Qualidade de Serviço de Voz em Redes de Dados Mário Serafim Nunes Instituto Superior Técnico 20 de Setembro de 2005 Tipo de Lição Lição final de uma disciplina de Mestrado/ Doutoramento em redes de comunicação; Sintetiza-se o estado da arte em Qualidade de Serviço (QdS) para serviços de voz; Apresentam-se as actividades de investigação do autor nesta área. 2 1
Sumário (0. Introdução a QdS); 1. QdS em serviços de voz (estado da arte); 2. Resultados de investigação em QdS com aplicação a serviços de voz. 3 0. Introdução a QdS Síntese de conceitos aprendidos em aulas anteriores: O que é Qualidade de Serviço em redes de comunicação; Parâmetros de QdS ao nível rede; QdS versus Desempenho da Rede; Arquitectura de QdS e modelo protocolar. 4 2
O que é Qualidade de Serviço em redes de comunicação Qualidade de Serviço (QdS): ITU-T E.800: Efeito colectivo de desempenho de um serviço que determina o grau de satisfação do utilizador do serviço; IETF RFC 2386: Conjunto de requisitos do serviço que devem ser cumpridos pela rede enquanto transportadora de um fluxo de tráfego desse serviço. 5 Parâmetros de QdS Débito ou largura de banda A rede tem de assegurar capacidade suficiente de acordo com os requisitos da aplicação (bit/s ou pacote/s) Atraso (médio, máximo) Tempo entre o envio de uma unidade de informação pelo emissor e a sua chegada ao receptor, através dos vários elementos da rede Variação de atraso ou jitter Variação do atraso de chegada das unidades de informação ao receptor Perdas de informação Perdas de bits (BER - Bit Error Ratio) nível físico Perdas de tramas/pacotes (PER - Packet Error Ratio) níveis 2, 3. 6 3
Requisitos de QdS de serviços de fluxo contínuo (áudio, vídeo, multimédia) São serviços caracterizados por gerarem informação de modo regular ao longo do tempo. Requisitos necessários para o correcto funcionamento das aplicações de áudio e vídeo: Débito mínimo garantido Baixa variação de atraso (jitter) Baixo atraso (só para conexões interactivas) Tolerância a perdas (< 1%). 7 QdS versus Reserva de Recursos Porque não há garantia de QdS nas redes de dados actuais? Redes com Comutação de Circuitos (PSTN, RDIS, GSM): Há reserva de recursos => QdS está assegurada (-) Pouco eficiente na gestão de recursos Redes de dados com Comutação de Pacotes (IP): Não há reserva de recursos => QdS não está assegurada (+) uso mais eficiente de ligações físicas, através da multiplexagem estatística (-) Atraso variável, perdas devido a congestionamento, chegada fora de ordem (connectionless). 8 4
QdS versus Desempenho da Rede Utilizador Terminal Rede Terminal Utilizador Desempenho da Rede Parâmetros de QdS medidos nos extremos da rede (L1-L3) Percepção do utilizador Qualidade de Serviço extremo-a-extremo (L1-L5/7) - aplicação Percepção do utilizador (ITU-T I.350). 9 1. QdS em serviços de voz (estado da arte) Configuração geral de redes IP Arquitectura de Voz sobre IP (VoIP) Atrasos em acessos de baixo/médio débito Modelo MOS Modelo E Factor R e suas componentes (Ie, Id) Modelo P.VTQ 10 5
Diagrama geral de rede de dados e mecanismos de QdS Redes de Acesso (QdS L2) Wi-Fi IEEE 802.11g/a IEEE 802.11e 8 UP, 4 AC, 5 TSPEC WiMAX IEEE 802.16a IEEE 802.16e 4 serviços MAC Rede Core DiffServ, IntServ, MPLS (L3) Redes de Acesso (QdS L2) ADSL ATM (CBR, UBR) FR IAD CIR, LFI PLC: HomePlug OPERA HFC: DOCSIS2 6 serviços MAC Rede Eléctrica Terminais: RTP, RTCP, DCCP (L4), CODECS (L5/7). 11 Arquitectura VoIP Rede Rede Telefónica PABX PABX Gateway VoIP Gateway VoIP LAN LAN Redes Redes IP IP Internet/ VPN-IP LAN LAN VoIP Gestor de Chamadas VoIP Gestor de Chamadas VoIP VoIP 12 6
Relação entre os vários factores de QdS de voz Codec Perda de pacotes na rede Perda de pacotes total Desempenho do Codec Jitter na rede Buffer de recepção (jitter) Atraso total Qualidade de voz percepcionada Atraso na rede Factores QdS associados à rede Factores associados àaplicação (Terminal) Qualidade extremo a extremo 13 Atraso de voz em linhas de baixo/médio débito Classificador Fila de Alta Prior. Fila de Média Prior. Escalonador I/F Linha FR, PPP, Série 20 1500 4 ms 214 ms (56 kbps) Fila de Baixa Prior. Camada 3 Camadas 2/1 V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 V9 V10 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 ms t Dados (1500 octetos) V1 Dados (1500 octetos) V2V3V4V5V6V7V8V9 V10 Elevado atraso e jitter -> degradação da QdS da voz. 14 7
Fragmentação em linhas de baixo débito (LFI) Classificador Baixa Prior. Média Prior. Escalonador Fragmentação Interpolação I/F Linha 20 128 20 128 64 4 ms 20 ms (56 kbps) Alta Prior. Camada 3 Camada 2 Cam.1 V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 V9 V10 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 ms t D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 V1 D1 V2 D2 V3 V4 D3 D4 D5 D6 D7 V5V6 D8 V7 D9 V8V9 D10 V10 D11 Atraso e jitter controlados -> função da dimensão do fragmento e do débito da linha. 15 Modelos de QdS de Voz Modelo subjectivo Mean Opinion Score (MOS) (ITU-T P.800) Modelos objectivos Intrusivos Perceptual evaluation of speech quality (PESQ ) (ITU-T P.862) Perceptual Analysis / Measurement System (PAMS) (BT) Não intrusivos Modelo E (ITU-T G.107) Factor R (fórmula de medida da qualidade da voz) Modelo P.VTQ (ITU-T / IETF) Análise não intrusiva do protocolo IP (estado da arte). 16 8
Mean Opinion Score (MOS) MOS é um método subjectivo, baseado na avaliação da qualidade da voz por grupos de pessoas em amostras pré-definidas (ITU-T P.800) MOS define escala de 1-5 5 - Excelente 4 Boa 3 - Razoável 2 - Fraca 1 - Má Referência: Voz em PSTN (G.711/PCM a 64 Kbit/s) tem MOS=4,3. 17 Modelo E Método não intrusivo, desenvolvido pelo ETSI, adoptado pelo ITU-T (G.107) Define o Factor R de medida de qualidade de transmissão da voz extremo a extremo, na gama 50 (mau) a 95 (muito bom) Factor R é convertível em MOS (relação quase linear entre 20 e 90) R MOS Satisfação dos utilizadores Excellent 5 MOS 90 4,34 Muito satisfeitos Good 4 80 4,03 Satisfeitos Fair 3 70 3,60 Alguns utilizadores não satisfeitos 60 3,10 Muitos utilizadores não satisfeitos Poor 2 50 2,58 Quase todos os util. não satisfeitos Bad 1 G.107_FB.2 0 20 40 60 80 100 R 18 9
Factor R Codec Perdas Atrasos Jitter Nível de ruído Ecos Tipo de rede R MOS R = Ro - Is - Id - Ie + A Valor base de R - Nível de ruído Imperfeições que ocorrem em simultâneo com a voz: - nível de recepção da voz - distorção de sinal Imperfeições que ocorrem desfasadas em relação à voz: - atraso, ecos Factor de vantagem (tipo de rede). Imperfeições associadas ao equipamento: -CODECutilizado -Perdasna rede e descarte no receptor 19 Ie em função do Codec Ie (Codec) 50 40 30 20 10 G.711 G726 G728 GSM-EFR G723.1 G.729 AMR 0 0 10 20 30 40 50 60 Ritmo (kbit/s) Baseado em ITU-T G.113 + Alcatel Referência: PCM/G.711 (64 Kbit/s): Ie=0 Evolução de tecnologias de Codecs: G726, G.728, G723.1/G729/GSM-EFR, AMR. 20 10
Ie em função da Perda de Pacotes Ie (Codec) 55 50 45 40 35 30 25 20 G.729-A +VAD (8kbps) 15 G.723.1-A + VAD 6,3 kbps 10 GSM -EFR 12,2 kbps G.711+PLC (64 kbps) 5 AMR 12.2 kbps 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 % Perda de Pacotes Melhores escolhas: G.711, AMR 12.2 Kbps Novos Codecs: ilbc (IETF 13,3 kbps), SKYPE (proprietário). Baseado em ITU-T G.113. 21 Id em função do Atraso 30 Id (atraso) 20 10 175 ms 0 0 100 200 300 400 Atraso extremo a extremo (ms) Baseado em ITU-T G.113. 22 11
P.VTQ (Voice Transmission Quality) Análise não intrusiva do protocolo IP Baseado na informação dos pacotes RTCP- XR (RFC 3611) Relatórios de métricas de VoIP Estatísticas de perdas de pacotes (taxa de perdas, taxa de descarte, métricas de bursts) Atrasos (ida e volta, num sentido) Nível de sinal e de ruído, eco residual Métricas de qualidade da chamada (Factor R, MOS). 23 Conclusões de QdS em Voz É possível especificar requisitos de QdS para a rede e monitorizá-los com métodos não intrusivos; Ainda subsistem problemas de QdS que impedem a massificação de VoIP, em particular em redes de acesso com débitos baixos/médios (a esmagadora maioria a nível mundial); O trabalho de investigação do autor procura dar contributos para solucionar estes problemas de QdS de VoIP. 24 12
2. Resultados de Investigação em QdS de voz Atrasos na rede de acesso Fragmentação em linhas de baixo débito Comutação de Tramas com Fragmentação Dinâmica Aplicações de Comutação de Tramas com Fragmentação Dinâmica Trabalho futuro 25 Atrasos VoIP extremo a extremo 150-550 ms Terminal VoIP Codec/ Buffer Rede de Acesso Rede Core (Fixa, Móvel, Satélite) Rede de Acesso Terminal VoIP Codec/ Buffer 25 ms 20-50 ms 60 400 ms 20-50 ms 25 ms Objectivo da investigação: Reduzir o atraso e jitter na Rede de Acesso (Baseado em ITU-T G. 114) 1) Aumenta MOS devido a redução de atraso 2) Aumenta MOS devido a redução de perdas por descarte: - devido à redução do jitter - por permitir aumento do buffer. 26 13
Comutação de Tramas com Fragmentação Dinâmica (CTFD) Objectivos da CTFD: integrar as vantagens da comutação de circuitos (elevada QdS) com as vantagens da comutação de pacotes (elevada flexibilidade e eficiência) e compatível com as técnicas de QdS definidas para redes IP. Baseado no protocolo HDLC, a que se adicionam mecanismos de diferenciação de serviços e de melhoria de QdS para serviços de tempo real. Foram definidos 3 formatos de tramas, a que correspondem 3 camadas protocolares e 3 serviços de suporte (SAPa, SAPb, SAPc). SAPa SAPb SAPc SN INFOc BE Camada C Camada C H D L C INFOb FCS Camada B FLAG SC CI INFOa FLAG Camada A Camada A Camada B Podem ser definidas múltiplas Classes de Serviço (SC Service Class), que podem ser mapeadas nos parâmetros de QdS do nível superior (p. ex. em DiffServ, IntServ) Podem ser definidos múltiplos utilizadores em cada classe (CI Channel Id.) Preempção do canal por uma classe mais prioritária (fragmentação dinâmica), processo recursivo (SN Sequence Number, BE Begin/End) Tempo de atraso de serviço mais prioritário (voz) muito baixo (próximo slide). 27 Tempo de atraso com CTFD V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 V9 V10 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 ms t Trama de dados V1 D1 V2 D2 V3 D3 V4 D4 V5 D5 V6 D6 V7 D7 V8 D8 V9 D9 V10 Débito da linha (R) Frag. Dinâmica F. Estática (64 octetos) 56 Kbps 0,7 ms 9 ms 64 Kbps 0,6 ms 8 ms 128 Kbps 0,3 ms 4 ms 256 Kbps 0,16 ms 2 ms 512 Kbps 0,08 ms 1 ms 4*8bit TAtraso = R 64*8bit TAtraso = R 28 14
Comparação de CTFD com outras tecnologias de comutação Modos de Comutação X.25 Comutação de Pacotes FR Comutação de Tramas ATM Comutação de Células Qualidade de Serviço CTFD Comutação Dinâmica de Tramas TDM Comutação de Circuitos Multiplexa. Estatística Eficiência de utilização Atraso Comutação de Circuitos Não Baixa - Muito baixo X.25 Sim Elevada Alto FR com Fragm. Sim Elevada Baixo ATM (com AAL) Sim Elevada Baixo CTFD Sim Elevada Muito Baixo Overhead do protocolo QdS Nulo Sim Elevado Não Baixo/Médio Não/ Limitada Médio/ elevado Sim Baixo Sim (IP) 29 Patentes submetidas e relação com estado da arte Data Communication in Frame Mode for Differentiated Services Patente Internacional: PCT WO 02/089427, Novembro 2002. (EP1479196). Concessão provisória 24/11/2004. Transmissão de Pacotes Ponto-a-Ponto (PPP) com Garantia de Qualidade de Serviço Patente Nacional: PT 102737, Março de 2002. Comutação de Tramas (FR) com Garantia de Qualidade de Serviço Patente Nacional PT 10276, Abril de 2002. Sistema Integrado de Comunicação com Garantia de Qualidade de Serviço Patente Nacional PT 102802, Julho de 2002. WO 0045555, Escape Sequence Control for Multiplexing Real-Time Data with Non- Real-Time Data, DATA RACE, EUA, Aug. 2000. - Sequências de caracteres especiais são inseridos para indicar o início de dados de tempo real, com campo de tamanho de 6 bits. Aplicável apenas a protocolos estruturados ao octeto. Só permite dados de temporeal até 64 octetos. Só permite 2 prioridades de tramas (alta/baixa). US 5557608, Method and Apparatus for Transmission of High Priority Traffic on Low Speed Communication Links, IBM França/EUA, Sep. 1996. - Flags de início e fim de interrupção (9 bits e 10 bits) Não compatível com HDLC (requer HW dedicado). Só permite 2 prioridades de tramas (alta/baixa). 30 15
1 2 3 4 5 6 7 8 9 * 8 # Modem Bank Aplicações da tecnologia CTFD Projecto demonstrador Modem Voz/Dados Voz em acessos ADSL Voz em modo circuito (TDMoIP) 31 Projecto Demonstrador Modem Voz/Dados TALK / DATA TALK RS CS TR RD TD CD 32 16
Projecto Demonstrador Resultados Emissão Transmissão Recepção Dados Mux Demux Dados Fragmenta/ Codificador Agregador Linha Série Reagrupa Voz Interpol. (dados) Codificador G.729AB 2 amostras Escalona. Voz G.729AB Atraso 15 ms 10 ms X 4,2 ms (64octetos/56 kbps) 10 ms 39,2 ms + X F. Estática 11,6 ms 52,8 ms F. Dinâmica 2,2 ms 41,4 ms Atraso máx. (ms) Jitter máx. (ms) Eficiência (%) F.Estática (valor.teórico) 11,6 (9) 9 75 F.Dinâmica (valor.teórico) 2,2 (0,9) < 1 91 Ie(perdas)=0; Id(atraso)=0 MOS igual ao da voz em modo circuito usando o mesmo Codec. 33 Voz em acessos ADSL (1) ATM vs CTFD Voz Codificador G.729 Dados Agregador 1/2/4 amostras AAL/ATM vs CDFD Linha ADSL octetos octetos Voz Voz crtp/udp/ip 2 crtp/udp/ip 2 AAL2 (Voz) AAL5 (Dados) ATM 4 + PAD 5 CTFR (FR c/ Frag. Dinâmica) 1 5 ADSL Nível Físico ADSL Nível Físico ADSL sobre ATM ADSL sobre CTFD 34 17
Voz em acessos ADSL (2) Eficiência Eficiência [% ] 100 98 ATM 96 94 FR 92 CTFD 90 88 86 84 82 80 10 15 20 Atraso no emissor [ms] 25 30 Eficiência com 10% Voz e 90% Dados (1 e 2 amostras agregadas) Voz Dados Voz FDados EfATM = *0,1 + *0,9 EfFR = *0,1 + *0,9 53 N *53 5 + Voz 5 + FDados Voz Dados EfCTFD = *0,1 + *0,9 6 + Voz 6 + Dados 35 CTFD em Emulação de Circuitos Rede com topologia linear (multi-hop) 1 2 N-1 N TDM PPCA ATM R= 256, 512 Kbps N x 64 kbps FR-LFI CTFD 53*8 AtrasoATM = * N R 64*8 AtrasoFR = * N R 8 AtrasoTDM = * N R 5*8 AtrasoCTFD = * N R Atraso [ms] 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 128 256 Débito [Kbit/s] MOS igual ao de PSTN FR-64 ATM CTFD 36 18
Conclusões da Investigação Foi definido um novo modo de transferência de informação, caracterizado por combinar as vantagens da QdS da comutação de circuitos com a eficiência e flexibilidade da comutação de pacotes. Foram dados contributos para a melhoria da QdS, nomeadamente de serviços de voz : Em redes de acesso de baixo e médio débito Na emulação de circuitos sobre redes IP. 37 Trabalho de investigação em curso em QdS e perspectivas futuras Avaliação de QdS de Voz e de Vídeo em redes de acesso PLC (Projecto Europeu em curso) Aplicação de CTFD em redes sem fios (Mestrado/Doutoramento) Monitorização e Optimização de QdS de Voz em tempo-real em conversações VoIP em redes fixas, móveis e sem fios (Mestrado/Doutoramento, colaboração com Indústria). 38 19