JOSÉ B. ARAGÃO JÚNIOR, MAIQUEL S. MELO, RÔMULO S. ARAÚJO, DANIELO G. GOMES, GUILHERME A. BARRETO E JOSÉ NEUMAN DE SOUZA

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1 USO DE TÉCNICAS CLÁSSICAS, HMM E REDES NEURAIS NA PREDIÇÃO DE ATRASO DE EXECUÇÃO EM REDES VOIP: UMA AVALIAÇÃO EMPÍRICA JOSÉ B. ARAGÃO JÚNIOR, MAIQUEL S. MELO, RÔMULO S. ARAÚJO, DANIELO G. GOMES, GUILHERME A. BARRETO E JOSÉ NEUMAN DE SOUZA Departamento e Engenhara e Telenformátca, Unversae Feeral o Ceará Campus o Pc, Bloco 925, , Fortaleza, CE, Brasl E-mals: {jr_aragao, maquel, romulo, anelo, gulherme}@et.ufc.br, neuman@ufc.br Abstract VoIP applcatons use buffers to soften the effects cause by the jtter. To o ths, a elay n the executon s apple to the voce talspurt to mnmze the loss of pacets ue to the late arrval. To etermne the best value for the elay s funamental to guarantee an acceptable qualty to the auo conference. Several algorthms were evelope to prect the best executon elay. We evaluate seven algorthms, some classc, an other nnovatve for such purpose, le HMM an Neural Networs, an compare ther performance analysng some metrc, le the average lost pacets. Keywors VoIP, playout elay, prectve algorthms, HMM, Neural Networs. Resumo As aplcações VoIP utlzam buffers para suavzar os efetos causaos pelo jtter. Para atngr tal objetvo, um atraso na execução é aplcao ao jato e voz para mnmzar a pera e pacotes evo à chegaa tara. Determnar o melhor valor para o atraso é funamental para garantr que a lgação possua uma qualae acetável. Város algortmos foram esenvolvos com o objetvo e prever o melhor atraso e execução. Nós avalamos sete algortmos, alguns clásscos, outros novaores para tal propósto, como os que utlzam HMM e Rees Neuras, e comparamos seus esempenhos levano em conta algumas métrcas e esempenho, como a méa e pacotes peros. Palavras-chave VoIP, atraso e execução, algortmos e preção, HMM, Rees Neuras Introução A utlzação e servços em tempo real, como a telefona, em rees e comutação e pacotes, mpõe mutos obstáculos evo, prncpalmente, às técncas e roteamento nâmcas empregaas nessas rees. Em rees e comutação por pacotes, como a Internet, a voz geraa por uma fonte é gtalzaa e carregaa em pacotes IP que são emtos a ntervalos regulares e perócos. Esses pacotes e voz poem trafegar por camnhos ferentes na ree e sofrer atrasos e enfleramento varaos em ferentes roteaores. Isto causa uma varação o atraso (jtter) que faz com que pacotes e voz não cheguem ao receptor com a mesma seqüênca temporal com a qual foram geraos. A utlzação e um buffer é necessára a fm e suavzar os efetos o jtter e smular um fluxo contínuo o emssor ao receptor. Este buffer armazena os pacotes, atrasano suas execuções por etermnao períoo e tempo, permtno esta manera que pacotes mas atrasaos cheguem a tempo e serem executaos nos seus respectvos tempos programaos e execução. A esse atraso mposto pelo buffer é conheco como excesso e atraso e execução. A escolha e um excesso e atraso aequao mnmza a pera e pacotes por chegaa tara pacotes que chegam após o seu tempo programao e execução. Por outro lao, um excesso e atraso muto grane poe afetar a qualae a conversação. Em geral, a escolha e um excesso e atraso e execução é um equlíbro entre a ntroução e atrasos aconas e a taxa e pacotes peros por chegaa tara [Ranganathan, 2005]. Com a avalação apresentaa neste artgo é possível etermnar qual a melhor técnca e preção e atraso e execução para uma aplcação VoIP, levano em conta os seguntes fatores: efcênca versus custo computaconal. 2 Algortmos e Atraso e Execução Nesta seção serão apresentaos sete algortmos e execução e atraso, one serão aboraas as vantagens e esvantagens e caa um eles. A segur será escrta a termnologa necessára para a apresentação esses algortmos. 2. Notação A notação utlzaa neste artgo, aaptaa e [Rabner, 989], não exge a necessae e sncronzação entre os relógos o emssor e o receptor, no entanto, precsamos assumr que a ferença entre os relógos não vara com o tempo, ou seja, a uração e um seguno em ambos relógos eve ser sempre a mesma. Os atrasos e ree os pacotes são então normalzaos pelo menor valor e atraso e ree o trace para assm, gerar valores e atraso sempre postvos, mesmo que a ferença entre os relógos o receptor e o emssor seja negatva. A Tabela mostra o conjunto e símbolos a notação utlzaa em too o artgo.

2 Notação M t a n ˆ TABELA : NOTAÇÃO Descrção número e jatos e voz em um ao trace. tempo em que o emssor gera o pacote o -ésmo jato e voz. tempo em que o receptor recebe o pacote o - ésmo jato e voz. número e pacotes e áuo em um jato e voz. atraso entre a geração o -ésmo pacote o -ésmo jato no emssor e sua recepção no receptor: ˆ = a t. ˆ mn { ˆ = ˆ } M, n () p atraso normalzao a ree sofro pelo pacote no -ésmo jato e voz: = ˆ ˆ -ésmo menor atraso normalzao o -ésmo jato. tempo em que o receptor executa o pacote o - ésmo jato e voz. atraso e execução o -ésmo jato. ê excesso e atraso e execução o jato. A Fgura mostra um cenáro e sncronzação e uma conversação entre emssor e receptor. A notação efna anterormente é utlzaa para escrever os elementos a fgura. Os pacotes são geraos no emssor a ntervalos constantes (por exemplo, a caa 20ms). Devo às característcas as rees comutaas por pacotes, como o enfleramento os roteaores, os pacotes sofrem atrasos stntos na ree, poeno chegar ao receptor com ntervalos e tempos varaos. Desse moo, a orem e chegaa os pacotes não segue necessaramente a orem e emssão, assm, um pacote poe chegar ao receptor antes o pacote. O receptor atrasa os pacotes com o objetvo e reorenar a seqüênca e pacotes emtos e mnmzar os efetos o jtter, reconstruno a seqüênca temporal com a qual os pacotes foram geraos. Duas métrcas serão utlzaas para comparar o esempenho os algortmos: alp (méa e pacotes peros, o nglês average lost pacets) e te (atraso fm-a-fm, o nglês the en-to-en elay). O prmero nca a porcentagem os pacotes escartaos por chegaa tara, já o seguno está relaconao com o atraso total sofro pelos pacotes e voz. 2.2 Algortmo e Atraso e Execução Offlne Algortmos e atraso e execução offlne servem como mea e comparação para os algortmos e atraso e execução pretvos Algortmo : Algortmo Ótmo para um Jato e Voz Isolao Com este algortmo poemos calcular, para caa jato e voz, um atraso e execução,, que nos garanta que pacotes sejam executaos. Este atraso e execução é calculao como segue: p ˆ = () ( ) = n ( alp ) (2) As equações () e (2) mostram que o atraso ótmo para qualquer jato é gual ao maor os atrasos normalzaos e seus pacotes menos atrasaos, conserano a alp. Consere o segunte cenáro, um jato e voz com 6 pacotes, com alp = 0, tempos e emssão em ms representaos pelo vetor t r = [ ] e atrasos e ree aos por r = [ ]. Dessa forma, o vetor os tempos e recepção a r é ao pela soma e t r e r, logo a r = [ ]. O pacote mas atrasao o jato everá ser executao tão logo chegue ao receptor, pos como é o últmo a chegar, seu tempo e execução será gual ao seu tempo e recepção. Seno p r o vetor que representa os tempos e execução os pacotes e = 6 o pacote mas atrasao conserano uma alp = 0, p(6) = 80ms. Como os pacotes evem ser executaos com o mesmo ntervalo e tempo com o qual foram geraos (no exemplo a caa 20ms), então p(5) = 60ms, p(4) = 40ms, p(3) = 20ms, p(2) = 00ms e p() = 80ms, one p() = (6) é o própro atraso e execução o jato e voz e (6) é o maor atraso e ree o jato. Com esse algortmo o excesso e atraso e execução para o jato e voz é calculao como segue: One f eˆ = (3) f é o atraso e ree o prmero pacote a chegar ao receptor e e ˆ = e, sto é, o excesso e atraso o prmero pacote o jato. Utlza-se (3) em toos os outros algortmos no cálculo o número e pacotes peros. O atraso e execução o jato e voz será sempre o maor atraso e ree os pacotes o jato, mesmo que este não tenha so o atraso e ree o últmo pacote o jato. Fgura : Tempos e emssão/recepção e execução os pacotes

3 O atraso e execução ótmo é calculao logo após a chegaa e toos os pacotes o jato, por sso ele é não causal, seno utlzao prncpalmente para comparação com algortmos pretvos. 2.3 Algortmos e Preção e Atraso e Execução Os algortmos e atraso e execução pretvos realzam a preção o atraso e execução e um jato e voz urante o períoo slencoso meatamente anteror a ele Algortmo 2: Versão Causal o Algortmo Ótmo para um Jato e Voz Isolao É a versão causal ou on-lne o Algortmo. Nele o atraso e execução para um jato e voz é ao pela segunte fórmula: =, M (4) ( ) A equação (4) mostra que o atraso e execução ótmo para um jato e voz é aplcao ao que jato que está chegano Algortmo 3: Versão Causal Suavzaa o Algortmo Ótmo Este algortmo é uma versão suavzaa o algortmo anteror. A prncpal ferença é o uso e um smples fltro IIR (Resposta ao Impulso Infnto, o nglês Infnte Impulse Response), como mostra a equação (5): = ρ ( ρ ) ( ), M (5) Algortmo 4: Algortmo Estatístco Este algortmo, apresentao por [Moon, 998] e [Ramjee, 994], funcona como um fltro recursvo lnear, com um fator e peso. A estmatva o atraso, para um certo pacote no jato, é aa por: ˆ = n ˆ ( ), M (6) ˆ = ˆ ( ),2 n, M (7) One ˆ é o atraso estmao para o -ésmo n pacote o -ésmo jato, e ˆ é o atraso estmao para o últmo pacote o jato e voz, que representa o atraso méo estmao para o jato e voz. A estmatva a varânca o atraso, para um certo pacote no jato, é aa por: vˆ = vˆ ( ) ˆ, n, M (8) O atraso e execução preto para o -ésmo jato é calculao como segue: n n = ˆ β vˆ, M (9) Em nossas mplementações utlzamos = e β = 4, que são os valores aotaos por [Ramjee, 994] Algortmo 5: Algortmo e Preção utlzano HMM Esta técnca fo proposta por [Yensen, 2003], nela o excesso e atraso é ao por: eˆ = ˆ (0) one é o atraso e execução ótmo calculao e n acoro com o Algortmo, e ˆ é o atraso estmao o últmo pacote o jato calculao por (6) e (7). Os valores e ê são quantzaos em ntervalos fxos I em um número fnto e níves, N, os quas representam os estaos o moelo. Esta quantzação é necessára, pos é nvável trabalhar com espaço e estaos contínuo [Yensen, 2003]. A quantzação é efna pela equação a segur: n ˆ n Q[ eˆ ] = Q[ ] () Desta forma caa jato e voz possurá um atraso e execução favorável, representao pelo seu estao S = j, one Q[ eˆ ] = j I. A seqüênca esses estaos nos á um hstórco o comportamento a ree e é utlzaa no trenamento o HMM para a geração o vetor e probablaes ncas, π, e a matrz e probablaes e transções e estaos, A. Para caa jato e voz num trace é efno um 2 n vetor O = [ e e L e ], one O é a observação para o jato e e é o excesso e atraso para o pacote o jato em relação ao atraso méo estmao para o jato, seno: e ˆ = 0, n, f f ˆ < ˆ n n, n, n (2) Da seqüênca e jatos e voz extra-se a seqüênca O, O 2, O 3,..., O e observações. Para caa jato e voz é calculaa a méa ( µ ) e 2 a varânca ( σ ) os e. A méa as méas os jatos pertencentes ao estao j efne a méa o estao j, ( µ ), e a méa as varâncas estes j mesmos jatos efne a varânca o estao j, ( V ). A caa jato, é calculaa a ensae e observação em relação a caa um os estaos como proposto em [Yensen, 2003], formano a matrz e ensaes e observações, B, e fnalzano assm a fase e trenamento o HMM. De posse os parâmetros o moelo, π, A, B, utlza-se o algortmo e Vterb para prezer o estao mas provável em relação ao jato. O excesso e atraso prevsto para um jato offlne é aplcao ao próxmo jato que está chegano. Poe ser necessára a normalzação os valores e B e a utlzação e logartmos no algortmo e Vterb a fm e se evtar o overflow gerao pelas sucessvas multplcações e números fraconáros. j

4 2.3.5 Algortmo 6: Algortmo Auto-Regressvo Neste algortmo os atrasos normalzaos e caa jato e voz foram usaos na preção o atraso e ree normalzao para o jato e voz segunte. Dentro o jato e voz, o atraso o pacote 4 fo estmao com base nos atrasos os quatro pacotes anteceentes, sto é, fo utlzaa uma janela e 4 pacotes. Desta forma: (3) ( 4) ( 3) ( 2) ( ) = one, é o número o jato e voz no trace, M, e é o número o pacote e voz o jato. O vetor = [ ] é obto a resolução o sstema lnear montao a partr a equação (3). Após obtenção o vetor alfa, calcula-se o atraso e ree estmao o ultmo pacote que é então utlzao como atraso e ree o prmero pacote o próxmo jato. O atraso e execução o jato atual,, será utlzao como atraso e execução o próxmo jato e voz, assm como no Algortmo 2, aí: eˆ (4) = 6) Algortmo 7: Algortmo MLP Este algortmo fo proposto por [Ranganathan, 2005]. Em sua mplementação o atraso e execução o jato e voz,, é calculao como segue: n = hµ ( ) Mσ ( ) (5) one µ ( ) e σ ( ) são, respectvamente, a méa e o esvo parão os atrasos e ree o jato e voz. A méa e o esvo parão são obtos submeteno as méas e os esvos parões os atrasos e ree os pacotes e x jatos e voz preceentes a uma ree neural MLP com quatro neurônos na camaa escona, os neurônos na camaa e saía, passo e aprenzagem gual a 0.05 e fator e momento gual a Neste artgo aotouse x = 4, h = 0,2 e M, que geralmente é ajustao e acoro com as conções a ree, fo fxao em 2. O excesso e atraso estmao para o jato e voz é então calculao pela ferença entre o valor e preto e o valor o atraso e ree e seu prmero pacote a chegar. Desta forma: eˆ = (6) Na mplementação e execução esta ree neural, não houve a realzação e etapa e trenamento. O aprenzao é on-lne, ou seja, à mea que os aos (méa e varânca e atraso e ree e jatos passaos) são fornecos à ree, a mesma ajusta seus pesos snáptcos. Este tpo e mplementação, sem trenamento off-lne a ree, penalza os prmeros jatos e voz com valores runs e excesso e atraso, mas evo a rápa convergênca, ela se aequa bem às conções a ree. 3 Implementação Os algortmos vstos neste artgo foram smulaos utlzano traces obtos e [Moon, 2007]. As Fguras 2 e 3 lustram os atrasos e ree normalzaos para os pacotes e voz contos nestes traces. A avalação o esempenho fo realzaa com as seguntes meas: estatístcas acerca o atraso fm a fm, como méa e esvo parão, taxa méa e pera e pacotes e o número e pacotes peros por jato. O mínmo, a méa, o máxmo e o esvo parão o atraso total fm a fm foram calculaos com base nos valores e calculaos para caa jato, e caa trace, para caa um os algortmos mplementaos. A taxa méa e pera e pacotes e o número e pacotes peros por jato, foram calculaos a segunte forma: para os algortmos, 2, 3 e 4, os valores e são encontraos para caa jato e a partr ele são encontraos os tempos e execução programaos para caa pacote e caa jato. Em segua, comparam-se os tempos e chegaa e caa pacote com seus respectvos tempos programaos e execução. Nos Algortmos 5, 6 e 7, ê é calculao para caa jato e voz. Estes valores são então somaos aos tempos e chegaa o prmero pacote e seus respectvos jatos, permtno assm encontrar o tempo e execução e toos os pacotes o jato. A técnca proposta pelo Algortmo 5 exge um alto custo computaconal. Para reuzr esse custo, assummos uma matrz homogênea e probablaes e transção e estaos. Fgura 2: Atraso e Ree Normalzao para o Trace

5 TABELA 3: RESULTADOS OBTIDOS COM O TRACE 2. Métoo te (ms) Mn. Méa Max. St alp(%) ALG ALG ALG ALG ALG ALG ALG Fgura 3: Atraso e Ree Normalzao para o Trace 2 Após a realzação e mutas smulações, aotamos um moelo HMM com 5 estaos, strbuíos em ntervalos constantes e 5ms a 225ms. A matrz ensae e probablae e observação e a matrz geraa pelo algortmo e Vterb foram normalzaas com o objetvo e evtar unerflow, causao pelas sucessvas multplcações e números pequenos. Em toas as mplementações, um pacote será escartao e ao como pero se seu tempo e chegaa for maor que seu tempo programao e execução. Deste moo, calculamos a alp e o número e pacotes peros por jato e voz. 4 Conclusão Os resultaos obtos a avalação os algortmos estão expostos nas tabelas 2 e 3. O Algortmo fo confgurao com uma alp e 5% e os resultaos e atraso total fm a fm obtos com sua mplementação servem apenas como base e comparação para os outros algortmos. Dos algortmos pretvos, o Algortmo 2 é o que possu a mplementação mas smples e menor custo computaconal. Porém, mesmo seno smples, apresentou bons resultaos. Após testes empírcos percebeu-se que o Algortmo 3 obteve melhores resultaos com a utlzação e um parâmetro e suavzação ρ = 0.5. Métoo TABELA 2: RESULTADOS OBTIDOS COM O TRACE. te (ms) Mn. Méa Max. St alp(%) ALG ALG ALG ALG ALG ALG ALG A técnca proposta pelo Algortmo 4 obteve bons resultaos e alp. Este algortmo mostrou ter baxo custo computaconal e este algortmo é o que se aapta melhor às stuações e atraso na ree. O Algortmo 5, que utlza HMM alcançou bons resultaos para os traces utlzaos neste artgo. Porém ele requer um alto custo computaconal tanto para a fase e trenamento como para a preção o atraso e execução. Além sso, a construção e város moelos, caa um aproprao para etermnaa stuação a ree, se faz necessára para que esta técnca funcone corretamente. O Algortmo 6 não obteve melhoras sgnfcatvas em relação aos algortmos mas smples, e sua mplementação aumenta em muto o custo computaconal, pos requer muto espaço em memóra e muto processamento nos cálculos e multplcações e matrzes e e matrzes nversas. O Algortmo 7, que utlza uma ree neural MLP como pretor, obteve bons resultaos na preção e valores para méas e esvos parões e atrasos e ree. Com estes resultaos, fo possível obter ótmos valores e excesso e atraso estmao com o uso a equação (5). Com os valores e excesso e atraso obtos, regstraram-se baxos valores méos e pera e pacotes (alp). Agraecmentos Os autores agraecem a CAPES pelo suporte fnancero através e bolsas e mestrao e PRODOC. Referêncas Bblográfcas Moon, S.B., Kurose, J., Towsley, D. (998). Pacet auo playout elay ajustment: Performance bouns an algorthms. ACM/Sprnger Multmea Systems 6, pp Moon, S. B. (2007) Sue Moon s Publcatons, Dsponível em: < Rabner, L. (989). A tutoral on hen Marov moels an selecte applcatons n speech recognton, Proc. IEEE, Vol. 77, No. 2, pp Ramjee, R., Kurose, J., Towsley, D., Schulzrnne, H. (994). Aaptve playout mechansms for

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