Técnicas para ocultamento de perdas de pacotes em aplicações do tipo Voz sobre IP (VoIP)

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1 Técnicas para ocultamento de perdas de pacotes em aplicações do tipo Voz sobre IP (VoIP) Rafael Seidi Shigueoka¹, Fábio Sakuray¹ ¹Departmento de Computação Universidade Estadual de Londrina (UEL) Caixa Postal CEP Londrina PR Brasil Abstract. In this work, techniques are analyzed and implemented to conceal packet loss on applications like Voice over IP (VoIP). This technology eventually became popular because of its low cost compared to traditional telephone network. Despite having some obstacles such as packet loss that degrade audio quality, there are techniques called Packet Loss Concealment (PLC) that help mask these losses. Keys-word: VoIP; PLC; packet loss. Resumo. Neste trabalho são implementadas e analisadas técnicas para ocultar perdas de pacotes em aplicações do tipo Voz sobre IP (VoIP). Essa tecnologia acabou se tornando popular devido ao seu baixo custo em relação à tradicional rede de telefonia. Apesar de possuir alguns obstáculos como a perda de pacotes que degradam a qualidade do áudio, existem técnicas chamadas Packet Loss Concealment (PLC) que ajudam a mascarar essas perdas. Palavras-chaves: VoIP; PLC; perda de pacote

2 1. Introdução As últimas décadas trouxeram avanços tecnológicos inimagináveis, os quais, por sua vez, requerem contínuas adequações no sentido de atender às demandas de um mercado cada vez mais exigente no que diz respeito à informação e à comunicação. VoIP (Voz sobre IP) é a transmissão de dados de voz em uma rede de pacotes IP (Walker & Hicks, 2004). Parte-se do fato de que aplicações dessa natureza estão se tornando cada vez mais populares devido à sua flexibilidade e seu custo reduzido em relação aos serviços de telefonias existentes (Sonwane & Chandavarkar, 2013). Essa tendência é observada pelo software Skype (um aplicativo do tipo VoIP), que em agosto de 2013 superou a marca de 300 milhões de usuários, sendo utilizado diariamente por cerca de 50 milhões de pessoas no mundo (Agência EFE, 2013) (Folha de São Paulo, 2013). Justifica-se a realização deste estudo diante da emergência de novas possibilidades de aplicação dos recursos tecnológicos atualmente disponíveis em situações da vida cotidiana. Busca-se, assim, comparar as técnicas de ocultamento das perdas de pacotes de dados, visando evidenciar os potenciais resultados que cada uma pode trazer, tendo em vista categorias como o custo/benefício de processamento, bem como facilidades e/ou dificuldades de implementação. Ainda que a tecnologia VoIP esteja se tornando cada vez mais popular, há fatores como perdas de pacotes, atrasos e variação no atraso da rede (jitter) que degradam a qualidade do áudio (Kim, Kim, Jeong, & Kim, 2013). A ocorrência desses fatores deve-se ao excesso de tráfego, interferência, ruído (alteração no conteúdo do pacote) e sobrecarga do buffer no receptor (Ali, Liang, Sun, & Cruickshank, 2009). As perdas de pacotes criam lacunas nos trechos de áudio (Ofir & Malah, 2006) que afetam a qualidade do som. Para ocultar essas descontinuidades nos trechos de voz, são utilizadas técnicas como o Packet Loss Concealment (PLC) ou Frame Erasure Concealment (FEC) (Chen, 2007). O que diferencia uma técnica da outra é que a FEC ocorre quando o bit de erro não está correto (Kim & Kang, 2001). Para mascarar ou restaurar os pacotes perdidos foram desenvolvidos métodos que podem ser divididos em duas classes principais: Packet Loss Concealment baseado no transmissor (PLC sender-based) onde é adicionada alguma redundância ou informação adicional que depois pode ser usado pelo receptor e o Packet Loss Concealment baseado no receptor (PLC receiver-based) que em caso de falha na recuperação do pacote produz um substituto no lugar para encobrir a perda (Kim, Kim, Jeong, & Kim, 2013) (Ofir & Malah, 2006). Nesta dimensão, o objeto de estudo do presente trabalho volta-se para os métodos de PLC.

3 2. Fundamentação Teórico-metodológica VoIP é uma tecnologia que torna capaz a transmissão de dados de voz em uma rede de pacotes IP. O processo da transmissão consiste basicamente em transformar os trechos de voz analógicos em digitais, dividi-los em vários pacotes e depois transportá-los sobre a rede IP. Após alcançar seu destino, os pacotes são reorganizados e convertidos para o sistema analógico novamente (Raake, 2006) (Walker & Hicks, 2004). Sabe-se que o sistema de comunicação de telefones convencionais utiliza comutação de circuitos e quando é realizada alguma ligação, é reservado um circuito dedicado entre os dois telefones para a conversa, enquanto a tecnologia VoIP utiliza comutação de pacotes e trabalha sobre uma rede conectada a vários computadores. Assim sendo, não há um caminho único para que os pacotes de voz possam percorrer (Walker & Hicks, 2004). Dada a amplitude deste novo sistema de comunicação, os telefones tradicionais estão aos poucos sendo substituídos pela nova tecnologia VoIP (Radhakrishnan & Larijani, 2010) (Ghiata & Marcu, 2011). Segundo (Walker & Hicks, 2004)são os componentes mais importantes do VoIP podem ser observados no quadro a seguir. Quadro 1- Principais componentes do VoIP Codecs São responsáveis pela codificação ou decodificação do áudio. Esse hardware ou software transforma o áudio analógico em digital. Alguns codecs também realizam a tarefa de compressão para poupar banda. Os codecs mais utilizados em VoIP são G.711, G.723, G.729 e G Codecs G.711a e G.711u utilizam mais banda, entretanto o tempo gasto para codificar para digital e empacotar os trechos de voz é de 1ms. Os codecs G.726, G.729 e G.723 consomem menos banda, pois além da conversão do áudio realizam também a compressão do mesmo. Apesar de poupar banda com processo de compressão, a qualidade do áudio é reduzida, pois perde algumas características do áudio original. Protocolos TCP/IP e VoIP: Servidores de telefonia IP e PBXs TCP/IP é um conjunto de protocolos que desempenham a função de troca de informações entre os computadores, informações sobre o datagrama e o que fazer caso seja danificado ou perdido. Os protocolos VoIP utilizados para a realização da chamada são divididos em duas fases, protocolos de configuração da chamada e de transmissão de voz. Session Initioation Protocol (SIP), H.232, Skinny Client Control Protocol (SCCP), Media Gateway Control Protocol (MGCP) e Media Gateway Protocol (Megaco) são protocolos usados para iniciar e finalizar chamada. Eles realizam funções como mapear os números de telefones para endereço IP, gerar toques das chamadas, soar o toque no aparelho do receptor e desligar a chamada. Após atender a chamada, o Real-time Transport Protocol (RTP) é utilizado durante a toda a conversa para transmitir o áudio. Private Branch exchange (PBX) é um sistema onde os telefones de uma empresa são conectados formando uma rede para transmissão de voz, permitindo que alguns telefones fora da empresa sejam conectados a essa rede e também possibilita funções como reencaminhamento da chamada, chamada em espera e teleconferência.

4 IP PBX age como um servidor. Ele possui as características e funções do PBX só para telefones VoIP, além de possibilitar o recebimento de voice mail e em um mesmo lugar devido ao unified messaging. Gateways VoIP e roteadores Telefones IP e softphones Para que a comunicação entre protocolos, codecs e até redes diferentes possa ser realizada, é necessária a utilização de gateways VoIP. Analisando o cabeçalho IP, os roteadores decidem qual caminho os pacotes de dados devem percorrer, cada roteador escolhe o roteador seguinte a mandar o pacote e através desses saltos contínuos chega-se ao destino. Os telefones IP têm aparência semelhante aos telefones convencionais, mas em sua parte traseira possuem uma entrada para ethernet LAN. Softphones são softwares instalados no computador que juntamente com um headset funcionam como um telefone IP. Tanto os telefones IP quanto os softphones dependem de um servidor de telefonia IP. Uma das maiores dificuldades da tecnologia VoIP é manter uma boa qualidade do áudio, pois os pacotes de voz percorrem sobre a mesma estrutura dos pacotes de dados e existe ainda o fato de a rede IP ser um serviço de melhor esforço. Caso ocorra o congestionamento da rede ou erro na transmissão, pacotes de áudio transmitidos podem chegar atrasados, serem descartados ou demorar a chegar no destino a ponto de não poderem mais ser utilizados e precisarem ser descartados. Essas perdas de dados criam lacunas nos trechos do áudio e prejudicam sua qualidade (Ghiata & Marcu, 2011) (Radhakrishnan & Larijani, 2010) (Maheswari & Punithavalli, 2010) (Xu & Zhang, 2011). (De Cristofaro, et al., 2009) e (Ghiata & Marcu, 2011) referem que a qualidade do áudio é influenciada por três importantes fatores: Latência tempo que o pacote demora para sair da origem e chegar ao seu destino; Jitter - variação no tempo de chegada dos pacotes; Perda de pacotes pacotes descartados devido ao congestionamento da rede. Ainda conforme (De Cristofaro, et al., 2009), o teste da qualidade de voz pode ser realizado através de dois modos de avaliação. No método subjetivo, a qualidade da chamada é analisada por uma pessoa, enquanto o método objetivo é realizado por diferentes algoritmos e/ou softwares. Como o modo subjetivo é custoso e dispendioso e no objetivo não há intervenção humana para avaliar, outro método de avaliação desenvolvido é a utilização de redes neurais para avaliação do áudio (Ghiata & Marcu, 2011). Para restaurar ou encobrir as perdas de pacotes, foram criadas técnicas de PLC que podem ser categorizadas em duas classes: PLC baseado no transmissor (PLC transmitter-based) e PLC baseado no receptor (PLC receiver-based). Nas técnicas baseadas no transmissor geralmente alguma redundância ou informação adicional é acrescentada nos pacotes a

5 serem enviados, para ajudar o receptor na recuperação dos dados perdidos. Neste caso, o transmissor trabalha em conjunto com o repector para recuperar os pacotes de vozes perdidos. As técnicas baseadas no receptor geralmente tentam mascarar as perdas do áudio inserindo uma onda de áudio substituta na lacuna, nessa classe não há participação do transmissor (Walker & Hicks, 2004) (Pedram, Vaseghi, & Langari, 2013) (Xu & Zhang, 2011) (Nagireddi, VoIP Voice and Fax Signal Processing, 2008). Tanto as técnicas de PLC baseadas no transmissor como as baseadas no receptor possuem duas subclasses. Na figura a seguir são apresentadas as singularidades das duas técnicas mencionadas, conforme classificação proposta por (Nagireddi, VoIP Voice and Fax Signal Processing, 2008).

6 Figura 1. Classificação das técnicas de PLC baseado no transmissor e técnica s de PLC baseado no receptor No primeiro esquema, apresentamos as técnicas de PLC baseadas no transmissor, que são: Redundância - O pacote de voz a ser transmitido é concatenado a uma quantidade de pacotes anteriores, que variam dependendo do valor da redundância. Apesar de aumentar a banda de acordo com o nível de redundância escolhido, essa é uma boa opção para perdas de pacotes desde que não excedam o nível. (Nagireddi, VoIP Voice and Fax Signal Processing, 2008).

7 Forward Error Correction (FEC) Técnicas FEC produzem pacotes de dados adicionais que auxiliam o receptor na recuperação dos pacotes de vozes perdidos durante a transmissão. É mais eficiente que o esquema de redundância pois utiliza menos banda além de ser mais seguro uma vez que os dados são encriptados (Nagireddi, VoIP Voice and Fax Signal Processing, 2008). Interleaving Nesse método os pacotes de vozes são fragmentados em trechos menores e depois dispersados. Essa técnica é eficaz contra rajada de perdas, pois caso algum pacote se perca haverá pequenas falhas no áudio ao invés de um grande intervalo. Diferente da redundância e do FEC, o interleaving não aumenta a banda, entretanto aumenta o atraso, o uso de processamento e a memória (Nagireddi, VoIP Voice and Fax Signal Processing, 2008). Retransmissão Se o receptor perceber que ocorreu a perda de algum pacote ele solicita ao transmissor que faça o reenvio do mesmo. Apesar do longo atraso nas chamada de voz, o método de retransmissão é eficaz quando a perda de pacotes é baixa, já que não aumenta a banda como o FEC e a redundância. Caso a perda dos dados comece a aumentar, o FEC se torna mais efetivo (Nagireddi, VoIP Voice and Fax Signal Processing, 2008). Já no segundo esquema apresentado, são evidenciadas as técnicas baseadas no receptor. São elas: Baseado no pitch (G.711) Fornece uma qualidade melhor e mais razoável com uma baixa complexidade computacional (Nagireddi, VoIP Voice and Fax Signal Processing, 2008). Linear prediction Este esquema realiza uma derivação utilizando 20 coeficientes LPC (Linear Prediction Coding) no modelo e excitação da parte que foi perdida com base no histórico da fala para procurar um sinal parecido com o orginal para substituir (Nagireddi, VoIP Voice and Fax Signal Processing, 2008). Time frequency modifications No lugar do pacote perdido o pacote anterior e o seguinte são esticados para preencher a lacuna. Silence substitution Nas falhas do áudio são inseridos silêncio para manter o tempo entre os pacotes. Caso a perda dos pacotes comece a aumentar, seu desempenho diminui drasticamente. Apesar disso, ele é muito utilizado já que é fácil de ser implementado (Perkins, Hodson, & Hardman, 1998). Packet repetition Faz uso do último pacote bom recebido para inserir na lacuna aberta pela perda do pacote, seu custo computacional é baixo e desempenha razoavelmente bem (Perkins, Hodson, & Hardman, 1998).

8 3 Objetivos O objetivo geral do presente trabalho consiste em analisar técnicas para ocultar perdas de pacotes em aplicações do tipo Voz sobre IP (VoIP). Os objetivos específicos podem ser assim destacados: a) Comparar as técnicas contidas nos métodos Packet Loss Concealment baseado no transmissor (PLC sender-based) e Packet Loss Concealment baseado no receptor (PLC receiver-based); b) Selecionar e implementar algumas dessas técnicas em um programa previamente definido; c)avaliar os resultados da aplicação de cada uma das técnicas selecionadas. 4. Procedimentos metodológicos/métodos e técnicas O presente estudo parte de uma pesquisa bibliográfica em diferentes bases de dados. Segundo Lakatos e Marconi (2003), a pesquisa bibliográfica é o levantamento de toda a bibliografia já publicada, em forma de livros, revistas, publicações avulsas e imprensa escrita. A sua finalidade é fazer com que o pesquisador entre em contato direto com todo o material escrito sobre um determinado assunto, auxiliando o cientista na análise de suas pesquisas ou na manipulação de suas informações. Ela pode ser considerada como o primeiro passo de toda a pesquisa científica. Em uma segunda etapa, serão analisadas e implementadas técnicas para ocultar perdas de pacotes em aplicações do tipo Voz sobre IP (VoIP). Para a realização desta etapa, serão definidos posteriormente as técnicas e programas a serem utilizadas.

9 5. Cronograma de Execução Elaboração do projeto Entrega do Projeto Revisão Bibliográfica Estudo do VoIP JUL AGO SET OUT NOV DEZ JAN FEV X X X X X X X X X X X X Implementação X X X Ajustes Finais na Implementação X X X Testes X X X Escrita e Revisão do Trabalho Entrega da Versão Preliminar Entrega da Versão para a Banca Banca X X X X X X X X X X

10 6. Contribuições e/ou Resultados esperados Pretende-se com o presente trabalho, contribuir, com, a realização das ações das técnicas de PLC previstas neste trabalho, para a ampliação dos conhecimentos sobre a temática de PLC, tendo em vista a atualidade do tema e a importância de avaliar as técnicas já existentes no ocultamento das perdas de dados de voz. Que possa contribuir didaticamente para a criação de futuros projetos.

11 Referencias Agência EFE. (29 de Agosto de 2013). Info. Fonte: Ali, M., Liang, L., Sun, Z., & Cruickshank, H. (2009). SIP signaling and QoS for VoIP over IPv6 DVB-RCS satellite networks International Workshop on Satellite and Space Communications (pp ). Tuscany: IEEE. Chen, J.-H. (2007). Packet Loss Concealment for Predictive Speech Coding Based on Extrapolation of Speech Waveform. Conference Record of The Forty-First Asilomar Conference on Signals, Systems & Computers (pp ). Pacific Grove, CA: IEEE. De Cristofaro, N., McGill, G., Sallahi, A., Davis, M., Alsibai, A., & St-Hilaire, M. (2009). QoS evaluation of a voice over IP network with video: A case study Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering (pp ). St. John's: IEEE. Folha de São Paulo. (30 de Agosto de 2013). Fonte: Ghiata, N., & Marcu, M. (2011). Measurement methods for QoS in VoIP review. Ultra Modern Telecommunications and Control Systems and Workshops (ICUMT) (pp. 1-6). Budapest: IEEE. Kim, B. H., Kim, H.-G., Jeong, J., & Kim, J. Y. (2013). VoIP Receiver-Based Adaptive Playout Scheduling and Packet Loss Concealment Technique. IEEE Transactions on Consumer Electronics (pp ). IEEE. Kim, H. K., & Kang, H.-G. (2001). A Frame Erasure Concealment Algorithm Based on Gain Parameter Re-estimation for CELP Coders. Signal Processing Letters, IEEE (pp ). IEEE. Lakatos, Eva Maria; Marconi, Marina de Andrade.( 2003) Fundamentos de metodologia científica. 5. ed. - São Paulo: Atlas. Maheswari, K., & Punithavalli, M. (2010). Enhanced Packet Loss Recovery in Voice Multiplex-MUlticast based VoIP Networks. Proceedings of the 1st Amrita ACM- W Celebration on Women in Computing in India (pp. 1-4). Coimbatore: ACM. Nagireddi, S. (2008). VoIP Voice and Fax Signal Processing. New Jersey: John Wiley & Sons, Inc. Ofir, F., & Malah, D. (2006). Packet loss concealment for audio streaming based on the GAPES and MAPES algorithms th IEEE Convention of Electrical and Electronic Engineers (pp ). Eilat: IEEE. Pedram, S. K., Vaseghi, S., & Langari, B. (2013). Audio Packet Loss Concealment using Motion-Compensated Spectral Extrapolation IEEE International Symposium on Signal Processing and Information Technology (pp ). Athens: IEEE.

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