"ip телефония"

3 Технически характеристики

Съществена част от телекомуникационните мрежи са телефонните линии. Класическата телефонна линия или се състои от една двойка жици, пренасящи звук с пълен дуплекс (пълен дуплекс е възможността едновременно да се приема и предава) и необходимият за експлоатацията електрически ток. Телефонът свързан с телефонната линия, се захранва с напрежение ограничено до 48V, или при затворена слушалка то трябва да е около 48V (волта) DC. Практически, експлоатационният волтаж на телефонните системи може да варира между 24V и 60V, в зависимост от приложението, но 48V номинален волтаж е най-често използван. Телефонното оборудване често изисква и използва Телефонното оборудване често изисква и използва положително заземяване, което се осъществява в централите, посредством заземени проводници. Заземяването се практикува от 1940 г. и все още доста телефонни компании го използват¹⁰.

Когато слушалката на телефона е вдигната, волтажа на телефонните линии (жиците) пада до между 3V и 9V, а протичащото електричество обикновено е от порядъка на 20 - 60 mA. В практиката стандартно преминаващият през апарата ток е в обхвата 20 – 35 mA. Електричество над 55 – 60 mA би могло да повреди телефонният апарат. Като обобщение може да се каже, че телефонното оборудване само по себе си няма нужда от висок волтаж, за да работи. Необходимият волтаж пада от 48V до 3 – 9V по медните проводници (телефонни линии) и в телефонните централи. Висок волтаж е необходим понякога в телефонните централи, тъй като телефонните линии са доста дълги, което означава загуба на съпротивление по проводниците и спад на волтажа. Типичното DC съпротивление на телефона е около 180Ω(ома), и AC импеданс – около 600 Ω. Телефонните централи осигуряват от 200 до 400 Ω последователно съпротивление с цел предпазване на предаването на звука от смущения¹¹.

Широчината на честотната лента при телефонните линии е в диапазона 180 – 3200 Hz. Този диапазон е определен от телекомуникационните компании като достатъчен за членоразделно предаване на говора, като в същото време им позволява да предават много разговори по двойка коаксиални кабели. Долната граница на диапазона (180Hz) е определена така, че да не интерферира със стандартните военни честоти и същевременно да осигури малкият размер на телефонните трансформатори. Горната граница (3200 Hz) е съобразена с използваните системи за предаване на гласа (в съвременните системи гласът е дигитализиран на честота 8 kHz). Тя се явява и критична, тъй като при цифровите телефонни мрежи (широко разпространени днес), където звукът е дигитализиран на честота 8 kHz, всеки сигнал над 4 kHz ще бъде предаден като шум в честотната лента на гласа¹².

Типичното съотношение между предаваният сигнал (звук) е средно малко под 45 dB. То е трудно за определяне, тъй като шумът има множество различни причинители като интерференция, свистене в следствие усилването на гласа, преплитане на два разговора и др. Съотношението между шума и гласа може да бъде представено и чрез нелинейно кодиране на гласа и алгоритми за компресиране. Телефонните компании използват 8 битово нелинейно кодиране, което печели около 12 бита от динамичният диапазон¹³.

Телефонната линия е балансирана звукова лента (писта). Това се дължи на факта, че двата проводника от които се състои са свързани помежду си. Тази структура позволява сигналите да бъдат предавани на голямо разстояние без изграждането на скъпи защитни екрани, използвайки общ метод за отхвърляне на шума, който е индуциран в двата проводника. В балансираните двойки проводници, гласът пътува и по двата проводника едновременно, но единият е с фаза (електрическа фаза) обратна на другият. В двата края на връзката (телефонът на абоната и телефонната компания), сигналът се инвертира и се прехвърля в друга балансирана двойка. Ако електрически шум от някое от устройствата бъде пропуснат по пътя между абоната и телефонната компания, той ще се появи във фазата и на двата проводника. Когато сигналът и от двата проводника бъде инвертиран и събран, електрическият шум ще се премахне сам, а звуковият сигнал ще се усили. Тази система позволява телефонният сигнал да бъде пренасян на големи разстояния, по евтини проводници, без да се получават значителни смущения (шумове) в звука¹⁴.

Телефонната линия е среда с пълен дуплекс. Пълен дуплекс означава, че двама човека могат да говорят едновременно. За да бъде изпратен и получен звук през чифт проводници, трябва да се използва така нареченият “2 към 4 проводника” хибриден конвертор, който конвертира чифтът проводници в отделни предаващи и приемащи звукови писти. Минималните определящи характеристики на този тип конвертори са следните:

• 
  четири проводника за вход (сигнал пуснат в тази точка, ще бъде чут от система с два проводника)
  
• 
  четири проводника за изход (този сигнал е комбинация от всяко предаване на звук в система с два проводника)
  
• 
  два проводника “вход/изход” (това е връзката със система с два проводника)
  
• 
  нулево регулиране
  

За какво е необходимо нулевото регулиране? Както се вижда от блок схемата, сигналът от четирите входни, четирите изходни и двупроводниковата връзка, са физически свързани (т.е. представляват един проводник). Това означава, че потребителят от страната с четири проводника, ще чува собственият си глас със сила на звука равна на тази, с която приема гласът идващ от двупроводниковата страна. Това състояние се нарича ”100% страничен шум” ("100% side-tone"). “Страничният шум” е причината за по-голямата част от ехото, което е често срещано явление при интерконекциите. За да се намали процента на “страничният шум”, гласът на говорещият (или изпращаният) трябва да бъде отделен от получаваният сигнал. Отделянето става чрез прибавянето на полярно преобразувано копие от предаваният глас в получаваният сигнал. Тази процедура елиминира по-голямата част от “страничният шум” преди достигането на точката, в която при добре реализираните системи, ехото се премахва окончателно.

Хибридният цикъл прави възможно предаването на два канала с информация, движеща се в противоположни посоки по един чифт проводници. В началото хибридният цикъл е използвал при работата си два трансформатора. В наши дни скъпите и големи хибридни трансформатори обикновено са заменени от така наречените IC устройства, които изпълняват същите функции. Независимо дали се използва хибриден трансформатор или IC, той трябва да осигурява поне 1500 волта изолация и да успява да неутрализира включително пренапрежение по линиите в следствие на мълнии.

Функционалността на хибридите не е перфектна. Изолацията между сигналите движещи се в различни посоки е около 20 – 30 dB, което води до някои смущения. В общият случай например наличието на известно ехо при телефонен разговор не представлява сериозно смущение, но при разговори на големи разстояния, проблемът се задълбочава. Продаваните хибридни съединители, осигуряват познатите аудио връзки за приемане и получаване на звук с пълен дуплекс. Основната разлика между съединителите е размерът на транс-хибридните загуби или казано по-ясно,ехото от хибридът Когато се изпраща звук на хибрида, част от него се пропуска обратно, и се смесва с приеманият звук. Размерът на този върнат звук (ехо) зависи от типа на хибрида и качеството му на работа при следене на състоянието на телефонната линия ¹⁵.

В света няма твърдо установен единен телефонен стандарт. Обикновено всяка страна има свои стандарти. Това се дължи от една страна на историческото развитие на телефона (в съответната държава), а от друга – на желанието да се предпази вътрешният пазар от външна конкуренция. Въпреки това, в основни линии телефонните системи работят по един и същи начин в различните държави, което означава, че е възможно устройство закупено в една, може да не работи в друга. Най-значителни са разликите в електропреносната мрежа, окабеляването и конекторите, в съпротивлението на линиите, номиналното напрежение на електропреносната мрежа, сигнализиращите тонове и правилата за безопасност при използване на електропреносната мрежа. В много страни все пак съществуват изравнени стандарти, което прави възможно производството на универсални устройства¹⁶. Добре би било, ако сигнализиращите тонове също бъдат стандартизирани (например сигнал “заето” или основният сигнал), тъй като те са различни в различните държави.

За да звънне телефонът, телефонната компания за миг пуска 90 VRMS 20 Hz AC сигнал по линията. Дори при стотици ома съпротивление на проводниците (линиите) това все още е електрически удар. Стандартното съпротивление използвано при модерните телефонни линии е 600 Ω. Пълното съвпадение на съпротивлението е важно за постигането на добро качество на свързването, особено при разговорите на големи разстояния. Всеизвестен факт е, че при подаден сигнал, максимална мощност се постига, ако източника и приемника са с едно и също съпротивление. Стандартната предавателна линия има така нареченото “характеристично съпротивление”. Това е съпротивлението, което трябва да бъде поддържано в края на такава линия, ако се приеме, че тя е безкрайно дълга. Важността на характеристичното съпротивление се дължи на факта, че ако има прекъсване на линията при такова съпротивление, енергията пътуваща по нея ще бъде погълната в точката на прекъсване. Цялата енергия, която не е погълната при прекъсването на линията се отразява обратно по проводниците и започва да интерферира с оригиналният сигнал, който се предава по тях. Тъй като отразеният сигнал обикновено е с фаза обратна на тази на оригиналният, настъпва заличаване на амблитудите на честотите на предаване (т.е. звукът се губи по линията)¹⁷.

Все по-голямо приложение в практиката намират ISDN линиите. Това се дължи на тяхната универсалност – по тях може бързо да се осъществи пренос на глас, образ и данни.

ISDN или Integrated Services Digital Network е система за дигитални телефонни връзки и пренос на данни, съществуваща от 10 години. ISDN линиите в зависимост от трафикът, който могат да поемат биват два вида: BRI (2В+D) и PRI (30B+D).

BRI или Basic Rate Interface разделя стандартната телефонна линия на три дигитални канала, които могат да пренасят едновременно глас и данни. В тези три канала се включват два “Bearer” (В) канала (канали за пренос), всеки от които със скорост на пренос 64 kbps, и един “Data” (D) канал (канал за пренос на данни, служебен канал) със скорост на пренос 16 kbps. Трябва да се има предвид, че в случая “к” означава 1000( 10³ ), а не 1024 ( 2¹⁰ ) както е в повечето компютърни приложения. “В” каналите се използват, за пренос на потребителските звук, картина или данни, а “D” каналът – сигналите свързани с контролът на връзката, както и информацията необходима за допълнителните услуги, които се поддържат (например номерът от който е избран ISDN-а, при услугата “идентификация на повикването”). “В” каналите могат да бъдат използвани едновременно ¹⁸. При този тип ISDN няма разлика между европейският и американският стандарти.

PRI или Primary Rate Interface съдържа 30 “В” канала (23 “В” канала при американският стандарт) и един “D” канал, който за разлика от този при BRI е със скорост на пренос 64 kbps. Предназначението на каналите е същото както при BRI и отново всички В канали могат да се използват едновременно¹⁹.

Телекомуникационните мрежи освен физическа част имат и логически елементи. Те са софтуерно дефинирани мрежи (software defined networks; SDN) или виртуални частни мрежи (virtual private networks; VPN). Тези SDN или VPN елементи, могат да бъдат прости, като анализирането на номер в комутатор, за да бъде осъществен разговор. Рутиращите системи са свързани с използването на външни системи, при осъществяването и прекъсването на разговор. Външните физически и логически компоненти формират основата на всяка телекомуникационна мрежа. За повече яснота относно логическите части на мрежите, може да се каже, че пренасянето на номера в съвременните телефонни централи се разглежда като логически елемент, тъй като отдавна рутирането (пренасочването) на разговорите се решава по-скоро по програмен път, отколкото по технически. Физически елемент е фактическото рутиране на разговорите. Телекомуникационните мрежи се състоят от последователност логически елементи, допълнени от физически такива²⁰.

Съвременните телекомуникационни мрежи, имат специфична структура, поради разширените си възможности. Стандартизацията на оборудването (от гледна точка на техническа съвместимост) използвано за интегриране на VoIP технологията (а и на IP мрежите като цяло), я прави лесна за използване за потребителите на Интернет по цял свят. Предимство е и фактът, че IP разговор изисква честотна лента от 12 kbps (kilobits per second), а стандартният телефонен разговор – честотна лента от 64 kbps.²¹ Оборудването, което повечето телекомуникационни компании използват за рутиране на разговори в класическата публична телефонна мрежа (PSTN), чрез PBX системата (Public Branch Exchange), подсигурява надеждност наречена “five nines reliability”. Това означава, че PBX мрежите са 99,999 % надеждни или че, средно при един от всеки 100 000 разговора, се появяват проблеми при свързването. При развитите мрежи използващи VoIP (voice-over-Internet-protocol) – прилагащи разделянето на гласа на малки пакети от нули и единици, които след това се изпращат по IP мрежа като всички други пакети от данни – може да се очаква само 99,996 % надеждност, или два разговора на всеки 42 000 не биват свързани.²² Този факт показва, че за по-малко от 7 години проучвания и развитие, VoIP технологията (или IP телефонията, както я наричат още) е достигнала ниво на надеждност, на което PBX мрежите са се установили след десетилетия на развитие. PBX средата и всичко свързано с нея отдавна е обект на множество патенти и изисква специалист, обучен да работи с определено оборудване, на определен производител. IP средата е базирана на “отворени” стандарти, които са известни на всеки системен администратор. Очакванията са, че до 2006 г. 25% от разговорите на големи разстояния (long-distance calls), ще бъдат провеждани през VoIP мрежи.

Тъй като IP по принцип не поддържа механизъм, който да обезпечава, че пакетите ще бъдат доставени в съответният ред, както и липсата на така наречените Quality of Service (QoS-“качество на обслужването”– при пакетните мрежи се използва, за да окачестви вероятността за предаване на пакетите от информация между две точки), при експлоатирането на VoIP мрежи се срещат проблеми със закъснението на пакетите и целостта на предаваните данни.²³ Увеличаването на честотната лента, използвана при VoIP, с цел преодоляване на тези проблеми е често практикувано, но представлява само временно решение, и естествено рефлектира върху икономичността на мрежите.

VoIP мрежите трябва да поддържат техническа съвместимост с публичните телефонни мрежи. За тази цел, за пакетните мрежи е дефиниран стандарт наречен Н.323. Основните елементи на една Н.323 мрежа са показани на фиг.5, където Н.323 терминали, като PC-базирани телефони (лявата част на фигурата), са свързани със съществуващи ISDN, PSTN (публична телефонна мрежа) и безжични устройства (дясната част на фигурата) ²⁴.

Компонентите на горната схема са:

Н.323 терминалите са LAN-базирани крайни точки за предаване на глас. Пример за такъв терминал е например PC използващ Microsoft NetMeeting софтуер или Ethernet-базирани телефони. Всички Н.232 терминали, могат поддържат двустранна връзка в реално време помежду си. Повечето от практически реализираните VoIP мрежи могат да използват като крайна точка и стандартен телефон, като някои специфични функции, се осигуряват допълнително преди рутирането.

Н.323 терминалите допълват функциите по пренос на глас, а по-конкретно, включват гласов CODEC (Компресор/Декомпресор), който изпраща и получава звукът, разделен на “пакети”. Подобни системи Компресор/Декомпресор са ITU-T G.711 (PCM), G.723 (MP-MLQ), G.729A (CA-ACELP) и GSM. Те се различават по изискванията си по отношение на захранването и качеството на звука, който се получава.

Използването на VoIP технологията води до значително намаление на разходите, тъй като вместо високи телефонни такси се заплаща само връзката към интернет и в повечето случаи такса към провайдера²⁵. Това е един от най-бързо разрастващите се бизнес отрасли днес, тъй като съчетава две основни нужди (или желания) на съвременният човек:

• 
  желанието за неограничена комуникация
  
• 
  желанието да пести
  

Долната таблица без да претендира за абсолютна точност на включените в нея данни, илюстрира тенденцията към развитие на пазара на IP телефония:

Очевидно е, че VoIP телефонията е намерила своя пазарна ниша, даваща широки възможности за развитие на VoIP доставчиците.

Все по-често VoIP технологията за пренос на глас се използва и от големи телекомуникационни компании поддържащи PSTN (public switched telephone network) мрежи с цел редуциране на разходите, особено що се отнася до международният трафик. Все по-често големи компании изграждат собствени IP мрежи с цел, да осъществяват свободно връзка между офисите си, без това да натоварва значително телефонните им сметки, като същевременно намалят разходите за разговори извън компанията, като ги пренасят по мрежата си възможно най-близко до крайната дестинация, преди да ги включат в публичната телефонна мрежа.²⁶
Сериозно предизвикателство за всеки VoIP доставчик е достигането на задоволяващо клиентите качество. При преноса на глас възникват и доста чисто технически проблеми. VoIP доставчиците представляват заплаха за националните телефонни компании по цял свят, поради което често са обект на атаки от тяхна страна (съдебни дела и др.)