Cơng nghệ truyền thoại qua mạng IP phải đảm bảo những chỉ tiêu cần thiết như
giảm thiểu các cuộc gọi bị từ chối, sự trễ trên mạng, mất gĩi, và đứt liên kết. Tuy nhiên, các yếu tố này đa phần thuộc về hạ tầng cơ sở mạng. Chức năng điều khiển chất lượng dịch vụ cho VoIP hết sức phức tạp và sẽđược đề cập ở chương sau.
Cĩ 3 yếu tố chính ảnh hưởng tới chất lượng dịch vụ cho thoại trên IP là : 1. Trễ
2. Jitter 3. Mất gĩi tin
Với việc sử dụng giao thức vận chuyển thời gian thực RTP cho phép ta giám sát một vài tham số này từđĩ đánh giá được chất lượng dịch vụ cho thoại trên IP.
3.1.1 Trễ
Khi xây dựng và triển khai một ứng dụng thoại trên IP , cĩ rất nhiều yếu tố làm ảnh h ng t i ch t l ng cu i cùng c a h th ng. ĩ cĩ th là ch t l ng ti ng nĩi qua
các bộ CODEC, giải thơng mạng, các khả năng kết nối mạng... Một yếu tố quan trọng
ảnh hưởng tới chất lượng dịch vụ là trễ.
Trễ được hiểu là khoảng thời gian tiêu tốn để người nghe nghe được âm thanh phát ra từ người nĩi trong một cuộc thoại (từ miệng tới tai). Trễ xuất hiện do rất nhiều nguyên nhân từ khi truyền tin qua mạng IP cho tới lúc phát lại tiếng nĩi tại bên nhận, cĩ thể do bộ xử lý tín hiệu số DSP, do thuật tốn nén và giải nén, jitter...Trễ là yếu tố
khơng thể tránh khỏi.
Thơng thường, trễ trong mạng điện thoại truyền thống vào khoảng 50÷70 ms. Để cĩ
được trễ trong hệ thống VoIP xấp xỉ với trễ trong mạng chuyển mạch kênh là lý tưởng nhưng điều đĩ khĩ cĩ thể thực hiện được. Ta chỉ cĩ thể xây dựng hệ thống VoIP cĩ độ
trễ chấp nhận được đối với người sử dụng. Theo khuyến nghị của ITU thì một hệ
thống VoIP đảm bảo chất lượng dịch vụ tốt khi độ trễ một chiều khơng được vượt quá 150 ms:
Hình 3.1: Quan hệ giữa độ trễ và mức chất lượng
Theo hình trên, độ trễ một chiều khơng được vượt quá 450 ms. Thơng thường trễ
chấp nhận được vào khoảng 200 ms. Các yếu tố gây trễđược tổng hợp ở hình 3.2. a. Trễ do mạng
Quá trình truyền các gĩi tin qua mạng IP tới đích phải qua nhiều thiết bị như
Gateway liên mạng, bộ chọn đường, máy phục vụủy 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 gĩi. Thơng thường, trễ qua mạng vào khoảng 50 ms là chấp nhận được. Ngồi ra nĩ cịn phụ thuộc rất nhiều vào lưu thơng trên mạng và tốc độ kết nối của modem. Tổ chức IETF khuyến nghị về giao thức giữ trước tài nguyên Resource Reservation Protocol (RSVP), cho phép quá trình kết nối giữa các thiết bị Gateway
chọn đường và Gateway. Nhờ vậy, thời gian để phân phối gĩi tin giảm và tăng chất lượng truyền dữ liệu.
Hình 3.2: Các yều tố gây trễ
b. Trễ do bộ CODEC
Quá trình mã hĩa và giải mã qua các bộ CODEC cũng gây ra một lượng trễ. Thơng thường, lượng trễ này hồn tồn xác định đối với từng bộ CODEC:
Bảng 3.1: Trễ của các bộ mã hố TÊN T(Kbps) ốc độ nén TÀI NGUYÊN CPU CẦN THIẾT Chất lượng tiếng nĩi Độ trễ thuật tốn (ms) G.711 PCM 64 Khơng cần Rất tốt <<1 G.722 ADPCM 48/56/64 Thấp Rất tốt (64) <<2 G.723.1 MP- MLQ 6,4/5,3 Trung bình Tốt (6,4) Khá tốt (5,3) 67-97
G.726 ADPCM 40/32/24 Thấp Tốt (40) Khá tốt (24) 60 G.728 LD- CELP 16 Rất cao Tốt <<2 G.729 CS- ACELP 8 Cao Tốt 25-35
Để đánh giá chất lượng nén tiếng nĩi qua bộ CODEC, người ta đưa vào tham số
MOS (Mean Opinion Score) như trong hình 3.3. Giá trị MOS nằm trong khoảng 1÷5, cho biết chất lượng tiếng nĩi được nén so với tiếng nĩi tự nhiên. Bộ CODEC cĩ giá trị
MOS càng cao thì chất lượng càng tốt.
Hình 3.3: Điểm đánh giá trung bình cho các bộ mã hố c. Trễ do hiện tượng Jitter
Quá trình xử lý hiện tượng Jitter bên nhận cũng gây ra trễ. Lượng trễ này thường vào khoảng 10% của trễ truyền lan.
d. Trễ do đĩng gĩi dữ liệu
Quá trình gắn tiêu đề RTP vào mỗi gĩi tin trước khi truyền đi cũng gây ra trễ. Thơng thường lượng trễ này xấp xỉ 15 ms.
Tại bên gửi các gĩi tin được sắp xếp đúng thứ tự trước khi gửi. Vì một lý do nào
đĩ, thứ tự này cĩ thể bị xáo trộn khi tới đích:
Hình 3.4 : Trễ do thứ tự gĩi tin bịđảo
Bên nhận phải sắp xếp lại đúng thứ tự các gĩi tin trước khi giải mã. Quá trình này cũng gây ra trễ.
3.1.2 Jitter
Là hiện tượng sai lệch thời gian, gĩi tin đến đích khơng đúng thời điểm :
Hình 3.5 : Hiện tượng giao động pha
Tiếng nĩi qua bộ CODEC được số hĩa và chia thành các gĩi tin theo một tốc độ xác
định. Để khơi phục lại tiếng nĩi tại phía thu thì tốc độ thu phải bằng với tốc độ phía phát.
Phía thu phải cĩ bộ đệm đủ lớn để chứa được gĩi tin tới muộn nhất rồi sắp xếp lại trước khi khơi phục tiếng nĩi. Tồn bộ cơng việc xử lý này gây ra một trễ. Thơng thường, lượng trễ này vào khoảng 50 ms là chấp nhận được.
Đây là tham số riêng biệt của tiếng nĩi. Để giải quyết hiện tượng này, ta phải xác
định kích thước bộđệm hợp lý, thường qua 2 cách :
Đo các mức gĩi tin khác nhau của bộ đệm trên tồn bộ thời gian và điều chỉnh kích thước bộđệm thích hợp. Cách này chỉ phù hợp với loại mạng ổn định như
Đếm số lượng gĩi tin đến muộn và tính tỷ lệ của chúng trên tổng số gĩi tin nhận
được trong suốt tiến trình. Từ tỷ lệ này, ta cĩ thể sửa lại kích thước bộ đệm. Cách này rất thơng dụng.
3.1.3 Mất gĩi tin
Thực ra Internet là mạng của các mạng và khơng cĩ cơ chế giám sát đầy đủ nào
đảm bảo chất lượng thơng tin truyền. Hiện tượng mất gĩi tin là kết quả của rất nhiều nguyên nhân :
Quá tải lượng người truy nhập cùng lúc mà tài nguyên mạng cịn hạn chế. Hiện tượng xung đột trên mạng LAN. Lỗi do các thiết bị vật lý và các liên kết truy nhập mạng. Mặt khác, quá trình truyền tiếng nĩi phải đáp ứng yêu cầu thời gian thực nên các gĩi tin tiếng nĩi chỉ cĩ ý nghĩa khi thời gian tới đích của chúng khơng được vượt quá thời gian trễ cho phép. Do vậy, khi thời gian này vượt quá trễ thì cũng được hiểu như là mất gĩi tin. Tất cả các điều kiện cĩ thể gây ra hiện tượng mất gĩi tin và thậm chí mất cuộc gọi nếu như số gĩi tin bị mất là quá lớn.
Hiện tượng mất gĩi tin gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới chất lượng cuộc gọi, nhất là
đối với mạng IP vì các dịch vụ trên đĩ thường khơng được bảo đảm. Trong mạng IP, gĩi tin thoại cũng giống như gĩi tin dữ liệu thơng thường, nhưng trong trường hợp dữ
liệu thì cĩ cơ chế phát lại. Đồng thời, do tính đặc thù của tín hiệu tiếng nĩi liên quan tới thời gian thực nên hiện tượng mất gĩi tin thoại gây ra các sự cố nghiêm trọng trong quá trình khơi phục tiếng nĩi.
Với việc sử dụng giao thức RTP để vận chuyển và giám sát luồng thơng tin thì hiện tượng mất gĩi tin được phát hiện kịp thời. Ta cĩ thể giám sát số lượng gĩi tin bị mất. Tại mỗi bên tham gia hội thoại cĩ thể tính tương đối chính xác tỷ lệ gĩi tin bị mất
được gửi từ một nguồn. Thơng thường tỷ lệ này vào khoảng 5-10%. Tỷ lệ này được trao đổi qua trường fraction lost trong các bản tin thống kê được gửi một cách định kỳ. Trên thực tế, mỗi gĩi tin tiếng nĩi chỉ khoảng vài chục byte nên ta vẫn cĩ cơ chế
Hình 3.6 : Mơ tả hiện tượng mất gĩi tin
Một số cách để giải quyết vấn đề trên :
Tựđộng gửi lại gĩi tin cuối cùng khi phát hiện cĩ hiện tượng mất gĩi tin. Đây là một cách thức đơn giản, chỉ phù hợp khi gĩi tin bị mất khơng kề nhau và hiện tượng mất gĩi tin là khơng thường xuyên.
Gửi kèm các thơng tin thừa ở gĩi tin thứ (n+1) trong n gĩi tin gửi. Cách thức này cĩ ưu điểm là xác định được chính xác gĩi tin nào bị mất, nhưng lại làm giảm hiệu suất sử dụng đường truyền và tăng độ trễ do phải xử lý các gĩi tin thừa.
3.2 Các biện pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ
Cĩ nhiều biện pháp nhằm đảm bảo QoS được thực hiện. Để tối thiểu thời gian trễ
của các gĩi thoại so với các gĩi của các dịch vụ khác, các gĩi thoại được truyền bởi giao thức UDP (User Datagram Protocol). Giao thức này khơng cung cấp cơ chế
truyền lại do vậy gĩi thoại sẽ được xử lý nhanh hơn. Để loại bỏ tiếng vọng người ta sử
dụng bộ triệt tiếng vọng ở các gateway. Và cịn cĩ các biện pháp sau: - Nén tín hiệu thoại.
- Các cơ chếđảm bảo chất lượng dịch vụ tại các nút mạng: Các thuật tốn xếp hàng (queuing), cơ chế định hình lưu lượng (traffic shape), các cơ chế tối ưu hố đường truyền, các thuật tốn dựđốn và tránh tắc nghẽn,...
- Phương thức báo hiệu QoS, chính sách QoS cĩ vạch ra mong muốn thực hiện nhiệm vụ quản lý chất lượng dịch vụ theo một kế hoạch cụ thể và thơng qua hệ thống báo hiệu QoS để ra lệnh cho các cơ chế chấp hành tại các nút mạng thực hiện nhiệm vụđĩ.
3.2.1 Nén tín hiệu thoại
Trong mạng điện thoại thơng thường tín hiệu thoại được mã hỗ PCM theo luật A hoặc à với tốc độ 64Kbps. Với cách mã hố này cho phép khơi phục một cách tương
đối trung thực các âm thanh trong giải tần tiếng nĩi. Tuy nhiên trong một số ứng dụng
đặc biệt yêu cầu truyền âm thanh với tốc độ thấp hơn ví dụ như truyền tín hiệu thoại trên mạng Internet. Từ đĩ đã xuất hiện một số kỹ thuật mã hố và nén tín hiệu tiếng nĩi xuống tốc độ thấp cụ thể như G.723.1, G.729, G729A, và GSM. G.729 được ITU- T phê chuẩn vào năm 1995. Mặc dù đã được ITU phê chuẩn hố, diễn đàn VoIP năm 1997 đã thoả thuận đề xuất G.723.1 thay thế cho G.729. Tổ hợp cơng nghiệp trong đĩ dẫn đầu là Intel và Microsoft đã chấp nhận hi sinh một chút chất lượng âm thanh để đạt được hiệu quả băng thơng lớn hơn. Thật vậy, G.723.1 yêu cầu 5,3/6,3 kbps trong khi G.729 yêu cầu 8 kbps. Việc cơng nhận tiêu chuẩn nén và giải nén là một bước tiến quan trọng trong việc cải thiện độ tin cậy và chất lượng âm thanh.
Về cơ bản các bộ mã hố tiếng nĩi cĩ ba loại: mã hố dạng sĩng (wave form), mã hố nguồn (source) và mã hố lai (hybrid) (nghĩa là kết hợp cả hai loại mã hố dạng trên).
Nguyên lý bộ mã hố dạng sĩng là mã hố dạng sĩng của tiếng nĩi. Tại phía phát, bộ mã hĩa sẽ nhận các tín hiệu tiếng nĩi tương tự liên tục và mã thành tín hiệu số
trước khi truyền đi. Tại phía thu sẽ làm nhiệm vụ ngược lại để khơi phục tín hiệu tiếng nĩi. Khi khơng cĩ lỗi truyền dẫn thì dạng sĩng của tiếng nĩi khơi phục sẽ rất giống với dạng sĩng của tiếng nĩi gốc. Cơ sở của bộ mã hố dạng sĩng là: Nếu người nghe nhận
được một bản sao dạng sĩng của tiếng nĩi gốc thì chất lượng âm thanh sẽ rất tuyệt vời. Tuy nhiên, trong thực tế, quá trình mã hố lại sinh ra tạp âm lượng tử (mà thực chất là
một dạng méo dạng sĩng), song tạp âm lượng tử thường đủ nhỏ để khơng ảnh hưởng
đến chất lượng tiếng nĩi thu được. ưu điểm của bộ mã hố loại này là: độ phức tạp, giá thành thiết kế, độ trễ và cơng suất tiêu thụ thấp. Người ta cĩ thể áp dụng chúng để mã hố các tín hiệu khác như: tín hiệu báo hiệu, số liệu ở dải âm thanh và đăc biệt với những thiết bị ở điều kiện nhất định thì chúng cịn cĩ khả năng mã hố được cả tín hiệu âm nhạc. Bộ mã hố dạng sĩng đơn giản nhất là điều xung mã (PCM), điều chế
Delta (DM)... Tuy nhiên, nhược điểm của bộ mã hố dạng sĩng là khơng tạo được tiếng nĩi chất lượng cao tại tốc độ bit dưới 16kbit/s, mà điều này được khắc phục ở bộ
mã hố nguồn.
Nguyên lý của mã hố nguồn là mã hố kiểu phát âm (vocoder), ví dụ như bộ mã hố dự báo tuyến tính (LPC). Các bộ mã hố này cĩ thể thực hiện được tại tốc độ bít cỡ 2kbps. Hạn chế chủ yếu của bộ mã hố kiểu phát âm LPC là giả thiết rằng: tín hiệu tiếng nĩi bao gồm cả âm hữu thanh và âm vơ thanh. Do đĩ với âm hữu thanh thì nguồn kích thích bộ máy phát âm sẽ là một dãy các xung, cịn với các âm vơ thanh thì nĩ sẽ
là một nguồn nhiễu ngẫu nhiên. Trong thực tế cĩ rất nhiều cách để kích thích cơ quan phát âm. Và để đơn giản hố, người ta giả thiết rằng chỉ cĩ một điểm kích thích trong tồn bộ giai đoạn lên giọng của tiếng nĩi, dù cho đĩ là âm hữu thanh.
Cĩ rất nhiều phương pháp mơ hình hố sự kích thích: Phương pháp kích thích đa xung (MPE), phương pháp kích thích xung đều (RPE), phương pháp dự đốn tuyến tính kích thích mã (CELP). Phần này sẽ tập trung chủ yếu giới thiệu phương pháp dự đốn tuyến tính kích thích mã CELP. Hiện nay phương pháp này đã trở thành cơng nghệ chủ yếu cho mã hố tiếng nĩi tốc độ thấp.