Thoại là ứng dụng có tính thời gian thực. Vì thế trễ có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng thoại. Người ta mong muốn trễ càng ít càng tốt.
Trễ là thời gian âm thanh đi từ miệng người nói đến tai người nghe. Đây là một thông số ảnh hưởng chủ yếu đến cuộc đàm thoại. Trong mạng điện thoại IP, độ trễ là tổng của một vài yếu tố như đệm đầu cuối, trễ đóng gói, trễ mã hoá, trễ truyền dẫn...Nói chung thì có thể chia trễ thành 2 loại là: Trễ cố định và Trễ biến đổi.
Hình 3.1: Các nguồn gây trễ
Một vài nghiên cứu về độ trễ đã đưa ra kết luận sau:
- Độ trễ nhỏ (10-15ms) sẽ không làm ảnh hưởng đến người sử dụng vì thế các bộ điều chỉnh tiếng vang điện tử là không cần thiết.
- Độ trễ lên đến 150ms thì yêu cầu có điều khiển vang nhưng không làm giảm tác động lẫn nhau có hiệu quả những người sử dụng.
- Nếu độ trễ nằm trong khoảng 200-400ms, hiệu quả tác động qua lại sẽ thấp hơn nhưng vẫn có thể thực hiện được cuộc gọi.
- Nếu độ trễ >400ms, sẽ rất khó thực hiện cuộc đàm thoại bình thường và yêu cầu phải có quy luật đàm thoại.
Với mạng điện thoại IP, chỉ tiêu về độ trễ thường yêu cầu phải nhỏ hơn 300ms.
Hình 3.2: Mối quan hệ giữa chất lượng thoại và độ trễ 3.1.1.1. Trễ truyền lan:
Tốc độ ánh sáng trong chân không là 3.108 m/s. Điện tử truyền trong cáp đồng cỡ 2.108 m/s. Nếu cáp dài nửa vòng trái đất thì trễ một chiều cỡ 100ms. Mặc dù trễ này nhỏ cho tai người nhưng cùng với trễ khác có thể gây ra giảm chất lượng tiếng nói.
3.1.1.2. Trễ mã hoá
Hình 3.3 Quá trình đóng khung
Nếu kích thước khung lớn thì quá trình xử lý trong DSP sẽ hiệu quả hơn nhưng lại tăng độ trễ. Tuy nhiên mỗi chuẩn mã hoá thoại đều có kích thước khung tiêu chuẩn.
Bộ mã hóa Băng thông (b/s) Thời gian 1 khung (ms) Kích thước khung (byte) G.711 64000 15 120 G.723.1 5300-6300 30 24 G.729a 8000 10 10 SX7300 7300 15 14 SX9600 9600 15 18
Bảng 3.1: Kích thước khung của một số bộ mã hoá 3.1.1.3 Trễ do đóng gói dữ liệu
Cần phải đóng gói thành các gói tin thoại trước khi truyền đi. Một gói tin thoại có cấu trúc như hình vẽ sau:
Hình 3.4: Cấu trúc gói tin thoại IP
Mỗi gói tin bắt đầu với các tiêu đề IP, UDP và RTP tổng cộng là 40byte. Mỗi gói tin có thể chứa một hay nhiều khung thoại. Tuy nhiên càng nhiều khung thì trễ càng lớn. Ta có thể nén phần tiêu đề này lại bằng cách sử dụng CRTP ( RTP Header Comomprression).
3.1.1.4. Trễ do bộ đệm jitter
Quá trình xử lý hiện tượng jitter bên nhận cũng gây ra trễ. Lượng trễ này thường vào khoảng 50ms.
Tại bên gửi các gói tin được sắp xếp đúng thứ tự trước khi gửi nhưng vì một lý do nào đó , thứ tự này có thể bị xoá trộn khi tới đích. Bên nhận phải sắp xếp lại đúng thứ tự các gói tin trước khi giải mã. Quá trình này cũng gây ra trễ.
3.1.1.6. Trễ do mạng
Trong mạng chuyển mạch gói, trễ còn gây ra bởi các nguyên nhân khác. Quá trình truyền các gói tin qua mạng IP tới đích phải qua nhiều thiết bị như Gateway liên mạng, bộ chọn đường, máy phục vụ uỷ quyền. Mỗi quá trình xử lý trên các thiết bị này đều gây ra một lượng trễ đáng kể. Đây là lượng trễ cố hữu của mạng chuyển mạch gói. Thông thường, trễ qua mạng vào khoảng 50ms là chấp nhận được. Ngoài ra nó còn phụ thuộc rất nhiều vào lưu thông trên mạng. Tổ chức IETF đã định nghĩa giao thức giữ trước tài nguyên (Resource Reservation Protocol - RSVP), cho phép quá trình kết nối giữa các thiết bị Gateway được đảm bảo về giải thông. RSVP cho phép tạo và quản lý các tài nguyên trên các bộ chọn đường và Gateway. Nhờ vậy, thời gian để phân phối gói tin giảm và tăng chất lượng truyền.
Bảng 3.2: Các nhân tố chính gây trễ và độ lớn trễ của chúng 3.1.2. Jitter
Là hiện tượng sai lệch thời gian gói tin đến đích không đúng thời điểm. Nếu như trễ ảnh hưởng đến thời gian gói tin tiếng nói đi qua mạng, thì jitter ảnh hưởng đến sự đều đặn trong dòng thông tin tới phía nhận. Ta thấy bên phía phát, các gói tin cách đều nhau khi gửi nhưng khi tới phía nhận thì không đều đặn nữa.
Nguồn gốc gây trễ Độ lớn(ms)
Tạo khung 30 (G.723.1)
Thời gian xử lý 10 (Trường hợp xấu nhất)
Đóng gói 30 (2 khung/1gói)
Trễ do mạng 50 (Phụ thuộc vào tải mạng)
Hình 3.5: Hiện tượng Jitter
Jitter làm ảnh hưởng đến việc giải mã, có thể dẫn tới chất lượng tiếng nói kém đi. Giải quyết vấn đề này bằng cách cài đặt một Jitter Buffer bên phía nhận. Bộ đệm này nằm trước bộ giải mã, có tác dụng hiệu chỉnh lại khoảng cách giữa các gói tin, làm cho chúng tới bộ giải mã một cách đều đặn. Ngoài tác dụng đó, Jitter Buffer còn có thể sắp xếp lại thứ tự các gói tin, trong trường hợp chúng tới bên phía nhận không đúng thứ tự (gói tin gửi đi trước lại đến sau).
Bộ đệm ở phía thu phải lớn để chứa được các gói tin tới muộn nhất rồi sắp xếp lại trước khi khôi phục tiếng nói. Toàn bộ công việc xử lý này gây ra một lượng trễ. Do đó bộ đệm này cũng không được lớn quá.
Ta phải xác định kích thước bộ đệm hợp lý, thường qua 2 cách:
Đo các mức gói tin khác nhau của bộ đệm trên toàn bộ thời gian và điều chỉnh kích thước bộ đệm cho thích hợp. Cách này chỉ phù hợp với loại mạng ổn đình như các mạng cục bộ, mạng ATM...
Đếm số lượng gói tin đến muộn và tính tỷ lệ của chúng trên tổng số gói tin nhận được trong suốt tiến trình. Từ tỷ lệ này, ta có thể sửa lại kích thước bộ đệm tuỳ thuộc vào tình trạng của mạng. Kích thước của bộ đệm Jitter cỡ 50- 100ms. Một số hãng như Cisco, Netrix thiết kế những bộ đệm thông minh tự động điều chỉnh theo sự biến đổi của mạng.
3.1.3. Sai thứ tự (Miss Order):
Là hiện tượng các gói tin đến bên phía nhận không đúng thứ tự, gói tin gửi đi trước có thể lại tới sau. Bởi vì các gói tin có thể tới đích bằng những con đường khác nhau với các tốc độ khác nhau tuỳ vào tình trạng của tuyến đường mà gói tin đó đi qua. Việc lẫn lộn thứ tự các gói tin như vậy gây ra hiện tượng tiếng nói không được khôi phục lại một cách chính xác phía bên nhận.
Hình 3.6: Miss Order, gói tin 2 phát trước lại tới sau gói tin 3 Hình 3.7: Sự sắp xếp lại các gói tin.
Trong kỹ thuật, sử dụng Jitter Buffer ngoài việc tránh hiện tượng Jitter như đã đề cập ở trên, còn có tác dụng chống lại việc sai thứ tự. Vì trong bộ đệm này các gói tin sẽ được sắp xếp lại theo đúng thứ tự của chúng dựa vào trường Sequence Number.
3.1.4. Mất gói (Lost Packet).
Hiện tượng mất gói tin là kết quả của rất nhiều nguyên nhân:
• Quá tải lượng người truy cập cùng lúc trong khi tài nguyên mạng còn hạn chế. • Hiện tượng xung đột trên mạng LAN.
• Lỗi do các phương thức vật lý. • Thiếu các liên kết truy nhập mạng.
Hình 3.9: Mô tả sự mất gói tin thoại
Mặt khác, quá trình truyền tiếng nói mang tính thời gian thực nên các gói tin tiếng nói chỉ có ý nghĩa khi thời gian tới đích của chúng không được vượt quá lượng trễ cho phép. Nếu vượt quá thì cũng được hiểu như là mất gói tin. Nếu số gói tin mất là quá lớn có thể dẫn đến mất cuộc gọi.
Hiện tượng mất gói tin gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới chất lượng thiết lập cuộc gọi. Trong mạng IP, gói tin thoại cũng giống như gói tin dữ liệu thông thường, nhưng trong trường hợp dữ liệu thì có cơ chế phát lại. Đồng thời, do tính đặc thù của tín hiệu tiếng nói liên quan tới thời gian thực nên hiện tượng mất gói tin thoại gây ra các sự cố nghiêm trọng trong quá trình khôi phục tiếng nói.
• Các giải pháp để khắc phục hiện tượng mất gói tin
• Nâng cấp mạng: đây là một phương pháp tốn kém và là một giải pháp dài hạn.
• Thay thế bằng khoảng lặng: nghĩa là thay thế các gói bị huỷ bằng các mẫu có
biên độ bằng 0. Với phương pháp này chất lượng chỉ được đảm bảo khi kích thước gói nhỏ lớn hơn 16ms với tỉ lệ mất gói là 1%.
• Thay thế bằng nhiễu nền: cách này tốt hơn cách thay thế bằng khoảng lặng.
• Xen khung: ta có thể giảm hậu quả của việc mất gói bằng cách xen các khung
thoại vào các gói khác nhau. Ở phương pháp này khi mất một gói sẽ chỉ gây ra nhiều khoảng ngắt nhỏ mà người nghe có thể chấp nhận được. Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là làm tăng độ trễ vì khung thoạivào nhiều gói, do vậy ở phía thu phải chờ tất cả các gói đó đến mới sắp xếp lại được khung thoại.
Một số bộ giải mã thực hiện các phép toán nội suy để loại bỏ sự gián đoạn trong dòng tiếng nói. Tuy nhiên việc mất gói tin trở thành vấn đề khi tỉ lệ mất vượt quá một ngưỡng (khoảng 5% số gói) hoặc hiện tượng mất xảy ra dồn dập (mất nhiều gói liền nhau). Trong những tình huống đó thì dù cho dù bộ giải mã tốt nhất cũng không thể che giấu được người sử dụng, dẫn đến làm giảm chất lượng tiếng nói.
Do vậy cần phải thực hiện các biện pháp để giảm ảnh hưởng của mất gói đến chất lượng thoại. Đó là kỹ thuật che giấu mất gói hay nói rộng hơn là khôi phục mất gói, nghĩa là làm cho người nghe không cảm nhận thấy khó chịu do tác động của mất gói gây nên như trình bày ở trên.
3.1.5. Vọng (Echo)
Echo trong điện thoại có thể từ không đáng kể đến không thể chấp nhận được. Nghe tiếng của mình tại ống nghe trong khi đang nói chuyện là bình thường, nhưng nếu nghe tại ống nghe mà trễ hơn 25ms có thể gây ra sự ngắt quãng và phá vỡ nhịp điệu cuộc nói chuyện.
Trong mạng thoại truyền thống, echo được sinh ra bởi sự không phối hợp trở kháng trong mạch chuyển đổi hai dây-bốn dây. Trong mạng chuyển mạch gói hiện nay, ta có thể tạo những bộ khử echo trong các codec tốc độ bit thấp. Ở một số hãng, echo được khử bằng phần mềm.
Để hiểu được bộ khử echo làm việc như thế nào, ta đi tìm hiểu echo được sinh ra từ đâu:
Giả sử người sử dụng A gọi đến cho B. Tiếng nói của A đến B gọi là G. Khi gặp sự không phối hợp trở kháng hoặc những môi trường gây ra echo. Nó bị bật trở lại A, A có thể nghe thấy trễ vài ms so với tiếng A nói thực tế.
Bộ khử echo bị giới hạn bởi tổng số thời gian đợi cho tiếng của người A trong lúc người A đang nói trong một khoảng thời gian (-G). Bộ khử echo nghe âm thanh đến từ B và trừ đi (-G) để khử echo.
Bộ khử echo bị giới hạn tổng số thời gian đợi cho tiếng nói phản xạ về, gọi là echo tail. Cissco đã tạo cấu hình cho echo tail là 16; 24 và 32ms.
Điều quan trọng để đặt cấu hình thích hợp cho bộ khử echo khi khởi tạo cài đặt thiết bị VoIP. Nếu ta không đặt cấu hình thích hợp cho bộ khử echo, người gọi sẽ nghe được tiếng vọng trong suốt cuộc gọi.
3.2. GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG THOẠI
3.2.1. Mô hình chất lượng dịch vụ cho mạng IP.
Trên mạng NGN cũng như các mạng IP khác chất lượng dịch vụ được chia theo 3 mức:
Hình 3.10: Mô hình mức QoS cho mạng IP.
• Best-Effort : dịch vụ cố gắng tối đa. • IntServ : mô hình dịch vụ tích hợp. • Mô hình dịch vụ DiffServ
3.2.1.1. Dịch vụ cố gắng tối đa (Best Effort).
Đây là dịch vụ phố biến trên mạng Internet hay mạng IP nói chung. Các gói thông tin được truyền đi theo nguyên tắc “đến trước được phục vụ trước” mà không quan tâm đến đặc tính lưu lượng của dịch vụ là gì. Điều này dẫn đến rất khó hỗ trợ các dịch vụ đòi hỏi độ trễ thấp như các dịch vụ thời gian thực hay video. Cho đến thời điểm này, đa phần các dịch vụ được cung cấp bởi mạng
Internet vẫn sử dụng nguyên tắc Best Effort này. Đối với lưu lượng thoại thì dịch vụ này hầu như không đảm bảo yêu cầu cho chất lượng theo yêu cầu.
3.2.1.2. Dịch vụ tích hợp (IntServ).
Trong phạm vi hệ thống dịch vụ tích hợp, chất lượng dịch vụ (QoS) quan tâm đến việc phân phát các gói dịch vụ được thực hiện trong mạng và được yêu cầu theo các thông số: băng thông dành riêng, độ trễ gói, tỉ lệ mất gói nhằm đáp ứng cho QoS cho yêu cầu ứng dụng.
Hình 3.11 : Mô hình họat động của IntServ.
Trong mô hình IntServ của IETF, việc phân phố băng thông trong mạng phải được đảm bảo. Cơ sở của phương pháp dịch vụ tích hợp (Integrated Service) là quản lý lưu thông với nguyên lý chấp nhận điều khiển, và mô hình IntServ dựa trên nguyên lý đăng ký riêng tài nguyên mạng. Với phương thức giữ trước tài nguyên, IntServ xác định QoS yêu cầu ứng dụng để cung cấp tài nguyên như các dịch vụ thời gian thực đảm bảo độ trễ thấp...
Các đặc điểm cơ bản của IntServ:
• Giao thức thiết lập setup: cho phép các máy chủ và các router dự trữ động tài nguyên mạng để xử lý các yêu cầu của các luồng lưu lượng riêng, RSVP, Q.2391 là một trong những giao thức đó.
Appl Set up
Classifier Scheduler
Set up Giao thức định tuyến (Database) Điều khiển chấp nhận/cưỡng bức Classifier Scheduler Data IP Data
• Đặc tính luồng : xác định chất lượng dịch vụ QoS sẽ cung cấp cho các luồng xác định. Luồng ở đây được định nghĩa như một luồng các gói từ nguồn đến đích có cùng yêu cầu về QoS. Về nguyên tắc có thể đặc tính luồng như băng thông tối thiểu mà mạng bắt buộc phải cung cấp để đảm bảo QoS cho các luồng yêu cầu.
• Điều khiển lưu lượng: trong các thiết bị thiết bị mạng (máy chủ, router, chuyển mạch) có thành phần điều khiển và quản lý tài nguyên mạng cần thiết để hỗ trợ QoS theo yêu cầu. Các thành phần điều khiển lưu lượng này có thể được khai báo bởi giao thức báo hiệu RSVP hay nhân công. Thành phần điều khiển lưu lượng bao gồm:
• Điều khiển chấp nhận: xác định các thiết bị mạng có khả năng hỗ trợ QoS theo yêu cầu hay không.
• Thiết bị phân loại (Classifier): nhận dạng và chọn lựa lớp dịch vụ trên nội dung của một số trường nhất định trong mào đầu gói.
• Thiết bị phân phối (Scheduler): cung cấp các mức chất lượng dịch vụ QoS qua kênh ra của thiết bị mạng.
• Các mức chất lượng dịch vụ cung cấp bởi IntServ gồm:
• Dịch vụ đảm bảo: băng thông dành riêng, trễ có giới hạn và không bị thất thoát gói tin trong hàng. Các ứng dụng cung cấp thuộc loại này có thể kể đến: thoại, hội nghị truyền hình chất lượng cao, thanh toán tài chính thời gian thực,…
• Dịch vụ kiểm soát tải: không đảm bảo về băng thông hay trễ, nhưng khác với best effort ở điểm không giảm chất lượng một cách đáng kể khi tải mạng tăng lên. Dịch vụ này phù hợp cho các ứng dụng không nhạy cảm lắm với độ trễ hay mất gói như truyền hình multicast audio/video chất lượng trung bình.
• Dịch vụ best effort.
Hình 3.12 : Mô hình hoạt động IntServ.
Hình 3.12 cho thấy một ví dụ đơn giản của IntServ. Người gửi mô tả các yêu cầu và đặc tính của dòng lưu lượng đến mạng. Mạng sẽ chấp nhận yêu cầu
đó chỉ khi ở đó có đủ tài nguyên. Nếu đăng ký được thiết lập cho đến điểm cuối,