Analýza zpoždění v IP telefonním systému II.

Článek se zabývá rozborem vzniku a velikosti zpoždění v komunikačním řetězci mezi mluvčím a posluchačem v IP telefonním systému (VoIP). Druhá část je věnována přijímací straně a shrnutí problematiky.

Přijímací část IP telefonního systému

Hlavním úkolem přijímací části IP telefonního systému je přijmout data od sítě a korektně je reprezentovat, tj. přehrát posluchači. Data ze sítě vystupují ve formě IP paketů s předem nedefinovatelnými parametry významně ovlivňující přenos (zpoždění, variabilita zpoždění, duplikace či ztráta paketů).

Obr. 4: Komponenty přijímače IP telefonní komunikace

Přijatá data prostupují skrze moduly zpracovávající nižší protokoly komunikace tj. na fyzické a spojové vrstvě a síťové vrstvě, a jsou v depaketizéru extrahována do datových bloků. Dále pak postupují přes vyrovnávací paměť hovoru, jejíž úkolem je vyrovnat variabilitu zpoždění a zajistit plynulý přísun dat do dekodéru s následnou rekonstrukci řeči.

Depaketizér

Hlavní funkcí depaketizéru je extrakce datových bloků z paketů obdržených od síťové vrstvy a jejich transport do dekodéru. Mechanismem své funkce je inverzní paketizačnímu procesu v paketizéru.

V případě, že paket obsahuje pouze jeden blok dat, není potřeba jej při procesu extrakce z paketu nikterak zdržovat a hodnota depaketizačního zpoždění T_DPD (Depacketization Delay) je nulová.

TDPD = 0 ms

(7)

V případě, že paket obsahuje k bloků dat, je 1. blok možno přesunout do dekodéru bez zpoždění, další bloky se však musí pozdržet ve vyrovnávací paměti a to přesně o hodnotu paketizačního zpoždění.

Obr. 5: Paketizační a depaketizační zpoždění

1. blok je při paketizaci zpožděn o hodnotu paketizačního zpoždění T_PD a při depaketizaci není zpožděn vůbec. k-tý blok není při paketizaci zpožděn vůbec, ale při depaketizaci je zpožděn o hodnotu paketizačního zpoždění.

Z toho vyplývá, že při procesu paketizace i depaketizace dochází k pozdržení každého bloku dat pouze o hodnotu paketizačního zpoždění T_PD, tzn. že i v tomto případě je hodnota depaketizačního zpoždění nulová.

Ve výpočtu celkového zpoždění tedy nebude hodnota depaketizačního zpoždění uvažována.

Vyrovnávací paměť hovoru

Vyrovnávací paměť hovoru (de-jitter buffer, nebo playout buffer) zajišťuje kompenzaci variabilního zpoždění, které významně degraduje hovorovou kvalitu a je způsobeno směrováním paketů různými cestami a asynchronním charakterem IP sítí.

Datové IP pakety extrahované depaketizérem do bloků dat (RTP paketů) jsou na základě informace o okamžiku příjmu paketu IP telefonní systémem a o okamžiku přehrání posluchači (pole TS – časové razítko v záhlaví RTP paketu) buď zařazeny do vyrovnávací paměti hovoru nebo zahozeny (v případě, že datový blok přijde později než je jeho doba přehrání). Zařazené bloky dat jsou ve vyrovnávací paměti hovoru zadrženy po dobu T_DJD (De-Jitter Delay) a následně ve správném časovém okamžiku přehrání postoupeny ke zpracování do dekodéru, viz Obr 6.

Obr. 6: Funkce vyrovnávací paměti hovoru

Pokud to dané zařízení podporuje, tak se hodnota zpoždění T_DJD nastavuje přímo v konfiguračních parametrech koncového zařízení nebo brány (VoIP Gateway) a to přímo v [ms]. Tato hodnota odpovídá nejdelší době, po kterou může být paket zadržen ve vyrovnávací paměti hovoru.

Podle [1], se velikost T_DJD nastavuje na 1,5 násobek hodnoty součtu všech variabilních zpoždění v síti, které představuje zejména zpoždění ve směrovači T_R.

TDPD = 1,5 · TR

(8)

Při zadávání hodnot do koncového zařízení se nesmí opomenout, že zpoždění T_DJD je aditivní složkou celkového zpoždění T, které nesmí, dle [3], přesáhnout hodnotu 400 ms.

Mezní hodnoty zpoždění ve vyrovnávací paměti T_DJD, dle [2], ukazuje Tab.1.

Režim řízení vyrovnávací paměti	Průměrné celkové zpoždění
statický i dynamický	TDJDmin = 20 ms
statický i dynamický	TDJDmax = 200 ms

Tab. 5: Maximální hodnoty zpoždění ve vyrovnávací paměti

Dekodér

Primární funkcí dekodéru je přijatá data zpracovat dekompresními algoritmy a následně je přeměnit na hovorový signál a přehrát posluchači.

Zpoždění v dekodéru T_DCD (Decoding Delay) je obdobně jako zpoždění v kodéru T_CD závislé na výběru kompresního algoritmu. V [1] se uvádí, že průměrně zpoždění při dekódování nabývá hodnoty přibližně 10% zpoždění při kódování. Je však závislé na výpočetním výkonu dekodéru a na počtu hovorových bloků v jednom paketu. Pro k hovorových bloků v jednom paketu je zpoždění v dekodéru dáno vztahem:

(9)

Zdroje zpoždění v IP telefonním systému – shrnutí

Na základě analýzy v předchozích článcích je možné identifikovat možné zdroje vzniku zpoždění v celém IP telefonním systému. Celkově lze vysledovat dva typy zpoždění:

• pevné zpoždění – přidává neměnnou hodnotu k celkovému zpoždění T
• variabilní zpoždění – vzniká ze zpoždění při řazení do výstupní fronty vysílací strany komunikace, možným přetečením vyrovnávacích pamětí v síti či nestejnoměrným průchodem paketů datovou sítí. Variabilní zpoždění je pak zpracováváno ve vyrovnávací paměti přijímací strany komunikace.

Obr. 7: Zdroje vzniku zpoždění ve IP telefonním systému

Zdroje zpoždění ve vysílací části VoIP systému:

• zpoždění v kodeku T_CD (Coding Delay)
• zpoždění při paketizaci T_PD (Packetization Delay)
• zpoždění při řazení do výstupní fronty T_SER (Serialization delay)

Zdroje zpoždění v telekomunikační síti VoIP systému, platí pro N směrovačů na trase:

• zpoždění při zpracování paketu ve směrovači T_R (Queueing Delay in Routers)
• zpoždění při přenosu přenosovou trasou T_PROP (Propagation Delay Line)

Zdroje zpoždění v přijímací části VoIP systému:

• zpoždění při depaketizaci T_DPD (Depacketization Delay)
• zpoždění ve vyrovnávací paměti T_DJD (De-jitter Delay)
• zpoždění při dekódování T_DCD (Decoding Delay)

Celkové zpoždění ve VoIP systému je dáno součtem výše uvedených zpoždění, tedy:

(10)

a po nezbytných úpravách

(11)

Tento příspěvek vznikl za podpory výzkumného záměru MSM6840770014 - Výzkum perspektivních informačních a komunikačních technologií.

Literatura

[1] Understanding Delay in Packet Voice Networks [online]. Cisco Systems, Inc., c2006-2007, poslední aktualizace 2007-03-05 [cit. 2007-05-05]. Dostupné z: http://www.cisco.com/warp/public/788/voip/delay-details.html
[2] Thomsen, G. – Jani, Y. Internet telephony: going like crazy. IEEE Spectrum, Vol. 37, No. 5, s. 52-58, květen 2000.
[3] ITU-T G.1020 – Quality of service and performance – Generic and user-related aspects. ITU-T Study Group 12, July 2006.
[4] Bezpalec, P. Hodnocení hovorové komunikace v IP sítích. [Doktorská práce (Ph.D.)]. Praha: ČVUT FEL, Katedra telekomunikační techniky, 2007. 68 s.