Расчет использования пропускной способности VoIP

В этом документе описываются расчеты пропускной способности голосового кодека и технические характеристики для изменения или сохранения пропускной способности при использовании голоса по IP (VoIP). Одним из наиболее важных факторов, которые следует учитывать при настройке сетей пакетной голосовой связи, является правильное планирование пропускной способности. При планировании пропускной способности расчет пропускной способности является важным фактором, который следует учитывать при проектировании и устранении неполадок пакетных голосовых сетей для обеспечения хорошего качества голоса.

Пропускная способность на вызов

Эти предположения заголовка протокола используются для вычислений:

• 40 байт для заголовков IP (20 байт)/протокола пользовательских дейтаграмм (UDP) (8 байт)/транспортного протокола реального времени (RTP) (12 байт).
• Протокол сжатого реального времени (cRTP) сжимает заголовки IP/UDP/RTP до 2 или 4 байтов (cRTP недоступен через Ethernet).
• 6-байтовый заголовок уровня 2 (L2) .12 для многоканального протокола двухточечной связи (MP) или Frame Relay Forum (FRF).
• 1 байт для конечного флага в кадрах MP и Frame Relay.
• 18 байт для заголовков Ethernet L2 с 4 байтами последовательности управления кадром (FCS) или проверки циклическим избыточным кодом (CRC).

Информация о кодеке Расчеты пропускной способности Кодек и скорость передачи данных (Кбит/с) Размер выборки кодека (байты) Интервал выборки кодека (мс) Средний балл мнений (MOS) Размер полезной нагрузки аудио (байты) Размер полезной нагрузки аудио (мс) Пакетов в секунду (БГБ) Пропускная способность MP или FRF.12 (Кбит/с) Пропускная способность с cRTP MP или FRF.12 (Кбит/с) Пропускная способность Ethernet (Кбит/с) G.711 (64 Кбит/с) 80 байт 10 мс 4.1 160 байт 20 мс 50 82,8 Кбит/с 67,6 Кбит/с 87,2 Кбит/с G.729 (8 Кбит/с) 10 байт 10 мс 3,92 20 байт 20 мс 50 26,8 Кбит/с 11,6 Кбит/с 31,2 Кбит/с G.723.1 (6,3 Кбит/с) 24 байта 30 мс 3,9 24 байта 30 мс 33,3 18,9 Кбит/с 8,8 Кбит/с 21,9 Кбит/с G.723.1 (5,3 Кбит/с) 20 байт 30 мс 3,8 20 байт 30 мс 33,3 17,9 Кбит/с 7,7 Кбит/с 20,8 Кбит/с G.726 (32 Кбит/с) 20 байт 5 мс 3,85 80 байт 20 мс 50 50,8 Кбит/с 35,6 Кбит/с 55,2 Кбит/с G.726 (24 Кбит/с) 15 байт 5 мс     20 мс 50 42,8 Кбит/с 27,6 Кбит/с 47,2 Кбит/с G.728 (16 Кбит/с) 10 байт 5 мс 3,61 60 байт 30 мс 33,3 28,5 Кбит/с 18,4 Кбит/с 31,5 Кбит/с G722_64k (64 Кбит/с) 80 байт 10 мс 4.13 160 байт 20 мс 50 82,8 Кбит/с 67,6 Кбит/с 87,2 Кбит/с ilbc_mode_20 (15,2 Кбит/с) 38 байт 20 мс NA 38 байт 20 мс 50 34,0 Кбит/с 18,8 Кбит/с 38,4 Кбит/с ilbc_mode_30 (13,33 Кбит/с) 50 байт 30 мс NA 50 байт 30 мс 33,3 25,867 Кбит/с 15,73 Кбит/с 28,8 Кбит/с Объяснение терминов Битовая скорость кодека (Кбит/с) В зависимости от кодека это количество бит в секунду, которое необходимо передать для совершения голосового вызова. (Битрейт кодека = размер выборки кодека / интервал выборки кодека). Размер выборки кодека (байты) В зависимости от кодека это определяет количество байтов, захватываемых процессором цифровых сигналов (DSP) в каждом интервале выборки кодека. Например, декодер G.729 работает с интервалом выборки 10 мс; Это соответствует 10 байтам (80 битам) на выборку при скорости передачи данных 8 Кбит/с. (Битрейт кодека = размер выборки кодека / интервал выборки кодека). Интервал выборки кодека (мс) Это диапазон выборки, в котором работает кодек. Например, декодер G.729 работает с интервалом выборки 10 мс; Это соответствует 10 байтам (80 битам) на выборку при скорости передачи данных 8 Кбит/с. (Битрейт кодека = размер выборки кодека / интервал выборки кодека). Средний балл мнений (MOS) MOS — это система, используемая для оценки качества голосовой связи в телефонных соединениях. При использовании MOS широкий круг слушателей оценивает качество звукового образца по шкале от одного (плохое) до пяти (отличное). Баллы усредняются для получения кодов для MOS. Размер полезной нагрузки аудио (байты) Размер аудиополезной нагрузки указывает количество байтов (или битов), упакованных в пакет. Размер полезных данных аудио должен быть кратен размеру выборки кодека. Например, пакеты G.729 могут использовать размер голосовой нагрузки 10, 20, 30, 40, 50 или 60 байт. Размер полезной нагрузки аудио (мс) Размер полезной нагрузки аудио также можно представить в виде образцов кодека. Например, размер полезной нагрузки аудио G.729, равный 20 мс (две выборки кодека по 10 мс), представляет собой 20-байтовую полезную нагрузку аудио. П.П.С. PPS представляет собой количество пакетов, которые необходимо передавать каждую секунду, чтобы обеспечить битрейт кодека. Например, для вызова G.729 с размером голосовой нагрузки на пакет 20 байт (160 бит) каждую секунду необходимо передавать 50 пакетов. Формулы расчета пропускной способности

Формула, используемая для расчета пропускной способности, выглядит следующим образом:

• Общий размер пакета = (заголовок L2: MP или FRF.12 или Ethernet) + (заголовок IP/UDP/RTP) + (размер голосовой нагрузки)
• PPS = (битрейт кодека) / (размер полезной нагрузки аудио)
• Пропускная способность = общий размер пакета * PPS

Пример расчета

Например, требуемая полоса пропускания для вызова G.729 с cRTP, MP и 20-байтовой аудиополезной нагрузкой по умолчанию (битрейт кодека 8 Кбит/с):

• Общий размер пакета (в байтах) = (более MP размером 6 байт) + (сжатый заголовок IP/UDP/RTP размером 2 байта) + (голосовая полезная нагрузка 20 байтов) = 28 байтов
• Общий размер пакета (биты) = (28 байт) * 8 бит на байт = 224 бита
• PPS = (битрейт кодека 8 Кбит/с) / (160 бит) = 50 пакетов в секунду Примечания: 160 бит = 20 байт (аудиозапись по умолчанию) * 8 бит на байт
• Пропускная способность на вызов = размер голосового пакета (224 бита) * 50 пакетов в секунду = 11,2 Кбит/с.

Количество выборок кодека на пакет — еще один фактор, определяющий пропускную способность и задержку вызова VoIP. Декодер определяет размер выборки; однако общее количество выборок, помещенных в пакет, влияет на количество пакетов, отправляемых в секунду.

По мере увеличения голосовой нагрузки полоса пропускания VoIP уменьшается, а общая задержка увеличивается. Этот пример демонстрирует это:

• Вызов G.729 с размером голосовых данных 20 байт (20 мс): (40 байт заголовка IP/UDP/RTP + 20 байт голосовых данных) * 8 бит на байт * 50 пакетов в секунду = 24 Кбит/с
• Вызов G.729 с размером голосовой полезной нагрузки 40 байт (40 мс): (40 байт заголовка IP/UDP/RTP + 40 байт голосовой полезной нагрузки) * 8 бит на байт * 25 пакетов в секунду = 16 Кбит/с

Примечания:

• Заголовки L2 не учитываются в этом расчете.
• Расчеты показывают, что количество требуемых пакетов в секунду уменьшается вдвое при увеличении размера полезной нагрузки вдвое.
• Рекомендуемая общая односторонняя задержка для голоса составляет 150 мс, как определено в спецификациях сектора стандартов телекоммуникаций Международного союза электросвязи (ITU-T) G.114.
• Для частной сети разумным целевым значением является 200 мс, а максимальное значение должно составлять 250 мс.

Обнаружение голосовой активности

В сетях голосовой связи с коммутацией каналов все голосовые вызовы используют соединения с фиксированной полосой пропускания 64 Кбит/с, независимо от того, какая часть разговора состоит из речи и насколько тихий разговор. В сетях VoIP все разговоры и тишина объединены. Пакеты тишины можно подавить с помощью обнаружения голосовой активности (VAD).

Со временем и в среднем за 24 поиска Vad может сэкономить до 35 процентов пропускной способности. Экономия не реализуется на каждом отдельном голосовом вызове или на каком-либо конкретном счетчике очков. При проектировании сети и проектировании пропускной способности не следует учитывать VAD, особенно на каналах, обрабатывающих менее 24 одновременных голосовых вызовов. Некоторые функции, такие как музыка в режиме ожидания и факс, отключают VAD. Если сеть рассчитана на полную пропускную способность голосовых вызовов, любая экономия, обеспечиваемая VAD, может быть использована для приложений передачи данных.

VAD также обеспечивает генерацию комфортного шума (CNG). CNG обеспечивает локально генерируемый белый шум, поскольку может ошибочно принять за зарезервированный вызов тишину; поэтому вызов выглядит нормально связанным с обеими сторонами. G.729 Приложение-B и G.723.1 Приложение-А включают интегрированную функцию VAD, но в остальном следуют тому же процессу, что и G.729 и G.723.1 соответственно.

Эвристика сжатия

Поскольку RTP не имеет отдельного заголовка пакета, поток UTP (для cRTP) отличается от потока UDP (cUDP) с помощью эвристики. В настоящее время для обнаружения пакетов RTP для сжатия используются следующие эвристики:

• Он равен номеру порта назначения.
• Номер целевого порта находится в диапазоне 16384–32767 или 49152–65535.
• В поле версии RTP установлено значение два.
• Поле расширения RTP установлено в ноль.