Факторы, влияющие на качество передачи речи в IP-телефонии

В данной статье описаны параметры и факторы, оказывающие влияние на качество голосовой связи в IP-телефонии. Проанализированы параметры доставки голосовых пакетов, оказывающие влияние на разборчивость, искажение, задержки голосового сигнала.

Ключевые слова: IP-телефония, качество речи, задержка, джиттер, пропускная способность, кодек, пакет, кадр.

В современных IP-сетях для передачи пакетов данных используют модель «best effort service» — «лучший из возможных». Такой модель обслуживания сети не гарантирует проверку готовности сети обеспечить необходимыми сетевыми ресурсами поток данных и не выделяет приоритет трафику [1]. Иначе говоря, вне зависимости от того, к какому типу трафика относятся передаваемые пакеты данных, первыми будут обслуживаться данные, которые пришли раньше. Несомненно, такой метод обслуживания сети не подходит для передачи речевого трафика, который требователен к надежности передачи данных, производительности сети и задержке. Поэтому необходимо учитывать все факторы, влияющие на качество передачи речи в IP-телефонии, среди них нужно выделить четыре основных параметра, значения которых можно определить независимо.

Задержка является параметром присущий любой сети передачи данных с коммутацией пакетов. Для передачи речевых данных в реальном времени в сети с коммутацией пакетов, в большой степени зависит от величины задержки. Тут под задержкой понимается суммарное время, в течение которого пакет пересекает сеть IP-телефонии от отправителя к получателю. Задержка вызывает неудобства во время диалога, приводя к перекрытию разговоров. Можно выделить основные источники сквозной задержки передачи речи.

– задержка накопления также известна как алгоритмическая. Эта задержка вызвана преобразованием наборов речевых отсчетов речи в уплотненный кадр, выполняемые в вокодере. Этот речевой кадр не генерируется, пока вокодер не соберет все речевые отсчеты в буфере. Величина задержки определяется типом вокодера и изменяется от микросекунд до нескольких десятков миллисекунд;

– задержка обработки также известна как вычислительная: вызвана процессом кодирования и инкапсуляцией кадров в IP-пакеты. Задержка обработки зависит от времени работы процессора, вычислительной мощностью процессора и вида алгоритма обработки. Для уменьшения загрузки пакетной сети обычно несколько кадров вокодера объединяются в один IP-пакет;

– сетевая задержка зависит от передаваемой физической среды, протоколов канала, используемые для передачи речевых данных. Помимо этого, на сетевую задержку влияет буфера, которые используются для удаления джиттера задержки пакетов на приемном конце. Таким образом, величина сетевой задержки зависит от емкости сети и процессов передачи пакетов в сети.

По рекомендациям Международного союза электросвязи (МСЭ) G.114 по значению односторонней задержки от абонента А до абонента Б выделить четыре уровня качество связи [2]:

– первый уровень до 150 мс — отличное качество связи;

– второй уровень до 200 мс — хорошее качество связи;

– четвертый уровень свыше 450 мс — плохое качество связи.

Задержка в IP-телефонии организованная через глобальную сеть Интернет находиться на втором уровне, так как интернет-провайдер не может гарантировать хорошее качество за пределами своей сети, задержки в такой сети изменчивы. Что нельзя сказать о провайдерах специализированные на IP-телефонии, потому что они работают по выделенным каналам. Время задержки у таких провайдеров находятся на первом и втором уровне. На третьем уровне работает IP-телефония, организованная по спутниковой связи.

Средняя суммарная задержка при использовании IP-телефонии должна находиться в пределах 150–250 мс [2].

Таким образом, суммарная задержка в IP-телефонии состоит из задержек на оцифровку, генерации голосового пакета, а также задержек при передаче по каналам, обработке и коммутации пакета в промежуточных узлах, локальной коммутации на узле приема, декомпрессии и преобразовании в аналоговый вид, что проиллюстрирована на рис. 1. Чтобы минимизировать суммарную задержку в сети необходимо использовать высокопроизводительные голосовые коммутаторы, у которых есть функция обеспечение приоритетности речевых пакетов над остальными пакетами данных.

Рис. 1. Составляющие задержки в сети IP-телефонии

Еще одним фактором влияющий на качество передачи речи является джиттер задержки пакетов. Джиттер или вариация задержки — это разница во времени между последовательными пакетами одного соединения в сети [3]. Чем значение джиттера больше, тем больше будет отличаться задержка при передаче одного пакета от задержки при передаче другого. Джиттер возникает в сети из-за появления очередей на загруженных узлах коммутации, а также из-за маршрутизации пакетов одного речевого сегмента по разным маршрутам. Чем больше узлов и линии маршрутов, по которым проходят пакеты данных, тем больше время запаздывания и джиттер. По этой причине на приемном конце, когда пакеты собираются, их последовательность может быть нарушена. Различие интервалов между последовательно принятыми пакетами проиллюстрировано на рис. 2.

Помимо этого, величина джиттера зависит от операционных систем, в которой приложения IP-телефонии. Большинство клиентских оборудований работают с операционными системами, не предназначенных для этого. Такие операционные системы не могут контролировать распределение времени центрального процессора между разными процессами с необходимой точностью в пределах нескольких миллисекунд, и не могут обрабатывать за такое же короткое время [4]. Поэтому использование таких операционных систем приводит к большой задержке в продвижении данных между сетевым интерфейсом и внешним устройством речевого вывода. Для решения этой проблемы производители шлюзов и аппаратов IP-телефонии используют операционные системы реального времени, позволяющие обеспечивать более быстрый обмен потоками данных между процессами. Другой способ решения этой проблемы — это использования отдельного специализированного процессора, который будет выполнять все задачи с жесткими временными рамками, например обмен данными между речевыми кодеками и сетевым интерфейсом. При этом операционная система рабочей станции поддерживает только алгоритмы управления соединениями и протоколы сигнализации.

Джиттер приводит к ухудшению речи, который проявляется в виде щелчков и треска. Для подавления джиттера в приемную часть. Для подавления джиттера в приемную часть шлюза включается статический или динамический буфера памяти, который позволяет вернуть исходную последовательность пакетов. Пакеты, джиттер которых превышает их время «удержания» в буферной памяти, не воспринимаются принимающим устройством. Таким образом, буфер подавляет джиттер за счет увеличения, как общего времени задержки, так и потери пакета, а регулировка времени удержания является компромиссом между ними. В зависимости от вида кодека значение джиттера в диапазоне от 15 мс до 50 мс не воспринимается.

Еще одним негативным явлением в IP-телефонии является потеря пакетов, что показана на рис. 3. Поскольку речевые пакеты не отправляются повторно, при их потере в сети на принимающей стороне появляется короткая пауза в речи [5]. Частые потери речевых пакетов в плохом канале связи, ухудшают разборчивость речи, а временами приводит к полной невозможности общения. Ухудшения, вызванные потерями пакетов, также зависят от типа кодека, которые применяются в медиашлюзах. Таким образом, при использовании высокоскоростных кодеков типа G.711 качество речи в меньшей степени зависит от потери пакетов, в отличие от низкоскоростных кодеков типа G.729. В IP-телефонии для обеспечения хорошего качества связи допустимый уровень потерь пакетов должен быть в пределе 1–3 %. При этом меньшая величина (1 %) относится к низкоскоростным кодекам, а большая (3 %) — к высокоскоростным кодекам [6].

Рис. 3. Потеря пакетов при передаче через IP-сеть

Помимо этого, в сети с большим количеством IP-телефонов и в условиях с ограниченностью вычислительных ресурсов необходимо учитывать величину пропускной способности канала. Эффективность использования канала для IP-телефонии определяется максимальным возможным числом одновременных телефонных соединений. Для того чтобы оценить какая максимальная пропускная способность потребуется для всех IP-телефонов все расчеты нужно проводить для времени наибольшей сетевой активности пользователей, то есть в часы наибольшей нагрузки [7]. В такие периоды времени наиболее важна работоспособность сети и неприемлемы возникающие отказы в работе приложений. В IP-телефонии трафики передаются с фиксированной скоростью передачи данных, и потоки являются двунаправленными и ограничены временем вызова. Кроме того, нужно учитывать, что IP-трафик распространяется не только от телефонов к серверу, но и между телефонами напрямую.

При расчете самой скорости потока IP-телефонии нужно учитывать используемый кодек и размеры заголовка пакета. В зависимости от используемого кодека, объема данных, передаваемых в каждом пакете, и применяемых протоколов канального уровня формируется полная пропускная способность потока. Именно полная пропускная способность должна учитываться при оценке требуемой пропускной способности сети. Это очень важно для IP-телефонии, в которой потоки данных передаются с низкой скоростью в режиме реального времени, и в которых размер заголовков пакета составляет существенную часть от размера пакета целиком. Например, два потока используют один виды кодека, но разные размеры полезной нагрузки и разные протоколы канального уровня, тогда их полная пропускная способность будет отличаться в несколько раз. Значения указаны в таблице 1. Таким образом, при расчете требуемой пропускной способности сети для IP-телефонии выбор канальных протоколов и параметров потоков играет значительную роль.

Таблица 1

Сравнение двух потоков IP-телефонии

1. IP-телефония / Б. С. Гольдштейн, А. В. Пинчук, А. Л. Суховицкий. — Санкт-Петербург: БХВ-Петербург, 2014. — 336 c. — Текст: непосредственный.
2. Время односторонней передачи / Рекомендация МСЭ-Т G.114 (05/2003)
3. Передача речи по сетям с коммутацией пакетов / А. Г. Жданов, Д. А. Рассказов, Д. А. Смирнов, М. М. Шипилов. — Санкт-Петербург: СПбГУТ, 2001. — 143 c. — Текст: непосредственный.
4. IP-телефония / А. В. Росляков, М. Ю. Самсонов, И. В. Шибаева. — Москва: Эко-Трендз, 2003. — 243 c. — Текст: непосредственный.
5. IP-телефония в компьютерных сетях / И. В. Баскаков, А. В. Пролетарский, С. А. Мельников, Р. А. Федотов. — Москва: Бином, 2008. — 226 c. — Текст: непосредственный.
6. Сжатие данных, речи, звука и изображений в телекоммуникационных системах / В. С. Сергеенко, В. В. Баринов. — Москва: ИП «РадиоСофт», 2012. — c. — Текст: непосредственный.
7. Качество обслуживания в телекоммуникационных сетях: учебное пособие / К. Х. Туманбаева. — Алматы: АУЭС, 2013. — 80 c. — Текст: непосредственный.