2.5. Kết luận
Trong cỏc mạng VoIP hiện nay giao thức bỏo hiệu chớnh được sử dụng là H.323 cho bỏo hiệu liờn gateway và SS7 cho kết nối PSTN. Tuy nhiờn mụ hỡnh bỏo hiệu H.323 rất ớt được chỳ trọng trong cỏc sản phẩm mới. H323 là một chuẩn phức tạp vỡ nú hỗ trợ rất nhiều tớnh năng như truyền hỡnh hội nghị, đảm bảo hoạt động qua lại giữa cỏc mạng khỏc. Thủ tục bỏo hiệu trải qua nhiều giai đoạn, thời gian thiết lập cuộc gọi dài. Cỏc nhà cung cấp thiết bị hỗ trợ H.323 chủ yếu để đảm bảo tớnh tương thớch với mạng đó cú. Cú lẽ trong tương lai H.323 chỉ cú thể đứng vững trong lĩnh vực hẹp là bỏo hiệu những hội nghị audio hay video đặc biệt phức tạp.
SIP được phỏt triển trong mụi trường mạng Internet, khắc phục cỏc nhược điểm của H.323 bằng mụ hỡnh Client/Server. Thiết lập cuộc gọi
trong SIP nhanh hơn, thủ tục bỏo hiệu ớt phức tạp và cú nhiều khả năng mở rộng. Bỏo hiệu trong mạng NGN đó định hỡnh, đú là SIP cho cỏc kết nối trong mạng IP. Đương nhiờn SS7 vẫn đựơc sử dụng để bỏo hiệu với mạng PSTN.
MGCP là phương phỏp bỏo hiệu mới, khả năng kết hợp hoạt động với mạng PSTN (đặc biệt là với mạng bỏo hiệu số 7), cú tớnh mở cho phộp phỏt triển cỏc tớnh năng mới. Tuy nhiờn mụ hỡnh bỏo hiệu dựng MGCP chưa toàn diện nhiều tớnh năng phải dựng H323 hoặc SIP vớ dụ khi thụng tin PC tới PC hay hội nghị truyền thụng và chưa được cỏc hóng hỗ trợ rộng rói.
CHƢƠNG III
GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO CHẤT LƢỢNG THOẠI TRONG VOIP
Chất lượng thoại luụn là yờu cầu đặt lờn hàng đầu trong VoIP. Mạng IP phải giải quyết được cỏc nhõn tố ảnh hưởng đến chất lượng thoại như: trễ (delay), trượt (jitter), mất gúi (packet loss)… Cú thể sẽ khụng thực hiện được việc truyền thoại qua mạng IP nếu khụng cú cỏc giải phỏp đưa ra để giảm cỏc thụng số trờn phự hợp với dữ liệu thoại. Rất nhiều giải phỏp đó được kết hợp với nhau để cú thể tạo ra tớn hiệu thoại cú chất lượng tốt nhất trong VoIP. Sự duy trỡ chất lượng thoại ở mức chấp nhận được mặc dự khụng thể trỏnh khỏi cỏc nguyờn nhõn bất thường trong mạng đạt được nhờ những kĩ thuật nộn thoại, cỏc biện phỏp xử lý khi gúi húa thoại kết hợp với cỏc biện phỏp đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) trong mạng VoIP. Dưới đõy trỡnh bày một số giải phỏp đảm bảo chất lượng thoại trong VoIP:
Kĩ thuật nộn thoại trong VoIP.
Cỏc biện phỏp xử lý khi gúi hoỏ thoại.
Cỏc cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ tại cỏc nỳt mạng: Cỏc thuật toỏn xếp hàng (queuing), cơ chế định hỡnh lưu lượng (traffic shapping), cỏc cơ chế tối ưu hoỏ đường truyền, cỏc thuật toỏn dự đoỏn và trỏnh tắc nghẽn,...
Phương thức bỏo hiệu QoS giữa cỏc nỳt mạng để phối hợp hoạt động đảm bảo chất lượng dịch vụ từ đầu cuối tới đầu cuối.
3.1. Kĩ thuật nộn thoại trong VoIP 3.1.1. Cỏc kĩ thuật mó hoỏ thoại.
Việc truyền thoại muốn được hiệu quả thỡ cần phải sử dụng cỏc phương phỏp mó hoỏ và nộn thoại. Mỗi phương phỏp truyền thoại sử dụng một phương phỏp nộn thoại riờng sao cho đạt được hiệu quả về băng thụng (tốc độ truyền) cũng như về chất lượng thoại. Trong phương phỏp truyền thoại qua giao thức IP người ta cũng sử dụng cỏc phương phỏp nộn thoại riờng nhằm mục đớch gúp
phần giải quyết vấn đề trễ, Jitter và tăng hiệu quả sử dụng băng thụng đường truyền.
Về cơ bản cú ba phương phỏp mó hoỏ tiếng núi: mó hoỏ dạng súng, mó hoỏ nguồn, mó hoỏ lai ghộp. Tất cả cỏc phương phỏp trờn đều tỡm kiếm một cỏch giải quyết cú hiệu quả hơn với những thụng tin dư thừa hay lặp lại luụn hiện diện trong liờn lạc thoại.
+) Mó hoỏ dạng súng (waveform encoding) là mó hoỏ dạng súng của tiếng núi. Tại phớa phỏt, bộ mó húa sẽ nhận cỏc tớn hiệu tiếng núi tương tự liờn tục và mó thành tớn hiệu số trước khi truyền đi. Tại phớa thu sẽ làm nhiệm vụ ngược lại để khụi phục tớn hiệu tiếng núi. Ưu điểm là độ phức tạp, giỏ thành, độ trễ và cụng suất tiờu thụ thấp. Cỏc kiểu mó hoỏ dạng súng thường gặp là điều chế xung mó (PCM), điều chế delta (DM), PCM vi sai thớch nghi (ADPCM)... Chất lượng thoại, vớ dụ PCM, được đỏnh giỏ là tốt. Nhưng nhược điểm là phương phỏp này khụng tạo ra được tiếng núi chất lượng cao tại tốc độ bớt dưới 16 Kb/s.
+) Phương phỏp thứ hai khắc phục nhược điểm trờn, nú xuất phỏt từ nhận xột là trong khoảng thời gian cỡ ms thỡ tiếng núi con người thay đổi khụng nhiều. Điều đú cú nghĩa là ở một chừng mực nào đú, õm thoại cú thể tổng hợp được, dự đoỏn được. Do đú phương phỏp thứ hai dựa trờn nguyờn tắc mụ phỏng, tỏi tạo tiếng núi đựoc gọi là mó hoỏ nguồn phỏt õm (vocoding).
Người ta phõn tớch tiếng núi và rỳt ra cỏc tham số chủ chốt như thụng số về xung õm cơ bản (pitch), thụng số tạp õm (õm vụ thanh), thụng số về bộ lọc khoang miệng... Cỏc tham số này được chuyển thành dũng bit và được truyền đi. Bờn thu nhận được cỏc tham số này và sử dụng cựng mụ hỡnh tiếng núi giống bờn phỏt để tổng hợp lại tiếng núi gốc. Cơ sở để phõn tớch và tổng hợp tiếng núi là mụ hỡnh tạo tiếng núi (hỡnh 3.1).
Vỡ tham số của tiếng núi được truyền đi thay vỡ dạng súng nờn tốc độ bit mó hoỏ tiếng núi thấp hơn nhiều so với phương phỏp trờn (> 2kb/s). Tuy nhiờn chất lượng thoại thường khụng được cao bởi vỡ tỡm một mụ hỡnh tiếng núi phự hợp ( ớt tham số và ớt phức tạp) là khú khăn. Cũng bởi vỡ bản thõn quỏ trỡnh hỡnh thành tiếng núi là phức tạp.
+) Phương phỏp thứ ba được đưa ra, kết hợp từ hai phương phỏp trờn. Dạng súng của tiếng núi được phõn tớch và cỏc tham số chủ yếu được rỳt ra. Tuy nhiờn, thay vỡ truyền ngay cỏc tham số này thỡ bộ mó hoỏ sử dụng chỳng để tổng hợp lại mẫu tiếng núi và so sỏnh nú với dạng gốc. Sau đú bộ mó hoỏ căn cứ vào sự khỏc nhau giữa mẫu thực và mẫu được tổng hợp để chỉnh lại cỏc tham số, sau đú cỏc tham số này mới được chuyển thành dũng bit và truyền đến bờn thu. Phương phỏp này thường được gọi là mó hoỏ sai động (hybid coding).
Trong khi vocoding chỉ tập trung vào phần hữu thanh hoặc vụ thanh của tiếng núi, bỏ đi cỏc thành phần khỏc mà cú thể chứa cỏc thụng tin quan trọng để khụi phục lại õm thanh chuẩn xỏc. Hybrid coding khắc phục nhờ việc lựa chọn tớn hiệu kớch thớch phự hợp để cố gắng tạo ra cỏc tham số mụ tả dạng súng nguyờn thuỷ chớnh xỏc nhất cú thể. Phương phỏp mó hoỏ này cho chất lượng thoại tương đối tốt và tốc độ bớt thấp nhưng độ phức tạp (kốm theo đú là giỏ thành thiết bị cao).
Cụng nghệ vi điện tử phỏt triển mạnh mẽ tạo ra cỏc vi mạch với khả năng tớnh toỏn mạnh và giỏ thành thấp đó cho phộp phỏt triển nhiều kiểu mó hoỏ theo phương phỏp này và nú trở thành cụng nghệ chủ yếu cho mó hoỏ tiếng núi tốc độ thấp (thường hay được gọi là nộn thoại).
Một số kiểu mó hoỏ được dựng như :
o Kớch thớch đa xung MPE (Multi-Pulse Excited).
o Kớch thớch xung đều RPE (Regular-Pulse Excited).
o Dự đoỏn tuyến tớnh, kớch thớch theo mó CELP(Code-Excited Linear Prediction). Kớch thớch tuần hoàn Bộ sinh tạo tạp õm ngẫu nhiờn Bộ lọc tổng hợp Chuyển mạch õm hữu
thanh/ vụ thanh Tiếng núi Thụng số õm cơ bản (pitch) Cỏc tham số phổ tiếng núi
Trong mạng điện thoại thụng thường tớn hiệu thoại được mó hoỏ PCM theo luật A hoặc với tốc độ 64 kb/s. Tớn hiệu thoại với tốc độ thấp hơn (dựng cụng nghệ nộn thoại ở trờn) cú thể được tạo ra theo hai cỏch. Cỏch thứ nhất là tớn hiệu thoại tương tự được biến đổi trực tiếp thành dũng bit tốc độ thấp. Cỏch thứ hai là tớn hiệu thoại tương tự được lấy mẫu và mó hoỏ theo phương phỏp mó hoỏ dạng súng (mó tuyến tớnh hoặc PCM) sau đú mới đưa vào giai đoạn nộn thoại theo phương phỏp mó hoỏ thoại tốc độ thấp. Phần này sẽ tập trung chủ yếu giới thiệu phương phỏp dự đoỏn tuyến tớnh kớch thớch mó CELP. Hiện nay phương phỏp này đó trở thành cụng nghệ chủ yếu cho mó hoỏ tiếng núi tốc độ thấp.
3.1.1.1. Nguyờn lý chung của bộ mó hoỏ CELP
Bộ mó hoỏ CELP sử dụng kĩ thuật phõn tớch bằng tổng hợp để tỡm ra đặc điểm của tớn hiệu kớch thớch. Tớn hiệu kớch thớch là một mục từ của một bảng mó rất lớn được phõn bố một cỏch ngẫu nhiờn. Sơ đồ nguyờn lý của phương phỏp tổng hợp CELP được đưa ra trong hỡnh 3.2:
Hỡnh 3.2. Sơ đồ nguyờn lý phƣơng phỏp tổng hợp CELP.
Tại phớa phỏt, cỏc tham số của bộ lọc tổng hợp cựng với tăng ớch và độ trễ của cỏc bảng mó (bao gồm bảng mó thớch ứng và bảng mó ngẫu nhiờn) được truyền đi. Phớa thu cũng sử dụng bảng mó thớch ứng và bảng mó ngẫu nhiờn như thế để xỏc định tớn hiệu kớch thớch tại lối vào của bộ lọc tổng hợp LPC để tạo tiếng núi tổng hợp. S*(n) Tiếng nói tổng hợp Bộ lọc tổng hơp Trễ khung con Bảng mã thích ứng Khuếch đại Khuếch đại Bảng mã ngẫu nhiên u(n)
Phương phỏp CELP cú nhược điểm là cú một thủ tục đũi hỏi tớnh toỏn nhiều nờn khú cú thể thực hiện trong thời gian thực. Vậy cú một phương phỏp làm đơn giản hoỏ thủ tục soỏt bảng mó sao cho khụng ảnh hưởng tới chất lượng tiếng núi. Đú là phương phỏp sử dụng cỏc bảng mó đại số ACELP (Algebraic CELP) trong đú cỏc bảng mó được tạo ra nhờ cỏc mó sửa lỗi nhị phõn đặc biệt. Và để nõng cao hiệu quả rà soỏt bảng mó, người ta sử dụng cỏc bảng mó đại số cú cấu liờn kết CS-ACELP (Conjugate Structure - ACELP). Khuyến nghị G729 đưa ra nguyờn lý của bộ mó húa tiếng núi sử dụng phương phỏp CS-ACELP mó hoỏ tiếng núi tốc độ 8kbps.
3.1.1.2. Nguyờn lý mó hoỏ SC-ACELP
Tớn hiệu PCM 64kbps đầu vào được đưa qua bộ mó hoỏ thuật toỏn CS- ACELP, được lấy mẫu tại tần số 8kHz, sau đú qua bộ chuyển đổi thành tớn hiệu PCM đều 16 bit đưa tới đầu vào bộ mó hoỏ. Tớn hiệu đầu ra bộ giải mó sẽ được chuyển đổi thành tớn hiệu PCM theo đỳng tớn hiệu đầu vào. Cỏc đặc tớnh đầu vào/đầu ra khỏc, giống như của tớn hiệu PCM 64kbps (theo khuyến nghị ITU G.711), sẽ được chuyển đổi thành tớn hiệu PCM đều 16 bit tại đầu vào bộ mó hoỏ.
Bộ mó hoỏ CS-ACELP dựa trờn cơ sở của bộ mó dự bỏo tuyến tớnh kớch thớch mó CELP.
Bộ mó hoỏ CS-ACELP thực hiện trờn cỏc khung tiếng núi chu kỳ 10ms tương đương 80 mẫu tại tốc độ lấy mẫu là 8000 mẫu/s. Cứ mỗi một khung 10ms, tớn hiệu tiếng núi lại được phõn tớch để lấy cỏc tham số của bộ mó CELP (đú là cỏc tham số của bộ lọc dự bỏo thớch ứng, chỉ số cỏc bảng mó cố định và bảng mó thớch ứng cựng với cỏc tăng ớch của bảng mó). Cỏc tham số này sẽ được mó hoỏ và truyền đi.
Tại phớa thu, cỏc tham số này sẽ được sử dụng để khụi phục cỏc tham số tớn hiệu kớch thớch và cỏc tham số của bộ lọc tổng hợp. Tớn hiệu tiếng núi sẽ được khụi phục bằng cỏch lọc cỏc tham số tớn hiệu kớch thớch này thụng qua bộ lọc tổng hợp ngắn hạn. Bộ lọc tổng hợp ngắn hạn dựa trờn cơ sở bộ lọc dự bỏo tuyến tớnh LP bậc 10. Bộ lọc tổng hợp dài hạn, hay bộ lọc tổng hợp độ cao dựng cho việc làm trũn mó thớch ứng. Sau khi khụi phục, nhờ bộ lọc sau tiếng núi sẽ được làm tăng độ trung thực.
Để thống nhất trong việc truyền dẫn tớn hiệu núi chung và tớn hiệu thoại núi riờng, ITU - T đưa ra cỏc chuẩn mó hoỏ thoại phự hợp cho cỏc phương phỏp truyền thoại. Cỏc chuẩn này nằm trong chuỗi khuyến nghị G của ITU- T: G.711 (PCM 64kb/s), G.722 (Wideband Coder), G.723.1 (MPC-MLQ), G.726 (ADPCM), G.728 (LD-CELP), G.729/G.729A (CS-ACELP).
Mỗi phương phỏp nộn cú đặc điểm riờng và được chọn sử dụng trong những điều kiện cụ thể của mạng. Để đỏnh giỏ cỏc phương phỏp nộn này, ta xem xột chỳng theo 4 đặc điểm:
o Tốc độ bit (bit rate): Tốc độ bit là một đặc tớnh đầu tiờn được nghĩ đến khi núi về một phương phỏp nộn thoại, nú biểu hiện mức độ nộn tớn hiệu của phương phỏp. Cỏc chuẩn nộn thoại trờn cho cỏc tốc độ bit từ 6,4Kps/5,3Kbps (G.723.1) đến 64 Kbps (G.711).
o Độ trễ (Delay): Độ trễ là một đặc tớnh rất quan trọng đối với một ứng dụng truyền thụng thời gian thực. Phương phỏp nộn cho tốc độ bit thấp thường cú độ trễ cao. Để cú thể nộn tớn hiệu, dũng thoại nhất thiết phải được chia thành cỏc khung rồi tiến hành nộn thụng tin của cỏc khung theo một thuật toỏn nào đú. Phương phỏp nộn cú tỷ số nộn cao thường đũi hỏi khung thoại phải lớn. Do vậy, độ trễ là một yếu tố phụ thuộc vào tốc độ bit và kớch thước khung thoại. Khung thoại càng lớn và tốc độ bit càng thấp thỡ độ trễ càng cao.
o Độ phức tạp (Complexity): Nộn thoại được thực hiện bởi những bộ DSP (Digital Speech Proccessor) hay bởi những CPU trong mỏy tớnh. Độ phức tạp của phương phỏp nộn được thể hiện ở số phộp tớnh mà DSP hoặc CPU cần thực hiện trong một đơn vị thời gian (MIPS - Millions of Instruction per Second) và số lượng bộ nhớ cần thiết cho thuật toỏn nộn. Độ phức tạp của phương phỏp liờn quan đến giỏ thành của thiết bị.
o Chất lượng tớn hiệu (Quality): Chất lượng tớn hiệu thoại liờn quan đến tỷ số tớn hiệu trờn tạp õm S/N của tớn hiệu tương tự hay hệ số lỗi bit BER của dũng thoại số tuyến tớnh đầu vào. Với những phương phỏp nộn tớn hiệu xuống tốc độ thấp, phương phỏp mó hoỏ dựa trờn mụ hỡnh phỏt õm. Mụ hỡnh này khụng cú khả năng kết hợp tớn hiệu thoại với cỏc loại tớn hiệu khỏc (nhiễu). Kết quả là chất lượng õm thanh tạo lại giảm mạnh trong điều kiện nhiễu nền lớn.
Hiện tượng này được đặc trưng bởi độ trung thực trờn nhiễu (robustness to background noise). Hiện tượng này đều được thấy ở cỏc phương phỏp nộn tớn hiệu dưới 16Kbps.
Để so sỏnh chất lượng tớn hiệu của cỏc phương phỏp nộn tốc độ thấp, người ta thường dựng chỉ số MOS theo thang từ 0 (mức chất lượng thấp nhất) tới 5 (chất lượng lớ tưởng).
Dưới đõy là cỏc tổng kết cỏc đặc tớnh của cỏc phương phỏp nộn thoại thường được sử dụng trong cỏc hệ thống VoIP (bảng 3.1):
Tốc độ nộn (Kbps) Tài nguyờn CPU cần thiết Chất lượng tiếng núi Độ trễ thuật toỏn (ms) G.711 PCM 64 Khụng 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 bỡnh Tốt (6,4) Khỏ tốt (5,3) 67-97 G.726 ADPCM 40/32/24 Thấp Khỏ tốt (24) Tốt (40) 60 G.728 LD- CELP 16 Rất cao Tốt <<2 G.729 CS- ACELP 8 Cao Tốt 25-35
Bảng 3.1. Tổng kết cỏc đặc tớnh của cỏc phƣơng phỏp nộn thoại 3.2. Cỏc biện phỏp xử lý khi gúi hoỏ thoại truyền trờn mạng IP.
Tớn hiệu thoại sau khi nộn xuống tốc độ thấp được đúng gúi lại để truyền đi trong mạng chuyển mạch gúi. Số hoỏ và gúi hoỏ thoại là hai vấn đề hoàn toàn khỏc nhau. Trong mạng PSTN hiện nay thoại đó được số hoỏ, tuy nhiờn chuyển mạch vẫn là chuyển mạch kờnh. Dữ liệu thoại chỉ được gọi là đó gúi hoỏ nếu những gúi này được chuyển tải trờn mạng chuyển mạch gúi. Chuyển đổi mạng thoại từ chuyển mạch kờnh sang chuyển mạch gúi là vấn đề hết sức khú khăn. Mạng PSTN được phỏt triển như mạng chuyển mạch kờnh để cung cấp tốt hơn cỏc dịch vụ thoại. Cỏc mạng dữ liệu như Internet là mạng chuyển mạch gúi
rất thớch hợp để trao đổi dữ liệu. Bảng 3.2 cho thấy sự khỏc biệt giữa dịch vụ thoại và dịch vụ dữ liệu.
Đặc điểm Dịch vụ thoại Dịch vụ dữ liệu
Tốc độ bớt Cố định và thấp (≤64Kbit/s) Thay đổi (cú thể lờn tới Gbit/s)
Sự bựng nổ về băng thụng
Khụng Lớn (100/1000:1)
Nhạy cảm với lỗi Đàm thoại lại nếu cú lỗi Khụng cho phộp lỗi Gửi lại thụng tin Khụng thể thực hiện được Thực hiện dễ dàng