Transmisión de voz en redes inalámbricas IEEE 802 11

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(1)INSTITUTO TECBNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY UNIVERSIDAD VIRTUAL MAESTRÍA EN CIENCIAS COMPUTACIONALES Especialidad: Redes Computacionales. ti f. .\ f. ,, 11 t ,. r r r ,.. 1 'IH 1.:,11,,u \lkll \l.. TRANSMISIÓN DE VOZ EN REDES INALÁMBRICAS IEEE-802.11. TESIS QUE PRESENTA: lng. Luis Felipe Llamas Martínez Garza BAJO LA AESESORIA DE: Dr. Javier Gómez Tagle. JURADO: MC. Ornar Longoria MC. Amado Céspedes Dr. Roberto Gómez. Mayo 2002.

(2) Transmisión de Voz en Redes Inalámbricas IEEE-802.11. CONTENIDO. CONTENIDO ............................................................................................................................................... 2. LISTA DE FIGU"RAS .................................................................................................................................. 4. !. ANTECEDENTES ................................................................................................................................ 7 ' COMUNICACIONES INALAMBRICAS ....................................................................................... 7 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ......................................................................................... 9 OBJETIVOS ..................................................................................................................................... 10. 1.1 1.2 1.3. l.. FUNDAMENTOS DEL PROTOCOLO 802.11 ................................................................................ ll. 2.1 ARQUITECTU"RA ........................................................................................................................... 11 2.1.1 ESTACIÓN ........................................................................................................................................ 11 2.1.2 EL PUNTO DE ACCESO (AP) ············································································································· 12 2.1.3 EL MEDIO INALÁMBRICO (RF o IR) ................................................................................................. 12 2.1.4 CONJUNTO DE SERVICIOS BÁSICOS (BSS) ....................................................................................... 12 2.1.5 EL SISTEMA DISTRIBUIDO (OS) ....................................................................................................... 12 2.1.6 EL CONJUNTO DE SERVICIOS EXTENDIDOS (ESS) ............................................................................ 13 2.1.7 SERVICIOS ESPECIFICADOS .............................................................................................................. 13 ' 2.2 CAPA FISICA (PHY) ...................................................................................................................... 14 2.2.1 DSSS ............................................................................................................................................... 14 2.2.2 FHSS ............................................................................................................................................... 15 2.2.3 OFDM ............................................................................................................................................. 16 2.3. CAPA DE ACCESO AL MEDIO (MAC) ...................................................................................... 17. 2.3.1 2.3.2 2.3.3. J.. VOZ SOBRE PROTOCOLO INTERNET {YOIP) ......................................................................... 21. 3.1 3.2. CONSIDERACIONES PARA PROVEER CALIDAD DE SERVICIO ..................................... 22 EL PROTOCOLO TRANSPORTE DE TIEMPO REAL ........................................................................... 23. 3.2.1 3.2.2 3.3. 4 4.1 4.2 ~. 5.1 5.2. TRANSFERENCIA CONFIABLE DE DATOS ......................................................................................... 17 CONTROL DE ACCESO AL MEDIO .................................................................................................... 18 PROTECCIÓN DE DATOS ................................................................................................................... 20. RTP .................................................................................................................................................. 24 RTCP ............................................................................................................................................... 25. PRINCIPALES PROTOCOLOS VOIP ......................................................................................... 25. CALIDAD DE VOZ ............................................................................................................................ 27 ELFACTORR ................................................................................................................................. 27 CODIFICADORES DE VOZ .......................................................................................................... 28 VOZ SOBRE 802.11 ............................................................................................................................ 33 ESTRUCTURA DE LA TRAMA DE VOZ SOBRE 802.11. ........................................................ 33 CAPACIDAD DE LA RED ..................................................................................................................... 34. Luis Felipe Llamas. 2.

(3) Transmisión de Voz en Redes Inalámbricas IEEE-802.11. ~. MEJORAS EN LA TRANSMISIÓN DE VOZ SOBRE 802.11 ...................................................... 37. 6.1 6.2 6.2.1 6.2.2 6.3 6.4 6.4.1 6.4.2 6.4.3 6.4.4 6.4.5 6.4.6 6.4.7 6.4.8 6.5. 1 7.1. CÁLCULO DEL RETRASO PROMEDIO EN MODO DCF...................................................... 37 EL MODO PCF ••••••••••.••.•••••.•••••.•••••••••••.•••.•.•••••••••.••••••••••••••.••••••••••••.••••••.••••••.•.•..•••.•.•••.••••••..••.••••.• 40 CÁLCULO DE LA DURACIÓN DEL MODO PCF .................................................................................. 41 ADAPTACIÓN DEL MODO PCF PARA TIEMPO REAL ........................................................................ 42. RTC .•.•.•••.••.••..•.•...•......•.•.•.•••••.•.•.•.•....•..••.•••....•..•••.....•....•.•...•...•••.•.•.••••.•.•.•.•....•..•••...••...........•.•••..•.•• 43. MECANISMOS DE RED"UNDANCIA •••.••••••••••.••.••••••••••.•.•.•.•••.•.••••••••..•.•••.•••••••••.•••••.•.•.••••.•.•••••• 44 PAQUETE NO REDUNDANTE ............................................................................................................. 45 REPETICIÓN DE PAQUETES .............................................................................................................. 45 REINTENTO EN FALLA ..................................................................................................................... 45 XOR CONTINUO .............................................................................................................................. 46 XOR ALTERNADO ........................................................................................................................... 47 REPETICIÓN CONCATENADA ........................................................................................................... 47 REPETICIÓN CONCATENADA XOR .................................................................................................. 47 COMPARACIÓN DE LAS ESTRATEGIAS DE REPETICIÓN ................................................................... .48. BU'FFER DE PRIORIDAD PARA VOZ ••.•••••••••••••••••.•••••••••..•.••••••••..••.•••..•••••••.••••••..•••.•..••..•.••.•••• 50. CONCLUSIONES •••.•••.•..•••••••••.•••••.•••••••••.•••••••••••••••••.••••.•••.••••••••••••••••.••••••.•.••••.••••••••.•••••••••••••••.•.•.•.• 51 MEJORAS A LA SOLUCIÓN PROPUESTA..•..•...........•.••..•.......••••.••...•.••.••...•..••.•...•..•.•...........• 52 ,. APÉNDICE A: REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFIA .•.•.•.•.•.•.•.•..•.•.•.•••.•....••••.•••.•.••.•.•••.•.•..••..••••..•.•.•• 55 ,. APÉNDICEB: GLOSARIO DE ACRON'IM"OS •••••.•.••.••.•••••••.••••..•••••••••••••••••.•••••••••••••.•••••••.•••••••••••.••. 59. Luis Felipe Llamas. 3.

(4) Transmisión de Voz en Redes Inalámbricas IEEE-802. I I. LISTA DE FIGURAS Figura 1.1: Tecnologlas Inalámbri~as más Comunes ................................................................. 7 Figura 1.2: Progreso de las Tecnolog{as Celulares ..................................................................... 8 Figura 2.1: Capa Fúica de 802.11 en el Modelo OSJ................................................................ 14. Figura 2.2: Formato de la Trama DSSS PLCP ......................................................................... 14 Figura 2.3: Formato de Trama FHSS PLCP....•.••••••.•...•.•••.....•.•....•.•.•..•...•......••...............••...•. 15 Figura 2.4: Forma,to de Trama OFDM PLCP.......................................................................... 16. Figura 2.5: La Capa de Acceso al Medio de 802.11 en el Modelo OSL .................................... 17 Figura 2.6: Formato de la Trama. lliC..................................................................................... 17 Figura 3.1: RTP y RTCP en el Modelo OSI para Voz sobre 802.11 ......................................... 23 Figura 3.2: Encabezado RTP•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••.••••••••••••.•••.••••••••••••••••• 24 Figura 3.3: Protocolos de Establecimiento de Llamada en el Modelo OSI.............................. 25 Figura 4.1: MOS vs. R.•.....•.•...••••.•...•.....•.•••.•.•.•.•...•...•.•.•.••...•...•••.•.•.•..•.•...•.••......•.........•..••....... 28 Figura 4.2: Codificadores de Voz en el Modelo OSI ................................................................. 29. Figura 4.3: Caracteristicas de los Diferentes Codificadores ..................................................... 29 Figura 4.4: Factor R para Diferentes Codiftcadores ................................................................. 30 Figura 4.5: Efecto de la Pérdida de Paquetes ............................................................................ 31. Figura 5.1: Pi/,a del Protocolos•.................................................................................................. 33 Figura 5.2: Formato de la Trama de Paquetes de Voz .............................................................. 34 Figura 5.3: Ancho de Banda Requerido por Canal Ful/ Duplex ............................................. 35 Figura 5.4: Capacidad de la Red •...•••.•.....•••...•.•••.....•...•..••....•.•.•......•••.•....•.._•..••.•.•..•......•...•.•...•• 36 Figura 5.5: Trama Completa de Voz sobre 802.11..................................................................... 36 Figura 6.1: Efectos del retraso en la calidad de voz. ................................................................. 38 Figura 6.2: Transmisión de Paquetes a 2 Mbps......................................................................... 39 Figura 6.3: Protocolo con Espera ............................................................................................... 39. Figura 6.4: Ventana de Espera vs. Ocupación de la red. .......................................................... 39 Figura 6.5: Servicio PCF •..•..••••••••...•••••..••••••••••••••.••••••••••.•••.••••••••••••••••••••••.•••••••••..•.•••••..•••••.••••• 40 Figura 6.6: Duración del Modo PCF ••..••.••.••.••••••••.••.•.•••.•.....••.•..••.••••••••••••.••.•••.•.•.•....•.••...••.•... 41 Figura 6. 7: Porcentaje de Ancho de Banda Reservado ............................................................. 42 Figura 6.8: Transmisión Isosincrona ......................................................................................... 43 Figura 6. 9: Encabezado RTC•.••••.••••••••••••••••••.••••..•••••••••••••••••...••••.••••.••....••.•••••••••••••••••••••.••••..•.. 43 Figura 6.1 O: Reintento en Falla ••••••••••••••••.•.•••.•.••.••••••••••••.•••••.•••••••.•••.••••••••••••••••.•.••••.••••.•••.••... 45 Luis Felipe Llamas. 4.

(5) Transmisión de Voz en Redes Inalámbricas IEEE-802.11. Figura 6.11: XOR Continuo.•.•.•.•.•••.••••.•.......•.....•.•.•........•....••.•...••••.•....•..••....•.••..•..••.•.••....•....••. 46 Figura 6.12: Redundancia y PER Efectivo ................................................................................ 48 Figura 6.13: Redundancia y Costo en Ancho de Banda............................................................ 49 Figura 6.14: Redundancia y Retraso .......................................................................................... 49 Figura 7.1: Trama Final de Voz sobre 802.11 ........................................................................... 51 Figura 7.2: Trama de Voz Tradicional ....................................................................................... 51. Luis Felipe Llamas. 5.

(6) Transmisión de Voz en Redes Inalámbricas IEEE-802.11. 1 ANTECEDENTES 1.1 COMUNICACIONES INALÁMBRICAS Las comunicaciones inalámbricas son parte de nuestra vida diaria desde los años 80s. La telefonía celular ha tenido un crecimiento sin precedente debido a la flexibilidad y movilidad que proporciona. En estos días, la convergencia de servicios de voz y datos presenta una necesidad que se trata de cubrir en la industria. Sin embargo, en redes locales, tales como oficinas, edificios y casas, los sistemas son muy caros y proveen un limitado numero de usuarios. Para contrarrestar esto, la industria ha creado estándares inalámbricos para lugares cerrados. Sobresalen los sistemas DECT (en la Comunidad Europea y parte de Asia) y los sistemas WDCT (en Las Américas). La limitación de estos sistemas, al igual que los celulares, es que su ancho de banda no es suficiente para una transmisión eficiente de datos. Otros sistemas diseñados para datos son IEEE-802.11, HomeRF y Bluetooth. La limitación de ellos es el hecho de que no están propiamente especificados para las aplicaciones de tiempo real, tales como voz, audio o video. A continuación se presenta una tabla de los principales sistemas inalámbricos: Estándar OpenAir. Aplicación típica Redes de datos móviles.. 802.11 FH. Redes inalámbricas de datos. os. Redes inalámbricas de datos. 802.11. Hiperlan. 802.11 b Alta velocidad 802.l la 5 GHz. SWAP Bluetooth. Redes de alta velocidad Soporta, audio, video, datos y voz WLAN de alta velocidad. Ideal para voz, datos y audio. WLAN de alta velocidad. Ideal para voz, datos y audio y video. Comunicaciones de corto rango. Ideal para casa y pequeftas oficinas Comunicaciones de muy corto rango. Soporta voz v datos.. Características Pequefta, ligera l .6Mbps, 2.4 GHz Bajo consumo Escalable 2Mbps a 2.4 GHz. Controlada por IEEE No soporta roaming 2Mbps a 2.4 GHz. Controlada por IEEE No soporta roamini! 24 Mbps a U-NII 5 GHz. Certificable a nivel mundial Coexistencia con sistemas a 2.4 GHz. 11 Mbps a 2.4 GHz. Modulación FHSS. 54 Mbps a ISM 5 GHz. Coexistencia con 2.4 GHz.. OFDM. 2 Mbps a 2.4 GHz. DSSS. 1 Mbps a 2.4 GHz. En teoría presentará la alternativa de menor costo.. FHSS. FHSS. DSSS GPSK DSSS. Figura 1.1: Tecnologias Inalámbricas más Comunes. Luis Felipe Llamas. 7.

(7) Transmisión de Voz en Redes Inalámbricas IEEE-802.11. Así mismo, Todos los estándares celulares han propuesto un camino para emigrar a una transmisión de banda ancha con capacidad de datos. El principal problema al hacer esto es que se transforma el sistema de una red basada en switcheo a una basada en paquetes con identificadores. Además de eso, todavía existe la necesidad de la transmisión de voz en estas redes. Esto trae como consecuencia un nuevo reto para lograr calidad de voz en circuitos no switcheados así como mantener un uso eficiente del ancho de banda para la transmisión de datos. A continuación se presenta una tabla con el progreso de las tecnologías celulares [5]: Generación lG 2G. Tecnología Análo2a Digital. Ancho de Banda. 2.5G. Digital. 14.4-64 Kbps.. Circuito Paquete. 3G. Digital. 128 Kbps. Paquete. 4G. Digital. 2Mbps. Paquete. 8KHz.. 9.6- 14.4 Kbps. Switcheo Circuito Circuito. Aplicaciones Sólo voz Voz, Texto limitado Voz, Texto, Datos limitados Voz, Texto Datos. Voz, Texto, Datos, Video limitado.. Figura 1.2: Progreso de las Tecnologias Celulares. Las aplicaciones de voz, conocidas como VolP (voz sobre protocolo Internet) son las que han creado mayores expectativas. La industria espera que el costo de las llamadas telefónicas sea mucho más competitivo mediante el uso de voz en paquetes. El aprovechamiento de la infraestructura es más eficiente y permite agregar muchos más servicios a un costo incremental muy bajo. Se prevé que "el último kilómetro" sea a través de sistemas inalámbricos. La movilidad que se obtiene, así como el reuso de infraestructura hacen muy atractiva esta solución. Pero, al igual que resulta muy atractivo, resulta mucho más complejo que del modo alámbrico. En la actualidad, la industria se esta redefiniendo y esta creando estándares para la transmisión tanto de datos como de voz, audio y video. Cada aplicación tiene sus El reto es lograr un sistema que permita la peculiaridades y sus problemas. convergencia de todas ellas. Son cuatro los principales retos a resolver en el mundo inalámbrico: La seguridad, la confiabilidad, la calidad de transmisión y el ruteo [1]. Este último es causado por la misma portabilidad de las terminales que dificulta encontrarlas, ya que potencialmente se pueden ubicar en cualquier parte del mundo con una dirección IP no fija.. Luis Felipe Llamas. 8.

(8) Transmisión de Voz en Redes Inalámbricas IEEE-802.11. 1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Cuando se trata de transmitir voz en sistemas diset'iados para datos, los dos retos más importantes son los de mantener la calidad de servicio (QoS), que se ven afectados por factores como la latencia y retraso, así como el manejo de la seguridad, particularmente en el caso de los sistemas inalámbricos. El problema de la seguridad ha sido tratado en forma muy eficiente por la industria celular, por lo que se sale de la cobertura de esta trabajo. Aquí nos concentraremos principalmente en la calidad de servicio de la red local inalámbrica. Sin embargo, la calidad de servicio, y las posibilidades de minimizar el retraso y la latencia siguen siendo un problema a resolver. Aunque la calidad de servicio estará definida principalmente por el enlace de menor ancho de banda, el cual es muy probable que sea el enlace dentro de la Internet, las tecnologías actuales no han resuelto el problema local. En las redes locales inalámbricas, se han propuesto varios sistemas que no dejan de ser eficientes para datos, pero todavía adolecen de limitaciones en aplicaciones de tiempo real. En el ambiente de oficinas, se requieren múltiples estaciones inalámbricas transmitiendo simultáneamente. Si la QoS se obtiene eficientemente en la red local, una vez que la infraestructura de voz sea lanzada en la Internet, los usuarios podrán tener una conversación telefónica de la misma calidad o similar a la que se tiene actualmente en la red switcheada. Algunos sistemas han incorporado reservación de ancho de banda (tales como HomeRF, el cual está basado en los sistemas DECT y WDCT de telefonía, o Bluetooth). Esto, además de ser ineficiente cuando se trata de transmitir voz y datos, no prevé el hecho de que la llamada será terminada si la estación móvil se sale de rango del punto de acceso. El sistema IEEE-802.11 resuelve el problema de transferencia de llamada entre puntos de acceso, mediante un sistema seam/ess hand-off, muy similar al de la tecnología celular COMA [6]. Sin embargo, como se explicará en el capítulo 2, el algoritmo de CSMA/CA, está basado en un protocolo de "solicitud - permiso de transmisión". En aplicaciones de tiempo real esto es causa de potenciales problemas de latencia, puesto que no se han previsto ninguna clase de prioridades. Por lo tanto, se requiere un mecanismo diferente que resuelva ambos problemas sin sacrificar capacidad en la red. Aunado a la calidad de servicio, la calidad de audio es un factor fundamental. Dada la limitación de ancho de banda y la sobrecarga (overheacf), la serial de voz debe comprimirse lo máximo posible, pero permitiendo una calidad de voz aceptable. Este trabajo explorará diversos algoritmos de compresión y su efecto tanto en la calidad de voz como en el ancho de banda utilizado. La naturaleza inalámbrica de la red agrega el problema adicional de la recepción no determinística. Es decir, la interferencia y las condiciones cambiantes del ambiente de RF provocan pérdida de información. La capa MAC lo resuelve como se verá más adelante, pero al costo de una mayor latencia.. Luis Felipe Llamas. 9.

(9) Transmisión de Voz en Redes Inalámbricas IEEE-802. l l. Por lo tanto, para mejorar la transferencia de voz, se deben mejorar, la latencia, disminuir el número de reintentos, y seleccionar un algoritmo de compresión que provea calidad adecuada sin sacrificar ancho de banda. Asimismo, adaptaciones al estándar 802.11 que permitan adaptar la condición de la llamada a la condición del sistema en forma dinámica son necesarios. Este trabajo propone una serie de mecanismos para lograrlo.. 1.3 OBJETIVOS Los siguientes son los Objetivos del trabajo de Tesis: 1. 2. 3. 4.. Explicar el estándar IEEE-802.11, capítulo 2. Explicar los fundamentos de VolP y cómo proveer QoS, capítulo 3. Analizar los estándares de medición de la calidad de Voz, capitulo 4. Proponer un mecanismo para la transmisión de voz estándar IEEE-802.11, capítulo 5. 5. Optimizar el uso del medio y para proveer QoS, capítulo 6. 6. Analizar las ventajas y desventajas de la solución propuesta, capítulo 7.. Este trabajo presenta un análisis a fondo de los problemas de transmisión de voz utilizando redes inalámbricas. El marco teórico está cubierto por la explicación de los estándares 802.11 y VolP. La propuesta se divide en tres secciones: 1. La construcción de los paquetes de voz utilizando el estándar. Referenciado al modelo OSI, se explican qué partes constituyen cada capa y cómo se van agregando los bits de control. Se explica a detalle cómo se llega a la trama de Voz sobre 802.11 2. La optimización de los recursos disponibles para proveer QoS. Se explica la utilización de los servicios PCF y sus ventajas para las transmisiones de tiempo real. 3. Un mecanismo de redundancia que aminora la pérdida de paquetes. Se analizarán varios mecanismos comunes, sus ventajas y desventajas, y se propone el uso del más eficiente para el caso en cuestión. De esta forma, se propone una solución que sea viable la transmisión de voz en redes inalámbricas utilizando el estándar IEEE-802.11. Los capítulos 2 y 3 representan el marco teórico. Los capítulos 4, 5, 6 y 7 representan el trabajo de investigación y desarrollo de la tesis. Su contenido está basado en investigación personal, mediciones de laboratorio y la aplicación práctica de parte de la propuesta.. Luis Felipe Llamas. 10.

(10) Transmisión de Voz en Redes Inalámbricas IEEE-802.11. 2 FUNDAMENTOS DEL PROTOCOLO 802.11 El protocolo para redes locales inalámbricas (WLAN) 802.11 es un estándar multiproveedor que abre a la competencia la adopción de productos que cubren una necesidad muy particular en el mercado. A diferencia de otros estándares propuestos por IEEE, 802.11 define un protocolo de manejo mucho más completo. Se basa en el concepto de un punto de acceso y estaciones móviles. Además, es un sistema libre de patentes y que está siendo adoptado por múltiples proveedores. Esto asegura una penetración en el mercado mayor a la que otros sistemas propietarios pueden ofrecer. En 1997, la IEEE adoptó el primer estándar de red inalámbrica (802.11 ). Éste, en forma general define tres sistemas: Infrarrojo, FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) y DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). El estándar define a detalle tanto la capa física del modelo OSI como la capa de control de acceso al medio (MAC). En las tres opciones, se permite un ancho de banda de 1 a 2 Mbps, y las opciones de RF se especificaron en la banda ISM de 2.4 GHz (2400 - 2483.5 MHz.) Más adelante se agregaron las secciones 802.11b ( 11Mbps DSSS) y 802.11a (54 Mbps, 5 GHz, OFDM (Orthogonal Frequency Domain Multiplexing). Durante el año 1999, los primeros productos aplicando el estándar salieron al mercado. Al principio del año 2001, ya existen sistemas completos que cumplen con 802.11 b y comienzan a salir los sistemas compatibles con 802.11 a. Muy pocos, sin embargo, incluyen servicios de voz. En el año 2001 se dio la iniciativa del estándar 802.119 que es simplemente OFDM en la banda de ISM de 2.4 GHz. Esta última permite velocidades de hasta 54 Mbps.. 2.1 ARQUITECTURA La parte fundamental de la arquitectura 802.11 es el hecho de que está diseñada para que la mayoría de las decisiones se tomen en las estaciones móviles. Esto es con el objeto de prevenir cuellos de botella en sistemas centralizados. Además, el sistema se hace muy tolerante a fallas, ya que hay más redundancia, sobre todo en el control de acceso al medio. También es una arquitectura muy flexible que soporta pequeñas redes ad-hoc, así como grandes sistemas multi-usuario y multi-proveedor. La especificación prevé varios modos de operación en los que se conserva el uso de la batería sin perder conexión a la red. La arquitectura básica consta de 6 componentes que se explicarán a continuación [19].. 2.1.1 Estación En forma genérica, la estación es el dispositivo que se conecta al medio inalámbrico. Consiste de la capa física y la capa MAC. Es de hecho la tarjeta de interfaz a la red (NIC). La estación puede ser móvil, portátil o estacionaria. Éstas soportan el paquete de servicios de estación, que son: Autentificación, desautentificación, privacidad y flujo de datos.. Luis Felipe Llamas. 11.

(11) Transmisión de Voz en Redes Inalámbricas IEEE-802.11. 2.1.2 El punto de acceso (AP) Su función es proveer conexión al medio alámbrico en el caso que la red 802.11 sea una subred del sistema global, así como proveer "puentes de acceso" a través de la red inalámbrica. Por ejemplo, si una estación en un nodo se quiere comunicar con otra, el AP recibirá la requisición primero y la ruteará a la estación receptora adecuada. Esto puede ser a través de otro AP. El problema de esta arquitectura es que se requiere el doble de ancho de banda, ya que la información es enviada por el transmisor y por el AP. Sin embargo, proporciona el servicio de buffering para estaciones que pueden estar temporalmente fuera de rango o en modo de bajo consumo. Los AP son fundamentales para arquitecturas con estaciones móviles, ya que son los que pueden proporcionar hand-off cuando estas están en movimiento, así como la posibilidad de crecer la red de forma casi indefinida. En este trabajo se analizará por qué es tan importante el primer servicio en el caso de voz.. 2.1.3 El medio inalámbrico (RF o IR) Como se mencionó en la sección anterior, 802.11 ha aprobado hasta ahora 3 medios inalámbricos: IR, RF en la banda ISM-2.4; DSSS (802.11-b), FHSS (802.11) ,OFDM (802.11-g) y U-NII 5 GHz OFDM (802.11-a). Las capacidades y velocidades de cada sistema varían de acuerdo con los anchos de banda especificados por la FCC.. 2.1.4 Conjunto de servicios básicos (BSS) Un conjunto de servicios básicos, BSS (Basic Service Set) es un conjunto de estaciones que se comunican entre ellas. No está definido por área, sino por el intercambio de información. Por la naturaleza móvil de la red, las BSS son dinámicas. Existen dos tipos de BSS: Independientes, cuando un grupo de estaciones móviles se comunica entre sí y sin conexión a la red principal (IBSS). Este servicio es el que se utiliza en las redes adhoc, por ejemplo, cuando se intercambian archivos con un proveedor en el lobby de la oficina. Cuando una BSS incluye un AP, se le llama BSS con infraestructura, o simplemente BSS. Además del intercambio de información, estos BSS incluyen servicios distribuidos.. 2.1.5 El sistema distribuido (DS) Se trata del mecanismo a través del cual los AP se comunican con otros para intercambiar paquetes entre las estaciones de sus BSS y las secciones alámbricas de la red en caso de que existan. Este servicio es el que permite un crecimiento virtualmente infinito de la red. Dada la naturaleza de los sistemas de RF, y su limitación en rango, este tipo de servicios es el que nos interesa para el tráfico de voz.. Luis Felipe Llamas. 12.

(12) Transmisión de Voz en Redes Inalámbricas IEEE-802.11. 2.1.6 El conjunto de servicios extendidos (ESS) El más importante beneficio de las redes inalámbricas es la portabilidad y movilidad. Estos no serían muy útiles de no ser por los servicios extendidos. Un ESS es, en general, un conjunto de BSS con infraestructura en el cual los AP se comunican entre sí para proveer paso de datos cuando las estaciones están en movimiento. Este concepto es muy similar al de los sistemas de telefonía celular. Los AP se comunican entre sí para proveer un cambio eficiente entre un BSS y otro. Este es el backbone de la red inalámbrica. Puede construirse tanto de forma alámbrica, digamos a través de una red 802.3 (Ethernet) o inalámbrico vía la especificación 802.11. El sistema distribuido DS, que es la parte fundamental del ESS es una capa dentro del protocolo que decide si el paquete será enviado a otra estación dentro del BSS, a otro AP o a la red alámbrica. Para todo el equipo fuera de la ESS, ésta aparece como una red única MAC, como si todas las estaciones fuesen estacionarias, por lo que la ESS esconde la propiedad de movilidad y es responsable del ruteo de los paquetes dentro de ella.. 2.1. 7 Servicios Especificados Son nueve los servicios definidos en la especificación 802.11 [19]. Éstos están divididos en dos categorías: servicios de estación y servicios distribuidos. Los servicios de estación comprenden autentificación, desautentificación, privacidad y envio de datos. Los servicios distribuidos son: asociación, desasociación, reasociación, distribución e integración. Los cuatro servicios de la estación están especificados para ofrecer funciones similares a las esperadas en redes alámbricas. La autenticación y desautentificación son equivalentes al cable de la red alámbrica. Son los servicios que permiten la "conexión física" entre estaciones. Están disetiados para proporcionar la prueba de autenticidad de la estación. Sin ella, no se autorizará el acceso a la red. El servicio de privacidad tiene la función de proteger los datos que viajan a través del medio, de forma similar a como lo haría un cable. Sólo protege los datos mientras éstos cruzan el medio inalámbrico. Finalmente el servicio de envf o o entrega de datos asegurando un cierto grado de integridad. Está definido en la capa MAC y asegura la correcta transmisión entre dos (o más) estaciones a nivel MAC. Los servicios de distribución son necesarios para permitir la movilidad de las estaciones. La asociación permite la entrada de una estación a una BSS. El AP y la estación nueva intercambian una serie de paquetes hasta que la asociación es autorizada. Esto es muy importante ya que el ESS debe saber donde se encuentra cada estación. La reasociación es similar a la asociación con la excepción de que el AP contiene información previa de la estación a asociarse. De este modo se puede realizar una asociación más rápida. La desasociación es el efecto contrario, y se utiliza cuando una estación sale de la BSS o es forzada a hacerlo. Su función es la de informar a los demás AP que la estación desasociada ya no pertenece al BSS del AP emisor. Luis Felipe Llamas. 13.

(13) Transmisión de Voz en Redes Inalámbricas IEEE-802. l l. El servicio de distribución se utiliza cuando una estación envía paquetes al AP para otra estación. El AP invoca el servicio para localizar a la estación receptora, ya sea dentro de su BSS, en el ESS, la red corporativa, o el exterior. De esta forma lo envía a través del medio adecuado y con la codificación adecuada. El servicio de integración básicamente conecta la red 802.11 a otras LAN. Un portal ejecuta esta función. El portal es una abstracción de una capa del protocolo que puede residir en uno o todos los AP, o puede ser un componente independiente. Su función es la de traducir paquetes con formato 802.11 a otro formato.. 2.2 CAPA FÍSICA (PHY) La capa física (PHY) es la interfaz entre la capa MAC y el medio inalámbrico. Ésta proporciona tres niveles de funcionalidad: intercambio de tramas entre ella y la capa MAC, utiliza mecanismos de modulación que permiten un uso eficiente del medio, y por último permite la detección de portadora necesarias para el control de acceso al medio que se describirá más adelante. Consta de dos subcapas: PLCP (physical /ayer convergence procedure), independiente del medio y la tecnología utilizada, y PMD (physical medium dependent) la cual proporciona principalmente los métodos de modulación y detección de portadora. La explicación detallada de ésta última se sale de los objetivos de la tesis.. Figura 2.1: Capa Física de 802.11 en el Modelo OSI. Como se mencionó antes, existen tres tipos de PHY definidos en la especificación IEEE-802.11: DSSS, FHSS e IR, cada una con sus particularidades. La nueva especificación 802.11-a incluye el método OFDM para lograr mayor ancho de banda. En este trabajo sólo se hará una breve descripción de las referentes a RF, ya que la operación IR no es relevante para la transmisión de voz debido a su corto rango.. 2.2.1 DSSS DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) es una de las PHY especificadas para el medio de radio frecuencia. Utiliza la banda ISM 2.4 GHz. La transmisión física es controlada por la subcapa PMD, la cual toma los bits de la trama de PLCP y, utilizando técnicas DSSS modula la portadora. La unidad del protocolo PLCP (PPDU) es única para DSSS. La trama consiste de un preámbulo, encabezado y la unidad del servicio (PSDU) como se ilustra en la Figura 1. - - Preámbulo -----S e 128 bits. SFD 16 bits. - - - - Encabezado PLCP -·---· Si al 8 bits. Service 16 bits. Len h 16 bits. CRC. PSDU. 16 bits. Figura 2.2: Formato de la Trama DSSS PLCP Luis Felipe Llamas. 14.

(14) Transmisión de Voz en Redes Inalámbricas IEEE-802.11. •. SYNC: Es utilizado para sincronizar el transmisor con el receptor. Es una cadena de unos que permite la sincronización del demodulador. La especificación 802.11 b permite el uso de un preámbulo corto de 56 bits, pero para efectos de compatibilidad con los estándares anteriores, también admite el preámbulo largo de 128.. •. SFD: Delimitador del inicio de la trama. Se utiliza para marcar el inicio de la trama PLCP. Contiene información acerca de la velocidad de transmisión (1, 2 u 11 Mbps.). •. Service: Está reservado para uso futuro, su valor es 00h.. •. Length: Indica la longitud en microsegundos necesaria para transmitir el MPDU.. •. CRC: Es el resultado de aplicar el algoritmo CCITT CRC-16 a la trama. En caso de encontrarse error, la capa MAC decidirá si descartar el paquete o procesarlo.. •. PSDU: Este campo contiene la unidad del protocolo MAC (MSDU) y un campo de 32 bits llamado FCS, el cual contiene un CRC referente al paquete completo.. El total de sobrecarga (ovemeacf) sin considerar el FCS de la capa física DSSS es de 200 bits (25 bytes), o 144 bits (18 bytes) en el caso de preámbulos cortos. Éstos son transmitidos en cada paquete. Más adelante se explicará porque es importante esta sobrecarga cuando se trata de transmisión de voz.. 2.2.2 FHSS Al igual que DSSS, FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) utiliza la banda ISM 2.4 GHz. La unidad de protocolo PLCP (PPDU) está formada de tres partes: preámbulo, encabezado y unidad de servicio (PSDU). La trama está indicada en la siguiente Figura: - - - - - Preámbulo------------- - · - - - Encabezado PLCP - S e 80 bits. SFD 16 bits. PLW 12 bits. PSF 4 bits. HEC 16 bits. PSDU. Figura 2.3: Formato de Trama FHSS PLCP.. •. SYNC: Es utilizado para sincronizar el transmisor con el receptor. Es una cadena de unos y ceros alternados que permite la sincronización del demodulador.. •. SFD: Al igual que en DSSS marca el inicio del PSDU, el patrón es 0CBDh.. •. PLW: Especifica la longitud del PSDU en bytes y la capa MAC lo utiliza para detectar el fin del PPDU.. •. PSF: Es el campo de señalización del PLCP y su función es indicar la velocidad de transmisión, de 1 a 4.5 Mbps en incrementos de 0.5 Mbps.. •. HEC: Es el control de error del encabezado. Al igual que DSSS utiliza el algoritmo CCITT CRC-16. En caso de encontrarse error, la capa MAC decidirá si descartar el paquete o procesarlo.. •. PSDU: Este campo contiene la unidad del protocolo MAC (MSDU) y un campo de 32 bits llamado FCS, el cual contiene un CRC referente al paquete completo.. Luis Felipe Llamas. 15.

(15) Transmisión de Voz en Redes Inalámbricas IEEE-802.11. La sobrecarga total en el caso FHSS es de 128 bits (16 bytes) sin considerar el FCS, los cuales, al igual que en el caso DSSS se transmiten en cada paquete. Pero, a pesar de que la sobrecarga es menor que en el caso anterior, el estándar FHSS está quedando en desuso debido a que no permite velocidades mayores a 2 Mbps, y está siendo substituida por sistemas DSSS que son compatibles con los sistemas de alta velocidad.. 2.2.3 OFDM La especificación 802.11-a, recién aprobada por la IEEE define requerimientos para una PHY de alta velocidad (54 Mbps) operando en la banda de 5 GHz y con modulación OFDM (Orthogonal Frequency Division Mu/tip/exing). Al igual que las dos anteriores, ésta define un PLCP y PMD únicos para ella. El formato de la trama PLCP se describe a continuación:. 96 bits. Len 12 bits. Service 16 bits. CRC. PSDU. 16 bits. Figura 2.4: Formato de Trama OFDM PLCP.. •. Sync: Una secuencia usada para sincronización del receptor, así como para enviar información correspondiente a la modulación.. •. Signal: Contiene información acerca de la velocidad y duración del paquete.. •. Length: Contiene el número de bytes contenidos en el PSDU.. •. Service: Campo reservado para uso futuro (defau/t 00h).. • CRC: Control de error del encabezado. •. MSDU: Este campo contiene la unidad del protocolo MAC (MSDU) y un campo de 32 bits llamado FCS, el cual contiene un CRC referente al paquete completo.. La sobrecarga total en este sistema es de 176 bits (22 bytes) sin considerar el FCS. En este caso, debido a la alta velocidad para la cual se desarrolló este método, la sobrecarga tiene muy poca importancia. Pero en el caso de la transmisión de voz, la cual se forma con paquetes pequeños, puede resultar costoso desde el punto de vista del ancho de banda que se desaprovecha. Pero, por la misma razón de la alta velocidad, se pueden construir paquetes más largos que aminoren la sobrecarga neta. Desgraciadamente, este método, aunque aprobado hace varios años, ha tenido una penetración lenta en el mercado debido al alto costo de los sistemas de RF de 5 GHz. Se prevé el año 2002 como el año del lanzamiento masivo de redes compatibles con el estándar 802.11-a.. Luis Felipe Llamas. 16.

(16) Transmisión de Voz en Redes Inalámbricas IEEE-802.11. 2.3 CAPA DE ACCESO AL MEDIO (MAC) La capa de acceso al medio, MAC proporciona la funcionalidad necesaria para la transferencia de datos en un ambiente ruidoso y no confiable como es el aire. Además de eso proporciona servicios avanzados de LAN similares o mejores a los de las redes alámbricas. Esta capa tiene tres funciones: Proveer transferencia confiable, controlar el acceso al medio y proteger los datos. La capa MAC es idéntica para todos los métodos de capa física explicados en la sección anterior.. r. MAC ..... §_lJ~~p~. P.~G.P. . .......§lJ~~p~. p_f\11_[:) Figura 2.5: La Capa de Acceso al Medio de 802.11 en el Modelo OSI. 2.3.1 Transferencia Confiable de Datos Para proveer la transferencia confiable de datos, la capa MAC ejecuta un protocolo de intercambio de paquetes. Los paquetes constan, además de los datos a transferir (payload), de un encabezado. La Figura 3 representa la trama básica de la especificación IEEE-802.11. -------------------- Encabezado MAC - - · Frame Control. Duration ID. Address 2. Address 3 es. Frame Bod 0-2312. FCS 4 b es. Figura 2.6: Formato de la Trama MAC.. •. Frame Control: es un campo de 16 bits cuya función es la de proveer la información necesaria para que la capa MAC pueda interpretar el resto del encabezado. En esta campo tiene los siguientes subcampos: Versión del protocolo (2 bits), tipo de trama (2 bits) y subtipo (4 bits), así como una seria de banderas de control: hacia DS, proveniente de DS, más fragmentos, reintentar, administración de energía, WEP (Wired Equivalent Privacy) y otros.. •. Duration ID: Este campo, también de 16 bits, contiene alternativamente información que actualiza la El vector de alojamiento de la red (NAV) o un identificador corto, llamado el identificador de asociación (AID), utilizado por las estaciones móviles para obtener tramas almacenadas en el AP.. •. Address 1-4: Son campos de 48 bits. Las tramas pueden contener de 1 a 4 direcciones, dependiendo de su tipo y propósito. Normalmente, especifican la dirección fuente (SA), la dirección de destino (DA) al igual que 802.3. Pero además se definen tres tipos nuevos de direcciones: Dirección del transmisor (TA), dirección del receptor (RA) y el identificador de BSS (BSSID). Éstos se utilizan en la especificación para facilitar los diferentes niveles de direccionamiento que proveen los servicios distribuidos.. Luis Felipe Llamas. 17.

(17) Transmisión de Voz en Redes Inalámbricas IEEE-802.11. •. Sequence Control: El campo de control de secuencia, de 16 bits contiene dos subcampos. 4 bits que representan el número de fragmento y 12 más que representan el número en la secuencia. La combinación de ambos permite el reensamble de los paquetes y el descartar tramas repetidas.. •. Frame Body: Este campo contiene los datos a transferir. Es un campo variable de Oa 2312 bytes y puede o no estar encapsulado. Si el protocolo superior a la capa MAC genera paquetes mayores, ésta se encargará de fragmentarlos en paquetes de hasta 2312 bytes, y la información de los fragmentos se indicará en el campo Sequence Control. Para el caso de voz, no se consideran fragmentaciones en este nivel.. •. FCS: Frame Check Sequence, es un campo de 32 bits y contiene el resultado de aplicar el algoritmo polinomial CCITT CRC-32 al encabezado. El FCS es muy similar al que se utiliza en otros sistemas tales como IEEE-802.3.. Como podemos ver, la sobrecarga debida a la capa MAC es de 34 bytes. Es decir, para transmitir un paquete de N bytes, se agregan 34 bytes por la capa MAC más entre 18 y 22 adicionales provenientes de la capa física.. 2.3.2 Control de Acceso al Medio Controlar el acceso al medio (aire) se logra mediante dos mecanismos: El mecanismo de acceso básico, llamado la función de coordinación distribuida (DFC) y el mecanismo de acceso controlado central, llamado la función de coordinación puntual (PFC). El mecanismo básico de acceso al medio es detección de portadora de acceso múltiple evitando colisión (carrier sense mu/tiple access with col/ision avoidance) CSMA/CA con espera exponencial binaria (binary exponential backoff). Es un mecanismo similar al utilizado en 802.3 con algunas excepciones importantes. CSMA/CA es un mecanismo de escucha antes de transmitir (LBT}. La idea es que la estación que quiere transmitir escucha el medio antes de hacerlo. Si hay transmisión en progreso, se detiene. Esta es la sección CSMA la cual es implementada en el nivel ffsico. Ya que los sistemas de RF usualmente no transmiten y reciben simultáneamente, 802.11 utiliza CA en lugar de CD (detección de colisión) como en 802.3 (Ethernet). Cuando se detecta el medio ocupado, el transmisor entra en un periodo de espera basado en el algoritmo exponencial binario. Éste da como resultado un tiempo de espera variable e incrementa un contador de reintento y determina el tiempo que el transmisor esperará ya que el medio esté libre antes de transmitir. El número aleatorio de espera se distribuye en forma uniforme en un rango llamado ventana de contención, la cual se duplica en cada ocasión que se intenta transmitir hasta llegar a un número límite. Tanto el máximo como el mínimo de la ventana de contención es específico para cada PHY, aunque varía entre ellas.. Luis Felipe Llamas. 18.

(18) Transmisión de Voz en Redes Inalámbricas IEEE-802.11. Otra limitación de los sistemas inalámbricos es que es poco usual que todas las estaciones se puedan comunicar entre sí. Por esa razón, la capa MAC implementa el vector de alojamiento de la red, NAV (Network Allocation Vector). El NAV es un valor numérico que indica a una estación el tiempo estimado que falta para que el medio resulte disponible. El NAV se mantiene a tiempo real y es transmitido en todas las tramas. De este modo, aún cuando el medio parezca desocupado, una estación puede evitar transmitir de acuerdo con el valor del NAV, implementándose asf otro nivel para evitar colisiones. La combinación de la detección de portadora de nivel físico con el NAV a nivel MAC proporciona un mecanismo muy completo de control de acceso al medio. La capa MAC reconoce 5 intervalos de tiempo, los cuales determinan la decisión de cada estación de transmitir o esperar. Hay dos intervalos definidos por la PHY: el intervalo corto entre tramas (SIFS) y la duración de la trama (s/ot). Tres más son construidos a partir de estos dos: el espacio entre tramas de prioridad (PIFS), el espacio distribuido entre tramas (DIFS) y el espacio extendido entre tramas (EIFS). SIFS es el más corto, seguido de la duración del slot. PIFS es igual a SIFS más un slot. DIFS es igual a SIFS más 2 slots. Y EIFS es mucho mayor, se utiliza cuando una trama con errores es recibida por la capa MAC para permitir el intercambio correcto de paquetes antes de comenzar a transmitir. La función de coordinación distribuida (DFC) opera de la siguiente manera: Cuando la capa MAC recibe una solicitud de transmisión, ésta checa los mecanismos de detección de portadora. Si ambos indican que el medio está desocupado durante un intervalo DIFS (o EIFS si la trama anterior tuvo errores), la capa MAC comienza la transmisión del paquete. Si alguno de los dos mecanismos de detección indica actividad durante el intervalo DIFS, la capa MAC selecciona un intervalo de espera mediante el algoritmo de espera binaria exponencial e incrementará el contador de reintento. Al expirar este intervalo, comienza la transmisión. Si no se recibe el ACK luego de esperar un DIFS, se asume colisión, se duplica la ventana de contención y el proceso comienza otra vez hasta que la transmisión sea exitosa. La función de coordinación puntual (PCF) opera de manera diferente. Utiliza un mecanismo poi/ and respond para eliminar la posibilidad de contención del medio. Un punto de coordinación (PC) que normalmente se encuentra en un punto de acceso (AP) lo controla. Las estaciones son registradas en una lista de poleo. El AP hace un muestreo regularmente en las estaciones al distribuir el tráfico. Este sistema permite una operación casi isosfncrona a las estaciones en la lista. Aunque la implementación del PFC es opcional, las estaciones requieren ser capaces de responder al servicio. PFC utiliza PIFS, que son más cortos que los DIFS para mantener el control del medio en un periodo llamado libre de contención (CFP) ya que el AP tiene el control absoluto de éste. El mecanismo utilizado para reservar el medio por el PC durante el CFP es el NAV. Se logra mediante la transmisión de beacons que son paquetes especificados en el estándar con un valor alto en la NAV. Al final de este intervalo, el AP envía un paquete de terminación del CFP, liberando el medio para otros tipos de transmisión. Este mecanismo es evidente que es el más adecuado para transmisiones de tiempo real. En este trabajo analizan más a fondo las limitaciones de utilizar sólo este mecanismo, sin agregar una capa de nivel superior que prevea además prioridad en los paquetes y limite el número de reintentos. Luis Felipe Llamas. 19.

(19) Transmisión de Voz en Redes Inalámbricas IEEE-802.11. 2.3.3 Protección de Datos Esto se refiere a servicios de seguridad y privacidad, dado que el medio de transferencia no está contenido como en el caso de las redes alámbricas. Este servicio es conocido como WEP (Privacidad equivalente a alámbrico). Su función es la de encriptar los datos para aproximar la seguridad del acceso controlado por las redes alambradas. Debido al hecho de que las transmisiones de RF pueden ser escuchadas por cualquier receptor, se requiere un mecanismo confiable de encapsulado o encriptado. Este mecanismo se incorpora a la capa MAC y consiste en aplicar un algoritmo al cuerpo de cada trama. El resultado substituye el campo del cuerpo de la trama y se activa el bit WEP del campo control de la trama. De este modo el receptor sabe que hay que descodificar el paquete. Éste lo logra mediante la aplicación del mismo algoritmo, recuperando así el paquete original. De este modo, puede pasar el mensaje descodificado a las capas superiores. El algoritmo especificado en 802.11 es RC4, desarrollado en RSADSI, ahora parte de Networl< Associates. Es un algoritmo del tipo cifra fluida simétrica (symmetric stream cipher}, el cual soporta claves de longitud variable, hasta 256 bytes, aunque la IEEE ha seleccionado claves de 40 bits. Éste es un algoritmo que se utiliza tanto en el receptor como en el transmisor, ambos con la misma llave (simétrico) y puede cifrar o descifrar un número arbitrario de bytes (fluido), a diferencia de un algoritmo de bloque el cual tiene un número definido de bytes a encriptar. Es obvio que la llave debe ser información común entre el receptor y el transmisor. La especificación 802.11 no menciona el mecanismo a utilizarse para compartir la clave. Éste es un detalle que ha causado problemas en la industria desde el punto de vista compatibilidad, ya que cada fabricante puede decidir qué mecanismo utilizar para intercambiar claves.. ii/JJ. '::/).,. BrR,: -:=cA. Luis Felipe Llamas. 20.

(20) Transmisión de Voz en Redes Inalámbricas IEEE-802.11. 3 VOZ SOBRE PROTOCOLO INTERNET (VOIP) Las redes de datos han evolucionado al grado de permitir la transmisión tanto de datos como de voz, así como aplicaciones multimedia. Muchas corporaciones han lanzado servicios ATM (Asynchronous Transfer Mode) que proveen tanto aplicaciones de banda ancha como calidad de servicio (QoS). Las tecnologías de switcheo tanto en ATM como en las redes de área local (LAN) han avanzado a tal grado en los últimos 5 años, que ahora proveen mucha mayor capacidad a un menor costo, así como capacidades dentro y fuera de edificios, nacional e internacional. Una multitud de esfuerzos en la industria se han canalizado para proveer IP sobre ATM, tales como IP-Clásico sobre ATM (COIA), Emulación LAN (LANE) y multi-protocolos sobre ATM (MPOA). Adicionalmente, servicios como Tag Switching de Cisco, NetFlows, lpsilon, etc., los cuales directa o indirectamente proporcionan protocolos que soportan QoS, tales como IPv6, Resource, ISA, RTP/RTCP, etc. Éste último es el que se seleccionó en este trabajo, ya que se ha convertido en un estándar y su implementación es relativamente sencilla [2]. Al mismo tiempo, el crecimiento de la Internet ha sido explosivo. Hay en la actualidad un extenso surtido de servicios, desde simples consultas, correo electrónico, hasta comercio vía WEB. Dada esta explosión, y la gran infraestructura que se ha construido a través de todo el mundo, es natural que se busquen servicios adicionales que hagan más eficiente su uso. El más popular, es el servicio de voz. Éste, puede lograr la generación de llamadas telefónicas a un costo significativamente menor que las redes switcheadas tradicionales. El primer experimento data de los años 70's. La ARPA (Advanced Project Research Agency) lanzó el proyecto DACH-15-75-C0135 para analizar la factibilidad del sistema ISDN (lntegrated Service Digital Network) con el principal propósito de generar redes que integren voz y datos. Sin embargo, todos los esfuerzos eran basados en redes de switcheo por circuitos, tales como la tradicional PSTN (Public Switched Telephone Network). No fue sino hasta el estándar IEEE-802.9 que se consideró una transmisión basada en paquetes. El principal reto que la industria se está resolviendo es el de proveer QoS, que no está previsto en el sistema tradicional IPV4. Además de las ventajas puramente económicas desde el punto de vista usuario, la reciente creación de múltiples algoritmos de compresión que permiten transmitir voz con suficiente calidad hasta a 4.5 Kbps resulta muy atractiva. Sin embargo, dada la gran base instalada de equipo sólo compatible con el antiguo sistema PCM de 64 Kbps hace casi imposible la utilización de compresión en la PSTN. Por lo tanto, las redes basadas en IP son el candidato ideal. En la actualidad, hay un sinnúmero de protocolos para VolP que soportan diferentes grados de QoS. Entre ellos destacan SIP, H.323, MEGACO, SCCP, IPv6, RSVP, etc. Ninguno de ellos ha sido lanzado en forma global. Además existe el problema de que las redes internas soportan protocolos propietarios del proveedor, creando incompatibilidades adicionales.. Luis Felipe Llamas. 21.

(21) 1Tansm1S1on ae voz en Keaes matamoncas 1ccc-isu2.11. 3.1 CONSIDERACIONES PARA PROVEER CALIDAD DE SERVICIO. La voz en paquetes pertenece a la categoría de servicios de tiempo real. En ella, existen parámetros muy estrictos en lo referente a pérdidas y error. Dada la característica digital de la voz, fragmentada, comprimida y reconstruida, existe una percepción de la calidad que se basa en la tolerancia del oído humano a sonidos "no naturales". Los siguientes factores afectan esta percepción:. Retraso: El retraso (de/ay) de punto a punto está dado por [4] D(t) =V+ H + d(t) + B' donde: V es el retraso debido a la compresión y descompresión de la voz. Normalmente es pequeño y depende del hardware utilizado en la terminal. H es el retraso debido a la paquetización, equivalente a la longitud en tiempo del paquete. d(t) es el retraso en la red en el tiempo t. Bes el retraso debido a la espera en el punto de recepción.. Estudios subjetivos indican que D debe ser idealmente menor a 300ms, y condicionalmente aceptable entre 300ms y 800ms durante periodos cortos de la conversación. Retrasos mayores a 800ms causan una percepción negativa y dificultan las conversaciones telefónicas. Por lo tanto, el sistema debe diseñarse para proveer retrasos máximos de 200ms, aunque degradaciones temporales de hasta 800ms son aceptables mientras estas sean de corta duración.. Interrupciones:. Las interrupciones temporales (glitch) se han estudiado en forma subjetiva. El habla es interrumpida temporalmente en forma no determinística y manipulada de acuerdo con un proceso aleatorio. Estos son los resultados: En el habla interrumpida (equivalente a pérdida de paquetes) la inteligibilidad se reduce a valores muy pequeños (10%) cuando la longitud del paquete crece a alrededor de 250ms y aumenta (80%) cuando los paquetes alcanzan longitudes muy pequeñas. En el habla segmentada (equivalente a esperar por paquetes retrasados), la inteligibilidad aumenta cuando la longitud del silencio decrece (para longitud fija de paquetes activos) y decrece cuando la longitud de los paquetes decrece (para intervalos fijos de silencio).. Por lo tanto, paquetes cortos y redundancia han sido la solución propuesta. En muchos de los protocolos, y en transmisiones de paquetes menores a 1 ms, es aceptable la pérdida de hasta 50% de los paquetes. Un diseño robusto se hará buscando un máximo del 35%. Desgraciadamente, en el caso inalámbrico WLAN, no es eficiente la transmisión de paquetes tan cortos, por lo que el diseño debe ser más robusto. Generalmente, se buscará una pérdida por debajo del 1%.. Luis Felipe Llamas. 22.

(22) Transmisión de Voz en Redes Inalámbricas IEEE-802.11. Criterio de Fluidez: La reconstrucción del habla continua a partir de paquetes tiene pequeños silencios debidos a la fluctuación estadística en la carga de la red y en el retraso de esta ( d(t) ). A diferencia de la transmisión de datos, donde el retraso promedio ha sido la norma, para voz se requiere obtener la distribución del retraso para poder lograr un diseño eficiente. Los factores que afectan la variabilidad del retraso en la red son: Espera de paquetes retrasados (latencia), y sobrecarga en la red. Los métodos para minimizar este efecto son: espera limitada de paquetes retrasados (que se traduce en paquetes perdidos) y buffering en el lado receptor. Varios de los protocolos actuales incluyen estas técnicas. Como se puede ver, la inherente forma de transmisión de la red es la que principalmente causa problemas de percepción en el usuario. En las siguientes secciones se hará mención de cómo algunos de los protocolos de VolP han atacado estos problemas. Para el caso inalámbrico hay factores adicionales a considerar, tales como el rango, la cobertura total de área de servicio, la seguridad y el número máximo de estaciones simultáneas. Las redes inalámbricas con servicios centralizados han logrado minimizar estos problemas. Los puntos de acceso instalados en forma celular dentro de un edificio o zona, incrementan el alcance de la red y permiten el acceso en cualquier punto.. 3.2 El Protocolo Transporte de Tiempo Real Siguiendo el modelo OSI, ITU define el protocolo de sesión RTP para transmisiones de tiempo real, como lo es la voz. Éste consta de 2 subcapas, RTP y RTCP. La primera consta de la información de voz, la cual se paquetiza sobre UDP-IP. La segunda contiene tramas de control cuya principal función es monitorear el comportamiento de la red. Éstas se paquetizan sobre TCP-IP.. RTP. RTCP. UDP. TCP IP. .. . ... ............................. MAC PLCP PMD Figura 3.1: RTP y RTCP en el Modelo OSI para Voz sobre 802.11. Luis Felipe Llamas. 23.

(23) Transmisión de Voz en Redes Inalámbricas IEEE-802.11. 3.2.1 RTP Este protocolo provee transmisiones de punto a punto con contenido de tiempo real tales como audio, video y voz. Su principal función es la de proveer información de tiempo, secuencia, identificación de contenido y monitoreo. También incluye mecanismos para el envío de información a múltiples receptores con el objeto de soportar multicasting y broadcasting. RTP en sí no incluye mecanismos para reservar recursos o permitir algún tipo de calidad de servicio. Éste se complementa con RTCP que provee servicios de monitoreo de la información enviada y de la calidad de la conexión. El encabezado básico consta de 12 bytes, aunque la recomendación H.225.0 sugiere una extensión para satisfacer otras aplicaciones, particularmente conferencias con más de dos estaciones [18]. En este trabajo se considera sólo la versión estándar de 12 bytes. V=2 2 bits. p. X. ce. M. PT. l bit. 1 bit. 4 bits. l bit. 7 bits. Seq. Num. 16 bits. Timestamp 32 bits Synchronization Source Identifier (SSRC) 32 bits. Figura 3.2: Encabe7.ado RTP. V= Version. La más actual es la 2. P = Padding. Si este bit es 1, el contenido del paquete es menor que la longitud de este. Algunos algoritmos de seguridad requieren longitudes fijas. X = Extension: Si el bit está activo, el encabezado tiene una extensión de 16 bits. Su uso es para enviar información transparente para los nodos intermedios. ce = CSRC count contiene el número de fuentes adicionales, para la función de mezcla. Si estos bits son diferentes de O, se agrega al encabezado palabras de 16 bits por cada uno, identificando fuentes adicionales de la información. M = marker. Se utiliza para indicar tupes especiales de tramas, como el inicio de silencio, o el final de silencio. PT = Payload Type. Identifica el tipo de dato contenido. En el caso de voz, se refiere al codificador utilizado. Seq. Num. = Sequence Number. Contiene el número del paquete de una secuencia determinada. Timestamp. Contiene información relacionada con el primer byte del contenido. SSRC es un identificador de la fuente del paquete.. Como podemos ver, esta información es suficiente para reensamblar los paquetes y decodificarlos por el lado del receptor. También se puede utilizar para calcular el retraso en la red y poder identificar pérdida de paquetes o recepción de paquetes fuera de secuencia. La aplicación de nivel superior tomará la decisión de qué hacer cuando esto ocurra.. Luis Felipe Llamas. 24.

(24) Transmisión de Voz en Redes Inalámbricas IEEE-802.11. 3.2.2 RTCP El protocolo complementario de RTP es RTCP, Real Time Transport Control Protocol. Su principal función es la de monitorear la calidad de la conexión. Normalmente se paquetiza sobre TCP, aunque existen aplicaciones que lo asignan a UDP, dejando la confiabilidad de la recepción a la aplicación que lo utiliza. Cabe aclarar que éste es sólo un protocolo de monitoreo. No ofrece ningún servicio de corrección en caso de que se detecten problemas en la red. Se definen cinco tipos de paquetes cuya longitud depende del contenido: 1. SR: Reporte del Transmisor.. 2. RR: Reporte del Receptor. 3. SDES: Descripción de la Fuente.. 4. BYE: Termina la Sesión.. 5. APP: Paquetes para Aplicaciones Especiales. La descripción de cada uno de ellos se sale de los objetivos de este trabajo. Una explicación detallada se encuentra en las referencias 4 y 18. Basta con mencionar que provee información correspondiente al retraso de la comunicación, el número de paquetes perdidos, el último paquete recibido, etc. Esta información resulta muy útil para aplicaciones de capas superiores que puedan tomar decisiones para mejor el enlace u optimizar el uso de los recursos.. 3.3 PRINCIPALES PROTOCOLOS VOIP Además de la transmisión de los paquetes de voz y de tramas de control, los estándares VolP definen otra subcapa al nivel de sesión referente a los protocolos de establecimiento de llamada. Éstos en forma genérica son conocidos como los protocolos de VolP. Dos de ellos destacan por su simplicidad y la gran adopción que han tenido en el mercado, H.323 y SIP. RTP. ::::[. SIP. H.323. TCP. UDP .. . . . . .. . . .. . . .. IP MAC PLCP. ·· ·················· ...... .......... ..... .. PMD Figura 3.3: Protocolos de Establecimiento de Llamada en el Modelo OSI. Luis Felipe Llamas. 25.

(25) Transmisión de Voz en Redes Inalámbricas IEEE-802.11. Estos protocolos definen diferentes estándares para el establecimiento de llamada. Además definen cómo se hará la interfaz entre la red VolP y la PSTN a través del gateway. Sus detalles salen del alcance de este trabajo, por lo que no serán cubiertos. La información detallada está disponible en las referencias bibliográficas [4], [1 O], [12] y [18]. Para los objetivos de este trabajo, es suficiente con mencionar que pueden utilizarse como medio de enlace de una sesión además de enviar información que es específica para la aplicación de capa superior. En el caso en cuestión se utilizará esta ventaja combinada con RTCP para optimizar el uso de la red. Se explica más a detalle en el capítulo 6.. Luis Felipe Llamas. 26.

(26) Transmisión de Voz en Redes Inalámbricas IEEE-802.11. 4 CALIDAD DE VOZ Existen varios sistemas para el análisis de la calidad de voz. Los más aceptados son MOS (Mean Opinion Score) y el factor R. En este trabajo se analiza a fondo el segundo, ya que MOS es un método subjetivo. Sin embargo, se han estudios de correlación los cuales indican que ambos factores proporcionan una medición adecuada de la calidad percibida de voz. El análisis presentado se hizo utilizando el equipo DSLA (Digital Speech Leve/ Analyzery de Malden Versión 3.5. 4.1 EL FACTOR R El factor R definido por la ITU es un escalar basado en el análisis estadístico de la percepción de los usuarios respecto a la calidad de la voz. Se correlaciona aproximadamente en forma lineal al MOS como se muestra en la Figura 3.1. La ventaja de este método es que elimina la alta subjetividad de MOS al incluir muestras muy grandes, convirtiéndolo en un factor de tipo estadístico. El concepto se basa en un número que equivale al porcentaje de distorsión total (impedimentos o defectos) que se agrega durante la transmisión. Está dado por la siguiente ecuación:. R = Ro - Is - Id - le + A Donde:. •. Ro: es la relación señal a ruido (SNR) de la transmisión. Está basada en la amplitud de la señal, ruido ambiental, etc.. •. Is: es la suma de los impedimentos o defectos causados por los efectos de tiempo real como digitalización, eco, etc.. •. Id: es la suma de los impedimentos causados por el retraso y la latencia.. • A: es el factor de ventaja por la comodidad que el aparato proporcione. •. le: es la suma de los impedimentos causados por el dispositivo. En este trabajo nos concentraremos en él.. El factor R es un número entre Oy 1OO. El máximo posible en el rango de voz limitado de 300 a 3400 Hz. es de 94. Éste es equivalente a la transmisión de voz utilizando PCM de 16 bits sin ningún retraso [13). La siguiente Figura representa la comparación entre R y MOS indicando la percepción subjetiva de los usuarios.. Luis Felipe Llamas. 27.