Internet-puhelinpalvelu

E. Tervala 15.5.1997 etervala@cc.hut.fi

Taustaa

Tämän raportti käsittelee Internet-puheenvälitystä. Alussa käsitellään puheenkoodausta yleisesti, jonka jälkeen tarkastellaan Internet-verkossa käytettäviä standardeja. Lopuksi käsitellään puheenvälityksen sovellutuksia.

Puheenkoodaus yleisesti

Tavallisessa puhelinverkossa analogisesta puheesta otetaan näytteitä 8 kbit/s nopeudella. Jokainen näyte koodataan 8 bitin merkillä, joista saadaan digitaalisessa piirikytkentäisessä puhelinverkossa kä ytettävä 64 kbit/s bittinopeus. 64 kbit/s on kuitenkin varsin suuri nopeus verrattuna yleisesti käytettävissä oleviin modeeminopeuksiin; 14.4 kbit/s.

Perinteistä puheenkoodausta on kuitenkin edelleen kehitetty. Esimerkiksi matkapuhelinverkoissa tarvitaan tehokkaampia koodausmenetelmiä, jotta kalliita radiotaajuuksia voitaisiin käyttää tehokkaammin hyvä ksi. Tämän lisäksi radiotiessä esiintyvät hä iriöt tuovat lisäävaatimuksia puheenkoodauksen toteutukselle. Nämä häiriöt muistuttavat jossain määrin Internet-verkossa esiintyviä pakettien häviämisiä.

Koska GSM-puheenkoodausta on käytetty myös Internet-puheensiirrossa, käsitellään sitä tässä tarkemmin. Tällä hetkellä yleisimmin käytettävässä GSM-verkon puheenkoodauksessa käytetään 13 kbit/s bittinopeutta, josta tulee 22.8 kbit/s kun virheenkorjaus on lisätty. Koodauksessa käytetä än hyväksi puheen ennustettavuutta, jolloin puhetta ei lä hetetä suoraan eteenpäin, vaan puheesta kerätään pitempi aikanäyte. Näyte koodataan 260 bitin bittilohkoksi, jotka lä hetetään 20 ms välein. GSM:ssä käytetty algoritmi on nimeltään Regular-Pulse Excitation Long-Term Prediction (RPE-LTP). Lohkokoodauksen johdosta puheeseen syntyy viivettä, joka tavallisessa analogisessa puhelimessa tulee esille haitallisena kaikuna. Kaikua esiintyy jos viive on luokkaa 500 ms. GSM puhelimien välillä kaikua ei kuitenkaan esiinny (kuten ei myöskään PC-PC puheluissa), mutta esimerkiksi sateliittiyhteyksillä esiintyvä pitempi viive saattaa jo haittaa puhumista.
URL:http://kbs.cs. tu-berlin.de/~jutta/toast.html
M. Mouly, M. Pautet, The GSM system for Mobile Communications, 1992, Cell & Sys

GSM verkoissa on käytössä myös jo ensimmäiset puolinopeuksiset koodekit (Half Rate Codec). Näihin tehokkaimpiin koodekkeihin varauduttiin jo GSM järjestelmän alkuvaiheessa, koska jo silloin oli nähtävissä puheenkoodauksen nopea kehittyminen. Koodauksen tehokkuutta voidaan myös lisätä käyttämä llä hyväksi puheessa luonnostaan esiintyviä taukoja. Esimerkiksi Nokia on esitellyt puolinopeuden puheenkoodauksen 1997 alussa.
URL:http: //www.nokia.com/news/news_htmls/nmp_951104.html

Puolinopeuden koodekki on määritelty GSM 06.02 Versio 4.0.0 standardissa. Se pohjautuu Motorolan VSELP teknologiaan, joka on samantapainen kuin Amerikassa käytettyyn mobiilijärjestelmän IS-54 koodekki. Se kompressoi puheen 5.6 kbps bittinopeuteen käyttäen 9-bitin koodikirjaa äänisegmenteille. Virheenkorjauksen kanssa bittinopeudesta tulee 11.4 kbi/s.
URL:http://kbs. cs.tu-berlin.de/~jutta/toast.html#half

Internet-verkossa käytettävät koodausmenetelmät

Internet-verkossa käytettävät koodausalgoritmit eivät vielä ole vakiintuneet. Joukossa on GSM standardeihin perustuvia jä rjestelmiä, kuten myös täysin valmistajariippuvaisia algoritmejä. (koodekkiluettelo). Lähes kaikilla valmistajilla on omat koodekkinsa, tai ainakin omat versionsa niistä . Vielä on vaikeaa arvioida mikä koodausmenetelmä tulee yleistymään. Markkinoiden valintaan ei liity ainoastaan teknisiä kysymyksiä, jonka vuoksi kannattaakin seurata esimerkiksi Microsoftin valintoja. Tämän vuoksi ei vielä tänään ei voida olettaa, että eri valmistajien Internet-puhelimet toimisivat yhteen. Jotkut sovellutukset toimivat kuitenkin useilla eri koodekkivaihtoehdoilla.

Internet-puhelimen käyttämiseen tarvitaan multimedia PC ja vä hintään 14,4 kbit/s Internet-yhteys. PC:n tulee olla melko nopea (25 Mhz-Pentium). Multimedia PC:n kuuluu luonnostaan äänikortti ja mikrofoni.
URL:http://www.microsoft.com/corpinfo/press/1996/jan96/phnvcepr.htm

ITU suositus H.323

H.323 on uusimpia ITU:n sateenvarjostandardeja, joka kattaa videopuhelun ja multimedian välityksen erilaisten perustojen päällä. H.323 on muunmuassa Microsoftin toteuttama standardi. H.323 käyttää UDP protokolla (User Datagram Protocol) Internet-puheensiirrossa. RTP-protokollaa (Real Time Protocol) puolestaan ajetaan UDP:n päällä. Kuhunkin UDP protokollaan lisätään aikaleima ja järjestysnumero, jolla saavutetaan reaaliaikaisen sovellutuksen toteutusmahdollisuus. RTCP-protokollaa (Real Time Control Protocol) puolestaan käytetään kontrolloimaan RTP-protokollaa, jolloin RTCP monitori palvelun laatuparametrejä. Eri koodekkeja, esimerkiksi G.711, voidaan puolestaan sijoittaa RTP-protokollan päälle

Protokollapino

G.711
RTP/RCP
UDP
IP
LAN
H.323 protokollan kanssa voidaan käyttää useata eri koodekkia, esimerkiksi G.711:tä. G.711 onkin varsin mielenkiintoinen, koska esimerkiksi Microsoft ja Netscape tukevat sitä. G.711 suurin ongelma on, että koodekin toteutus on varsin monimutkainen, esimerkiksi Intel mää rittelee 100mhz Pentium prosessorin käytettäväksi
URL: http://www.imtc.org/i/standard/itu/i_h323.htm

Multimediaan liittyvässä määrittelytyössä on voimakkaasti mukana International Multimedia Teleconferencing Consortium (IMTC), joka on voittoa tuottamaton järjestö, ja jonka tavoitteena on edistää multimediakonferenssi ratkaisujen standardisointia. IMTC työskentelee ITU:n määrittelemien multimedia-telekonferenssi -standardien parissa kuten T. 120, H.320, H.323, ja H.324.
URL: http://www.imtc. org/i/about/i_objctv.htm

Internet puhelutyypit

Internet puhelutyypit voidaan jakaa neljään päätyyppiin:

Näistä ehkä puhelut tietokoneesta puhelimeen on merkittävin ajatellen esimerkiksi Internet palveluntuottajia. Puhelimesta puhelimeen sovellutukset on kohdennettu lähinnä monipuolisten telelaitosten kalliita kansainvälisiä puhelumaksuja vastaan. Internetin ja puhelinverkon välisen puheyhteyden muodostamiseen tarvitaan verkkojen välille yhdyskäytävä (gateway). Joukko Internet palveluntuottajia tarjoaakin jo puheluja maitten välillä. Nä istä esimerkkinä on Global Gateway Group. GGG ei ole tavallinen operaattori, vaan ISP-operaattorien yhteenliittymä. Toinen esimerkki Delta Three laajentaa myös verkkoaan nopeasti:

Faksien lähetys Internetin avulla vaikuttaa mielenkiintoiselta, koska faksin lähetyksessä eivät puheenkoodauksen viiveet ja viivevaihtelut haittaa. Tämän lisäksi, tällä hetkellä suurin osa Atlantin ylittävää puhelinliikennettä on itse asiassa faksiliikennettä.
URL:http://www.gcubed.com/ .
URL: http://www.deltathree.com/

Internet-puheensiirto Suomessa

Suomessa on voimakkaasti lähdetty mukaan Internet-puhelinpalveluun. MediaNet phone on Telecom Finlandin uusi Internet-puhelinpalvelu. Se tarjoaa monipuolisia välineitä vuorovaikutteiseen ääniviestintään tietoverkoissa Internetin ja Intranettien käyttäjille. MediaNet phone on kehitysvaiheen ajan maksuton. Telecom Finladin Medianet phone tekniikkaa ovat kehittäneet yhdessä Telecom Finlandin medialaboratorio ja Vocaltecin Inc., jonka Internet phone asiakasohjelmistoa käytetään järjestelmässä.
URL: http://www.ml.tele.fi/iphone/windows.html

Johtopäätökset

Internet puheensiirto tulee olemaan merkittävä osa Internet-palvelutarjoajien toimintaa. Varsinkin erilaiset Internet-shopping sovellutukset kaipanevat myös suoraa puheyhteyttä asiakkaaseen. Multimedia konferenssit ovat mielenkiintoinen alue, jossa voi myös odottaa markkinoiden kasvua. Faksi-faksi ja puhelin-puhelin sovellutukset löytä nevät paikkansa kansainvälisen liikenteen kermankuorijana.

Pakettivälitteinen puheensiirto sellaisenaan soveltuu jopa luontevasti digitaalisten matkapuhelinjärjestelmien väliseen tai sisäiseen puheensiirtoon. Tällöinhän vältetään aikaa vievä koodatun puhelupaketin purkaus ja uudelleenkoodaus. Kun GSM jä rjestelmät valtaavat yhä suurempaa osaa tavallisesta puhelinliikenteestä, voidaan olettaa, että myös tavallinen puhelinvälitys tulee jossakin vaiheessa muuttumaan. Sitä ennen Internet verkko on kuitenkin oltava varsin paljon luotettavampi kuin nykypäivän verkko.

Tuotteet

VocalTec

VocalTec Internet Phone 4.0 mahdollistaa kolmen eri puheenkoodausalgoritmin käytön: VocalTec, TrueSpeech ja GSM algoritmi. Tarvittava laitteisto ja ohjelmistot on
URL: http://www.vocaltec.com/ .

Micom - V/IP phone

V/IP käyttää G.729 puheenkoodausta. Hyötysuhteen parantamiseksi Micom on määritellyt oman algoritmin, joka hyö dyntää puheessa olevia taukoja. (Specialized Forward Error Correction - FEC) suojaa IP pakettien häviämiseltä. G.729 käyttää 8 kbit/s bittinopeutta, josta tulee 17,5 kbit/s ip-overheadin kanssa. Micomin toteuttamalla puheen taukojen poistolla (silence suppression) voidaan saavuttaa 7kbit/s lisäetu, kun taukoja on 60%.

G3- (palvelun tuottaja)

G3 käyttää hyväkseen Lucentin (entinen AT&T) 7.3 koodekkilisenssiä.

NetSpeak

Netspeak käyttää hyväkseen GSM tai DSP ryhmän Truespeech (TSP) 8.5 puheenkoodausta. TSP vaatii vähemmän verkkokapasiteettia jonka vuoksi se ei ole niin herkkä verkon viiveille ja pakettien hä viämiselle.

Microsoft NetMeeting

NetMeeting multipoint konferenssipuhelut pohjautuvat ITU T.120 standardiin NetMeetin puhelinominaisuudet pohjautuvat puolestaan ITU H.323 standardiin. jossa käytetään G.711 puheekoodekkia. Videototeutuksessa kä ytetään tutkimuksena alla olevaa H.263 -standardia.
URL: http://www.microsoft. com/netmeeting/

Koodekkiluettelo

Codec... Bitrate...FrameSize/ms
G.711........64.....20
G.726........32.....20
G.728........16....18.75
G.729........8......10
G.723........5.3....30
G.723........6.3....30
ITU 4kbps.....4.....20
G.722........64.....15
GSM Full rate.13....20
GSM Half rate.5.6...20
ITU 4kbps.....4.....20
IS54..........7.95..20
IS96..........8.5...20
EVRC..........8.5...20
PDC Full......6.7...20
PDC Halfl....3.45...40

Linkkikokoelma

voice on the net
VocalTec Internet Phone
TeleVox
NetMeeting
Intel Internet Video Phone
CU-SeeMe
CoolTalk
WebPhone
FreeTel
VDOPhone
Net2Phone
RealAudio
VDOLive
Internet Wave
CU-SeeMe
ToolVox
StreamWorks
VIVO
LiveMedia
NetShow
Intel
Paljon tietoa puheenkoodauksesta 1
Paljon tietoa puheenkoodauksesta 2
Half Rate GSM

Internet draft: Issues and Options for an Aggregation Service within RTP
SASL Speech Algorithms
The GSM 06.10 lossy speech compression library and its applications
GSM Streaming Audio for the Web
Welcome to Total Telecom
Telecom Finland MediaNet Phone
Voice On The Net
Internet Telephony
Internet Phone ReadMe
Internet Phone gets some static
Intel launches Net phone software
VocalTec Home Page
Telecom Finland to Use VocalTec Products in First-Ever National Voice Over Internet Service
Packet-Based Voice, Video Becoming Real Market
Techsearch Results
Internet Telephony (VON) Resource List
Reliable Audio for Use over the Internet
FAQs: How Do I Use the Internet as a Telephone?
Summary of OCDE/GD(96)73
IETF Overview
The Information Technology Association of America (