Качество речи в IP сетях

генерируемых приложениями пользователей.
Приложения предъявляют различные требования к рабочим характеристикам сети.
IP-телефония является одним из важнейших приложений на базе протокола IP.

Основные сведения

качества восприятия речи в идеальной ситуации, каковой является диалог находящихся рядом двух лиц. Любая телефонная линия всегда снижает качество диалога — ухудшаются такие параметры, как разборчивость и узнаваемость речи, а также ряд других, которые можно объединить общим понятием “психологический комфорт”.
Традиционные телефонные сети (сети с коммутацией каналов) коммутируют электрические сигналы с гарантированной полосой пропускания, достаточной для передачи сигналов голосового спектра.
Сети с коммутацией пакетов не обеспечивают гарантированной пропускной способности, поскольку не обеспечивают гарантированного пути между точками связи.

Основные сведения

речи должно быть таким же, как и в ТфОП. Уровень качества в сети ТфОП можно считать наивысшим уровнем качества доставки речи в сетях электросвязи.
Основные составляющие качества IP-телефонии:
1. Качество речи, которое включает:
диалог - возможность пользователя связываться и разговаривать с другим пользователем в реальном времени и полнодуплексном режиме;
искажения – разборчивость, чистота и тональность речи;
эхо - слышимость собственной речи;
уровень - громкость речи.
2. Качество сигнализации, включающее:
установление вызова - скорость успешного доступа и время установления соединения;
завершение вызова - время отбоя и скорость разъединения;
DTMF - определение и фиксация сигналов многочастотного набора номера.
Факторы, определяющие качество IP-телефонии:
Факторы качества IP-сети: максимальная пропускная способность; задержка; джиттер; потеря пакета.
Факторы качества шлюза: требуемая полоса пропускания; задержка; буфер джиттера; потеря пакетов; подавление эхо; управление уровнем.

Качество IP-телефонии

качества восприятия речи в идеальной ситуации, каковой является диалог находящихся рядом двух лиц. Любая телефонная линия всегда снижает качество диалога — ухудшаются такие параметры, как разборчивость и узнаваемость речи, а также ряд других, которые можно объединить общим понятием “психологический комфорт”.

Оценка качества передачи речи

ITU-T P.800 описывает способы получения численных оценок качества речевой информации в сети, участке сети или отдельном оборудовании.
MOS (Mean Opinion Score) – усредненная оценка разборчивости речи – в соответствии с ней качество речи, получаемое при прохождении сигнала от говорящего (источник) через систему связи к слушающему (приемник), оценивается как арифметическое среднее от всех оценок, выставляемых экспертами после прослушивания тестируемого тракта передачи.
Выражается числовым значением от 1 до 5: 1 - низкое качество, 5 - самое лучшее.
MOS субъективная оценка, так как основана на восприятии качества голоса людьми. Однако, есть приложения, которые умеют измерять MOS и такие данные более объективны.
Недостатки оценки MOS:
1. Субъективность оценки;
2. Отсутствует возможность количественно учесть влияющие на качество речи факторы (потери пакетов, задержка, джиттер). А значит, оценки не могут быть точно соотнесены с сетевыми характеристиками и с процессами, реализуемыми в терминальном оборудовании (т.е. вне сети - алгоритмы сжатия, схемы кодирования, механизмы защиты информации, восстановления данных и т. д.);
3. Нет возможности производить оценку на этапе планирования.

Субъективная оценка качества (MOS)

в которой был описан подход к объективной оценке качества услуг в телекоммуникациях.
В основу положена так называемая Е-модель, которая открыла новое направление в оценке качества услуг, связанное с измерением характеристик терминалов и сетей.
E-модель - вычислительная модель, которая на основе более чем 20 параметров терминалов, линий связи, оборудования и условий разговора определяет оценку качества, называемую R-фактор. В основе Е-модели лежит принцип аддитивности факторов, ухудшающих качество передаваемой речи.
Значения R-фактора лежат в пределах от 0 до 100. Чем больше это значение, тем лучше качество передачи речи.

Объективная оценка качества (R-фактор)

связана с качеством передачи речи по IP сети. Уменьшение пропускной способности крайне негативно сказывается на всех остальных факторах. Является ценным конечным ресурсом.
Методы уменьшения влияния фактора пропускной способности на качество передачи речи:
выбор оптимального алгоритма кодирования/декодирования речевой информации – кодека;
резервирование ресурсов сети с помощью различных механизмов;
выбор оптимального размера пакетов для речевых данных;
отслеживать загрузку сети и не допускать перегрузки на отдельных участках;
Речевые кодеки расположены в точках преобразования аналоговой формы речи в цифровую (чаще всего в шлюзах). Обеспечивают снижение требований к пропускной способности канала. Разные речевые кодеки требуют разную пропускную способность. Низкоскоростные кодеки требуют существенно меньшей пропускной способности, но при этом уменьшается разборчивость речи, возрастают задержки и качество речи становится более чувствительным к потере пакетов.

Факторы качества: пропускная способность

типы речевых кодеков по принципу действия делятся на три группы:
1. Кодеки с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ) и адаптивной дифференциальной импульсно-кодовой модуляцией (АДИКМ), появившиеся в конце 50-х годов и использующиеся сегодня в системах традиционной телефонии. В большинстве случаев представляют сочетание АЦП/ЦАП;
2. Кодеки с вокодерным преобразованием речевого сигнала. Используют принцип гармонического синтеза сигнала на основе информации о его вокальных составляющих – фонемах. В большинстве случаев, реализованы как аналоговые устройства.

3. Комбинированные (гибридные) кодеки, которые сочетают в себе технологию вокодерного преобразования/синтеза речи, но оперируют уже с цифровым сигналом специализированных DSP.

– исторически первый алгоритм сжатия - ИКМ. Используется в устройствах ISDN. Требуемая пропускная способность - 64 кбит/сек. Существуют две разновидности кодека a-law и u-law, отличающиеся алгоритмами кодирования.
G.726 - один из старейших алгоритмов сжатия речи – АДИКМ. Практически такое же качество воспроизведения речи, как и ИКМ, однако для передачи информации при его использовании требуется полоса всего в 16-32 Кбит/с. Кодируется не мгновенное значение амплитуды сигнала, а ее изменение по сравнению с предыдущим значением.
G.729 - предназначен для передачи речи с "хорошим качеством" при использовании небольшой пропускной способности (8 кбит/сек). Занимает лидирующее положение. Существуют две популярные (и несовместимые между собой) версии данного стандарта: Annex A (более "простая" схема кодирования) и Annex B (с использованием алгоритмов сжатия пауз).
G.723.1 - осуществляет синтез исходного речевого сигнала посредством адаптивной замены его гармонических составляющих соответствующим набором частотных фонем и согласованными шумовыми коэффициентами. Отличительной особенностью является возможность работы при очень низком потоке (5.3, 6.3 кбит/сек). По субъективным оценкам обладает плохим качеством речи.
G.728 - гибридный кодек с управляемым кодом линейным предсказанием и малой задержкой. Скорость преобразования 16 кбит/с, задержка при кодировании от 3 до 5 мс. Для реализации необходим процессор с быстродействием более 40 MIPS. Кодек предназначен для использования, в основном, в системах видеоконференций.

Факторы качества: пропускная способность

кодеков:

во время сеанса связи при передаче через сеть.
В IP сетях допускается потеря пакетов. Потерянные пакеты в IP-телефонии нарушают речь и создают искажение тембра. Но потеря до 5% пакетов незаметна, а свыше 10-15% - недопустима. Причем данные величины существенно зависят от алгоритмов компрессии/декомпрессии.
Методы уменьшения количества потерянных пакетов:
использовать методы QoS;
использовать более помехоустойчивые кодеки;
уменьшать размер кодируемого кадра;
отслеживать загрузку сети и не допускать перегрузки на отдельных участках.
Потеря большой группы пакетов приводит к необратимым локальным искажениям речи, тогда как потерю одного - трех пакетов можно компенсировать.

Факторы качества: потери пакетов

в течение сеанса связи.
Когда речь или данные разбиваются на пакеты для передачи через IP-сеть, пакеты часто прибывают в пункт назначения в различное время и в разной последовательности. Это создает разброс времени доставки пакетов (джиттер). Джиттер приводит к специфическим нарушениям передачи речи, слышимым как трески и щелчки.
Методы уменьшения джиттера:
использование буфера компенсации задержки;
уменьшать размер кодируемого кадра;
Использование протокола RTP;
отслеживать загрузку сети и не допускать перегрузки на отдельных участках.
Джиттер ведет к искажению речи. А при больших значениях, превышающих несколько десятков мс, речь становится неразборчивой.
Уменьшение джиттера ведет к увеличению задержки.

Факторы качества: джиттер

передачи пакета через сеть. Полностью избежать задержки нельзя. Задержка создает неудобство при ведении диалога, приводит к перекрытию разговоров и возникновению эхо. Можно выделить следующие источники задержки при пакетной передачи речи из конца в конец:
задержка накопления (алгоритмическая задержка) - обусловлена необходимостью сбора кадра речевых отсчетов, выполняемая в речевом кодере. Величина определяется типом речевого кодера и изменяется от долей микросекунд до нескольких миллисекунд;
задержка обработки - возникает в процессе кодирования и сбора закодированных отсчетов в пакеты для передачи через пакетную сеть. Задержка кодирования (обработки) зависит от времени работы процессора и используемого типа алгоритма обработки;

Факторы качества: задержка

сетевая задержка - задержка обусловлена физической средой и протоколами, используемыми для передачи речевых данных, а также буферами, используемыми для удаления джиттера пакетов на приемном конце.

– это время, затраченное сигналом для физического прохождения через линию связи. Если пренебречь некоторыми факторами влияния внешней среды, то данное слагаемое можно считать постоянной величиной.
узловая задержка - время, затраченное сигналом для прохождения через коммутационное оборудование узла связи с учетом не только физического распространения, но и всех выполняемых процедур по обработке и хранению. Состоит из большого количества дополнительных составляющих, среди которых, например, есть задержка очереди – возникает в результате удерживания пакетов в очереди из-за занятости исходящего интерфейса. Большинство слагаемых меняются со временем в зависимости от состояния сети.
Помимо этого необходимо отметить, что задержки могут возникать в сетях-посредниках (DWDM, SDH и др.).

Факторы качества: задержка

к одному из трех уровней:
первый уровень до 100 мс - отличное качество связи. Для сравнения, в телефонной сети общего пользования допустимы задержки до 150 мс;
второй уровень до 250 мс - считается хорошим качеством связи. Но если сравнивать с качеством связи по сетям ТфОП, то разница будет видна. Если задержки постоянно удерживаются на верхней границе 2-го уровня, то не рекомендуется использовать эту связь для деловых переговоров;
третий уровень до 400 мс - считается приемлемым качеством связи для ведения неделовых переговоров. Такое качество связи возможно также при передаче пакетов по спутниковой связи.
Методы уменьшения количества потерянных пакетов:
использовать методы QoS;
использовать систему приоритетов для трафика реального времени;
оптимизировать механизмы управления очередями в узловых элементах;
использовать протоколы RTP, RSVP и т.п.;
в качестве транспортных технологии использовать технологию MPLS;
уменьшать размер кодируемого кадра;
оптимизировать размер буфера компенсации джиттера;
отслеживать загрузку сети и не допускать перегрузки на отдельных участках.

Факторы качества: задержка