Максим МУХАНОВ

Заметно повысился интерес российских корпоративных пользователей, поставщиков услуг связи и компаний-операторов к новым механизмам передачи речевого трафика по сетям IP, frame relay и ATM. Их главное достоинство - экономия средств, поскольку внедрение этих технологий позволяет снизить не только расходы на междугородние телефонные переговоры, но и затраты средств и времени на развертывание и обслуживание специализированных сетей, предназначенных для передачи голосового сигнала и данных.

Сегодня для передачи голоса по глобальным сетям наиболее широко применяется оборудование трех основных категорий:

• специализированные платы с процессорами цифровой обработки сигналов (Digital Signal Processors, DSP), ориентированные на передачу голоса по IP. Наиболее известные производители - Dialogic, Micom, NMS;
• устройства доступа для каналов frame relay (Frame Relay Access Device, FRAD), имеющие интерфейсы для подключения УПАТС и телефонных аппаратов, с последующей обработкой речевого сигнала. Их выпускают компании Micom, Cisco, RAD, Nuera, Acclaim, Motorola, ACT Networks и ряд других;
• платы функциональных процессоров для подключения к ATM-коммутаторам цифровых УПАТС по каналам E1/T1. Их предлагают почти все производители оборудования ATM, в том числе Nortel Networks, Cisco, Fore, Bay Networks, IBM, Newbridge.

Одним из лидеров в области разработки и производства продукции для построения сетей передачи информации различного типа, использующих низкоскоростные выделенные каналы связи, является американская фирма MICOM Communications (с 1997 г. входит в состав Nortel). В продуктах компании реализован алгоритм обработки и сжатия голоса CS-ACELP, недавно сертифицированный как промышленный стандарт ITU G.729. При скорости сжатия голоса до 8 кбит/с ITU G.729 обеспечивает более высокое качество его передачи, чем другие методы.

Этот стандарт стал основой патентованной технологии ClearVoice, с помощью которой реализуется не только эхоподавление и "подавление тишины", но и демодуляция при передаче факс-модемной информации.

IP-сети

Выпускаемое компанией Micom устройство Voice-over-IP (V/IP) обеспечивает оцифровку, сжатие и маршрутизацию голосовых сигналов и факсимильных сообщений в IP-сетях. V/IP позволяет подключать АТС и телефонные коммутаторы через аналоговые (E&M, FXS, FXO) и цифровые (T1/E1) интерфейсы. Технологически устройство реализовано в виде платы с шиной ISA, которая устанавливается в Intel-совместимый ПК, работающий в сети под управлением NetWare, MS-DOS или Windows 95. Поскольку сжатие голосового сигнала реализовано на аппаратном уровне, обработка речи занимает незначительное время работы процессора.

Алгоритм работы V/IP таков. Когда абонент набирает расширенный номер другого удаленного абонента, плата голосового интерфейса V/IP принимает сигнал с этим номером от АТС или коммутатора. Используя собственную базу данных телефонных номеров, V/IP переводит номер в IP-адрес и устанавливает соответствующий удаленный шлюз V/IP, чтобы автоматически организовать соединение с удаленной системой.

При передаче речевого или факсимильного сообщения сигнал оцифровывается и сжимается в IP-пакеты размером 94 байта, содержащие блок голосовых данных, IP-заголовок, голосовой IP-подзаголовок и блок коррекции ошибок (FEC - Forward Error Correction), позволяющий восстановить IP-пакеты. Для передачи IP-пакетов через локальную сеть на маршрутизатор применяется сетевой интерфейс ПК.

Рис. 1. Схема работы устройства V/IP в корпоративной IP-сети. Доступ к глобальной сети осуществляется по выделенной линии, каналам frame relay, ATM, ISDN, Internet, спутниковым сетям

Маршрутизатор отправляет поток данных через корпоративную сеть, где происходит обратный процесс: на принимающей стороне маршрутизатор выбирает IP-пакеты из корпоративной сети и посылает их по ЛВС на V/IP-шлюз места назначения, который и преобразует IP-пакеты в голосовой или факс-сигнал, а затем посылает его адресату (рис. 1).

Одна плата V/IP поддерживает до двух аналоговых интерфейсов FXO, FXS, E&M или один цифровой интерфейс T1/E1 на четыре голосовых канала. Существуют и платы расширения, добавляющие до 24 (T1) или 30 (E1) голосовых сигналов. Качество передачи и минимальные задержки обеспечиваются за счет применения протокола резервирования полосы RSVP, который позволяет отправлять маршрутизатору сети специальный запрос на выделение необходимой пропускной способности канала только для голосового трафика (для передачи одного речевого сигнала требуется полоса около 20 кбит/с).

Сети frame relay

Аналогичный подход используется в сетях ATM и frame relay: речевой сигнал, поступивший в цифровой или аналоговой форме, обрабатывается по стандарту G.729 со скоростью компрессии 8 кбит/с и "упаковывается" в ячейку или кадр. При этом он занимает в общем трафике передачи данных полосу 10-12 кбит/с на один речевой сигнал.

Рис.2. Передача 'кадров-ячеек' по магистрали

В современных моделях коммутаторов для минимизации задержек голосового трафика в низкоскоростных каналах (до E1) при комбинированной передаче голос/данные применяется механизм "кадр-ячейка" (рис. 2), обычный для магистралей. Суть его состоит в следующем: критичный к задержкам трафик (голос, видео и т. д.) передается ячейками постоянной длины, а прочие данные - кадрами переменной длины. Передающее устройство формирует отдельные очереди из ячеек и кадров. Если в тот момент, когда необходимо передать голосовую ячейку, пересылка кадра данных еще не завершена, передающий коммутатор разрывает кадр и передает нужную ячейку, а только затем досылает оставшуюся часть кадра. Принимающее устройство выполняет сборку фрагментированного кадра. Такие операции выполняются специализированными интегральными схемами ASIC (Application-Specified Integrated Circuit).

Современные устройства передачи речи по каналам frame relay обычно позволяют подключать от четырех до восьми аналоговых телефонных или факсимильных аппаратов по интерфейсам FXS и офисных ATC по интерфейсам FXO/E&M, а также имеют 1-2 цифровых интерфейса типа T1/E1 и до 24-30 голосовых портов для подключения к УПАТС (например, к Meridian (Nortel), MD110 (Ericsson), Definity (Lucent) и др.). Голосовой трафик обладает в каналах frame relay наивысшим приоритетом; некоторые модели FRAD создают для него постоянное выделенное виртуальное соединение (Permanent Virtual Circuit, PVC).

В сетях, базирующихся на интеллектуальных моделях FRAD (таких как Marathon (Micom) или MAI (Nortel)), в памяти устройств хранится список номеров абонентов. При установке соединения типа "точка-много точек" выполняется коммутация речевого трафика между точками, следовательно, такая сеть действует как виртуальная АТС, к которой подключены все пользователи. При оцифровке речевого сигнала, передаваемого по данной сети, по стандарту G.729 его качество сопоставимо с качеством сигнала обычной междугородней телефонной линии (узнаваемость, слышимость, отсутствие шумов), а порой даже выше. Заметим, что при этом в трафике frame relay один голосовой сигнал занимает полосу не более 11 кбит/с.

Сети ATM

Преобразование в ячейки голосового потока в сетях ATM выполняется на уровне AAL1 (ATM Adaptation Layer 1). Современные модели ATM-коммутаторов используют два принципа передачи речевого трафика - Circuit Emulation и VTOA (Voice and Telephony Over ATM).

Механизм Circuit Emulation устанавливает постоянное виртуальное соединение CBR (constant bit rate) с требуемой полосой пропускания. Он реализован в оборудовании фирм Fore, Newbridge, 3Com. Однако это технологическое решение не всегда оптимально для сетей с пиковой нагрузкой, так как не предусматривает сжатия речевой информации и не позволяет избежать задержек при передаче ячеек с голосовым сигналом.

При использовании спецификации VTOA возможна более эффективная передача речи по ATM с компрессией и установкой соединений VBR (variable bit rate). Сеть АТС подключается по цифровому каналу E1/T1 к коммутатору, который осуществляет компрессию/декомпрессию речевого сигнала и маршрутизацию голосового трафика, интерпретируя набранный номер. В функции коммутатора входит и распределение голосового трафика по разным PVC в зависимости от загруженности того или иного маршрута (эта технология называется Voice Networking).

Рис. 3. Маршрутизация телефонного звонка в ATM-сети

Такая схема интеграции голосового сигнала с трафиком сетей ATM заменяет дорогую и неэффективную "тандемную" иерархическую схему передачи голоса. Суть последней состоит в том, что речевой трафик пересылается на коммутатор, ближайший к передающему, тот передает его подсоединенной АТС, которая его интерпретирует и через свой коммутатор переадресовывает на последующий, и т. д. (см. рис. 3). Данный механизм VTOA используется в коммутаторах производства Nortel, Cisco, GDC и IBM.

Современные голосовые платы для АТМ-коммутаторов имеют 1- 4 порта T1/E1/J2 для передачи до 30 цифровых речевых сигналов со скоростью 64 кбит/с, поступающих от УПАТС. Компрессия голоса осуществляется на аппаратном уровне специализированными DSP (Digital Signal Processor) согласно стандартам G.729 (8 кбит/с, CS-ACELP), G.728 (16 кбит/с, LD-CELP), G.723 (32 кбит/с, ADPCM); операции коммутации и маршрутизации, хранение таблиц телефонных номеров выполняет управляющее ПО коммутаторов.

Ведущие производители ATM-коммутаторов планируют начать в будущем году выпуск специализированных процессоров для подключения УПАТС по интерфейсу DS3/E3, что позволит одновременно обрабатывать и передавать до 720 голосовых сигналов с использованием сжатия информации и эффективно распределять их по виртуальным маршрутам сети ATM. К примеру, ожидается, что в новое устройство компании Nortel Networks - коммутатор Magellan Passport 8780 - можно будет установить до 12 таких процессоров, каждый из которых поддерживает два интерфейса DS3. Данное устройство обеспечит компрессию речи по алгоритму ADPCM со скоростью 32 кбит/с. К ATM-сети оно будет подключено по каналам с пропускной способностью до OC-3 (155 Мбит/с). Очевидно, что применение оборудования с такими характеристиками позволит существенно увеличить емкость существующих сетей передачи данных операторов телефонной связи.

ОБ АВТОРЕ

Сеть frame relay для передачи голоса/данных

Сеть Главного управления ЦБ РФ, охватывающая отделения Владимирской, Пермской и Нижегородской областей, предназначена для объединения ЛВС, передачи трафика X.25, а также телефонных и факсимильных сообщений между центральным и удаленными офисами по коммутированным и выделенным каналам связи на скорости до 33,6 кбит/с. Эта сеть, созданная на базе оборудования компании Micom, была разработана и внедрена компанией "Аргуссофт".

В удаленном офисе используется FRAD Marathon, к которому подключены ЛВС, работающая по протоколу IP, до 10 телефонных или факсимильных аппаратов (по аналоговым интерфейсам) и коммутатор X.25 (по интерфейсу V.35). В центральном узле установлено более мощное устройство STADIA, к которому подсоединены УПАТС (по каналу E1), ЛВС, коммутатор X.25 и модемная стойка, обеспечивающая связь с восемью удаленными узлами. Протокол передачи данных - frame relay (возможна работа по Microband ATM - фирменному протоколу Micom).