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Telefonía IP - 3ditdit

Transporte de voz empaquetadaTransporte de voz empaquetada

� Introducción

� Codificación y empaquetado de voz

� Calidad de servicio

� Protocolos de tiempo real RTP y RTCP

� Cálculo de sobrecarga y compresión de cabeceras


Voz sobre IP (Voz sobre IP (VoIPVoIP): motivaciones): motivaciones ☺☺☺☺☺☺☺☺

� Reducción de costes:

� mejor aprovechamiento de la capacidad de transmisión

� equipos de red más baratos

� simplificación de tareas gestión y operación

� Integración de servicios existentes, por ej.

� acceso a Internet (web, correo-e,…), telefonía y TV

� Desarrollo de nuevos servicios

� conferencias multimedia

� mensajería unificada (voz, correo-e, fax)

� indicación de presencia

� “click-to-talk” en páginas web

� servicios suplementarios programables por el usuario

...


Voz sobre IP: dificultades Voz sobre IP: dificultades ��

� Conmutación de paquetes (best effort) no pensada para este tipo de tráfico. Introduce efectos negativos que deben contrarrestarse:

� Retardo extremo a extremo grande y variable

- tiempo de espera en colas

� Posibilidad de pérdidas y desorden de paquetes

� Consumo extra de capacidad

- cabeceras de protocolos añadidas a cada paquetes de voz

� Seguridad y alta disponibilidad del servicio

Excelente Buena Pobre Inaceptable

0 150 300 450 (ms unidireccionales)

Calidad PercibidaExcelente Buena Pobre Inaceptable

0 150 300 450 (ms unidireccionales)

Calidad Percibida

� El servicio telefónico tiene requisitos estrictos de calidad de servicio (QoS), especialmente de retardo extremo a extremo


Voz sobre IP: funciones necesariasVoz sobre IP: funciones necesarias

� Transporte de voz

� Codificación y empaquetado

� Mecanismos adicionales para contrarrestar deficiencias

- buffer en recepción, enmascaramiento de errores, cancelación de eco, compresión de cabeceras,...

(algunos alivian un problema pero empeoran otro)

- si se usan mecanismos de QoS, o se sobredimensiona la red, las deficiencias a contrarrestar serán menores

� Protocolos para establecer y liberar llamadas, negociación de códecs, localización y movilidad, etc.

� Diversidad de protocolos de señalización

� Mecanismos de seguridad (autenticación, cifrado, integridad)

� Redundancia de equipos y enlaces


CodificaciCodificacióón y empaquetadon y empaquetado

Señal de audio

Codificación

Empaquetado

Señal de audio

Decodificación

Desempaquetado

• Limitaciones de capacidad• Pérdidas• Retardos

DestinoOrigen

Red IP


Tipos de cTipos de cóódecs de vozdecs de voz

� Pulse Code Modulation (PCM)

� G.711 (64/56/48 kbit/s) y G.722 (id. con 7 kHz)

� Adaptive Differential PCM (ADPCM)

� Ej: G.726 (40/32/24/16 kbit/s)

� Linear Predictive Coding (LPC)

� Representación parametrizada de la voz

� Códecs de baja velocidad- G.723.1 MP-MLQ/ ACELP (6,3/5,3 kbit/s)

- G.728 LD-CELP (16/12,8/9,6 kbit/s)

- G.729 CS-ACELP (12/8/6,4 kbit/s)

ACELP Algebraic-Code-Excited Linear Prediction LD-CELP Low-Delay Code-Excited Linear Prediction

CS-ACELP Conjugate-Structure ACELP MP-MLQ Multipulse Maximum Likelihood Quantization


ElecciEleccióón del cn del cóódec: criteriosdec: criterios

� Factor de compresión (con respecto a 64 kbit/s):

� Ej.: 2:1 (G.721 32 kbit/s), 8:1 (G.729 8 kbit/s)

� Complejidad:

� Habitualmente: compresión ⇑ → CPU Códec ⇑

� Retardo:

� Codificador: proceso trama (n) [+ inspección (n+1)]

� Decodificador: 0,5 * retardo codificador (típico)

� Calidad:

� Subjetiva (MOS = Mean Opinion Score)

� Robustez frente a pérdidas/errores

� Posibilidad de supresión de silencios:

� Permite reducir la tasa media de cada conversación un 50% aproximadamente


CCóódecs ITUdecs ITU--TT

Tasa binaria(kbit/s)

Complejidad(MIPS)

Retardocodificador(ms)

Calidad(MOS)

Tipo decodificación

Robustez frente a errores

G.711 G.721 G.726 G.727 G.728 G.729 G.723.1

64 3216/24/32/40

16/24/32/40

16 8 6,3/5,3

0,1 10 12 12 33 22 16/18

0,125 0,125 0,625 0,125 0,125 15 37,5

4,2 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 3,9/3,7

PCM ADPCM ADPCM ADPCM LD-CELPCS-

ACELPMP-MLQ/

ACELP

GSM FR

13

2,5

20

3,6-3,8

RPE-LTP

- + + + - - ++ - ++


TamaTamañño de paqueteo de paquete

� Para un tamaño de cabecera dado, compromiso entre:

� Eficiencia � carga útil más larga

� Retardo � carga útil más corta

Muestrasde voz

···

Bloques de octetosa la salida del códec

Paquetes

Cabecera

···

···

Carga útil


FluctuaciFluctuacióón de retardo (jitter)n de retardo (jitter)

� Buffer amortiguador en el receptor:

� Retrasar la reproducción del primer paquete e ir almacenando en el buffer

� A partir del primero extraído, extraer el resto con cadencia constante

Red depaquetes

Red de

paquetes

A B C

� Efecto:

� ☺ Elimina el jitter...

� ... a costa de aumentar el retardo total �


PPéérdida de paquetesrdida de paquetes

� Factores de pérdidas:

� Errores y descartes por congestión en la red

� Paquetes que llegan con retardo excesivo

� Soluciones:

� Los requisitos de retardo desaconsejan el empleo de retransmisiones (ej. no se usa TCP, sino RTP/UDP)

� Añadir redundancia para corrección de errores es posible, pero aumenta la sobrecarga - ej. RTP payload for redundant audio data (RFC 2198)

� Disimular las pérdidas en el receptor:- Sustitución por algo menos molesto que un “click”, por ej. silencio, ruido de fondo, muestras calculadas por interpolación,…

- Entrelazado de bloques de voz: hace menos audible la pérdida de un paquete pero introduce retardo de entrelazado


CancelaciCancelacióón de econ de eco

5 10 20 30 50 100 200 300

Retardo medio en un sentido (ms)

(Rec. UIT-T G.131)

0

Inaceptable

Aceptable

10

20

30

40

50

60

dB

Ate

nu

ació

n d

el eco

(d

B)

1% de usuariosinsatisfechos

10% de usuariosinsatisfechos

� Necesaria si retardo i/v > 50ms

� Fuentes de eco en VoIP son las

mismas que en telefonía

convencional:

� Eco eléctrico si hay híbridas

� Eco acústico si el terminal es

propenso a ello (PC y móviles)

� Diferencia con respecto a voz sobre

circuitos:

� En VoIP se pueden requerir

canceladores incluso para distancias

cortas

� Dónde se cancela el eco:

� Terminal (eco acústico)

� Pasarela (eco eléctrico)


Mecanismos de calidad de servicioMecanismos de calidad de servicio

� Conveniencia de mecanismos que den trato preferente a la voz (y a la señalización asociada) frente a otros tipos de tráfico (ej. datos sin requisitos de retardo)

� La disponibilidad de este tipo de mecanismos depende de la red considerada

� Redes ATM: mecanismos de QoS normalizados incluidos desde el principio

� Redes IP: diversidad de propuestas de mecanismos añadidos para “mejorar best effort”

- Servicios integrados (IntServ)- Servicios diferenciados (DiffServ)- Ingeniería de tráfico con MPLS (MPLS-TE)…


Voz sobre IP sobre redes locales inalVoz sobre IP sobre redes locales inaláámbricasmbricas((VoWLANVoWLAN, , VoWiVoWi--FiFi))

� El acceso a servicios de VoIP a través de redes locales inalámbricas (IEEE 802.11 o Wi-Fi) agrava los problemas generales de calidad de servicio que tiene VoIP, debido a:

� mayor tasa de error en el interfaz radio, más sobrecarga de protocolos, colisiones, traspaso de llamadas entre puntos de acceso no es suficientemente rápido para la voz, interfaz radio más vulnerable

� Soluciones específicas

� planificación más exigente de cobertura y capacidad de los puntos de acceso

� mecanismos propietarios (ej. Spectralink Voice Priority)

� mecanismos normalizados:

- IEEE 802.11e para calidad de servicio

- IEEE 802.11i para seguridad

- IEEE 802.11r (borrador) para traspaso rápido


RTP (Real Time Protocol)RTP (Real Time Protocol)

� Grupo AVT (Audio/Video Transport) del IETF

� RFC 1889 (1996), RFC 3550 (2003)

� Estándar de facto para la transmisión de audio y vídeo sobre IP

� Define dos protocolos:

� RTP (Real Time Protocol): transporte de información

� RTCP (Real Time Control Protocol): mensajes de control

� Asume el transporte imperfecto sobre IP y ofrece información para ayudar a las aplicaciones a contrarrestar sus efectos

� no reserva recursos ni garantiza una calidad mínima

� Secure RTP, RFC 3711 (2004), permite cifrado y autenticación de los mensajes de RTP y RTCP


Funciones de RTP/RTCPFunciones de RTP/RTCP

� RTP - Transporte de datos (medios) en tiempo real, junto con información auxiliar fundamentalmente para:

� Formato de carga útil: códec, nº octetos/paquete, ...Payload Type

� Detección de pérdida/desorden de paquetesSequence Number

� Reconstrucción de base de tiemposTimestamp

� RTCP - Realimentación opcional (recomendable)

� Informes de cantidad de paquetes enviados y recibidos, pérdidas, jitter observado,...

� Otras funciones relacionadas con comunicaciones multipunto

� Normalmente utilizan UDP como transporte

RTP

UDP

IP

Nivel 2


Flujos RTP/RTCPFlujos RTP/RTCP

Red IP

RTP

UDP

IP

Nivel 2

RTP

UDP

IP

Nivel 2

IP

Nivel 2

IP

Nivel 2

IP

Nivel 2

IP

Nivel 2

RTCP

UDP

IP

Nivel 2

RTCP

UDP

IP

Nivel 2

IP

Nivel 2

IP

Nivel 2

IP

Nivel 2

IP

Nivel 2

TerminalVoIP

TerminalVoIP

RTP

RTCP

RTCP usa elpuerto UDPinmediatosuperior al queuse RTP


CCáálculo de tasa de envlculo de tasa de envíío por cada llamadao por cada llamada

Nivel 2IP

20 octUDP8 oct

Carga útil

Cabeceras RTP/UDP/IP = 40 octetos

n octetos

En algunos casos más del 90% del paquete de voz son cabeceras(tasa de envío >> tasa nominal del códec)

CódecTasa

nominal

Tamaño decarga útilen octetos

(n)

160

G.711(1 oct. c/ 125us)

64 kbit/s

20G.729

(10 oct. c/ 10ms)8 kbit/s

10

80

40

40

Tasa de envío en kbit/s

80

24

40

IP(L2=0)

IP/PPP(L2=6)

82.4

26.4

44.8

96 100.8

128 137.6

16 17.2

Retardoempaquetado

en ms

20

20

10

10

5

40

RTP12 oct

L2 oct.

IP/AAL5

106

127.2

42.4

84.8

169.6

21.2


CompresiCompresióón de cabecerasn de cabeceras

� La compresión de cabeceras RTP/UDP/IP permite reducir su tamaño en un orden de magnitud aprox.: de 40 octetos a 4 octetos (ej. cRTP, RFC 2508; ROHC, RFC 3095)

� Se realiza enlace a enlace (más frecuentemente en el acceso)

� Ejemplo para G.729 a 8 kbit/s y bloques de 40 octetos (40 ms)

� Sin compresión de cabeceras:

- Factor de sobrecarga = 6 (nivel 2) + 40 (RTP/UDP/IP) + 40 (voz) / 40 = 2,15

- Tasa por llamada = 8 x 2,15 = 17,2 kbit/s

� Con compresión de cabeceras:

- Factor de sobrecarga = 6 (nivel 2) + 4 (RTP/UDP/IP) + 40 (voz) / 40 = 1,25

- Tasa por llamada = 8 x 1,25 = 10 kbit/s

(17,2/10 = 1,72 veces más llamadas con la misma capacidad)


BibliografBibliografííaa

� O. Hersent, D. Gurle, J. Petit, IP Telephony - Packet-basedmultimedia communications systems, Addison-Wesley, 2000.

� J. Janssen y otros, “Assessing Voice Quality in Packet-Based Telephony” y otros artículos en IEEE Internet Computing, vol. 6, nº 3, mayo/junio 2002.

� T.J. Kostas y otros, “Real Time Voice Over Packet-Switched Networks”, IEEE Network, enero 1998.

� H. Schulzrinne, “The IETF Internet Telephony Architecture and Protocols”, IEEE Network, vol. 13, nº 3 (número especial sobretelefonía en Internet), mayo 1999.

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