Лекция 11. Передача речи в сетях пакетной коммутации

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.

Переход от аналоговых к цифровым технологиям стал важным шагом для возникновения современных цифровых телекоммуникационных сетей. Одним из таких шагов в развитии цифровой телефонии стал переход к пакетной коммутации.

Процедура пакетизации и анализ активности абонента во время накопления речевых пакетов (РП) тесно взаимосвязаны и должны рассматриваться и реализовываться совместно. 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 формирова- ния 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:

– 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.

Алгоритм обмена речевой информацией через сеть КП включает в себя следующие основные этапы:

1) формирование и передача пакетов «вызов»;

2) приём пакета «вызов» из сети, формирование акустического сигнала для вызываемого абонента и передача пакета «подтверждение», приёма «вызова» или пакета «занято»;

3) приём пакета «подтверждение» из сети, формирование сигнала «контроль посылки вызова» для слухового восприятия вызывающим абонентом и передача пакетов «готовность к обмену». В случае приёма пакета «занято», формирование для вызывающего абонента сигнала «отбой», возвращение терминала речи в исходное состояние;

4) приём из сети пакета «готовность к обмену», формирование и передача ответного пакета «готовность к обмену», включение речепреобразующего устройства (РПУ) вызываемого абонента;

5) приём из сети ответного пакета «готовность к обмену», включение РПУ вызывающего абонента;

6) передача и приём РП, пакетов управления межконцевым обменом;

7) формирование и передача пакета «конец обмена», возвращение терминала речи в исходное состояние (на стороне абонента, закончившего обмен первым);

8) приём от сети пакета «конец обмена», формирование абоненту сигнала «отбой», возвращение терминала речи в исходное состояние (на стороне, получающей отбой).

При установленном соединении абонентов аналоговый речевой сигнал поступает на речепреобразующее устройство РПУ, где известными методами преобразовывается в цифровую последовательность. С выхода РПУ цифровой сигнал поступает на вход пакетизатора речи, где осуществляется анализ активности абонента и формирование РП, несущего информацию о соответствующем сегменте речи. После этого РП совместно с другими РП и пакетами данных передаётся по сети с КП в соответствии с принятыми на сети протоколами.

Достигнув центра, к которому подключён абонент-адресат, РП выводиться из сети в депакетизатор, где и происходит выделение информационного блока РП. С выхода депакетизатора РП поступает в сглаживающий буфер, где вводиться необходимая задержка воспроиз- ведение речевой информации, и речевой сигнал воспроизводиться в аналоговой форме, обеспечивая непрерывное звучание. Работа в обратном направлении происходит аналогично.

Перспективным способом организации телефонных разговоров по сетям передачи данных является IP-телефония – одно из приложений IP-технологии. Она представляется наиболее экономически выгодной, так как при ее реализации пользователям предлагаются услуги телефонной связи при значительном сокращении их расходов на телефонные разговоры.

В сетях на основе IP все данные – голос, текст, видео, компьютерные программы или информация в любой другой форме 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, указываемом в заголовке. 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.

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.

Основная литература: 1[58 – 72], 3[339 –345]

Дополнительная литература: 6 [215 – 233]

Контрольные вопросы:

1. В чем заключается принцип передачи речи в сетях с коммутацией пакетов?

2. Какие алгоритмы пакетизации, основанные на совмещении функций обнаружения и пакетизации речи знаете?

3. Что такое IP-телефония?

4. На базе каких протоколов организуется технология IP-телефонии?

5. Какие этапы включает в себя алгоритм обмена речевой информацией через сеть КП?