Niyə səs və siqnalizasiya IP-yə keçdi

Onilliklər ərzində telefon rabitəsi və kompüter şəbəkələri iki paralel dünya kimi inkişaf etmişdir: səs 64 kbit/s sabit zolağa malik xüsusi TDM kanalları ilə ötürülürdü, internet və xidməti məlumatlar isə tamamilə ayrı kabellər və marşrutlaşdırıcılar vasitəsilə hərəkət edirdi. Bu gün rabitə operatorları köhnəlmiş telefon stansiyalarını bağlayır və bütün səs və siqnalizasiya trafikini vahid All-IP paket şəbəkəsinə keçirirlər. Bu dərsdə biz ayrı infrastrukturların nə üçün əlverişsiz olduğunu, statistik sıxlaşdırmanın necə işlədiyini və səsin IP şəbəkəsi ilə ötürülməsi zamanı rabitə mühəndisinin hansı üç əsas çağırışla qarşılaşdığını təhlil edəcəyik.

Məqsəd və nə bilmək lazımdır

Dərfdən sonra siz aşağıdakıları bacaracaqsınız:

• telefon operatorlarının nə üçün ayrı TDM şəbəkələrindən imtina edib All-IP konsepsiyasına keçdiyini izah etməyi;
• sərt E1 (64 kbit/s) kanalı ilə müqayisədə paketlərin statistik sıxlaşdırılması zamanı buraxılış zolağının səmərəliliyini hesablamağı;
• səsin paketlə ötürülməsinin üç əsas çağırışını adlandırmağı: gecikmə, prioritetləşdirmə (QoS) və müstəvilərin ayrılması;
• şəbəkə trafikini müstəvilər üzrə təsnif etməyi: siqnalizasiya (Control Plane), səs (User Plane) və idarəetmə (Management Plane).

Əvvəlcədən nəyi bilmək lazımdır: telbasics kursu (bölmə 5: kanalların kommutasiyası və paketlərin kommutasiyası, İKM 64 kbit/s rəqəmsal səs, E1 axınının quruluşu, gecikmə və gecikmə dəyişkənliyi).

Həyatdan tapşırıq

Regional rabitə operatoru 100 000 stasionar telefon abunəçisinə xidmət göstərir və paralel olaraq şəhər məlumat ötürmə şəbəkəsini inkişaf etdirir. Tarixən rabitə qovşağı iki tamamilə müstəqil maşın zalından ibarət idi: birində qalın E1 mis kabelləri və SDH optik multipleksorları olan rəqəmsal ATS şkafları yerləşirdi, ikincisində isə internetə çıxış üçün IP marşrutlaşdırıcıları quraşdırılmışdı.

Rəhbərlik videozənglərin və yüksək dəqiqlikli genişzolaqlı səsin (HD Voice) tətbiqi barədə qərar qəbul etdikdə məlum oldu ki, köhnə TDM stansiyası kommutasiya sahəsini bahalı yenidənqurma olmadan 64 kbit/s-dən geniş kanal ayıra bilmir. İki ayrı şəbəkənin, iki gecə-gündüz dəstək xidmətinin və ayrı ehtiyat dizel generatorlarının saxlanması nəhəng əməliyyat xərclərinə (OPEX) gətirib çıxardı. Mühəndislərə hər iki şəbəkəni vahid All-IP paket infrastrukturunda birləşdirmək tapşırıldı.

İki ayrı şəbəkə: TDM irsi

Klassik telefoniyada səsin ötürülməsi kanalların kommutasiyası (TDM — Time Division Multiplexing) prinsipi üzərində qurulmuşdu. Dəstək qaldırıldıqda və nömrə yığıldıqda kommutasiya stansiyası bir telefon aparatından digərinə qədər 64 kbit/s fiziki birbaşa taymslot ayırır. Bu taymslot abunəçinin danışmasından və ya susmasından asılı olmayaraq danışığın hər millisaniyəsində məşğul qalır.

TDM E1 Stream (2048 kbps):
[TS 0: Sync] [TS 1: Voice A] [TS 2: Voice B] ... [TS 16: SS7 Signalling] ... [TS 31: Voice]
Hər taymslot = hər 125 mks-dən bir dəqiq 8 bit (64 kbit/s).

Bu yanaşmanın əsas qüsuru var: real telefon dialoqunda insanlar növbə ilə danışır, fasilələr verir və həmsöhbəti dinləyirlər. Tədqiqatlar göstərir ki, nitq fəallığı əmsalı təxminən 0,4 (40%) təşkil edir. Bu o deməkdir ki, vaxtın 60%-i ərzində bahalı rəqəmsal 64 kbit/s kanalı mütləq səssizlik ötürür.

Bundan əlavə, birləşmələri əlaqələndirmək üçün operatorlar ümumikanal siqnalizasiyası (SS7 / OKS-7) üçün ayrıca şəbəkə qururdular ki, bu da xüsusi siqnal şlüzləri və ayrılmış fiziki rabitə xətləri tələb edirdi. İnternetə qoşulmaq üçün isə üçüncü, müstəqil infrastruktur lazım idi.

Vahid paket şəbəkəsi ideyası (All-IP)

All-IP konsepsiyası bütün telekommunikasiya xidmətlərini IP və Ethernet protokolları bazasında vahid universal paket mühitində birləşdirir. Səs, video, birləşmənin qurulması siqnalizasiyası, internet trafiki və avadanlığın idarəetmə əmrləri standart IP paketlərinə yığılır və ümumi yüksəksürətli optik lif kanalları (1 Qbit/s, 10 Qbit/s, 100 Qbit/s) vasitəsilə ötürülür.

Sərt təhkim olunmuş vaxt intervalları əvəzinə paket şəbəkəsi statistik sıxlaşdırma üsulundan istifadə edir: paket rabitə xəttinə yalnız mikrofon nitq səsini qeydə aldıqda və ya istifadəçi verilənləri tələb etdikdə yaradılıb göndərilir. İfadələr arasındakı fasilələrdə paket axını dayanır və boşalmış kanal zolağı dərhal digər zənglərə və ya faylların ötürülməsinə təqdim edilir.

Nümunənin təhlili: E1 traktının All-IP ilə müqayisədə yüklənməsi

E1 axınında və konvergent IP şəbəkəsində 30 eynivaxtlı səs sessiyasına xidmət göstərmək üçün tələb olunan zolaq genişliyini müqayisə edək.

1. Kanalların kommutasiyası (TDM E1):
   Kanallar = 30 səs taymslotu × 64 kbit/s = 1920 kbit/s
   Xidməti taymslotlar (TS 0 sinxronizasiya + TS 16 siqnalizasiya) = 2 × 64 = 128 kbit/s
   Traktın yekun daimi zolağı = 2048 kbit/s (həmişə 100% məşğuldur).

2. Paketlərin statistik sıxlaşdırılması (All-IP):
   Nitq fəallığı əmsalı (Voice Activity Factor) k = 0.4.
   30 sessiya üçün faydalı nitq sürəti: 30 × 64 kbit/s × 0.4 = 768 kbit/s.
   Paket başlıqlarının əlavə edilməsi (IP/UDP/RTP ~20%): 768 × 1.20 = 921.6 kbit/s.
   Zolağa qənaət: 2048 − 921.6 = 1126.4 kbit/s (kanal resursunun 55%-dən çoxu azad edilir).

All-IP-də boşalmış kanal tutumu dərhal internet trafikinin ötürülməsi və ya yeni fiziki kabel çəkmədən daha 35 telefon abunəçisinin qoşulması üçün istifadə oluna bilər.

All-IP-nin üç əsas çağırışı

Ayrılmış fiziki kanallardan imtina nəhəng çeviklik və qənaət təmin edir, lakin TDM dünyasında mövcud olmayan üç ciddi mühəndislik problemi yaradır.

1. Gecikmə, jitter və paket itkisi

TDM şəbəkəsində siqnalın yayılma gecikməsi ciddi surətdə sabitdir və naqildəki işıq sürəti ilə müəyyən edilir. IP şəbəkələrində isə paketlər bir marşrutlaşdırıcıdan digərinə hərəkət edərək aralıq buferlərə (növbələrə) düşürlər.

• Gecikmə (Latency): səsin birtərəfli gecikməsi 150 ms-dən çox olmamalıdır (ITU-T G.114 tövsiyəsi). Əgər gecikmə 250–300 ms-dən çox olarsa, həmsöhbətlər bir-birinin sözünü kəsməyə başlayır və rabitə dialoqu qeyri-mümkün olur.
• Jitter (Gecikmə dəyişkənliyi): paketlərin çatdırılma vaxtının fərqi. Növbələrin dəyişən uzunluğuna görə eyni söhbətin paketləri qeyri-bərabər vaxt intervalları ilə çatır (biri 20 ms, növbətisi 45 ms sonra). Qəbul tərəfində jitteri hamarlamaq üçün jitter buferi (jitter buffer) quraşdırılır.
• Paket itkisi (Packet Loss): kommutatorun buferi dolduqda paketlər atılır. Paketlərin 1%-dən çox itirilməsi dinamikdə səslərin kəsilməsinə və metal xışıltısına səbəb olur.

2. Trafikin prioritetləşdirilməsi (QoS)

Əsas IP protokolunda bütün paketlər bərabərhüquqludur: şəbəkə kommutatoru onlara FIFO («ilk gələn — ilk xidmət olunan») prinsipi ilə xidmət göstərir. İstifadəçi böyük bir faylın yüklənməsini və ya verilənlər bazasının ehtiyat nüsxəsini işə salarsa, portun növbəsi 1500 baytlıq nəhəng paketlərlə dolar. Kiçik səs paketləri (160–200 baytlıq) fayl paketlərinin arxasında sıxılıb qalar və gecikmə yüzlərlə millisaniyəyə yüksələr.

Bu problemi həll etmək üçün All-IP-də xidmət keyfiyyəti mexanizmləri (QoS — Quality of Service) tətbiq edilir: səs paketləri yüksək prioritetlə qeyd olunur və növbədənkənar xidmət alır.

3. Şəbəkə müstəvilərinin ayrılması (Plane Separation)

Bütün xidmətlər eyni fiziki kabeldən keçdikdə qarşılıqlı təsir və təhlükəsizlik riskləri yaranır. Əgər abunəçi şəbəkəsindən zərərli trafik və ya yayım fırtınası kommutatorun prosessorunu həddindən artıq yükləyərsə, stansiya çağırış siqnallarına cavab verməyi dayandırar. Buna görə də vahid IP şəbəkəsində trafik ciddi şəkildə üç təcrid olunmuş müstəviyə bölünür:

1. İdarəetmə müstəvisi (Control Plane): birləşmələrin qurulması və dayandırılması siqnalizasiya mesajları (SIP, SIGTRAN, Diameter protokolları).
2. İstifadəçi müstəvisi (User Plane): danışıqların və media verilənlərinin birbaşa faydalı yükü (RTP protokolu).
3. İstismar və idarəetmə müstəvisi (Management Plane / OAM): mühəndislərin rabitə qovşaqlarını idarə etməsi üçün giriş (SSH, SNMP, monitorinq).

VoIP, IMS (IP Multimedia Subsystem), eləcə də LTE və 5G mobil şəbəkələri məhz bu konvergent All-IP arxitekturası üzərində qurulur.

Nə xarab ola bilər və bunu necə tapmaq olar

⚠️ Yeni başlayanların tez-tez etdiyi səhv — All-IP-yə keçidin buraxılış qabiliyyəti problemini avtomatik həll etdiyini düşünməkdir. Vahid şəbəkədə QoS növbələri və müstəvilərin ayrılması sazlanmazsa, ağır verilənlər trafiki telefon rabitəsini tamamilə iflic edəcəkdir.

Təcrübə

1. Qabaqcadan deyin. Abunəçilər arasında birtərəfli şəbəkə gecikməsi 40 ms-dən 400 ms-ə yüksələrsə, danışığın keyfiyyəti ilə nə baş verər?
2. Yoxlayın. ITU-T G.114 tövsiyəsi ilə tutuşdurun: hansı gecikmə həddində telefon danışığının keyfiyyəti qeyri-məqbul hesab edilir?
3. İzah edin. Nə üçün klassik TDM E1 traktında səssizliklə məşğul olmayan zolaqdan faylların ötürülməsi üçün istifadə etmək qeyri-mümkündür, lakin IP şəbəkəsində bu avtomatik baş verir?
4. Dəyişdirin. Statistik sıxlaşdırma ilə 50 səs sessiyasının tutduğu zolağı hesablayın (k = 0.4, səs axını 64 kbit/s, əlavə xərclər 20%) və onu tələb olunan E1 traktlarının sayı ilə müqayisə edin.
5. Özünüz edin (ulduzlu ⭐). Rabitə qovşağında bir qiqabitlik interfeys SIP siqnalizasiyasına, RTP səs axınlarına və ehtiyat nüsxələmə fayl serverinə xidmət göstərir. Gecə ehtiyat nüsxələməsi zamanı zənglərin pisləşməsinin qarşısını almaq üçün prioritetləşdirmə və trafikin ayrılması sxemini təklif edin.

Özünüyoxlama

Sual 1. Nə üçün TDM şəbəkəsində səs kanalının zolaqdan istifadə əmsalı nadir hallarda 40–50%-i keçir?

Təhlil. İnsan nitqi dialoq xarakterlidir: biri danışır, digəri dinləyir. Bundan əlavə, nitqdə sözlər və cümlələr arasında fasilələr olur. TDM-də 64 kbit/s kanalı fasiləsiz olaraq abunəçiyə təhkim edilir və fasilələr zamanı xəttə boş baytlar ötürülür.

Sual 2. Rabitə nüvəsi qovşaqları arasında çağırışın qurulması siqnalizasiya mesajlarının mübadiləsi hansı şəbəkə müstəvisinə aiddir?

Təhlil. Rabitə sessiyasının qurulması, marşrutlaşdırılması və başa çatdırılması üçün xidməti mesajların mübadiləsi idarəetmə müstəvisinə (Control Plane) aiddir. Nitq siqnallarının birbaşa axını isə istifadəçi müstəvisinə (User Plane) aiddir.

Təcrübənin cavabları:

TDM 50 calls:    50 × 64 kbps = 3200 kbps → 2 × E1 = 4096 kbps
All-IP 50 calls: 50 × 64 kbps × 0.4 × 1.2 = 1536 kbps
Bandwidth savings: 4096 − 1536 = 2560 kbps (62.5%)

1. Danışıq olduqca narahat olacaq: qarşılıqlı söz kəsmələr və cavab gözləmə fasilələri yaranacaq.
2. ITU-T G.114 tövsiyəsinə əsasən, 150 ms-ə qədər gecikmə əla, 150-dən 400 ms-ə qədər ciddi nəzarət şərtilə məqbul, 400 ms-dən yuxarı isə interaktiv nitq üçün qeyri-məqbul hesab olunur.
3. TDM-də multipleksləşdirmə sinxrondur: taymslot hər 125 mks-dən bir kadrda fiziki nömrəyə sərt bağlıdır. IP-də isə multipleksləşdirmə asinxrondur (paketli): paket yalnız verilənlər olduqda formalaşır.
4. Faydalı trafik: 50 × 64 × 0.4 = 1280 kbit/s. Başlıqlarla birlikdə: 1280 × 1.2 = 1536 kbit/s. TDM üçün 2 tam E1 axını tələb olunardı (2 × 2048 = 4096 kbit/s), çünki bir E1-ə yalnız 30 danışıq yerləşir.
5. Üç VLAN ayırmaq: VLAN 10 (Control Plane, SIP), VLAN 20 (User Plane, RTP) və VLAN 30 (Data/Backup). VLAN 20 üçün qəti prioritet növbəsi (Strict Priority Queue), VLAN 10 üçün zəmanətli zolaq, ehtiyat nüsxələmə üçün isə qalıq prinsipi ilə Best Effort xidməti təyin etmək.

Təkrar və növbəti dərsə keçid meyarı

Aşağıdakıları sərbəst şəkildə edə bilirsinizsə, növbəti dərsə keçin:

• rabitə operatorlarının TDM infrastrukturundan imtina edib All-IP-yə keçməsinin əsas səbəblərini sadalamağı;
• telefon zəngi nümunəsində kanalların kommutasiyası ilə paketlərin kommutasiyası arasındakı fərqi izah etməyi;
• səsin paketlə ötürülməsinin üç əsas çağırışını (gecikmə/jitter, QoS, müstəvilərin ayrılması) sadalamağı.

Standartlar və mənbələr

• ITU-T Recommendation G.114: «One-way transmission time» (birtərəfli səs gecikməsi tələbləri).
• ITU-T Recommendation Y.1541: «Network performance objectives for IP-based services» (IP şəbəkələrinin keyfiyyət sinifləri).
• 3GPP TS 22.228: «Service requirements for the Internet Protocol (IP) multimedia core network subsystem (IMS)».
• IETF RFC 3261: «SIP: Session Initiation Protocol».