Tài liệu PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ THOẠI TRONG MẠNG VoIP, chương 1 doc

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ DỊCH VỤ VoIP
1.1 Giới thiệu
Có thể nói phát minh quan trọng nhất trong thế kỷ 19 của loài
người là phát minh ra chiếc điện thoại của Alexander Graham Bell.
Từ đó đến nay điện thoại trở thành một vật dụng không thể thiếu
đối với thế giới. Từ một tổ chức chính phủ đến một gia đình bình
thường nhất đều không thể thiếu chiếc máy điện thoại trong cuộc
sống và cơng việc hàng ngày của họ. Lợi ích mà điện thoại mang
lại cho con người là không thể phủ nhận. Chính vì vậy nghành
cơng nghiệp viễn thơng phát triển như vũ bão và dịch vụ truyền âm
thanh và hình ảnh ngày càng được hồn thiện. Tuy nhiên chi phí
cho dịch vụ điện thoại khơng phải là rẻ khi so sánh với các chi phí
sinh hoạt thơng thường trong gia đình và chi phí kinh doanh. Cước
phí cho cuộc gọi nội hạt đã cao nhưng cho cuộc gọi đường dài còn
cao hơn và đặc biệt là cuộc gọi quốc tế. Đối với các cơ quan doanh
nghiệp thường xuyên phải thực hiện các cuộc gọi đi quốc tế thì đây
quả thực là một vấn đề lớn. Tuy nhiên khi Internet (cũng có thể nói
là phát minh lớn nhất trong thế kỷ 20) ra đời thì có vẻ như vấn đề
đã được giải quyết. Chính Internet đã thay đổi bộ mặt của thế giới.
Internet thực sự là cuộc cách mạng về công nghệ trong viễn thông.
Internet đã thu hẹp khoảng cách về không gian, thời gian, ngôn


ngữ của các quốc gia trên thế giới, thay vì suốt ngày phải gọi điện
đi quốc tế thì các cơ quan cơ, doanh nghiệp có thể sử dụng các
dịch vụ Internet như Email, Web để thực hiện công việc của mình.
Tuy nhiên với các cơng việc địi hỏi phải giải quyết ngay lập tức
thì điện thoại vẫn là một cơng cụ đắc lực.
Công nghệ VoIP ra đời đã giải quyết vấn đề trên. Do đặc
điểm về mặt công nghệ mà chi phí giá thành của cuộc gọi VoIP rẻ

hơn rất nhiều so với giá thành của điện thoại chuyển mạch kênh
truyền thống. Thay vì sử dụng một kênh logic cố định để truyền
các tín hiệu thoại, thì cơng nghệ VoIP đóng gói các tín hiệu thoại
và gửi chúng qua mạng nền IP như mạng Internet. Kết quả là chi
phí tài nguyên cho cuộc gọi được tiết kiệm đáng kể. Do các tín
hiệu thoại được truyền đi dưới dạng gói mà cuộc gọi chia sẻ tài
nguyên với tất cả các cuộc gọi khác. Mạng có thể tận dụng các
khoảng thời gian thuê bao ngừng nói để chèn các gói tin dữ liệu
khác vào kênh truyền (như các gói tin của cuộc gọi khác hay các
gói tin dữ liệu). Như vậy chi phí giá thành tài nguyên cho mạng
cho một cuộc gọi sẽ giảm đi và người dùng phải trả ít tiền hơn.
Cũng do sử dụng mạng gói nên các dịch vụ đưa ra cũng phong phú
hơn.
1.2 Lịch sử phát triển VoIP
Năm 1995 hãng Vocaltec đã thực hiện truyền thoại qua
Internet, lúc đó kết nối chỉ gồm một PC cá nhân với các trang thiết


bị ngoại vi thông thường như card âm thanh, headphone, mic,
telephone line, modem... phần mềm này thực hiện nén tín hiệu
thoại và chuyển đổi thơng tin thành các gói tin IP để truyền dẫn
qua môi trường Internet.
Mặc dù chất lượng chưa được tốt nhưng chi phí thấp so với
điện thơng thường đã trở thành yếu tố cạnh tranh và giúp nó tồn
tại.
Bắt đầu phát triển lớn mạnh và kéo theo việc ra đời của các
tổ chức chuẩn hoá liên quan như ITU có các chuẩn sau H.250.0,
H.245, H.225 (Q.931): cho quản lý; H.261, H.263 cho mã hoá
video; các chuẩn G cho xử lý thoại…Có rất nhiều chuẩn nhưng
đang có xu hướng hội tụ thành hai chuẩn H.323 của ITU và SIP

của IETF.
Voice over IP: được hiểu là công nghệ truyền thoại qua mơi
trường IP. Vì đặc điểm của mạng gói là tận dụng tối đa việc sử
dụng băng thông mà ít quan tâm tới thời gian trễ lan truyền và xử
lý trên mạng, trong khi tín hiệu thoại lại là một dạng thời gian
thực, cho nên người ta đã bổ sung vào mạng các phần tử mới và
thiết kế các giao thức phù hợp để có thể đảm bảo chất lượng dịch
vụ cho người dùng. Nó khơng chỉ truyền thoại mà cịn truyền cho
các dịnh vụ khác như truyền hình và dữ liệu.


M ạn g b á o
h iệu số 7
(S S 7 )
S ig n a lin g G a te w a y
C o n tr o lle r

PSTN
IP
T e le p h o n e

1
4

2
5

V o IP
G a te w a y

M e d ia G a te w a y
C o n tro lle r

M ¹n g IP

3
6

7

8

9

*

8

#

V oIP
G a te w a y
T e le p h o n e

V o IP
G a te w a y
T e le p h o n e
1

2

3

4

5

6

7

T e le p h o n e

8

9

*

8

#
1

2

3

4

5

6

7

IP
T e le p h o n e

8

9

*

8

#

IP
T e le p h o n e

PSTN


Hình 1.1 Mơ hình mạng VoIP.
Từ 1/7/2001 đến nay Tổng cục Bưu điện đã cho phép Vietel,
VNPT, Saigon Postel và Cơng ty điện lực Việt Nam chính thức
khai thác điện thoại đường dài trong nước và quốc tế qua giao thức
IP, gọi tắt là VoIP. Sự xuất hiện VoIP ở Việt Nam đã cung cấp cho

xã hội một dịch vụ điện thoại đường dài có cước phí thấp hơn
nhiều so với dịch vụ điện thoại đường dài truyền thống với chất
lượng mà người sử dụng có thể chấp nhận được. Nó cũng phù hợp
với xu hướng phát triển viễn thơng trên thế giới và đặc biệt là ở
khu vực Châu á - Thái Bình Dương.
1.2.1 Ưu nhược điểm của VoIP so với mạng điện thoại PSTN
truyền thống
Với khả năng sử dụng hiệu quả và tiết kiệm độ rộng băng tần,
VoIP có nhiều ưu điểm so với PSTN như sau:
 Giảm cước dịch vụ điện thoại đường dài.
 Nhiều cuộc gọi hơn, giảm độ rộng băng thông cho mỗi
kết nối.
 Hỗ trợ thêm nhiều dịch vụ bổ sung khác và giúp triển
khai các dịch vụ mới nhanh chóng, dễ dàng, tự động
dịch vụ…


 Sử dụng có hiệu quả nhất giao thức IP vì là giao thức mở
nên các thiết bị sử dụng IP được nhiều nhà sản xuất cung
cấp với giá cạnh tranh và nó là giao thức phổ cập rộng
rãi.
Ưu điểm chính của dịch vụ VoIP đối với khách hàng là giá
cước rất rẻ so với thoại thông thường do các cuộc gọi VoIP sử
dụng lượng băng thơng rất ít. Trong khi thoại thơng thường sử
dụng kỹ thuật số hố PCM theo cuẩn G.711 với lượng băng thông
cố định cho một kênh thoại là 64kb/s thì VoIP sử dụng kiểu số hoá
nguồn như CS-CELP theo chuẩn G.729 (8kb/s), G.723 (5.3kb/s
hoặc 6.3kb/s). Như vậy rõ ràng là lượng băng thông sử dụng đã
giảm một cách đáng kể. Hơn nữa trong thực tế khi hai người nói
chuyện với nhau thì thường là một người nói và người kia nghe

chứ khơng phải hai bên cùng nói. Vả lại ngay cả đối với người
đang nói thì người này cũng có lúc dừng do hết câu hoặc lấy hơi…
khi ấy khơng có thơng tin thoại thực sự cần phải truyền đi và
người ta gọi là khoảng lặng. VoIP sử dụng cơ chế triệt khoảng lặng
cho nên có thể tiết kiệm thêm lượng băng thơng “khoảng lặng” này
để truyền các dạng thông tin khác. Đấy là một ưu điểm lớn của
VoIP so với mạng điện thoại chuyển mạch kênh truyền thống.
Thông thường băng thông truyền dẫn cần thiết cho một cuộc gọi
PSTN có thể sử dụng cho 4-6 thậm chí 8 cuộc gọi VoIP với chất
lượng cao.


Nếu để ý chi phí cho cuộc gọi theo từng phút ta sẽ thấy lượng
tiền tiết kiệm được quả là khơng nhỏ. Tuy nhiên việc tiết kiệm này
cịn tuỳ thuộc vào vùng địa lý và khoảng cách. Đối với các cuộc
gọi nội hạt thì việc tiết kiệm này có vẻ không quan trọng nhưng đối
với các cuộc gọi đường dài nhất là các cuộc gọi quốc tế thì nó thật
sự là đáng kể. Điều này được thể hiện ở giá cước mà các nhà cung
cấp dịch vụ đưa ra, thông thường giảm còn 1/10 đối với các cuộc
gọi quốc tế.
Ưu điểm nữa của VoIP là khả năng dễ dàng kết hợp các loại
dịch vụ thoại, dữ liệu và video. Mạng IP dang phát triển một cách
bùng nổ trên toàn thế giới và càng ngày càng có nhiều ứng dụng đã
và đang được phát triển trên nền IP như Internet trở nên gần gũi
với cuộc sống con người. Để giải quyết vấn đề thời gian thực là
vấn đề chính cần quan tâm trong các dịch vụ thời gian thực qua
mạng gói, tổ chức IETF phát triển giao thức truyền tải thời gian
thực RTP/RTCP là công cụ cho việc truyền tải thoại và video trên
mạng IP, sử dụng giao thức này. Sử dụng giao thức này các gói tin
sẽ đảm bảo được mức độ trễ cho phép khi truyền trên mạng nhờ sử

dụng các cơ chế ưu tiên và các dạng format gói tin RTP thích hợp.
Bộ giao thức H.323, SIP được các tổ chức ITU, IETF phát triển để
thực hiện báo hiệu và điều khiển cuộc gọi VoIP, đã được chẩn hoá
quốc tế sử dụng cho việc cung cấp dịch vụ thông tin đa phương
tiện trên nền IP. Việc triển khai VoIP khơng địi hỏi nâng cấp cơ sở


hạ tầng mạng một cách phức tạp, các thiết bị bổ sung là Gateway,
Gatekeeper và bộ điều khiển đa điểm MCU. Chi phí cho các thiết
bị này tương đối rẻ và việc cài đặt, bảo dưỡng cũng không phức
tạp lắm. Hiện nay có nhiều hãng viễn thơng lớn trên thế giới cung
cấp thiết bị cho thoại VoIP như Cisco, Acatel, Siemen…Các thiết
bị này có thể tương thích với hầu hết các chuẩn giao thức hiện nay.
Bên cạnh các ưu điểm, VoIP cịn có những nhược điểm đặc
biệt là về chất lượng dịch vụ:


Do dựa trên nền IP là kiểu mạng best effort và không
tin cậy.



Độ trễ không đồng nhất giữa các gói tin.

Các kỹ thuật mã hố và nén số trong
VoIP
Kỹ thuật số hố đã cho phép truyền thơng được tín hiệu
tương tự giữa các địa điểm cách xa nhau một cách khá trung thực.
Tuy nhiên, một nhược điểm cơ bản của số hố đó là nó sẽ làm tăng
độ rộng băng tần cần thiết. Trong mạng điện thoại thông thường tín

hiệu được mã hố theo luật A hoặc luật  với tốc độ 64kbps. Với
cách mã hoá này, cho phép khôi phục một cách tương đối trung
thực các âm thanh trong giải tần thoại. Tuy nhiên trong ứng dụng
thoại trên mạng IP yêu cầu truyền âm thanh với tốc độ càng thấp


càng tốt. Từ đó đã xuất hiện một số kỹ thuật mã hố và nén tín
hiệu tiếng nói như G.723.1,G.729A,GSM...
Về cơ bản các bộ mã hố tiếng nói có ba loại: mã hố dạng
sóng (waveform), mã hố nguồn (source) và mã hoá lai (hybrid) là
sự kết hợp cả hai loại mã hố dạng trên.
Ngun lý của mã hố dạng sóng là mã hố dạng của tín hiệu
tuơng tự. Tại phía phát, bộ mã hóa sẽ nhận các tín hiệu tương tự
liên tục và mã hố thành tín hiệu số trước khi truyền đi. Tại phía
thu sẽ làm nhiệm vụ ngược lại để khơi phục tín hiệu tương tự từ
luồng số thu được. Nếu khơng có lỗi truyền dẫn thì dạng sóng của
tiếng nói khơi phục sẽ rất giống với dạng sóng tiếng nói gốc. Cơ sở
của bộ mã hố dạng sóng là: nếu người nghe nhận được một bản
sao dạng sóng của tiếng nói gốc thì chất lượng âm thanh sẽ rất
tuyệt vời. Tuy nhiên trong thực tế, qúa trình mã hoá lại sinh ra tạp
âm lượng tử (mà thực chất là méo dạng sóng ), nhưng nó thường
đủ nhỏ để khơng ảnh hưởng đến chất lượng tiếng nói thu được. Ưu
điểm của bộ mã hoá loại này là: độ phức tạp, giá thành thiết kế, độ
trễ và công suất tiêu thụ thấp. Người ta có thể áp dụng chúng để
mã các tín hiệu khác như: tín hiệu báo hiệu, tín hiệu tương tự ở giải
tần âm thanh...và đặc biệt với những thiết bị ở một điều kiện nhất
định thì chúng cịn có khả năng mã hố được cả tín hiệu audio. Bộ
mã hố dạng sóng đơn giản nhất là điều chế xung mã (PCM), điều
chế Delta (DM)...Tuy nhiên, nhược điểm của bộ mã hố dạng sóng

là khơng tạo được tiếng nói chất lượng cao tại tốc độ bit thấp (dưới
16 kbps).
Nguyên lý bộ mã hoá nguồn là mã hóa theo kiểu phát âm
(vocoder), ví dụ như bộ mã hố dự báo tuyến tính (LPC). Đặc điểm
của kiểu mã hố này là giả thiết rằng: tín hiệu tiếng nói bao gồm cả
âm hữu thanh và vơ thanh. Đối với âm hữu thanh thì nguồn kích
thích bộ máy phát âm sẽ là một dãy xung, còn đối với các âm vơ
thanh thì nó sẽ là một nguồn nhiễu ngẫu nhiên. Trong thực tế, có
rất nhiều cách để kích thích cơ quan phát âm. Nhưng để đơn giản
hố, người ta giả thiết rằng chỉ có một điểm kích thích trong tồn
bộ giai đoạn lên giọng của tiếng nói, dù cho đó là âm hữu thanh
hay vơ thanh.
Vào năm 1982, Atal đã đề ra một mơ hình mới về kích thích,
được gọi là kích thích đa xung. Trong mơ hình này, khơng cần biết
trước âm cần tạo ra là âm hữu thanh hay vơ thanh và đó có phải là
giai đoạn lên giọng hay khơng. Sự kích thích được mơ hình hố
bởi một số xung (thơng thường là 3 xung trên 5ms ) có biên độ và
vị trí được xác định bằng cực tiểu hố sai lệch, có tính đến trọng số
thụ cảm, giữa tiếng nói gốc và tiếng nói tổng hợp. Phương pháp
này có khả năng cho tiếng nói chất lượng cao tại tốc độ bit quanh
10 kbps và thậm chí chỉ 4,8 kbps. Tín hiệu kích thích sẽ được tối
ưu hoá một cách kỹ lưỡng và người ta sử dụng kỹ thuật mã hố
dạng sóng để mã hố tín hiệu kích thích này một cách có hiệu quả.


Bảng dưới đây trình bày về một số chuẩn mã hố đang được
sử dụng trong thực tế:

Hình 1.2 Các chuẩn mã hố thoại.

Trong đó, các G.711 là thực hiện mã hố PCM thơng thường cho
tốc độ 64 kbps, G.728 là kỹ thuật mã hoá CELP ở tốc độ 16 kbps
với sự thay đổi độ trễ thấp, G.729 là kỹ thuật mã hoá CELP cho tốc
độ 8 kbps, G.723.1 cho tốc độ rất thấp ở 5,3 kbps và 6,3 kbps là
các chuẩn mã hố được dùng phổ biến trong cơng nghệ VoIP.