TELEFONIA SOBRE IP. Pedro Alvarez Ricardo Batista

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1 TELEFONIA SOBRE IP Pedro Alvarez Ricardo Batista

2 ÍNDICE Introdução Características dos sinais de voz CODECS de voz Protocolos em VoIP Estrutura da rede VoIP Qualidade de serviço Comparação com PSTN Conclusões

3 INTRODUÇÃO Voice over Internet Protocol (VoIP) é o transporte de voz através de redes IP, não necessariamente a Internet. Contrariamente às chamadas telefónicas tradicionais a voz é transportada através de pacotes Mas porquê transportar voz sobre IP? IP tem equipamento mais barato Possibilita integrar voz e dados em aplicações IP largamente disponibilizado

4 CARACTERÍSTICAS DOS SINAIS DE VOZ (1) Ar vindo dos pulmões atravessa as cordas vocais e o tracto vocal. Considerando que o tracto vocal varia lentamente pode ser modelado como um filtro.

5 TIPOS DE SINAIS DE VOZ Vozeados Amplitude elevada Cordas vocais vibram Pulsos de ar quasi-periódicos Densidade espectral discreta Não vozeados Forçar ar através de uma constrição Glotis aberta Não têm periodicidade Variação praticamente aleatória Densidade espectral contínua e estacionária (Fonte: Sistemas e Redes de Telecomunicações, João J. O. Pires, 2006)

6 BANDA E GAMA DINÂMICA Banda Banda de voz vai dos Hz Maior parte de riqueza espectral dos Hz ITU-T recomenda Hz (G.132 e G.151) o que permite uma frequência de amostragem de 8000 amostras/s Gama dinamica O ouvido tem uma gama dinâmica muito elevada (pode ir acima de 100 db) Para representar a voz uma gama dinâmica de 30 db é aceitável Resposta do ouvido

7 CODECS Um CODEC é responsável por: Filtragem Amostragem Quantificação Codificação Descodificação Tipos de CODECS Forma de onda Vocoders Híbridos

8 CODIFICADORES DE FORMA DE ONDA Quantificação uniforme : N=12 bits Rb= 12*8 =96 kbps Quantificação não-uniforme : N=8 bits Rb=8*8=64kbps DPCM: É transmitida a diferença de amplitude do sinal e da uma estimativa baseada nas amostras anteriores (Fonte: Sistemas e Redes de Telecomunicações, João J. O. Pires, 2006)

9 CODIFICADORES DE FORMA DE ONDA (2) Se o sinal variar muito rapidamente é introduzida distorção Sons não-vozeados pouco correlacionados com amostras anteriores

10 CODIFICADORES DE FORMA DE ONDA (3) ADPCM: Faz previsões usando as últimas amostras e algum conhecimento de como a voz varia com o tempo Ajustar, consoante o sinal de entrada, os coeficientes do filtro de predição e os níveis de quantificação. Possível transmitir voz a 16kbps com qualidade medíocre ou 32 kbps a uma qualidade comparável com a do PCM

11 LPC Modelar coeficientes do filtro Modelar o tipo de excitação Ritmos entre 1.2 e 2.4kbit/s Voz sintética (Fonte: Sistemas e Redes de Telecomunicações, João J. O. Pires, 2006)

12 CODECS HÍBRIDOS Codecs mais usados em VoIP Ritmos entre os 6 e 16 kbps G.728 LD-CELP

13 QUALIDADE DE CODECS (1) Qualidade da voz é um parâmetro subjectivo Recomendação P.800 do ITU-T define o MOS (Mean Opinion Score) onde um mínimo de 30 pessoas avalia a qualidade, dando uma nota de 1 a 5

14 PROTOCOLOS Arquitectura de protocolos VoIP (Fonte: Redes com Integração de Serviços, Mário Nunes, 2003/2004)

15 RTP & RTCP (1) Protocolo de colaboração (com outros, como SIP, H.323, etc) Melhora a performance do stream de media Formato de pacotes estandardizado (IETF, RFC 3550).

16 RTP & RTCP (2) Real-time Transport Protocol (RTP) Protocolo de transferência de dados: Opera geralmente sobre UDP Ideal para transferência multimédia em tempo-real: timestamps (sincronização) números de sequência formato dos dados codificados ( payload type ) Real-time Transport Control Protocol (RTCP) Protocolo de QoS e sincronização entre streams multimédia: Mede o jitter, atraso e perda de pacotes da sessão RTP Tráfego pequeno (5% do tráfego gerado por RTP)

17 H.323 (1) Conjunto de recomendações da ITU (H.32X) Definem requisitos técnicos para transmissão multimédia sobre redes de pacotes Sem qualidade de serviço assegurada

18 H.323 (2) Primeiro protocolo VoIP de sinalização Fornece suporte a ligações para dispositivos PSTN (através de gateways) Grupo de sub-protocolos: (Fonte: H.323 Protocol Overview, Paul E. Jones, Outubro 2007)

19 H.323 (3) Estrutura da rede: Terminal ponto de terminação da rede LAN, comunica com outra entidade H.323 trata da codificação áudio/vídeo e da sinalização

20 H.323 (4) Estrutura da rede: Terminal ponto de terminação da rede LAN, comunica com outra entidade H.323 trata da codificação áudio/vídeo e da sinalização Gateway interface entre a rede LAN e as redes de comutação de circuitos (e.g. PSTN, ISDN): alteração do protocolo de comunicação e conversão dos dados da trama recebida/enviada

21 H.323 (5) Estrutura da rede: Terminal ponto de terminação da rede LAN, comunica com outra entidade H.323 trata da codificação áudio/vídeo e da sinalização Gateway interface entre a rede LAN e as redes de comutação de circuitos (e.g. PSTN, ISDN): alteração do protocolo de comunicação e conversão dos dados da trama recebida/enviada Multipoint Control Unit (MCU) gere possíveis conferências (3 ou mais pontos terminais)

22 H.323 (6) Estrutura da rede: Terminal ponto de terminação da rede LAN, comunica com outra entidade H.323 trata da codificação áudio/vídeo e da sinalização Gateway interface entre a rede LAN e as redes de comutação de circuitos (e.g. PSTN, ISDN): alteração do protocolo de comunicação e conversão dos dados da trama recebida/enviada Multipoint Control Unit (MCU) gere possíveis conferências (3 ou mais pontos terminais) Gatekeepers (opcional) gere uma zona de dispositivos H.323, podendo incluir backups e controlo da carga da rede (gestão da largura de banda).

23 SIP (1) Protocolo de sinalização Controla sessões de comunicação multimédia sobre IP Criação, modificação e terminação de sessões unicast ou multicast entre um ou mais streams de media (IETF, RFC 3261)

24 SIP (2) Session Initation Protocol: Alternativa a H.323 tido com mais flexível e mais simples que este. Utiliza o RTP como método de transmissão de media. Sistema de mensagens semelhante ao do HTTP/SMTP: REGISTER, INVITE, ACK, etc. Não prevê a existência de uma rede PSTN Utiliza o paradigma cliente servidor: Cliente: Originador da chamada Servidor: Destinatário da chamada

25 MGCP (1) Media Gateway Control Protocol decompõe os gateways em gateways de media e gateways de controlo Isto permite utlizar menos recursos de controlo e aumentar a escalabilidade da rede

26 MGCP (2)

27 ESTRUTURA DA REDE

28 QUALITY OF SERVICE (QOS) Como se mede? Latência atraso na entrega de pacotes Jitter variação no atraso de entrega de pacotes Perda de pacotes devido ao excesso de tráfego na rede O que não queremos em VoIP: Grandes atrasos constantes interrupções nas conversas Jitters altos efeitos sonoros indesejáveis na chamada Muitas perdas de pacotes interrupções na chamada

29 REQUISITOS DE QOS EM VOIP Latência: - Os atrasos na voz são detectáveis para períodos de envio superiores a 200ms - O protocolo ITU-T G.114 recomenda atraso máximo de 150ms no envio do pacote Jitter: - A IETF define alguns métodos para medir o jitter RFC 3550, 3611 e 1889 (RTCP) O jitter normalmente é compensado utilizando buffers - Valores aceitáveis de jitter em VoIP: < 30ms (Fonte: ITU-T Recommendation G.107) Perda de pacotes: - O VoIP é sensível à perda de pacotes, mesmo 1% é demasiado para a maioria dos CODECs (Fonte: ITU-T Recommendation G.107)

30 CURIOSIDADE! Obter parâmetros de QoS no Skype: 1. Ferramentas/Tools 2. Opções/Options 3. Avançadas/Advanced 4. Mostrar informação técnica da chamada durante as chamadas / Show Durante a chamada, seleccionar Info técnica da chamada e verificar os parâmetros!

31 COMPARAÇÃO COM PSTN (1) PSTN: Tecnologia já implementada (robusta) Canal dedicado (64 Kbps) Resistente a apagões Escalabilidade limitada (upgrades envolvem mudar equipamentos e planeamento de rede) Manutenção periódica exige preço base

32 COMPARAÇÃO COM PSTN (2) VoIP: Possibilidade de voz, vídeo e dados em simultâneo Largura de banda utilizada é menor (<10 Kbps com compressão) Escalabilidade (upgrades envolvem apenas melhorias em software ou largura de banda) Custo operacional torna-se diminuto Tendo uma rede IP como backbone da rede: - nem sempre a qualidade de transmissão é assegurada - depende da robustez da rede energética

33 QUESTÕES?

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