Стандарты компрессии речи

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Физико-технический факультет

 

Кафедра оптоэлектроники

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

АРХИТЕКТУРА NGN И IP ТЕЛЕФОНИЯ

 

Автор работы Баранник Владимир Георгиевич _____________

Курс 3

Специальность 210401-Физика и техника оптической связи

                                

Научный

руководитель  Кикоть Л.А. ст. преподаватель    _____________

Нормоконтролер Прохорова И.А. инженер             _____________

Краснодар 2006

                                                      РЕФЕРАТ

 

Баранник В.Г. АРХЕТЕКТУРА NGN И IP ТЕЛЕФОНИЯ. Курсовая работа: 49 с., 18 рис., 1 табл., 12 использованных источников.

 

IP-ТЕЛЕФОНИЯ ОКС7 ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ СЕТИ ШЛЮЗ СИГНАЛИЗАЦИИ

КОНВЕРГЕНЦИЯ СЕТЕЙ СЕТЬ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ (NGN) СЕМЕЙСТВО

ПРОТОКОЛОВ H.323. 

 

   Объектом разработки данной курсовой работы является технология передачи речи и факсов по цифровым сетям с коммутацией пакетов, работающих по протоколу IP(Internet Protocol)- IP телефония. Целью работы является анализ взаимодействия NGN и IP телефонии и их функционирование.

    В результате выполнения курсовой работы рассмотрены основные протоколы IP телефонии, выявлены их достоинства и недостатки, рассмотрены основные модели обеспечения качества обслуживания и произведен общий анализ данной технологии в контексте NGN.

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………………...4

 

1. ОСНОВЫ IP ТЕЛЕФОНИИ …………………………………………………………....5

1.1.Рекомендации МСЭ-Т ……………………………………………………...7

1.2. H.323 ………………………………………………………………………..7

1.3. H.248 ………………………………………………………………………..9

1.4. Стандарты компрессии речи ..…………………………………………...10

1.5. Стандарты факсимильной связи на базе IP …..…………………………12

 

2. ПОДКЛЮЧЕНИЕ К IP СЕТИ ………………………………………………………..13

2.1. Принципы построение узла IP-телефонии ……………………………….13

2.2. Выбор подхода к организации узла IP-телефонии ………………………16

2.3. Построение узла IP-телефонии ……………………………………………17

2.4. Биллинговая система для операторов IP-телефонии …………………...19

 

3. ПЕРЕДАЧА ОКС7 ЧЕРЕЗ IP …………………………………………………………21

3.1. Традиционная архитектура ОКС7 …………………………………………21

3.2. Протокол SCTP ……………………………………………………………...23

3.3. Уровень адаптации M2PA ………………………………………………….24

3.4. Уровень адаптации M3UA ………………………………………………....25

3.5. Уровень адаптации SUA ……………………………………………………27

 

4. ОСНОВНЫЕ МОДЕЛИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ОБСЛУЖИВАНИЯ

В СЕТЯХ IP ……………………………………………………………………………29

4.1. Технология дифференцированного обслуживания ……………………….29

4.2. MPLS …………………………………………………………………………30

4.3. RSVP ………………………………………………………………………….32

4.4. IPv6 …………………………………………………………………………...34

 

 5. УСЛУГИ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СЕТИ ДЛЯ IP-ТЕЛЕФОНИИ ………………...37

5.1.Конвергенция Интеллектуальной сети и IP-телефонии …………………...39

5.2. Доступ к услугам ИС из сети H.323  ………………………………………...41

ЗАКЮЧЕНИЕ .………………………………………………………………...…………....48

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ...……………………………………49

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

  Сегодня основной тенденцией развития телекоммуникаций является рост увеличения

трафика IP-связи на фоне возрастающих трудностей, с которыми сталкиваются операторы

традиционной телефонии. Это и инерционность к внедрению новых технических решений, появление конкуренции со стороны мелких провайдеров. Все больше появляется небольших операторов, которые инвестируют современные технологии, открывающие пользователю новые возможности и услуги, и это становится основным двигателем рынка.

Многие фирмы предлагают свою концепцию создания сети нового поколения. Сегодня

сети NGN пока не существует, и можно говорить лишь о конвергентной сети, являющейся

промежуточным этапом на пути к мультисервисной сети. Но это лишь пока. Суть сети

нового поколения сводится к потребности получить любую информацию в любом виде в

любой точке. Здесь играют роль многие факторы: транспортные технологии, услуги,

информационная составляющая, тарификация, взаиморасчеты.

  Перед операторами связи возникает множество вопросов: обеспечение качества

обслуживания, организация межпротокольного взаимодействия, предоставление надежного

транспорта, набор услуг — это лишь некоторые из тех проблем, которые требуют решений.      

     За достаточно короткую историю развития IP-телефонии появились три основных

конкурирующих семейства протоколов: H.323, SIP и MGCP/MEGACO. Рекомендация H.323 появилась первой среди этих стандартов, и является самым распространенным набором протоколов, используемым в сетях IP-телефонии в России, т. к. особенно хорошо подходит для взаимодействия с ТфОП. Следующим по популярности после H.323 является протокол SIP, который базируется на взаимодействии клиент-сервер и служит для предоставления расширенных услуг на базе IP-сетей. Следует отметить новую версию протокола — SIP-T, служащую для переноса сообщений ОКС №7 в виде MIME-объектов между контроллерами сигнализации. В основе семейства протоколов MGCP/MEGACO лежит принцип декомпозиции шлюза. Если говорить о протоколах сетей с коммутацией каналов, то среди них можно выделить протокол сигнализации ОКС№7 и DSS1. В основе них лежит принцип передачи информации управления вызовом в цифровом виде, причем путь ее следования может не совпадать с речевой информацией.

Таким образом, проблема взаимодействия внутри сетей, построенных по различным

протоколам, представляется крайне важной и актуальной на сегодняшний день. В данной курсовой описываются основные аспекты взаимодействия NGN и IP телефонии и их функционирования.

ОСНОВЫ IP -ТЕЛЕФОНИИ

      IP телефония – сравнительно новая технология. Первый пакет программного обеспечения для IP-телефонии был предложен в начале 1995.г. фирмой VocalTec (Израиль). В 1996.г. появился первый специализированный шлюз, выпущенный совместно компаниями VocalTec и Dialogic.

         Протокол IP является протоколом сетевого уровня и входит в стек протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol), первоначально разработанный для сети ARPANET Министерства обороны США. Его назначением было объединение компьютеров в разнородных сетях[10]. Этот протокол получил широкое распространение в мире. В ТСР/IP не специфицированы технологии и стандарты, использующиеся на канальном и физическом уровне. На этих уровнях могут применяться разнообразные технологии локальных и глобальных сетей (Ethernet, FDDI, SDH, ATM, X.25, Frame Relay и др.).

              Основными функциями протокола IP является: организация датаграмм, логическая адресация и маршрутизация пакетов в сети. В настоящее время используется 4-я версия протокола IP (IP v.4) и планируется переход к 6-й версии (IP v.6).

    На транспортном уровне используются протоколы TCP и UDP. TCP - это ориентированный на соединение протокол, он обеспечивает надежную транспортировку данных между прикладными программами, благодаря использованию подтверждений после приема данных и механизма нумерации очередей. В отличие от TCP, протокол UDP обеспечивает негарантированную доставку датаграмм получателю и не поддерживает виртуальные соединения, повторную передачу и переупорядочивание пакетов, в нем отсутствуют и встроенные функции управления потоком данных. Для поддержки общения абонентов в реальном масштабе времени использование повторных передач недопустимо, поскольку это увеличивает задержку. Кроме того, протокол TCP позволяет установить соединение только между двумя конечными точками и, следовательно, не подходит для многоадресной передачи. Поэтому в этих случаях используется транспортный протокол UDP.

       В IP-телефонии возможны различные варианты соединений, далее будут рассмотрены наиболее распространенные из них (рисунок 1).

 

 

                               Рисунок 1 - Возможные варианты соединений

 

 

     ПК одного пользователя - телефонный аппарат (ТА) другого пользователя.

Этот вариант (а на рисунок 1) находит применение в различных справочных и информационных службах Интернет. Пользователь, подключившись к WWW-серверу какой-либо компании, может переговорить с оператором справочной службы. Для этого пользователь выбирает соответствующий пункт меню на WWW-странице, после чего будет установлено речевое соединение между ним и оператором справочной службы.

  ПК одного пользователя - ПК другого пользователя. Речь передается только по сети передачи данных, без выхода в телефонную сеть (б она рисунок 1). Для реализации этого сценария, необходимы компьютеры, оснащенные средствами мультимедиа и подключенные к сети Интернет.

   ТА одного пользователя - ТА другого пользователя. Этот вариант наиболее распространенный (в на рисунок 1). Он сложнее и более дорогостоящий, однако, качество значительно выше. Для того чтобы воспользоваться этой услугой, абонент набирает номер доступа провайдера услуг IP-телефонии, далее пользователь вводит идентификационный номер и номер вызываемого абонента, после чего устанавливается соединение[8].

РЕКОМЕНДАЦИИ МСЭ-Т

     Первое оборудование IP-телефонии строилось по фирменным решениям, что привело к появлению большого числа несовместимых продуктов. Возникла необходимость в стандартизации. В январе 1998 г. МСЭ-Т была принята вторая версия рекомендации Н.323, которая стала основным стандартом в IP-телефонии. Н.323 - это одна из рекомендаций большой серии Н.32х, предназначенной для стандартизации мультимедийной конференц-связи в различных типах сетей, таких как ISDN, ТфОП и др. Первая версия Н.323, предназначавшаяся для локальных сетей, была выпущена в 1996г. Она определяет порядок взаимодействия между системами передачи мультимедийной информации (в том числе, в реальном времени) в сетях с КП, которые могут не обеспечивать гарантированного качества обслуживания. Наибольшее применение этот стандарт получил в сетях на базе ЕР. Вторая версия стандарта была адресована реализации мультимедийной конференц-связи в глобальных сетях.

   В августе 2000 г. МСЭ-Т и рабочая группа Megaco в EETF объявили об окончании работы над рекомендацией Н.248 (ранее имевший название H.GCP).

Н.323

   Рекомендация Н.323 определяет 4 компонента системы связи: привратник (Gatekeeper, иногда переводится как диспетчер), шлюз (Gateway), устройство управления многоточечной конференцией (Multipoint Control Unit, MCU) и терминал (рисунок 3). Вся сеть разбита на зоны. Зона определяется как совокупность всех терминалов, шлюзов и MCU, за работу которых ответственен один привратник[7].

Шлюз реализует следующие основные функции:

· преобразование при передаче аналоговых речевых и служебных сигналов в цифровую форму, включая кодирование со сжатием, упаковку их в IP-пакеты и обратные преобразования на приеме;

· организацию интерфейсов с сетями ТфОП, Интернет и др.;

· распознавание импульсного и тонового набора номера;

· подавление эха и пауз.

    Большая часть этих функций реализуется на прикладном уровне. Шлюз может представлять собой ПК с дополнительными платами, которые называют телефонными или речевыми. Это специализированные устройства, которые построены на базе цифровых процессоров обработки сигналов и выполняют при минимальном участии ПК все функции шлюзов, включая подавление эха. Наиболее сложной и важной частью в телефонной плате является кодек (кодер-декодер) или вокодер, осуществляющий кодирование аналоговых сигналов со сжатием.

 

 

 

                                          Рисунок 2 - Архитектура сети Н.323

     Привратник выполняет функции по управлению доступом в IP-сеть, шириной полосы пропускания и адресацией. Кроме того, он осуществляет управление шлюзами и терминалами своей зоны, исполняет функции службы каталогов, контролирует счета пользователей.

      Н.323-терминалы - это устройства, с помощью которых пользователи могут взаимодействовать друг с другом в реальном времени. Примерами терминалов могут служить ПК с программным обеспечением аудио - или видео-конференций или так называемые интернет-телефоны. Для организаций конференций между тремя и более участниками сеть должна содержать устройство MCU (Multipoint Control Unit).

Взаимодействие между шлюзом и терминалом происходит по протоколам Н.245 и

Q.931 (абонентская сигнализация DSS1).

    Рекомендация Н.323 представляет из себя зонтичный набор стандартов (рисунок 3). В части аудио все компоненты Н.323 должны поддерживать стандарт на оцифровку речи G.711 (ИКМ); другие методы компрессии, такие как G.722, G.723, G.728 и GJ29 рассматриваются в качестве факультативных[4]. В части видео поддерживаются два стандарта: Н.261 и более новый Н.263.

      Для передачи речи по сетям с КП в Н.323 предусмотрены протокол реального времени (RTP, Real Time Protocol) и управляющий протокол реального времени (Real Time Control Protocol RTCP), разработанные IETF (рисунок 3).

                                              Рисунок 3 - Стек протоколов Н.323

   Большинство производителей заявляет о поддержке Н.323. Однако зачастую оборудование одних производителей, построенное по рекомендации Н.323, не может взаимодействовать с оборудованием, построенном на базе этого же стандарта другими производителями, из-за различий в деталях реализации стандарта.

Н.248

 Рабочая группа Megaco в IETF и МСЭ-Т разработали совместно протокол Н.248 (ранее имевший название H.GCP). В августе 2000 г. МСЭ-Т объявила об окончании работы над этой рекомендацией.

Согласно этой рекомендации шлюз разделяется на три функциональных объекта: шлюз сигнализации (Signaling Gateway, SG), транспортный шлюз (Media Gateway, MG) и контроллер транспортного шлюза (Media Controller, MGC) (рисунок 4). Поскольку в ОКС № 7 не предусмотрено взаимодействие с сетями с КП, и в частности с сетями IP, эти задачи возложены на шлюз сигнализации.

  Шлюз сигнализации выполняет функцию транзитного пункта сигнализации для сети с КК. Он принимает пакеты сигнализации трех нижних уровней модели ОКС № 7 и передает сигнальные сообщения верхнего, пользовательского уровня на контроллер транспортного шлюза (MGC). MGC выполняет процедуры сигнализации Н.225 (RAS), Q.931 и Н.245 и по протоколу управления шлюзами MGCP (Media Gateway Control Protocol) передает управляющую информацию на транспортный шлюз. Основная задача MGC - управлять работой транспортного шлюза, т.е. осуществлять контроль за соединениями, использованием ресурсов, трансляцией протоколов и т.п. Протокол MGCP был разработан несколькими компаниями, включая Lucent и Telcordia, и был опубликован, как информативный в IETF. Рекомендация Н.248 была разработана на основе MGCP.

   Одним из недостатков MGCP является то, что он достаточно сложен для небольших приложений, поэтому его рекомендуется использовать на крупных магистральных сетях операторов.

             Рисунок 4 - Функциональная модель сети (шлюз состоит из трех элементов)

Стандарты компрессии речи

При передаче речи в несжатом виде используется большая полоса пропускания, поэтому шлюзы имеют в своем составе так называемый речевой кодек, который состоит из двух элементов: кодера и декодера. Он осуществляет компрессию речи для передачи в сеть IP и ее декомпрессию на принимающей стороне. Существует два основных типа кодеров: сигнальные (waveform coders) и вокодеры (vocoders). Новейшие кодеры могут состоять из двух этих типов, они получили название –гибридные (hybrid coders). Сигнальные кодеры не учитывают природу обрабатываемого сигнала. Вокодеры анализируют характеристики речевого сигнала и передают их значения[2]. В таблице 1 представлены характеристики речевых кодеков с различными стандартами компрессии.

   Сигнальные кодеры достаточно просты и обеспечивают высокое качество, но требуют большой полосы пропускания. Вокодеры (например, G.723.1) обеспечивают высокую степень сжатия, но могут придавать речи «искусственный» характер.

    Гибридные, например (GSM, G.728, G.729) - сочетают в себе высокую степень сжатия, как в вокодерах, и высокое качество сигнальных кодеров, хотя устройство гибридных часто гораздо сложнее.

  Среди международных стандартов компрессии чаше других для систем IP-телефонии рекомендуются G.723.1 и G.729. Чаще всего шлюзы поддерживают несколько стандартов сжатия речи.

           

Таблица 1- Характеристики речевых кодеков

                       

Стандарт компрессии	Метод модуляции	Скорость, кбит/с	Сложность (MIPS)	Качество (MOS)	Алгоритмическая задержка    (мс)
G.711	PCM (ИКМ)	64	(<<1)	Очень хорошее     (4.4)	Незначительная       (0.25)
G.726	ADPCM (АДИКМ)	16,24,32,      40	Низкая   (~1)	Хорошее на 40               кбит/с  Низкое на 16 кбит/с	Незначительная       (0.25)
G.728	LD-CELP	16	Очень высокая (~30)	Хорошее        (4.2)	Низкая     (1.25)
G.729      G.729A	CS-ACELP	8	Высокая    ( 20) Умеренная    ( 11)	Хорошее           (4.2)	Низкая       (25 мс)
G.723    G.723.1	MP-MLQ   ACELP	6.3   5.3	Умеренно- высокая                           ( 18)	Хорошее (3.9)       Среднее	Высокая      (67.5 мс)

MOS (Mean Opinion Score) - субъективная оценка качества речи по 5-бальной шкале  

 MIPS (Millions of Instructions Per Second) - миллионов операций в секунду