2010年01月31日

CCNP-ONT 1.CiscoのVoip実装

1.CiscoのVoip実装

★Voipの利点

・ネットワーク費用の統合
・帯域幅と装置の利用効率の向上と伝送コストの低下
・従業員の生産性の向上
・新しいコミュニケーションデバイスへのアクセス

※Voipでは音声品質は向上しない。Voipの音声品質は使用するコーデックで決まる。一番音声品質の高いG.711を使用すると、従来の電話と同じ品質を確保できるが、向上はしない。

★Ciscoエンタープライズ音声実装のコンポーネント

・Cisco Unified CallManager・・・シスコ ユニファイド コミュニケーション システムの呼処理コンポーネント。ビデオ、モビリティ、プレゼンベースのサービスなどの高度な機能の基盤として機能する。
 主な機能
 ・コール処理
 ・ダイヤルプラン管理
 ・シグナリングとデバイス管理
 ・電話機能管理
 ・ディレクトリサービスとXMLサービス
 ・外部アプリケーション用のAPI

・ゲートキーパー・・・ネットワークの接続管理や付加機能を実現する機器。H.323 ネットワークを制御する頭脳にあたる。次の機能を持つ。

 ・IPアドレスと電話番号などの相互変換 
 ・通信帯域幅制御 : QoSのためのアドミッション制御
 ・課金
 ・転送・保留・プレゼンス管理などの付加機能。

※H.323・・・H.323 勧告は、IP網でリアルタイムの音声・動画通信を行うための ITU-T 制定による通信プロトコルの標準。

・ゲートウェイ・・・他の通信プロトコルとの相互変換を行う機器。他の網からの信号によりパケットを組み立てゲートキーパーからの指令でIP網へ送信、受信したパケットを信号に変換して他の網へ送出する。
VoIPゲートウェイなどの音声対応デバイスには、デジタル信号プロセッサ(DSP:Digital Signal Processor)が実装されており、このプロセッサが、音声信号のアナログ→デジタル変換、デジタル→アナログ変換の処理を行う。

・IP Phone

★Ciscoルータの音声ゲートウェイ機能

・従来型テレフォニーデバイスの接続
・アナログ信号からデジタル信号へ、デジタル信号からアナログ信号への変換
・デジタル音声をIPパケットへカプセル化
・音声圧縮の実行
・会議とトランスコーディング用のDSPリソースの提供
・Cisco SRST(Survivable Remote Site Telephony)の提供
・コールエージェントとしての機能(Cisco Unified CallManager Express)

※SRSTは、呼処理バックアップ冗長化のための機能。リモートサイトのルータに導入すると、常に中央にあるCisco Unified CallManagerにアクセスできることを監視するようになる。WANリンクの障害などによってCisco CallManagerにアクセスできないことを検出すると、呼処理をルータ自信が実行するように自動設定する。

★アナログ音声インターフェイスとデジタル音声インターフェイス

アナログ音声インターフェイス

・FXS(Foreign Exchange Station)・・・アナログ電話、FAXのようなアナログデバイスを接続するインターフェイス
・FXO(Foreign Exchange Office)・・・アナログPSTN(公衆交換電話網)へ接続するインターフェイス
・E&M(Ear and Mouth またはEarth and Magneto)・・・PBXをアナログトランク接続するためのインターフェイス

デジタル音声インターフェイス

・BRI/PRI
・T1/E1
PSTN(公衆交換電話網)へデジタル接続したり、PBXへデジタル接続することができる。

インターフェイス64kbpsデータ/
音声チャネル数
シグナリング総帯域幅
BRI216kbps(Dチャネル)144kbps
T1 CAS24インバンド1544kbps
T1 CCS2364kbps(Dチャネル)1544kbps
E1 CAS3064kbps2048kbps
E1 CCS3064kbps(Dチャネル)2048kbps


T1/E1インターフェイスは次のシグナリング方式から選択して利用できる。
・個別信号線方式(CAS:Channel Associated Signaling)
・共通線信号方式(CCS:Common Channel Signaling)

CASは、帯域内でシグナリング情報を伝送する。フルT1回線は24チャネルがあり、CASは音声信号の間にシグナリングの情報を割り込ませるため、音声用に24チャネルを使用できる。
CCSは、1つの音声チャネルがシグナリングチャネルとして占有される。したがって、23のBチャネルと、シグナリング用に1つのDチャネルを持つ。
E1では30のBチャネルとシグナリング用に1つのDチャネルを持つ。(
もう1つフレーム同期用に予約されている。全部で32チャネル)
T1は主に北米・日本で使用され、E1はヨーロッパで使用されている。

★PSTNへのアナログ接続とデジタル接続

WS000

①呼の確立
発信側のVoIPゲートウェイは、接続された電話機から電話番号を受け取り、その番号を元に、着信側VoIPゲートウェイに対して、VoIPシグナリングプロトコルを使用し、呼を確立

②FXSインターフェイスから受信したアナログ音声信号をデジタル音声信号に変換

③デジタル音声信号をIPパケットにカプセル化し、対向のVoIPゲートウェイに送る

④受信したVoIPパケットからデジタル音声信号のデータを取り出す
⑤デジタル音声をアナログ音声に変換し、FXSインターフェイスに送信する

音声信号のデジタル→アナログ変換と、アナログ→デジタル変換は、VoIPゲートウェイのDSP(Digital Signal Processor)が行う。


PSTNへの接続はアナログ接続とデジタル接続の2つがある。

・アナログ接続する場合は、voipゲートウェイにFXOインターフェイスを実装する。
・デジタル接続する場合は、voipゲートウェイにBRI、T1/E1インターフェイスを実装する。
・voipゲートウェイのFXSポートに接続されているアナログ電話間のコールは、voipゲートウェイによってすべて処理することができる。

★通話呼

通話呼には、呼の確立、呼の維持、呼の解放の3段階がある。

・呼の確立・・・Voipネットワークの呼の確立では、宛先電話番号をコール要求メッセージの送信先となるIPアドレスに解決する必要がある。これをコールルーティングと呼ぶ。
コールアドミッションコントロール(CAC:Call Admission Control)は、呼をまかなうのに十分な帯域がネットワークにあるかを確認する。帯域幅が不足している場合、CACは、リソースが不十分なために呼が確立できないことを発信側に通知する。CACはオプションのステップ。

・呼の維持・・・Voipコール中に交換されたパケット、失われたパケット、エンドツーエンド遅延、ジッタなどの統計情報を収集する。

・呼の解放・・・通話の使用したリソースを解放する。

★VoIPシグナリングプロトコル

・分散型コール制御モデル
呼の確立、維持、解放その他のコール制御に複数のデバイスが関係する。H.323、SIPなど。

・集中型コール制御モデル
コールルーティング、呼の確立、CAC、呼の解放などの作業をCA(コールエージェント)が行う。集中型コール制御モデルではエンドポイントはコール制御の機能を実装しない。設定・保守する必要があるのはCAだけ。
MGCP(Media Gateway Control Protocol)など。

★サンプリング

・サンプリング周波数
ナイキストの定理によれば、ある波形を正しく標本化するには、波形の持つ周波数成分の帯域幅の2倍より高い周波数で標本化する必要がある。例えば、アナログ音声信号の最高周波数を4000Hzとすると、その2倍の8000Hzが、アナログ音声信号の適切なサンプリングレートになる。

アナログ信号をデジタル音声信号に変換する手順は、
「サンプリング」→「量子化」→「エンコーディング(符号化)」→「圧縮」

・パルス符号変調(PCM:Pulse Code Modulation)の変換手順

①サンプリング
アナログ信号をサンプリングレートでサンプリングし、パルス振幅変調信号を出力する。ナイキストの定理に従い、原信号の最高周波数の2倍以上のレートでサンプリングを行う。
サンプリングでは、サンプリングレートにしたがって、一定時間間隔でサンプルを採取する。この時間間隔のことをサンプリング周期という。
音声信号の場合、最高周波数は4000Hzなので、サンプリング周波数は、その2倍の8000Hzとなり、1秒間に8000サンプルを採取する計算となる。これにより、1サンプルの時間間隔であるサンプリング周期は、
1(sec)/8000(Hz)=125(μs)となる。
サンプリング結果から、振幅値を取ったものがPAM信号。

②量子化
PAM信号の個々のサンプルの振幅に数値を割り当てるプロセスを量子化と言う。量子化の方法には
・線形量子化
・対数量子化
の2種類の方法がある。

μ-lawとA-lawはPCMで使用される量子化の2つの形式で、対数量子化に分類される。μ-lawは北米で、A-lawは欧米その他で使用される。

③エンコーディング
量子化で割り当てられた数値を8ビットの2進数に変換する。
標準的なエンコード方法(PCM)では、64000bpsの圧縮されていない音声データが生成される。

④圧縮(オプション)
データ量を減らすため、オプションとして圧縮処理を行うことができる。PCMでは圧縮を行わない。

デジタル音声信号をアナログ音声信号に変換するステップは
「圧縮解除」→「デコード(復号化)とフィルタリング」→「アナログ信号の再構成」

①圧縮解除
デジタル音声信号が圧縮されている場合、圧縮解除の処理を行う。
②デコード(復号化)とフィルタリング
デコード処理で、バイナリ符号を数値に戻し、その数値からPAM信号を再生する。フィルタリング処理で、PAM信号をフィルタリング(補間操作)する。
③アナログ信号の再構成
②の結果、元の音声信号が復元される。

★エンコーディング

量子化で数値化されたサンプルは、8ビットの2進数を使って符号化される。これを8ビット符号化方式という。
8ビット符号化方式では、1ビットは極性(+または-)、3ビットは、セグメント番号(1~7)、4ビットはセグメント内のステップ番号(1~15)を表す。
毎秒8000サンプルのサンプリングレートで、8ビットの2進数を使って、個々のサンプルを表現すると、1つのアナログ音声信号に対して毎秒64000ビットが生成される。


・パルス符号変調=PCM(Pulse Code Modulation)
アナログ信号を標本化(サンプリング)・量子化し、得られた信号の大きさを二進数の数値データとして表現する。

・適応的差分パルス符号変調=ADPCM(Adaptive Differential Pulse Code Modulation)
信号の性質によって変化する適応予測と差分信号の量子化ステップ幅が信号の振幅によって変化する適応量子化の両方を用いることを特徴とする。

★コーデックの種類と帯域幅

G.726 ADPCMでは、サンプルごとに常に8ビットを送信するんではなく、前のサンプルkらの変化量を少数のビットでサンプルごとに送信する。送信するビットの数が5,4,3,2の場合、G.726は、それぞれ、40kbps(5/8)、32kbps(4/8)、24kbps(3/8)、16kbps(2/8)を生成する。

※各コーデックの種類と帯域幅要件

コーデック標準   略称     帯域幅
G.711       PCM     64kbps
G.726       ADPCM   40,32,24,16kbps
G.728       LD-CELP  16kbps
G.729       CS-ACELP 8kbps

★音声パケット

・デジタル化された音声データは、RTP・UDP・IPにカプセル化される。
・デジタル化された音声データは、最初にRTPにカプセル化される。RTPはリアルタイムの音声とビデオの転送に適したトランスポート層ソリューションでRTPは送信するセグメントにタイムスタンプとシーケンス番号を付加する。受信側はタイムスタンプを使って、送信側で出力したときと同じ速度で音声を出力することができる。また、シーケンス番号を使って、パケットの廃棄や受信順序の入れ替わりを検出し、再順序化を行うことができる。
UDPは複数のアプリケーションが同時にプロトコルのサービスを使ってアプリケーションデータを転送する多重化機能を提供する。

RTP・・・12バイト
UDP・・・8バイト
IP・・・20バイト

★Voipコールに必要な帯域幅の計算

①コーデックとパケット化間隔を調べる。
コーデックにより毎秒生成される音声データのビット数をコーデック帯域幅と言い、使用するコーデックにより帯域は変わる。
パケット化間隔は、1つのIPパケットにカプセル化される音声信号の時間間隔。シスコの音声対応デバイスのデフォルトのパケット化間隔は20ミリ秒。

②リンク固有の情報を調べる
データリンク層で使用しているプロトコルを調べる。

③コーデック帯域幅、パケット化間隔からパケット化サイズ(音声ペイロードのサイズ)を計算する。

パケット化サイズ=コーデック帯域幅×パケット化間隔/8(ビット→バイト)

でバイト単位のパケット化サイズを求めることができる。

④フレーム全体のサイズを計算する
③で調べたパケット化サイズに、IP、UDP、RTPヘッダのサイズとステップ2で調べたデータリンク層ヘッダを加えて、フレーム全体のサイズを求める。

⑤パケットレート’1秒間のパケット数)を計算する
パケットレートはパケット化間隔の逆数。パケット化間隔が20ミリ秒だと、パケットレートは、1/0.020 = 50ppsとなる。

⑥総帯域幅を計算する
④で求めたフレーム全体のサイズ×⑤で求めたパケットレートで総帯域幅を求めることができる。

(例)G.711でパケット化間隔が20ミリ秒の場合、イーサネットの帯域幅要件

③64000(bps)×0.020(s)/8=160(byte)
④{18(Ethernet)+20(IP)+8(UDP)+12(RTP)+160(音声パケット)}*8=1744(bit)
⑤1/0.020=50(pps)
⑥1744*50=87200(bps)=87.2(kpbs)

※その他ヘッダ
PPPヘッダ・・・6バイト
cRTPヘッダ(チェックサムなし)・・・2バイト

CRTP・・・IPやUDP、RTPなどのパケット通信においてヘッダー情報を圧縮する技術。通常では40バイト使用されるヘッダー情報を2バイト(チェックサムなし)あるいは4バイト(チェックサムあり)へと圧縮することが可能になる。Ethernetでは使用できない。

★voipゲートウェイの設定

CiscoルータをVoIPゲートウェイとして設定する場合、POTSダイヤルピアとVoIPダイヤルピアの2種類のダイヤルピア設定が必要。

POTSダイヤルピアでは、内線番号をローカルVoIPゲートウェイの特定の音声ポートに対応づけらる。

VoIPダイヤルピアでは、内線番号とそれを終端するリモートVoIPゲートウェイのIPアドレスを対応づける。

・POTSダイヤルピア
(config)#dial-peer voice <tag> pots
(config-dial-peer)#destination-pattern <内線番号>
(config-dial-peer)#port<音声ポート番号>

<tag> 1~2147483647の任意の数字
<内線番号>ダイヤルピアに割り当てる内線番号
<音声ポート番号>内線番号に対応するポート番号を指定する

・VoIPダイヤルピア
(config)#dial-peer voice <tag> voip
(config-dial-peer)#destination-pattern <内線番号>
(config-dial-peer)#session target ipv4:<宛先IPアドレス>

<宛先IPアドレス>内線番号に対応する宛先IPアドレスを設定する

★MOS値
MOS(Mean Opinion Score:平均オピニオンスコア)値とは、コーデックによって処理された音声信号の品質を測定する手法の1つで、ITU-Tで規定されている。複数の人間に1~5までの範囲で音声品質を評価してもらい、この値の平均をとったものがMOS値。高いほど音声品質がよい。
MOS値4.0はTollQuality(電話回線経由の通話品質)とされる。

※各コーデック標準とMOS値

コーデック標準  コーデック略称      MOS値
G.711       PCM            4.10
G.726       ADPCM          3.85(32kbpsの場合)
G.728       LD-CELP         3.61
G.729       CS-ACELP       3.92
G.729A      CS-ACELP Annex  3.70

G.711(PCM)のMOS値が最も高い

★VAD
VAD(Voice Activity Detection:無音圧縮)は通話中の無音(会話の途切れ)を検出し、無音部分の音声データを生成しないようにして、帯域幅を節約する。VADはおよそ35%の帯域幅節約効果があるとされているが、1つのリンク上の24個以上のアクティブな音声コールが存在している場合に限られる。



tetora119 at 20:22│Comments(10)TrackBack(0)ONT 

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この記事へのコメント

1. Posted by ドリルビットセット   2011年08月30日 18:35
1 ダボ用木工ドリル
2. Posted by デミオ査定   2011年11月27日 08:30
滋賀 ヴィッツ 査定!
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3. Posted by zootakinger   2011年11月27日 08:43
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焼き鳥でもいけますしぃ。
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4. Posted by bmw査定   2011年11月27日 08:48
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6. Posted by ゼニカル ジェネリック|レビトラ 池袋   2011年11月28日 19:28
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7. Posted by 霊感・霊視・透視で占う セレブの電話占い ★   2011年11月29日 05:08
ありがとうございます!私服めっちゃ可愛い\(^o^)/
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8. Posted by zincocrouchedis   2011年12月01日 18:33
断念通った事のない道を。
でも、何か問題起こして(ケンカ、飲酒など)強制退院になったら、生活保護も同時に切られちゃうワケよ。
9. Posted by zincostrangelyel   2011年12月01日 19:52
シリーズはセダン。
10. Posted by reutilizeit   2011年12月01日 21:37
そんな初体験DALI梅村康弘今日、ネットニュースでタイトルのような記事を見た。
「お金はかかりますよ。

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