Introdução a Voz sobre IP

Ao contrário dos sistemas de telefonia pública em comutação de circuitos, a tecnologia  de voz sobre IP VoIP(Voice over IP) utiliza a comutação de pacotes para a transmissão de voz. A voz acústica é digitalizada e embutida num pacote VoIP. O VoIP utiliza datagramas[1] IP para o transporte dos pacotes. O cabeçalho dum pacote VoIP é ilustrado na figura a seguir:

cabecalho voip

Cabeçalho VoIP

Notemos que o cabeçalho depende do tamanho do Codec de voz, mas apenas sem o tamanho o mesmo já tem 40 bytes[2]. O Codec G.729 sem compressão, possui 20 bytes. Isso faz com que o pacote possua 60 bytes, uma sobrecarga desnecessária no ambiente de voz. Mais adiante falaremos de técnicas para controlar estes inconvenientes.

O protocolo TCP (i.e. Transport Control Protocol) não é recomendado para esse transporte, porque é um protocolo com garantia de entrega que baseia-se na confirmação do emissor e retransmissão em caso de perca de pacotes. Essa retransmissão pode acarretar problemas de atraso na comunicação, num ambiente que necessita de ser totalmente interactivo.

O protocolo UDP (i.e. User Datagram Protocol) ao contrário não possui garantia de entrega de pacotes e possui um cabeçalho menor em relação ao protocolo TCP. A figura abaixo ilustra como é feita a conversão da sinalização da voz da rede de comutação de telefonia pública para sinalização da rede de comutação em pacotes e sua transmissão:

Mudança de sinalização VoIP

Pela figura acima, um terminal realiza uma chamada a uma rede remota utilizando a rede global conhecida como Internet. A Gateway[3] atrás da Internet realiza a conversão da voz em comutação de circuitos para comutação de pacotes e a Gateway do outro extremo realiza conversão de sinalização inversa, isto é de pacotes para circuitos.

Nos Backbone’s na Internet é necessário garantir que o atraso seja o mais constante possível e não exista variação de atraso de modo a garantir uma comunicação com qualidade. Por isso são necessárias técnicas de Engenharia de Tráfego e Qualidade de Serviço, conforme veremos nos capítulos a frente.


Fonte: BAIÃO, Nataniel [Implementação duma rede Voz sobre IP num ambiente Multi-Serviços: Usando ambiente de simulação por computador para projectar Qualidade de Serviço, UCAN]

[1] Informação sendo transportada na camada de transporte do modelo OSI

[2] 1 byte equivale a 8 bits

[3] Dispositivo de fronteira entre redes e/ou tradução de protocolos.

O processo de Digitalização da Voz

Para entender melhor a razão técnica da adopção do VoIP é necessário perceber bem o processo de Digitalização da Voz, até chegar ao VoIP. Comunicações analógicas, sempre foram usadas nas transmissões. No entanto por causa da sua falta de eficiência, sentiu-se a necessidade de se adoptar outra técnica de transmissão.

Um dos motivos que levou a isso foi os demasiados erros de transmissão que as transmissões analógicas comportam. Com o aumento da distância na transmissão de informação, a amplitude do sinal degrada, tornando difícil, separa-lo do ruído de transmissão. Quando o sinal é amplificado, o ruído também é amplificado, tornando a informação irreconhecível.

A forma de onda da comunicação digital foi modulada de tal forma que existam apenas dois estados binários, o Zero e o Um. Dessa forma é mais simples separa-lo do ruído de comunicação.

A conversão do sinal analógico para o digital, comummente usada em ambientes tradicionais de voz é a Modulação Codificada por Pulsos o PCM (i.e. Pulse Code Modulation) definido pela ITU-T G.711.

Faixa de frequências

O domínio das frequências de voz está situado entre os 8 Hz a 12kHz. Na banda entre os 150 Hz e 8kHz o espectro é mais concentrado. A ITU-T na recomendação G.132 e G.151 determina que em sistemas telefónicos a faixa de frequência utilizada esteja entre os 300 Hz e os 3.4kHz.

Amostragem

Para a digitalização do sinal e realizada a amostragem do sinal filtrado usando a Modulação PAM (i.e. Pulse Amplitude Modulation) que converte o sinal analógico original num trem de pulsos com amplitude e frequência constantes. Este trem de pulsos move-se a uma frequência constate conhecida como frequência de amostragem.

O sinal de voz pode ser amostrado a milhões de ciclos por segundo ou a pequenos ciclos por segundo. O sinal analógico de voz é recriado usando o teorema de Nyquist[1], segundo o qual, a frequência necessária para recriar o sinal original de voz, ou seja a frequência de amostragem, tem de ser maior que duas vezes a mais alta frequência do sinal original de voz. A frequência de amostragem pode ser determinada pela expressão abaixo:

Onde:

Fa – É a frequência de amostragem.
BW – É a largura de banda do sinal original de voz.

Como a frequência mais alta do sinal são 3.4kHz então o sinal original pode ser reconstruído sem distorção a frequência de 8kHz.

Quantificação

A quantificação tem por objectivo atribuir valores discretos de amplitude ao sinal amostrado. Esta operação introduz distorção no sinal, que é geralmente conhecido como ruído de quantificação. O erro de quantificação, está associado ao intervalo de quantificação. O intervalo de quantificação q possui um determinado número de amostras e representa-as pelo centro do seu intervalo Xi. Se for retirada uma amostra do sinal X(t) no instante X(ti) cujo centro do intervalo de quantificação é definido por Xi. A figura abaixo ilustra isso:

Quantificação no processo de amostragem do sinal

Considere-se uma amostra do sinal X(t) tirada no instante ti a qual se encontra no intervalo Xi+q/2>X(ti)>Xi-q/2. Esta amostra irá ser quantificada pelo nível Xi. O erro de quantificação será definido por Eq = Xi – X. Onde X= X(ti).

Codificação

O processo de codificação, consiste em transmitir os níveis de quantificação usando-se códigos binários, a fim de aproveitar a imunidade ao ruído das transmissões digitais, conforme a figura a seguir:

Codificação no Processo de amostragem do sinal

O número de bits necessários para representar cada amostra é dado pela equação abaixo:

Expressao para determinar Numero de bits

Onde L é o numero dos níveis de quantificação. Como a cada amostra são atribuídos 8 bits e a frequência de amostragem é igual a 8kHz, então temos um débito de 64kbps (i.e. 8 bits x 8kHz=64kbps).

Fontes:

1 – Joao J. O. Pires [Sistemas e Redes de Telecomunicações, Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores
Instituto Superior Técnico]

2 – BAIÃO, Nataniel [Implementação duma rede Voz sobre IP num ambiente Multi-Serviços: Usando ambiente de simulação por computador para projectar Qualidade de Serviço, UCAN]

 


[1] Engenheiro. Contribuiu para a teoria da informação

A importância das redes Voz sobre IP

Com o aumento da necessidade de comunicação entre entidades comerciais e administrativas, o uso da Internet e das comunicações de voz como meio de inter-relacionamento assumiu uma importância nunca antes vista. Com a criação da WWW (i.e World Wide Web) a partir do fim dos anos 80, início dos anos 90 e o aumento do número de clientes da Internet, as entidades comerciais e administrativas notaram que não havia uma integração entre os dados e a voz.

Uma entidade tinha de ter uma rede de dados e uma rede de voz. Isto tinha consequências, como o aumento de custos e a dificuldade técnica de instalação, gerenciamento e manutenção. Por exemplo, uma universidade tinha de gastar recursos financeiros elevados, apenas para interligar os seus campus em diferentes localizações geográficas.

 

Em Angola entidades governativas a nível mesmo de municípios e comunas continuam a debater-se com problemas de custos de chamadas telefónicas não autorizadas e controladas, devido a dificuldade de se controlar, quem chama, quanto chama e quando chama.

O padrão de comunicação que permite reduzir custos de chamadas de voz e adiciona facilidades de gerenciamento e controlo chama-se VoIP (i.e. Voice over IP) ou Voz sobre IP. Este padrão veio tirar proveito da larga escalabilidade da Internet uma rede globalmente estabelecida, e dos seus modelos de comunicação, como o modelo OSI (i.e. Open Systems Interconnection) ou o modelo TCP/IP (i.e. Transport Control Protocol/Internet Protocol), para estabelecer ligações de voz a partir da Internet.

 

Talvez nos perguntemos porque não era possível antes fazer-se isso. Na verdade, sempre foi possível, dado que a maior parte dos protocolos estavam já criados ou em fase de criação. O único problema foi sempre o transporte. Os meios físicos de transporte de dados dos anos 70 não tinham o débito necessário para suportar grandes dimensões de dados, quanto mais de voz.
Com o passar dos anos e o advento de tecnologias e meios de transporte, como as fibras ópticas e a criação de padrões de Qualidade de Serviço, ou técnicas de engenharia e controlo de tráfego para controlar o alto débito binário da multiplexagem TDM[1] então o conceito e adopção de VoIP foi ganhando mais aceitação e mais investimentos, como temos verificado até hoje.

Fonte: BAIÃO, Nataniel [Implementação duma rede Voz sobre IP num ambiente Multi-Serviços: Usando ambiente de simulação por computador para projectar Qualidade de Serviço]


[1] A informação é transmitida em fatias de tempo