VoIP ומדידת איכות שיחה

VoIP - איכות השיחה / יוסי כהן DSP-IP

 בחלק הראשון של סיקור תחום ה – VoIP ראינו את תקני הדוחסים ( CODEC ) והסברנו כיצד דוחסים "פרטיים" של חברות וארגוני קוד פתוח דוחקים את הדוחסים המסורתיים של אירגוני התקינה.

  במאמר זה נסביר את הגורמים הנוספים מלבד הדוחס המשפיעים על איכות השיחה

 במאמר הבא נסביר כיצד מודדים את איכות השיחה וההשפעה הרבה שיש לכך על ארכיטקטורות עיבוד אותות ובקרת רשת של חברות מובילות.

  הגורמים המשפעים על איכות השיחה

 הגורמים המשפיעים על איכות שיחת VoIP מתחלקים לשני סוגים עיקריים:

1. מערכת עיבוד הקול
2. מערכת העברת המידע (הרשת)

 הגורמים המשפיעים על איכות השיחה במערכת עיבוד הקול:

·         השהיה (Delay ) – ההשהייה היא מהגורמים המשפיעים ביותר על איכות השיחה ככל שהיא גדולה יותר איכות השיחה גרועה יותר. קיימים שני גורמים עיקרים להשהייה ברשת: השהייה הנגרמת כתוצאה מרכיבי עיבוד הקול בצד השולח והמקבל, והשהייה הנגרמת כתוצאה ממערכת העברת הנתונים (השהיית רשת).

·         איכות דוחס הקול (ה-speech codec) – איכות דוחס הקול היא רמת הדיוק שבה הוא יכול לשחזר את הקול לאחר דחיסה. איכות זו מושפעת מגורמים רבים כמו  לדוגמא רוחב פס התדרים אותו מסוגל הדוחס להעביר. רוב הדוחסים היום כמו ה- G723.1 או ה – G729 נועדו לעבודה בקצבי העברה (bit rate) נמוכים ובאיכויות יחסית נמוכות ולכן העבירו פס תדרים של עד 4KHz כמו בטלפון רגיל. דוחסים חדשים יותר כמו ה –   G722.1או ה – iSAC מעברים עד 8KHz ומאפשרים איכות שיחה טובה יותר משל טלפונים רגילים. פרמטרים נוספים עליהם משפיע הדוחס הם קצב הדחיסה וההשהייה אותה הוא מוסיף למערכת-ככל שההשהייה גדולה יותר איכות השיחה גרועה יותר

·         רכיבים לביטול הד  אקוסטי (Acoustic Echo Cancellation) – כאשר אנו מדברים בשיחת VoIP הקול עובר לאחר עיבוד ומעבר ברשת אל הרמקולים של הצד השני לשיחה, חלק מהקול יוגבר במיקרופון ויחזור בחזרה אלינו כהד. כדי למנוע תופעה זו משתמשים ברכיב לביטול הד. קיימים הבדלים  ברמות האיכות של רכיבים לביטול הד אקוסטי.

  גורמי הרשת המשפיעים על איכות השיחה הם:

·         השהיית הרשת – השהיית הרשת היא כמות ההשהייה שנוספת כתוצאה ממעבר המידע ברשת. רמה ההשהייה משתנה בהתאם לתנאי הרשת ואינה תלויה במערכת עיבוד או העברת המידע.

·         כמות ה"נפילות" ( Packet Loss ) - לא כל חבילות המידע (Packets) הנשלחות מצד אחד של השיחה מועברות אל הצד השני. פקטים שלא הגיעו אל הצד השני נקראים פקטים אבודים או נפילות. בעית ה"נפילות" מתגברות כאשר יש עומסים ברשת או כאשר משתמשים ברשתות אלחוטיות בהן אחוז הנפילות גבוהה.

·         שינויי ההשהייה ( Jitter ) – השהיית הרשת אינה קבוע ומשתנה כל הזמן כלומר חבילות מידע הנשלחות בהפרשים קבועים מצד אחד לא יגיעו בהכרח באותם הפרשים בצד המקבל. אחד הפתרונות לבעייה זו היא הגדלת ההשהייה אך פתרון זה גורם לירידת איכות השיחה.

פתרונות לפיצוי על בעיות רשת

המשתמש ומערכת עיבוד הקול אינם יכולים לשלוט על הגורמים התלויים ברשת בלבד כמו ההשהייה, ה"נפילות" וה – Jitter אך ניתן לבנות מערכת עיבוד קול שיפצו על גורמים אלו ע"י שימוש נכון, בפרוטוקולי תקשורת מתאימים, אלגוריתמים לעיבוד אותות ואמצעים לבקרת איכות קול.

פרוטוקולי התקשורת – קיימים שני סוגים עיקריים של פרוטוקולים: פרוטוקולים אמינים כמו ה – TCP ופרוטוקולים לא אמינים כמו ה – UDP וה – RTP . לכל אחד מהפרוטוקולים יתרונות וחסרונות משלו:

·         פרוטוקול ה – TCP הוא פרוטוקול אמין כלומר כל המידע שנשלח מצד אחד של השיחה יגיע לצד השני אך הוא גורם להשהייה גדולה מאד ולכן אינו נמצא בשימוש ברוב מערכות ה – VoIP. 

·         פרוטוקול ה – RTP אינו פרוטוקול אמין, כלומר לא כל חבילות המידע הנשלחות יגיעו אל הצד השני לשיחה אך מצד שני רמת ההשהייה שפרוטוקול זה יוסיף לשיחה תהייה קטנה יותר משל פרוטוקול ה – TCP מסיבה זו פרוטוקול נפוץ הרבה יותר לשימושי VoIP.

 כדי להקטין את כמות איבודי המידע בפרטוקול ה – RTP ניתן להשתמש בתוספות של קודים לתיקון שגיאות. כדי לבקר בצורה טובה יותר את עיבודי המידע ניתן להשתמש בפרוטוקולי בקרה כמו RTCP והנגזרת החדשה שלו RTCP-XR המשמש לבקרת איכות שיחות VoIP

·         Jitter Buffer – רכיב זה משמש כדי לפצות על השינויים בהשהיית הרשת. רכיבי ה - Jitter Buffer  הפשוטים הגדילו את ההשהייה בלבד (constant delay buffer) ובכך גרמו לירידה באיכות השיחה. שיטות מודרניות מיישמות רכיבי JB בעלי השהייה משתנה המקטינה את התוספת הממוצעת של הההשהייה אך מצריכה אלגוריתמים לעיבוד אותות מתוחכמים יותר.

·         הסתרת "נפילות" ( PLC ) – למרות כל המאמצים שננקוט תמיד יהיו "נפילות" של פקטים , קיימים אלגוריתמים סטנדרטים של אירגון ה – ITU כיצד לנסות להסתיר את הפקטים החסרים ע"י השלמה וההעתקה של פקטים קודמים. קיימות גם גישות טובות יותר מהגישות הסטנדרטיות המשתמשות באלגוריתמים מתוחכמים לעיבוד אותות כדי להסתיר טוב יותר פקטים חסרים. בתרשימים הבא נראת השוואה של גישות שונות ל-PLC. השיטה של חברת GlobalIPSound  (באדום) מול ה – PLC הסטנדרטי, בדיאגרמה השמאלית השוואת איכות של G711 ובימנית השוואת איכות ה – PLC כאשר משתמשים בקודק רחב פס iPCM של GIPS לעומת G722.