CODEC je hardwarový nebo softwarový algoritmus, který komprimuje a dekomprimuje digitální mediální datové toky pro efektivní přenos a uložení v sítích 3GPP, primárně pro hlasové a video služby.

Popis

CODEC je základní součástí digitálních komunikačních systémů, která plní dvě komplementární funkce: kódování (kompresi) na straně zdroje a dekódování (dekompresi) na straně cíle. Kodér transformuje nezpracovaná digitální mediální data (jako PCM audio nebo nezpracované video snímky) do komprimovaného bitového toku odstraněním percepční a statistické redundance. Tato komprese snižuje požadovanou šířku pásma pro přenos nebo kapacitu úložiště. Dekodér na přijímací straně rekonstruuje přibližný obraz původního signálu z komprimovaného bitového toku. Kvalita rekonstrukce závisí na algoritmu CODECu, přenosové rychlosti a inherentním kompromisu mezi kompresním poměrem a věrností.

V systémech 3GPP CODECy fungují v rámci funkcí zpracování médií v uživatelském zařízení (UE) a síťových prvcích, jako je Media Gateway (MGW) nebo Multimedia Resource Function Processor (MRFP). Pro hlasové služby audio subsystém UE zachytí analogový hlas přes mikrofon, převede jej na digitální PCM pomocí ADC a následně řečový CODEC tento digitální tok komprimuje. Komprimované pakety jsou zabaleny do RTP/UDP/IP rámců pro přenos přes přenosový kanál. V síti může docházet k transkódování mezi různými CODECy (např. mezi AMR z UE a G.711 z PSTN) v Media Gateway. Pro video služby video CODECy zpracovávají video snímky pomocí technik vnitrosnímkové a mezisnímkové komprese, které jsou často standardizovány jak 3GPP, tak externími orgány jako ITU-T nebo MPEG.

Architektura zahrnuje několik klíčových komponent: kompresní algoritmus (např. ACELP pro řeč, DCT a odhad pohybu pro video), mechanismus adaptace přenosové rychlosti, nástroje odolnosti proti chybám a formát přenášených dat pro zabalení do paketů. 3GPP specifikuje nejen algoritmy CODECů, ale také bitově přesnou implementaci, testovací sekvence a povinné podporované profily pro zajištění interoperability. CODECy komunikují s transportní vrstvou prostřednictvím formátů přenášených dat RTP definovaných v IETF RFC a s řídicími protokoly prostřednictvím vyjednávání kodeků v SDP během zřizování relace (např. v SIP nebo SDP).

CODECy hrají klíčovou roli při určování kvality uživatelského zážitku (QoE) a síťové efektivity. Jejich výkon přímo ovlivňuje kvalitu hlasu (měřenou MOS), kvalitu videa, spotřebu šířky pásma, latenci a odolnost proti chybám. Pokročilé CODECy obsahují funkce jako detekce hlasové aktivity (VAD) pro nespojitý přenos, generování komfortního šumu (CNG), maskování ztráty paketů (PLC) a adaptivní více rychlostní provoz, který dynamicky upravuje přenosovou rychlost na základě síťových podmínek. V systémech 5G CODECy umožňují pohlcující mediální služby jako VR/AR a ultra-HD video díky vyšší kompresní účinnosti a nižší latenci.

K čemu slouží

CODECy existují, aby řešily základní problém omezené přenosové kapacity a kapacity úložiště v digitálních komunikačních systémech. Nezpracovaná digitální média vyžadují značné datové toky – například nekomprimované audio ve kvalitě CD (44,1 kHz, 16bitové stereo) potřebuje přibližně 1,4 Mbps, zatímco nezpracované HD video může vyžadovat přes 1 Gbps. Přenos takových objemů přes omezená bezdrátová spojení, jako jsou mobilní sítě, by byl nepraktický a ekonomicky neproveditelný. CODECy umožňují praktické multimediální služby komprimací dat 10 až 1000krát, čímž se služby jako hlasové hovory, streamování videa a konferenční hovory stávají realizovatelnými přes mobilní sítě.

Historicky přechod z analogové na digitální mobilní síť (2G GSM) vytvořil potřebu efektivního digitálního kódování řeči. Rané mobilní sítě používaly řečové kodeky s plnou rychlostí a relativně vysokými přenosovými rychlostmi (13 kbps pro GSM FR). Jak se sítě vyvíjely, aby podporovaly více uživatelů a datové služby, byly vyvíjeny pokročilejší kodeky s nižšími přenosovými rychlostmi a lepší kvalitou. Každá generace přinesla vylepšené kodeky: 3G zavedlo AMR s adaptivními rychlostmi, 4G přineslo HD hlas s AMR-WB a 5G podporuje ještě účinnější kodeky jako EVS a vylepšené video kodeky. Tento vývoj řešil omezení předchozích kodeků z hlediska efektivity využití šířky pásma, kvality hlasu, odolnosti vůči ztrátě paketů a podpory nových audio šířek pásma (jako širokopásmové a super-širokopásmové).

Kromě základní komprese moderní kodeky řeší další problémy: umožňují interoperabilitu mezi různými sítěmi (mobilní, VoIP, PSTN) prostřednictvím transkódování, podporují adaptaci kvality na měnící se síťové podmínky prostřednictvím více rychlostního provozu a poskytují odolnost proti chybám pro nespolehlivé bezdrátové kanály. Také umožňují nové služby, jako jsou konference více účastníků, streamování hudby a pohlcující média, tím, že nabízejí vhodné kompresní profily pro různé typy obsahu. Bez efektivních kodeků by bohatý multimediální ekosystém dnešních mobilních sítí neexistoval.

Klíčové vlastnosti

• Ztrátové kompresní algoritmy optimalizované pro lidské vnímání
• Více rychlostní provoz podporující dynamickou adaptaci přenosové rychlosti
• Mechanismy odolnosti proti chybám včetně maskování ztráty paketů
• Podpora více audio šířek pásma (od úzkopásmové po super-širokopásmovou)
• Standardizované bitově přesné implementace zajišťující interoperabilitu
• Integrace s RTP/IP transportem prostřednictvím definovaných formátů přenášených dat

Definující specifikace

• TS 22.233 (Rel-19) — Packet-switched Streaming Service (PSS) Stage 1
• TS 23.153 (Rel-19) — Out-of-Band Transcoder Control Stage 2
• TS 26.094 (Rel-19) — AMR Voice Activity Detector (VAD) Specification
• TR 26.916 (Rel-14) — eSRVCC Transcoding Minimization Study

📖 Anglický originál a plná specifikace: CODEC na 3GPP Explorer