インターネット電話の品質評価につ』もて
高野 正次
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衰1主な音声符号化方式

1．はじめにITU−T勧告（方式）符号化速度（bps）

G．711（PCM）

48k，56k，64k

ータ系のネットワークの上へ統合し再構築することがG．726（ADPCM）

16k，24k，32k，40k

注目されている［1，3］。これを実現するための技術は，

G．729／G．729A（CS−ACELP）

8k

VoIP（VoiceoverIP）技術と総称されるが，音声系

G・723・1（ACELP／MP−MLQ） 5・3k／6・3k

電話サービスをLANやインターネットといったデのネットワークをデータ系のネットワークの上に構築し直してコストを下げようとする場合や，既存のデー線全体の有効利用をさらに高めることになり，コストタ系ネットワークの新しいサービスとして，安価に電削減メリットが大きい．

話サービスを利用しようという場合などを契機として，（2）アプリケーションとの親和性

現在，企業のネットワークへの導入が進んでいる。

音声通話機能を必要とするシステムでは，VoIP技

本稿では，CATV網（ケーブルテレビネットワー
ク）で加入者に対して新しく電話サービスを提供する術を適用する方がより効率的かつ安価に高機能のシステムを構築することができる場合がある．

場合のEndMEnd音声品質について検討する．具体的

具体例を挙げると，通信販売や顧客サポートで使わには，通信トラヒッタ理論に基づいて定量化・評価しれる顧客対応システムやコールセンターのシステムな比較を行っている．

どは，現在パソコン上のWebブラウザを表示用のア

以下では，通常の加入者電話を指す場合に一般電話プリケーションとして作られることが多いが，音声機と呼び，VoIP技術を利用してデータ系のネットワー

能の部分はVoIP技術を利用した方が開発効率がよい．

クを利用して提供される電話サービスを，IP電話とまた，多くの拠点間を結ぶシステムでは，一斉同報機呼んで区別する．

能が重宝されるが，こちらもIPプロトコルのマルチキャストを応用することにより実現できる．

2．VoIP

2．2 課題は音声品質の確保＼2．1導入メリット

IP電話のユーザは音声品質をとても敏感に感じとVoIP技術が注目されている理由は，以下のように明確である．っていて，音声品質を現状程度に確保した上で，コスト削減効果を期待している．しかし，これが必ずしも（1）通話帯域圧縮による優れた経済性

新しい音声符号化方式を利用すれば，通話当たりに使用する通信帯域を従来よりも大幅に圧縮することが容易ではない。その理由は以下である．
（1）高速回線と低速回線の混在LANが10Mbpsあるいは100Mbpsといった高速できる．その圧縮の程度は，音声符号化方式毎に異な回線であるのに対して，WANへの接続。中継回線のるが，通常の64kbpsと比べて4分の1から8分の1多くが64kbps，128kbps程度から数Mbpsの低速回以下にすることができる（表1）．

線であることが多い．そのため，低速回線の部分がネ

また，他のアプリケーションで利用する通信帯域との統計多重効果を期待できるようになるので，通信回
こうの しょうじ
NTTサービスインテグレーション基盤研究所〒180−8585武蔵野市緑町3−9−11
2001年3月号

ットワークのボトルネックになりやすい．
（2）テ小一タ系の長いパケットの存在

データ系のアプリケーションによって使用されるサ
イズの大きなパケットは，転送されるときの送出処理時間がかなり大きくなる．低速の回線で特に顕著とな© 日本オペレーションズ・リサーチ学会. 無断複写・複製・転載を禁ず.

（17）129

るが，この影響により，同じ通信回線で転送される音

通信回線の速度が低速のときは送出処理にかかる時間

声パケットのバッファリング遅延時間とその揺らぎがが長くなる（図1のFTP）。例えば，通信回線の速度非常に大きくなる。

が64kbpsの場合では，1500バイトの送出処理時間（3）IPレイヤでのQoS技術が末確立は187．5ミリ秒である。

音声パケットとデータ系のパケットが同じ通信回線で転送されることにより，データ系トラヒックの特徴10ミリ秒の一定間隔に整列して連続的に送出されている音声パケットの列に，FTPによる大きなパケであるバースト性に起因して編棒が発生しやすい。しットが割り込んでしまうと（図1のVoIP十FTP），かし，このバースト性を制御したり，パケットの損失通信回線が十分に高速でない場合には，元々の音声パ確率や遅延時間を保証するようなQoS技術がIPレイケットの列の隙間である10ミリ秒のうちに，割り込ヤで確立されていない。

んだパケットの送出処ヨ埋が終わらないで，後続の音声本稿では，音声品質の具体的な目標値として，片道パケットの列を大きく乱してしまう。その結果として，の遅延時間（End−End遅延時間）を200ミリ秒未満

後続の音声パケットのバッファリングによる遅延時間と規定した［注1］。この数値は，電話サービスのEnd【とその揺らぎが大きくなる。音声品質の観点から言えEnd遅延時間の目安として一般的に意識されている。

ば，音声パケットが本来再生されるべきタイミングで2．3 遅延と揺らぎの発生

着信側端末に到着できないので，その昔芦品質は悪く音声パケットが転送される間に，大きな遅延時間やなっている。

その揺らぎが以下のように発生する。例として，図1

また，バースト的なデータ系パケットの連続到着にに10ミリ秒間隔に音声情報を符号化し，順々にひとよって，トラヒッタの編棒が引き起こされるときにも，つの音声パケットとして送出させる場合を示す。この同じように音声パケットの列が乱される状況が起こる

ときの音声データの大きさは，音声符号化方式に依存ので音声品質が劣化してしまう。

するものの，10〜80バイト程度になり，40バイトのIPヘッダを加えた音声パケット全体の大きさは120

3．CATV網でのⅧ㍗電話バイト以下となる。このように，10ミリ秒の固定的

3．1ネットワ岬ク構成

間隔でひとつの音声情報としてパケット化され，送信CATV網のネットワーク構成を図2に示す。

側から送出された音声パケットの列は，受信側の端末

CATV加入者は，加入者端末としてCable Modem

でも同じ10ミリ秒間隔に音声パケットを再生する必（CM）と呼ばれる装置にパソコンやIP電話端末を接要がある（図1のVoIP）．

続してIP電話を利用する。CMはバス回糸鋸こ収容さFTPなどのデータ系のアプリケーションが使用するパケットは，IPパケットの最大サイズとして規定れていて，数百人〜1千人程度の加入者でそのバス回線を共有している。バス毎には，バスルータ（Rl）されている1500バイトであることが少なくないが，［注1］音声の途切れとなる音声パケットの損失率などは，本稿が検討するネットワークにおいては問題が顕在化しない。理由は後述する。
瑠3⑬（18）

図2 CATV綱の構成© 日本オペレーションズ・リサーチ学会. 無断複写・複製・転載を禁ず.

オペレーションズ。リサーチという装置があり，上位のネットワークとの間の通信信先の一般電話へつながる．MGは，IPネットワー

経路を制御している．各バスは，CATV会社毎にまクとPSTN網の間で必要な変換を行っている．つまとめられて，外部のネットワークとつながっているが，り，CATV網からPSTN綱に向かっては，IP電話

このためのルーチング装置をヘッドエンドルータ

端末からのIPプロトコルを終端して，送られて釆た（R2）と呼ぶ．CATVl社当たりの加入者数が実音声データを復号化して，PSTN網側の一般電話ととして平均約1万人であるので，ヘッドエンドルータの間に通常の電話回線を接続して通信を行っている．

はおよそ10本程度のバスをまとめている勘定になる．

逆向きに対しては，PSTN網から釆た音声を符号

IP電話による通信を行うためには，ヘッドエンド化。パケット化して，そのパケットをCATV綱側のルータとPSTN綱（公衆電話網）をつなぐ（図2のIP電話端末に向けてIPプロトコルを使って送出して点線）必要があり，この間でのプロトコル変換・メデいる。

ィア変換をMedia Gateway（MG）と呼ばれる装置

このときの発信側であるCATV網のIP電話端末と着信側であるPSTN網の一般電話端末との間で生が行っている．

また，ヘッドエンドルータとMG間の回線の使用効率を上げてコストを圧縮する目的で，複数のじる遅延，すなわち，End−End遅延時間の要因は，以下である。

CATV会社のヘッドエンドルータからMGへのトラ（a）符号化。復号化十パケット化遅延

ヒッタをまとめる装置を中継ルータ（R3）と呼び，（b）伝送遅延（距離だけに依存する伝搬遅延）

この中継ルータとMGを結んで（図2の実線）過言舌（c）遅延揺らぎ吸収バッファ内遅延（4．3節）を行う場合もある．

EndMEnd遅延時間とは，上記の（a）＋（b）十（C）であり，今回の検討では，中継ルータが複数のCATV会社

この目標値が200ミリ秒未満となる．

CATV網の加入者は，HTTP，FTP，TELNET（加入者′合計数万人規模）のトラヒッタをまとめるネットワークを想定したEndMEnd音声品質に対して評などのインターネットへの接続サービスも利用するが，価を行う．また，バスルータやヘッドエンドルータのこれらのトラヒッタは，Gate Way（GW）で分離され市販製品には，回線の速度やそのインタフェースの数てインターネットへ流れる．このインターネットへのが決まっているので，それに依存して各ルータ配下のトラヒッタは音声パケットの遅延時間を大きくする背加入者数を調整・制限することを行っている．

景負荷として考慮する必要がある．つまり，本稿の想3．2 End−End遅延定では，バスルータを最大約1千人，ヘッドエンドル発信側のCATV納内端末から着信側の一般電話へータを平均約1万人程度，中継ルータを数万人規模の通信を行う場合の，End−End遅延要因を図3を用い加入者でそれぞれ共用することになるが，各ルータにて説明する．CATV綱内のIP電話端末から順番に到着した音声パケットは，他の加入者による音声パケCM，バスルータ，ヘッドエンドルータ，中継ルータ，ットだけでなく，インターネットへ向かうデータパケ

GW（後述），さらに，MGとPSTN網を通って，着ットとも通信帯域を競合し，そのためにEndqEnd遅

図3 End−End遅延要因
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（19）瑠3瑠

延時間が大きくなる。

備えられている。

このバッファは，すべての音声パケットをいったん4．遅延を抑える仕組み

滞留させて，先頭のパケットの到着から一定時間経過

4．1データ◎フラグメンテーション機能した後で，順番に元の一定間隔で再び送出する。ただ送信イ則で長いデーし，あらかじめ規定された倍以上の大きい遅延時間をタパケットをより短いパケットに分割することを，データ。フラグメンテーションとい待った音声パケットについては廃棄を行う。結局，廃う。パケットを送出するための処理時間が平均的に短棄されるほど大きい遅延をもった音声パケットの数はくなるので，バッファリングによる遅延時間も短くな

非常に少ないので，ほとんどの音声パケットは元の一る。図1のように，データパケットが音声パケットの定の送出間隔に戻すことができる（ごく稀に抜けが生列に割り込んでも，データ。フラグメンテーションにじる）。これは，EndrEnd遅延時間とパケット損失率よりデータパケットの長さが短くなっていれば，音声を犠牲にする代償として，パケット毎の遅延揺らぎをパケットの列の送出間隔の乱れが相対的に小さくなり，完全に解消する仕組みである。

結果的に音声品質が向上する効果がある。この機能は，音声パケットの損失により聞き取れない音や音声の通常送信側に備えられる機能であるが，実装が比較的途切れが多少あっても，前後の関係から無意識のうち簡単であるため多くの市販製品で利用できるこ ただし，に補っているので，会話に支障がないことが普通であ分割するパケット毎にIPヘッダが必要になるので，る．逆に，パケットの壬員失を減らす目的で遅延揺らぎ小さく分割しすぎると全体のトラヒックが増大してし吸収バッファでの滞留時間を長くすると，End−Endまうことになるので，通信回線の速度に応じた適切な遅延時間がさらに大きくなり，間延びがして会話が不パケットサイズにフラグメンテーションすることが重自由になる。

要である。

会話に支障をきたし始める音声の途切れの確率は経4．2 音声優先制御機能

験的に10￣3以上とされているので，通信ネットワー

音声優先制御機能は，音声パケットと音声以外のデク＿上のパケット損失率と比べると著しく大きい。したータパケットを識別して，音声以外のデータパケットがって，遅延揺らぎ吸収バッファ部でのパケット損失はバッファ内に滞留させて，送出を待っている音声パ率をかなり大きくしても，End−Endの遅延時間をでケットがないときにだけ，データパケットを送出させきるだけ小さくする方が，会話を行う上でのる機能である。この機能により，データパケットのトを向上させることができる。

ラヒックに関係なく，音声パケットのスループットを本検討では，End−Endのパケット損失率は10−4と確保することができる。音声パケットがバッファリン規定し，そのパケット壬員失率になるように遅延揺らぎグされる時間が短くなるので，IP電話の音声品質は吸収バッファでの滞留時間を求めている。

良くなる．ただし，マルチベンダー環境では音声優先機能を利用することは現在のところ難しい．これは，標準化に時間がかかるためと考えられる。例えば，
Cable Modemの仕様には，DOCSISl．1という音声5。End−臣nd遅延時間の評価
5．1設計パラメータ
図3に示した王P電話のEnd−Endの音声品質に影優先制御機能を含む仕様があるが，正式に認定を受け響をあたえる設計パラメータの中で，実際に変動させた製品は2000年夏の時点で市場にまだ出回っていなて評価を行った主要な設計パラメータについて以下にい模様である。

列挙する。

4．3 遅延揺らぎ吸収バッファ
音声パケットがエッジルー。音声符号化方式
タ，ヘッドエンドルータ，中継ルータを通過する間に，バッファリングによる送氾処理待ちの時間が発生する。この待ち時間がパケッ

ト毎に違っているので，音声パケットの間隔は一定間隔であったものが次第にばらつきが大きくなる。これを再び元の一定間隔に戻す機能が，遅延揺らぎ吸収バッファの機能であり，本稿の綱構成ではGW装置に層32（20）G．711（64kbps），G．729（8kbps）など。音声データ長［注2］20〜80バイト程度。データ。フラグメンテーション機能

150バイト，500バイト，1000バイトなど［注2］ヘッダがRTPのヘッダを合わせて40バイトなので音声パケット長は60〜120バイト程度になる．

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オペレーションズ。リサーチ

複数のルータからのトラヒックが合流するので，前後・音声優先制御機能のルータ聞のトラヒックの相関はないと判断したこと

ON／OFFがその理由である．また，各ルータへのパケットの到・バス当たり加入者数

着のモデルは，簡単のため，ポアソン到着とした．

数百人〜1千人

本稿では音声優先制御がOFFの場合を考える．こ・加入者当たり最繁時呼率（音声のみ）のとき，バスルータ，ヘッドエンドルータ，中継ルー

0．05〜0．3程度

タの3段それぞれのトラヒッタモデルは，姻／1／∞

・加入者当たりIPトラヒック（音声除く）

10〜100kbpsとした［2］．この区間では，音声パケットとインター・中継回線収容率

ネットへのデータパケットの両方が混ざっている．それぞれのパケット長の平均とパケット数の割合に従っ

0．7〜0．9て，サービス過程を超指数分布月らによって表現した．

・パケット損失率目標値

一方，MGのトラヒックモデルは，瑚鋤／1／∞とし10￣4・EndMEnd遅延時間目標値

た．MGを迫ってPSTN綱に行くのは音声パケット200ミリ秒未満だけなので，サービス過程を指数分布」材としたから5．2 固定的遅延である。

End−End遅延要因の内，その遅延時間分布の分散

バッファサイズは，当然，有限になるが，計算の簡がごく小さいものは】定であると見なし，固定的遅延単さのために，バッファサイズは無限大（氾とした．と呼ぶことにする．一方，その分散が無視できない遅実際，パケットの損失はほとんど遅延揺らぎ吸収バッ

延要因は，変動的遅延と呼ぶことにして，遅延要因をファでの廃棄によるもので，各ルータでのバッファ溢両者に分類する．そのとき，音声への符号化。復号化れで損失することは非常に稀である．この理由は，遅遅延とパケット化遅延と伝送遅延を固定的遅延に分類

延揺らぎ吸収バッファでのパケット損失率は10￣4とすることができ，各ルータでの送出処理待ちのバッフ規定するが，各ルータ装置内でバッファ溢れによりパァリング遅延時間は，変動的遅延となる．

ケット損失となる確率は，これよりもずっと小さくな

表2のように，音声符号化方式によって，その符号化・復号化処埋の遅延時間がかなり異なる．G．711はるように十分なメモリ容量を持っているからである．
したがって，音声優先制御がOFFのとき音声パケ符号化速度が64kbpsであり，G．729は8kbpsであットの変動的遅延時間分布は以下の直列待ち行列モデるが，圧縮効率の優れた符号化方式は，差分符号化なルの遅延時間分布として算出できる．

どの高度な計算をしているため，その処理時間が大き衰3 End−End遅延時間の内訳くなるからである．

また，伝送遅延は，IP網＋PSTN綱で45ミリ秒とした．実際には，End−Endの距離に依存して変化するが，この値は国内でのEnd−End遅延時間（衛星回線は除く）としてほぼ最大の値である．

5．3 変動的遅延とトラヒックモデル
CATV網の各ルータでソヾッファリングされて待つ遅延時間の合計時間の分布は，各ルータでのバッファリング遅延時間の分布をそれぞれ算出した上で，それらを畳み込んで求める．それぞれのルータは，前段の［注3］音声符号化方式はG．729で音声パケット60バイ
ト，音声以外のIPトラヒッタは加入者当たり10kbps，データ・フラグメンテーションによりデータパケットは

表2 音声符号化方式とその固定的遅延500バイト，音声優先制御機能はOFFとする．ヘッドエンドルータなど上位ルータは，100Mbps以上の高速回とした．

方式 符号化。復号化遅延 パケット化遅延［注4］連続する2つのパケットで，前のパケットが最短

G．711 0．75ミリ秒
G．729 25ミリ秒

着しても規定のパケット損失率を滴たすことができるため5ミリ秒10ミリ秒の遅延時間で到着し，彼のパケットが最長の遅延時間で到である．これは，実運用上での一般的なやり方である．

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2001年3月号（21）133

質を決定するのは，バスルータの回線速度とそれを共衰4 遅延時間分布の99．99％値の一覧（c）遅延揺らぎ吸収バッファ内
遅延の内訳

遅延時間分布の99．99％値（ミリ秒）

4段のルータ

12．27

バスルータ
中継ルータ

12．23
0．18
1．11

MG

0．15

ヘッドエンドルーータ

用する加入者の人数などが最も支配的な要因であることが分かる。

6。まとめCATV網でIP電話を提供する場合の，CATV綱側から発信してPSTN網側へ着信する通話について，音声品質を決定するEnd¶End遅延時間に対する評価を行った。これにより，IP電話の音声品質について定量的に評価することができた。

姻／1／∞（バスルータ）

また，ネットワーク設計の観点から，音声品質を左→姻／1／∞（ヘッドエンドルータ）→姻／1／∞（中継ルータ）

右するEnd−End遅延時間を大きくする要因としては，→財加／1／∞（MG）バスルータでのバッファリング遅延時間が最大のボト

5．4 数値例

ルネックになることを示すことができた。バスルータ

数値例を紹介する。これは，5Mbpsのバスルータ当たりの加入者数を変動させることなどで，音声品質に加入者を200人収容した場合である［注3］。4段待とそれを提供するためのコストの関係もかなり具体的

ち行列モデルによる遅延時間分布を求めて，その裾のに評価できる見通しが立った。

確率が10h4になる値（分布の99．99％値）の2倍［注一般電話は国内でのEnd−End遅延時間はほとんど4］を，遅延揺らぎ吸収バッファで滞留させる時間とす30ミリ秒以内とされていることなどから，結論的にる。そのとき，EndMEnd遅延時間の内訳は，表3のは，CATV網でのIP電言古は一般電話よりも音声品質ようになる。の面では悪いと言わざるを得ない。しかし，衛星回線また，（C）遅延揺らぎ吸収バッファでの遅延時間は，を使用する場合よりも良いので，コスト次第でサービ

前述のように，ルータ4段の遅延時間分布の99．99％スとしての競争力は無視できないと考えられる。特に，他の2倍として求めたが，その内訳として，各ルータ音声優先制御機能を備えたCMなどの装置の価格がでの遅延時間分布の99．99％値を表4に示す。

安くなったときには，End−End遅延時間が短縮されこの数値例から，5Mbpsのバスルータに加入者て音声品質がかなり良くなるので，この段階で，一般200人規模では，EndpEndの遅延時間は100ミリ秒

電話に対してCATV綱からのIP電話が競争力を増程度にしかならないので，目標値の200ミリ秒未満とすことが十分に有り得る。

比べた場合には，十分な音声品質が確保されていると今後の課題としては，バスのマルチアクセスによる判断できる。また，4段のルータでのバッファリング衝突などの現象を適切に反映するように，CSMA／遅延のほとんど（約99％）が5MbpsのバスルータCD方式などに基づくトラヒックモデルで再評価するで発生していることに着目すると，バスルータがボトことを検討したい。

ルネックであることが分かる。これは，ヘッドエンド
参考文献

ルータなど後段のルータが十分高速であるのに比べて，バスルータが極端に低速であるためである。しかし，5Mbpsという回線速度がバスルータの市販品のインタフェース速度であり，さらに高速にすることば容易でないので，結局，バスルータがボトルネックとなることは避けられない。したがって，IP電話の音声品［1］天野他， VoFR，VoIPで音声網を再構築 ，日経コミュ
ニケーション，1999．6．7∴1999．7、19．
［2］藤木他， 通信トラヒック理論 ，丸善，1980．
［3］日本フレームリレーフォーラム晩 フレームリレーネ
ットワーク構築ガイド ，電気通信協会，1998．

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層3亀（22）

オペレーションズ。リサーチ