Avaliação de técnicas de codificação de voz para VoIP

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1 Avaliação de técnicas de codificação de voz para VoIP Márcio A. de Souza 1, Anderson D. Schicorski 1, Kleber Z. A. Ferreira 1, Luciano J. Senger 1, Omar A. C. Cortes 2 1 Departamento de Informática Universidade Estadual de Ponta Grossa (UEPG) Ponta Grossa PR Brazil 2 Departamento Acadêmico de Informática CEFET Maranhão São Luiz MA - Brazil. {msouza,ljsenger}@uepg.br, omar@cefet-ma.br, anderson.dsc@gmail.com, kleber.zaf@bol.com.br Abstract. The VoIP (Voice over IP) technology uses coding algorithms (called codecs) that makes the transformation of the human voice into a digital representation. There are several examples of codecs, each one with different characteristics. The goal of this paper is to conduct an evaluation of codecs commonly used in VoIP communication. This comparative study has been made through the evaluation of the overhead generated by the codec on the network and the quality of the transmitted digitalized voice. The evaluation of the transmitted audio quality and bandwidth consumption has been performed using audio and network analysis tools. The results show that the G and G.711 recommendations presented the best results. Resumo. A utilização da tecnologia VoIP (Voz sobre IP) necessita de algoritmos de codificação (chamado codecs) que permitam fazer a digitalização da voz humana. Diversos codecs existem, com diferenças significativas entre eles. O objetivo deste artigo é apresentar uma análise comparativa de alguns codecs comumente utilizados na comunicação VoIP, através da análise da sobrecarga que eles geram na rede e da qualidade da voz resultante após a transmissão. Essa avaliação é feita utilizando ferramentas para análise de pacotes e de áudio. Os resultados obtidos mostram que dentre todos os codecs avaliados, as recomendações G e o G.711 apresentam resultados melhores. 1. Introdução A área de telecomunicações vem sofrendo uma grande revolução, em grande parte impulsionada por avanços tecnológicos conseguidos junto às redes de comutação de pacotes como a Internet. Os serviços de telefonia, antes oferecidos pelos sistemas de telefonia convencional (baseados em comutação de circuitos), têm sido oferecidos sobre essas redes de comutação de pacotes, o que reflete em uma mudança no modo como os serviços de telefonia vêm sendo prestados hoje em dia. Em relação à transferência de voz, as redes de comutação de pacotes têm se tornado uma alternativa muito atraente para conversas telefônicas, visto que elas 123

2 oferecem uma qualidade de transmissão razoável aliada a um custo relativamente baixo, principalmente para usuários que costumam fazer ligações interurbanas. Assim, grupos ligados às empresas de telecomunicação e de computação passaram a investir na criação de mecanismos para transmissão de voz sobre a Internet, chamando esta nova tecnologia de VoIP. O termo VoIP é originário de Voice over IP (Voz sobre IP), onde IP (Internet Protocol) é um protocolo extensamente difundido tanto em redes públicas (como a Internet) quanto em redes privadas. A idéia do protocolo VoIP se baseia na transmissão de voz em forma de pacotes através de uma rede utilizando protocolos da pilha TCP/IP [Comer 2006; Moraes e Cirone 2003; Tanenbaum, 2003]. Para que esse sistema seja viável, o sinal de voz deve passar por um processo de digitalização e compactação antes de ser transformado em pacotes IP. Essa digitalização é feita através de codecs (algoritmos de codificação), os quais são responsáveis pela codificação do sinal de voz. Esses codecs são muito importantes no processo de transmissão de voz pela Internet, pois influenciam a qualidade final das transmissões e a largura de banda utilizada por elas. Este artigo apresenta uma avaliação da tecnologia utilizada para a transmissão de voz utilizando uma rede TCP/IP, abordando os codecs utilizados para realizar o processo de digitalização. Essa avaliação será feita através de experimentos práticos com alguns dos principais algoritmos de digitalização existentes, objetivando analisar a sobrecarga que esses codecs geram na rede e a qualidade da voz transmitida por eles. Este artigo está organizado da seguinte maneira: a segunda Seção apresenta alguns trabalhos relacionados. A Seção 3 apresenta alguns conceitos básicos sobre VoIP e codificação de voz. Em seguida, na Seção 4 são apresentadas a metodologia empregada neste trabalho e os resultados obtidos da avaliação dos codecs. Por fim, a Seção 5 apresenta as conclusões deste trabalho. 2. Trabalhos Relacionados Existem diversos trabalhos direcionados a avaliar a qualidade da comunicação usando a tecnologia VoIP. Os trabalhos de Kushman et al. (2007), Levy e Zlatokrilov (2006) e Markopoulou et al. (2003) analisam os fatores que podem influenciar no desempenho de uma comunicação usando VoIP. Outros trabalhos têm como objetivo definir ferramentas para monitorar a qualidade de ligações VoIP [Chua e Pheanis, 2006; David 2003; Lustosa et al. 2005]. Existem ainda trabalhos que apresentam modelos que permitem avaliar a qualidade da voz transmitida [Lakaniemi et al. 2001; Lustosa et al. 2004]. Wenyu et al. (2003) apresentam uma avaliação dos aparelhos de comunicação em relação à qualidade da voz. Todos os trabalhos citados utilizam alguns codecs nos experimentos práticos apresentados nos artigos, embora o objetivo dos trabalhos não seja especificamente avaliar os codecs. Este artigo, por outro lado, foca-se na avaliação dos codecs de voz, comparando-os em termos de qualidade da voz transmitida (usando um software de análise de áudio) e de sobrecarga na rede. 124

3 3. Arquitetura VoIP A base da arquitetura VoIP é a rede TCP/IP, de maneira que qualquer equipamento que se conecte a ela deve possuir meios para realizar a recepção e o envio de pacotes de voz digitalizada. Assim, para que a transferência de voz sobre IP aconteça, é necessário que sejam definidos protocolos, os quais fornecem as funcionalidades necessárias à transmissão da voz com uma qualidade suficiente. Os dois protocolos principais usados para a sinalização e controle de chamadas de voz são o H.323 e o SIP [Fernandes 200-] O H.323, desenvolvidos pela ITU (órgão ligado às empresas de telefonia), é um conjunto grande e complexo de protocolos destinados a controlar todas as fases de uma ligação pela Internet, incluindo a codificação de voz e vídeo, estabelecimento de conexões, sinalização, etc. O protocolo H.323 apresenta as seguintes características [Toga & Elgebaly, 1998]: independência de rede, interoperabilidade e independência de plataforma, pois a transmissão de áudio e outros conteúdos não depende de modificações na camada de transporte ou no sistema operacional; representação padronizada de mídias, através do estabelecimento de padrões para compressão e descompressão de sinais de áudio e vídeo, assim como de mecanismos de negociação desses codificadores entre os pares comunicantes; gerenciamento de largura de banda; conferências multiponto. O SIP (Session Initiation Protocol), apresentado inicialmente em [Rosenberg et al. 2002], é um protocolo mais simples e inspirado em protocolos baseados em texto, como o HTTP e o SMTP, usado para transporte de informações multimídia pela Internet e desenvolvido pela IETF (órgão responsável pela padronização de protocolos da Internet). O protocolo SIP apresenta as seguintes características: simplicidade, por ter apenas seis métodos para a troca de informações entre os comunicantes e ser baseado em texto; interoperabilidade, independência de rede e de plataforma [Willys & Drage, 2007]. Independente dos protocolos usados para controlar a chamada, um processo muito importante no procedimento de transmissão de voz é a digitalização, a qual é responsável por codificar a voz de maneira que ela possa ser transmitida via pacotes IP. O processo de digitalização interfere diretamente na qualidade da voz transferida e na largura de banda utilizada. Com a arquitetura apresentada, a próxima Subseção apresenta uma discussão sobre as técnicas de digitalização de voz, as quais são avaliadas neste artigo Digitalização de Voz O sinal da voz (que é um sinal analógico), para ser transmitido através de uma rede de computadores que utiliza um sistema de transmissão digital, precisa passar por um processo de digitalização. Esse processo é realizado por algoritmos conhecidos como codecs (encoders/decoders) [Bernal 2003, Fernandes 200-, Jordan 1994]. Uma técnica muito difundida em sistemas de digitalização de sinais de áudio é a PCM (Pulse Code Modulation). Na técnica de PCM, o processo de digitalização é realizado tomando-se amostras do sinal analógico em determinados intervalos de tempo. Como a faixa de valores possíveis de um sinal analógico é muito grande, utiliza-se um conjunto limitado de valores de quantização (um conjunto de bits), os quais são usados 125

4 para representar cada uma das amostras. Os valores das amostras são então aproximados para esses valores de quantização. Quanto menor o número de valores de quantização disponíveis, maior será a perda sentida no sinal original. De acordo com o número de amostras geradas por segundo e a quantidade de bits usada para representar cada uma das amostras, pode-se calcular a taxa de bits (bit rate) usada pelo codec. A taxa de bits é geralmente medida utilizando a unidade Mbit/s (Megabits por segundo), que representa o número de bits utilizado em 1 segundo de áudio. Nesse caso, a taxa de bits equivale apenas à codificação da voz, e não inclui o tráfego gerado por informações de controle utilizadas pelos demais protocolos VoIP. Em virtude da grande utilização da técnica de PCM, a ITU criou uma recomendação tomando-a como base, chamada de G.711. Uma taxa típica de transmissão de dados da G.711 é 64 kbps. Outros algoritmos baseados em adequações da técnica PCM surgiram visando proporcionar uma taxa de bits menor mantendo um padrão de qualidade de voz aceitável. Dentre essas adequações da PCM, podem ser citadas: a ADPCM (usada na recomendação G.726), a CS-ACELP (usada na recomendação G.729) e a ACELP MP- MLQ (usada na recomendação G.723.1). Diferentes recomendações apresentam diferentes taxas de transmissão e diferentes atrasos (nesse caso, atraso refere-se ao tempo necessário para codificação da voz, sendo medido em milissegundos). Geralmente, quanto maior a taxa de bits, menor o atraso, visto que taxas de bits maiores representam algoritmos de codificação com menor compactação. A implementação dessas recomendações geram os codecs, e a Tabela 1 apresenta uma relação dos codecs analisados neste trabalho, com suas respectivas taxas de bits e atrasos típicos. Tabela 1. Codecs avaliados Codec Tipo de codificação Taxa de bits (Kbit/s) Atraso (ms) G.711 PCM 64 Kbit/s 1 G ADPCM 40 Kbit/s 60 G ADPCM 16 Kbit/s 60 G.729 CS-ACELP 8 Kbit/s G ACELP MP-MLQ 6,3 Kbit/s Em um universo com uma grande gama de possíveis codecs, é interessante estudar o custo/benefício oferecido por eles, e, principalmente, o resultado obtido em termos de qualidade da voz codificada. Este artigo apresenta uma avaliação de quatro dos codecs mais usados para aplicações de digitalização de voz, analisando a largura de banda utilizada por eles e a qualidade da voz digitaliza. Nesse contexto, a próxima Seção apresenta a metodologia usada na avaliação dos codecs e os resultados obtidos. 126

5 4. Avaliação dos Codecs Usados em VoIP A avaliação da eficiência dos codecs está relacionada com, além da qualidade do sinal recuperado pelo receptor, à largura de banda utilizada por eles e à complexidade do algoritmo (ou o atraso que ele gera durante o processo de codificação). Para alcançar os resultados mostrados neste artigo, foi necessário definir um ambiente de testes e utilizar alguns softwares (mostrados na Subseção 4.1). A Subseção 4.2 apresenta os resultados obtidos pelos experimentos, e a Subseção 4.3 apresenta conclusões obtidas desses experimentos Ambiente de Teste e Softwares Usados Os testes foram feitos usando dois computadores (A, B) conectados através de uma rede Ethernet 100 Mbps isolada. Os dois computadores estabelecem uma conexão de voz através de uma conexão ponto a ponto, onde o computador A (que será chamado de emissor) realiza uma transmissão de um sinal sonoro (com 1 minuto de duração) e o computador B (que será chamado de receptor) é responsável por receber o sinal. A transmissão do sinal de áudio foi feita usando o software MyPhone [myphone.sourceforge.net], que permite a utilização de diferentes codecs. No receptor foi instalada uma ferramenta de análise de tráfego, chamada Ethereal [Hards 2004], com o objetivo de medir o comportamento do fluxo de pacotes (largura de banda utilizada, taxa média de pacotes transmitidos, por exemplo) no meio de transmissão para os diferentes codecs utilizados para a digitalização do sinal. O emissor é responsável por gerar o sinal sonoro, o qual foi plotado em um gráfico usando o software SoundForge [ Esse sinal gerado foi transmitido até o receptor usando os diversos codecs, e os sinais recebidos foram plotados em gráficos para serem comparados ao sinal original. Essa comparação permitiu uma análise visual da diferença de qualidade sonora obtida pelos codecs. Para melhorar a confiabilidade da análise das formas de onda, o sinal de voz foi substituído por um sinal sonoro contínuo, livre de pausas. Essa decisão foi tomada para tornar mais clara a avaliação dos sinais sonoros plotados no gráfico. Além disso, as diferenças percebidas entre o sinal sonoro contínuo se repetiram na transmissão de sinais sonoros variáveis Experimentos Feitos com os Codecs Neste artigo foram comparados cinco codecs utilizados em telefonia sobre IP. A Tabela 1 apresenta cada um deles, relacionando-os com o tipo de codificação, os seus valores de taxa de bits, e o atraso de cada um deles. Algumas variações de alguns codecs não são apresentadas neste artigo por apresentarem resultados muito parecidos entre eles. Por exemplo, o G.711 apresenta duas variações (lei A e lei µ), as quais não apresentaram diferenças na prática. Foram consideradas duas variações do codec G.726, pois as mesmas apresentaram taxas de bits diferentes. Para comparar esses cinco codecs, inicialmente foi feita uma operação de transferência de áudio, e foi utilizado o software Ethereal para medir o comportamento 127

6 da rede. As seguintes informações, obtidas através da monitoração da rede, foram medidas: Número médio de pacotes transferidos por segundo; Tamanho médio do pacote (em bytes); Largura de banda média (em Mbit/s); Os resultados obtidos são mostrados na Tabela 2. Tabela 2. Resultados obtidos pela monitoração da rede para os cinco codecs Codec Número médio de pacotes Tamanho médio do pacote Largura de banda média G , ,157 G , ,167 G , ,119 G , ,031 G , ,012 A Figura 1 apresenta a relação entre a largura média de banda utilizada pelos cinco codecs, e percebe-se que a maior taxa de bits utilizada pelo codec G.711 não refletiu em uma maior largura de banda utilizada em relação ao codec G Largura de banda média 0,2 0,15 0,1 Largura de banda média 0,05 0 G.711 G G G.729 G Codecs Figura 1. Largura de banda média por codec Os demais codecs apresentam uma relação coerente entre a largura de banda utilizada e a taxa de bits definida na especificação do codec. Em relação à qualidade do som, na Tabela 3 são exibidos os resultados gerados pelo Sony Sound Forge referentes às estatísticas das ondas sonoras resultantes. Na tabela, em sua primeira linha, foram colocadas as estatísticas do som emitido, e essas estatísticas são comparadas às obtidas pelos codecs que estão sendo analisados, os quais estão dispostos em ordem decrescente de sua taxa de bits. Na segunda e terceira coluna, são exibidos os valores de amplitude de onda mínima e máxima atingidos pela forma de onda. Na quarta coluna demonstra-se a intensidade do sinal e na quinta, a freqüência. 128

7 Tabela 3. Comparação entre o som emitido e o som recebido nos cinco codecs Amplitude Mínima Máxima Intensidade (db) Freqüêcia (Hz) Som Emitido -2,51-2,51-3, ,75 G.711 Lei A -3,328-3,588-8, ,55 G.726-1,248-1,7-11, ,78 G.726-1,574-1,847-12, ,58 G.729-1,724-1,979-12, ,73 G ,875-3,847-9, ,83 As Figuras de 2 a 7 representam os gráficos das ondas sonoras capturadas nos testes efetuados. Para todas as figuras, o quadro à esquerda apresenta uma visão geral dos 37,5 segundos iniciais da gravação, e o quadro à direita mostra a ampliação de um trecho da onda mostrada na esquerda. A Figura 2 apresenta o som emitido originalmente, e a partir da Figura 3 até a Figura 7, é apresentado no quadro à esquerda um comparativo entre a forma de onda do sinal recuperado (em preto) em comparação ao som emitido (em cinza). Figura 2. Forma de onda do som emitido Figura 3. Forma de onda do G

8 Figura 4. Forma de onda do G Figura 5. Forma de onda do G Figura 6. Forma de onda do G

9 Figura 7. Forma de onda do G Considerando os resultados obtidos para cada um dos codecs, foi possível fazer algumas observações específicas, as quais são descritas abaixo. G.711: Dentre os codecs testados, este ocupou o segundo lugar quanto à utilização de banda, apresentando taxa em torno de 0,157 Mbit/s. Este codec apresentou uma qualidade sonora clara e sem a presença de ruídos, e pode-se notar que as ondas sonoras apresentaram um padrão semelhante ao padrão de ondas do sinal original, conforme a Figura 3. O codec assumiu valores de freqüência bem próximos aos do sinal original, com diferenças muito pequenas e também apresentou os melhores resultados em termos de amplitude, o que garantiu a melhor qualidade de som entre todos os codecs avaliados neste artigo. G.726 (40 e 16): O codec G.726, em sua versão de 40 Kbit/s, foi responsável pela maior utilização da banda. A versão de 16 Kb/s, por sua vez, apresentou os pacotes de menor tamanho (74 bytes), conforme visto na Tabela 2. Esse codec apresentou uma sensação sonora desagradável, o que pode ser percebido na Tabela 3. e nas Figuras 4 e 5, pois ele apresentou sinais de freqüência muito aquém da freqüência do sinal original e uma distorção no padrão das ondas sonoras em relação ao sinal original. G.729: Este codec apresentou a segunda menor taxa de utilização da banda, aproximadamente 0,031 Mbit/s, e apresentou uma sensação sonora tida como razoável. Também apresentou uma grande queda na utilização do canal de comunicação em relação aos dois codecs anteriores, conforme visto na Tabela 2. Em termos de qualidade sonora, na Figura 6 nota-se que as ondas sonoras não apresentaram um padrão semelhante ao que foi emitido. Apesar da má qualidade do sinal, o som reproduzido foi compreensível, sendo superior à qualidade oferecida pelo codec G.726. G.723.1: Este codec apresentou a menor taxa de utilização do canal de comunicação, apresentando um valor de 0,012 Mbit/s. O valor de freqüência se aproximou do sinal original, apesar de possuir uma taxa de bits muito pequena. A sensação sonora foi tida 131

10 como boa em relação aos demais codecs, apresentado uma qualidade de som só inferior à do codec G.711. Na Figura 7 nota-se que as ondas sonoras recebidas apresentaram padrão bastante semelhante ao que foi emitido Análise Comparativa Entre os Codecs Avaliados A fim de permitir uma melhor análise das características de cada codec, bem como obter um resultado comparativo sobre o comportamento de cada um deles durante os testes realizados, a Tabela 4 apresenta uma comparação entre os aspectos mais relevantes apresentados por cada um deles. A Tabela 4 contém os dados referentes à qualidade sonora (obtidos da Tabela 2), largura de banda consumida (obtidos da Tabela 3) e atraso típico (obtido da Tabela 1). Tabela 4. Quadro comparativo dos resultados obtidos pelos codecs Qualidade Sonora Largura de Banda (Mbits/s) Atraso (ms) G.711 Boa 0,157 << 1 G.726 Ruim 0,167 e 0, G.729 Razoável 0, G Boa 0, Conforme a Tabela 4, o codec G.726, apresentou os piores resultados quanto à sensação sonora e largura de banda, e apresentou o segundo pior resultado em relação ao atraso. Portanto, neste trabalho, pode-se concluir que esse codec não apresentou resultados que recomendem o seu uso. O codec G.729 demonstrou uma qualidade sonora tida como razoável, ocupando uma largura de banda de nível baixo, e um atraso com valor intermediário. Considerando que o usuário de VoIP considera, geralmente, a qualidade sonora como o mais importante fator a ser considerado, esse codec não seria o ideal. Os dados apresentados na Tabela 4 apontam os codecs G.711 e G como melhores opções quanto à sensação sonora do sinal resultante. Contudo apresentaram-se divergentes quanto à largura de banda utilizada no meio de comunicação, na qual o G se mostrou como a melhor opção, e em relação ao atraso típico, no qual o G.711 assumiu um valor muito menor. Portanto, os dois codecs apresentam características que indicam a utilização deles em diferentes cenários. Considerando que o atraso típico de um codec representa o tempo necessário para realizar a transformação do sinal analógico em um fluxo de bits, é possível concluir que quanto maior o atraso, maior a complexidade do algoritmo, consequentemente mais recursos de hardware são necessários para realizar a codificação. Dessa forma, aplicações que estejam executando em computadores de menor porte, ou onde existam vários processos concorrentes disputando os recursos de processamento, a opção por um codificador de menor custo computacional seria a mais indicada, e nesse caso poderia-se usar o G.711. Por outro lado, considerando a largura de banda utilizada, valores muito altos podem inviabilizar situações nas quais o meio de comunicação seja de baixa qualidade, como uma conexão à internet discada; ou o tráfego na rede seja intenso, como em redes 132

11 públicas; ou ainda, sejam utilizadas codificações adicionais, como criptografia. Neste caso, poderia ser usado o G Analisando todos os dados obtidos, conclui-se que os codecs G.711 e G.723.1, são as melhores soluções dentre os codecs testados. E que a escolha entre um ou outro, deve se atentar as considerações descritas nos parágrafos anteriores, levando em conta o poder computacional disponível e o meio de comunicação disponível. 5. Considerações Finais Este artigo apresentou uma avaliação de alguns codecs utilizados na telefonia sobre IP, avaliando-os em relação à largura de banda utilizada e qualidade da voz transmitida. Com base nos resultados obtidos neste artigo, pode-se perceber que os codecs são bastante diferentes entre si, e não parece existir uma solução que possa ser considerada de uso geral. Alguns conceitos teóricos que podem parecer claros e intuitivos, na prática, podem não se refletir. Por exemplo, geralmente, quanto maior o valor de taxa de bits, maior a largura de banda utilizada. Porém, o codec G apresentou maior uso de largura de banda em relação ao codec G.711, o qual possui taxa de bits maior. Além disso, embora seja natural imaginar que quanto maior a taxa de bits, maior seja a qualidade, não existe relação direta entre a qualidade de voz e a taxa de bits, como pode ser percebido no codec G Entre todos os codecs avaliados, este artigo recomenda o G e o G.711, os quais apresentam qualidade sonora muito boa. Porém, esses dois codecs apresentam usos diferenciados. O G é mais indicado em sistemas onde haja a necessidade de economia da largura de banda do meio de transmissão, levando em consideração o fato de que o consumo de recursos computacionais será elevado. Por outro lado, o codec G.711 apresenta a melhor qualidade sonora, mas é indicado para sistemas onde há bastante largura de banda disponível. Referências Bernal, H. (2003) Telefonia IP. Teleco Informação em Telecomunicações, Abril. Chua, T. K. and Pheanis, D.C. (2006) Testing Real-Time VoIP Codec Software and Evaluating VoIP QoS, Communication Systems and Applications. Comer, D. E. (2006) Inteligação em Rede com TCP/IP vol. 1, 5. ed., Editora Campus. David, F. (2003) Ferramentas de Monitoração Ativa e Passiva para Avaliação da Qualidade de Redes VoIP, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Setembro. Fernandes, L. L. N. (200-) Voz sobre IP. Uma visão Geral, Hards, B. (2004) A Guided Tour of Ethereal, Linux Journal, Fevereiro. 133

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