Location Based Advanced Phone Dialer

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1 Location Based Advanced Phone Dialer Solução móvel para permitir chamadas de voz sobre o protocolo de Internet IP Jorge Duda de Matos Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Informática e de Computadores Júri Presidente: Orientador: Vogais: Prof. José Carlos Martins Delgado Prof. Artur Miguel do Amaral Arsénio Eng. Miguel Filipe Lázaro Pereira dos Santos Prof. António Manuel Raminhos Cordeiro Grilo Setembro de

2 Location Based Advanced Phone Dialer Solução móvel para permitir chamadas de voz sobre o protocolo de Internet IP Jorge Duda de Matos 2

3 Agradecimentos Ao meu orientador, o professor Artur Miguel do Amaral Arsénio, pela disponibilidade, apoio e considerações finais que foram muito importantes na reavaliação do trabalho. Os meus agradecimentos à empresa Wizi na pessoa do Eng. Miguel Santos com sua criatividade, disposição e espírito de liderança que me deram a oportunidade de desenvolver este trabalho interessante e com muito para explorar. Agradeço bastante ao meu orientador inicial, o professor Rodrigo Miragaia Rodrigues, que mesmo estando distante fisicamente acompanhou todo o meu percurso na realização deste trabalho, dirigindo-me no caminho certo e esclarecendo muitos aspectos confusos do trabalho. Ao meu colega Frederico pela disponibilidade e companheirismo. A minha família pelo amor e carinho. 3

4 Resumo Os sistemas de comunicação móvel serão no futuro, baseados no protocolo de Internet (IP) usando os pontos de acesso de redes sem fios (WLAN) públicas, como alternativa aos preços altos das operadoras de telecomunicação actuais. Esta tese estuda e apresenta os passos necessários para o desenvolvimento de aplicações que permitam uma conversação normal entre intervenientes usando Pocket PC s com ligação à Internet numa comunicação ponto-a-ponto. O objectivo principal consiste em fornecer uma solução genérica para permitir aos utilizadores de dispositivos móveis, usarem telefonia via Internet, envio de mensagens de voz, e envio de mensagens de contextualização por voz num ambiente em que as redes de ligação à Internet podem apresentar congestão e perda de pacotes a níveis diferentes, afectando a qualidade do serviço e levantando preocupações com a segurança e privacidade. Esta solução denominada Location Based Advanced Phone Dialer (LBAPD), será integrada com a aplicação Wizi Web location based application (http://wizi.com). Para a realização da tarefa foi usada uma aproximação ao protocolo aberto Session Initiation Protocol (SIP) com uma configuração de telefonia ponto-a-ponto e compactado de forma a ser usado num Pocket PC. A segunda parte desta tese descreve a arquitectura e explora algumas limitações de implementação. A terceira parte mostra o processo de integração com o Wizi. Palavras-chave: Telefonia, ponto-a-ponto, SIP, Internet, Pocket PC. 4

5 Abstract Mobile communication systems on a near future will become Internet Protocol (IP) based using wireless access points at public hot spots as an alternative to today s high prices offered by telecommunication companies. This thesis examines and presents the necessary steps for the development of an application capable of conducting a normal conversation between users using a Pocket PC with Internet connection through GPRS (General Packet Radio Service) protocol or through Wireless networks on a peer-to-peer communication. The main goal is to provide a generic solution so that users of handheld devices can utilize their personal devices to enable Internet telephony audio environment, voice messages and voice contextualization messages in an environment where Internet connection may have congestion and packet loss at different levels affecting the quality of service and raising concerns about security and privacy. This solution called Location Based Advanced Phone Dialer (LBAPD) is integrated with the wizi web location based application (http://wizi.com) that provides the location functionality. An approach to the open-source Session Initiation Protocol (SIP) client in a peer-to-peer telephony setting, ported to a Pocket PC environment was used to accomplish the task. The second part of the paper describes the architecture and explores some of the implementation s limitations. The third part shows the integration process with the wizi application. Keywords: Telephony, peer-to-peer, SIP, Internet, Pocket PC. 5

6 Índice 1 Introdução Princípios gerais A natureza do som A voz humana Dispositivos móveis Comunicação Contexto da dissertação Enquadramento Estabelecimento de sessão Protocolos de suporte a VoIP Protocolos Standards Protocolos proprietários CODEC de áudio Estabelecimento de uma sessão de voz Segurança dos dados de voz Realização de uma chamada VoIP Cenários VoIP Sincronização da entrada do sinal de voz Emissor Receptor Atraso na rede Conversação Firewall e NAT O problema do Firewall O problema do NAT Implementação da plataforma Location Based Advanced Phone Dialer Protocolo SIP RTP Captura e reprodução de áudio Captura de áudio Reprodução de áudio Codec Realização de chamadas VoIP Processamento de pacotes Latência Jitter Perda de pacotes Firewall e NAT Mensagens de voz

7 3.6.1 Processamento de pacotes Perda de pacotes Envio de mensagem de voz com informação de contexto Processamento de pacotes Integração com a Wizi Princípio de funcionamento Envio de mensagem de voz VoiceTwitts Realização de chamadas de voz Avaliação do desempenho Latência de processamento de pacotes Latência ponto-a-ponto Latência ponto-a-ponto GPRS Latência ponto-a-ponto Wi-Fi Avaliação dos resultados Trabalho relacionado Aplicações no âmbito comercial Speaq Express Talk VoIP Softphone Skype Fring Gizmo Project MobiVoIP Jajah iskoot Vyke Áreas de estudo VoIP Secure VoIP performance on handheld devices Symphone MANET Improving VoIP quality through path Switching MVOIP Adaptive playout buffer Conclusões e trabalho futuro Referências bibliográficas

8 Lista de abreviações Wi-Fi Wireless Fidelity VOIP Voice Over Internet Protocol WLAN Wireless Local Area Network GPRS General Packet Radio Service IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers AP Access Point ITU-T International Telecommunication Union Telecommunication OSI Open System Interconnection CODEC Coder/Decoder PCM Pulse Code Modulation FEC Forward Error Correction NAT Network Address Translation IETF Internet Engineering Task Force RFC Request For Comments H.323 Internet Video Conferencing standards from ITU HTTP Hypertext Transfer Protocol RTCP Real Time Control Protocol RTP Real Time Protocol RTSP Real Time Stream Protocol SIP Session Initiation Protocol TCP Transmission Control Protocol UA User Agent UAC User Agent Client UAS User Agent Server UDP User Datagram Protocol IP Internet Protocol ASCII American Standard Code for Information Interchange PLC Packet Loss Concealment VAD Voice Activity Detection AEC Acoustic Echo Cancellers PSTN Public Switch Telephone Network LBAPD Location Based Advanced Phone Dialer RTT Round Trip Time API Application Programming Interface 8

9 Lista de tabelas e figuras Figura 1: Exemplo de dispositivos móveis Figura 2: Realização de uma chamada usando o protocolo SIP. Figura 3: VoIP computador para computador Figura 4: VoIP computador para telefone Figura 5: Captura, processamento e envio do sinal de voz Figura 6: variação no tempo de chegada de pacotes de dados também conhecido por Jitter Figura 6a: Recepção de áudio. Figura 7: Eco acústico provocado pela proximidade entre altifalante e microfone Figura 8: Funcionamento de um firewall Figura 9: O problema do NAT Figura 10: Entidades lógicas do SIP Figura 11: Encapsulamento dos dados de voz codificados usando UDP/RTP Figura 12: Estrutura do RTP. Figura 13: Captura de áudio. Figura 14: Arquitectura alterada para ponto-a-ponto usando webservice Figura 15: Latência de rede Figura 16: Jitter no receptor Figura 17: Processo envolvido no envio/recepção de mensagens de voz Figura 18: Usando o serviço VoiceTwitts Figura 19: arquitectura geral do sistema Wizi Figura 20: Formulário de SignIn Figura 20a: Lista de contactos Figura 21: Opção de envio de Voice Message Figura 21a: Gravação e envio de Voice Message Figura 22: Opção de envio de VoiceTwitts Figura 22a: Gravação e envio de VoiceTwitts Figura 23: Opção de realização de chamada Figura 23a: Chamada em curso Figura 24: Tempo de processamento de pacotes Figura 25: Estabelecimento de sessão de voz com sucesso Figura 26: Latência ponto-a-ponto usando GPRS Figura 27: Latência ponto-a-ponto usando Wi-Fi Tabela 1: Principais CODEC s de voz Tabela 2a: Tabela de mensagens de REQUEST Tabela 2b: Tabela de mensagens de RESPONSE Tabela 2c: Códigos numéricos das mensagens de RESPONSE usados 9

10 1 Introdução Actualmente existem muitas aplicações que permitem a realização de chamadas de voz sobre o protocolo de Internet (VoIP) entre utilizadores em pontos distintos do globo a um custo reduzido. Com o surgimento dos dispositivos móveis com ligação a redes sem fios também conhecida como Wireless Local Area Network (WLAN), ou redes Wireless ou ainda Wireless Fidelity (wi-fi), nasce um mundo a ser explorado para o desenvolvimento de aplicações semelhantes. As redes wi-fi fornecem alguma mobilidade aos utilizadores e o seu crescente uso tanto em casa como em pontos de acesso públicos, levanta a interessante possibilidade de utilização de VoIP nos dispositivos móveis embora de um modo limitado porque não existem ainda tantos pontos de acesso para redes wi-fi que possibilitem mobilidade total por parte dos utilizadores (como a mobilidade fornecida para as redes de telecomunicação móveis). Para além disso, desenvolver aplicações VoIP para dispositivos móveis, levanta outros desafios ao nível da largura de banda e velocidades disponíveis nestes dispositivos, pois não permitem a mesma medida de performance obtida por exemplo para os computadores portáteis ou desktop. Nesta dissertação apresenta-se o estudo feito no desenvolvimento de uma aplicação VoIP para funcionar com GPRS (General Packet Radio Service) e com WLAN. A primeira parte do estudo apresenta de uma forma geral a arquitectura, os protocolos, os problemas e limitações do desenho da proposta. Por fim apresenta-se como proposta uma aplicação chamada Location Based Advanced Phone Dialer (LBAPD) desenvolvida usando o método apresentado, e são discutidas as medidas de desempenho, os testes realizados, as conclusões e sugestões para um futuro trabalho. 1.1 Princípios gerais A natureza do som O som é definido na acústica (ramo da física que estuda os sons) como ondas mecânicas, longitudinais e tridimensionais geradas por movimentos vibratórios da matéria e transmitido através de meios materiais e elásticos como ar, água ou terra. Por serem longitudinais, são ondas de pressão, e caminham no meio de propagação através de sucessivas compressões das partículas do meio. Quando um objecto vibra na atmosfera, movimenta partículas de ar ao seu redor. Estas partículas de ar por sua vez movimentam outras partículas de ar ao seu redor. Desta forma o movimento das partículas carrega e transmite a vibração. As ondas ao se propagarem através de um meio elástico alcançam o ouvido causando a sensação sonora. 10

11 1.1.2 A voz humana A voz é uma característica humana intimamente relacionada com a necessidade do homem de se agrupar e se comunicar. A voz é basicamente uma sequência de ondas sonoras as quais produzem som e como tal possui todas as características do mesmo. A voz humana é um sinal analógico e para ser transmitido através de uma rede de telefones necessita ser transformada num sinal eléctrico magnético. Para transmitir a voz através de uma rede de computadores, devemos transformá-la num sinal digital. Este processo denomina-se digitalização. A faixa mais baixa audível a um ser humano é por volta de 20 hertz, enquanto a mais alta está entre e hertz [54]. As frequências principais da voz humana variam de 300Hz a 3400Hz. Este intervalo de frequência é responsável pela maioria dos sons que são inteligíveis aos humanos. Devido a este facto, os sistemas telefónicos reservam uma faixa de 0 a 4000Hz para transmitir voz. Para se poder transmitir voz através de uma rede IP é necessário codificar e compactar o sinal de voz utilizando codificadores de voz para que a voz seja digitalizada e enviada num pacote do protocolo de Internet IP de forma eficiente. 1.2 Dispositivos móveis Os dispositivos móveis são caracterizados pela sua capacidade de processamento podendo ser comparados a pequenos computadores móveis permitindo um acesso à informação de uma forma constante. Na figura 1 podemos ver exemplos de alguns destes dispositivos móveis. Figura 1: Exemplo de dispositivos móveis. Este estudo foi feito para os Pocket PC s que funcionam com sistema operativo Windows Mobile a partir da versão

12 1.2.1 Comunicação Os dispositivos móveis no caso particular os Pocket Pc s, têm várias formas de comunicação, como por exemplo usando a telefonia de terceira geração (3G), GPRS, Bluetooth, infravermelhos ou até mesmo Wi-Fi. GPRS GPRS [1] (General Packet Radio Service) é um serviço de dados que permite envio e recepção de informação através da rede de telefonia móvel. Teoricamente permite taxas de transferência de dados entre 14.4 a 115kbps, sendo a média de 40kpbs. Wi-Fi Wi-Fi (Wireless Fidelity), é uma tecnologia que permite comunicação sem fio, e atendem as normas estabelecidas pela IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). As redes wi-fi têm dois modos de funcionamento: Em modo de infra-estrutura ou cliente-servidor, onde cada dispositivo Wi-Fi comunica com um ponto de acesso ou Access Point (AP) central para poder ter acesso a outros dispositivos na rede; Em topologia de rede ad-hoc, onde os dispositivos trocam informações directamente uns com os outros dentro de uma certa área, sem a necessidade de um ponto servidor. Existem actualmente os chamados hotspots que são locais públicos onde existe cobertura de rede permitindo a utilizadores de dispositivos com tecnologia Wi-Fi conectarem-se à Internet. 1.3 Contexto da dissertação Esta tese é desenvolvida como complemento de uma aplicação já existente, o Wizi (http://wizi.com) que tem serviços de localização contextual de utilizadores, envio e recepção de mensagens de texto entre utilizadores Wizi. Existem duas versões da aplicação, uma funciona sobre dispositivos móveis com sistema operativo Windows mobile, e outra em dispositivos com sistema operativo baseado na linguagem Java. O estudo feito nesta tese está centrado na versão desenvolvida para Windows mobile em Pocket PC, usando a plataforma.net da Microsoft com linguagem de programação Visual C#, numa tecnologia de Webservice. Assim sendo será de valor acrescentado ter como serviço adicional o envio de mensagens de voz, e chamadas telefónicas através da Internet sem alteração da arquitectura actual do sistema Wizi. O sistema de comunicação aqui estudado é baseado em comutação de pacotes ao contrário das redes telefónicas que são baseadas em comutação de circuitos. 12

13 2 Enquadramento Neste capítulo apresenta-se uma visão geral da infra-estrutura de rede necessária para a comunicação de voz. A visão apresentada neste capítulo, é uma visão dos aspectos em comum e os mais relevantes encontrados nos documentos sobre o estado de arte e foca os problemas que devem ser resolvidos na construção de serviço VoIP. 2.1 Estabelecimento de sessão Para que utilizadores em pontos distintos da rede Internet possam comunicar, é necessária a existência de uma infra-estrutura que sustente essa comunicação. Para que essa infraestrutura funcione, são necessários protocolos que permitam localizar utilizadores, criar, modificar e terminar sessões entre os utilizadores envolvidos de forma eficiente. 2.2 Protocolos de suporte a VoIP Para dar suporte a VoIP existem actualmente vários protocolos que podem ser divididos em dois grupos, os protocolos standards como o SIP (Session Initiation Protocol) e H.323, e os protocolos proprietários (como por exemplo os desenvolvidos e utilizados no Skype). Apresenta-se a seguir uma breve descrição dos protocolos mais usados Protocolos Standards A maior parte dos protocolos standards funcionam num modelo Cliente-Servidor e os principais são: H.323 SIP MGCP H.248/MEGACO RTP RTCP H.323 O protocolo H.323 [2] é constituído por um conjunto de protocolos ITU-T (International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector) e estabelece padrões para codificação e descodificação de fluxos de dados de áudio e vídeo em redes de comutação de pacotes, garantindo que produtos baseados na norma H.323 de um fabricante possam funcionar com produtos H.323 de outros fabricantes. SIP O protocolo SIP [3] é um protocolo de sinalização e controle referente à camada de aplicações do modelo de referência OSI (Open System Interconnection), e é usado para iniciar, modificar 13

14 ou terminar sessões ou chamadas multimédia entre utilizadores. A arquitectura do SIP é semelhante ao HTTP no que diz respeito à sintaxe e semântica das estruturas de mensagens usadas. SIP é uma norma da IETF (Internet Engineering Task Force, RFC 3261, 2002), é baseado em texto, bastante aberto e flexível e está a substituir o protocolo H.323. Em termos comerciais, existem muitos servidores SIP (por exemplo voipstunt, sipdiscount, voipbuster, freecall) que disponibilizam o seu serviço Online, e pode ser usado através de uma aplicação que serve de interface no acesso dos vários serviços disponibilizados por estes servidores. Para se usufruir dos serviços prestados por estes servidores, é necessária a criação de uma conta em cada servidor SIP que se pretende usar. MGCP MGCP [4] (Media Gateway Control Protocol) é um protocolo proposto pelo grupo de trabalho IETF. Foi desenvolvido como protocolo complementar aos protocolos H.323 e SIP e permite que as máquinas que usem o protocolo funcionem como uma Gateway ou seja como um dispositivo que permite interligar duas redes. H.248/MEGACO A IETF usa o nome Megaco [5] e a ITU usa o nome H.248 para se referirem ao mesmo protocolo. As duas organizações desenvolveram o protocolo num esforço comum. Da mesma maneira como o MGCP o uso deste protocolo permite funções como Gateway para os serviços VoIP e outras sessões de multimédia. O protocolo Megaco suporta vários tipos de redes incluindo redes ATM [6] (Asynchronous Transfer Mode). RTP RTP [7] (Real Time Protocol) é um protocolo de redes utilizado em aplicações de tempo real como, por exemplo, entrega de dados áudio ponto a ponto. Suporta transferência de dados para múltiplos destinos, mas não implementa funcionalidades de garantias de qualidade de serviço e garantia de entrega. RTCP O protocolo RTCP [8] (Real Time Transport Control Protocol) pode ser usado com o RTP, porem não é necessário para que o RTP funcione. Ou seja, é um protocolo opcional cuja função é transmitir periodicamente pacotes de controlo aos participantes da ligação, com o objectivo de monitorizar a qualidade de serviço. 14

15 2.2.2 Protocolos proprietários Nem todas as implementações de VoIP usam os protocolos standards. Como exemplos temos: Skype SCCP IAX Skype Infelizmente tanto o software como os protocolos do Skype [9] são fechados (closed source) não sendo possível conhecê-los com tantos detalhes quanto os disponíveis para o H.323 e para o SIP (os quais são internacionalmente conhecidos). Por outro lado é possível explicar aspectos do seu funcionamento através de reengenharia. A autenticação dos utilizadores é feita usando um servidor de autenticação para verificação das chaves públicas. Esta conexão usa uma cifra de 256Bit com um algoritmo AES (Advanced Encryption Standard) e mais 2048Bit para segurança. A ligação entre utilizadores Skype é feita através de super nós (super nodes) que são utilizadores Skype que possuem um endereço IP público. Cada pacote transferido entre os utilizadores usa cifra para proteger a confidencialidade das chamadas que atravessam cada ponto. O Skype está descrito em maior detalhe no capítulo 6 sobre trabalho relacionado. SCCP O protocolo SCCP [10] (Skinny Client Control Protocol) é um protocolo proprietário da Cisco. O SCCP reduz a carga de processamento no Hardware usando um gestor de chamadas. Para se estabelecer uma chamada, inicialmente os participantes estabelecem uma ligação com o gestor de chamadas usando o protocolo TCP (Transmission Control Protocol descrito no IETF RFC 793). Posteriormente os participantes comunicam entre si usando o protocolo UDP (User Datagram Protocol descrito no IETF RFC 768) para estabelecer a sessão. Assim que a sessão é estabelecida entre os participantes usa-se o protocolo RTP. IAX IAX [11] (Inter Asterisk exchange ) é um protocolo desenvolvido pela Digium [12] com o objectivo de estabelecer comunicação entre servidores Asterisk [13]. IAX é um protocolo de transporte e funciona em semelhança com o SIP, no entanto faz uso apenas de um único porto UDP (4569) tanto para sinalização como para transferência de áudio e vídeo. 15

16 2.3 CODEC de áudio Um codec (Coder / Decoder) permite a conversão e/ou compressão de um sinal para outro sem alterar o som ou imagem original. O processo inverso para alguns CODEC s permite obter o sinal original sem perdas. Antes de serem transmitidos na rede, os dados de voz são codificados no emissor e descodificados no receptor de modo a poupar na largura de banda disponível. A tabela 1 abaixo mostra os principais CODEC s de voz [14]. CODEC Bit Rate (kbps) Comentários Vantagens Desvantagens ITU G G.711 u law para versão europeia e G.711 a law para norte América e Japão. ITU G , 56 e 64 Standard do ITU. ITU G e 6.3 Codec proprietário. ITU G , 24, 32 e 40 Standard do ITU. ITU G.727 Taxa variável Standard do ITU. ITU G Standard do ITU. ITU G Versão patenteada. ILBC e SPEEX Taxa variável 2 44 GSM 13 Proprietária Parte do Projecto GNU e disponível no âmbito do Xiph.org uma variante da licença BSD. Tabela 1: Principais CODEC s de voz. Não requer muita capacidade de processamento. Grande poder de compressão, mantendo uma alta qualidade de áudio. Excelente utilização da largura de banda disponível e boa qualidade de áudio. Controlo de perda de pacotes. Controlo do uso da largura de banda. Alta taxa de compressão. Disponível em Hardware. Uso de pelo menos 128kbps de largura de banda. Requer muito poder de processamento. Requer licença de uso. 2.4 Estabelecimento de uma sessão de voz Segurança dos dados de voz Garantir segurança dos dados do utilizador levanta alguns problemas, uma vez que estão várias entidades envolvidas. Alguns utilizadores podem estar ligados através de GPRS e outros podem estar a usar uma WLAN doméstica ou pública, e isso requer uma infra-estrutura apropriada para garantir a confidencialidade dos dados. É possível construir esse tipo de infraestrutura usando métodos de cifra (criptografia) os quais podem ser baseados em chaves simétricas ou assimétricas (exemplo chave pública [15] ou chave privada [16]) Realização de uma chamada VoIP Esta secção apresenta um diagrama (figura 2) do processo da realização de chamada por exemplo entre dois utilizadores vamos considerar Duda e Miguel usando como protocolo de sinalização, o SIP. 16

17 Podemos ver pela figura 2 que Duda envia uma mensagem de convite INVITE para o servidor SIP que reencaminha a mensagem de convite INVITE para Miguel. A localização de Miguel é determinada pelo endereço IP e porta UDP registados na autenticação de Miguel no servidor SIP, ou actualizados devido a uma mudança no estado da ligação à rede de Miguel. O servidor SIP informa o Duda que está a de espera informação de Miguel (Trying) e quando Miguel recebe a mensagem INVITE vinda do servidor, começa a tocar sinalizando entrada de uma chamada e informa ao servidor desta condição (enviando Ringing para o servidor). O servidor informa o Duda que o Miguel tem o seu terminal a tocar enviando uma mensagem (Ringing) para Duda e quando Miguel atende a chamada, envia uma mensagem (OK) ao servidor informando que a chamada foi estabelecida. O servidor reencaminha esta mensagem para Duda e a sessão de voz é estabelecida. No final da conversação a sessão termina pela troca de mensagens (BYE, OK). Duda Servidor SIP Miguel INVITE INVITE Trying Ringing Ringing 200 OK 200 OK ACK Media Session Desliga BYE 200 OK Figura 2: Realização de uma chamada usando o protocolo SIP. INVITE: usado para iniciação de uma chamada. Trying: Resposta do servidor alertando que o INVITE foi recebido e processado. Ringing: O chamado recebe o INVITE e alerta quem chama. 200 OK: Pedido feito com sucesso. Por exemplo o destinatário atendeu a chamada. ACK: estabelecimento da chamada. BYE: Para sinalizar que um dos utilizadores desligou a chamada. 17

18 2.4.3 Cenários VoIP Existem vários cenários de telefonia VoIP. São apresentados dois exemplos a seguir: Computador para Computador Figura 3: VoIP computador para computador. No cenário da figura 3, é necessário ter um computador com placa de som e microfone e um software para VoIP. Este cenário é válido igualmente para os dispositivos móveis. Computador para telefone GATEWAY PSTN/ GSM Figura 4: VoIP computador para telefone. No cenário da figura 4, é necessário um gateway (dispositivo que permite interligar a rede de Internet com a rede de telefonia convencional) para permitir chamada telefónica do computador para o telefone. Para esta tese o cenário aplicado é o representado pela figura Sincronização da entrada do sinal de voz Para se construir uma aplicação de voz interactiva que tome em conta aspectos de comunicação em tempo real, é importante que o atraso do envio e recepção dos pacotes de voz entre os intervenientes esteja dentro de limites aceitáveis. Este atraso (que vamos considerar atraso ponto-a-ponto) não é rígido mas por recomendação da norma ITU-T G.114 não deve exceder 150 milissegundos de um ponto ao outro [17]. Existem muitos factores que contribuem para o atraso ponto-a-ponto tanto no emissor como no receptor como veremos a seguir. 18

19 2.5.1 Emissor No emissor, o sinal de voz é captado pelo microfone e codificado em PCM (Pulse Code Modulation) o qual é o método primário de conversão do sinal de voz de analógico para o formato digital (ver figura 5). Sound Card Kernel User space Kernel Network Card Line in Mixer A/D Buffer Queue Kernel Buffer CODEC RTP IP Processing Buffer Queue Network Figura 5: Captura, processamento e envio do sinal de voz. A placa de som recebe um sinal de entrada analógico através do microfone ou da linha de entrada (Line in). O Mixer permite seleccionar entre os dispositivos de entrada de som disponíveis. Uma vez seleccionada a fonte de som, este é processado por uma conversor analógico/digital (A/D) transformando o sinal analógico numa sequência de bits geralmente amostrados numa resolução de 8, 16 ou 24bits. Os dados amostrados são inicialmente armazenados numa pequena memória da placa de som e posteriormente copiados para a memória central em pequenos blocos. Existe uma interface que permite ler um ou mais blocos em memória para posterior processamento uma vez que é feita uma notificação ao sistema operativo quando é processado cada bloco. No espaço do utilizador é possível codificar os blocos de dados usando um CODEC com detecção de silêncio e remoção de ruído cujo algoritmo de compressão pode contribuir para um menor ou maior atraso, dependendo da sua implementação e ambiente de processamento (exemplo: dispositivos com mais memória, velocidade de processador, etc.). Tendo em conta a segurança dos dados, pode ser necessário usar um algoritmo de cifra, e por fim é necessário a construção dos cabeçalhos dos pacotes no protocolo RTP e esses factores são um peso adicional para o atraso total. Assim o tempo total pode ser descrito como: Temissor = To + TCODEC + Tseg (1) Onde To: Tempo de obtenção do bloco da placa de som. TCODEC: Tempo de construção do pacote RTP e codificação. Tseg: Tempo na segurança dos dados. O atraso relativo as condições de rede será considerado mais adiante. 19

20 2.5.2 Receptor No receptor ocorre processo inverso ao apresentado para o emissor. Além disto é preciso considerar o Jitter que é o fenómeno caracterizado pela variação no tempo de chegada de pacotes de dados Na figura 6, o pacote 3 chega com um intervalo de tempo maior em relação aos pacotes 1 e 2. Quanto maior a variação maior é o Jitter o que interfere bastante na qualidade de conversação. A maneira mais simples de se resolver o problema do Jitter é ter uma memória adicional (Jitter buffer) que armazena os pacotes que vão chegando por mais tempo de maneira a permitir uma leitura de forma ordenada. Certamente que um Jitter buffer adiciona um certo atraso. Pesquisas revelam a possibilidade de existirem Jitter buffer cujo tamanho se adapta as condições de rede Internet / Intranet Figura 6: variação no tempo de chegada de pacotes de dados também conhecido por Jitter. Quando um pacote é recebido, depois de feito o processamento do endereço IP, o pacote é passado para a aplicação para remoção da criptografia aplicada, remoção dos cabeçalhos de RTP, descodificado pelo CODEC e posteriormente vai para a placa de som (ver figura 6a). Sound Card Kernel User space Kernel Network Card Speakers Headphones Line out Splitter D/A Buffer Queue Kernel Buffer CODEC RTP IP Processing Buffer Queue Network Figura 6a: Recepção de áudio. É possível ainda que pacotes enviados nunca cheguem ao receptor. Uma constante perca de pacotes afecta a qualidade da voz percebida pelo receptor. Para ultrapassar este problema existem algoritmos como FEC (Forward Error Correction), cujo princípio de funcionamento consiste em adicionar informação redundante (extra) aos pacotes enviados de modo que o receptor possa reconstruir um pacote perdido. Outra técnica chamada PLC (Packet Loss Concealment) que consiste em reconstruir o pacote perdido pela repetição ou interpolação de partes ou a totalidade da informação de pacotes anteriores. O algoritmo PLC é mais simples e simplicidade é um factor importante principalmente em ambientes com poucos recursos como o dos dispositivos móveis. Nesta tese não foram implementados algoritmos para recuperação de pacotes perdidos 20

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