Článek si klade za cíl seznámit čtenáře se základními technologiemi pro kompresi hovorového signálu jak při přenosu TDM tak u VoIP. U komunikace VoIP je hlavní pozornost věnována kompresi záhlaví.
Basis technologies of voice signal compression
Abstract
The main purpose of this paper is to introduce to the reader basis technologies of voice signal compression for TDM transmission and VoIP. In VoIP communication the basis emphasis is made on header compression.
Technologie pro kompresi hovorů můžeme rozčlenit do dvou hlavních kategorií. Na kompresní systémy určené pro přenosové systémy s časovým multiplexem a na systémy pro kompresi přenosu hovoru pomocí IP (VoIP).
Kompresní systémy DCME a PCME
Moderní kompresní systémy umožňují sloučení více klasických PCM multiplexů do jednoho spoje s rychlostí 2048 kbit/s. Komprese je umožněna monitorováním hovorové aktivity v kanálu, sledováním signalizace, kompresí hovorového kanálu či demodulací obrazu faxu a jeho přenosem v demodulované formě. Nejnovější technologie taktéž umožňují sdružování kompresních systémů. Kompresní systémy mohou být konstruovány na základě firemního vývoje, dle doporučení ITU či kombinací obojího. Podle druhu přenosu hovorových kanálů rozdělujeme kompresní systémy na:
• systémy se sdružováním okruhů (DCME),
• systémy se sdružováním paketů (PCME).
Systémy se sdružováním okruhů
Systémy se sdružováním okruhů (DCME - Digital Circuit Multiplication Equipment) převážně vychází z doporučení G.763, G.767, G.768 a dalších. Kanály v těchto přenosových systémech rozdělujeme na fyzické a logické. Fyzické kanály jsou kanály používané uvnitř kompresního systému. Zpravidla jsou tyto kanály kódovány úspornějšími kodeky. Využívají se kodeky ADPCM 32 kbit/s (doporučení ITU-T G.726), LD-CELP 16 kbit/s (doporučení ITU-T G.728) či CS-ACELP 8 kbit/s (doporučení ITU-T G.729). Logické kanály jsou kanály vstupních a výstupních multiplexů. Sledováním aktivity v těchto kanálech, přenosem kanálů s aktivním hovorem spolu s využitím úspornějšího kodeku je dosahováno požadovaného stupně komprese. Při provozu jsou používané logické kanály mapovány na fyzické a přenášeny kompresním systémem. Toto přiřazení kanálů může být statické nebo se může dynamicky měnit. Pokud se jedná o statické přidělení, jde o přenos tzv. transparentních kanálů. Takové kanály slouží pro přenos služebních informací, signalizace SS7 či protokolu HDLC.
Systémy se sdružováním paketů
Systém se sdružováním paketů (PCME – Packet Circuit Multiplication Equipment) je postaven na doporučeních G.765 a G.764. Systém je schopen přenášet hovory, transparentní data, signalizaci, video a rychlá data. Vstupem je jeden nebo více multiplexů E1, popřípadě signál SDH hierarchie. Pro přenos paketů je použit protokol LAPD. Pro úsporu přenosové rychlosti jsou použity různé kodeky dle parametrů vstupních dat. Hovor je rozdělen na segmenty a ty jsou společně se záhlavím vloženy do paketů a vyslány do přenosového kanálu. Záhlaví paketů obsahují druh použitého kodeku, číslo logického kanálu a indikaci vypustitelných bloků. Obsahem paketu je zpravidla segment délky 16 ms, přestávky v hovoru se nepřenáší. Data jsou uspořádána tak, aby umožňovala při nedostatku přenosové kapacity vypouštění bloků, jenž nemají zásadní vliv na kvalitu hovoru.
Moderní technologie komprese záhlaví IP protokolu
Internet protokol (IP) je protokolem pro výměnu dat a informací v soudobých pevných a bezdrátových sítích. Je klíčovým stavebním prvkem v nadcházející konvergenci hovorových, obrazových a informačních služeb. Je využíván jak v páteřních spojích tak v satelitních okruzích či bezdrátových sítích. Každé využití s sebou ovšem nese jiné parametry přenosového média. Tyto parametry mohou být důležité pro určité skupiny služeb. Mezi základní aplikace IP protokolu můžeme zařadit přenos hovorových paketů, webových stránek, elektronické pošty, videokonference.
Komprese záhlaví TCP/IP
Při využití protokolu IP a úsporných hovorových kodeků již není místo pro další kompresi samotného obsahu a je nutné přikročit ke kompresi vlastního záhlaví. Takto je možné získat až 50% kapacity. Současně se zvýšením kapacity ovšem musí jít i zvýšení robustnosti zabezpečení a kontrola ztráty dat.
Záhlaví protokolu IP nese informace důležité pro správné doručení obsahu příjemci. Verze IP protokolu číslo 4 má záhlaví IP délky 20 B. Při využití IP protokolu verze 6 má již délku 40 B. Přičteme-li délky záhlaví protokolů vyšších vrstev dostáváme se na celkovou délku záhlaví 40 až 60 B. Při využití maximální délky paketu (1500 B) se jedná o malou hodnotu. Ovšem při zkracující se délce paketu začíná poměr záhlaví k užitečné informaci dramatický růst. Při přenosu jednoduchých krátkých příkazů, či komprimovaných hovorů (VoIP) s průměrnou délkou 20 až 70 B již poměr velikosti záhlaví a přenášených dat dramaticky roste a využití protokolů IP se stává nehospodárné. Obrázek 1 zobrazuje zastoupení jednotlivých délek paketů. Data byla naměřena na bráně Politecnico di Torino-US peering [19]. Jsou viditelná dvě maxima grafu. Jedno se nachází v oblasti maximální délky paketů a druhá v oblasti délky 40 až 60 B. Tato, druhá, oblast se stává zajímavou při kompresi záhlaví.
Obr. 1 Procentuální zastoupení paketů různé délky
Metody kompresí IP protokolu převážně vycházejí z předpokladu, že záhlaví TCP/IP paketů přenášené mezi dvojicí účastníků se liší pouze v některých hodnotách. Jsou to nejčastěji: pořadové číslo odesílaného bajtu, pořadové číslo přijatého bajtu, identifikace IP datagramu, délka okna, kontrolní součty a ukazatel naléhavých dat. Taktéž nejsou přenášeny přírůstky, či rozdíly těchto hodnot, ale jejich absolutní hodnoty.
Kompresní zařízení (procesy) lze rozdělit na dvě poloviny. První částí je kompresor a druhou dekompresor. Kompresor je na straně odesílatele a dekompresor u příjemce. Komprese je pouze simplexní, proto je nutné při oboustranné komunikaci použít dva páry těchto zařízení (procesů). Kompresor a dekompresor obsahují paměťový prostor ve kterém uchovávají množství vzorových hlaviček (slotů) IP paketů. Při příchodu paketu do kompresoru je zjištěno, zda-li se nachází v paměti kompresoru.
• Pokud se ještě v paměti nenachází, je záhlaví uloženo do volné pozice v paměti. Když není volná pozice, je využita nejdéle nepoužitá pozice. Tento paket je přenesen nekomprimovaný a je přenesena informace o pořadovém čísle pozice. Při příchodu na dekompresor je odpovídajícím způsobem zaktualizována jeho paměť a paket je obnoven na původní hodnotu.
• Pokud se již obdobné záhlaví nachází v paměti kompresoru je toto záhlaví nahrazeno záhlavím novým, jenž obsahuje vždy adresu vzorového paketu v paměti, kontrolní součet a změny oproti vzorové hlavičce v paměti. Velikost této hlavičky se mění podle množství změněných hodnot. Má minimálně 3 bajty.
Dekompresor sleduje přicházející záhlaví a pokud je komprimované, obnoví původní obsah podle informací v paměti a v komprimovaném záhlaví.
Informace o komprimovaných paketech, uložených v paměti kompresoru a dekompresoru se označuje jako kontext. Dojde-li vlivem chyby při přenosu paketu k rozdílnosti těchto informací v kompresoru a dekompresoru, dochází ke tzv. ztrátě kontextu a nutnosti obnovení informací. Je proto nutné provádět kontrolu správnosti paketů, jinak může docházet k nesprávné dekompresi paketů vlivem ztráty kontextu.
Standardy pro kompresi IP protokolu
• RFC 1144 - Compressing TCP/IP Headers for Low-Speed Serial Links
• RFC 2507 - IP Header Compression
• RFC 2508 - Compressing IP/UDP/RTP Headers for Low-Speed Serial Links
• RFC 3095 - RObust Header Compression (ROHC)
• Cooperative Header Compression (COHC)
RFC 1144 - Compressing TCP/IP Headers for Low-Speed Serial Links
Tato metoda byla vytvořena Van Jacobsonem v roce 1990. Jsou v ní popsány výše zmíněné procesy pro správnou kompresi a dekompresi hlaviček. Jedná se o nejvyužívanější kompresní metodu současnosti. Je zaměřena na kompresi paketů IP verze 4 a TCP. Po kompresi je minimální délka paketů 2 bajty. Je využívána často při komunikaci telefonními modemy.
RFC 2507 - IP Header Compression
Odpovědí na zvyšující se nároky na kompresi a její možnosti byla komprese podporující vícenásobné IP hlavičky, IP protokol verze 6, UDP a ESP protokoly. Je zaměřena na využití v bezdrátových sítích se zvýšenou chybovostí. Pro protokoly jiné než TCP se využívá diferenční komprese. Ztráta paketu nesoucího komprimovaná data potom neovlivní další přenášené a komprimované pakety.
RFC 2508 - Compressing IP/UDP/RTP Headers for Low-Speed Serial Links
Doporučení 2508 je primárně zaměřeno na kompresi záhlaví při přenosu audia a videa. Umožňuje komprimovat záhlaví protokolů IP+UDP+RTP. Pro kompresi využívá Van Jacobsonovu metodu. Metoda je málo odolná vůči chybám při přenosu a proto je málo využitelná v bezdrátových sítích.
RFC 3095 - RObust Header Compression (ROHC)
Tato komprese je určena pro bezdrátové spoje s vysokou chybovostí a značným zpožděním. Komprese podporuje zajištění kvality služeb (QoS). Umožňuje snížit kompresi a tím zvýšit zabezpečení přenášených informací. Při využití komprese dochází ke snížení rozptylu jitteru při přenosech VoIP protokolu. Komprese je postavena na dvou hlavních algoritmech:
• Snížení počtu bitů pro přenos malých hodnot redukující počet nevyužitých bitů.
• Okénkováním přírůstků nebo úbytků hodnot.
Umožňuje využívat několika režimů v závislosti na vlastnostech spoje. Tyto režimy nejsou svázány s úrovní komprese, ale s množstvím předávaných informací mezi dekompresorem a kompresorem.
• Jednosměrný mód (U-mód)
• Obousměrný optimistický mód (O-mód)
• Obousměrný spolehlivý mód (R-mód)
Dále využívá při vytváření nového kontextu informace z již existujících kontextů. Tato metoda zvyšuje kompresi u krátkodobých přenosů TCP např. při stahování obsahu www stránek.
Cooperative Header Compression (COHC)
Předchozí typy kompresí se zaměřovaly na jedno spojení. Komprese COHC je využitelná pro spojení bezdrátového prostředku s více základnovými stanicemi současně. Po provedení komprese se záhlaví doplní informací o komprimovaných záhlavích přenášených ostatními spojeními. Při zvýšení chybovosti některého ze spojení, je provedena rekonstrukce záhlaví z informací v ostatních hlavičkách. Tento postup vyžaduje provádět časovou synchronizaci vysílaných paketů, výhodou je vysoká odolnost proti ztrátě kontextu mezi kompresorem a dekompresorem. Obr.2 srovnává pravděpodobnosti přijetí chybného paketu v závislosti na kvalitě přenosového kanálu. Se snižující se kvalitou kanálu q (pravděpodobnost chyby při přenosu) je patrný rozdíl pravděpodobností přijetí chybného paketu při kooperaci a bez ní. Výhoda kooperační metody je dána možností obnovit informace v chybném záhlaví ze záhlaví v ostatních spojeních. Obr.3 zobrazuje závislost využitelné šířky pásma na chybovosti přenosového kanálu. V oblasti nulové a nízké chybovosti kanálu je patrná výhoda nekooperativních metod, která je způsobena menším záhlavím nesoucím informace pouze pro daný kanál. Obdobná situace platí i pro využití dvou a tří kooperujících kanálů.
Obr. 2 Porovnání kooperativních a nekooperativních metod komprese [18] v závislosti na kvalitě přenosového kanálu.
Obr. 3 Porovnání efektivity přenosu při různém počtu kooperujících kanálů v
závislosti na chybovosti přenosového kanálu [17]
Technologie pro kompresi hovorů umožňují nahradit množství hovorových kanálů jedním multiplexem při zachování požadované kvality hovoru a služeb. S postupným rozvojem internetové telefonie klesá význam klasických kompresních systémů postavených na doporučeních ITU-T a narůstá význam systémů pro přenos IP telefonie. S tím se současně ukazuje slabé místo, kterým je velké záhlaví IP protokolu. Využitím některého standardu pro kompresi IP je možno toto slabé místo eliminovat. Současně se zvyšujícími nároky na stupeň komprese se také zvyšují nároky na kvalitu spoje. Tyto proti sobě směřující požadavky se snaží řešit jednotlivé standardy různým způsobem.
Literatura
[1] ITU-T Recommendation G.726 (1990) - 40, 32, 24, 16 kbit/s adaptive differential pulse code modulation (ADPCM).
[2] ITU-T Recommendation G.763 (1998) - Digital circuit multiplication equipment using G.726 ADPCM and digital speech interpolation.
[3] ITU-T Recommendation G.764 (1990) - Voice packetization - Packetized voice potocols.
[4] ITU-T Recommendation G.765 (1992) - Packet circuit multiplication equipment.
[5] ITU-T Recommendation G.766 (1996) - Facsimile demodulation/remodulation for digital circuit multiplication equipment.
[6] ITU-T Recommendation G.767 (1998) - Digital circuit multiplication equipment using 16 kbit/s LD-CELP, digital speech interpolation and facsimile demodulation/remodulation.
[7] ITU-T Recommendation G.768 (2001) - Digital circuit multiplication equipment using 8 kbit/s CS-ACELP.
[8] Jacobson (V): Compressing TCP/IP Headers for Low-Speed Serial Links, RFC1144, 1990.
[9] Degemerk (M): IP Header Compression”, RFC2507, 1999.
[10] Casner (S) and Jacobson (V): Compressing IP/UDP/RTP Headers for Low-Speed Serial Links”, RFC2508, 1999.
[11] Borman (C): RObust Header Compression (ROHC): Framework and four profiles: RTP, UDP, ESP, and uncompressed”, RFC3095, 2001.
[12] Jiao (C), Schwiebert (L), and Richard (G): Adaptive header compression for wireless networks”, 2001.
[13] Degermarky (M), Engany (M), Nordgreny (B), Pinky (S): Low loss TCP IP Header Compression for Wireless Networks, 1996.
[14] Marzegalli (L), Masa, Vitiello (M): Adaptive RTP/UDP/IP Header Compression for VoIP over Bluetooth, 2002.
[15] Schulzrinne (H): RTP: A Transport Protocol for Real-Time Applications”, RFC 1889, 1996.
[16] Postel (J): User Datagram Protocol”, RFC 768, 1980.
[17] Kozlova (T), Madsen, Fitzek (F), Takatori (Y), Prasat (R), Katz (M): Cooperative IP Header Compression using Multiple Access Points in 4G Wireless Networks, 14th IST Mobile and Wireless Communications Summit, 2005.
[18] Kozlova (T), Madsen, Fitzek (F), Takatori (Y), Prasat (R): Performance of IP Header Compression over Correlated Multiple Channels, International Symposium on Wireless Personal Multimedia Communications (WPMC 2005), 2005.
[19] http://tstat.tlc.polito.it/tstat.old/frame2.php?dir=Polito_Apr_2000_pre155Mbps
Možnosti komprese při hovorové komunikaci
