Kiến Trúc Và Các Giao Diện Của Mạng Voip :

Telephone trong tương lai sẽ phát triển mạnh với mô hình nhà cung cấp dịch

vụ.

+ Gateway IP – PSTN: Để có thể sử dụng mạng VoIP với mạng điện thoại công cộng PSTN thì gateway IP – PSTN là một cổng kết nối cho phép trao đổi các thông tin trên hai mạng. Gateway có thể trực tiếp hai mạng nói trên hoặc có thể sử dụng kết hợp với các PBX. Gateway IP – PSTN có hai giao diện chính đó là: giao diện với mạng PSTN và giao diện với mạng Internet. Gateway có nhiệm vụ chuyển đổi các tín hiệu cũng như chuyển đổi và xử lý các bản tin báo hiệu sao cho phù hợp với các giao diện

+ Các ứng dụng mở rộng: Trên cơ sở gateway IP – PSTN, chúng ta có thể phát triển thiết kế gateway IP – mobile để có thể trực tiếp trao đổi thông tin giữa mạng di động với mạng Internet. Điều này có ý nghĩa hết sức to lớn trong thời điểm thông tin di động đang phát triển trên khắp toàn cầu. Người sử dụng máy di động không chỉ có thể liên lạc được mà còn có khả năng truy nhập thông tin và sử dụng các dịch vụ Internet. Có thể mở rộng kết hợp với các ứng dụng web phone. Ngoài ra có thể phát triển các ứng dụng VoIP như truyền hình hội thảo hay điện thoại có hình.

Như vậy điện thoại IP chứng tỏ nó là một loại hình dịch vụ mới rất có tiềm năng. Trong tương lai điện thoại IP sẽ cung cấp các dich vụ hiện có của điênj thoại trong mạng PSTN và các dịch vụ mới của riêng nó nhằm đem lại lợi ích cho đông đảo người dùng. Tuy nhiên điện thoại IP với tư cách là một dịch vụ sẽ không trở nên hấp dẫn hơn PSTN vì nó chạy trên mạng IP. Khách hàng chỉ chấp nhận loại dịch vụ này vì nó đưa ra được một chi phí thấp và những tính năng vượt trội hơn so với dịch vụ điện thoại hiện tại.

1.3 Các hình thức truyền thoại qua IP

1.3.1 Mô hình PC to PC

Trong mô hình này, mỗi máy tính cần được trang bị một sound card, một microphone, một speraker và được kết nối trực tiếp với mạng Internet thông qua modem hoặc card mạng. Mỗi máy tính được cung cấp một địa chỉ IP và hai máy tính, vậy là đã có thể trao đổi tín hiệu thoại với nhau thông qua mạng Internet. Tất cả các thao tác như lấy mẫu tín hiệu âm thanh, mã hóa và giải mã, nén và giải nén tín hiệu đều được máy tính thực hiện. Trong mô hình này chỉ có những máy tính nối với cùng một mạng mới có khả năng trao đổi thông tin với nhau.

1.3.2 Mô hình PC to phone

Mô hình PC to phone là một mô hình được cái tiến hơn so với mô hình PC to PC. Mô hình này cho phép người sử dụng máy tính có thể thực hiện cuộc gọi đến mạng PSTN thông thường và ngược lại. Trong mô hình này mạng Internet và mạng PSTN có thể giao tiếp với nhau nhờ một thiết bị đặc biệt dó là gateway. Đây là mô hình cơ sở để dẫn tới việc kết hợp giữa mạng Internet và mạng PSTN cũng như các mạng GSM hay đa dịch vụ khác.

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 97 trang tài liệu này.

1.3.3 Mô hình phone to phone

Đây là mô hình mở rộng của mô hình PC to phone, sử dụng Internet làm phương tiện liên lạc giữa các mạng PSTN. Tất cả các mạng PSTN đều kết nối với mạng Internet thông qua các gateway. Khi tiến hành cuộc gọi, mạng PSTN sẽ kết nối đến gateway gần nhất, tại đây địa chỉ sẽ được chuyển đổi từ địa chỉ PSTN sang địa chỉ IP để có thể định tuyến các gói tin đến được mạng đích. Đồng thời gateway nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu thoại tương tự thành dạng số sau đó mã hóa, nén, đóng gói lại và gửi qua mạng. Mạng đích cũng được kết nối với gateway và tại đó địa chỉ lại được chuyển đổi trở thành địa chỉ PSTN và tín hiệu được giải nén, giải mã, rồi chuyển đổi ngược lại thành tín hiệu tương tự gửi vào mạng PSTN đến đích.

1.4 Cơ chế làm việc của VoIP:

Khi nói vào ống nghe hay microphone, giọng nói sẽ tạo ra tín hiệu điện từ, đó là những tín hiệu analog. Tín hiệu analog được chuyển sang tín hiệu số dùng thuật toán đặc biệt để chuyển đổi. Những thiết bị khác nhau có cách chuyển đổi khác nhau như IP phony hay soft phone, nếu dùng điện thoại analog thông thường thì cần một Telephone Adapter (TA). Sau đó giọng nói được số hóa sẽ được đóng vào gói tin và gởi trên mạng IP. Trong suốt tiến trình một giao thức như SIP hay H323 sẽ được dùng để điểu khiển cuộc gọi như là thiết lập, quay số, ngắt kết nối… và RTP thì được dùng cho tính năng đảm bảo độ tin cậy và duy trì chất lượng dịch vụ trong quá trình truyền.

1.4.1 Số hóa tín hiệu Analog:

Biểu diễn tín hiệu tương tự(analog) thành dạng số (digital) là công việc khó khăn. Vì bản thân dạng âm thanh như giọng nói con người ở dạng analog do đó cần một số lượng lớn các giá trị digital để biểu diễn biên độ (amplitude), tần số(frequency) và pha (phase), chuyển đổi những giá trị đó thành dạng số nhị phân (zero và one) là rất khó khăn. Cần thiết cần có cơ chế dùng để thực hiện sự chuyển đổi này và kết quả của sự phát triển này là sự ra đời của những thiết bị được gọi là codec (coder-decoder) hay là thiết bị mã hóa và giải mã. Tín hiệu đện thoại analog được đặt vào đầu vào của thiết bị codec và được chuyển đổi thành chuỗi số nhị phân ở đầu ra. Sau đó quá trình này thực hiện trở lại bằng cách chuyển chuỗi số thành dạng analog ở đầu cuối, với cùng quy trình codec.

1.4.2 Lấy mẫu (Sampling):

Tín hiệu âm thanh trên mạng điện thoại có phổ năng lượng đạt đến 10Khz. Tuy nhiên, hầu hết năng lượng đều tập trung ở phần thấp hơn trong dải này. Do đó để tiết kiệm băng thông trong các hệ thống truyền được ghép kênh theo FDM và cả TDM. Các kênh điện thoại thường giới hạn băng tần trong khoảng từ 300 đến 3400Hz. Tuy nhiên trong thực tế sẽ có một ít năng lương nhiễu được chuyển qua dưới dạng các tần số cao hơn tần số hiệu dụng 3400Hz. Vì thế phổ tẩn số có

thể được mở rộng đến 4Khz, theo lý thuyết Nyquist: khi một tín hiệu thì được lấy mẫu đồng thời ở mỗi khoảng định kì và có tốc độ ít nhất bằng hai lần phổ tần số cao nhất, sau đó những mẫu này sẽ mang đủ thông tin để cho phép việc tái tạo lại chính xác tín hiệu ở thiết bị nhận. Với phổ tần số cao nhất cho thoại là 4000Hz hay 8000 mẫu được lấy trong một giây, khoảng cách giữa mỗi mẫu là 125 micro giây.

1.4.3 Lượng tử hoá (Quantization):

Tiến trình kế tiếp của số hóa tín hiệu tuần tự là biểu diễn giá trị chính xác cho mỗi mẫu được lấy. Mỗi mẫu có thể được gán cho một giá trị số, tương ứng với biên độ (theo chiều cao) của mẫu. Sau khi thực hiện giới hạn đầu tiên đối với biên độ tương ứng với dải mẫu, đến lượt mỗi mẫu sẽ được so sánh với một tập hợp các mức lượng tử và gán vào một mức xấp xỉ với nó. Qui định rằng tất cả các mẫu trong cùng khoảng giữa hai mức lượng tử được xem có cùng giá trị. Sau đó giá trị gán được dùng trong hệ thống truyền. Sự phục hồi hình dạng tín hiệu ban đầu đòi hỏi thực hiện theo hướng ngược lại.

1.4.4 Mã hóa (Encoding):

Mỗi mức lượng tử được chỉ định một giá trị số 8 bit, kết hợp 8 bit có 256 mức hay giá trị. Qui ước bit đầu tiên dùng để đánh dấu giá trị âm hoặc dương cho mẫu. Bảy bít còn lại biểu diễn cho độ lớn; bit đầu tiên chỉ nửa trên hay nửa dưới của dãy, bit thứ hai chỉ phần tư trên hay dưới, bit thứ 3 chỉ phần tám trên hay dưới và cứ thế tiếp tục. Ba bước tiến trình này sẽ lặp lại 8000 lần mỗi giây cho dịch vụ kênh điện thoại. Dùng bước thứ tư là tùy chọn để nén hay tiết kiệm băng thông. Với tùy chọn này thì một kênh có thể mang nhiều cuộc gọi đồng thời.

1.4.5 Nén giọng nói(Voice Compression):

Mặc dù kĩ thuật mã hóa PCM 64 Kps hiện hành là phương pháp được chuẩn hóa, nhưng có vài phương pháp mã hóa khác được sử dụng trong những ứng dụng đặc biệt. Các phương pháp này thực hiện mã hóa tiếng nói với tốc độ nhỏ

hơn tốc độ của PCM, nhờ đó tận dụng được khả năng của hệ thống truyền dẫn số. Chắc hẳn, các mã hóa tốc độ thấp này sẽ bị hạn chế về chất lượng, đặt biệt là nhiễu và méo tần số.

1.4.6 Packetizing voice:

Mỗi khi giọng nói đã được số hoá và được nén lại, nó phải được chia thành những phần nhỏ, để đặt vào gói IP, VoIP thì không hiệu quả cho những gói tin nhỏ, trong khi những gói tin lớn thì tạo ra nhiều độ trễ, do ảnh hưởng của vài loại header mà kích thưóc cuả dữ liệu thoại (voice data ) cũng sẽ ảnh hưởng. Ví dụ header của IP, UDP, RTP là 40 byte, nếu gói tin voice cũng chỉ khoảng 40 byte thì hoàn toàn không hiệu quả, kích thước gói tin lớn nhất có thể trong môi trường Ethernet là 1500 byte, dùng 40 byte cho header còn lại 1460 byte có thể sử dụng cho phần dữ liệu thoại, tương đương với 1460 mẫu (samples) không được nén hay thời gian để đặt phần dữ liệu vào gói tin. Nếu gói bị mất nhiều hay đến đích không đúng thứ tự sẽ làm cho

cuộc thoại bị ngắt quãng. Thông thường, cần khoảng 10  s đến 30  s

(trung bình là 20  s) để đặt dữ liệu thoại vào bên trong gói tin, ví dụ phần

dữ liệu thoại (voice data) vơí kích thước 160 byte không nén cần khoảng

20  s để đặt phần dữ liệu thoại vào bên trong gói tin. Số lượng dữ liệu thoại bên trong gói tin cần cân bằng giữa sự hiệu quả trong sử dụng băng thông và chất lượng của cuộc thoại.

1.5 Các vấn đề chất lượng của VoIP:

Đòi hỏi cơ bản nhất của hệ thống VoIP là phải có chất lượng thoại tương đương với chất lượng thoại trong mạng PSTN. Chất lượng thoại được chia thành các cấp độ khác nhau, việc đánh giá chất lượng thoại còn mang tính chủ quan nhưng cũng có một số tham số được dùng để đánh giá chất lượng

thoại. Có 3 tham số chính quyết định chất lượng thoại đó là : trễ, trượt và mất gói.

Chất lượng như nói chuyện trực tiếp

Chất lượng điện thoại

Có thể hiểu được ý nhưng chất lượng chưa tốt lắm

Không hiểu hết từ nhưng hiểu ý của người nói

Không hiểu được từ và ý của người nói

 Trễ (Delay):

Hình 1.4 Các mức độ đánh giá chất lượng thoại

Trễ là một nhân tố ảnh hưởng nhiều đến chất lượng thoại, thời gian trễ lớn làm giảm chất lượng thoại rất nhiều. Mỗi hệ thống truyền thông chỉ cho phép một giới hạn trễ nhất định, khi thời gian trễ trong hệ thống vượt quá 400ms thì chất lượng cuộc liên lạc là không chấp nhận được. Thời gian trễ có thể chấp nhận được nằm trong khoảng từ 200ms đến 400ms. Muốn đạt được chất lượng cuộc gọi tốt thì thời gian trễ yêu cầu không quá 200ms. Thời gian trễ được phân chia thành 2 loại là thời gian trễ cố định (như thời gian trễ truyền dẫn) và trễ biến đổi (như thời gian trễ do xếp hàng đợi ở router). Yêu cầu giảm trễ là rất cần thiết trong hệ thống VoIP để có thể nâng cao chất lượng dịch vụ.

 Trượt (Jitter):

Trượt là sự chênh lệch về thời gian đén của các gói trong mạng gây ra do sự chênh lệch thời gian truyền dẫn của các gói thoại theo các đường khác nhau từ

nguồn đến đích. Để có thể tái tạo tiếng nói một cách chính xác trung thực thì bên bên thu cần phải loại bỏ Jitter. Phương pháp được sử dụng để loại bỏ Jitter hiện đang được sử dụng là dùng bộ đệm. Các gói sau khi nhận sẽ được lưu trong bộ đệm và sẽ được xử lý lần lượt. Dùng bộ đệm sẽ tránh được những thời gian trễ lớn của các gói tin. Nhưng bù lại thì bộ đệm làm tăng thêm thời gian trễ trong hệ thống, thời gian trượt càng lớn thì dung lượng bộ đệm cũng phải lớn. Nhưng bộ đệm càng lớn thì thời gian trễ gây ra càng lớn. Do vậy việc tính toán dung lượng của bộ đệm thích hợp với từng hệ thống là rất cần thiết, sao cho tránh được trượt mà thời gian trễ không làm giảm chất lượng của hệ thống.

 Mất gói (packet loss):

Mạng Internet không thể đảm bảo rằng tất cả các gói tin đều được chuyển giao. Các gói tin có thể bị mất trong trường hợp mạng bị quá tải, nghẽn mạng hoặc do đường kết nối không đảm bảo. Yêu cầu tỉ lệ mất gói là nhỏ hơn 10%. Do hạn chế của thời gian trễ nên các giao thức truyền bảo đảm không thích hợp để giải quyết vấn đề này. Để duy trì chất lượng thoại ở múc chấp nhận được mặc dù không thể tránh khỏi các nguyên nhân bất thường trong mạng, một số kỹ thuật đã được đưa ra. Đó là kỹ thuật thay thế các gói tin mất bằng những khoảng im lặng. Người ta cũng giảm số lượng các gói truyền qua mạng bằng kỹ thuật nén tín hiệu. Sử dụng bộ phận phát hiện tích cực thoại, khi hai bên không tích cực thoại thì không trao đổi thông tin và phát tạp âm dễ chịu, sử dụng phương pháp này làm tăng hiệu quả sử dụng kênh truyền. Ngoài ra cần nâng cao độ tin cậy của đường truyền như tăng tốc độ kênh truyền, tăng dung lượng hệ thống thiết bị truyền dẫn.

CHƯƠNG 2 : KIẾN TRÚC HỆ THỐNG VoIP

2.1 Kiến trúc và các giao diện của mạng VoIP :

2.1.1 Kiến trúc của mạng VoIP :

Theo tiêu chuẩn của tổ chức ETSI, cấu hình chuẩn của mạng VoIP có thể gồm

các phần sau:

- Thiết bị đầu cuối kết nối với mạng IP.

- Mạng xương sống, mạng truy nhập Ip.

- Gateway điều khiển phương tiện.

- Gateway phương tiện.

- Gateway báo hiệu.

- Gatekeeper (GK).

- Mạng chuyển mạch (SCN).

- Thiết bị đầu cuối kết nối với mạng điện thoại SCN.

- Các dịch vụ đầu cuối (Back-end service).

2.1.2 Các giao diện của mạng VoIP:

Các giao diện chuẩn của mạng VoIP gồm có:

- Giao diện A: Giao diện giữa thiết bị đầu cuối H.323 và GK.

- Giao diện B: Giao diện giữa thiết bị đầu cuối với gateway phương tiện.