UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO USP INSTITUTO DE MATEMÁTICA E ESTATÍSTICA DEPARTAMENTO DE CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO MESTRADO EM CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO

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1 UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO USP INSTITUTO DE MATEMÁTICA E ESTATÍSTICA DEPARTAMENTO DE CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO MESTRADO EM CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO MUDANÇA ENTRE REDES WIFI-GSM BASEADA EM SIP PAULO CESAR SIÉCOLA SÃO PAULO SP 2008

2 PAULO CESAR SIÉCOLA MUDANÇA ENTRE REDES WIFI-GSM BASEADA EM SIP MONOGRAFIA APRESENTADA COMO TRABALHO FINAL DE CURSO DA DISCIPLINA DE COMPUTAÇÃO MÓVEL DO CURSO DE MESTRADO EM CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO. ORIENTADOR: PROFESSOR DR. ALFREDO GOLDMAN SÃO PAULO SP 2008

3 Resumo: Muitos dispositivos móveis, como celulares e computadores de mão, estão sendo equipados com interfaces de rede sem fio, como IEEE 80211, permitindo que os usuários utilizem cada vez mais os serviços de voz sobre IP quando estiverem sob a cobertura destas redes. Como os sistemas de telefonia via internet proporcionam um custo reduzido para ligações comparado ao sistema de telefonia celular, muitos programas foram desenvolvidos para permitir que estes dispositivos móveis utilizem a sua interface de rede sem fio, WiFi por exemplo, para se conectar a um provedor de telefonia via internet como um cliente e utilizar os seus serviços. Um dos desafios é tornar estes dispositivos de dupla modalidade (GSM e WiFi) capazes de suportar a troca entre as duas redes de tecnologias diferentes, durante uma ligação telefônica, mantendo a sessão de voz contínua e sem a necessidade de interferência do usuário. O objetivo desta monografia é apresentar os problemas envolvidos em alguns cenários, resultados de testes realizados anteriormente em estudos por terceiros e uma visão técnica de como a transição pode ser feita utilizando o protocolo de iniciação de sessão (SIP), considerando que para isso exista uma infraestrutura capaz de aceitar, gerenciar e tarifar as ligações de um assinante, seja ela feita pela rede GSM, seja ela feita pela rede WiFi, permitindo ainda que o dispositivo faça a troca entre estas redes durante uma ligação. Palavras chave: Voz sobre IP em celulares; transição entre redes heterogêneas; SIP. Abstract: Many mobile devices, such as cell phones and pocket PCs, are being equipped with wireless network interfaces, like IEE , allowing the users to use the voice over IP services while they are under the cover of these networks. As the telephony systems over the internet has a low cost to make call phones comparing with the cell phone telephony system, a lot of software was developed to allow these mobile devices to use the wireless interface, WiFi for example, to connect to a internet telephony provider as a client and to use their services. One of the challenges is to make these dual mode devices (GSM and WiFi) able to support the change between the two networks with different technologies, during a telephony call, keeping the voice session continuous and without the user interference. The goal of this document is to show the problems in some scenarios, results of tests realized before other researches and a technical vision of how the transition can be make using the session initiation protocol (SIP), considering that for this exists an infra structure able to accept, manage and billing the calls of an user, by the GSM or WiFi network, allowing that the mobile device change between of these network during the call. Keywords: Voice over IP in cell phones; handover between heterogeneous networks; SIP. 3

4 SUMÁRIO 1 Introdução pág O protocolo de telefonia via Internet pág O método RE-INVITE do SIP pág O método REFER do SIP pág Descrição da solução baseada no SIP pág Diagrama em blocos pág Transição de WiFi para GSM pág Transição de GSM para WiFi pág Transição entre redes GSM e WiFi quando o servidor possui interface GSM pág Análise do processo de troca pág Processamento digital de sinais para troca entre as redes heterogêneas pág Conclusão pág Referências pág. 23 4

5 LISTA DE FIGURAS Figura 01 Componentes de telefonia IP pág. 09 Figura 02 Blocos do dispositivo móvel de dupla modalidade pág. 12 Figura 03 Passos da troca de rede WiFi para GSM pág. 14 Figura 04 Passos da troca de rede WiFi para GSM (2) pág. 15 Figura 05 Passos da troca de rede GSM para WiFi pág. 17 Figura 06 Troca entre redes utilizando transferência convencional pág. 20 Figura 07 Troca da rede WiFi para GSM sem interrupção pág. 21 Figura 08 Misturar de áudio pág. 22 5

6 1 INTRODUÇÃO: Voz sobre Internet Protocol (VOIP) em redes sem fio (WLAN), também chamado de VoWLAN, tem atraído muita atenção ultimamente por conta da difusão dos provedores de serviços VOIP e da abrangência de cobertura de redes sem fio com a tecnologia IEEE Comparado com outras tecnologias de acesso a redes sem fio, as WLANs podem ser instaladas muito rapidamente e oferecer uma banda de comunicação de dados muito maior, além de possuir um custo muito mais baixo. As ligações VOIP realizadas nestas redes WiFi possuem um custo muito menor do que as que são realizadas através das atuais redes de telefonia móvel, como GSM e 3G. Apesar dos muitos benefícios de ligações por VoWLAN, elas só podem ser realizadas ou recebidas somente onde há cobertura de redes sem fio, que é de uma área limitada. Por esse motivo, quando o dispositivo sai da cobertura da rede WiFi, o usuário deve utilizar a cobertura de rede de telefonia móvel convencional, para continuar com a comunicação de voz. Muitas cidades planejam a construção de redes sem fio, como WiFi ou WiMAX, em larga escala de cobertura, mas a área de abrangência não será como a já existente área de cobertura das redes de telefonia móvel, principalmente nos locais rurais e suburbanos. Para aproveitar dos benefícios da comunicação de voz através das redes WiFi, sem a necessidade de possuir dois dispositivos móveis, surgiu o conceito dos aparelhos de dupla modalidade, a fim de resolver os problemas existentes. Muitos fabricantes já possuem equipamentos com interface GSM-WiFi que podem ser usados para receber e originar ligações pelas duas tecnologias de acesso a rede, dependendo da disponibilidade de sinal, do serviço e das preferências do usuário. Porém, para que um aparelho como esse possa ter grandes vantagens em relação a um dispositivo que possui apenas uma das interfaces de comunicação sem fio, é necessário que o mesmo seja capaz de realizar a troca entre os dois sistemas de telefonia durante uma comunicação de voz, sem a interferência do usuário e sem que ele perceba quedas ou picotes no fluxo de voz. O objetivo da técnica analisada é, por exemplo, um telefone que possui interface de comunicação GSM e WiFi em uma ligação conectada via WiFi, utilizando os serviços de VOIP, poder realizar a troca automaticamente para a rede GSM quando sair da cobertura WiFi, sem que haja interrupção no fluxo de voz de 6

7 entrada e saída. Outros trabalhos realizados por pesquisadores na área, investigaram os problemas da troca entre redes sem fio heterogêneas usando técnicas como armazenamento e encaminhamento de pacotes. Esta solução não pode ser aplicada à técnica utilizada por dispositivos de dupla modalidade. Redes GSM, como outras de telefonia celular, possuem um sistema de telefonia por comutação de circuitos que estabelece uma ligação utilizando um circuito dedicado durante todo o tempo, sem seguir a técnica de armazenamento e encaminhamento das redes de comunicação de dados por chaveamento de pacotes. Nas redes de chaveamento de circuito, um circuito que é reservado para uma ligação não pode ser ocupado por outra ligação enquanto ela não é finalizada e o circuito liberado. Contudo, nas redes com chaveamento de pacotes, é possível agrupa-los e compartilhar um mesmo canal para várias estações que querem transmitir, e por causa disso a migração da ligação de uma rede para outra sem interrupção não é trivial. Neste trabalho é apresentado o problema da comunicação de voz fim a fim através de sistemas telefônicos heterogêneos em dispositivos móveis de dupla modalidade. Especificamente é analisado o cenário onde estão envolvidos um dispositivo de dupla modalidade e um cliente VOIP remoto, que pode ser um outro dispositivo móvel de dupla modalidade ou um provedor de serviços VOIP. O objetivo é permitir que dispositivos de dupla modalidade façam a troca transparentemente entre as duas redes GSM e WiFi durante uma ligação realizada com o cliente VOIP remoto. Muitos aspectos devem ser considerados para que a realização possa ser feita com sucesso, como por exemplo, a autenticação e registro nas redes e nos sistemas de telefonia. Este trabalho concentra-se somente na explicação detalhada do gerenciamento da troca entre essas redes. A solução analisada para a troca vertical entre sistemas de telefonia heterogênea é baseada no Protocolo de Iniciação de Sessão (SIP), um padrão criado pelo IETF para iniciar, modificar e terminar sessões multimídia incluindo comunicação de voz. SIP é um protocolo fim a fim que trabalha independentemente do tipo da sessão que está sendo estabelecida. Este protocolo foi projetado para trabalhar transparentemente com as sinalizações da telefonia fixa convencional. 7

8 2 O PROTOCOLO DE TELEFONIA VIA INTERNET: O Protocolo de Iniciação de Sessão (SIP) é um protocolo de sinalização em nível de aplicação desenvolvido pelo IETF para criar, modificar e terminar sessões com um ou mais participantes. Uma sessão em SIP é uma coleção de participantes e fluxos de mídia (incluindo áudio, vídeo e texto) entre eles para o propósito de estabelecer uma comunicação. Como um protocolo de sinalização, o SIP também trabalha em conjunto com outros protocolos de internet, como o SDP (Protocolo de Descrição de Sessão), RTP (Protocolo de Transporte de Tempo Real) e RTCP (Protocolo de Controle de Tempo Real) para controlar e entregar os dados de multimídia. O SIP funciona independe dos protocolos de transporte e do tipo da sessão que está sendo estabelecida e ele foi projetado para suportar serviços tradicionais de telefonia presentes nas redes de telefonia pública chaveada (PSTN) como encaminhamento, transferência e conferência. O SIP é baseado nos modelos de requisições e respostas do http, onde o sistema final (agente usuário ou UA) que gera requisições é chamado de agente usuário cliente (UAC) e o outro que responde é chamado de agente usuário servidor (UAS). Uma transação do SIP consiste numa requisição do cliente que invoca um método particular (função) no servidor e este responde com a mensagem adequada. Na especificação original do SIP, seis métodos estão definidos: - REGISTER: para registrar informações de contato do usuário; - INVITE: para iniciar uma sessão; - ACK: para confirmar o início de uma sessão; - CANCEL: para cancelar uma sessão que está iniciando; - BYE: para terminar uma sessão estabelecida e - OPTIONS: para requisitar as capacidades de um agente. Outros métodos, como INFO, REFER e NOTIFY foram definidos em outras RFCs para estender as funcionalidades do SIP e implementar outros tipos de serviços de telefonia. O SIP necessita de servidores específicos para permitir o funcionamento correto dos sistema de telefonia IP, como servidores de registro, redirecionamento e encaminhamento. Os servidores de encaminhamento ajudam a encaminhar as requisições para os destinos corretos dos usuários. Servidores de registro permitem que os usuários possam informar as suas posições e endereços na rede para que os outros servidores possam consultar e encontrar onde está um determinado usuário. 8

9 Por fim os servidores de redirecionamento ajudam a encontrar caminhos alternativos onde os usuários possam ser encontrados. Servidor de Encaminhamento Servidor de Registro Servidor de Redirecionamento Rede IP Terminais SIP Terminal SIP Terminal SIP Figura 01 Componentes de telefonia IP Para permitir que telefones SIP possam realizar e receber chamadas de telefones da telefonia convencional, ou PSTN, é necessário que haja um equipamento chamado de gateway, Este equipamento é responsável por converter o fluxo de voz transportado pelo protocolo RTP, provenientes do telefones SIP, para os padrões de sinal de voz utilizados pelo PSTN e vice e versa. 2.1 O método RE-INVITE do SIP: Num ambiente sem fio, pode ser necessário mudar alguns parâmetros da sessão durante a ligação, como o IP utilizado pelo dispositivo móvel, pois este pode mudar de rede constantemente, adquirindo um IP diferente a cada mudança. Para modificar os parâmetros de uma sessão, é enviado um novo comando de INVITE, durante a sessão estabelecida. Este comando é conhecido como RE- INVITE e pode modificar o endereço IP, porta, codificadores de áudio, adicionar ou retirar tipos de fluxo de mídia. Algumas aplicações utilizam este comando para permitir a mobilidade dos dispositivos SIP e assim permitir a troca entre as redes sem fio. 9

10 Este método de mobilidade utilizando o RE-INVITE resolve somente o problema para mudanças de rede onde a sessão já está estabelecida, não podendo ser utilizado para troca entre redes GSM e WiFi em dispositivos de dupla modalidade. O motivo é que o RE-INVITE só pode ser usado em situações onde uma sessão será somente alterada, o que não ocorre na troca entre GSM e WiFi, pois uma nova sessão deve ser estabelecida envolvendo um terceiro usuário, que é o gateway para o sistema de telefonia convencional. 2.2 O método REFER do SIP: Nos telefones com interfaces GSM e WiFi, considera-se que há dois agentes que se conectam de forma independente nos respectivos provedores de acesso para realizarem ligações, portanto, proceder com uma troca entre as duas redes significa dizer que é necessário fazer uma espécie de transferência de ligação de um agente para o outro. No repertório de métodos do SIP há o REFER, que é utilizado para realizar transferências semelhantes as que existem no PSTN. Este comando possibilita realizar uma transferência sem consulta, que é quando o solicitante da transferência simplesmente realiza uma chamada a um terceiro participante e antes mesmo que este possa atender a chamada, realiza o comando de REFER e transfere os outros dois participantes entre sim, deixando de participar da ligação. A outra maneira de realizar a transferência é a chamada com consulta, onde o solicitante da transferência realiza uma chamada a um terceiro participante e após o atendimento desta chamada, realiza o comando de REFER, transferindo os outros dois participantes da conversação entre sim. Nestes casos é estabelecida uma nova sessão de comunicação entre o participante inicial da ligação e o outro usuário, que poderá ser o agente GSM ou WiFi, dependendo das condições de troca entre as redes. A princípio esta solução é a mais próxima da ideal para realizar a troca automática entre as redes heterogêneas, porém ela ainda não pode ser utilizada exatamente da forma como ela existe, pois durante o envio do comando de REFER para realizar a transferência com ou sem consulta, o usuário que será transferido para o outro agente do dispositivo móvel é colocado em espera, da mesma forma como acontece no sistema de telefonia convencional. Esta espera, por mais curta que possa durar, irá causar uma interrupção na comunicação até que a transferência seja 10

11 completamente estabelecida. Este fato muitas vezes causa desconforto e não é desejada pelo usuário deste tipo de sistema, podendo dar a impressão de problemas de comunicação. A solução desejada para o problema da troca entre as redes GSM e WiFi é que ela possa ser feita o mais suave e rápida possível, sem que haja cortes ou interrupções no fluxo de voz. Para isso ser feito, é necessário que haja outros métodos, tendo como base o SIP, para que a troca seja iniciada, mantendo o fluxo de voz estabelecido, e este possa ser trocado somente quando ambos os lados tenham acabado de negociar a nova sessão com o novo agente. Nós tópicos seguintes será explicado como isso pode ser feito. 3 DESCRIÇÃO DA SOLUÇÃO BASEADA NO SIP: Dentre as possíveis soluções propostas em trabalhos relacionados, será apresentada uma solução onde são feitas pequenas alterações nas aplicações do dispositivo móvel e também no servidor SIP. Já na infra-estrutura não é necessário nenhuma alteração para permitir a troca entre as redes GSM e WiFi. 3.1 Diagrama em blocos: A figura 02 mostra os blocos de um dispositivo móvel capaz de realizar a tarefa de troca de acordo com os métodos que serão descritos mais adiante. É importante ressaltar que não é necessário nenhum hardware adicional nos dispositivos móveis que eles já não contenham. Como dito anteriormente, muitos fabricantes já lançaram e estão lançando modelos onde toda a base de hardware já está disponível para realização da troca entre as diferentes redes que o dispositivo possui. 11

12 Figura 02 Blocos do dispositivo móvel de dupla modalidade Na figura acima, que descreve os blocos do dispositivo móvel de dupla modalidade, o agente usuário VOIP e o módulo GSM são utilizados para realizar e receber ligações através das redes WiFi e GSM respectivamente. O módulo monitor WiFi, é responsável por monitorar as condições de sinal, taxa de transferência de dados e condições de conexão da rede WiFi. Como será dito adiante, as condições para decidir pela troca entre uma rede e outra não pode ser tomada somente em função do nível de sinal da rede WiFi, pois muitos outros fatores podem influenciar nas condições da rede e torná-la propícia ou imprópria para o tráfego de VoIP. Alguns modelos tentam descrever o momento exato para que essa troca seja feita, minimizando o máximo os acidentes que podem acontecer causados por uma decisão tomada de forma antecipada ou tardia. O módulo de controle de troca é o núcleo do gerenciamento da transferência entre as redes. Ele controla quando o processo de troca deve acontecer de acordo com os sinais de retorno do módulo monitor WiFi, decidindo quando é o melhor momento para realização da transferência de uma rede para outra. Também mantém os estados da comunicação atualmente em curso, do agente usuário VoIP e do módulo GSM, incluindo as identificações dos usuários (números de chamada) que serão utilizados para informar ao outro agente quem deseja realizar a troca e em qual processo ele está conectado. 12

13 Os comandos de Call, Hangup e Answer são emitidos pelo módulo de controle de troca para o módulo GSM e para o agente usuário VoIP, para que seja realizada a troca transparente entre os dois modos de comunicação. Os comandos de Handoff Trigger e Handoff Complete são trocados pelos módulos de controle de troca do dispositivo móvel e a contraparte da comunicação. Estes comandos são utilizados para iniciar, controlar e finalizar o processo de troca em ambos os pontos da comunicação de forma síncrona e eficiente. É importante ressaltar que nem sempre a contraparte da comunicação envolvendo um dispositivo de dupla modalidade é um equipamento que possui a interface GSM e uma outra interface de rede de computadores, podendo ser apenas um provedor de serviços SIP com um conversor de mídia para a PSTN. Porém esta contraparte sempre deverá possuir o módulo de controle de troca para permitir o processo em ambos os lados. A seguir serão apresentados os cenários onde estão envolvidos o dispositivo de dupla modalidade, com interface WiFi e GSM, e na contraparte provedor de serviços de telefonia IP, somente com interface de rede de computadores. A explicação mostra como os blocos funcionais comunicam-se entre si para realizar o processo de troca quando o dispositivo esta na rede WiFi e deve migrar para a rede GSM, e vice e versa. 3.2 Transição de WiFi para GSM: Neste primeiro cenário, o dispositivo móvel está em uma ligação utilizando o modo WiFi com a contraparte remota, como mostra o passo 1 da figura 03. Em determinado momento é necessário realizar a troca para a rede GSM para manter a comunicação contínua, pois o dispositivo pode estar saindo da cobertura da rede em que está atualmente. Durante a ligação pela rede sem fio, o módulo WiFi monitora periodicamente o estado do sinal de rádio, bem como o estado de comunicação em nível de rede, medindo parâmetros taxas de perda de pacotes, atrasos e até mesmo a qualidade da voz baseado nestes parâmetros. Se a decisão de realizar a troca para rede GSM for sugerida ao módulo de controle de troca e este finalmente concordar e decidir pela transição, ele envia o comando de Handoff Trigger para o outro módulo de controle de troca da contraparte remota, solicitando o início do processo, como mostra o passo 2 da figura abaixo. 13

14 Figura 03 Passos da troca de rede WiFi para GSM No comando de Handoff Trigger, são enviados o identificador da ligação SIP, que é um número único presente nas transações do agente usuário VoIP dos dispositivo móvel e no servidor SIP da contraparte, e o número público do módulo GSM, que pode identificar a outra ligação que será partida para o processo de troca. Depois de recebido o comando de início do processo, o módulo de controle de troca da contraparte remota, responde com o comando de reconhecimento, conforme mostra o passo 3, e então comanda o seu agente usuário VoIP a partir uma outra ligação para o número do módulo GSM do dispositivo de dupla modalidade, informado no comando de Handoff Trigger, conforme mostram os passos 4 e 5 da figura 03. Uma vez que o módulo GSM do dispositivo móvel recebe a ligação proveniente da contraparte remota, a sua identificação é repassada para o módulo de controle de troca, conforme o passo 6. Baseado no estado interno atual, o módulo de controle de troca compara essa identificação do chamador com a identificação da ligação em curso pelo módulo WiFi, e verificando que se trata da continuação do processo de troca iniciado, comanda o módulo GSM a atender a ligação utilizando o comando de Answer, mostrado no passo 7. Depois da ligação entre o módulo GSM do dispositivo móvel o agente usuário VOIP da contraparte ter se estabelecido e o fluxo de voz estar ocorrendo entre as duas pontas, como mostra o passo 8, o módulo de controle de troca da contraparte remota então envia o comando de Handoff Complete (passo 9) e por sua vez o módulo de mesma função responde de volta, confirmando. Nesse momento o módulo de controle de troca do dispositivo móvel realiza o chaveamento do áudio vindo do módulo GSM e comanda o desligamento da ligação que estava em curso através do agente usuário VoIP (passo 11), completando assim todo o processo de troca da rede WiFi para a rede GSM no dispositivo de dupla modalidade. 14

15 É importante ressaltar que todo o processo ocorreu de forma totalmente transparente para o usuário do dispositivo móvel, permitindo ainda que os dois fluxos de voz pudesse se sobrepor no tempo, sem que houvesse descontinuidade. O tempo prolongado para realização da chamada para o módulo GSM pode ser gerenciado desta forma, a permitir que não haja intervalos na comunicação de voz. O exemplo descrito acima, a ligação pela rede GSM não parte do dispositivo móvel e sim da sua contraparte. O provedor de serviços SIP que se encarregou de realizar uma nova ligação para o número do módulo GSM do dispositivo móvel, através de sua conexão com a rede pública de telefonia. Porém é possível permitir que o dispositivo móvel realize a nova ligação através do módulo GSM, em direção a este número do servidor SIP. A figura 04 mostra o processo e a seguir são descritos os passos que são diferentes em relação ao caso apresentado em primeiro lugar. Figura 04 Passos da troca de rede WiFi para GSM (2) Depois que o módulo de controle de troca do dispositivo móvel de dupla modalidade recebe a confirmação do comando de Handoff Trigger, ele comanda o seu módulo de GSM a partir uma ligação em direção ao provedor de serviços SIP, que também possui conexão com a rede PSTN, como mostra os passos 4 e 5. Quando esta ligação chega na contraparte remota, o seu módulo de controle de troca é notificado e então atende automaticamente esta ligação (passos 6 e 7). O número do módulo GSM do dispositivo móvel foi enviado no comando de Handoff Trigger e pode ser comparado com a ligação que chega à contraparte remota. Os demais passos são os mesmos como descrito na primeira situação. Decidir qual é a melhor situação, deixar que o dispositivo móvel parta a ligação pelo seu módulo GSM ou deixar que o provedor de serviços SIP encaminhe a ligação ao módulo GSM do dispositivo móvel, é uma questão muito mais de tarifação e economia. Do ponto de vista técnico não há nenhuma vantagem ou desvantagem entre as duas possibilidades. Alguns planos de operadoras de 15

16 telefonia móvel podem não cobrar quando o móvel está fora da sua região, sendo mais vantajoso deixar que o servidor SIP parta a ligação. Essa é uma questão que pode ser configurada no dispositivo móvel e/ou negociado nas mensagens de início do processo de troca. 3.3 Transição de GSM para WiFi: Como mostrado no item anterior, um dispositivo móvel pode estar sob a cobertura de uma rede WiFi, com uma ligação em curso através de seu software SIP e ter que mudar para a rede GSM, por conta de queda de sinal ou outros fatores que tornem a comunicação pela rede sem fio imprópria. Da mesma forma é possível que o mesmo dispositivo móvel esteja sob a cobertura da rede GSM, durante uma comunicação de voz e se conectar numa rede sem fio, com condições propícias para estabelecer uma comunicação de voz de qualidade. Esta condição é favorável para seja realizada a troca desta comunicação da rede GSM para a rede WiFi, pois os custos de comunicação de voz são mais baixos neste tipo de mídia. Na figura 05 (a), o dispositivo móvel de dupla modalidade está inicialmente numa ligação pelo módulo GSM, com a contraparte que é o provedor de serviços, através de sua conexão com a rede PSTN, como mostra o passo 1. 16

17 Figura 05 - Passos da troca de rede GSM para WiFi O módulo monitor WiFi, quando detecta a presença de uma rede sem fio, que ele possa se conectar e que possa oferecer condições para trafegar voz, notifica o módulo de controle de troca do dispositivo móvel, sugerindo que a atual ligação em curso pelo módulo GSM seja transferida para a interface de rede sem fio, através de serviços IP oferecidos. Alguns pontos devem ser observados antes que esta sugestão seja realizada, como por exemplo, a autenticação na nova rede sem fio, bem como o registro do agente usuário VOIP do dispositivo móvel no seu provedor SIP, que é a contraparte da comunicação que irá ser estabelecida. Tendo o módulo de controle de troca decidido por realizar a troca da rede GSM para a rede WiFi, este inicia o processo enviando o comando de Handoff Trigger para a contraparte remota que por sua vez aceita e confirma o comando, como mostra os passos 2 e 3. Nos passos 4 e 5 demonstrados na figura 05 (a), quem decide partir a segunda ligação que irá dar prosseguimento ao processo de troca é o servidor SIP no qual o agente usuário VoIP do dispositivo móvel está registrado. O endereço IP que o servidor SIP tem em mãos para estabelecer a conexão com o usuário agente VoIP do dispositivo móvel é fornecido quando este se autentica na rede sem fio e começa o processo de registro no servidor SIP. Nesta mensagem de registro são enviadas muitas informações, como por exemplo, o endereço IP e a porta UDP que deve ser utilizada para que ele possa ser encontrado na internet. Também é informado o usuário e a senha de registro, para que o servidor SIP possa saber quem está pedindo o registro. Este usuário será utilizado para fins de tarifação dos 17

18 serviços que por ventura ele possa utilizar no futuro, como por exemplo, receber e realizar ligações como parte de transações de troca entre redes heterogêneas. O agente usuário VoIP ao receber esta ligação informa o módulo de controle de troca, como indicado no passo 6. Nesta mensagem que dá início a ligação que parte do servidor SIP em direção ao agente usuário VoIP do dispositivo móvel, é enviado um número de identificação que representa a ligação que já está em curso através de seu módulo GSM. Este número é necessário para que o módulo de controle de troca possa saber que esta nova ligação que está entrando em seu sistema faz parte do processo de transferência iniciado por ele mesmo. Tendo este número coincidido, ele atende a ligação entrante, enviando um comando ao agente usuário VoIP, como mostra o passo 7. Neste momento a contraparte remota recebe os comandos de confirmação de atendimento da ligação e ambos começam a comunicação, enviando e recebendo pacotes RTP de voz (passo 8). Nos passos 9 e 10, o módulo de controle de troca do servidor SIP envia o comando de Handoff Complete, sendo confirmado pelo outro módulo de mesma função do dispositivo móvel. Neste momento ambos transferem o fluxo de voz que o usuário ouve e fala para ser transmitido e recebido pela ligação VoIP que se estabeleceu através da interface sem fio do dispositivo móvel. Depois disso, o módulo de controle de troca do dispositivo móvel pode desligar a ligação que estava em curso pela interface GSM, completando assim o processo de troca. Como mostrado no item que descreve a troca da rede WiFi para a GSM, é possível também haver duas formas de partir a segunda ligação do processo de troca; ou por partindo do dispositivo móvel ou partindo da contraparte remota. A figura 5 (b) demonstra a possibilidade, onde o módulo de controle de troca do dispositivo móvel comanda o usuário agente VoIP a partir a ligação em direção ao servidor SIP que oferece os serviços de telefonia IP para ele. Esta decisão, neste caso, de quem deve partir a segunda ligação do processo de troca entre as redes, leva em conta, além das questões de custos, um item técnico muito importante, que é o tempo e a facilidade de se encontrar o destino do usuário SIP. Se for considerado que o servidor SIP sempre estará num IP fixo e conhecido, seus clientes não terão muita dificuldade de encontrá-lo e a segunda ligação de transferência partiria mais rapidamente e com muito mais segurança e chance de sucesso. Esta opção é a mais correta de se fazer, já que se for partir do 18

19 servidor SIP a segunda ligação, este dependerá de ter sua tabela de registros atualizada com os endereços IP de todos os seus clientes, devendo consultar a procura do endereço IP e porta UDP para onde deva ser enviada a mensagem de solicitação de ligação. Este processo normalmente não demora muito a ponto de causar grandes atrasos, a questão é realmente em depender que o agente usuário VoIP do dispositivo móvel envie sempre seu endereço IP, já que este é por definição móvel e pode estar a cada momento em uma rede diferente, ou acabar de se conectar em uma outra rede, obtendo endereços IP diferentes em cada mudança de IP. 3.4 Transição entre redes GSM e WiFi quando o servidor possui interface GSM: Como mostrado nas figuras 03, 04 e 05, a contraparte remota do dispositivo móvel, que na maioria das vezes será o provedor para os serviços de troca entre redes WiFi e sem fio, pode também possuir uma interface GSM para realizar e receber ligações. Nos itens 3.2 e 3.3 foi demonstrado somente o caso onde este provedor de serviços utiliza somente o seu agente usuário VoIP. É perfeitamente possível utilizar esta interface GSM nos processos onde a segunda ligação deve ser iniciada. A decisão por utilizar ou não esta interface segue os mesmos critérios descritos nos itens 3.2 e 3.2, ou seja, custo, agilidade em partir a ligação, segurança e confiabilidade em estabelecer a ligação em condições apropriadas, além da disponibilidade do serviço. Caso esta interface seja utilizada, o processo é o mesmo, o que muda apenas é que caso o módulo de controle de troca do dispositivo móvel seja instruído pelas mensagens de iniciação do processo de troca a partir esta ligação, ou por sua interface GSM ou WiFi, este apenas irá ter que discar para o número correspondente ao módulo GSM da contraparte, presente nos planos de numeração nacional da operadora de telefonia móvel na qual ele pertence. 4 ANÁLISE DO PROCESSO DE TROCA: O mais importante no processo de troca entre as redes heterogêneas é garantir que a comunicação de voz sofrerá pouca ou nenhuma degradação da qualidade percebida pelo usuário. Isso dependerá de muitos fatores, como por exemplo, como foi projetado o sistema de comunicação e negociação entre as partes envolvidas, como e quando decidir que o móvel irá realizar o processo. 19

20 Alguns fatores ainda não estão sob o controle da aplicação do dispositivo móvel, tão pouco sob o controle do módulo de controle do provedor do serviço, como por exemplo, taxas de transferência e estabilidade da rede WiFi para o qual a ligação está sendo migrada. O desafio está em minimizar todos esses fatores e garantir uma transferência suave e imperceptível ao usuário. Apesar de todos os problemas que podem acontecer, sendo alguns deles um pequeno picote ou atraso na ligação percebido pelo usuário, ainda assim este sistema é muito mais eficiente do que se dependesse do usuário em realizar a troca manualmente, ou ainda um sistema que não utiliza os métodos descritos para realizar a troca, realizando uma das técnicas de transferência convencional, causando uma ausência de comunicação que pode durar os tempos de encaminhamento de ligação intrínsecos de cada tecnologia. A figura 06 ilustra o áudio que seria percebido pelo usuário do dispositivo móvel, caso o processo de troca da rede WiFi para rede GSM fosse feito utilizando transferência convencional, ou seja, ele é colocado em espera até que a segunda ligação seja iniciada e atendida pela contraparte. É perceptível o intervalo, desde o ponto onde a troca deva ser efetuada, onde a comunicação é suspensa até o ponto onde a segunda ligação se estabelece pela rede GSM, que é em torno de 10 segundos, pois esse é um tempo normal para se estabelecer uma ligação através da rede GSM. Figura 06 Troca entre redes utilizando transferência convencional A figura 07 ilustra o áudio que é percebido pelo usuário do dispositivo móvel, caso a transição entre as redes seja feita pelo processo descrito no item 3.2, que é a transição da rede WiFi para a rede GSM realizada pelo dispositivo móvel. Como explicado, a partir do ponto onde o módulo de controle de troca decide trocar de 20

21 rede até o ponto a transição é realmente concluída, não há intervalos de interrupção do áudio recebido pelo usuário do dispositivo móvel, nem pelo áudio recebido pela ouvinte que ele estabeleceu a comunicação de voz. Figura 07 Troca da rede WiFi para GSM sem interrupção Para o controle e sincronização entre os pacotes RTP, recebidos pela rede WiFi, vindos do provedor de serviço, e o fluxo recebido pelo circuito fechado com a operadora de telefonia móvel através da interface GSM, existe ainda um bloco no dispositivo móvel e também no provedor de serviço, que realiza o processamento digital de sinais, para garantir que a transição seja realmente suave e imperceptível ao usuário. Este bloco será descrito no item seguinte. 5 PROCESSAMENTO DIGITAL DE SINAIS PARA TROCA ENTRE AS REDES HETEROGÊNEAS: Nas análises de áudio mostradas no item 4, quando o fluxo de voz da comunicação da nova ligação chega, o áudio é chaveado do caminho antigo, que era usado pela antiga ligação para o caminho novo, que é recebido pela nova ligação. Em muitos cenários, está técnica de simplesmente chavear o fluxo de voz de um para outro e entregar para os blocos processamento da voz reproduzir para o usuário, pode ser satisfatória. Porém, pode acontecer sobreposição, repetição ou atraso da voz, visto que as duas tecnologias de transmissão de voz utilizam técnicas muito diferentes, além dos efeitos causados pelos meios de comunicação. Para minimizar estes efeitos indesejáveis, é necessário lançar mão de um outro bloco para processar estes dois áudios e sincronizar no tempo, chamado de misturador de áudio. Este outro bloco possui um componente que realiza o processamento digital dos dois sinais de áudio com uma velocidade suficientemente capaz de analisar e comparar ambos e realizar uma mistura entre os dois, até que um dos canais de 21

22 áudio se estabeleça e o outro desapareça. A figura 08 mostra como este bloco está interligado num dispositivo móvel preparado para a realização da troca automática entre redes heterogêneas, como foi descrito. Ele recebe o áudio dos caminhos que vêem do bloco do agente usuário VoIP e também do módulo GSM. Depois de processar é que somente um caminho de áudio é entregue para o dispositivo responsável por reproduzir para o usuário. Figura 08 Misturar de áudio 6 CONCLUSÃO: Cada vez mais os dispositivos móveis estão sendo dotados de processadores velozes e com boa quantidade de memória. Se comparados a computadores pessoais de 5 ou 10 anos atrás, os atuais smartphones têm maior capacidade de processamento. Por esse motivo, mais e mais aplicações estão sendo desenvolvidas para rodar nesses equipamentos. As técnicas apresentadas neste trabalho, aplicam-se à equipamentos que foram desenvolvidos para o propósito em questão. Fabricantes como Nokia e Motorola já possuem dispositivos capazes de rodar aplicações que realizam técnicas para troca entre redes heterogêneas. Para que seja possível que um usuário tenha esse tipo de serviço, além de possuir um aparelho capaz de realizar as funções adequadas, ele também deve contratar uma operadora para esse serviço. No Brasil ainda não existem operadoras que oferecem este serviço, mas em alguns países da Europa e nos Estados Unidos isso já é realidade. 22

23 Apesar dessa tecnologia só trazer benefícios ao usuário, principalmente por poder utilizar serviços de comunicação de voz mais baratos, no Brasil isso só aparecerá daqui a alguns anos, pois para que as operadoras ofereçam este serviço, devem-se ter regulamentações específicas. Até o momento, nem as regras para telefonia IP foram completamente fixadas, por exemplo, somente os terminais SIP estão sendo homologados pela Anatel, sendo que os equipamentos servidores ainda dependem da decisão deste órgão regulamentador para definir em quais testes eles devem ser submetidos para serem homologados. O que as operadoras fazem é oferecer um tipo de serviço de comunicação multimídia apenas, pois ainda não há um tipo de serviço específico para comunicação de voz via internet. Enquanto as normas não forem totalmente decididas e fixadas para telefonia IP no Brasil, este tipo de serviço de troca de redes heterogêneas não poderá ser implantado no nosso país e ser oferecido aos usuários, mas segundo informações não oficiais, já existem algumas operadoras de grande porte, que possuem serviços de telefonia fixa, móvel e também de dados, que estão estudando as tecnologias existem para uma futura implantação no Brasil. 7 REFERÊNCIAS: [1] Rosenberg, J., Schulzrinne, H., Camarillo, G., Johnston, A., Peterson, J., Sparks, R., Handley, M. and E. Schooler, "SIP: Session Initiation Protocol", RFC 3261, Junho de [2] Hung-Yun Hsieh, Chung-Wei Li, Shuo-Wei Liao, Yu-Wen Chen, Tsung-Lin Tsai, Hsiao-Pu Lin, Moving toward end-to-end support for handoffs across heterogeneous telephony systems on dual-mode mobile devices, Abril de [3] Björn Grönvall, Ian Marsh, SICS/KTH, Seamless WiFi-GSM voice handover, Agosto de