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
Độ trễ Thấp và ổn định Lớn hơn và cú thể thay đổi
Kiểu kết nối
Hướng kết nối Cú thể là phi kết nối
Bảng 3.2. Dịch vụ thoại và dịch vụ dữ liệu
Những nỗ lực đầu tiờn thực hiện gúi hoỏ thoại đó khụng thành cụng trờn cỏc mạng dữ liệu được thiết kế cho cỏc dịch vụ dữ liệu. Vấn đề khụng đơn giản chỉ là số hoỏ giọng núi, chuyển thành gúi và truyền qua mạng. Để gúi hoỏ thoại thành cụng cần phải xem xột cỏc tham số sau.
Trễ đúng gúi. Trễ đúng gúi xuất hiện khi cỏc mẫu thoại (được lấy với tần suất 8000 lần trong một giõy, tức 125 s một lần) được lưu lại cho đủ thành một gúi. Độ trễ này phụ thuộc vào kớch thước gúi. Chỳng ta xem xột thớ dụ sau. Mào đầu của gúi IP cú kớch thước 20 byte. Như thế thật vụ nghĩa nếu gúi chứa ớt hơn 20 mẫu thoại, mỗi mẫu 8 bớt. Trờn thực tế số lượng mẫu thoại trong một gúi IP cao hơn rất nhiều. Kớch thước mặc định của gúi IP thụng thường là 570 byte (mặc dự kớch thước tối đa của gúi IP là 64 kbyte nhưng thực tế người ta khụng sử dụng gúi lớn như vậy). Như vậy độ trễ gúi là 125 s x 570 = 71.250 s hay 71 ms. Nếu độ trễ giữa hai đầu cuối tương đối lớn thỡ cần phải thực hiện thờm thao tỏc loại bỏ tiếng vọng thậm chớ cả trong trường hợp cuộc gọi VoIP được thực hiện qua khoảng cỏch vật lý rất ngắn.
Trễ nối tiếp (jitter). Trễ nối tiếp xuất hiện khi gúi dữ liệu thoại xếp hàng sau một số gúi dữ liệu khụng nhạy cảm lắm với độ trễ. Trễ nối tiếp xuất hiện tại tất cả cỏc bộ định tuyến mà gúi đi qua, do đú tổng trễ nối tiếp cú thể làm mộo thoại bằng nhiều cỏch khỏc nhau.
Tốc độ bớt tương đối cao của thoại. Thoại thụng thường được số hoỏ theo chuẩn PCM và đũi hỏi băng thụng là 64 kb/s cho một cuộc gọi. Tuy nhiờn nhiều
tuyến kết nối cỏc bộ định tuyến cũng chỉ cú băng thụng là 64 kb/s. Như thế chỉ một kờnh thoại đó chiếm hết băng thụng của tuyến kết nối. Ngoài ra cũn phải tớnh đến mào đầu của gúi. Như vậy thực tế là một kờnh thoại (trong mạng chuyển mạch gúi) sẽ chiếm băng thụng lớn hơn 64 kb/s.
Tốc độ bớt khụng đổi của thoại. Thoại được số hoỏ theo chuẩn PCM cú tốc độ bớt là 64 kb/s (tớnh cả hai chiều). Đặc điểm của cuộc gọi thoại là thời gian im lặng chiếm khoảng 50% tổng thời gian cuộc gọi (cũng tớnh cả hai chiều). Tuy nhiờn nếu loại bỏ hẳn cỏc mẫu thoại tương ứng với khoảng lặng, khụng đúng gúi và khụng gửi đi cỏc mẫu này thỡ người đàm thoại cú thể tưởng đường giõy thoại cú trục trặc do khụng cú độ ồn nền. Do đú việc đảm bảo độ ồn nền trong cỏc cuộc gọi VoIP là rất cần thiết.
Gửi lại gúi khi cú lỗi. Mạng IP là mạng phi kết nối và khụng xử lý lỗi ở lớp IP. Cỏc bộ định tuyến IP chỉ đơn thuần loại bỏ cỏc gúi cú lỗi. Tuy nhiờn lớp TCP chạy trờn nền IP sẽ gửi lại tất cả cỏc gúi cú lỗi. Cú vẻ như TCP là lựa chọn tốt nhất cho VoIP, bởi vỡ TCP cũng hướng kết nối như thoại nhưng thực ra cỏc gúi chứa cỏc mẫu thoại khụng thể gửi lại được (thoại mang tớnh thời gian thực). Việc mất một số gúi trong khi đàm thoại là cú thể chấp nhận được vỡ thế UDP là giao thức phự hợp hơn. Thế nhưng UDP khụng phải là giao thức hướng kết nối và sẽ khú khăn hơn rất nhiều trong việc điều khiển cỏc kết nối VoIP.
Thật may mắn, tất cả cỏc vấn đề nờu trờn đều đó cú giải phỏp tương ứng. Những giải phỏp này kết hợp với nhau cho phộp gúi hoỏ thoại truyền trờn mạng IP đồng thời đảm bảo chất lượng thoại trong VoIP.
3.2.1. Giao thức truyền tải thời gian thực (RTP)
IP là giao thức lớp mạng. Giữa lớp mạng và lớp dịch vụ mức ứng dụng là lớp giao vận. Ở lớp này cú hai giao thức chớnh là TCP và UDP. TCP là giao thức hướng kết nối, cú vẻ thớch hợp cho dịch vụ thoại. Tuy nhiờn, giao thức TCP bao giờ cũng gửi lại cỏc gúi bị lỗi và do đú cú thể làm cho cuộc gọi VoIP khụng thực hiện được. UDP khụng gửi lại cỏc gúi bị lỗi, nhưng UDP là giao thức phi kết nối.
Giao thức thời gian thực Real-time Protocol (RTP) được ra đời nhằm giải quyết vấn đề trờn. RTP do tổ chức IETF đề xuất, nú đảm bảo cơ chế vận chuyển và giỏm sỏt phương thức truyền thụng thời gian thực trờn mạng IP. Nú cũng cung cấp cỏc thụng tin cần thiết cho quỏ trỡnh đỏnh giỏ chất lượng truyền tiếng núi trong cuộc thoại qua VoIP.
RTP cú hai thành phần:
Bản thõn RTP mang chức năng vận chuyển, cung cấp cỏc thụng tin về cỏc gúi tin tiếng núi.
Giao thức điều khiển thời gian thực RTCP (Real-time Control Protocol) mang chức năng giỏm sỏt và đỏnh giỏ chất lượng truyền tin.
Header RTP cho biết phương thức mó húa đó được sử dụng cho gúi tin này, chỉ mục gúi, nhón thời gian của nú và cỏc thụng tin quan trọng khỏc. Từ cỏc thụng tin này ta cú thể xỏc định ràng buộc giữa gúi tin với thời gian. Cỏc gúi được sắp xếp lại theo đỳng thứ tự thời gian thực ở bờn nhận rồi được giải mó và phỏt lại.
RTCP phõn tớch và xử lý cỏc thụng tin này để tổng hợp thành cỏc thụng tin trạng thỏi rồi đưa ra cỏc bản tin phản hồi đến tất cả cỏc thành viờn. Cỏc thụng tin được cung cấp gúi tin RTCP cho phộp mỗi thành viờn tham gia hội thoại giỏm sỏt được chất lượng truyền tin, số gúi tin đó gửi đi, số gúi tin nhận được, tỷ lệ gúi tin bị mất, trễ là bao nhiờu…Vỡ vậy, cỏc thụng tin này thường được cập nhật một cỏch định kỳ và chiếm khụng quỏ 5% giải thụng cuộc gọi.
3.2.2. Sử dụng cỏc gúi cú kớch thƣớc bộ
Sử dụng cỏc gúi VoIP cú kớch thước bộ là giải phỏp giảm trễ đúng gúi. Thực ra khụng cú kớch thước chuẩn cho gúi VoIP. Trong nhiều trường hợp cú thể sử dụng kớch thước mặc định của gúi IP.
3.2.3. Sử dụng gúi cú cỏc cấp ƣu tiờn khỏc nhau
Giải phỏp này cho phộp giảm thiểu độ trễ nối tiếp. Tuy nhiờn khụng cú chuẩn nào ỏp dụng cho việc định cấp ưu tiờn của gúi trong mạng IP. Cỏc nhà cung cấp bộ định tuyến IP đều cú phương phỏp phõn cấp lưu lượng của riờng mỡnh. Mặc dự trong mào đầu của gúi IP cú chứa thụng tin về cấp ưu tiờn của gúi (trường TOS, hay type of service) nhưng phần lớn bộ định tuyến khụng sử dụng trường này.
Phõn cấp lưu lượng IP cú thể đảm bảo cỏc gúi VoIP bao giờ cũng chiếm vị trớ đầu tiờn trong hàng đợi của bộ đệm. Tuy nhiờn việc phõn cấp lưu lượng khụng xử lý được tỡnh huống khi gúi VoIP đến bộ đệm nhưng một gúi dữ liệu dài cú cấp ưu tiờn thấp hơn vừa bắt đầu được gửi đi. Độ trễ nối tiếp cũng chưa được loại bỏ do khụng kiểm soỏt được cả số lượng lẫn kớch thước cỏc gúi xếp hàng đợi tại bộ đệm của cỏc bộ định tuyến trờn hành trỡnh của gúi VoIP.
3.2.4. Bộ đệm jitter
Bộ đệm jitter là giải phỏp để giảm sự thiếu ổn định của độ trễ. Bộ đệm này là miền bộ nhớ dựng để lưu cỏc gúi VoIP đến với cỏc độ trễ khỏc nhau. Cỏc mẫu thoại được lấy ra khỏi bộ đệm với tốc độ ổn định tạo ra cảm giỏc độ trễ khụng