Улучшение качества услуг, передаваемых в сетях с коммутацией пакетов

Шлюз IP-телефонии обеспечивает сжатие информации (голоса), конвертирование ее в IP-пакеты и направление в IP-сеть. С противоположной стороны шлюз осуществляет обратные действия: расшифровку и расформирование пакетов вызовов. В результате обычные телефонные аппараты без проблем принимают эти вызовы. Большая часть функций IР-шлюза в рамках архитектуры TCP/IP реализуется в процессах прикладного уровня. В Казахстане в основном в IP-телефонии используются IP-шлюзы Н.323 фирмы Cisco следующей емкости:

Cisco 3620 c одним модулем NM-HDV-2E1-60E, в зависимости от выбранного типа сложности кодеков - от 30 до 60 голосовых портов;

Cisco 3640 с тремя модулями NM-HDV-2E1-60E, в зависимости от выбранного типа кодеков - от 90 до 180 голосовых портов;

Cisco 3660 содержит на шасси встроенный порт Ethernet и благодаря этому имеет возможность установить шесть модулей NM-HDV-2E1-60E, что в зависимости от выбранного типа кодеков, позволяет получить от 180 до 360 голосовых портов.

А также используется продукт компании 3Com Corp. - PathBuilder S200 Voice Access Switch - представляющий собой маршрутизатор, коммутатор доступа и шлюз в едином исполнении. Допускает подключение до 28 речевых каналов. Поддерживает аналоговые телефонные интерфейсы FXS, FXO, E&M и цифровые Е и PRI-ISDN. Важным достоинством является возможность передачи речи через сети Frame Relay. Поддерживает стандарт Н.323 и, соответственно, алгоритмы кодирования голоса G.711, G.723.1 и G.729а. При этом достигается компрессия голоса до 5,3кбит/с. Положение шлюзов в сети показано на рисунке 1.11, а обработка сигнала - на рисунке 1.12.

Рисунок 1.11 - Положение шлюза в сети с коммутацией пакетов

Рисунок 1.12 - Схема обработки сигналов в шлюзе

Наличие разноплановых функций с вычислительной точки зрения функций, выполняемых системой, порождает проблему ее программной и аппаратной реализации. Рациональное решение этой проблемы основано на использовании распределенной системы, в которой управленческие задачи и связь с сетью осуществляется с помощью универсального процессора, а решения задач сигнальной обработки и телефонного интерфейса выполняются на цифровом процессоре обработки сигналов.

Телефонный сигнал с двухпроводной абонентской линии поступает на дифференциальную систему, которая разделяет приемную и передающую части канала. Далее сигнал передачи вместе с «просочившейся» частью сигнала приема подается на аналогово-цифровой преобразователь (ADC) и превращается либо в стандартный двенадцати разрядный сигнал, либо в восьмиразрядный сигнал, закодированный по м- или А-закону. В последнем случае обработка должна также включать соответствующий экспандер. В устройстве эхокомпенсации (Echo canceller) из сигнала передачи удаляются остатки принимаемого сигнала. Эхокомпенсатор представляет собой адаптивный нерекурсивный фильтр, длина памяти (порядок) которого и механизм адаптации выбираются таким образом, чтобы удовлетворить требованиям МСЭ-Т G.165. Для обнаружения и определения сигналов внутриполосной многочастотной телефонной сигнализации (MF сигналов), сигналов частотного (DTMF) или импульсного наборов используются детекторы соответствующих типов. Дальнейшая обработка входного сигнала происходит в речевом кодере (Speech Coder). В анализаторе кодера сигнал сегментируется на отдельные фрагменты определенной длительности (в зависимости от метода кодировании) и каждому входному блоку присваивается информационный кадр соответствующей длины.

Часть параметров, вычисленная в анализаторе кодера, используется в блоке определения голосовой активности (VAD - Voice Activity Detector), который решает, является ли текущий анализируемый фрагмент сигнала речью или паузой. При наличии паузы информационный кадр может не передаваться в службу виртуального канала. На сеансовый уровень передается лишь каждый пятый «паузный» информационный кадр. Кроме того, при отсутствии речи для кодировки текущих спектральных параметров используется более короткий информационный кадр. На приемной стороне из виртуального канала в логический поступает либо информационный кадр, либо флаг наличия паузы. На паузных кадрах вместо речевого синтезатора включается генератор комфортного шума (Noise Generator), который восстанавливает спектральный состав паузного сигнала. Параметры генератора обновляются при получении паузного информационного кадра. Наличие информационного кадра включает речевой декодер, на выходе которого формируется речевой сигнал. Для эхокомпенсатора этот сигнал является сигналом дальнего абонента, фильтрация которого дает составляющую электрического эха в передаваемом сигнале. В зависимости от типа цифро-аналогового преобразования (DAC) сигнал может быть подвергнут дополнительной кодировке по А- или м-закону.

Можно выделить следующие основные проблемы цифровой обработки сигналов в шлюзе.

При использовании двухпроводной абонентской линии актуальной остается задача эхокомпенсации, особенность которой состоит в том, что компенсировать необходимо два различных класса сигналов - речи и телефонной сигнализации. Очень важной является задача обнаружения и детектирования телефонной сигнализации. Ее сложность состоит в том, что служебные сигналы могут перемешиваться с сигналами речи.

С построением кодеков тесно связана задача синтеза VAD. Основная трудность состоит в правильном детектировании пауз речи на фоне достаточно интенсивного акустического шума (шум офиса, улицы, автомобиля и т.д.).

Gatekeeper (контроллер зоны) выполняет функции управления вызовами, а также:

преобразовывает адреса-псевдонимы в транспортные адреса;

контролирует доступ в сеть на основании авторизации вызовов, наличия необходимой для связи полосы частот и других критериев, определяемых производителем;

контролирует полосу частот;

управляет зонами.

Сервер управления конференциями (MCU) обеспечивает связь трех и более Н.323-терминалов. Сервер управляет ресурсами конференции, согласовывает возможности терминалов по обработке звука и видео, определяет аудио- и видеопотоки, которые необходимо направлять по многим адресам.

Также для обеспечения качественной передачи речевых сигналов в IP-телефонии необходима их следующая обработка:

а) устранение всех нежелательных компонентов из входного аудиосигнала. После оцифровки речи необходимо удалить эхо из динамика в микрофон, комнатное эхо и непрерывный фоновый шум (например, шум от вентиляторов), а также отфильтровать шумы переменного тока на низких частотах звукового спектра.

Эффективное эхоподавление и уменьшение шумов абсолютно необходимо в любой конфигурации с «открытым микрофоном» и с громкоговорителем на базе персонального компьютера (ПК) для традиционной и IP-телефонии. Эти функции все в большей мере реализуются аудиокомпонентами ПК, так что сама система IP-телефонии может их и не иметь. Шлюзам IP-телефонии требуется выполнять меньший объем предварительной обработки, нежели конечным решениям, потому что УАТС и телефонная сеть обеспечивают фильтрацию и уменьшение шумов;

б) подавление пауз в речи; распознавание остаточного фонового шума (внешних шумов) и кодирование для восстановления на дальнем конце; то же самое для опознаваемых сигналов. Паузы лучше всего полностью подавлять на ближнем конце. Для сохранения окружающих звуков необходимо смоделировать фоновые шумы, чтобы система на дальнем конце могла восстановить их для слушателя. Сигналы многочастотного набора номера DTMF и другие сигналы можно заменить на короткие коды для восстановления на дальнем конце (или для непосредственной обработки). Возможные проблемы: из-за того, что функция подавления пауз активизируется, когда громкость речи становится ниже определенного порога, некоторые системы обрезают начала и концы слов (в периоды нарастания и снижения энергии речи);

в) сжатие голосовых данных. Сжать оцифрованный голос можно разными способами. В идеале решения, используемые для IP-телефонии, должны быть достаточно быстрыми и давать на выходе небольшие массивы данных;

г) «нарезание» сжатых голосовых данных на короткие сегменты равной длины, их нумерация по порядку, добавление заголовков пакетов и передача. Хотя стек протоколов TCP/IP поддерживает пакеты переменной длины, их использование затрудняет достижение устойчивой и предсказуемой межсетевой маршрутизации в голосовых приложениях. Маршрутизаторы быстро обрабатывают небольшие пакеты и рассматривают обычно все передаваемые по одному и тому же IP-адресу пакеты одного размера одинаковым образом. В результате пакеты проходят по одному маршруту, поэтому их не надо переупорядочивать;

д) прием и переупорядочивание пакетов в адаптивном «буфере ресинхронизации» для обеспечения интеллектуальной обработки потерь или задержек пакетов. Главной целью здесь является преодоление влияния переменной задержки между пакетами. Решение данной проблемы состоит в буферизации достаточного числа поступающих пакетов (при отложенном их воспроизведении) с тем, чтобы воспроизведение было непрерывным, даже если время между поступлением пакетов сильно различается. Лучшие продукты для IP-телефонии моделируют производительность сети и регулируют размер буфера ресинхронизации соответствующим образом - уменьшая его (сокращая задержку перед воспроизведением), когда сеть ведет себя предсказуемым образом, и увеличивая в противоположной ситуации.

1.7 Постановка задачи

Так как настоящий дипломный проект посвящен проблеме обеспечения качества услуг в сетях с коммутацией пакетов, путем устранения сигналов электрического эха, то в следующих главах будут подробно рассмотрены основные методы борьбы с мешающим действием токов электрического эха, а также комбинированные методы, объединяющие методы эхозаграждения и эхокомпенсации, эхокомпенсации и самобалансирующейся дифференциальной системы (СДС), а также эхозаграждения и СДС. Представлена система математических и имитационных моделей эхоподавления и их среды функционирования. Произведена оценка методов эхоподавления по критерию эффективности способом имитационного моделирования на ЭВМ, для чего были разработаны необходимые программы.

В экономической части дипломного проекта рассмотрены вопросы расчета стоимости разработки. Произведено технико-экономическое обоснование целесообразности разработки программы имитирующей различные методы эхоподавления.

Таким образом, остановимся подробнее на мешающем воздействии эха и борьбе с ним.

2 УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА УСЛУГ ЗА СЧЕТ БОРЬБЫ С МЕШАЮЩИМ ДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭХА

2.1 Физиологические аспекты влияния эха

При обмене телефонными сообщениями каждый абонент осознанно или неосознанно оценивает качество принятой информации. Эта оценка ведется по нескольким критериям одновременно: громкости, разборчивости, смысловому восприятию, узнаваемости и т. д. Такой метод оценки получил наименование “интегрального”. Снижение интегральной оценки приводит к таким последствиям, как возрастание времени ведения разговоров за счет переспросов, усиление напряженности ведения разговора из-за увеличения уровня шума, а в отдельных случаях вообще к отказу обмена сообщениями.

Причины снижения качества ведения переговора могут быть самыми различными: акустические помехи, помехи линейного тракта и станционного оборудования, кратковременные перерывы, отраженные сигналы, погрешности в работе систем АРУ и др. Рассмотрим подробнее одну из перечисленных причин - отраженные сигналы, действие которых особенно проявляется на каналах связи большой протяженности.

Телефонный разговор между двумя абонентами состоит из ряда смысловых отрезков речи, разделенных паузами. IP-сеть для обычного вызова с двумя абонентами и временные диаграммы эхосигнала представлены в приложении Б и в приложении В. Смысловые отрезки могут содержать отдельные слово, фразу, ряд фраз, длительность которых может колебаться от долей секунды до сотен секунд. Такую же длительность имеют паузы между смысловыми отрезками. Наличие времени запаздывания в прямом и обратном направлениях передачи приводит к замедлению скорости ведения разговора, что уже само по себе снижает эффективность телефонной связи с точки зрения ее оперативности. Кроме того, наличие времени запаздывания увеличивает общее время существования “встречного разговора”, когда оба собеседника говорят одновременно. Часто время ответа собеседника tотв может быть отрицательным, т. е. абонент начинает говорить, не дослушав до конца смысловой отрезок, если ему уже все ясно из предыдущих фраз. В этом случае при значительном времени задержки ответ абонента Б может быть воспринят абонентом А как ответ на последующую смысловую фразу из смыслового отрезка и вызвать недоумение, что, в свою очередь, потребует переспроса, а следовательно, увеличения общего времени “встречного разговора”.

Опыты, проведенные в ряде стран, показали, что при общем времени запаздывания до 2 с телефонная связь становится невозможной. Это явление получило название “потеря чувства контакта между говорящими абонентами”.

Еще большие трудности при ведении разговоров вызывают отраженные сигналы. Следует отметить, что наличие отраженных сигналов при малых временах запаздывания не вызывает неприятных ощущений в процессе разговора и, наоборот, создается ощущение “исправности” телефонного канала, так как голос говорящего маскирует звуки отраженных сигналов, поступающих с телефона. При увеличении времени запаздывания сигналов эха, т. е. при возрастании дальности связи, повышается вероятность попадания таких сигналов в межслововые или межфразовые паузы исходного речевого сигнала, а, следовательно, увеличивается вероятность того, что говорящий их будет слышать.

Для того чтобы эффективно бороться с мешающим действием отраженных сигналов, необходимо знать причины их возникновения.

2.2 Механизм возникновения электрического эха

Телефонный канал связи представляет собой электрически замкнутую систему, обеспечивающую двусторонний режим работы.

Как и во всякой электрически замкнутой системе, в телефоном канале всегда присутствуют токи обратной связи, вызывающие характерные искажения амплитудно-частотных (АЧХ) и фазо-частотных (ФЧХ) характеристик прямого и обратного трактов. Условия работы одиночной замкнутой системы, схема которой представлена на рисунке 2.1, в значительной степени определяются влиянием одного направления передачи на другое.

Рисунок 2.1 - Схема одиночной замкнутой системы

Это влияние, если оно велико, может вызывать самопроизвольные колебания, т. е. генерацию, и тем самым нарушать связь. Но даже если генерация не возникнет, это влияние оказывает мешающее действие в виде специфических искажений частотных характеристик; искажений от обратной связи или мешающих токов электрического эха. Величина этих искажений однозначно связана с затуханием по петле X, определяемой выражением:

где Sу1 и Sу2 - коэффициенты усиления усилительных устройств;

ап1 и aп2 - переходные затухания дифференциальных систем.

Если учесть, что переходное затухание ап развязывающего устройства (дифсистемы) связано с затуханием несогласованности сопротивлений абонентского тракта Za61 и входного дифсистемы Z1, т. е.

или ап1=Al1+7 дБ, то выражение для затухания по петле может быть преобразовано в другой вид:

где S1=Sy1-7 дБ и S2=Sy2-7 дБ - рабочие усиления в прямом и обратном направлениях замкнутой системы.

Величина искажений от обратной связи должна быть в следующих пределах:

Анализ (2.4) показывает, что искажения от обратной связи могут быть сведены к минимуму либо за счет увеличения Al1 и Al2 (улучшения условия согласования), либо за счет снижения S1 и S2 (ослабление усиления в прямом и обратном направлениях передачи). С точки зрения повышения качества передачи информации для снижения искажения целесообразно использовать первый фактор.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9