Estrategia de evaluación de la calidad de servicio extremo a extremo en aplicaciones Voz sobre IP

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(1)UNIVERSIDAD CENTRAL “MARTA ABREU”DE LAS VILLAS FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA DEPARTAMENTO DE ELECTRONICA Y TELECOMUNICACIONES. Estrategia de evaluación de la calidad de servicio extremo a extremo en aplicaciones Voz sobre IP. Tesis presentada en opción al Título Académico de Máster en Telemática Maestría de Telemática. Autor: Ing. Yovani Estevez Morera Tutor: MSc. Rafael Silot Trabajo Consultante: Dr. C. Vitalio Alfonso Reguera 2011 “Año 53 de la Revolución”.

(2) PENSAMIENTO. “Edúquese en el hábito de la investigación, en el roce de los hombres y en el ejercicio constante de la palabra, a los ciudadanos de una república que vendrá a tierra cuando falten a sus hijos esas virtudes”. José Martí. (t. 13, p. 188.).

(3) AGRADECIMIENTOS. Quisiera expresar mis sinceros agradecimientos a todas aquellas personas que me han dado aliento para que continúe mi superación profesional y me han apoyado incondicionalmente para la culminación de la Maestría y la presentación de esta Tesis. A mi esposa Iraida, sobre quien recayó todo el peso de la educación de mis hijas durante el tiempo que le dediqué a esta Maestría y quien supo apoyarme en todo momento. A mi tutor, MSc. Rafael Silot Trabajo, quien con su acostumbrada paciencia siempre estuvo dispuesto a organizar mis ideas sobre el tema. A mi consultante, Dr.C. Vitalio Alfonso Reguera, por el apoyo brindado en el desarrollo de esta tesis. A todos los Profesores que me hicieron llegar sus modestos conocimientos sobre diversos temas de interés en cada conferencia impartida. A mis compañeros de grupo por todo el afecto que se merecen..

(4) DEDICATORIA. A mis padres, por darme vida. A mis hijas, porque son mi razón de ser. A mi esposa, por su comprensión, apoyo, paciencia e infinito amor. A todos aquellos que de una manera u otra me han brindado apoyo incondicional..

(5) RESUMEN La Empresa de Telecomunicaciones de Cuba S.A (ETECSA) tiene como premisa dentro del plan de expansión y modernización, la migración de sus redes para ofrecer los servicios de voz y datos bajo una infraestructura unificada sobre el Protocolo de Internet (IP). En el contexto clásico de la Red de Telefonía Pública Conmutada (PSTN), no resultaba complejo medir la Calidad del Servicio (QoS), dado que el principio de conmutación de circuitos permitía garantizar el desempeño de las conexiones. Sin embargo, en las Redes de Próxima Generación (NGN) se hace necesario actualizar y ampliar los conceptos de medición de QoS para tener en cuenta aspectos propios de estas redes que, por definición, operan bajo el principio de transmisión de paquetes. Las investigaciones al respecto se centran en la construcción de fórmulas o relaciones formales entre la QoS percibida por el usuario y la calidad de funcionamiento del servicio con una doble finalidad. Por un lado, se busca ajustar los parámetros objetivos del servicio para obtener un nivel de QoS percibida aceptable para el usuario. Por otro lado, disponer de una herramienta para conocer en cada momento cuál es la percepción de los usuarios sin necesidad de una interacción directa con ellos, sólo haciendo uso de medidas de parámetros objetivos y de modelos basados en relaciones formales. El presente trabajo muestra resultados de investigación en el ámbito de la evaluación de la QoS de telecomunicaciones, fundamentalmente en la calidad percibida por los usuarios y su relación con los parámetros de funcionamiento técnico del servicio, aportando una estrategia que contribuya a implementar el proceso de evaluación de la QoS. Para ello se define un conjunto de modelos conceptuales para analizar los componentes objetivos y subjetivos relacionados con la evaluación de la QoS, que permitan proponer en cada momento el método que más se adapte a las condiciones reales de implementación de las aplicaciones Voz sobre IP (VoIP) en Cuba, teniendo en consideración de forma simultánea las opiniones subjetivas de los usuarios y las características de funcionamiento de los servicios..

(6) ABSTRACT. The Cuban Telecommunication Enterprise A.S, ETECSA, has as a premise inside the expansion and modernization plan, the migration of its networks to offer the voice and data services under a unified infrastructure over the Internet Protocol (IP). In the classic context of the Public Service Telephone networks (PSTN), was not too complex to measure the Quality of Service (QoS), because the principle of circuits’ commutation allowed to guarantee the development of connections. Nevertheless, in the Next Generations Networks (NGN) is necessary to update and increase the QoS measuring concepts to take into account some aspects of these networks that, for definition, operate under the package transmission principle. The investigations about this are focused in the construction of formulas or formal relationships between the QoS perceived by the user and the quality of operation of the service with a double purpose. In one hand, it is searched to adjust the objective parameters to obtain an acceptable level of QoS for the user. In other hand, we dispose a tool to know in each moment the right perception of the user without the network of a direct interaction with them, just making use of some measures of objective parameters and models based on formal relationships. This work shows the results of the investigations in the mark of the QoS evaluation of telecommunications, mainly in the quality perceived by the users and its relation with the parameters of technical functioning of service, giving us a strategy that contributes to better the process of evaluation of the QoS. For all these we define a group of conceptual models to analyze the objective and subjective components related to the evaluation of the QoS, that allow the proposal of the method that most adapts to the real conditions of implementation of application of voice over IP (VoIP) in Cuba, taking into consideration the subjective opinions of the users and the features of the functioning of services..

(7) ÍNDICE. INTRODUCCIÓN...................................................................................1 CAPÍTULO 1. TÉCNICAS DE EVALUACIÓN DE LA CALIDAD DE SERVICIO..............................................................................................7 1.1. Factores degradantes de la calidad de la voz ....................................... 8. 1.1.1. Demora.............................................................................................................8. 1.1.2. Variación de la demora...................................................................................9. 1.1.3. Pérdida de paquetes .....................................................................................11. 1.1.4. Eco..................................................................................................................11. 1.2. Codificación de la voz sobre redes de datos....................................... 12. 1.3. Recomendaciones referentes a la medición de QoS en redes IP ...... 16. 1.3.1. Recomendación UIT-T Y.1540......................................................................16. 1.3.2. Recomendación ITU-T Y.1541......................................................................18. 1.3.3. Norma ETSI TS 185 001 ................................................................................22. 1.4. Métodos de evaluación de la calidad de servicio................................ 22. 1.4.1. Método subjetivo para medidas de calidad de voz....................................23. 1.4.2. Métodos objetivos para medidas de calidad de voz..................................23. 1.3 Conclusiones parciales ............................................................................. 35. CAPÍTULO 2. ESTRUCTURA DE LAS REDES DE NUEVA GENERACIÓN EN CUBA ...................................................................36 2.1. Interfuncionamiento entre las redes TDM y NGN. ............................... 36. 2.2. Protocolos de señalización empleados en NGN ................................. 39. 2.2.1. Descripción de los protocolos más usados en NGN.................................39. 2.2.2. Relación de correspondencia y funcionalidad entre protocolos .............46. 2.3. Soluciones de acceso en Cuba............................................................. 48. 2.4. Conclusiones parciales ......................................................................... 51. CAPÍTULO 3. DISEÑO DE LA ESTRATEGIA PARA LA EVALUACIÓN DE LA QoS EXTREMO A EXTREMO EN REDES VOIP ....................................................................................................52.

(8) 3.1. Empleo de PESQ para realizar la evaluación de la QoS ..................... 53. 3.1.2 Sugerencias para la aceptación de redes IP con el empleo del software PESQ ........................................................................................................................58. 3.2. Empleo de la recomendación P.563 para realizar la evaluación de la. QoS ................................................................................................................. 58 3.2.1 Evaluación de P.563 para señales procesadas con distintos codec ..........60. 3.3. Red VoIP simulada con OPNET Modeler y evaluada con el Modelo E .. ................................................................................................................. 62. 3.3.1 Resultados de la simulación ................................................................. 64 3.3.2 Empleo del Modelo E para la estimación del MOS.............................. 69 3.4. Resumen de la estrategia de evaluación de la QoS ............................ 71. 3.5. Conclusiones parciales ......................................................................... 73. CONCLUSIONES................................................................................75 RECOMENDACIONES .......................................................................76 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................77 GLOSARIO DE TÉRMINOS................................................................81 ANEXOS..............................................................................................84 Anexo A. Empleo del compilador GCC para Windows ................................. 84.

(9) ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Estructura de la trama de voz [13].......................................................................13 Figura 2. Alcance de la recomendación Y.1540 [4] [18]. ....................................................17 Figura 3. Clasificación de los métodos de estimación de calidad [9]. ................................22 Figura 4. Visión general de los principios utilizados en PESQ [22]. ...................................25 Figura 5. Empleo de la recomendación P.563....................................................................29 Figura 6. Diferencias entre los modelos no intrusivo e intrusivo [23]. ................................30 Figura 7. Relación entre el factor escalar R y MOS [24]. ...................................................33 Figura 8. Resumen de los métodos de medida de la QoS. ................................................35 Figura 9. Interfuncionamiento entre las redes TDM y NGN................................................38 Figura 10. Funcionamiento de los protocolos RTP y RTCP [32]. .......................................42 Figura 11. Arquitectura del protocolo H.323 [34]. ...............................................................44 Figura 12. Protocolos empleados en NGN para la comunicación entre los elementos de red [36]................................................................................................................................47 Figura 13. Arquitectura de los protocolos NGN respecto al modelo OSI. ..........................47 Figura 14. Proceso de selección del compilador con Matlab. ............................................55 Figura 15. Resultado que se obtiene al comparar las señales original y degradada .........56 Figura 16. Puntajes PESQ con los archivos de voipref.txt del estándar. ...........................56 Figura 17. Comportamiento del PESQ-MOS......................................................................57 Figura 18. Puntaje de la recomendación P.563 para distintos valores de la señal degradada...........................................................................................................................59 Figura 19. Resultados de la evaluación realizada con distintos codec. .............................61 Figura 20. Valor de MOS-LQO para cada tipo de codec....................................................61 Figura 21. Red VoIP simulada............................................................................................63 Figura 22. Tráfico enviado por la red empleando codec diferentes....................................64 Figura 23. Tráfico recibido empleando codec diferentes....................................................65 Figura 24. Comparación entre el tráfico enviado y recibido en condiciones normales.......66 Figura 25. Comparación entre el tráfico enviado y recibido en condiciones de deterioro de los parámetros de la red. ....................................................................................................66 Figura 26. Rendimiento de utilización de la red por cada codec. .......................................67 Figura 27. Correspondencia entre los resultados obtenidos con P.563 y el escenario de simulación con el MOS .......................................................................................................68 Figura 28. Comportamiento de la demora de propagación para cada uno de los codec. .68 Figura 29. Aplicación de los métodos de medida de la QoS ..............................................73.

(10) ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Demoras introducidas por los diferentes codec [9].................................................8 Tabla 2. Anchos de banda para redes IP sobre Ethernet [9] [13].......................................13 Tabla 3. Definiciones de clases de QoS de las redes IP [19].............................................19 Tabla 4. Directrices para las clases de QoS en redes IP [19]. ...........................................20 Tabla 5. Definiciones de las clases provisionales de QoS de las redes IP [19]. ................20 Tabla 6. Ejemplos provisionales del factor de ventaja A [24]. ............................................32 Tabla 7. Definición de categorías de calidad de transmisión de señales vocales [24, 26]. 33 Tabla 8. Valores por defecto y gamas permitidas para los parámetros [24]. .....................34 Tabla 9. Relación de correspondencia entre diferentes protocolos....................................46 Tabla 10. Especificaciones de QoS del UMG 8900 [9].......................................................50 Tabla 11. MOS resultante en dependencia del codec al aplicar P.563. .............................62 Tabla 12. Valores de R y MOS para condiciones en la red sin pérdida de paquetes. .......69 Tabla 13. Valores de R y MOS para codec con pérdida de paquetes a ráfagas................70.

(11) INTRODUCCIÓN La utilización de las tecnologías de paquetes responde a la naturaleza cambiante del tráfico, propio de las aplicaciones de datos que se imponen en la actualidad, como es el caso de la expansión de Internet. La consolidación de la voz y los datos en una sola red reduce significativamente los costos de inversión, operación y mantenimiento. La convergencia de las redes y las aplicaciones posibilita innumerables servicios convergentes e innovadores de voz y datos, que no pueden desplegarse en la PSTN a costos razonables y efectivos. Hoy en día se generaliza la comercialización de servicios de voz y multimedia denominados comercialmente como Triple Play, o sea, brindar por una red única voz, datos y video e integrar también la movilidad. El crecimiento del tráfico de datos a nivel mundial, ha sido una de las condicionantes que ha contribuido a que los proveedores y empresas líderes en la esfera de las telecomunicaciones emprendan el desarrollo o la implementación de las redes NGN con infraestructura de transporte IP. Las redes de telecomunicaciones, como soporte para el transporte de información, han alcanzado un avance espectacular en las últimas décadas y han tenido un papel protagonista en la evolución de las tecnologías de la información y las comunicaciones. Ha sido precisamente esta expansión la que explica por qué la calidad de los servicios de telecomunicaciones en Internet ha ido cobrando tanta importancia en los últimos años. La tecnología IP tal como se concibió originalmente, no ofrece ningún tipo de garantías de QoS. Sin embargo existen servicios, entre ellos el telefónico, con rigurosos requisitos de retardo y variación del retardo (jitter), lo que hace necesario añadir funcionalidad a IP para que las redes basadas en este protocolo sean capaces de soportar este tipo de servicio. La red telefónica tradicional da garantías de QoS, ya que reserva un circuito extremo a extremo para cada comunicación, empleando la conmutación de circuitos. Por otro lado, en el caso de que la red detecte una saturación de cualquiera de sus recursos, simplemente bloquea el establecimiento de la comunicación. Esto quiere decir que la red telefónica tradicional no establece la comunicación a menos que tenga garantías de calidad; o lo que es lo mismo, la red telefónica es una red de calidad garantizada frente al modelo al “mejor esfuerzo” de las redes IP que emplean la tecnología de conmutación de paquetes [1].. 1.

(12) Desde el punto de vista general, la QoS es una medida del cumplimiento de las expectativas del cliente. Llevando esto a la voz, básicamente el cliente espera que el establecimiento de la llamada se produzca de forma rápida y poder disfrutar de una buena calidad de sonido durante el transcurso de la comunicación. Si se traslada a las redes IP, se estaría hablando en términos de ancho de banda, pérdida de paquetes, retardo y fluctuaciones de retardo [1]. La QoS es un concepto que varía en función de la perspectiva desde la que se observe. Las recomendaciones de la UIT-T (ver por ejemplo, [2]) diferencian entre calidad de funcionamiento de un servicio (o de la red), cuyo valor se basa en medidas de parámetros objetivos, y la QoS percibida por el usuario, en la que participan atributos subjetivos [3]. Resumiendo, para la evaluación de la QoS extremo a extremo se deben tener en cuenta los siguientes términos: calidad de funcionamiento de la red (red de transporte y red de acceso o equipos terminales) y calidad percibida por el usuario. Son muchas las investigaciones que se han llevado a cabo en función de la calidad de funcionamiento de los servicios y las redes. Así, se han diseñado y experimentado distintas arquitecturas de provisión de calidad, entre las cuales se definen los Servicios Integrados (IntServ) y Servicios Diferenciados (DiffServ) para garantizar las necesidades o garantías desde el punto de vista de la red que requieren los nuevos servicios. También se han planteado métricas para capturar valores de parámetros objetivos de la red en cuanto a latencia, variación del retardo, ancho de banda y pérdida de paquetes y comprobar que se cumple con las necesidades de los servicios contratados a los usuarios [3]. La interacción entre los distintos factores al proporcionar un servicio, hace que la provisión de calidad y las medidas se realicen a lo largo de la cadena de entrega y que cada una de las partes de la misma se comprometa a ciertos niveles de calidad, reflejándolos en un Acuerdo de Nivel de Servicio (SLA). La QoS percibida por los usuarios guarda relación con el grado de satisfacción que tienen al consumir un servicio. Desde el punto de vista empresarial, la importancia de este aspecto es muy relevante, puesto que influye en la fidelidad de clientes, en la diferenciación con la competencia y por tanto, en el éxito y la propia supervivencia de los proveedores de servicios. Es importante resaltar que el presente trabajo contempla el análisis y empleo de los algoritmos y modelos que evalúan la calidad de la voz, el cual es un concepto que hay 2.

(13) que valorar extremo a extremo. Por tal motivo, el análisis contempla la revisión y profundización en las distintas recomendaciones y estándares de los organismos encargados de formalizar internacionalmente los resultados alcanzados en este tema. A continuación se describe el procedimiento metodológico de la investigación científica desarrollada en el trabajo. Los antecedentes del problema de la investigación están relacionados con la implementación de las redes, en el sentido de que tradicionalmente se han desarrollado las redes para prestar los diferentes servicios (voz y datos) de forma diferenciada a través de redes separadas o independientes una de la otra. El servicio ofrecido a los abonados de la PSTN o red tradicional es de buena calidad. La tendencia actual de los operadores de telecomunicaciones es el tránsito hacia una nueva implementación que integre la voz y los datos sobre una única plataforma sobre el protocolo IP. Se trata de concertar el paso de un escenario corporativo restringido a una red pública de telecomunicaciones con la implementación de VoIP. La migración de las redes hacia las NGN está condicionada a su rápido despliegue en el mundo, muy pronto se dejará de producir el equipamiento de las redes. basadas. en. conmutación. de. circuitos.. Por. tal. motivo. los. países,. independientemente de su nivel de desarrollo, deben plantearse su estrategia de cómo evolucionar sus redes actuales hacia esta nueva tecnología. La red tradicional garantiza QoS para aplicaciones en tiempo real como la voz, lo que impone a las NGN basadas en conmutación de paquetes sobre el protocolo IP establecer mecanismos para garantizar una adecuada QoS, debido a que este protocolo no fue diseñado para aplicaciones interactivas en tiempo real, sino para datos. Se impone entonces a los operadores de servicio de telecomunicaciones, y en este caso se incluye ETECSA, establecer los métodos y herramientas que permitan evaluar la QoS. Es importante el estudio y la evaluación de los factores que influyen negativamente en la calidad de la voz durante la transmisión, con el objetivo de controlar y minimizar las imperfecciones de las redes IP respecto a la QoS. El problema radica en la no existencia en Cuba de una estrategia de evaluación de la QoS extremo a extremo en redes VoIP a partir de la influencia que sobre ella puedan tener los parámetros técnicos de la red de soporte, relacionados con la calidad percibida por el usuario en la utilización del servicio.. 3.

(14) El objeto de estudio consiste en el proceso de evaluación de la QoS extremo a extremo en redes VoIP. El campo de acción se basa en la estrategia para la utilización de los métodos y algoritmos estandarizados por la UIT-T en la evaluación de la calidad de la voz percibida por los usuarios. El objetivo general de la tesis es proponer una estrategia para la evaluación de la QoS percibida por los usuarios en aplicaciones VoIP extremo a extremo, mediante el empleo de los algoritmos y métodos recomendados por la UIT-T referentes a la determinación de la calidad de la voz. El proceso de evaluación de la calidad parte del funcionamiento de la red, teniendo en cuenta los siguientes parámetros técnicos de la red de soporte: pérdida de paquetes, demora o latencia, variación de la demora, así como el procesamiento de la información en los equipos terminales relacionado con el tipo de codec (codificador-decodificador) empleado. La evaluación comprende el nivel de satisfacción del usuario en la utilización del servicio. Para alcanzar el objetivo general se han planteado los siguientes objetivos específicos: ¾ Establecer los componentes conceptuales y funcionales relacionados con la evaluación de la QoS extremo a extremo ofrecidos sobre redes IP, tomando como referencia las aplicaciones VoIP. ¾ Describir los métodos y algoritmos de evaluación de la QoS extremo a extremo en aplicaciones VoIP, centrados en la determinación de la calidad a partir de parámetros del servicio que conlleven a la satisfacción de los usuarios. ¾ Aplicar las recomendaciones y estándares establecidos por los organismos internacionales relativos a la evaluación y seguimiento de la QoS para la implementación exitosa de la estrategia de evaluación, que permitan obtener un nivel de QoS percibida aceptable para el usuario. A continuación se proponen las interrogantes científicas de la investigación en función de lograr los objetivos: 1. ¿Cómo afectan los parámetros de los sistemas de transmisión a la calidad de la conversación telefónica?. 4.

(15) 2. ¿Cómo se puede establecer una correspondencia entre calidad percibida por los usuarios y calidad de funcionamiento de la red? 3. ¿Qué valores deben tener los parámetros objetivos de la red para que cumplan con las necesidades de los servicios proporcionados con respecto a la calidad percibida? 4. ¿Qué resultados se obtienen de la evaluación y monitorización de la QoS? El impacto económico y social de la investigación está relacionado con la implementación de las pruebas de evaluación y validación de la QoS previo a la puesta en funcionamiento de la tecnología y luego su seguimiento, con lo cual se evitarían molestias adicionales a los usuarios para la solución de fallas o averías que pudieran preverse o detectarse en el proceso de instalación y los consiguientes ajustes en la facturación de los abonados. Los resultados del trabajo se aplican fundamentalmente en las empresas proveedoras de servicios de telecomunicaciones como ETECSA, que migran su tecnología hacia una red donde el tratamiento y comportamiento de la información es diferente a la red tradicional, por lo que se requiere profundizar en el tema de la QoS para lograr garantías de calidad a todos los abonados, ya que las aplicaciones se implementan sobre un protocolo, en este caso IP, que no dispone de forma natural con mecanismos que permitan ofrecer un servicio de calidad. Los métodos científicos sobre los cuales se desarrolla la investigación son: ¾ El histórico lógico, el cual permite contextualizar el problema de la investigación, sus antecedentes y desarrollo. ¾ El analítico-sintético, ya que es necesario trabajar cada método de evaluación de la QoS extremo a extremo y su interrelación y posteriormente lograr la integración de las partes constitutivas del objeto de investigación para llegar al diseño de la estrategia de evaluación. ¾ El inductivo-deductivo, a través del cual se logra establecer generalidades en cuanto al diseño de la estrategia de evaluación de la QoS a partir de las ideas, puntos de partida y recomendaciones internacionales que la fundamentan. ¾ La modelación, mediante la cual se crean abstracciones con vistas a explicar la realidad. El modelo como sustituto del objeto de investigación. Opera en forma práctica o teórica con un objeto, no en forma directa, sino utilizando cierto sistema intermedio, auxiliar, natural o artificial, en este caso, la simulación.. 5.

(16) El informe está estructurado en tres capítulos. En el primer capítulo se hace referencia a los parámetros relacionados con las redes VoIP que degradan la QoS, así como los mecanismos y herramientas utilizados para garantizar la evaluación de la QoS percibida por los usuarios. En el segundo capítulo se analizan los protocolos de señalización que se aplican en las combinaciones típicas entre las redes de conmutación de circuito y conmutación de paquetes, se describe la estructura de implementación de la red NGN en Cuba y se propone el empleo del OPNET Modeler para simular el comportamiento de un escenario. En el tercer capítulo se refleja el aporte científico de la investigación realizada, donde se propone a partir de los resultados obtenidos, la propuesta de evaluación de la calidad de servicio extremo a extremo en redes VoIP, a partir del empleo de MATLAB para obtener la correlación entre el resultado que se obtienen de los algoritmos implícitos en las recomendaciones de la UIT-T y la nota media de opinión y de la simulación en OPNET Modeler de un escenario NGN con diferentes algoritmos de codificación, tanto en condiciones típicas de operación como en condiciones de deterioro de la señal.. 6.

(17) CAPÍTULO 1. TÉCNICAS DE EVALUACIÓN DE LA CALIDAD DE SERVICIO Existen distintos parámetros a la hora de evaluar la calidad de funcionamiento de la red en lo que se refiere al tipo de codec, retardo de paquetes, ancho de banda, pérdidas de paquetes, etc. También tiene importancia en qué punto o puntos de la red se mide. Para un determinado tráfico, se puede medir el retardo que se produce extremo a extremo entre origen y destino, o el retardo en uno de los trayectos por los que atraviesa el tráfico [4]. Existen distintas formas para realizar las medidas de dichos parámetros, entre las cuales se mencionan: ¾ Medidas directas a partir de un tráfico inyectado en la red. ¾ Medidas a partir del tráfico real en la red. La mayor parte de las redes de datos existentes fueron diseñadas para aplicaciones que por un lado, envían la información en forma de ráfagas y por otro, son insensibles a las demoras, lo que significa que si un paquete de datos llega dentro de un tiempo razonable, tanto la aplicación como el usuario quedan satisfechos. Los datos de voz y video, en cambio, son muy sensibles a los retrasos. Si un paquete demora más de 200 ms después de que fue transmitido, el paquete es totalmente inútil como portador de comunicación en tiempo real, pues se recibirá demasiado tarde para ser utilizado en la conversación o imagen de video. Por lo tanto, las redes que transportan voz y video sobre IP deben estar diseñadas y configuradas correctamente para garantizar que los paquetes de datos en tiempo real puedan transitar por la red en forma eficiente [5]. Para las redes IP que transportan voz, video y aplicaciones de datos, el objetivo en términos de QoS consiste en conservar tanto los datos en presencia de voz y video como la calidad de voz y video en presencia de tráfico de datos erráticos [5]. Los problemas de la QoS en VoIP vienen derivados de dos aspectos principalmente [6]: el primero conociendo que Internet es un sistema basado en conmutación de paquetes y por tanto la información no viaja siempre por el mismo camino, por lo que se producen efectos como la pérdida de paquetes o la variación en el tiempo de arribo de los paquetes. El segundo aspecto, las comunicaciones VoIP son en tiempo real, lo que produce que efectos como el eco, la pérdida de paquetes y el retardo sean muy molestos y perjudiciales, por lo que se deben evitar. A continuación se analizarán estos efectos.. 7.

(18) 1.1 Factores degradantes de la calidad de la voz Son varios los factores que determinan la calidad de la voz en una comunicación. Estos factores van desde las condiciones ambientales imperantes en los puntos donde se genera la comunicación, hasta la expectativa que pueden tener las personas sobre la tecnología que están usando. De especial interés en esta investigación son las degradaciones producidas por la red de transmisión, específicamente en aquellos segmentos donde se utiliza una red de conmutación de paquetes soportada en tecnología IP [7]. La calidad del servicio en la red se evalúa midiendo cuatro parámetros fundamentales: ancho de banda, demora total, variación de la demora y pérdida de paquetes. A continuación se describen los tipos y características de los factores degradantes de la QoS que aparecen en este escenario [6]. 1.1.1. Demora. A la demora también se le llama retardo o latencia. Se define técnicamente en VoIP como el tiempo que tarda un paquete en llegar desde la fuente al destino y es un problema frecuente en enlaces lentos o congestionados. El retardo total está determinado por varios factores, entre los que se encuentran [8]: •. Retardo debido a los algoritmos de compresión: En forma genérica, cuanto mayor es la compresión, más demora hay en el proceso (los codec requieren más tiempo para codificar cada muestra). En la tabla 1 se muestran las demoras típicas introducidas por los algoritmos de codificación más empleados en NGN. Tabla 1. Demoras introducidas por los diferentes codec [9].. Algoritmo de muestreo/compresión. Demora típica introducida. G.711 (64 Kbps). 125 µs. G.729 (8 Kbps). 10 ms. G.723 (5,3 o 6,4 Kbps). 30 ms. 8.

(19) •. Demoras de procesamiento: Es el tiempo utilizado en el procesamiento de la voz, dependen de los procesadores involucrados.. •. Demoras propias de la red (latencia): Están dadas por la velocidad de transmisión de la red, la congestión y las demoras de los equipos de la red (routers, pasarelas, etc.).. Las demoras no afectan directamente la calidad de la voz, sino la calidad de la conversación. Hasta 100 ms son generalmente tolerados, casi sin percepción de los interlocutores. Entre 100 y 200 ms las demoras son notadas. Al acercarse a los 300 ms de demora, la conversación se vuelve poco natural. Pasando los 300 ms la demora se torna crítica, haciendo muy dificultosa la conversación. Un efecto secundario generado por las demoras elevadas es el eco. La latencia entre el punto inicial y final de la comunicación debe ser inferior a 150 ms, como lo establece [10]. El oído humano es capaz de detectar latencias de unos 250 ms y hasta 200 ms en el caso de personas bastante sensibles. Si se supera ese umbral, la comunicación se vuelve molesta. No hay una solución que se pueda implementar de manera sencilla. Muchas veces depende de los equipos por los que pasan los paquetes, es decir, de la red misma. Se puede reservar un ancho de banda de origen a destino o señalizar los paquetes con valores de Tipo de Servicio (ToS), que es un campo de 8 bits de la cabecera de los datagramas IP que identifica la prioridad relativa de un paquete sobre otro de forma adecuada y ponerlos en las diferentes colas, para intentar que los equipos sepan que se trata de tráfico en tiempo real y lo traten con mayor prioridad, pero no suelen ser medidas muy eficaces, ya que no siempre se dispone del control de la red. Si el problema de la latencia está en una red interna, se puede aumentar el ancho de banda o velocidad del enlace o priorizar esos paquetes dentro de la red. 1.1.2. Variación de la demora. La variación de la demora o jitter es un efecto de las redes de datos no orientadas a conexión y basadas en conmutación de paquetes. Se define técnicamente como la variación en el tiempo de arribo de los paquetes, causada por congestión en la red, pérdida de sincronización o por las diferentes rutas seguidas por los paquetes para llegar al destino.. 9.

(20) Las comunicaciones en tiempo real (como VoIP) son especialmente sensibles a este efecto. En general, es un problema frecuente en enlaces lentos o congestionados. El aumento de mecanismos de QoS tales como prioridad en las colas, reserva de ancho de banda o enlaces de mayor velocidad pueden reducir los problemas del jitter. El valor recomendado para el jitter en la comunicación extremo a extremo debe ser inferior a 100 ms, para que pueda ser compensado de manera apropiada. En caso contrario, debe ser minimizado. La referencia normativa plantea que el jitter debe ser menor de 25 ms para el servicio telefónico (ancho de banda garantizado), mientras que para la VoIP el valor pico es: menor que 75 ms (bueno), menor que 125 ms (medio), menor que 225 ms (pobre). Los sistemas de transmisión paquetizados presentan un retardo variable en el tiempo de entrega de los paquetes. Esto se debe al hecho de que diferentes paquetes que transportan muestras vocales de la misma conversación telefónica pueden encontrarse con diferentes longitudes de cola o con diferentes rutas a través de la red. El efecto detallado depende mucho del mecanismo específico para el transporte, las colas o las prioridades que se pueden implementar en este tipo de sistemas [10]. No obstante, hay que suprimir la variación del retardo antes de reproducir la conversación al usuario, porque sino se notará una degradación importante. Esto se logra normalmente recogiendo paquetes en una memoria intermedia en el extremo receptor (buffer). Esta memoria intermedia reorganiza el orden cronológico de los paquetes y está dimensionada para tener en cuenta una cierta gama de variaciones del retardo de red, suprimiendo eficazmente todos los paquetes que corresponden al retardo del paquete con el mayor tiempo de tránsito que se puede aceptar. Si el tiempo de entrega de un paquete supera la longitud de la memoria intermedia de recepción, entonces este paquete llega demasiado tarde en relación con su tiempo previsto de reproducción y será descartado. Por consiguiente, la señal vocal transportada en este paquete se pierde para el proceso de decodificación. Esta pérdida de paquetes degrada la calidad de transmisión vocal. Normalmente en los teléfonos IP (hardware y software) se puede modificar la memoria intermedia, donde un aumento de la misma implica menos pérdida de paquetes pero más retraso, y una disminución implica lo contrario, menos retardo pero más pérdida de paquetes.. 10.

(21) 1.1.3. Pérdida de paquetes. Las comunicaciones en tiempo real están basadas en el Protocolo de Datagrama de Usuario (UDP). Este protocolo no está orientado a conexión y en el caso en que se produzca una pérdida de paquetes, no se reenvían. Además, la pérdida de paquetes también se produce por descartes de paquetes que no llegan a tiempo al receptor. Sin embargo, la voz es bastante predictiva y si se pierden paquetes aislados, se puede recomponer la voz de una manera bastante óptima. El problema es mayor cuando se producen pérdidas de paquetes en ráfagas. El límite máximo admitido para que no se degrade la comunicación deber ser inferior al 1%, pero es bastante dependiente del codec que se utiliza. Cuanto mayor sea la compresión del codec, más pernicioso es el efecto de la pérdida de paquetes. Por ejemplo, una pérdida del 1% degrada más la comunicación si se usa el codec G.729 en vez del G.711. Para evitar la pérdida de paquetes, una técnica muy eficaz en redes con congestión o de baja velocidad es no transmitir los silencios. Gran parte de las conversaciones están llenas de momentos de silencio y si se transmite solamente cuando haya información audible, se liberan bastante los enlaces y se evita el fenómeno de la congestión. 1.1.4. Eco. El eco se produce por un fenómeno técnico, durante la conversión de 2 a 4 hilos de los sistemas telefónicos o por un retorno de la señal que se escucha por los altavoces y se transmite de nuevo por el micrófono. También se suele conocer como reverberación y se define como una reflexión retardada de la señal acústica original. Es especialmente molesto cuanto mayor sea el retardo y cuanto mayor sea su intensidad, con lo cual se convierte en un problema en VoIP, puesto que los retardos suelen ser mayores que en la red telefónica tradicional. El oído humano es capaz de detectar el eco cuando su retardo con la señal original es igual o superior a 10 ms. Otro factor importante es la intensidad del eco, ya que normalmente la señal de vuelta tiene menor potencia que la original. Es tolerable que llegue a 65 ms y una atenuación de 25 a 30 dB. Para evitar este efecto tan molesto hay dos posibles soluciones. Una de ellas son los supresores de eco, que consisten en evitar que la señal emitida sea devuelta, convirtiendo. 11.

(22) por momentos la línea bidireccional en una línea unidireccional, de tal manera que si se detecta comunicación en un sentido, se impide la comunicación en sentido contrario. El tiempo de conmutación de los supresores de eco es muy pequeño e impide una comunicación bidireccional plena. Otra solución a utilizar son los canceladores de eco, que es el sistema por el cual el dispositivo emisor guarda la información que envía en memoria y es capaz de detectar en la señal de vuelta la misma información (tal vez atenuada y con ruido). El dispositivo filtra esa información y cancela esas componentes de la voz, por lo que requiere mayor tiempo de procesamiento. Se han descrito los parámetros degradantes de la QoS desde el punto de vista de la red de transporte. A continuación se hace referencia al tipo de codec empleado en la comunicación, lo cual constituye un aspecto de vital importancia a tener en cuenta en la QoS por su implicación, debido a la demora y la distorsión que se introduce en los equipos terminales durante el procesamiento de la información. 1.2 Codificación de la voz sobre redes de datos Un codec es un elemento que convierte una señal analógica en un formato digital para transmitirla y luego convertirla nuevamente en un formato descomprimido de señal para poder reproducirla en el receptor. Esta es la esencia de la VoIP, la conversión de señales entre analógico-digital. Un procedimiento de codificación tendrá mejor rendimiento cuanto más reduzca el tamaño del archivo, sin degradar en exceso la información, economizando así los recursos de la red [11]. Para poder transmitir las muestras codificadas de voz sobre redes de datos, es necesario armar paquetes. Para minimizar la sobrecarga del armado de paquetes y no introducir demoras inaceptables, se toman ventanas de 10 a 30 ms. Las muestras de voz de cada una de estas ventanas consecutivas se acumulan y con ellas se forman los paquetes de voz [12]. En la figura 1 [12] [13] se muestra la conformación del paquete de voz en el caso de que se utilice el codec G.711. Como se verá más adelante, para el envío de voz sobre redes de paquetes se utiliza el estándar RTP (Protocolo de Tiempo Real). Este protocolo a su vez se monta sobre UDP, el que a su vez se monta sobre IP, que en la Red de Área Local (LAN) viaja sobre Ethernet.. 12.

(23) Figura 1. Estructura de la trama de voz [13]. Esta suma de protocolos hace que el ancho de banda requerido para el tráfico de voz sobre Ethernet sea bastante mayor al ancho de banda del audio. Para una ventana de 20 ms y con codificación de audio Ley A, se obtienen 160 bytes de voz por trama (Bytes de voz/trama = 64 kbps * 20 ms / 8 = 160 bytes). El paquete IP (incluyendo los protocolos RTP y UDP) agregan 40 bytes adicionales (Bytes de paquete IP = 160 + 40 = 200 bytes). La trama Ethernet agrega otros 26 bytes: Bytes de Trama Ethernet = 200 + 26 = 226 bytes. En este ejemplo, cada 20ms se genera 226 bytes que se deben enviar por la LAN. Esto equivale a un ancho de banda de 90,4 kbps (compárese con los 64 kbps del flujo de audio): Ancho de banda LAN = 226 * 8 / 20 ms = 90,4 kbps. Es de hacer notar que este cálculo fue hecho para el envío de audio en una dirección. Como las comunicaciones son bidireccionales, el ancho de banda real requerido en la LAN será el doble. Puede utilizarse la supresión de silencio o Detección de Actividad de la Voz (VAD), en las que no se envían paquetes cuando no hay audio. En este caso, el ancho de banda total es similar al ancho de banda unidireccional. Por lo visto anteriormente, el ancho de banda de la voz paquetizada en la LAN depende del tamaño de la ventana (típicamente 10, 20 o 30 ms) y el codec utilizado [13]. La siguiente tabla muestra los anchos de banda unidireccionales necesarios utilizando redes IP sobre Ethernet. Tabla 2. Anchos de banda para redes IP sobre Ethernet [9] [13].. 13.

(24) Para prestar un servicio con calidad en las NGN, la UIT-T estableció ciertas recomendaciones sobre codec de voz para los operadores de VoIP. A continuación se hace referencia a los estándares más utilizados. ¾ Recomendación G.711: La UIT-T ha estandarizado la Modulación por Impulsos Codificados de frecuencias vocales (PCM) en la recomendación G.711 [14], que permite una señal de audio con un ancho de banda de 3.4 KHz que ha de ser codificada para la transmisión de índices de 56 Kbps o 64 Kbps. El G.711 utiliza ley A o ley µ para una compresión simple de amplitud y es el requisito básico de la mayoría de los estándares de comunicación multimedia de la UIT-T. PCM es el método de codificación de señal de audio analógica más popular y es ampliamente utilizado por la red telefónica pública. Sin embargo, el PCM no soporta compresión de ancho de banda, por lo que aparecieron otras técnicas de codificación. Los trayectos digitales entre países que hayan adoptado leyes de codificación diferentes deberán efectuar la transmisión con señales codificadas según la ley A. Cuando los dos países hayan adoptado la misma ley, deberá utilizarse esa ley en los trayectos digitales entre los mismos. Incumbirá a los países que utilicen la ley µ efectuar la conversión necesaria. ¾ Recomendación G.723.1: La recomendación G.723 [15] de la UIT-T especifica una representación codificada que se puede utilizar para comprimir la voz u otra señal de audio. Este codec tiene dos velocidades binarias asociadas: 5,3 y 6,3 kbps. La velocidad más alta tiene mejor calidad y la velocidad más baja da una calidad buena y proporciona a los diseñadores de sistemas mayor flexibilidad. Ambas velocidades son una parte obligatoria del codificador y del decodificador. Es posible conmutar entre las dos velocidades en cualquier frontera de trama y también permite el funcionamiento con velocidad variable, utilizando transmisión discontinua y relleno de ruido durante los intervalos sin voz. Este codec se optimizó para representar la voz con una calidad alta a las velocidades mencionadas mediante una complejidad limitada. Codifica la voz u otras señales de audio en tramas mediante la codificación predictiva lineal de análisis por síntesis. La señal de excitación del codec de alta velocidad es la Cuantificación Multiimpulso de Máxima Verosimilitud (MP-MLQ) y la del codec de velocidad baja es la Predicción Lineal 14.

(25) Excitada por tabla de Códigos Algebraicos (ACELP). Este codec codifica la voz u otras señales de audio en tramas de 30 ms. Además, tiene un preanálisis de 7,5 ms, lo que resulta en un retardo algorítmico total de 37,5 ms. Todos los demás retardos en la implementación y el funcionamiento de este codec se deben al tiempo real del procesamiento de los datos en el codificador y el decodificador, el tiempo de transmisión por el enlace de comunicaciones y el retardo adicional de la memoria intermedia para el protocolo de multiplexación. ¾ Recomendaciones G.729 y G.729A: La recomendación G.729 [16] de la UIT-T describe un algoritmo para la codificación de la voz a 8 kbps mediante Predicción Lineal con Excitación por Código Algebraico con Estructura Conjugada (CS-ACELP) y se adecua perfectamente a aquellos tipos de aplicaciones basadas sólo en audio y con un bajo requerimiento de ancho de banda. El codec codifica la voz y otras señales de audio con tramas de 10 ms. Se produce además un preanálisis de 5 ms, por lo que el retardo algorítmico total es de 15 ms. Los demás retardos producidos por la aplicación práctica de este codec tienen por causa el tiempo de procesamiento necesario para las operaciones de codificación y decodificación, el tiempo de transmisión en el enlace de comunicación y el retardo de multiplexación por la combinación de datos de señales vocales y otros. Elegidas como los estándares oficiales de la UIT en 1996, las recomendaciones G.729 y G.729A codifican señales de audio con un ancho de banda de 3.4 KHz para su transmisión a una velocidad de 8 Kbps. Ambos tienen una latencia (el tiempo que necesita para convertir de analógico a digital) más baja que G.723.1. La carga de procesamiento de este algoritmo es elevada y también es necesaria una licencia para su uso comercial. Cabe señalar que el G.729A para un uso más eficiente del ancho de banda, emplea la funcionalidad VAD, que puede realizar aproximadamente el 50% de la reducción en requisitos del ancho de banda sobre una agregación de canales. ¾ Codificación Predictiva Lineal (LPC): El vocoder LPC estándar [17] proporciona una función de análisis en el extremo transmisor y una función de síntesis en el extremo receptor. El análisis consiste en: Decidir si el sonido es periódico o aperiódico, determinar el período del tono en el primer. 15.

(26) caso y calcular los coeficientes del filtro. La síntesis consiste en elegir una forma de onda, ya sea periódica o ruido blanco, para excitar el filtro de síntesis. Los coeficientes óptimos del filtro implican el cálculo y minimización del error de predicción o el uso de algoritmos especiales. El número de muestras usadas en el proceso de análisis-síntesis es tal que el segmento formado es de 10-30 ms durante el que el proceso de producción de voz es esencialmente estacionario. El resultado es voz con calidad sintética y velocidad de transmisión de 2.4 Kbps. La inteligibilidad es pobre para sonidos, por ejemplo, nasales. Los codec constituyen uno de los elementos a tener en cuenta a la hora de evaluar la QoS, por la implicación que tienen los mismos en la calidad de la voz percibida por el abonado. La QoS es uno de los temas fundamentales a ser tratados cuando se habla de la VoIP. A continuación se hace referencia a las principales recomendaciones internacionales referentes a la evaluación de la QoS en redes IP en las cuales se fundamentó el trabajo, de donde se extraen cuatro condiciones de servicio, que resultan de la intersección de parámetros definidos en las regulaciones UIT-T y ETSI (Instituto de Estandarización de Telecomunicaciones de Europa), aplicable a operadores de telecomunicaciones que cuenten con redes multiservicios [4]: 1.3. Recomendaciones referentes a la medición de QoS en redes IP. Este acápite presenta los resultados de investigaciones referentes a las principales recomendaciones internacionales en el ámbito de la evaluación de la QoS de telecomunicaciones, y más concretamente en la calidad percibida por los usuarios y su relación con los parámetros de funcionamiento técnico del servicio. 1.3.1. Recomendación UIT-T Y.1540. La recomendación UIT-T Y.1540 [18] define parámetros que se pueden utilizar para especificar y evaluar la calidad de funcionamiento en cuanto a velocidad, exactitud, seguridad de funcionamiento y disponibilidad de la transferencia de paquetes IP del servicio de comunicación de datos con IP. Los parámetros definidos se aplican al servicio IP de extremo a extremo, punto a punto, y a tramos de la red que proporcionan o contribuyen a la prestación de ese servicio. Las definiciones de esta recomendación. 16.

(27) plantean el transporte sin conexión como uno de los aspectos diferenciadores del servicio IP. Los usuarios a los que va dirigida la recomendación Y.1540 son los proveedores de red IP, los fabricantes de equipos y los usuarios finales. Puede ser utilizada por los proveedores de servicios para planificar, desarrollar y evaluar un servicio IP que satisfaga las necesidades de los usuarios en materia de calidad de funcionamiento; por los fabricantes de equipos, como fuente de información respecto a esa calidad de funcionamiento que influirá en el diseño de los equipos; y por los usuarios finales para evaluar la calidad del servicio IP [18]. En la figura 2 se hace referencia a los aspectos diferenciadores del servicio en redes IP.. Figura 2. Alcance de la recomendación Y.1540 [4] [18]. La recomendación define un conjunto de parámetros de calidad de funcionamiento de la transferencia de paquetes IP: El Retardo de Transferencia de Paquetes IP (IPTD) se define para todos los resultados, paquetes satisfactorios y con errores, a través de una sección básica o un conjunto de secciones de red. La Variación del Retardo de la Transferencia de Paquetes IP (IPDV), es la diferencia entre. 17.

(28) el retardo en un solo sentido de determinados paquetes. Las variaciones del retardo IP provocarán el aumento de los umbrales del temporizador de retransmisión TCP (Protocolo de Control de Transmisión) y quizás den lugar también a que se retarden las retransmisiones de paquetes o se retransmitan paquetes innecesariamente. La Tasa de Errores en los Paquetes IP (IPER), es la relación entre el total de resultados paquete IP con errores y el total de resultados transferencia de paquete IP satisfactoria más los resultados paquete IP con errores en una población de interés. La Tasa de Pérdida de Paquetes IP (IPLR) es la relación entre el total de resultados paquete IP perdido y el total de paquetes IP transmitidos en una población de interés. La Tasa de paquetes IP espurios en un Punto de Medición (MP) de egreso es el número total de paquetes IP espurios observados en ese MP de egreso durante un intervalo de tiempo especificado, dividido por la duración del intervalo de tiempo (equivalente al número de paquetes IP espurios por segundo de servicio). La Tasa de Bloques de Paquetes IP con Muchas Pérdidas (IPSLBR) es la relación entre los resultados bloques de paquetes IP con muchos errores y el número total de bloques en una población de interés. 1.3.2. Recomendación ITU-T Y.1541. La recomendación UIT-T Y.1541 [19] especifica los valores de calidad de funcionamiento de IP aceptables de la red para cada uno de los parámetros de calidad de funcionamiento definidos en [18]. Los valores, reflejados en la tabla 3, se agrupan en un conjunto de clases de QoS de red que tienen por objetivo establecer las bases de los acuerdos entre los usuarios finales y los proveedores de servicios de red y entre los proveedores de servicio. Esta recomendación agrupa las transacciones de telecomunicaciones IP en seis clases especiales de QoS de red, definidas de acuerdo con los objetivos de QoS deseados. Dichas clases sirven de base para acuerdos entre los usuarios finales y proveedores de servicios. Son compatibles con una gran variedad de aplicaciones de tráfico, entre ellas la telefonía de punto a punto, la transferencia de datos, y las conferencias con multimedios. Para aplicaciones que exigen una calidad de funcionamiento mayor que otras, es posible que se necesite una clasificación nueva o revisada para las aplicaciones futuras. El número limitado de clases coincide con la condición requerida de una implementación viable, particularmente con respecto a la escala de las redes mundiales. 18.

(29) Tabla 3. Definiciones de clases de QoS de las redes IP [19].. Cada clase de QoS de red crea una combinación específica de límites en los valores de la calidad de funcionamiento. En esta cláusula se incluyen directrices sobre hasta cuándo se podría utilizar cada clase de QoS de red, pero no se obliga a utilizar ninguna en particular en ningún contexto especial. De acuerdo con la recomendación mencionada, un flujo de paquetes es el tráfico asociado con un flujo con o sin conexión determinado que tiene el mismo computador principal de origen, computador principal de destino, clase de servicio e identificación de sesión. Por lo tanto, un proveedor de servicio y un usuario final habrán llegado a un acuerdo sobre la capacidad máxima necesaria para la clase de servicio requerida del flujo de paquetes según la defina una de esas seis clases. Los objetivos de QoS son aplicables cuando las velocidades de enlaces de acceso se hallen al nivel T1 o E1 y a niveles más altos. En la tabla 4 se presentan algunas directrices para la aplicabilidad y la ingeniería de las clases de QoS de las redes IP. En la tabla 5 se presenta un conjunto de clases provisionales de QoS donde al igual que en el resto de las clases, todos los valores son provisionales y no es necesario que sean satisfechos por las redes hasta que se revise su estado sobre la base de las experiencias de explotación reales. Con estas clases se pretende soportar las necesidades de calidad de funcionamiento de las aplicaciones de usuarios de velocidad binaria elevada, que. 19.

(30) tienen requisitos de pérdidas/errores más rigurosos que los soportados por las clases 0 a 4 especificadas anteriormente. Tabla 4. Directrices para las clases de QoS en redes IP [19].. Tabla 5. Definiciones de las clases provisionales de QoS de las redes IP [19].. Las ocho clases permiten SLA entre los clientes y los proveedores del servicio de red con respecto a los requisitos de los parámetros de QoS. El proveedor de servicio debe entonces asegurar que los requisitos de clase de servicio para cada cliente sean reconocidos y que éste reciba el trato apropiado en las capas de la red. Actualmente se está mejorando la recomendación Y.1541 a fin de que brinde soporte para aplicaciones de usuario extremadamente sensibles a la pérdida, tales como televisión digital de alta calidad, emulaciones de circuito TDM y transferencias de alta capacidad usando TCP. El plan es agregar un número mínimo de clases para satisfacer estas necesidades.. 20.

(31) Los aspectos de la tabla 4 no pueden evaluarse instantáneamente. Los intervalos de evaluación producen subconjuntos de la cantidad de paquetes de interés (como se define en [18]. Idealmente, estos intervalos son suficientemente largos para incluir bastantes paquetes del flujo deseado con respecto a las tasas y valores especificados, suficientemente largos para reflejar un período de uso típico (vida útil del flujo) o la evaluación del usuario, suficientemente cortos para asegurar un balance de la calidad de funcionamiento aceptable a través de cada intervalo (se deberían identificar los intervalos de calidad de funcionamiento deficiente, sin ocultarlos dentro de un intervalo de evaluación muy largo) o suficientemente cortos para tratar los aspectos prácticos de la medición. Para las evaluaciones asociadas con la telefonía, es necesario un intervalo mínimo del orden de 10 a 20 s con velocidades de paquetes convencionales (50 a 100 paquetes por segundo), y los intervalos deberían tener un límite superior del orden de minutos. Se sugiere un valor de un minuto y, en cualquier caso, se debe registrar el valor utilizado con el valor observado, junto con los eventuales intervalos hipotéticos y de confianza. Cualquier minuto observado debe cumplir los objetivos IPTD, IPDV e IPLR de la tabla 4. En [19] no se especifica ningún protocolo y existen pocos ámbitos en los que puedan surgir problemas de seguridad. Todos ellos asociados a la verificación de los objetivos de calidad de funcionamiento con las implementaciones de los sistemas de medición. Los sistemas de medición que evalúan la calidad de funcionamiento de las redes para determinar la observancia de los objetivos numéricos definidos en la presente recomendación deben limitar el tráfico de medición a niveles adecuados para evitar el uso abusivo (por ejemplo, un ataque de denegación de servicio). Las partes que participen en actividades de medición, y entre ellas las administraciones y operadores de redes que cursan el tráfico, deben acordar previamente los niveles de tráfico aceptables. Los sistemas que supervisan el tráfico de los usuarios para realizar estas mediciones deben salvaguardar la confidencialidad de la información de los usuarios. Los sistemas que pretendan realizar estas mediciones pueden emplear técnicas (por ejemplo, el troceo criptográfico) para determinar si alguna entidad malintencionada, que parece formar parte de la población de interés, introduce tráfico adicional. Tradicionalmente la QoS se ha relacionado con los parámetros de la red y actualmente ha ido cambiando, ya que depende de la percepción que el abonado tenga del servicio que recibe, el cual está contratado y reflejado en los SLA. 21.

(32) 1.3.3. Norma ETSI TS 185 001. La norma ETSI TS 185 001 [20] provee un conjunto de conceptos de QoS genéricos para NGN, provee un modelo de marco teórico y describe los requerimientos para la entrega de QoS en NGN. En ella aparecen las definiciones que se identifican a continuación. La QoS garantizada se refiere al servicio de entrega de tráfico con límites numéricos en parte o la totalidad de los parámetros de QoS. Estos límites resultan de designar clases de servicios para la transferencia de paquetes. La QoS relativa se refiere al servicio de entrega de tráfico sin límites absolutos en el ancho de banda entregado, el retraso o la pérdida de paquetes. Describe las circunstancias donde se diferencian ciertas clases de tráfico de otras y los diferentes niveles de QoS que pueden alcanzan cada una de ellas. Una vez presentados los conceptos de QoS, es necesario estudiar qué trabajos se han realizado para relacionar ambas dimensiones de la calidad, los cuales se presentarán en el apartado siguiente. 1.4 Métodos de evaluación de la calidad de servicio Para que la tecnología de VoIP pueda ser utilizada en forma masiva y comercial, es esencial garantizar una calidad de voz aceptable. Para ello se han desarrollado métodos para evaluarla y se han dividido en subjetivos y objetivos. La figura 3 muestra la clasificación de los métodos de estimación de la calidad de la voz.. Figura 3. Clasificación de los métodos de estimación de calidad [9]. Los métodos subjetivos de medida de la QoS, se basan en conocer directamente la opinión de los usuarios. Típicamente resultan en un promedio de opiniones, por ejemplo, en un valor de MOS (Mean Opinion Score).. 22.

(33) Los métodos objetivos miden propiedades físicas de una red para prever o estimar el rendimiento percibido por los usuarios. A su vez se subdividen en intrusivos (se inyecta una señal de voz conocida en el canal y se estudia su degradación a la salida) y no intrusivos (monitorean ciertos parámetros en un punto de la red y en base a éstos permite establecer en tiempo real la calidad que percibiría un usuario). En las próximas secciones se describen los métodos de medida de la QoS para aplicaciones VoIP. 1.4.1. Método subjetivo para medidas de calidad de voz. Las redes de telecomunicación modernas proporcionan una extensa gama de servicios vocales que utilizan numerosos sistemas de transmisión. En particular, la rápida expansión de las tecnologías digitales ha hecho crecer la necesidad de evaluar las características de transmisión de los nuevos equipos. En muchas circunstancias es necesario determinar los efectos subjetivos causados por algún nuevo equipo de transmisión o por la modificación de las características de transmisión de una red telefónica. La recomendación UIT-T P.800 [21] se conoce por registro o nota media de opinión MOS y describe métodos para obtener evaluaciones subjetivas de los sistemas y componentes de transmisión. Es el método de evaluación subjetivo más ampliamente usado. La finalidad de esta recomendación es indicar los métodos considerados adecuados para determinar el grado de satisfacción que cabe prever en el funcionamiento de ciertas conexiones telefónicas. La calidad de la voz es calificada con un número entre 1 y 5. El valor numérico de MOS es proporcional a la calidad de la voz, donde 1 significa muy mala calidad y 5 significa excelente. Los valores son obtenidos mediante el promedio de las opiniones de un gran grupo de usuarios a través de encuestas en persona o de manera telefónica, por lo que los métodos subjetivos son en general caros y lentos. Son dependientes entre otros factores del país, del idioma, de las experiencias previas de los usuarios. 1.4.2. Métodos objetivos para medidas de calidad de voz. Dado que el MOS es un registro subjetivo difícil de llevar a cabo, en algunas situaciones prácticas se emplean pruebas objetivas como las que se explican a continuación.. 23.

(34) 1.4.2.1 Método de evaluación de la calidad vocal por percepción El método objetivo descrito en la recomendación UIT-T P.862 se conoce por Evaluación de la Calidad Vocal por Percepción (PESQ). Es un método objetivo para la evaluación de la calidad vocal de extremo a extremo de redes telefónicas de banda estrecha y codec vocales. Esta recomendación describe un método objetivo para predecir la calidad subjetiva de la voz telefónica utilizando los codec más comunes. Presenta una descripción de alto nivel del método y explica la forma de utilizarlo. Trata los efectos de filtrado, el retardo variable y las distorsiones cortas localizadas mediante la ecualización de la función de transferencia, la alineación de tiempo y un nuevo algoritmo para promediar distorsiones en función del tiempo. La validación de PESQ incluía un número de experimentos que probaban específicamente su calidad de funcionamiento para combinaciones de factores tales como filtrado, retardo variable, distorsiones de codificación y errores del canal. Se recomienda que este método se utilice para la evaluación de la calidad vocal de microteléfonos de 3,1 KHz (banda estrecha) y codec vocales de banda estrecha. PESQ compara una señal inicial X(t) con una señal degradada Y(t) que se obtiene como resultado de la transmisión de X(t) a través de un sistema de comunicaciones (por ejemplo, una red IP). La salida de PESQ es una predicción de la calidad percibida por los sujetos en una prueba de escucha subjetiva que sería atribuida a Y(t). El primer paso de PESQ consiste en una alineación temporal entre las señales iniciales X(t) y degradada Y(t). Para cada intervalo de señal se calcula un punto de arranque y un punto de parada correspondientes. Una vez alineadas, PESQ compara la señal de entrada inicial con la salida degradada alineada, utilizando un modelo por percepción, tal como se muestra en la figura 4. Lo esencial en este proceso es la transformación de las dos señales, la inicial y la degradada, en una representación interna que intenta reproducir la representación psicoacústica de señales de audio en el sistema auditivo humano, teniendo en cuenta la frecuencia por percepción y la sonoridad. El modelo cognitivo de PESQ termina brindando una distancia entre la señal vocal inicial y la señal vocal degradada (“nota PESQ”), la que corresponde a su vez con una predicción de la MOS subjetiva.. 24.

(35) Figura 4. Visión general de los principios utilizados en PESQ [22]. La nota PESQ se hace corresponder a una escala similar a la de MOS, un número único en una escala de 0.5 a 4.5, aunque en la mayoría de los casos la gama de las salidas estará entre 1.0 y 4.5, que es la gama normal de valores de MOS que suelen darse en un experimento sobre la calidad de la voz. La descripción detallada del algoritmo es compleja y puede verse en la recomendación referenciada. El método PESQ es objetivo e intrusivo, ya que requiere del envío de una señal conocida de referencia para evaluar la calidad percibida de la voz. Algunos sistemas lo implementan enviando un par de segundos de audio conocido, lo que basta para poder aplicar el método. La mayor parte de la información sobre la calidad de funcionamiento de PESQ proviene de experimentos subjetivos de la Calidad de Escucha (LQ) para la determinación de Índices por Categorías Absolutas (ACR). Por tanto, debe considerarse que esta recomendación se relaciona esencialmente con la escala de opinión ACR LQ [22]. Los factores de prueba para los cuales se ha demostrado que PESQ tiene una exactitud aceptable se detallan a continuación [22]: niveles de entrada de la señal vocal a un codec, errores del canal de transmisión, pérdida de paquetes y ocultación de la pérdida de paquetes con codec CELP, velocidades binarias si un codec tiene más de un modo de velocidad binaria, transcodificaciones, ruido ambiental en el lado emisor (puede medirse aplicando a PESQ la señal inicial limpia sin ruido y la señal degradada con ruido), efecto de la variación del retardo en las pruebas de sólo escucha, alabeo de la señal de audio en función del tiempo a corto y largo plazo.. 25.

(36) Se conoce que PESQ da predicciones inexactas cuando se usa en combinación con las variables que se describen a continuación o no se tiene el propósito de utilizarlo con estas variables por otros motivos [22]. En factores de prueba donde no se tiene en cuenta el efecto subjetivo de la desviación con respecto al nivel de escucha óptimo, pérdida de sonoridad, efecto del retardo en pruebas conversacionales, eco para la persona que habla, efecto local. Los factores, tecnologías y aplicaciones para las cuales PESQ todavía no ha sido validado son las siguientes [22]: ¾ Factores de prueba: pérdida de paquete y ocultación de la pérdida de paquete con codec del tipo MIC (Modulación por Impulsos Codificados), recorte temporal de la señal vocal, recorte de la amplitud de la señal vocal, relaciones de dependencia con respecto al hablante, múltiples hablantes simultáneos, discordancia de velocidad binaria entre un codificador y un decodificador si un codec tiene más de un modo de velocidad binaria, señales de información de red como entrada a un codec, señales vocales artificiales como entrada a un codec, música como entrada a un codec, eco para el oyente, efectos/artefactos resultantes de la operación de los compensadores de eco, efectos/artefactos resultantes de los algoritmos de reducción de ruido. ¾ Tecnologías de codificación: CELP y codec híbridos menores de 4 kbps. 1.4.2.2 Método basado en un solo extremo La recomendación UIT-T P.563 [23] describe un método basado en un solo extremo para la evaluación objetiva de la calidad vocal en aplicaciones de telefonía de banda estrecha. Incluye una descripción de alto nivel del método y recomendaciones sobre su utilización. El algoritmo P.563 es aplicable para la predicción de la calidad vocal sin una señal de referencia independiente. Por ese motivo, este método se recomienda para la evaluación no intrusiva de la calidad vocal y para la supervisión y evaluación con la red en funcionamiento, empleando fuentes de señal vocal desconocidas en el extremo lejano de una conexión telefónica. Los sistemas reales pueden incluir ruido de fondo, filtrado y un retardo variable, así como distorsiones debido a errores del canal y a los codec vocales. Hasta ahora, los métodos de evaluación de la calidad de la voz para dichos sistemas, tales como P.862 [22], requieren una señal de referencia, o bien, sólo calculan índices de calidad basados en un conjunto restringido de parámetros, tales como nivel, ruido en las pausas de la voz y eco. 26.