Planeamento e Projecto de Redes Capítulo 2 Serviços em Telecomunicações João Pires Planeamento e Projecto de Redes (09/10) 61
Serviços Objectivo das redes de Telecomunicações: fornecer serviços aos clientes que estão sobretudo interessados no tipo, qualidade e custo Importa definir classes de serviços permite definir as características que as técnicas e tecnologias utilizadas pelas redes de telecomunicações devem apresentar João Pires Planeamento e Projecto de Redes (09/10) 62
Classificação dos Serviços (quanto às direcções de transferência de informação) Distribuição (difusão) Fluxo contínuo de informação (unidireccional) de uma fonte central para vários utilizadores (ex: difusão de televisão) Classes de serviços Conversacionais Transferência de informação bidireccional em tempo real (telefonia, vídeo-conferência) Interactivos Fluxo de info bi-direccional Consulta Mensagens Consulta de informação guardada em centros de informação públicos na rede (WWW) A troca de informação sem ser em tempo real entre utilizadores com funcionalidades de armazenamento (correio electrónico) João Pires Planeamento e Projecto de Redes (09/10) 63
Classificação dos serviços (quanto às exigências feitas às redes) Largura de banda Capacidade de transporte disponível nas ligações da rede para fornecer um dado serviço ao utilizador. Varia entre alguns khz para a telefonia até vários MHz para a televisão. Critérios Simetria/ assimetria da comunicação Os serviços que requerem um débito inferior a 2 Mbit/s, designam-se de banda estreita. Por sua vez os que requerem um débito superior a esse valor de banda larga. A comunicação faz-se nos dois sentidos (comunicação simétrica) ou preferencialmente num sentido (assimétrica). Difusão/ Comutado Serviço difundido: a mesma informação chega todos os clientes. Serviço comutado: diferentes clientes obtêm informação diferente. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (09/10) 64
Classificação dos Serviços (quanto às formas de representação da informação) Classes de serviços Multimédia Monomédia Usam várias formas de representação de informação num único serviço áudio vídeo Usam uma única forma de representação de informação no serviço dados Rede pública de dados Internet João Pires Planeamento e Projecto de Redes (09/10) 65
Digitalização de um Sinal Analógico (PCM) A digitalização de um sinal envolve as seguintes etapas: filtragem, amostragem, quantificação e codificação. A filtragem é realizada de modo a garantir que o espectro do sinal não apresenta componentes espectrais superiores a um valor B. A amostragem consiste em retirar amostras do sinal a intervalos de tempo regulares designados por T a. (período de amostragem). O valor de T a é obtido a partir da frequência de amostragem f a (T a =1/ f a ), a qual é dada por f a 2B. A quantificação permite discretizar as amplitudes das amostras, num conjunto finito. A codificação permite atribuir a cada nível de amplitude gerado pelo quantificador uma palavra binária com N b bits, gerando um sinal PCM (Pulse Code Modulation) com um débito binário igual a D b =N b f a. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (09/10) 66
PCM:Exemplo Exemplificação a digitalização de uma sinal Tensão (V) Sinal Analógico Tensão (V) Sinal Amostrado (T a =0.25 μs) 1 1 0.5 0.5 0 0.25 0.5 0.75 1.0 t (μs) 0 0.25 0.5 0.75 1.0 t (μs) f a = 4 Mamostra/s Sinal Quantificado Tensão (V) 1 0.5 0 0.25 0.5 0.75 1.0 111 110 101 100 011 010 001 000 t (μs) Tensão (V) 5 0 Sinal Codificado 000 011 110 010 000 0 0.25 0.5 0.75 Sinal PCM D b =3x4x10 6 =12 Mb/s 1.0 t (μs) 1.25 João Pires Planeamento e Projecto de Redes (09/10) 67
Canal de Voz e Débito da Voz Digitalizada A voz humana cobre as frequência entre os 100 a 7000 Hz. Porém a maior parte do conteúdo inteligível situa-se entre a banda de 300-3400 Hz, chamada banda da voz. Por sua vez admite-se que a banda do canal de voz (telefónico) se situa entre 0 e 4 khz. Banda do canal de voz Amplitude ou tensão Banda da voz As rec. G.132 e G.151 da ITU-T indicam a banda atribuída ao sinal de voz de 300-3400 Hz 0 300 3400 4000 Frequência (HZ) Na digitalização do sinal de voz considera-se que B é igual à banda do canal ou seja 4 KHz e como frequência de amostragem f a = 8 kamostra/s. A codificação do sinal também é feita com N b =8 bit/amostra. Período de amostragem T a =125 μm Débito binário D b =f a N b =64 kb/s João Pires Planeamento e Projecto de Redes (09/10) 68
Características de Diferentes Sinais Parâmetro Voz (telefonia) Televisão Música (transmissão) Música (gravação) Frequência de amostragem (Kamostra/s) 8 10 368 (luminância) 32 44.1 Codificação não uniforme uniforme uniforme uniforme Dimensão da palavra PCM (bits) 8 8 12 16 Débito Total 64 166 Mb/s 384 705.6 (kbit/s) No caso do sinal de voz (telefonia) usa-se uma codificação logarítmica: lei A com 13 segmentos (Europa) ou lei μ (EUA e Japão) com 15 segmentos. No caso da televisão digital (ITU-R 601) têm-se 25 imagens/s, 720 576 amostras de luminância, 360 576 amostras de cada uma duas crominâncias e 8 bits/amostra, o que conduz a um sinal PCM com um débito de (720 576 + 2 360 576) 8 25 bit/s = (720 576) 16 25b/s 166 Mb/s. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (09/10) 69
Características de Sinais de Vídeo Parâmetro Televisão de alta-definição Televisão digital Videotelefonia Videoconferência Resolução espacial (pixel) 1920 x 1080 720 x 576 360 x 288 180 x 144 Resolução de cor (bit/pixel) 20 16 12 12 Resolução temporal (imagem/s) 25 25 30 15 Débito Total 1036.8 165.9 37.3 4.67 (Mbit/s) Débito comprimido (Mbit/s) 10-20 2-6 0.3-2 0.04-0.3 Na Internet e na televisão usam-se técnicas de compressão baseadas nas normas MPEG2 e MPEG2 da ISO e a nível da vídeoconferência ou da videotelefonia usamse as normas H. 261 e H.263 do ITU. Fonte: Rui Sá, SRT, FCA, p.36, 37 João Pires Planeamento e Projecto de Redes (09/10) 70
Super Hi-Vision/Ultra- HDTV Comparação da ultra-hdtv (UHDTV) com outros formatos Fonte: Wikipedia A UHDTV apresenta uma resolução de 7680 4320 pixels, ou seja apresenta uma resolução cerca de 16 vezes superior à HDTV. O débito binário requerido é de 24 Gb/s o qual foi possível ser comprimido para valores entre 180 e 600 Mbit/s. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (09/10) 71
Codificadores de Voz Os codificadores de voz dividem-se em codificadores de forma ou onda (temporais) e codificadores de voz (vocoders). Os primeiros baseiam-se no facto de em certos sinais (voz, vídeo) a amplitude da amostra variar pouco de amostra para amostra (forte correlação entre as amostras). Transmite- se a diferença entre as amostras o que requer um número de bits menor. No caso da voz para débitos entre 24 40 kb/s a qualidade é boa, mas degrada-se rapidamente para valores da ordem dos 16 kb/s. Os codificadores de voz baseiam-se na síntese de voz e são usados para débitos baixos (1.2-2.4 kb/s) e a qualidade é fraca. Para débitos entre 6-16 kb/s usam os codificadores híbridos que combinam o melhor dos vocoders e dos codificadores de forma. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (09/10) 72
PCM diferencial No DPCM transmite-se a diferença entre o valor real de uma amostra e uma estimativa dessa amostra, obtida a partir das amostras anteriores. Como essa diferença é inferior ao valor absoluto da amostra, a informação a transmitir é reduzida. Redução do Transmissor DPCM débito binário Sinal analógico s(t) Filtro passa baixo + - Amostragem Integrador Quantificador Descodificador DPCM Codificação de voz: 16/24/32/40 kbit/s Receptor DPCM DPCM Descodificador Integrador Filtro passabaixo sˆ ( t) No DPCM adaptativo (ADPCM) as características do integrador são ajustada ao longo do tempo João Pires Planeamento e Projecto de Redes (09/10) 73
Codificador LPC No codificadores LPC (Linear Predictive Coding) não se transmite o sinal de voz, mas um conjunto da parâmetros que caracterizam o sinal e que permite ao receptor fazer a síntese da voz. Requer a distinção entre sons vozeados (vibração das cordas vocais) e não vozeados(fluxo de ar modelado pelos articulantes). Sons não vozeados Sons vozeados Gerador de ruído branco Gerador de impulsos Filtro que modela o tracto vocal Filtro transversal Sinal de voz sintetizada pseudo-período tipo de voz ganho coeficientes do filtro + Parâmetros codificados enviados pela fonte DOD LPC10 Frequência de amostragem = 8 khz; Comprimento da trama= 180 amostras 22.5 ms Filtro: 42 bits; Pseudo-período e tipo de voz= 7 bits; ganho=5 bits; 54 bits/trama= 2. 4 kb/s João Pires Planeamento e Projecto de Redes (09/10) 74
Qualidade de Diferentes Codificadores de Voz A qualidade da voz é medida normalmente usado testes subjectivos designados por MOS (mean opinion score). Nestes testes os codificadores de onda (ex: DPCM) têm a classificação máxima e os vocoders (Linear Predictive Coding) os piores resultados Qualidade da voz Excelente Boa Razoável Mediocre 5 4 3 2 Codificadores híbridos Codificadores de onda PCM (64 kb/s) 4.2 ADPCM (40 kbit/s) 4.2 ADPCM(32 kbit/s) 4 ADPCM (16 kbit/s) 2 Má 1 Codificadores LPC 1 2 4 8 16 32 64 Débito Binário (kb/s) ADPCM: Adaptative Differencial PCM João Pires Planeamento e Projecto de Redes (09/10) 75
Voz sobre IP (VoIP) Na transmissão de voz sobre IP (Internet Protocol), ou VoIP (Voice over IP) a sinal de voz depois de digitalizado é segmentado em pacotes e transportado como datagramas IP. Como protocolo de nível 4 usa-se o UDP (User Datagrama Protocol), em vez do TCP, já que é mais rápido do que este. Uma das normas mais usadas para o transporte de voz sobre IP/UDP é a recomendação do ITU-T H.323. Esta norma define nomeadamente os codecs de voz a usar, assim como protocolos de sinalização e transferência de informação. Como numa rede IP os pacotes podem ser perdidos, atrasados ou corrompidos, a norma H.323 define o protocolo RTP (Real-time protocol) para aumentar a fiabilidade das transmissão. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (09/10) 76
Voz sobre IP (débitos) O protocolo RTP permite que os pacotes cheguem ordenados. Quando os pacotes são perdidos ou sofrem grande atraso, o sinal de voz é interpolado baseado nas amostras anteriores. Usam-se, normalmente na codificação da voz os codecs híbridos, como por exemplo o G. 723.1. Este codec origina um débito de 6.4 kbit/s e apresenta um valor de MOS de 3.9. Será de notar que os cabeçalhos RTP/UDP/IP vão aumentar significativamente aquele valor do débito, originado valores de 17 kbit/s. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (09/10) 77
Formação dos Pacotes IP A codificação é feita em tramas. À trama comprimida são adicionados os diferentes cabeçalhos. Voz A/D Amostra Trama comprimida Cabeçalho RTP Cabeçalho UDP Cabeçalho IP Tramas comprimidas RTP UDP IP João Pires Planeamento e Projecto de Redes (09/10) 78
VoIP e Soft Switches No caso em que usa VoIP a comutação do sinal de voz terá de ser feita usando soft switches. Um soft switch inclui um VoIP media gateway e Call Agent. O primeiro é responsável por fazer a conversão dos sinais de voz recebidos via TDM em pacotes IP e pelo seu encaminhamento na rede MPLS. O segundo é responsável pela implementação do protocolo de sinalização. PSTN PSTN SS7 PSTN PSTN Soft Switch LSR LSR Soft Switch Media Gateway SS7: Sistema de sinalização nº7 LER Rede MPLS LER Call Agent LSR LSR João Pires Planeamento e Projecto de Redes (09/10) 79