Лекция 23(а). Ip телефония. Сотовая телефонная связь
IP-телефония сегодня привлекает много внимания и представляет собой компрессию голосового сигнала с последующей передачей по цифровым каналам передачи данных, использующих протокол IP.
Значительным преимуществом IP-телефонии перед Интернет-телефонией является качество связи, и возможность передачи факсов в реальном времени. Дополнительно, IP-телефония вносит абсолютно новые аспекты в сферу телекоммуникаций: аудио- и видеоконференции, одновременный доступ к приложениям, быстрый поиск абонента и другие.
Ip против pstn
Для понимания принципов IP-телефонии необходимо знание основ выделенных каналов на основе IP и отличия от традиционных коммутируемых телефонных сетей общего пользования (Public Switched Telephone Network, PSTN). Несмотря на то, что существуют общие аспекты функционирования телефонных сетей, мировая сеть выделенных каналов имеет важные отличия.
Традиционные телефонные сети коммутируют электрические сигналы с гарантированной полосой пропускания, достаточной для передачи сигналов голосового спектра. Когда происходит разговор, между телефонными аппаратами вызывающего и вызываемого абонентов создается электрическая цепь. При фиксированной пропускной способности передаваемого сигнала цена единицы времени связи зависит от удаленности и расположения точек вызова и места ответа.
С другой стороны, выделенные каналы, как и сеть Интернет исторически представляют собой сеть реализующую принцип коммутации пакетов, поскольку предназначен для разделения вычислительных ресурсов и приложений, где гарантирована фиксированная пропускная способность. Сети Интернет с коммутацией пакетов не обеспечивают гарантированной пропускной способности, поскольку не обеспечивают гарантированного пути между точками связи. Вся информация, передаваемая через IP (голос, текст, изображения, и т.п.) разделяется на пакеты данных, имеющие в своем составе адреса точек назначения (приема и передачи) и порядковый номер. Узлы IP направляют эти пакеты по сети до окончания маршрута доставки.
После прибытия всех пакетов к точке назначения, для восстановления исходного объема упорядоченных данных используются порядковые номера пакетов. Для приложений, где не важен порядок и интервал прихода пакетов, таких как e-mail, время задержек между отдельными пакетами не имеет решающего значения. IP-телефония является одной из областей передачи данных, где важна динамика передачи сигнала, которая обеспечивается современными методами кодирования и передачи информации, а также увеличением пропускной способности каналов и приводят к возможности успешной конкуренции IP-телефонии с традиционными телефонными сетями.
Какое качество от IP-телефонии могут ожидать пользователи? Это зависит от загруженности промежуточных каналов IP. Существуют две важных характеристики, определяющие качество связи канала. Первая - время задержек при передаче сигнала. Эта проблема характерна не только для Интернет телефонии, но и для IP-телефонии, хотя и в значительно меньшей степени. Часто голосовая связь через Интернет относительно задержек при разговоре может сравниваться с трансляцией обычного телефонного разговора через спутниковый канал. Время задержек в подавляющем большинстве случаев не является, однако, заметной помехой для связи.
Другая важная характеристика определяет качество передаваемого речевого сигнала, которое зависит от многих факторов. Важны как качество микрофона и колонок абонентов, так и потери IP-пакетов при передаче через канал. Здесь есть важное преимущество перед традиционными сетями: даже в случае загруженности каналов IP и потери части пакетов со сжатым речевым сигналом, программное или аппаратное обеспечение клиента или платформы могут исправить сигнал путем интерполяции соседних пакетов с учетом особенностей речевого спектра.
Программное обеспечение
Программное обеспечение для IP-телефонии доступно и недорого. Популярными продуктами являются Microsoft NetMeeting, доступный для бесплатной загрузки с узла Microsoft, IDT Net2Phone и DotDialer. Эти приложения реализуют разные схемы связи через IP.
Аппаратное обеспечение
Кроме обычной подсистемы мультимедиа не требуется иного аппаратного обеспечения для приложений IP-телефонии. Значительное улучшение качества и надежности связи обеспечивает специальная плата расширения - Quicknet Internet PhoneJack. Эта плата в стандарте ISA с поддержкой технологии "Plug and Play" имеет в своем составе специальный сигнальный процессор для обработки и дополнительного сжатия сигнала. Это позволяет снизить задержки и резко улучшить качество связи при уменьшении полосы пропускания передаваемого сигнала.
Дополнительно, Internet PhoneJACK предоставляет стандартный телефонный интерфейс. К плате может быть подключен любой стандартный телефонный аппарат, в том числе и беспроводный, и даже мини-АТС. Любой стандартный телефон, подключенный к плате, работает также, как если бы был подключен к обычной телефонной сети.
Общие принципы соединения
Исходя из схемы, реализованной провайдером IP-телефонии компанией Sitek (рис.1а), принцип работы сети IP-телефонии следующий (рассмотрен самый распространенный случай – звонок с телефона на телефон или с факсимильного аппарата на факсимильный аппарат).
Рис. 1а Схема сети (из Российских городов указаны только Москва, Санкт-Петербург и Нижний Новгород).
Необходимо совершить звонок на городской телефонный номер телефонного шлюза, пользуясь любым телефонным аппаратом или таксофоном. Звонок по цифровым (PRI) или аналоговым линиям приходит на телефонный шлюз. Шлюз обращается к серверу голосовых сообщений (IVR) для выдачи голосовых подсказок и сообщения остатка на счете. После идентификации и аутентификации, предлагается ввести код страны, города и телефонный номер вызываемого абонента. Все общение с телефонным шлюзом происходит в голосовом канале. Дальше телефонный шлюз устанавливает связь с удаленным телефонным шлюзом по выделенному каналу. Удаленный шлюз совершает такое же соединение с вызываемым абонентом, но в обратном порядке. После установки соединения шлюзы начинают обмен IP-пакетами, в которые упакован голос. Так как при упаковке-распаковке голоса компания Ericsson использовала самые современные алгоритмы сжатия, и так как при передаче IP-пакетов используется "чистый" канал (без передачи данных по нему), то качество связи не уступает качеству привычной международной телефонной связи.
Принцип сотовой связи
Основой любой сотовой сети телефонной связи является собственно сота (ячейка), в центре которой находится базовая станция. Во время разговора сотовый телефон соединен с базовой станцией радиоканалом, по которому и передается разговор. Размеры "ячейки" сотовой сети определяются максимальной дальностью связи телефонного аппарата с базовой станцией, типом сети, мощностью базовой станции и рядом других факторов. Максимальная дальность - радиус соты - может быть в диапазоне от нескольких метров до многих десятков километров. Идея сотовой сети мобильной связи заключается в следующем: еще не выйдя из зоны действия одной базовой станции, телефон и его владелец попадают в зону действия следующей, и так вплоть до наружной границы всей зоны покрытия сети. Сотовая связь совсем не обязательно подразумевает мобильность: сегодня во всем мире все большее распространение получает так называемая "сотовая фиксированная связь". Такое решение часто оказывается экономически выгодным - отпадает необходимость в дорогостоящей прокладке телефонного кабеля, а одной мощной базовой станции вполне достаточно для телефонизации целого микрорайона. В этом случае абоненты обычно получают настольные телефонные аппараты, мало чем отличающиеся от привычных кнопочных стационарных телефонов. Аналоговые стандарты сотовой связи
На начальном этапе развития сотовой связи важнее всего было обеспечить максимально возможную зону охвата при минимально возможном количестве базовых станций. С этой задачей успешно справлялись аналоговые системы стандарта AMPS (Advanced Mobile "Phone Service), в которых каждому абоненту на время разговора выделялась определенная полоса частот. Однако по мере роста числа абонентов начали возникать проблемы перегрузки сети, так как ограниченного диапазона частот перестало хватать для всех одновременно разговаривающих. Одной из основополагающих концепций любой сотовой системы связи является концепция ”многостанционного (множественного) доступа” , под которой понимается то, что система поддерживает одновременную работу в сети нескольких абонентов. Иными словами, значительное количество абонентов делят между собой ограниченное число радиоканалов. Любой абонент может получить доступ к любому радиоканалу. Канал в этой ситуации может рассматриваться как часть ограниченного частотного диапазона, выделенного для данной сети связи. Интенсивный процесс развития новых технологий мобильной телефонной связи можно считать начавшимся с того момента, когда рост числа абонентов сотовых сетей связи натолкнулся на "шлагбаум" дефицита частот. Несмотря на значительные усовершенствования, стандарт аналоговой передачи AMPS был обречен, и начался переход на цифровые стандарты, позволяющие при прочих равных условиях кардинально увеличить количество одновременно разговаривающих абонентов. В разных системах сотовой связи используются разные технологии множественного доступа. Традиционные аналоговые системы сотовой связи, основанные на стандартах AMPS и TACS (Total Access Communications System), используют технологию частотного разделения каналов. Например, системы стандарта AMPS делят частотный диапазон на участки шириной 30 КГц на канал. Узкополосные системы AMPS (NAMPS) используют 10 КГц участки спектра на каждый канал, а системы TACS – 25 КГц участки спектра.
Цифровые стандарты сотовой связи
Совсем другие технологии применяются в цифровых системах сотовой связи. Самая распространенная называется технологией многостанционного доступа с временным разделением каналов (TDMA – Time Division Multiple Access). В группу стандартов цифровой связи TDMA входят Североамериканская цифровая сотовая связь (известная также под именем используемого ею стандарта IS-54/IS-136), Глобальная система мобильной связи (GSM – Global System for Mobile Communications) и Персональная цифровая сотовая связь (PDC - Personal Digital Cellular). Стандарт IS-54, в настоящее время IS-13 6, разработан в 1990 году для стран Северной Америки. Он был впервые применен в 1992 году. Эта технология, которую еще называют D-AMPS (Цифровая AMPS), разрабатывалась для увеличения емкости существующих аналоговых сетей AMPS, для которых уже не хватало частот в условиях быстрого роста числа абонентов. Одновременно в США начала быстрыми темпами развиваться еще одна система сотовой цифровой связи, основанная на технологии кодового разделения каналов – стандарт CDMA. В этой системе все телефонные разговоры как бы "перемешаны" в общем широкополосном сигнале, из которого каждый телефонный аппарат выделяет предназначенную ему часть благодаря присвоенному уникальному коду.
В отечественных условиях шло параллельное развитие чуть ли не всех существующих в мире стандартов сотовой связи.