Determinaçao do consumo de débito binário em Voz sobre IP

No artigo passado realizamos uma pequena introdução sobre a tecnologia VoIP. No artigo de hoje pretendemos pois, abordar aspectos basilares relacionados ao consumo de debito binário tão escassos e necessários para a tecnologia VoIP.
Como dizíamos, o consumo de débito binário nesta tecnologia é um factor importante porque os recursos de débito binário numa rede de comutação de pacotes são sempre escassos.

Em Angola até este ano muitos provedores de serviço oferecem como débito binário para ligações em feixes Hertzianos no máximo 512kbps. Alguns provedores a cabo oferecem no máximo 8Mbps. Considere a rede da figura abaixo.

Fig 1.1: Mudança de sinalização VoIP

Supondo que cada telefone possui um débito binário de 64kbps, se não fossem aplicadas técnicas de controlo de consumo de débito binário teríamos de compartilhar este débito binário, o que daria cerca de  512kbps / 32 = 16kbps por cada terminal supondo que todos estão a comunicar ao mesmo tempo. Para garantir débito necessário pode-se recorrer a técnica de compressão de pacotes.

As técnicas de controlo de consumo de débito binário em ambientes VoIP dependem também do tipo de Codec utilizado.

O Codec é o componente necessário para transformar o sinal de voz analógico em digital e é implementado por meio de PDS’s (i.e. Processadores Digitais de Sinais) em Gateway’s da rede VoIP.

Para melhor determinação do débito binário, são necessários conhecimentos do consumo de débito binário por cabeçalho na camada de transporte. A tabela 1.1 possui os valores e consumo em bytes:

Tabela 1.1: Consumo de débito binário por protocolo em bytes

Cabeçalho ou Protocolo	Consumo em Bytes
IP (Internet Protocol)	40
TCP (Transport Control Protocol)	20
UDP (User Datagram Protocol)	8
RTP (Real-time Transport Protocol)	12
cRTP (compressed Real-time Transport Protocol)	2 ou 4
MP (Protocolo Multilink Ponto-a-Ponto) ou Protocolo Frame Relay fórum (FRF).12	6
End-of-Frame no protocolo MP e frames do Frame Relay	1
Cabeçalhos Camada 2 no Protocolo Ethernet	18
Frame Check Sequence (FCS) ou Cyclic Redundancy Check (CRC)	4

Existem expressões para o cálculo do consumo de débito binário duma rede usando um determinado Codec. Algumas delas são as seguintes:

• Tamanho Total do Pacote = (Cabeçalho Camada 2: MP ou FRF.12 ou Ethernet) + (Cabeçalho IP/UDP/RTP) + (Tamanho do Payload de Voz).      (Eq. 1.1)

• Taxa de bit do Codec = (Tamanho da Amostra do Codec) / (Intervalo da Amostra do Codec).      (Eq. 1.2)

• PPS (Pacotes Por Segundo) = (Taxa de bit do Codec) / (Tamanho do Payload de Voz).     (Eq. 1.3)

• Largura de Banda Por Chamada = Tamanho Total do Pacote * PPS.            (Eq.3.6)

Onde:

• Taxa de bit do Codec – É o número de bits por segundo necessários para encaminhar uma chamada de voz. É medido em kbps.

• Tamanho da Amostra do Codec – É o número de bytes capturado pelo a cada intervalo de amostragem. É medido em bytes.

• Intervalo de Amostragem do Codec – É o intervalo de amostragem que o Codec trabalha. É medido em ms (milissegundos).

• Payload de Voz – É a representação da informação dentro do pacote. Necessita de ser um múltiplo do Tamanho da Amostra do Codec. É medido em bytes. O Payload de Voz também pode ser medido em ms quando se leva em conta a duração das amostras do Codec.

• PPS – É o número de pacotes que precisam ser transmitidos por segundo em relação a taxa de bit do Codec e o número de bits por pacote.

Exemplo 1: Determinar a largura de banda por chamada necessária para um terminal que use o Codec G.728 com Tamanho da Amostra do Codec de 10 bytes e Intervalo da Amostra do Codec com duração de 5ms. Considere usar a compressão RTP e MultiLink Protocol.

Resolução:

É necessário determinar o tamanho total do pacote.

• Tamanho Total do Pacote = (6 bytes do cabeçalho MP) + (2 bytes de Cabeçalho RTP comprimido) + (60 bytes de Payload de Voz) = 68 bytes = 544 bits
• Taxa de bit do Codec =  10 bytes / 5ms =(10 * 8 bits * 10^3) / 5s =16kbps
• PPS (Pacotes Por Segundo) = 16kbps / 60 bytes = 33.33 pps
• Largura de Banda por Chamada = 544 bits * 33.33 pps = 18.4kbps

Cada Codec Adapta-se a uma determinada circunstância. Existem vários fabricantes de Codecs. Este projecto tem um forte enfoque em ambientes Cisco Systems®, por causa de sua popularidade e pelo facto de a maior parte dos simuladores virem dotados de ferramentas deste fabricante. A Cisco Systems® tem vários Codecs habilitados nos seus equipamentos. A tabela 1.2 torna desnecessário realizar cálculos como aqueles que realizamos acima. Esta tabela contem todos os dados necessários para determinar o Codec exacto a utilizar no nosso ambiente ou rede VoIP:

Tabela 1.2: Tabela de Codec’s e seus diversos parâmetros

Tabela de codecs e seus diversos parâmetros

Conforme se viu em Exemplo 1, 18.4 kbps por chamada, mesmo usando compressão de cabeçalho RTP é um valor alto para as necessidades da rede da figura 1.1.

A qualidade dum Codec é também determinada pela avaliação MOS (i.e. Mean Opinion Score). O MOS é uma avaliação realizada em relação a uma resposta subjectiva dum ouvinte. Vários Codecs são colocados em avaliação e os ouvintes dão uma avaliação na escala MOS de 1 a 5 conforme a tabela 1.3.

Tabela 1.3: Score MOS

Score	Definição	Descrição
5	Excelente	Um sinal de voz perfeito gravado em um local silencioso
4	Bom	Qualidade de uma chamada telefónica de longa distância (PSTN)
3	Razoável	Requer algum esforço na escuta
2	Pobre	Fala de baixa qualidade e difícil de entender
1	Ruim	Fala não clara, quebrada

Pela tabela 1.4 os melhores resultados são avaliados consoante a média da avaliação dada pelos ouvintes:

Tabela 1.4: Avaliação do MOS a Métodos de compressão

Método de Compressão	Taxa de bit (kbps)	MOS	Atraso (ms)
G.711 PCM	64	4.1	0.75
G.726 ADPCM	32	3.85	1
G.728 LD-CELP	16	3.61	3 a 5
G.729 CS-ACELP	8	3.92	10
G.729 x 2 Encodings	8	3.27	10
G.729 x 3 Encodings	8	2.68	10
G.729a CS-ACELP	8	3.7	10
G.723.1 MP-MLQ	6.3	3.9	30
G.723.1 ACELP	5.3	3.65	30

O Codec G.711 recebeu a melhor avaliação, embora o Codec G.729 seja melhor opção por ser aquele que consegue um bom equilíbrio entre o consumo de débito binário e um bom MOS.

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]