Глава 2

______________________________________________________________________________

Глава 2

ПРОТОКОЛЫ МУЛЬТИМЕДИЙНЫХ ПРИЛОЖЕНИЙ

2.1. Общие принципы формирования пакетов

Мультимедийные приложения сети следующего поколения предполагают использование одной из триады услуг (Triple Service) или их различных комбинаций:

•передача данных (текста, факсимиле, неподвижных изображений);

•передача видео (подвижных изображений);

•передача аудио (речи, музыки).

Изначально сеть Интернет проектировалась только как сеть передачи данных и не была рассчитана на передачу приложений в реальном масштабе времени, каковыми являются приложения видео и аудио. Поэтому возникла необходимость дополнить базовые протоколы Интернет дополнительными специализированными протоколами.

Во многих случаях исходная информация является аналоговой. Преобразование аналогового сигнала в цифровой сигнал может осуществляться различными способами. Преобразование обычно включает в себя четыре этапа:

1.Ограничение полосы (Band Limitation). Выбирается эффективный спектр речевого сигнала, находящийся в диапазоне от 300 до 3400 Гц.

2.Квантование (Sampling). Для правильного воспроизведения аналогового сигнала достаточно передавать его отдельные значения, между которыми исходный аналоговый сигнал изменяется монотонно. Поскольку наибольшие изменения создает самая высокая частота исходного аналогового сигнала, то частота квантования (выборки) выбирается равной удвоенному значению наивысшей частоты исходного аналогового сигнала, т.е. не менее 6800 Гц, в практических реализациях она принята равной 8000 раз в секунду.

3.Кодирование (Coding). Каждое значение выборки измеряется и кодируется в двоичном коде длиной 8 бит (1 байт). Первый бит определяет знак выборки (0 – отрицательное значение, 1 – положительное). Следующие три бита определяют сегмент, т.е. часть масштабной области, в которой находится измеренная выборка (000

–младший сегмент, 111 – старший). Последние четыре бита определяют один из 16-и шагов внутри сегмента (0000 – первый шаг, 1111 – последний). Погрешность измерения

порождает шумы квантования. Таким образом, для речевого сигнала полоса передачи равна 8000 с-1 * 8 бит = 64000 бит/с или 64 Кбит/с.

4.Сжатие цифрового сигнала. Эта операция производится над группой оцифрованных выборок и не является обязательной, если в сети используются высокоскоростные каналы связи. Однако некоторые части сети могут иметь гораздо более низкую скорость передачи. В этих случаях сжатие цифрового сигнала становится необходимым. Следует отметить, что сжатие сигнала на передаче всегда связано с понижением качества его воспроизведения на приеме. Для оценки передачи качества голосового сигнала ITU-T (Рекомендация Р.800) использует шкалу средней экспертной оценки (Mean Opinion Scores, MOS), приведенную в табл. 2.1.

91

Ю.Ф.Кожанов, Колбанев М.О ИНТЕРФЕЙСЫ И ПРОТОКОЛЫ СЕТЕЙ СЛЕДУЮЩЕГО ПОКОЛЕНИЯ

______________________________________________________________________________

Группа оцифрованных выборок (со сжатием или без) объединяются в поле данных, обрамляются заголовками стека протоколов и в виде пакета передаются в канал связи. На приеме восстановление аналогового сигнала производится в обратном порядке.

2.1.1.Формирование речевых пакетов. Рекомендации G.711, G.729, G.723, G.726

Всоответствии с Рекомендацией G.711 время между соседними выборками равно 125 микросекунд, поэтому в поле данных пакета (Payload) за 10, 20 или 30 мс помещается соответственно 80, 160 или 240 байт. При прохождении по стеку протоколов добавляются заголовки RTP (12 байт), UDP (8 байт), IP (20 байт) и байты канального уровня (8 байт для РРР или 14 байт для Ethernet). В наихудшем случае (Ethernet) с учетом преамбулы и межпакетного интервала в сумме добавляется 78 байт

(рис. 2.1).

Рис. 2.1. Поля речевого пакета (Ethernet)

Общая характеристика пакета для приведенных случаев дана в табл. 2.2. Табл. 2.2

Рекомендация G.729A использует алгебраический линейный предиктивный кодер связанной структуры (Conjugate-Structure Algebraic-Code-Excited Linear-Prediction, CSACELP). Для сжатия речевых пакетов применяются специализированные цифровые процессоры (Digital Signal Processor, DSP) высокой производительности, использующие различные алгоритмы сжатия. В качестве исходных данных используется блоки 10 (или 20) миллисекундных выборок размером 80 (или 160) байт, а на выходе процессор формирует пакет длиной 10 (или 20) байт. Время обработки блока процессором – 5 мс, общее время формирования пакета 15 (или 25) мс. Общая характеристика пакета дана в табл. 2.3.

Табл. 2.3

Рекомендация G.723.1A использует два алгоритма: многоимпульсное квантование с максимальным правдоподобием (Multipulse Maximum Likelihood Quantization, MP-MLQ) или алгебраическое линейное предиктивное кодирование

(Algebraic-Code-Excited Linear-Prediction, CS-ACELP). В качестве исходных данных используется блоки 30-и миллисекундных выборок размером 240 байт. В первом случае на выходе процессор формирует пакет длиной 192 бит (24 байта), во втором – 160 бит (20 байт). Время обработки блока процессором – 7.5 мс, общее время формирования пакета 37.5 мс. Общая характеристика пакета для приведенных случаев дана в табл. 2.4.

92

Глава 2 ПРОТОКОЛЫ МУЛЬТИМЕДИЙНЫХ ПРИЛОЖЕНИЙ

______________________________________________________________________________

Табл. 2.4

Для еще большей экономии полосы передачи кодеки G.711, G.729, G.723 используют процедуру подавления пауз в разговоре. На передаче детектор активности (Voice Activity Detection, VAD) обнаруживает паузы в речи путем сравнения энергии в пакете, поступившим от источника, с энергией в пакете, поступившим от генератора шума. При обнаружении длительной паузы (длительностью примерно 10 мс) передатчик начинает посылать пакеты (Silence Insertion Descriptor, SID), имеющие гораздо меньшую длину (4 байта), чем обычные речевые пакеты. Приемник, получив такой пакет, включает местный генератор комфортного шума (Comfort Noise Generator, CNG), чтобы снять у абонента ощущение обрыва канала связи. Процедура подавления пауз в разговоре позволяет уменьшить нагрузку на 35-45%.

Рекомендация G.726 предлагает использовать следующие кодеки (табл. 2.5). Табл.2.5

Последние два случая (с полосой 24 и 16 Кбит/с) использовать не рекомендуется. Формирование пакетов видео приведено в Рекомендациях H.261, Н.262 и H.263.

Рекомендации предназначены для передачи подвижных изображений телевизионного стандарта с разверткой 525 или 625 строк со скоростью развертки от 10 до 75 кадров в секунду. Длина кадра различна, полоса передачи зависит от размера изображения и от скорости развертки и расположена от 2 до 100 Мбит/с. Рекомендации описывают несколько опций сжатия, позволяющие понизить суммарную полосу передачи.

ВОПРОСЫ К РАЗДЕЛУ 2.1

1.Назовите обязательные и опциональные операции при формировании аудио и видео пакетов.

Ответ. Обязательные операции – выборка, квантование, кодирование, опциональная – сжатие.

2.Какой транспортный протокол применяется для переноса информации пользователя в реальном масштабе времени?

Ответ. UDP.

3.Поясните значение полос передачи второй строки табл.2.2 и первой строки табл.2.4.

Ответ. В первом случае каждые 20 мс передается пакет длиной 238 байт. Следовательно, за 1 секунду передается 238*1000/20 байт = 1190 байт = 95200 бит. Во втором случае за 30 мс передается пакет длиной 102 байта. Следовательно, за 1 секунду передается 102*1000/30 байт = 3400 байт = 27200 бит.

4.Возможен ли обмен информацией (например, разговор) между пользователями, использующими различные типы кодеков?

Ответ. Передающая и приемная части должны использовать один тип кодека.

93