Об'єднання голосу і даних

1. Використання однієї і тієї ж мережі для передачі голосу і даних дозволяє скоротити витрати за умови...
2. МІЛИНИ, Ємеля
3. FRAME RELAY
4. ШВЕЙЦАРСЬКІ ГОДИННИКИ
5. НА ГОРІЗОНТІ
6. ЗА поясненнями звертатися ...
7. Оцифровка ГОЛОСИ

Використання однієї і тієї ж мережі для передачі голосу і даних дозволяє скоротити витрати за умови правильного вибору стратегії інтеграції. РЕВОЛЮЦІЯ T-1 МІЛИНИ, Ємеля FRAME RELAY ШВЕЙЦАРСЬКІ ГОДИННИКИ НА ГОРИЗОНТІ ЗА поясненнями звертатися ...

Оцифровка ГОЛОСИ
розвивається технологія

При традиційному підході до телекомунікацій, мережі для передачі голосу і даних розглядаються (і реалізуються) абсолютно незалежно один від одного. На жаль, це призводить до великих витрат, оскільки для експлуатації двох різних мереж і підтримки їх в працездатному стані потрібні численний персонал і значні вкладення в устаткування. Використання однієї і тієї ж мережевої інфраструктури для передачі голосу і даних забезпечує значну економію матеріальних ресурсів, а сама ця ідея здатна викликати радісну посмішку у найсуворішого директора з фінансів.

За останні кілька років було запропоновано кілька шляхів вирішення цього завдання, так що організації можуть вибрати той з них, який найбільшою мірою відповідає їх практичним завданням і фінансовим можливостям.

Нижче наводиться огляд різних підходів до проблеми з їх достоїнствами і недоліками.

РЕВОЛЮЦІЯ T-1

У 80-ті роки з'явилися мультиплексори для ліній T-1 і спеціально розроблені для них плати оцифровки мови. Вони стали однією з перших апаратних платформ для інтеграції голосу і даних в приватних мережах. В даний час використання мультиплексорів T-1 - один з найбільш поширених способів передачі трафіку двох типів по одній і тій же мережі. Перш ніж обговорювати мультиплексори T-1, ми розглянемо коротко принципи роботи ліній T-1.

Лінія T-1 забезпечує одночасну передачу 24 голосових переговорів між двома станціями оператора мережі зв'язку (Carrier Office, CO). Голосовий сигнал оцифровується за допомогою імпульсно-кодової модуляції, або ІКМ (Pulse Code Modulation, PCM). Це відповідає потоку даних інтенсивністю в 64 Кбіт / с для кожної телефонної розмови (при роботі за методом ІКМ, звуковий сигнал дискретизируется 8000 разів в секунду, а значення його миттєвої амплітуди виражається 8-бітовим числом - виходить 8000 байт в секунду, або 64 Кбіт / с). Банки каналів - прототипи сучасних мультиплексорів для T-1 - перетворять 24 телефонних розмови в послідовність з 24-х 8-бітних чисел 8000 разів в секунду для кожної розмови. Для синхронізації роботи передавального і приймаючого пристрою, а також для виділення розмов із загального потоку даних, що передається по лінії T-1, до кожної групи з 24-х 8-бітних чисел додається один біт обрамлення, що дає послідовність з 193 біт (24х8 плюс одиниця). Таким чином, пропускна спроможність ліній T-1 повинна дорівнювати 24 (кількість 8-бітних чисел, що представляють амплітуду голосового сигналу), помноженим на 8 біт, плюс один біт обрамлення, і все це треба ще помножити на 8000 (раз в секунду) - отримуємо 1,544 Мбіт / с.

Мультиплексор T-1 дозволяє задіяти всю доступну пропускну здатність 1,536 Мбіт / с для передачі голосу і даних. Однак багатьом організаціям для передачі всієї необхідної інформації не вистачає однієї лінії T-1. Зменшити кількість необхідних каналів можна за допомогою модулів оцифровки мови для мультиплексорів T-1. Вони дозволяють знизити інтенсивність потоку даних, що генерується при оцифрування мовних переговорів, тим самим збільшуючи число викликів, що передаються від однієї станції до іншої. Зниження пропускної здатності, що резервується під передачу голосу, дозволяє або уникнути використання декількох ліній T-1, або відвести для передачі відео і даних більш значну частину лінії T-1. (Огляд різних методів оцифровки мови і вимоги до пропускної здатності наведені в урізанні "Розвивається технологія" .)

З рисунка 1 видно, наскільки різноманітно застосування мультиплексорів T-1: вони дозволяють інтегрувати програми передачі голосу, даних і відео в одній і тій же мережевої інфраструктури. На рисунку зображено приватна мережа, яка містить велику кількість вузлів, з'єднаних лініями T-1; детально показано підключення до мережі вузла, що знаходиться в Лос-Анджелесі. На цьому вузлі використовуються спеціальні модулі оцифровки мови, що забезпечують стиснення 24 каналів PCM, які, якщо б цих модулів не було, зайняли б лінію T-1 цілком. Припустимо, що застосовується оцифровка за однією з версій методу CELP (Code Excited Linear Prediction), що забезпечує стиснення 64-кілобітного тимчасового слота PCM в 8 Кбіт / с. Завдяки чому 24 мовних викликів можна передати по каналу з пропускною здатністю 192 Кбіт / с замість 1,536 Мбіт / с. Якщо ще використовувати стиснення даних, то 12 з решти 64-кілобітних тимчасових слотів (т. Е. Пропускну здатність 768 Кбіт / с) можна відвести для обміну даними між локальними мережами Ethernet через маршрутизатори. Далі, шість 64-кілобітних тимчасових слотів (384 Кбіт / с) можна відвести під відеоконференцію, а що залишилися 192 Кбіт / с (три тимчасових слота) - для обміну даними між системами SNA.

( 1x1 )

Малюнок 1. Використання мультиплексорів T-1 з модулями для оцифровки мови дозволяє звузити пропускну здатність, необхідну для передачі мови. При цьому вдається збільшити або число одночасних викликів, або частку пропускної здатності лінії, що виділяється під передачу даних і відео.

Отже, модулі CELP дозволяють значно пом'якшити вимоги до пропускної здатності. Однак і коштують вони недешево. Наприклад, модуль CELP-24 від Network Equipment Technology, що підтримує 24 каналу, стоїть 25 000 доларів. Таким чином, за пару мультиплексорів, необхідних для організації зв'язку між двома офісами, доведеться заплатити 50 000 доларів. Цифра сама по собі не маленька, проте термін окупності подібного вкладення складе 10 місяців (відчуваєте, як зрадіє фіндиректор). Наприклад, якщо використання модулів CELP дозволить відмовитися від оренди додаткових ліній T-1 між Лос-Анджелесом і Нью-Йорком, то економія коштів може досягти (і навіть перевищити) 5000 доларів на місяць. (В наших оцінках ми виходили з того, що вартість лінії T-1 становить приблизно від 2 до 3 доларів за милю на місяць. Реальна вартість залежить від розцінок конкретного оператора мережі зв'язку і умов укладання відповідної угоди. Як правило, чим більший термін контракту, тим менше щомісячні платежі, однак довгостроковий контракт обмежує свободу вибору.)

МІЛИНИ, Ємеля

Мультиплексори T-1 - досить популярна техніка для інтеграції голосу, даних і відео, однак далеко не всі організації потребують передачі таких обсягів інформації, при яких використання каналів T-1 була б виправданим. З іншого боку, великий інтерес викликає той факт, що застосування алгоритмів стиснення типу CELP (завдяки якому голос вдається стискати до 8 Кбіт / с і менше) дозволяє використовувати для передачі голосу мережі, спочатку розраховані на передачу даних. За останні роки були розроблені пристрої, що забезпечують передачу голосу по frame relay, низькошвидкісним орендованим лініях начебто Switched-56 і навіть мереж на основі IP, зокрема через Internet.

Рушійною силою інтеграції є економічні міркування: застосування будь-якого з перерахованих вище підходів дозволяє значно скоротити витрати. Наскільки відчутна економія, залежить від цілого ряду параметрів, серед яких - вартість обладнання для оцифровки мови і розміри щомісячних платежів за низькошвидкісні орендовані лінії, а також тип використовуваної для передачі мережі (наприклад, frame relay або Internet). Слід також взяти до уваги частоту телефонних викликів і тривалість переговорів. Прості розрахунки показують, що вартість мовних переговорів по мережі frame relay або корпоративної IP-мережі становить менше цента за хвилину. Погодьтеся, це не дуже дорого; у всякому разі, адміністратор, який домігся такого результату, буде не без гордості ловити на собі заздрісні погляди колег.

Особливо великий шум був піднятий навколо Internet-телефонії, оскільки саме ця технологія забезпечує найбільшу економію. Однак конкретні реалізації технології "голос поверх IP", в основному, пов'язані з приватними IP-мережами, оскільки в даному випадку розподілом пропускної спроможності можна управляти. Крім того, в рамках приватних мереж значно спрощується рішення проблем продуктивності та захисту інформації, що виникають при організації віртуальних мереж на основі Internet. Нижче наводиться огляд підходів до передачі мови через мережу передачі даних.

FRAME RELAY

Для передачі оцифрованої мови по мережах frame relay потрібна спеціальна апаратура: звичайні пристрої доступу до frame relay (Frame Relay Access Device, FRAD) для цієї мети не годяться. Звичайно, ніщо не заважає просто підключити до портів FRAD один або кілька цифрових потоків, що містять оцифрованную мова, і конфігурувати пристрій таким чином, щоб ці потоки сприймалися просто як синхронні вхідні дані. Однак при цьому передачі мовної інформації будуть "заважати" проходять через пристрій інші синхронні і асинхронні потоки даних.

Розглянемо ситуацію, коли хтось із користувачів локальної мережі инициализирует завантаження файлів з сервера іншої локальної мережі, а хтось одночасно з цим відправляє запити до додатка, що працює на віддаленому сервері: всі ці пакети проходять через той же самий FRAD, який займається і передачею кадрів даних з оцифрованої промовою. В результаті між кадрами даних з оцифрованої промовою можуть вклинитися містять міжмережевий трафік кадри змінної довжини. При прийомі змінні інтервали між кадрами приведуть до появи значних пауз у відновленій мови, і якість звуку буде, м'яко кажучи, невисоким.

Щоб вирішити проблему, компанія ACT Networks розробила пристрій під назвою Integrated FRAD, або IFRAD, що дозволяє скоротити розриви між кадрами за рахунок обмеження розмірів всіх відправляються в мережу кадрів. Фрагментація пакетів даних згладжує негативний вплив розривів на передачу голосу і факсимільних повідомлень. При цьому деякий розкид за часом надходження пакетів з оцифрованої промовою ще залишається, однак пристрій IFRAD компанії ACT Networks забезпечує додаткове підвищення якості передачі мови за рахунок використання черг з пріоритетами і буферів для придушення тремтіння мови (jitter buffer).

IFRAD розподіляє всі вступники сигнали за трьома, які мають різні пріоритети черг, завдяки чому чутливі до затримки мовні пакети надходять в мережу frame relay раніше всіх інших пакетів. Оскільки розміри черг кінцеві, а більшість абонентів мережі frame relay загального доступу не можуть, як правило, управляти затримками в мережі, до моменту прибуття в пункт призначення мовні пакети (в кращому випадку) не дотримуватимуться з тими ж інтервалами часу, як це було в момент передачі. Вирішити цю проблему допомагає настроюється буфер для придушення тремтіння мови, що забезпечує згладжування інтервалів між пакетами, в результаті чого відтворена мова звучить гладко і без пауз.

IFRAD можна конфігурувати таким чином, щоб всі дані, що надходять через певний порт або канал, пакували в пакети з виставленим бітом дозволу на відбраковування (discard eligibility). В результаті адміністратор мережі може сам вирішити, для яких додатків допустимі затримки; в разі затору в мережі цих програм доведеться передавати дані повторно.

Ще одна важлива властивість IFRAD - підтримка технології Digital Speech Interpolation (DSI) - дозволяє використовувати паузи в одній розмові для передачі мови, що відноситься до іншого розмови. Застосування технології DSI, яку іноді називають також придушенням мовчання, може вдвічі скоротити необхідну пропускну здатність. В якості опції ця технологія використовується також у багатьох мультиплексорах T-1.

ШВЕЙЦАРСЬКІ ГОДИННИКИ

Обговорення проблем передачі голосу по каналах глобальної мережі не можна вважати повним без згадки про сімействі пристроїв, яке для багатьох є таким же еталоном в телекомунікаціях, як швейцарський годинник для годинникарів. Йдеться про мультиплексорах Marathon компанії Micom. Ці пристрої можна використовувати для інтеграції голосу, даних та факсимільних повідомлень по орендованим лініях або мереж frame relay. Мультиплексори представляють собою модульні пристрої, здатні підтримувати до 30 мовних і факсимільних каналів, до 41 асинхронного і 12 синхронних каналів обміну даними. Надходить на вхід інформацію можна передавати за трьома орендованим лініях або чотирьом з'єднанням frame relay. Компанія Micom першою з виробників реалізувала стиснення мови за стандартом ITU G.729 і першою стала застосовувати придушення мовчання. При спільному використанні цих двох технологій пропускну здатність в розрахунку на один мовний канал вдається довести до 4 Кбіт / с.

Велике увагу привернув до себе продукт V / IP Phone / Fax Gateway - недавнє поповнення сімейства продуктів Micom. Акронім V / IP в найменуванні означає Voice over IP. Це набір аналогових і цифрових інтерфейсних плат, що дозволяють здійснювати безоплатний мовної обмін і пересилання факсимільних повідомлень по приватної IP-мережі. Для цього плати треба встановити в персональні комп'ютери в філіях (по одному комп'ютеру на кожну філію) і в один ПК в центральному офісі компанії. Далі все плати слід підключити до відповідних УАТС.

На рисунку 2 показано, яким чином можна використовувати V / IP Phone / Fax Gateway для передачі оцифрованих мовних переговорів по приватної IP-мережі. У розглянутому прикладі УАТС необхідно запрограмувати таким чином, щоб виклики переключалися на V / IP Gateway при наборі певної вхідного номера, скажімо "5". Далі абонент повинен набрати внутрішній номер потрібного йому філії і додатковий номер викликаний співробітника. Отримавши набраний номер, V / IP Gateway звертається до бази даних, транслює набраний номер в IP-адресу і встановлює з'єднання з віддаленим V / IP Gateway. Після чого пакети з оцифрованих голосом передаються по локальній мережі на маршрутизатор для передачі через глобальну мережу.

Малюнок 2.Продукт V / IP Phone / Fax Gateway забезпечує передачу оцифрованих мовних переговорів по приватної IP-мережі.

Продукт V / IP Gateway підтримує протокол RSVP, що забезпечує резервування певної пропускної здатності в IP-мережі для пріоритетної передачі чутливого до затримок трафіку (наприклад, оцифрованої мови). В принципі підтримка RSVP дозволяє розраховувати на використання V / IP Gateway для передачі голосу через Internet; неясно, проте, яким чином провайдери будуть стягувати плату за резервування пропускної здатності, і в підсумку поява таких додатків може трохи затриматися. Поки ця і подібні їй проблеми не вирішені, область використання V / IP Gateway і аналогічних продуктів буде зводитися до приватних IP-мереж, де адміністратор може в значно більшій мірі керувати розподілом пропускної спроможності і захистом інформації.

Щоб зрозуміти, наскільки сильно застосування V / IP Gateway може заощадити кошти організації, виконаємо ряд нескладних обчислень. Двопортова плата V / IP варто 1540 доларів. Оскільки на ній є свій власний процесор, в якості платформи можна використовувати старий 486-й комп'ютер або будь-яку систему на базі Pentium. Додамо 1500 доларів за ПК; з урахуванням вартості плати загальні витрати на точку складуть 3040 доларів. Припустимо, хтось збирається передавати мову по IP-мережі між Сан-Франциско і Нью-Йорком - організація такого каналу обійдеться в 6080 доларів.

Нехай, наприклад, кожен з портів плати використовується для мовного обміну 30 хвилин в день; в результаті тривалість переговорів по комутованої телефонної мережі вдається скоротити на 60 хвилин в день. У розрахунку на 22 робочих дні на місяць отримуємо 1320 хвилин щомісяця. Невеликої або середньої компанії при ціні міжміських переговорів в робочий час приблизно 15 центів за хвилину використання V / IP Gateway дозволяє заощадити 198 доларів на місяць, або майже 2400 доларів в рік. Виходить, що за рік зроблені вкладення окупляться на 40% - радітиме твоє серце, про фіндиректор!

Вищенаведені підрахунки базувалися на ряді припущень. Не слід забувати, що робота з мовним трафіком протягом усього однієї години в день становить лише шість з невеликим відсотків від максимально можливого навантаження на Двопортовий плату V / IP Gateway в розрахунку на восьмигодинний робочий день. Подвоївши навантаження на V / IP Gateway (довівши її до 12,5%), отримуємо 80-відсоткову окупність протягом року. Хочете, щоб фіндиректор від радості пішов по своєму кабінету навприсядки? Запропонуйте йому встановити парочку V / IP Gateway на міжнародній лінії.

НА ГОРІЗОНТІ

Технологія передачі мови по глобальних Мережа розвівається дуже Швидко. На горізонті маячити много різноманітніх нововведень. Не так давно Frame Relay Forum затвердивши документ під назв Voice over Frame Relay Implementation Agreement, де сформульовані стандарти для передачі голосу по Мережа frame relay Із загально доступом. У даній угоді є такоже рекомендації для віробніків, дотрімуючісь якіх смороду могут віпускаті сумісні продукти. У зв'язку з цим широкого поширення Internet-телефонії можна очікувати швидше, ніж здавалося ще зовсім недавно.

ЗА поясненнями звертатися ...

Маючи доступ до Internet, ви можете самі отримати інформацію про з'являються стандартах, а також робочі характеристики обладнання для передачі голосу по мережах IP і frame relay. Текст документа FRF.11, що містить Voice over Frame Relay Implementation Agreement, знаходиться на Web-вузлі Frame Relay Forum ( www.frforum.com ). Можна навести адреси ще парочки-трійки цікавих вузлів Web, де наведені технічні описи продуктів для передачі голосу по мережах IP і frame relay з рекомендаціями щодо їх використання: www.acti.com (ACT Networks), www.fastcom.com (Fast Comm Communications), www.micom.com (Micom Communications).

Джілберт Хелд - відомий автор і лектор, який отримав ряд нагород за свої статті.Нещодавно у видавництві John Wiley & Sons вийшли такі його книги, як "Virtual LANs", "Ethernet Networks", "The Complete Modem Reference", "LAN Performance: Issues and Answers", а також "LAN Testing and Troubleshooting".З ним можна зв'язатися через Internet за адресою: [email protected] .

Оцифровка ГОЛОСИ

розвивається технологія

Всі методи оцифровки мови можна розділити на дві категорії: кодери форми сигналу і вокодер. Методами кодування форми сигналу (до яких, зокрема, відноситься і імпульсно-кодова модуляція) здійснюється пряма оцифровка аналогового голосового сигналу шляхом періодичного вимірювання його амплітуди з наступним округленням отриманого значення до числа з заздалегідь заданого дискретного набору. Дана процедура носить назву дискретизації; різницю між істинним значенням аналогового сигналу і одержуваних дискретним значенням є помилку дискретизації.

Вокодери, навпаки, засновані на моделюванні людської мови з урахуванням її характерних особливостей. Замість безпосереднього вимірювання амплітуди вокодер перетворює вхідний сигнал в якийсь інший, схожий на вихідний. Причому вимірювані характеристики мовного сигналу використовуються для підгонки параметрів в прийнятій моделі мовного сигналу. Саме ці параметри і передаються приймачу, який по ним відновлює вихідний мовний сигнал. По суті, тут мова йде про синтез мови.

Імпульсно-кодова модуляція - основний метод оцифровки мови при передачі її по комутованої телефонної мережі загального доступу. Проте ніде не сказано, що при передачі голосу по приватним або загальнодоступних мереж передачі даних (наприклад, frame relay) не можна використовувати інші, більш економічні методи. За останні 30 років було розроблено цілий ряд методів кодування мови. Однією з перших похідних ІКМ став метод адаптивної диференціальної імпульсно-кодової модуляції - АДІКМ (Adaptive Differential PCM, ADPCM). В основі АДІКМ лежить оцифровка мови за методом ІКМ, однак далі використовується припущення, що амплітуда сигналу не може сильно змінитися за період від одного виміру до іншого. Замість того щоб кодувати кожне значення амплітуди восьмібітних словом, в АДІКМ обчислюється різниця між передбачуваним і фактичним значенням, а вийшло число кодується четирехбітним словом. Приймаючою стороною це четирехбітних число складається з обчисленим по точно таким же алгоритмом передбачуваним значенням, і в результаті вдається відтворити амплітуду голосового сигналу. Метод АДІКМ був стандартизований ITU в Recommendation G.721; його використання дозволяє обмежитися каналом на 32 Кбіт / с для передачі одного мовного виклику.

Ще один популярний метод кодування форми сигналу - дельта-модуляція з безперервно мінливою крутизною (Continuously Variable Slope Delta Modulation, CVSD). Цей метод кодування спочатку застосовувався у військових цілях, оскільки його використання спрощує шифрування аналогового сигналу. У CVSD кожне виміряне значення порівнюється з якимсь опорним сигналом. Якщо рівень мовного сигналу вище опорного, то це стан кодується як "1", якщо нижче - "0". У перших військових зразках обладнання сигнал оцифровується 8000 разів в секунду, в результаті виходив потік даних інтенсивністю 8 Кбіт / с, оскільки для кодування кожного значення використовувався один біт. У сучасних цифрових модулях CVSD, призначених для мультиплексорів T-1, оцифровка проводиться частіше, а значить, для передачі оцифрованих переговорів може знадобитися пропускна здатність 12 Кбіт / с, 16 Кбіт / с або 24 Кбіт / с.

В одному з популярних вокодеров, що носить назву вокодер з лінійним передбаченням (Linear Predictive Vocoder, LPV), використовується метод лінійного передбачення, завдяки якому вдається домогтися більш природного звучання синтезованого голосу. Застосовувалися в минулому методи обчислення параметрів моделей не забезпечували високої якості відтворення голосу, та й самі ці моделі були не досконалі.

Саме в LPV вперше стали аналізуватися щодо тривалі (20 мілісекунд) мовні фрагменти, за якими обчислюються необхідні коефіцієнти передбачення. Значення цих коефіцієнтів потім дискретизируются і передаються на приймач, який синтезує по ним вихідний мовний сигнал.

На основі алгоритмів лінійного передбачення і останніх досягнень в цифровій обробці сигналу був розроблений ряд методів лінійного передбачення, що дають низкоинтенсивние цифрові потоки і при цьому забезпечують високоякісну передачу мови. Одним з таких методів є вокодер з лінійним передбаченням відповідно до кодом (Code Excited Linear Prediction, CELP), в якому мовні фрагменти зіставляються з заздалегідь заготовленими елементами кодової таблиці; для кодування використовується елемент, що дає мінімальну невязку. Вокодер CELP, розрахований на 4,8 Кбіт / с, описаний у федеральному стандарті США 1016, а його модифікація, що носить назву Conjugate-Structure Algebraic Code Excited Linear Prediction (CS-ACELP), в листопаді 1995 року була стандартизована ITU в документі під назвою ITU Recommendation G.729. Відповідно до цього документа комерційне якість передачі мови досягається при швидкості передачі даних в 8 Кбіт / с.

Інший різновид LPV - алгоритм Low Delay-Code Excited Linear Prediction (LD-CELP), що дозволяє забезпечити комерційне якість передачі мови по каналу 16 Кбіт / с. Алгоритм був стандартизований в документі ITU Recommendation G.728. Інші версії LPV гарантують комерційне якість передачі мови по каналу 6,3, 4,8 або 2,4 Кбіт / с.