### 1.2 Организация узла IP – телефонии

Сеть IP-телефонии (согласно рекомендациям ITU-T H.323) представляет собой набор следующих устройств, соединенных по IP-сети:
1) шлюз (gateway);
2) диспетчер (gatekeeper);
3) монитор (administration manager);
4) маршрутизатор (router).

Рисунок 1.6 - Сеть IP-телефонии

Шлюзы.

Технология передачи голоса по IP – сети вместо классической сети с коммутацией каналов предусматривает конфигурацию с установкой шлюзов. Шлюз обеспечивает сжатие информации (голоса), конвертирование её в IP – пакеты и направление в IP – сеть. С противоположной стороны шлюз осуществляет обратные действия: расшифровку и расформирование пакетов вызовов. В результате обычные телефонные аппараты без проблем принимают эти вызовы.
Такое преобразование информации не должно значительно исказить исходный речевой сигнал, а режим передачи обязан сохранить обмен информацией между абонентами в реальном масштабе времени.
Более полно основные функции выполняемые шлюзом, состоят в следующем:
1. Реализация физического интерфейса с коммуникационной сетью.
2. Детектирование и генерация сигналов абонентской сигнализации.
3. Преобразование сигналов абонентской сигнализации в пакеты данных и обратно.
4. Преобразование речевого сигнала в пакеты данных и обратно.
5. Соединение абонентов.
6. Передача по сети сигнализационных и речевых пакетов.
7. Разъединение связи.
Большая часть функций шлюза в рамках архитектуры TCP/IP реализуются в процессах прикладного уровня.
Наличие разноплановых с вычислительной точки зрения функций, выполняемых системой, порождает проблему ее программной и аппаратной реализации. Рациональное решение этой проблемы основано на использовании распределенной системы, в которой управленческие задачи и связь с сетью осуществляется с помощью универсального процессора, а решения задач сигнальной обработки и телефонного интерфейса выполняются на цифровом процессоре обработки сигналов.
Схема обработки сигналов в шлюзе при подключении аналогового двухпроводного телефонного канала PSTN показана на рисунке 1.7.
Телефонный сигнал с 2-х проводной абонентской линии поступает на дифференциальную систему, которая разделяет приемную и передающую части канала. Далее сигнал передачи вместе с "просочившейся" частью сигнала приема подается на аналого-цифровой преобразователь (ADC или АЦП) и превращается либо в стандартный 12 разрядный сигнал, либо в 8-ми разрядный сигнал, закодированный по µ- либо А- закону. В последнем случае обработка должна также включать соответствующий экспандер. В устройстве эхозаградитель (Echo canceller) из сигнала передачи удаляются остатки принимаемого сигнала. Эхозаградитель представляет собой адаптивный нерекурсивный фильтр, длина памяти (порядок) которого и механизм адаптации выбираются такими, чтобы удовлетворить требованиям рекомендации МСЭ - Т (ITU-T) G.165.

Рисунок 1.7 – Схема обработки сигналов в шлюзе

Рисунок 1.7 – Схема обработки сигналов в шлюзе Для обнаружения и определения сигналов внутриполосной многочастотной телефонной сигнализации (MF сигналов), сигналов частотного (DTMF) или импульсного наборов используются детекторы соответствующих типов. В режиме сессии дальнейшая обработка входного сигнала происходит в речевом кодере (Speech Coder). В анализаторе кодера сигнал сегментируется на отдельные фрагменты определённой длительности (в зависимости от метода кодирования) и каждому входному блоку, состоящему из 240 отсчетов (1920 бит при А либо µ- коде и 2880 бит при 12-ти разрядном линейном коде), сопоставляется информационный кадр соответствующей длины.
Часть параметров, вычисленная в анализаторе кодера, используется в блоке определения голосовой активности (VAD - voice activity detector), который решает, является ли текущий анализируемый фрагмент сигнала речью или паузой. При наличии паузы информационный кадр может не передаваться в службу виртуального канала.
Режим передачи паузных кадров следующий. На сеансовый уровень передается лишь каждый пятый кадр такого типа. Кроме того, при отсутствии речи для кодировки текущих спектральных параметров используется более короткий информационный кадр. На приемной стороне из виртуального канала в логический поступает либо информационный кадр (длиной 137 или 27 бит) либо флаг наличия паузы. На паузных кадрах вместо речевого синтезатора включается генератор комфортного шума (Noise Generator), который восстанавливает спектральный состав паузного сигнала. Параметры генератора обновляются при получении паузного информационного кадра. Наличие информационного кадра включает речевой декодер, на выходе которого формируется речевой сигнал. Для эхо-компенсатора этот сигнал является сигналом дальнего абонента, фильтрация которого дает составляющую электрического эха в передаваемом сигнале. В зависимости от типа цифро-аналогового (DAC) преобразования сигнал может быть подвергнут дополнительной кодировке по А- либо µ- закону.
Анализ схемы сигнальной обработки и опыт разработки позволяют выделить следующие основные проблемы цифровой обработки сигналов в шлюзе.
При использовании двухпроводных абонентских линий актуальной остаётся задача эхо компенсации, особенность которой состоит в том, что компенсировать необходимо два различных класса сигналов - речи и телефонной сигнализации. Очень важной является задача обнаружения и детектирования телефонной сигнализации. Её сложность состоит в том, что служебные сигналы могут перемешиваться с сигналами речи.
С построением кодеков тесно связана задача синтеза VAD. Основная трудность состоит в правильном детектировании пауз речи на фоне достаточно интенсивного акустического шума (шум офиса, улицы, автомобиля и т.д.)
Что такое VAD?
Технология VAD используется совместно с большим числом речевых кодеков. Попытаемся кратко проиллюстрировать механизм VAD на простейшем примере (смотри рисунок 1.8). Входной аналоговый сигнал поступает на вход устройства сравнения, в котором измеряется его амплитуда и сравнивается с заданным пороговым значением. При превышении амплитудой входного сигнала заданного порога (красная линия на рисунке 1.8), сигнал поступает на вход кодека и кодируется по определённому алгоритму (интервал Т2 – Т3). Если амплитуда входного сигнала ниже порогового значения (например в интервал Т1 – Т2), то в момент времени Т1 передаётся только служебная информация (длиной в несколько бит) о начале паузы, а в момент Т2 о её окончании. На приёмной стороне, во время паузы, для улучшения субъективного восприятия кодированной речи может передаваться комфортный шум.

Рисунок 1.8 - Механизм VAD

Диспетчер.

Функцию управления вызовами выполняет gatekeeper (контроллер зоны). Gatekeeper выполняет следующие функции:
1. Преобразовывает адреса – псевдонимы в транспортные адреса.
2. Контролирует доступ в сеть на основании авторизации вызовов, наличия необходимой для связи полосы частот и других критериев, определяемых производителем.
3. Контролирует полосу пропускания.
4. Управляет зонами.
Причём gatekeeper осуществляет вышеперечисленные функции в отношении терминалов, шлюзов и устройств управления, зарегистрированных в нём. Идентификация узла может осуществляться по его текущему IP – адресу, телефонному номеру или подстановочному имени – строке символов, на подобие адреса электронной почты. Gatekeeper упрощает процесс вызова, позволяя использовать легко запоминающееся подстановочное имя.
Функции gatekeeper могут быть встроены в шлюзы, элементы распределённых УПАТС, блоки управления многоточечными конференциями, а так же в конечные узлы H.323 (терминалы). С помощью механизмов RAS (Registration/Admissions/Status) терминалы могут находить gatekeeper и регистрироваться в них.

Монитор.

Монитор - необязательный дополнительный модуль сети IP-телефонии, подключаемый только к IP-сети, используемый для удаленного конфигурирования и поддержки остальных устройств сети - шлюзов и диспетчеров. Функции: интерфейс для удаленной настройки через IP-сеть параметров шлюзов и диспетчеров сети IP-телефонии.
Монитор является удобным средством конфигурирования и администрирования сети. В первых выпускаемых шлюзах для этого просто использовались стандартные сетевые приложения, такие как pcAnywhere. Позднее в целях оптимизации работы производители оборудования IP-телефонии стали выпускать собственные приложения для этих целей.

Маршрутизаторы.

Среди протоколов канального уровня некоторые обеспечивают доставку данных в сетях с произвольной топологией, но только между парой соседних узлов, а некоторые - между любыми узлами (например, Ethernet), но при этом сеть должна иметь топологию определенного и весьма простого типа, например, древовидную.
При объединении в сеть нескольких сегментов с помощью мостов или коммутаторов продолжают действовать ограничения на ее топологию: в получившейся сети должны отсутствовать петли. Действительно, мост или его функциональный аналог - коммутатор - могут решать задачу доставки пакета адресату только тогда, когда между отправителем и получателем существует единственный путь. В то же время наличие избыточных связей, которые и образуют петли, часто необходимо для лучшей балансировки нагрузки, а также для повышения надежности сети за счет существования альтернативного маршрута в дополнение к основному.
Сетевой уровень протоколов позволяет передавать данные между любыми, произвольно связанными узлами сети.
Реализация протокола сетевого уровня подразумевает наличие в сети специального устройства - маршрутизатора. Маршрутизаторы объединяют отдельные сети в общую составную сеть (рисунок 1.9). Внутренняя структура каждой сети не показана, так как она не имеет значения при рассмотрении сетевого протокола. К каждому маршрутизатору могут быть присоединены несколько сетей (по крайней мере две).
В сложных составных сетях почти всегда существует несколько альтернативных маршрутов для передачи пакетов между двумя конечными узлами. Задачу выбора маршрутов из нескольких возможных решают маршрутизаторы, а также конечные узлы.
Маршрут - это последовательность маршрутизаторов, которые должен пройти пакет от отправителя до пункта назначения.
Маршрутизатор выбирает маршрут на основании своего представления о текущей конфигурации сети и соответствующего критерия выбора маршрута. Обычно в качестве критерия выступает время прохождения маршрута, которое в локальных сетях совпадает с длиной маршрута, измеряемой в количестве пройденных узлов маршрутизации (в глобальных сетях принимается в расчет и время передачи пакета по каждой линии связи).

Рисунок 1.9 - Архитектура составной сети