Лекция 3. Алгоритмы пакетизации и передача речи по сети с коммутацией пакетов. Кодеки

Цель лекции: ознакомление с алгоритмами пакетизации, передачи речи по сети с коммутацией пакетов и с кодеками.

Важным фактором для развития сетей явилась разработка пакетного принципа передачи данных. Данными называются цифровые сигналы организованные таким образом, чтобы обеспечить удобство их хранения, обработки и передачи по каналам связи. Передача данных – это перенос данных в виде двоичных сигналов из одного пункта в другой средствами электросвязи, как правило, для последующей обработки средствами вычислительной техники.

IP (Internet Protocol) применяется на всех участках сети, хорошо приспособлен как для низкоскоростных каналов доступа, так и для высокоскоростных линий IP; играет роль интегратора доступа, обеспечивая единый универсальный интерфейс для приложений, транспортных протоколов и операционных систем. IP-технология объединяет все виды трафика на единой платформе. IP-телефония представляется экономически выгодной, так как использует перспективные технологии сжатия.

В сетях на основе IP все данные – голос, текст, видео, компьютерные программы передаются в виде пакетов. Любой компьютер и терминал такой сети имеет свой уникальный IP адрес, и передаваемые пакеты маршрутизируются к получателю в соответствии с этим адресом. Данные могут передаваться одновременно между многими пользователями и процессами по одной и той же линии. При возникновении проблем IP-сети могут изменять маршрут для обхода неисправных участков. При этом протокол IP не требует выделенного канала для сигнализации [5, 6].

Процесс передачи голоса по IP-сети состоит из нескольких этапов.

На первом этапе осуществляется оцифровка голоса. Затем оцифрованные данные анализируются и обрабатываются с целью уменьшения физического объема данных, передаваемых получателю. Как правило, на этом этапе происходит подавление ненужных пауз и фонового шума, а также компрессирование. На следующем этапе полученная последовательность данных разбивается на пакеты и к ней добавляется протокольная информация-адрес получателя, порядковый номер пакета, и дополнительные данные для коррекции ошибок. При этом происходит временное накопление необходимого количества данных для образования пакета до его непосредственной отправки в сеть.

Извлечение переданной информации из полученных пакетов также состоит из нескольких этапов. Когда голосовые пакеты приходят на терминал получателя, то сначала проверяется их порядковая последовательность. IP-сети не гарантируют время доставки, и пакеты со старшими порядковыми номерами могут прийти раньше, более того, интервал времени получения также может колебаться. Для восстановления исходной последовательности и синхронизации происходит временное накопление пакетов. Однако некоторые пакеты могут быть потеряны при доставке, либо задержка их при доставке превышает допустимый уровень. В обычных условиях приемный терминал запрашивает повторную передачу ошибочных или потерянных данных. Но передача голоса слишком критична к задержкам, поэтому в этом случае либо включается алгоритм аппроксимации, позволяющий на основе полученных пакетов приблизительно восстановить потерянные, либо эти потери просто игнорируются, а пропуски заполняются данными случайным образом.

Полученная таким образом последовательность данных декомпрессируется и преобразуется непосредственно в аудио-сигнал, несущий голосовую информацию получателю. Таким образом, с большей степенью вероятности, полученная информация не соответствует исходной. Однако в некоторых пределах избыточность голосовой информации позволяет мириться с такими потерями.

Речь представляет собой поток чередующихся интервалов активности и пауз. Аналоговый по своей природе, речевой сигнал может передаваться цифровым способом после дискретизации, квантования и кодирования, например, методом импульсно – кодовой модуляции.

«Классические» телефонные сети основаны на технологии коммутации каналов, которая для каждого телефонного разговора требует выделенного физического соединения. Один телефонный разговор представляет собой одно физическое соединение телефонных каналов. В этом случае аналоговый сигнал шириной 3,1 кГц передается на АТС, где он мультиплексируется по технологии временного разделения с сигналами, которые поступают от других абонентов, подключенных к этой АТС. Далее сигнал передается по сети межстанционных каналов. Достигнув АТС назначения, сигнал демультиплексируется и доходит до адресата. Недостатком телефонных сетей с коммутацией каналов является неэффективное использование полосы канала - во время пауз в речи канал не несет никакой полезной нагрузки.

В сетях с коммутацией пакетов сообщение разбивается на части стандартной длины (пакеты), снабжаемые служебной информацией (символы начала и конца управления, адреса, контрольные символы для обнаружения или исправления ошибок) и передаваемые по сети как единое целое. Каждый пакет может передаваться независимо от других пакетов (дейтаграммный режим), что существенно снижает задержку, которая относительно равномерно распределяется между всеми активными абонентами; или же с учетом других переданных пакетов (режим виртуальных каналов).

Процедура пакетизации и анализ активности абонента во время накопления речевых пакетов (РП) тесно взаимосвязаны. Формирование РП включает в себя целый комплекс вопросов: выбор длины (или диапазона длин) РП, выбор формата РП, распределение содержания и структуры служебной части РП и др. В частности, при задании служебной части РП может потребоваться введение такой информации как: признаки начала и конца информационного блока; временная отметка, соответствующая моменту окончательного формирования информационного блока или интервалов времени между двумя смежными информационными блоками; метки первого, очередного и последнего информационного блоков в РП; тип речевого пакета управления (РПУ) текущая скорость формирования цифровой последовательности на выходе РПУ; управления для межконцевого взаимодействия, например, с целью управления режимом работы РПУ и т.д.

Известны четыре алгоритма пакетизации, основанные на совмещении функций обнаружения и пакетизации речи [5]:

- синхронный алгоритм. Пакеты формируются с постоянным периодом и имеют фиксированную длину. Если число «речевых» отсчетов на интервале пакетизации достигает заданного порога, то такой РП передаётся. В противном случае он сбрасывается. Порог принятия решений принимается равным 50% «речевых» отсчётов от общего числа отсчётов пакета;

- асинхронный алгоритм. Аналогичен синхронному алгоритму, однако пакетизатор речи после окончания формирования очередного РП начинает формировать следующий пакет не сразу, а лишь с момента появления речевого отсчёта;

- синхронный алгоритм со сжатием данных. По аналогии с первым алгоритмом РП, содержащий достаточное число «речевых» отсчётов передаётся, но в РП записываются только «речевые» отсчёты, а отсчёты «молчания» сбрасываются. Для восстановления речи на приёмной стороне пакетизатор речи вводит в пакет служебную информацию о расположении сброшенных отсчётов. В этом случае длина РП является переменной величиной;

- асинхронный алгоритм с изменяемым периодом пакетизации. По аналогии с алгоритмом 2 пакет начинает формироваться с появлением «речевого» отсчёта, но так же, как в случае третьего алгоритма, в пакет записываются только «речевые» отсчёты, а отсчёты «молчания» сбрасываются. Отличие данного алгоритма от других состоит в том, что делается попытка сформировать пакет из «речевых» отсчётов.

Формирование пакета заканчивается в момент его полного заполнения «речевыми» отсчётами, либо по истечении времени, отведённого на формирование информационного блока РП.