможным сквозное резервирование пропускной способности Интернета для передачи чувствительного к задержкам трафика. RSVP был разработан для передачи мультимедийного трафика по IP-сетям, однако он может быть использован и для передачи голоса. Согласно этому протоколу маршрутизаторы обмениваются сигналами, запрашивая свободный путь по сети. Главный недостаток такого подхода заключается в том, что запросов может быть столько, что маршрутизаторы окажутся не в состоянии все их обслужить.         

Передача голоса по сетям АТМ

ATM имеет все предпосылки к тому, чтобы стать единой магистралью для разнотипного трафика. Эта технология позволяет гибко использовать пропускную способность сети. Одним приложениям может быть дан более высокий приоритет по сравнению с другими. С помощью ATM имеющаяся пропускная способность может динамически распределяться между различными приложениями, причем пользователи даже не будут знать, каким образом они обмениваются телефонными звонками или как данные добираются из одного места в другое.

Почему многие предпочитают ATM, а не IP? Одна из причин этого - очень малая задержка (порядка 20 мс) при передаче голоса по этим сетям. При передаче же голоса по IP задержка возрастает до 300 мс, в результате чего голос на выходе звучит иначе, чем в случае обычной телефонной связи.

С 1997 г. ATM Forum ратифицировал шесть новых спецификаций, призванных обеспечить совместимость продуктов различных производителей и упростить переход конечных пользователей к ATM. Среди них - Multiprotocol over ATM (MPOA), LAN Emulation (LANE) 2.0, инверсное мультиплексирование для ATM, динамическое использование пропускной способности, интерфейс “пользователь - сеть” на базе кадров FUNI 2.0.

Одной из наиболее ожидаемых была спецификация “Голос и телефония по ATM до настольных систем” (Voice and Telephone over ATM - VTOA - to the Desktop Specification), описывающая коммутируемые голосовые службы по сети ATM для обычных телефонов. Аналогично тому, как MPOA и LANE задействуют имеющиеся протоколы и услуги, VTOA поддерживает передачу традиционного голосового трафика с помощью протоколов ATM.

VTOA открывает доступ к частным и общедоступным сетевым голосовым услугам и имеет функции поддержки широкополосных терминалов. Эти терминалы могут быть подключены к любому телефону в сети, использующему импульсно-кодовую модуляцию G.711 для кодирования голосовых каналов на 64 кбит/с. G.711 принят институтом ITU-T и является в настоящее время наиболее распространенной голосовой службой для настольных систем.

Для поддержки таких функций, как предупреждение и сообщение о продвижении вызова, VTOA to the Desktop Specification предусматривает использование интерфейса “пользователь - сеть” версии 4.0 (User-Network Interface - UNI), определяющего связь между конечными пользователями или конечной станцией и локальным коммутатором, либо интерфейса “сеть - сеть” (Private Network-to-Network Interface - PNNI) 1.0, определяющего взаимодействие между двумя коммутаторами.

Способы передачи голоса по АТМ можно разбить на две группы: с использованием службы CBR (передача одного или нескольких каналов 64 кбит/с, потоков Е1 и Е3) и службы VBR.

В случае предъявления высоких требований к эффективности использования полосы пропускания голосовой трафик лучше передавать с применением службы переменной скорости передачи битов (Variable Bit Rate - VBR).

Там же, где эффективность использования полосы пропускания не является доминирующим фактором, применение CBR-службы будет более дешевым и простым решением.

Механизмы адаптации - ATM Adaptation Layer, AAL (табл. 2) - обеспечивают передачу различного типа трафика, в том числе голоса между PBX. Так, уровень AAL0 поддерживает нестандартные алгоритмы адаптации голоса, уровень AAL1 - передачу голоса в режиме CBR (выделяется полоса пропускания соответствующей ширины). Ячейки AAL1 форматов SDT и UDT дают возможность передавать по сети информацию о синхронизации (time stamp), частично заполненные ячейки данных для уменьшения задержек, а также значение счетчика ячеек для обнаружения потерь ячеек. Работа на уровне AAL5 - наиболее дешевый способ доведения голоса по ATM до рабочего места с использованием режима CBR. Однако он не подходит для сетей, использующих AAL1.     

Таблица 2. Механизмы адаптации АТМ

В общем случае механизм адаптации AAL принимает пакеты от протоколов верхнего уровня, разбивает их на 48-байтовые сегменты и формирует поле полезной нагрузки ячеек АТМ.         

Компрессия голоса и подавление пауз

Стремление к более эффективному использованию полосы пропускания стимулирует развитие механизмов сжатия речи. Стандартный ИКМ-сигнал (РСМ) для передачи речи требует, как уже отмечалось, выделения полосы пропускания 64 кбит/с (рекомендация МСЭ-Т G.711), что является явно избыточным.

Один из старейших алгоритмов сжатия речи - ADPCM (Adaptive Differential Pulse Code Modulation; стандарт G.726 был принят в 1984 г.). Этот алгоритм дает практически такое же качество воспроизведения речи, как и ИКМ, однако для передачи информации при его использовании требуется полоса всего в 16 - 32 кбит/с. Метод основан на том, что в аналоговом сигнале, передающем речь, невозможны резкие скачки интенсивности. Поэтому если кодировать не саму амплитуду сигнала, а ее изменение по сравнению с предыдущим значением, то можно обойтись меньшим числом разрядов. В ADPCM изменение уровня сигнала кодируется четырехразрядным числом, при этом частота измерения амплитуды сигнала сохраняется неизменной.

Все методы кодирования, основанные на определенных предположениях о форме сигнала, не подходят при передаче сигнала с резкими скачками амплитуды. Именно такой вид имеет сигнал, генерируемый модемами или факсимильными аппаратами, поэтому аппаратура, поддерживающая сжатие, должна автоматически распознавать сигналы факс-аппаратов и модемов и обрабатывать их иначе, чем голосовой трафик.

Многие методы кодирования берут свое начало от метода LPC (Linear Predicative Coding). В качестве входного сигнала в LPC используется последовательность цифровых значений амплитуды, но алгоритм кодирования применяется не к отдельным цифровым значениям, а к определенным их блокам. Для каждого такого блока значений вычисляются его характерные параметры: частота, амплитуда и ряд других. Именно эти значения и передаются по сети. При таком подходе к кодированию речи, во-первых, возрастают требования к вычислительным мощностям специализированных процессоров, используемых для обработки сигнала, а во-вторых, увеличивается задержка при передаче, поскольку кодирование применяется не к отдельным значениям, а к некоторому их набору, который перед началом преобразования следует накопить в определенном буфере. Важно, что задержка в передаче речи связана не только с необходимостью обработки цифрового сигнала (эту задержку можно уменьшать, увеличивая мощность процессора), но и непосредственно с характером метода сжатия. Этот метод позволяет достигать очень больших степеней сжатия, которым соответствует полоса пропускания 2,4 или 4,8 кбит/с, однако качество звука здесь сильно страдает. Поэтому в коммерческих приложениях он не используется, а применяется в основном для ведения служебных переговоров.

Более сложные методы сжатия речи основаны на применении LPC в сочетании с элементами кодирования формы сигнала. В этих алгоритмах используется кодирование с обратной связью, когда при передаче сигнала осуществляется оптимизация кода. Закодировав сигнал, процессор пытается восстановить его форму и сличает результат с исходным сигналом, после чего начинает варьировать параметры кодировки, добиваясь наилучшего совпадения. Достигнув такого совпадения, аппаратура передает полученный код по линиям связи; на противоположном конце происходит восстановление звукового сигнала. Ясно, что для использования такого метода требуются еще более серьезные вычислительные мощности.

Одной из самых распространенных разновидностей описанного метода кодирования является метод LD-CELP (Low-Delay Code-Excited Linear Prediction). Он позволяет достичь удовлетворительного качества воспроизведения при пропускной способности 16 кбит/с. Этот метод был стандартизован Международным союзом электросвязи (International Telecommunications Union - ITU) в 1992 г. как алгоритм кодирования речи G.728. Алгоритм применяется к последовательности цифр, получаемых в результате аналого-цифрового преобразования голосового сигнала с 16-разрядным разрешением.

Пять последовательных цифровых значений кодируются одним 10-битовым блоком - это и дает те самые 16 кбит/с. Для применения этого метода требуются большие вычислительные мощности; в частности, для прямолинейной реализации G.728 необходим процессор с быстродействием 44 MIPS.

В марте 1995 г. ITU принял новый стандарт - G.723, который предполагается использовать при сжатии речи для организации видеоконференций по телефонным сетям. Этот стандарт представляет собой часть более общего стандарта H.324, описывающего подход к организации таких видеоконференций. Цель - организация видеоконференций с использованием обычных модемов. Основой G.723 является метод сжатия речи MP-MLQ (Multipulse Maximum Likelihood Quantization). Он позволяет добиться весьма существенного сжатия речи при сохранении достаточно высокого качества звучания.

В основе метода лежит описанная выше процедура оптимизации; с помощью различных усовершенствований можно сжимать речь до уровня 4,8; 6,4; 7,2 и 8,0 кбит/с. Структура алгоритма позволяет на основе программного обеспечения изменять степень сжатия голоса в ходе передачи. Вносимая кодированием задержка не превышает 20 мс.

Повышая эффективность использования полосы пропускания, механизмы сжатия речи в то же время могут привести к ухудшению ее качества и увеличению задержек. Некоторые основные алгоритмы сжатия речи и создаваемые при этом задержки приведены в табл. 1.

Количественными характеристиками ухудшения качества речи являются единицы QDU (Quantization Distortion Units): 1 QDU соответствует ухудшению качества при оцифровке с использованием стандартной процедуры ИКМ; значения QDU для основных методов компрессии приведены в табл. 3. Дополнительная обработка речи ведет к дальнейшей потере качества. Согласно рекомендациям МСЭ-Т, для международных вызовов величина QDU не должна превышать 14, причем передача разговора по международным магистральным каналам ухудшает качество речи, как правило, на 4 QDU.    

Таблица 3. Ухудшение качества речи при использовании

различных алгоритмов сжатия

Следовательно, при передаче разговора по национальным сетям должно теряться не более 5 QDU. Поэтому для качественной передачи речи процедуру компрессии/декомпрессии желательно применять в сети только один раз. В некоторых странах это является обязательным требованием регулирующих органов по отношению к корпоративным сетям, подключенным к сетям общего пользования.

Подавление пауз (silence suppression) - важная функция АТМ-коммутаторов. Суть технологии подавления пауз заключается в определении различия между моментами активной речи и молчания в период соединения. В результате применения этой технологии генерация ячеек происходит только в моменты активного разговора. Поскольку в процессе типичного разговора по телефону тишина составляет до 60% времени, происходит двукратная оптимизация по количеству данных, которые должны быть переданы по линии. Объединение технологии сжатия речи и подавления пауз речи в коммутаторах приводит к уменьшению потока данных в канале до восьми раз.         

Технологии Newbridge

Модернизированные устройства серии MainStreet, например MainStreet 3600+, позволяют определять различные классы обслуживания для голосового трафика. Они поддерживают алгоритмы HCV (High Capacity Voice) 8,16 кбит/с, LD-CELP (16 кбит/с) и A-CELP (8 кбит/с), основанные на стандартах ITU. Поддерживаются разнообразные голосовые интерфейсы: E&M (Type I, II, III, IV, V), LS/GS Subscriber (FXS), LS/GS Exchange (FXO), T1 D4 and ESF (Extended Superframe) formats, E1 CAS and CCS, R2D (E&M), MRD Channel Unit.

Помимо этого в соответствии с недавно опубликованной спецификацией Frame Relay Forum FRF.11 Implementation Agreement в них реализована технология Voice over Frame Relay (VoFR). Этот метод позволяет осуществлять компрессию голосового трафика и разбиение его на пакеты для передачи в режиме переменной скорости (VBR).

По словам представителей Newbridge, эти продукты позволят телекоммуникационным компаниям предоставлять самые современные услуги телефонной связи и одновременно снизить расходы на эксплуатацию сетей. Если пользователь считает необходимым изменить драйверы прикладных программ, конфигурация сети может быть легко изменена путем загрузки соответствующего программного обеспечения таким образом, чтобы предоставлять услуги другого класса. Комплексные решения Newbridge дают возможность осуществлять централизованное управление всей сетью из любой ее точки.

Технология VoFR, разработанная Newbridge Networks совместно с ее дочерней компанией Castleton Network Systems, позволяет снизить стоимость эксплуатации сетей благодаря уменьшению средней полосы пропускания и использованию полосы, выделенной для сети frame relay, для одновременной передачи голоса и данных. Данный метод обеспечивает более эффективное распределение полосы пропускания в узкополосных периферийных сетях, где объемы голосового трафика и данных сильно варьируются, а эффективность использования имеющейся полосы играет решающую роль. Помимо этого пакеты VoFR могут легко передаваться по АТМ-магистралям как обычный трафик frame relay. Общая стратегия компании Newbridge предусматривает использование в своих устройствах технологии AssuredVoice - передачи голоса по сетям FR, ATM и IP компании Castleton.

В продукции Newbridge Networks также реализованы усовершенствованные механизмы для обеспечения качества обслуживания (QoS), определенные Frame Relay Forum, на транспортном уровне frame relay. Эти механизмы предоставляют приоритет трафику, чувствительному ко времени задержки (например, голосовому). Они контролируют время задержки пакетов и управляют передачей голосового трафика в условиях перегрузок сети, что гарантирует качество звука, передаваемого по сетям frame relay.

В этом году компания представила мультиплексор 3608 MainStreet Packet Access Mux, обеспечивающий экономное выделение полосы пропускания по требованию для приложений, обеспечивающих голосовую связь в сетях frame relay. Этот мультиплексор позволяет объединить качественную телефонную связь с передачей факсов и данных из удаленного офиса по одному соединению frame relay. В данном устройстве также реализована технология сжатия голоса A-CELP.         

Оборудование Cisco Systems

Cisco Systems провозгласила пятиэтапную стратегию открытых систем и технологий, призванную помочь пользователям интегрировать данные, голос и видео “от и до”: от более мелких узлов доступа до крупных магистральных узлов. В этой стратегии используется ПО Cisco IOS, обеспечивающее передачу голоса по IP, frame relay и ATM через мультисервисную сетевую среду.

Третья фаза стратегии интеграции данных, голоса и видео делает основной упор на шлюзы между различными средами в условиях сосуществования разнообразных служб и технологий. Сюда входят шлюзы от сетевых протоколов к протоколам телефонных станций, а затем к протоколам телефонных сетей общего пользования и ISDN, шлюзы от средств низкоскоростного доступа к средствам широкополосной магистральной коммутации и шлюзы от среды коммутации цепей к среде коммутации пакетов (IP, FR) и ячеек (ATM).

Реализуя стратегию интеграции данных и голоса, Cisco объединила возможности обработки голоса в ПО Cisco IOS и предложила звуковые модули для ряда устройств, предназначенных для построения сетей связи.

Некоторые устройства, например новый многофункциональный концентратор доступа Cisco MC3810, используют режим переменной скорости передачи данных в реальном масштабе времени (VBR-rt) АТМ или сеть frame relay для передачи сжатого голоса. Благодаря применению статистических методов мультиплексирования и алгоритмов компрессии повышается эффективность использования ширины полосы пропускания. Аналогичными возможностями, но в мире IP-сетей обладают маршрутизаторы Cisco серий 3600 и 2600.

Другие продукты типа модулей эмуляции соединений (Circuit Emulation) для маршрутизатора Cisco 7200, АТМ-коммутатора LightStream 1010 и коммутатора для кампусных сетей Catalyst 5500 используют для передачи голоса по АТМ-сетям постоянную скорость передачи данных (CBR). Этот подход обеспечивает возможность взаимодействия в сетях АТМ-оборудования от различных поставщиков и позволяет применять системы, не поддерживающие протоколы УАТС, для передачи телефонного трафика по единой сетевой инфраструктуре предприятия.

Многофункциональный концентратор доступа Cisco МС3810, представленный компанией Cisco Systems, объединяет передачу данных по локальным сетям, синхронную передачу данных, видео, речевых и факсимильных сообщений для транспортировки через общедоступные или частные сети frame relay, ATM или сети с временным разделением каналов (TDM).

Устройство MC3810 программно поддерживает АТМ и frame relay. Голос, факс и данные транспортируются через ATM с использованием AAL5 (VBR).

К устройству Cisco MC3810 можно подсоединить любую телефонную станцию (PBX) или телефон. Оно обеспечивает сжатие речевых сообщений до 8 кбит/с при применении ACELP - стандартного алгоритма G.729 CS. Устройства используют технологию подавления пауз Voice Activity Detection (VAD) для сокращения речевого трафика во время пауз с целью снижения стоимости функционирования канала при повременной оплате.

Семейство многофункциональных модульных маршрутизаторов серий Cisco 3600 и 2600 предназначено для объединения удаленных небольших офисов в составе корпоративных систем, а также для подключения таких офисов к глобальным сетям общего пользования.

Модульная архитектура маршрутизаторов предоставляет возможность их адаптации к реальным условиям сетей заказчиков. Интерфейсные модули для доступа к глобальным сетям (WAN-модули), предназначенные для семейств Cisco 1600, 2600 и 3600, поддерживают большое количество последовательных интерфейсов, интерфейс ISDN BRI, а также набор канальных интерфейсов CSU/DSU для основных и резервных каналов связи. Голосовой модуль для маршрутизаторов серий Cisco 3600 и 2600 позволяет осуществлять интегрированную передачу голоса, факсимильных сообщений и данных, имеет интерфейс с существующими телефонными аппаратами, факс-машинами, офисными PBX (FXO, FXS, E&M). Качество передаваемого голоса обеспечивается за счет применения механизма компрессии и технологий QoS (Quality of Service) Cisco IOS, таких, как RSVP и механизм взвешенного сокращения очередей WFQ (Weighted Fair Queuing). Каждый голосовой модуль поддерживает два или четыре голосовых канала, а также стандарт H.323 и несколько протоколов компрессии, включая G.711 и G.729.

Для построения многосервисных глобальных сетей используются коммутаторы серии Cisco IGX 8400 с интерфейсами для транспортировки данных АТМ, frame relay, синхронных и асинхронных систем передачи данных, Интернета, а также видеосигнала и речевого трафика.

Коммутатор IGX использует для передачи ячеек АТМ внутреннюю шину с пропускной способностью 1,2 Гбит/с для связи интерфейсных и магистральных модулей в составе системы и обеспечивает передачу голосовых сообщений с реализацией интерфейсов Е1, Т1 и Y1, функций определения активности голосового канала, подавление пауз и коммутации звонков, а также механизмов компрессии речи ADPCM-32К, 24К и 16К, LD-CELP-16К.

Применение технологии Voice Network Switching (VNS) предоставляет коммутируемые виртуальные каналы (SVC) для передачи голоса и данных по мультисервисной сети (IGX, BPX). Для пользователей учрежденческих телефонных станций (PBX), использующих сигнальные протоколы Digital Private Network Signaling System (DPNSS), QSIG или Q931A (Japanese ISDN), появляется возможность поддерживать между собой голосовую связь по требованию, так же как если бы они (пользователи) звонили на PSTN. При одновременном применении VNS с установленным в IGX модулем Universal Voice Module Model C (UVM-C), выполняющим преобразование CAS-to-QSIG, VNS также коммутирует звонки от PBX, используя Channel Associated Signaling (CAS). Поддерживаемые сигнальные протоколы являются вариантами Integrated Services Digital Network (ISDN). VNS обеспечивает прямое соединение PBX, устраняя необходимость тандемных соединений. Другими словами, использование VNS в сети позволяет уменьшить количество транков E1, требуемых для взаимного объединения PBX, и предоставляет замену тандемным PBX.

Для очень больших предприятий или операторов телефонных служб, а также служб передачи данных, предоставляющих услуги передачи голоса по IP, магистральный АТМ-коммутатор BPX поддерживает технологию коммутации меток (Tag Switching), объединяющую интеллектуальные возможности маршрутизации уровня 3 со скоростью коммутации уровня 2.

Материал подготовлен специалистами Plus Communications, с ними можно связаться по телефону: (095) 238-3711.