Mecanismos de reproducción adaptativos para conversaciones de voz sobre redes inalámbricas móviles

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Mecanismos de reproducción adaptativos para conversaciones de voz sobre redes inalámbricas móviles Autor: Abdiel Roque Cruz. Tutor: MSc. Carlos A. Rodríguez López. Santa Clara 2011 "Año 53 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Mecanismos de reproducción adaptativos para conversaciones de voz sobre redes inalámbricas móviles Autor: Abdiel Roque Cruz e-mail: [email protected]. Tutor: MSc. Carlos A. Rodríguez López e-mail: [email protected]. Santa Clara 2011 "Año 53 de la Revolución".

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Autor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. PENSAMIENTO. “Todos somos muy ignorantes. Lo que ocurre es que no todos ignoramos las mismas cosas”. Albert Einstein.

(5) ii. DEDICATORIA. . A mis abuelos maternos, por permitir con sus sacrificios el cumplimiento de este sueño.. . A mi papá, hermanos, tíos, a toda mi familia en general por ser cómplices y partícipes de mis esfuerzos..

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. Son varias las personas a las que estaré agradecido por el apoyo incondicional que siempre me han brindado: . A Dios por haberme permitido llegar hasta aquí pues sin su ayuda no hubiera sido posible.. . Al profesor Carlos por su paciencia, dedicación y tutoría admirable.. . A mis abuelos Orosmán y Gladys porque con su guía y dedicación me han ayudado a alcanzar esta meta.. . A mi papá, mis hermanos, Ismayda y a mi abuelo Ramón por siempre estar interesados en mi proceso educativo.. . A mi novia Marta María pues ella ha puesto toda su dedicación y empeño para apoyarme en el transcurso de mi carrera.. . A mis tíos y familia por el apoyo que me han brindado en todo momento.. . A Alexander y Yenny por las tantas veces que me han servido desinteresadamente a favor de mi carrera.. . A Marta, Guille y María pues ellos también tienen parte en este logro.. . A mis compañeros de aula más cercanos pues junto a ellos he disfrutado de muy buenos momentos en el transcurso de estos cinco años..

(7) iv. TAREA TÉCNICA. . Revisión bibliográfica sobre el desarrollo de mecanismos para buffer de reproducción en aplicaciones de VoIP.. . Valoración de las herramientas a utilizar en el proceso de evaluación de algoritmos de reproducción adaptativos.. . Análisis comparativo del desempeño de algunos algoritmos para buffer de reproducción en el contexto de redes inalámbricas.. . Confección del informe donde se recojan las diferentes etapas del desarrollo de esta investigación.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) v. RESUMEN. En este trabajo se presenta un estudio sobre mecanismos de reproducción adaptativos para servicios de voz en redes inalámbricas. Las principales contribuciones de este trabajo son: En primer lugar, se presenta una clasificación de los tipos de redes inalámbricas que pueden constituir soporte para servicios de VoIP. Además, se discuten brevemente las características generales de las mismas. En segundo lugar, se realiza una revisión bastante completa sobre los mecanismos de reproducción en aplicaciones de audio. Los algoritmos son clasificados de acuerdo a reglas y principios claramente identificados. Un énfasis especial reciben los algoritmos que posteriormente son tratados en el análisis de desempeño para redes inalámbricas. En tercer lugar, se discuten las herramientas y métodos disponibles para la evaluación de desempeño de los algoritmos, destacando las ventajas y desventajas de cada uno de ellos. Además, se presenta un modelo propuesto por la UIT que permite generar trazas de audio representativas de los diferentes grados de deterioro que se pueden encontrar en las redes de paquetes. Un conjunto de trazas generadas a partir de ese modelo se usa como base para un análisis estadístico del comportamiento de la demora en las redes IP. Finalmente, se presenta un análisis comparativo del desempeño de algunos algoritmos en aplicaciones de voz para redes inalámbricas. Este análisis tiene como base los resultados de trabajos recientemente publicados..

(9) vi. TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO................................................................................................................. i DEDICATORIA ................................................................................................................ ii AGRADECIMIENTOS .....................................................................................................iii TAREA TÉCNICA ........................................................................................................... iv RESUMEN ........................................................................................................................ v INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 1 Organización del informe ............................................................................................... 2 CAPÍTULO 1. 1.1. ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO ................................................................ 4. Redes inalámbricas ............................................................................................. 5. 1.1.1. Redes de acceso inalámbricas de un solo salto ............................................. 6. 1.1.2. Redes de acceso inalámbricas de varios saltos ............................................. 6. 1.1.2.1. 802.16 o WiMAX........................................................................................ 6. 1.1.2.2. Redes MANET ............................................................................................ 7. 1.1.2.3. Redes en mallas ........................................................................................... 8. 1.2. Revisión bibliográfica sobre Algoritmos de control de demora ............................ 8. 1.2.1. Técnicas de reproducción que ajustan dentro de ráfagas ............................ 10. 1.2.2. Técnicas no tolerantes a pérdidas ............................................................... 10. 1.2.3. Técnicas tolerantes a pérdidas ................................................................... 11.

(10) vii 1.2.4. Técnicas basadas en calidad ...................................................................... 12. 1.2.5. Análisis del desempeño de algoritmos en el presente trabajo ..................... 12. 1.3. Algoritmo 1 de Ramjee ................................................................................. 13. 1.4. Algoritmo 2 de Ramjee ................................................................................. 13. 1.5. Algoritmo 3 de Ramjee ................................................................................. 13. 1.6. Algoritmo 4 de Ramjee ................................................................................. 14. 1.7. Algoritmo eEM ............................................................................................. 15. 1.8. Algoritmo 5................................................................................................... 15. CAPÍTULO 2.. MATERIALES Y MÉTODOS .............................................................. 17. 2.1. Obtención de trazas a través de pruebas de campo ............................................. 17. 2.2. Obtención de trazas por emulación .................................................................... 18. 2.2.1. Orbit ......................................................................................................... 18. 2.2.2. Lin et al. .................................................................................................... 18. 2.2.3. MobiNet .................................................................................................... 19. 2.2.4. APE .......................................................................................................... 19. 2.2.5. MobiEmu .................................................................................................. 19. 2.3. Obtención de trazas por simulación ................................................................... 20. 2.4. Recomendación G.1050 de la UIT-T ................................................................. 20. 2.4.1. Ámbito de aplicación de la Recomendación .............................................. 21. 2.4.2. Modelo E .................................................................................................. 23. 2.5. Obtención de trazas y uso en la evaluación de algoritmos de buffer de. reproducción................................................................................................................. 23 2.5.1 CAPÍTULO 3.. Evaluación de algoritmos .......................................................................... 26 ANÁLISIS. DEL. DESEMPEÑO. DE. LOS. ALGORITMOS. SELECCIONADOS ......................................................................................................... 31.

(11) viii 3.1. Obtención de las trazas a utilizar ....................................................................... 31. 3.2. Evaluación de los algoritmos seleccionados ...................................................... 32. 3.2.1. Desempeño de los algoritmos 1 y 4 de Ramjee .......................................... 33. 3.2.2. Desempeño de los algoritmos 2 de Ramjee y eEM..................................... 35. 3.2.3. Desempeño del algoritmo 3 de Ramjee ...................................................... 37. 3.2.4. Desempeño de los algoritmos 2 de Ramjee y algoritmo 5 .......................... 38. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................ 42 Conclusiones ................................................................................................................ 42 Recomendaciones ......................................................................................................... 43 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................................. 44.

(12) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. En la actualidad existe una tendencia mundial a la integración de servicios en redes IP. Lógicamente, aparecen dificultades en la integración de servicios isócronos ya que la red IP no se concibió pensando en este tipo de servicios. En el caso de servicios de voz interactivos en tiempo real, los paquetes que se transportan sobre la red IP sufren demoras variables que afectan la calidad. Una forma de lidiar con esta situación es la de usar mecanismos de reproducción adaptativos que eliminan la variación de la demora pero que introducen una demora adicional. Es de esperar que la aplicación de estos mecanismos impacte de forma apreciable la calidad de los servicios de voz ya que intervienen de forma clara tanto en la perdida de paquetes como en la interactividad de la conversación. En el ámbito de las redes de datos cableadas se han propuesto recientemente algoritmos de buffer de reproducción que basan su funcionamiento en el historial de la demora de los paquetes. Sin embargo, se puede preasumir que estos vean comprometido su desempeño en redes inalámbricas con escenarios de gran movilidad debido a la inherente dinámica. Frecuentemente, la evaluación de los algoritmos de reproducción se ha realizado a través de modelos que siguen con mayor o menor exactitud el comportamiento de las redes de paquetes convencionales. Dichos modelos pueden no ser idóneos para aplicarlos al contexto de las redes inalámbricas. En (S. Jelassi, 2008) se presenta un algoritmo para el cual los autores declaran que está especialmente adaptado para operar en Redes MANET. La evaluación del mismo se realiza solo por simulación. En el caso de las redes Wimax, aunque hay estudios (S. Sengupta, 2008) dedicados a medir el efecto de determinados factores en la calidad, el impacto del mecanismo para buffer de reproducción ha sido muy pobremente tratado..

(13) INTRODUCCIÓN. 2. Una investigación sobre mecanismos de reproducción en redes inalámbricas que soportan servicios de voz interactivos en tiempo real debe estar encaminada a la identificación de formas y modelos apropiados de evaluación. Debe exponer los pros y los contras del uso de la simulación, la emulación y las pruebas en funcionamiento real. También debe hacerse una selección adecuada de los mecanismos que hipotéticamente tienen mayores opciones en este tipo de escenarios para someterlos a examen comparativo. Este proyecto se plantea la siguiente interrogante ¿Cómo contribuir al estudio de estrategias para ajuste dinámico del buffer de reproducción adecuadas para servicios de voz interactivos que se desarrollan en redes inalámbricas con características distintas en cuanto a pérdida de paquetes, demora, eco, variación de la demora, etc.? El objetivo principal de esta investigación radica en revisar los mecanismos para evaluar el desempeño de algoritmos de reproducción adaptativos (clásicos y noveles) en redes inalámbricas de VoIP móviles. Con esta investigación se pretende contribuir al estudio de los sistemas de VoIP, particularmente en lo que respecta al impacto de algoritmos de buffer de reproducción en el contexto de redes inalámbricas en presencia de movilidad. En especial, se pretende contribuir a la correcta selección de las herramientas para la evaluación de dichos algoritmos. Organización del informe El informe de la investigación se organiza de la siguiente forma: resumen, introducción, capitulario, conclusiones y recomendaciones, referencias bibliográficas. Introducción: Se realiza una reseña donde se define la necesidad, actualidad e importancia del tema que se aborda. Capítulo 1: Se exponen los principales tipos de redes inalámbricas, se hace un análisis teórico de los algoritmos de reproducción adaptativos y se profundiza en seis de estos algoritmos. Capítulo 2: Se describen los diferentes métodos de obtención de trazas con características de tráfico de VoIP y se realiza un análisis de la influencia de las distribuciones probabilísticas en la generación de trazas por simulación para la evaluación de los algoritmos de reproducción adaptativos..

(14) INTRODUCCIÓN. 3. Capítulo 3: Se realiza un análisis de un estudio presentado en (Carlos A. R. López, 2010) de. seis de los algoritmos de reproducción adaptativos tanto clásicos como noveles. Conclusiones: Se describen los resultados obtenidos a partir de los objetivos trazados inicialmente..

(15) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO. 4. CAPÍTULO 1. ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO. Actualmente la red IP se presenta como un modelo para la integración de redes y servicios de telecomunicaciones. Aun así, persisten los esfuerzos para mejorar la calidad de los servicios de telecomunicaciones que se transportan en este tipo de red. Lo anterior es particularmente aplicable a los servicios isócronos como la telefonía.. La explicación. fundamental a esta circunstancia radica en que Internet no fue proyectada pensando en este tipo de servicio: fenómenos como el jitter, el eco, el tamaño de los paquetes y la pérdida de paquetes durante la transmisión, afectan la calidad. Este trabajo se centra en el problema de la variabilidad de la demora en las conexiones de VoIP el cual se enfrenta mediante el uso de buffer de reproducción en el receptor. Este cumple con la tarea de retardar los paquetes que llegan al receptor de tal forma que se pueda recuperar la periodicidad con que fueron transmitidos. Cualquier paquete que arribe con una demora superior a la prevista en el buffer de reproducción es descartado. Existe una relación evidente entre el tamaño del buffer y su capacidad de recuperar el sincronismo entre los paquetes. Un buffer grande permite absorber una gran variación (jitter) en la demora con una mínima razón de pérdidas de paquetes en el receptor. Al mismo tiempo, introduce una demora adicional en la conexión que puede afectar de forma apreciable la calidad del servicio. La solución se mueve entonces entre el compromiso de ser capaz de eliminar la variación de la demora con una razón de pérdidas mínima (inteligibilidad de la comunicación) e introducir un mínimo retardo en el receptor (interactividad de la comunicación). Se han propuesto muchos mecanismos para buffer de reproducción. Una clasificación bastante completa se puede consultar en (Atzori, 2006a) y (Narbutt, 2005a). Hasta la fecha no existe consenso en cuanto a un único algoritmo que se aplique por todos los fabricantes. En realidad existe una gama bastante amplia de algoritmos. Debido a que.

(16) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO. 5. estos no se comportan de igual manera en todas las redes y la mayor parte de estos algoritmos han sido evaluados para redes cableadas se ve entonces la necesidad de evaluarlos en redes inalámbricas por la alta tendencia que existe en estos últimos años del uso de estas. Este capítulo tiene como objetivo hacer un análisis teórico de los diferentes tipos de redes inalámbricas que existen, realizar una revisión bibliográfica de los algoritmos de reproducción para el control de la variación de la demora y profundizar en algoritmos de reproducción adaptativos propuestos, tanto clásicos como noveles, con el objetivo de una mejor comprensión del estudio que será tratado en capítulos posteriores donde se analizará el desempeño de estos algoritmos en redes inalámbricas. 1.1. Redes inalámbricas. Se entiende por red al conjunto interconectado de terminales independientes. Es decir es un sistema de comunicaciones que conecta a varias unidades y que les permite intercambiar información. La expresión "inalámbrico" hace referencia a la tecnología sin cables que permite conectar equipos o terminales entre sí. Las redes inalámbricas utilizan las ondas de radio y/o las microondas aunque también es posible con luz infrarroja, en lugar del par trenzado, coaxial o fibra óptica utilizado en las LAN convencionales, y que proporciona conectividad inalámbrica peer to peer, dentro de un edificio o en un área de cobertura (3). Al igual que en las redes cableadas, las redes inalámbricas también presentan dos tipos Punto a Punto que proporciona soluciones de conectividad para empresas con centros de trabajo múltiples que necesiten de una gran coordinación y trabajo compartido. Punto a Multipunto es la versión del punto a punto para la conexión rápida y fiable de más de dos instalaciones. Las redes inalámbricas sirven como mecanismo de transporte entre dispositivos y entre dispositivos, redes tradicionales como las redes de la empresa e internet. Las redes inalámbricas son muchas y diversas, pero se han categorizado en tres grupos sobre la base de su alcance: . Redes de Amplia cobertura (WWAN). . Redes de cobertura local (WLAN). . Redes de área personal (WPAN). Inclusiones de WWAN amplias. (Zhang, 2007).

(17) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO. 6. 1.1.1 Redes de acceso inalámbricas de un solo salto En las redes locales inalámbricas convencionales, varios clientes tienen acceso a la red a través de un enlace inalámbrico directo a un punto de acceso que es el encargado de comunicar al cliente inalámbrico con la red cableada y así con la aplicación que solicite. Estas son las redes de un solo salto. Por ejemplo, si un modelo de cliente – servidor se aplica a este tipo de redes, habrá un punto de acceso a través del cual todos los clientes de la zona podrán obtener servicio, sin embargo tan pronto como el cliente se aleje y salga del área de cobertura de dicho punto de acceso se pierde la conexión al servicio. 1.1.2 Redes de acceso inalámbricas de varios saltos En este tipo de redes los nodos están conectados mediante enlaces sin hilos actuando como encaminadores de paquetes de otros nodos que no están en conexión directa con sus destinos. Dentro de estas redes se pueden diferenciar dos grandes grupos: redes con infraestructura y redes sin infraestructura. En las redes inalámbricas multisalto con infraestructura existen dos tipos de nodos, los activos o encaminadores, capaces de enrutar la información hacia su destino y los pasivos que únicamente se limitan a enviar y recibir paquetes. Por otro lado, en las redes sin infraestructura los nodos móviles tienen las mismas prestaciones y se conectan entre sí de manera arbitraria cooperando para formar una red, es decir, todos los nodos de la red son nodos activos capaces de saber y elegir la mejor ruta hacia el destino de todos los caminos posibles, estas son las denominadas redes ad-hoc o MANET (Mobile Ad-hoc Network). (Camp, 2005) 1.1.2.1 802.16 o WiMAX El estándar IEEE 802.16 hace referencia a un sistema BWA (Broadband Wireless Access) de alta tasa de transmisión de datos y largo alcance (hasta 50 km), escalable, y que permite trabajar en bandas del espectro tanto "licenciado" como "no licenciado". El servicio, tanto móvil como fijo, se proporciona empleando antenas sectoriales tradicionales o bien antenas adaptativas con modulaciones flexibles que permiten intercambiar ancho de banda por alcance. WIMAX, Worldwide Interoperability for Microwave Access (interoperabilidad mundial para acceso por microondas), es una norma de transmisión de datos usando ondas de radio..

(18) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO. 7. Permite la recepción de datos mediante microondas y la retransmisión mediante ondas de radio. Esto facilita el acceso no solo en zonas de población, sino también en zonas aisladas. WiMAX móvil, bajo el protocolo 802.16e, que trabaja en la banda de 2 - 3 GHz, con una velocidad máxima de 30 Mbps y un rango de hasta 3.5 Km. Las redes WiMAX son redes que trabajan bajo la tecnología NLOS (es decir, que no necesitan tener una línea de visibilidad entre las antenas), pero en la práctica este sistema solo permite atravesar pequeños obstáculos (una casa pequeña, árboles, pequeños muros), pero no puede atravesar obstáculos mayores, como un edificio o una montaña. Además, cuando no hay una línea de visión directa (LOS) entre ambos, tanto la velocidad como la distancia (rango) se reducen notablemente. En este sentido les ocurre lo mismo que a las redes WiFi. Para una transmisión a distancias mayores (en teoría puede llegar hasta los 50 Km) es necesario que las antenas tengan una línea de visión directa (LOS). (Zhang, 2007) 1.1.2.2 Redes MANET Las redes MANET aparecen a principios de los años 70. Concretamente nacen gracias al proyecto Packet Radio Networks (PRNETs). A causa del gran interés despertado por las redes inalámbricas y la progresiva reducción del tamaño de los dispositivos, la investigación de estos tipos de redes ha pasado de ser terreno exclusivamente militar a estar presentes también en ámbitos académicos y científicos con finalidades civiles Las características más relevantes de las redes ad-hoc, son: . Topología variable: en este tipo de redes se asume que los nodos son móviles, pudiéndose desplazar libremente, desapareciendo de la zona de cobertura de unos dispositivos y formando nuevos enlaces con nuevos nodos siendo capaces de redescubrir nuevas rutas.. . Dispositivos con capacidad limitada: debido a la naturaleza móvil de este tipo de redes, los dispositivos que la forman, han de ser portátiles y ligeros, características que causan restricciones a nivel hardware y software. . Enlaces inalámbricos: la comunicación en este tipo de redes se lleva a cabo de manera inalámbrica, caracterizada por anchos de banda reducidos y más propensos a errores que los enlaces cableados.. . Baterías limitadas: debido a la movilidad de los nodos y sus escenarios de aplicación, éstos no se pueden tener enchufados a la red eléctrica por lo que su.

(19) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO. 8. autonomía viene marcada por baterías limitando el tiempo de vida del dispositivo al tiempo que dure la batería. . Ausencia de infraestructura:. no existe ninguna entidad centralizada ni. infraestructura de algún tipo. Cada nodo puede desempeñar tanto la función de terminal como la de encaminador. Entre los puntos de interés de este tipo de redes encontramos su facilidad de despliegue, auto-configuración. Entre sus desafíos principales está la creación de rutas optimizadas para la comunicación en cada situación. (Camp, 2005) 1.1.2.3 Redes en mallas Las Redes Inalámbricas en Malla (Wireless Mesh Network, WMN) básicamente, son redes con topología de infraestructura que le permiten a aquellos dispositivos inalámbricos que se encuentran fuera del área de cobertura del AP, pero dentro del rango de señal útil de algún dispositivo inalámbrico, conectarse a la red utilizando el equipo adyacente como enlace. La topología en malla permite que las tarjetas de red inalámbricas se comuniquen entre sí independientemente del punto de acceso, lo que significa que los dispositivos que se encuentran fuera del alcance del AP pueden enviar sus paquetes a una estación cercana para que ésta los transmita al punto de acceso. Para que esto sea posible es necesario contar con un protocolo de enrutamiento que permita transmitir la información hasta su destino con el mínimo número de saltos posibles. Este tipo de configuración es bastante confiable ya que la caída de un nodo no implica la caída de la red. Actualmente, existe un interés elevado, tanto comercial como investigativo, sobre la aplicación de arquitecturas de redes en malla en las comunicaciones inalámbricas, donde la variedad de fabricantes que tienen productos para WMN denotan este creciente interés en la industria, además, los principales grupos de estandarización se encuentran definiendo estándares WMN que permitirán una mayor implantación de estas redes e interoperabilidad entre ellas. (Robinson, 2007) 1.2. Revisión bibliográfica sobre Algoritmos de control de demora. El problema del jitter se ha enfrentado mediante diferentes alternativas presentadas desde la década del 80. Los estudios en (Gruber, 1981) y (Montgomery, 1983) marcan la génesis de.

(20) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO. 9. estos trabajos. En la figura 1.1, tomada de (Atzori, 2006a), se presenta una posible clasificación para las distintas estrategias que han sido investigadas en el transcurso de tres décadas. El primer paso en la clasificación, define dos grandes grupos, atendiendo a si el buffer es fijo o adaptativo. Para la técnica de buffer fijo, la demora de extremo a extremo se mantiene constante durante toda la comunicación. Esta solución no es consistente con la variabilidad de la demora en las redes de paquetes. Por el contrario, con la técnica de buffer adaptativo, es posible ajustar la demora a las condiciones de la red. Esto evita que se introduzca una demora excesiva cuando las condiciones son favorables y viceversa. Para lograrlo, es necesario monitorear la conversación y adecuar el tamaño del buffer. El segundo paso de la clasificación se aplica a las técnicas adaptativas solamente y tiene que ver con el momento en que se ajusta el buffer de reproducción. La vertiente intraráfagas modifica la demora de extremo a extremo en cualquier momento de la conversación. Por el contrario, cuando el ajuste se realiza inter-ráfagas, el cambio del tamaño del buffer se produce solo durante los intervalos de silencio. La variante entreráfagas puede materializarse siguiendo un modelo tolerante a pérdidas, intolerante a pérdidas o basado en calidad. En los intolerantes a perdidas, no se tiene en cuenta la posibilidad que aparece con las técnicas de ocultamiento de paquetes perdidos, en lugar de esto se trabaja según el principio de minimizar las pérdidas de paquetes. Evidentemente, tal modelo acarrea una sobrestimación de la demora requerida, lo que puede llegar a afectar la interactividad de la conversación. En el caso de los algoritmos tolerantes a perdidas, se trata de alcanzar un compromiso entre la cantidad de paquetes que se pierden y la demora introducida. Por último, los algoritmos basados en calidad, tratan de maximizar la calidad percibida por el usuario..

(21) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO. 10. Técnica de Reproducción. Fija. Adaptativa. Entre Ráfagas. Dentro de Ráfagas. Tolerante a. Intolerante a. Basados en. Pérdidas. Pérdidas. Calidad. Figura 1.1 1.2.1 Técnicas de reproducción que ajustan dentro de ráfagas Las técnicas de reproducción que ajustan dentro de ráfagas son capaces de ajustar la demora de reproducción en cualquier instante, ya sea dentro del periodo de actividad o durante el periodo de silencio. Ejemplos del uso de esta técnica se pueden encontrar en (Roelands, 1993), (Y. J. Liang, 2001), (Y. J. Liang, 2003), (Xie, 1996), no obstante ha sido mucho menos explorada que la propuesta de ajuste entre ráfagas. Aunque acomodar la demora de reproducción durante los periodos de actividad es ventajoso en el caso en que la demora de la red varíe atendiendo a una dinámica muy alta, también implica un procesamiento complejo de la señal de audio. En este trabajo no se realiza evaluación para algoritmos que funcionen atendiendo a esta técnica. 1.2.2 Técnicas no tolerantes a pérdidas Hasta donde se pudo conocer en el estudio de algoritmos para buffer de reproducción realizado en este trabajo, las propuestas presentadas, que aplican esta técnica, ajustan entre ráfagas. Esto significa que la demora de reproducción se ajusta únicamente durante los intervalos de silencio. El término “no tolerante a pérdidas” tiene que ver con el principio de.

(22) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO. 11. que las pérdidas de paquetes son indeseadas en las comunicaciones de voz y que deben ser evitadas, aun pagando el precio de aumentar la demora. Uno de los primeros trabajos basados en esta aproximación se encuentra en (Ramjee, 1994). El algoritmo se basa en dos pasos fundamentales: estimar para cada paquete la demora promedio de la red y la variación de la demora, y fijar la demora de reproducción para la siguiente ráfaga durante el intervalo de silencio a un valor que se calcula como el estimado de la demora promedio más β veces el valor de la variación de la demora. Otros trabajos (Karandikar, 2001), (Sreenan, 1999), (M. Narbutt, 2004), (Narbutt, 2005b) son variaciones del algoritmo original. La principal ventaja de los algoritmos no tolerantes a pedidas está en su implementación directa y simple. Sin embargo, estos no proveen una forma en que el usuario obtenga el deseado compromiso entre pérdidas y demora. Cuando las condiciones de red son tales que el jitter es bajo, esta solución es adecuada. Por el contrario, cuando el jitter es grande, es más apropiado permitir que se pierdan algunos paquetes y reducir la demora que introduce el buffer de reproducción. 1.2.3 Técnicas tolerantes a pérdidas Como se comentaba en el tópico anterior, resulta conveniente establecer un adecuado compromiso entre las pérdidas que se producen, debido al arribo de paquetes después de su tiempo de reproducción, y la demora que el buffer de reproducción introduce. El algoritmo propuesto en (Sreenan, 2000) fija dos umbrales para el máximo porcentaje de paquetes que llegan tarde y la demora máxima aceptable. Un elemento importante para el funcionamiento de este algoritmo es el uso de un histograma de la demora observada en los paquetes pasados. La demora de reproducción se calcula a partir de la distribución de la demora de los paquetes. En (Fujimoto, 2001) también se presenta la idea de trabajar con la distribución de la demora en la red. Los autores plantean que los mejores resultados se obtienen con la distribución de Pareto. En el contexto de las redes inalámbricas con movilidad de los terminales, la idea de algoritmos que funcionan según el histograma de la demora ha sido reprobada. En (S. Jelassi, 2008) los autores plantean que los algoritmos de reproducción basados en la historia no son apropiados para este tipo de escenario, atendiendo a la dinámica de estas.

(23) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO. 12. redes. Por otra parte, los trabajos en torno a la distribución de la demora resultan contradictorios. 1.2.4 Técnicas basadas en calidad En las técnicas anteriores, el tamaño del buffer de reproducción se calcula de forma que se minimicen los paquetes perdidos o que los mismos estén por debajo de un umbral. Estos algoritmos pueden introducir demoras grandes que afectan la calidad de la comunicación percibida por el usuario. Para prevenir este contratiempo, una solución bastante efectiva es maximizar la calidad percibida y en función de esto, encontrar el correcto balance entre pérdidas y demora. La mayoría de los algoritmos que trabajan según este principio hacen uso del Modelo-E como herramienta para estimar la calidad percibida. Entre los algoritmos que se basan en el Modelo-E se encuentran (Boudec, 2003), (Ifeachor, 2004), (Rix, 2003), (Atzori, 2004), (Atzori, 2006b). Las técnicas basadas en calidad que funcionan atendiendo al Modelo-E, gozan de la ventaja de proveer una relación directa entre la calidad esperada y la demora. Sin embargo, este presenta aún algunos inconvenientes: la propiedad de aditividad es aplicable solo bajo ciertas condiciones, se han realizado aproximaciones para que el modelo se aplique al contexto de los buffer de reproducción, etc. En realidad, las soluciones basadas en calidad son susceptibles a mejoras (Atzori, 2006a). 1.2.5 Análisis del desempeño de algoritmos en el presente trabajo Básicamente, en este trabajo se analiza el desempeño de seis algoritmos para buffer de reproducción atendiendo a los resultados experimentales presentados en (Carlos A. R. López, 2010). En dicho trabajo, el experimento se realiza para un escenario inalámbrico en presencia de movilidad. Entre los criterios que hacen apropiados los resultados propuestos en (Carlos A. R. López, 2010) para este análisis se encuentran los siguientes:  Se han escogido los cuatro algoritmos reactivos propuestos en (Ramjee, 1994). Estos algoritmos no basan su funcionamiento en el histograma de la demora y cumplen con los requisitos propuestos en (S. Jelassi, 2008).  Se ha incluido el algoritmo basado en calidad propuesto en (Atzori, 2006b). Este algoritmo ha sido comparado exitosamente con otros algoritmos para redes IP fijas..

(24) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO. 13. Sin embargo, el hecho de que base su funcionamiento en el histograma hace sospechar que su desempeño puede menguar para redes inalámbricas en presencia de movilidad.  Por último, se evalúa un algoritmo reciente. Este algoritmo es en realidad una mejora a uno de los algoritmos propuestos en (Ramjee, 1994) y mantiene la propiedad de ser un algoritmo reactivo y al mismo tiempo trabaja en función de maximizar la calidad percibida.. 1.3. Algoritmo 1 de Ramjee. En este algoritmo la estimación de la demora para el paquete i es calculada a partir del algoritmo de la RFC793 y la medida de la variación en los retrasos es calculada a partir del trabajo de Van Jacobson en 1988. La estimación de retraso para el paquete i es calculada mediante la expresión:. (1) Este algoritmo es básicamente un filtro recursivo lineal que se caracteriza por el factor α. 1.4. Algoritmo 2 de Ramjee. El segundo algoritmo es una pequeña modificación del primer algoritmo. La idea es usar diferentes valores de α, uno para la tendencia hacia el incremento del retardo, y el otro para la tendencia a la disminución del retardo.. La estimación de variación de retraso permanece igual que el Algoritmo 1. 1.5. Algoritmo 3 de Ramjee. El tercer algoritmo utiliza el retardo mínimo de todos los paquetes recibidos en la ráfaga de audio anterior (k-1) como el retardo medio. (2).

(25) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO. 1.6. 14. Algoritmo 4 de Ramjee. El cuarto algoritmo incluye la detección de picos de retardo. Un pico constituye un aumento repentino y elevado del retraso de red de extremo a extremo y está seguido de una serie de paquetes que llegan casi simultáneamente, conduciendo a la finalización del pico. En la figura 2.3 muestra un pico típico de retardo de los paquetes (que son representados por puntos). En esta se observa como aproximadamente 50 paquetes llegan dentro de un período de 200 milisegundos. En condiciones normales debe esperarse un paquete aproximadamente cada 20 milisegundos o 10 paquetes en el período de 200 milisegundos.. Fig. 1.2. Picos de demora Los primeros algoritmos no se adaptan lo suficiente rápido en el caso de los picos, tomando mucho tiempo para aumentar sus estimaciones de retardo y para decrecer cuando el pico se acaba. Este algoritmo tiene dos modos de operación, dependiendo de si se ha detectado un pico. Para cada paquete que llega al receptor, el algoritmo comprueba el modo actual y en el caso necesario, cambia su modo. Si un paquete llega con retardo que es más grande que un umbral dado (por ejemplo un cierto múltiplo del actual retardo), el algoritmo cambia a modo del pico. La detección de la terminación del pico hace uso de una variable “var” para ajustar la pendiente del pico. Cuando su valor es bastante pequeño, el algoritmo regresa a modo normal..

(26) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO. 15. Según Ramjee el objetivo principal de de los cuatro algoritmos es mantener la razón de pérdida de los paquetes por debajo del 5% y el retardo de reproducción (el retardo de buffer) tan pequeño como sea posible. Al comparar estos cuatro algoritmos se pudo observar que el último posee una mejor adaptación ante picos de retraso posee una mejor adaptación ante picos de retraso de paquete y logra la razón más baja de pérdida de paquetes tanto para una demora promedio como para un tamaño máximo de la memoria. En la figura 1.3 se muestran los pseudocódigos para los cuatro algoritmos de Ramjee tratados anteriormente.. Fig. 1.3. Pseudocódigos para los algoritmos 1,2,3 y 4 de Ramjee 1.7. Algoritmo eEM. Este algoritmo hace su estimación de la demora teniendo en cuenta el historial de la demora de la red para intentar darle seguimiento a la demora de la red y la dinámica de la red por lo cual no se le hace fácil seleccionar el ajuste del retraso en los momentos en que la red varía la demora. 1.8. Algoritmo 5. El algoritmo 5 (Carlos A.Rodríguez Lopez) tiene su base en el algoritmo 2 propuesto por Ramjee, pero este propone un mecanismo de adaptación dinámica para el factor  con el.

(27) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO. 16. objetivo de mejorar la calidad percibida por el usuario final. El pseudocódigo de este algoritmo fue tomado de (Carlos A.Rodríguez Lopez) y se muestra a continuación. El valor de a es seleccionado como 200, para α y β se seleccionaron valores de 0.998002 y 0.75 respectivamente.. Algorithm 5. ni : network delay for packet i ti. : transmission time stamp of packet i. if (the ith packet is the first one in a talkspurt) then.    a    min  max  ,1,10   dˆ     i    po  dˆi    vˆi. end if if ni > d̂ then i. d̂ i = β d̂ i + (1- β) ni else. d̂ i = α d̂ i + (1- α) ni end if. v̂i = α v̂i + (1- α)| ( d̂ i - ni )| pi  t i  p o.

(28) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS. 17. CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS. Un problema común en cuanto a los algoritmos es la forma en que los mismos se evalúan. Tradicionalmente se han seguido dos alternativas; Usando trazas reales obtenidas en escenarios concretos, o mediante simulación de eventos discretos. En el primer caso, generalmente las trazas representan escenarios puntuales y el resultado dice en última instancia como es el desempeño del algoritmo en ese escenario. En el segundo caso, encontrar una distribución de probabilidad que describa el comportamiento de la demora ha tenido criterios encontrados. En (Fujimoto, 2001) se investigaron cuatro distribuciones: Normal, Lognormal, Exponencial, y Pareto. Con base en el test Chi-Cuadrado los autores recomendaron la distribución de Pareto. Otro trabajo (Sun, 2004) propone la distribución de Weibull, después de hacer un estudio comparativo con la distribución de Pareto y la exponencial. Frecuentemente sucede que ninguna de las distribuciones conocidas pasa de forma exitosa los test para evaluar la hipótesis de que una determinada traza sigue una distribución específica. Existen tres formas de obtener trazas para evaluar el desempeño de estos algoritmos las cuales se describen a continuación. 2.1. Obtención de trazas a través de pruebas de campo. Las pruebas de campo constituyen un método para la obtención de trazas que pueden ser muy útiles en el momento de evaluación de un algoritmo cualquiera, pero este método presenta los siguientes inconvenientes que hacen que esta alternativa no sea la más fácil y factible, ellos son: . Tener una red con las características del escenario donde se desee evaluar el desempeño de los algoritmos de reproducción..

(29) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS. . 18. La poca flexibilidad con respecto a los parámetros, por lo que no se podrán variar ciertos parámetros que resultarían interesantes tener en cuenta en el momento de exponer los resultados.. 2.2. Obtención de trazas por emulación. La emulación es un método muy usado en la actualidad por sus potencialidades, Mediante este método se pueden diseñar disímiles experimentos. El principal inconveniente está en que el acceso a los principales testbed está restringido o es muy costoso. A continuación se muestran las características de algunos de los testbed de más renombre en el campo de la investigación. 2.2.1 Orbit Fue creado en el año 2005 por un colectivo en Rutgers University, Estados Unidos. Consiste en 400 nodos instalados dentro de una habitación dispuestos en forma de arreglo de dos dimensiones; estos nodos están conectados a un nodo en la red cableada el cual es encargado de controlar las potencias de las antenas en cada uno de los nodos inalámbricos logrando así un cierto ambiente de movilidad entre estos. Se pueden realizar pruebas con un patrón de movilidad pues estos nodos están equipados con interfaces 802.11x y bluetooth. Para que el proceso de emulación sea más cercano a la realidad, cuentan con un generador de RF que es usado para establecer un nivel de ruido. Orbit está considerado dentro de los testbed más importantes. (Raychaudhuri, 2005) 2.2.2 Lin et al. Fue creado en el año 2002 por Tao Lin, consiste en una máquina de emulación basada en Linux, está acondicionada con varias interfaces protegidas a la red cableada para formar un interruptor dinámico de la red. Exento de un estrato adicional de emulación, cada nodo conectado puede comunicarse dependiendo del escenario de movilidad controlado por la mesa de conmutación. La propiedad de pérdida del canal inalámbrico es modelada por una cadena Markov de dos condiciones para razón de caída del paquete. La adaptación de ancho de banda de la red cableada para el dominio inalámbrico es realizada moldeando el tráfico de salida de cada.

(30) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS. 19. nodo por un modelo del amortiguador de la señal, leaky-bucket (cubo agujereado).(T.Lin, 2002) 2.2.3 MobiNet MobiNet fue creado en el año 2005 por Priya Mahadevan, Adolfo Rodríguez, David Becker y Amin Vahdat en la universidad de San Diego, California. Es un testbed híbrido de emulación controlado de forma centralizada, que implementa el protocolo 802.11 basado en la capa MAC. Los nodos virtuales se colocan en nodos nativos que usan stacks de IPs, el tráfico es remitido a uno o más nodos de control centralizados. Como consecuencia, el reenvio de multisalto es realizado centralmente, aliviando los nodos nativos de complejidad computacional, con lo que se aumenta el grado de virtualización. La centralización incorpora interferencia co-canal. Los controladores descartan colisiones de paquetes en el lado del receptor si su nivel de potencia está por debajo de un cierto umbral.(P. Mahadevan, 2005) 2.2.4 APE Fue creado en el año 2002 por Erik Nordström en la Universidad de Uppsala, Suecia. APE es un software basado en Linux, diseñado para el desarrollo de experimentos en redes MANET con la capacidad de probar varios algoritmos de enrutamiento ad hoc. APE ha sido diseñado para ejecutarse en laptops estándar, equipadas con interfaces 802.11. El software consiste en un tipo de destribución de Linux o simplemente se puede usar como un CD Light, está provisto de algunos generadores de tráfico aunque sus creadores aseguran que existe la forma de agregarle otros generadores. La movilidad de los nodos es controlada por instrucciones que se muestran a través del display las cuales son elaboradas con anterioridad en la coreografía que es creada para el experimento. Hasta el momento se han logrado experimentos con 37 nodos usando APE Testbed. (Nordström, 2005) 2.2.5 MobiEmu MobiEmu fue creado en el año 2002 por Yongguang Zhang and Wei Li en la universidad de Texas, es un testbed de emulación controlado de forma distribuida. Los cambios de conectividad son indicados por un servidor central, lo cual también exterioriza la topología.

(31) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS. 20. real de la red. La información de control y los datos de medida pueden ser obtenidos en interfaces individuales, permitiendo ejecutar experimentos en una 802.11 real mientras la información de gestión es entregada a través de una interfaz hacia la red cableada. Como una extensión, MobiEmu también facilita el uso de User Mode Linux (UML), lo cual permite ejecutar varias instancias virtuales del nodo en una sola máquina física. (Li, 2002) 2.3. Obtención de trazas por simulación. La obtención de trazas por simulación se ha usado por varios investigadores debido a sus palpables potencialidades a la hora de comparar resultados pues con este método se pueden variar parámetros de manera fácil y sin ningún costo y de ahí se pueden obtener valiosos análisis comparativos. Recientemente se propuso en (2007) un modelo que estadísticamente evalúa el desempeño de la transmisión multimedia sobre redes IP. En este trabajo se implementa ese modelo para obtener trazas de VoIP representativas de una gama amplia de posibles escenarios contemporáneos. Luego, dichas trazas se usan para reevaluar cuatro algoritmos clásicos para buffer de reproducción usando la escala MOS calculada a partir del modelo-E. 2.4. Recomendación G.1050 de la UIT-T. La Recomendación G.1050 describe un modelo para evaluar el desempeño de la transmisión multimedia sobre una red IP (2007). La Internet actual presenta escenarios con características diversas. En este modelo estadístico se asignan probabilidades de ocurrencia a los elementos y deterioros de la red. Los resultados que se obtienen de aplicar esta Recomendación se expresan en términos de cobertura del modelo. La versión vigente de la Recomendación representa la composición de la red de datos global en el año 2007, es obvio que la evolución de la red IP generará la necesidad de actualizar la información estadística. Este modelo, en la medida en que sea capaz de mantener la referida actualidad, constituye una herramienta útil en la evaluación en tanto que representa la composición general de la red. Es importante destacar que este modelo se enfoca en el impacto de las deficiencias en el desempeño a nivel de red (nivel IP). Cualquier flujo IP puede ser evaluado mediante la aplicación de este modelo, independiente de la aplicación de que se trate..

(32) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS. 21. Los parámetros y deficiencias que afectan la calidad de servicio y el desempeño de la red IP, declarados en la Recomendación, son los siguientes: . Arquitectura de la red. . Tipo de enlace de acceso. . QoS controlada por enrutamiento de borde. . Tamaño de la MTU. . Fallas de la red. . Fallas de los enlaces. . Conmutación de rutas. . Reordenamiento de paquetes. . Pérdida de paquetes y tramas. . Latencia (demora en un sentido). . Variación de la demora (jitter). . Características del tráfico (congestión, ancho de banda, utilización, carga de la red,. reparto de carga) 2.4.1 Ámbito de aplicación de la Recomendación El modelo propuesto en la Recomendación G.1050 es útil en la evaluación y comparación de equipos conectados a una red convergente de área amplia y consiste en una combinación de deficiencias, variables en el tiempo, que están basadas en diferentes escenarios (2007). Entre los equipos que pueden ser evaluados están los teléfonos IP, incluidos los “soft phones”. En este trabajo se implementa este modelo para generar trazas que son luego utilizadas en la evaluación de desempeño de diferentes alternativas de algoritmos para eliminación de Jitter en teléfonos IP. La importancia de la aplicación de este modelo para generar dichas trazas radica en que las mismas representan una gama amplia de escenarios posibles. Por consiguiente, la evaluación refleja el desempeño en sentido amplio del algoritmo evaluado. LAN A. Enlace Acceso A. de. Núcleo de la Red. Enlace. de. LAN B. Acceso B. Fig. 2.1. Diagrama de Red asociado al modelo propuesto en la Recomendación G.1050.

(33) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS. 22. Fig. 2.2. Pseudocódigo para los modelos de pérdida de paquetes y variación de la demora (Recomendación G.1050) El esquema general para el modelo se ilustra en la Fig. 2.1. La red IP se modela como una concatenación de 5 segmentos (2007). Cada segmento introduce su propio aporte a la perdida de paquetes y a la variación de la demora. El pseudocódigo para los modelos de pérdida de paquetes y variación de la demora se muestra en la Fig. 2.2, para una explicación detallada de los modelos se debe consultar (2007). El modelo representa diferentes perfiles de red con parámetros asociados a cada perfil. La tabla 2.1 resume la combinación de parámetros que se utilizaron para generar 8 trazas. Cada traza está asociada a un nivel de severidad diferente. Otros detalles sobre las características de las trazas de voz son las siguientes: . Tamaño del paquete: 200 bytes (140 bytes corresponden a 20 ms de audio mas 40. byte de cabecera) simulando el códec G.711. . Detección de actividad de voz implementada mediante el modelo propuesto en (1993).

(34) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS. 23. 2.4.2 Modelo E Para evaluar el impacto de los algoritmos de reproducción en la calidad subjetiva, en este trabajo se usa el Modelo E. El modelo E combina deterioros individuales en un factor único (factor R) que toma valores entre 0 y 100. El factor R se calcula según la expresión:. R  Ro  Is  Id  Ie-eff  A. (4). La ecuación (4) se puede reescribir en función del factor de deterioro del equipo (Ie) y el factor de deterioro por la demora (Id) quedando de la forma:. R  93.2  Id  Ie-eff. (5). El MOS estimado para una conversación se puede obtener mediante el factor R a partir de la siguiente ecuación:. M OSCQ R0 1   1  0.035R  R( R  60)(100  R)7  10 6 0  R  100 4.5 R  100 . (6). La tabla 2.2 muestra la relación que existe entre el valor del Factor R, el MOS y la satisfacción de los usuarios. 2.5. Obtención de trazas y uso en la evaluación de algoritmos de buffer de reproducción. En la Fig. 2.3 se muestran cuatro de las 8 trazas obtenidas a partir de la implementación del modelo propuesto en (2007), nótese que las trazas están compuestas por 12000 paquetes lo que corresponde a cuatro minutos de conversación. Claramente se aprecia que la demora y la variación de la demora se incrementan en la medida en que sube el nivel de severidad. Resulta además interesante la aparente correlación entre la demora y la variación de la demora..

(35) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS. 24. Mediante el uso de tres métodos estadísticos (Kolmogarov-Smirnov, Anderson-Darlin y Chi-Cuadrado) se realizaron pruebas para medir la discrepancia de las trazas generadas con algunas distribuciones conocidas. Se emplearon varios niveles de significatividad (0.01, 0.02, 0.05, 0.1 y 0.2) Las distribuciones de Pareto y Weibull no se ajustan bien. La menor discrepancia corresponde a la distribución Wakeby. En la Fig. 2.4 se muestra la Función de. (a). (b) 120. 26 25. 110. 24. 100. 22. Demora (ms). Demora (ms). 23. 21 20. 90. 80. 19 18. 70. 17 16. 0. 2000. 4000 6000 8000 Secuencia de paquetes. 10000. 60. 12000. (c). 0. 2000. 4000 6000 8000 Secuencia de paquetes. 10000. 12000. (d). 1200. 400. 1100 350. 300. Demora (ms). Demora (ms). 1000. 250. 900. 800. 700 200. 600. 150. 0. 2000. 4000 6000 8000 Secuencia de paquetes. 10000. 12000. 500. 0. 2000. 4000 6000 8000 Secuencia de paquetes. 10000. 12000. Fig. 2.3. Cuatro de las 8 trazas obtenidas a partir del modelo: a)-nivel 1, b)-nivel 3, c)-nivel 5, d)-nivel 7.

(36) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS. 25. densidad de probabilidad (PDF) correspondiente a las tres distribuciones anteriormente mencionadas ploteadas sobre el histograma de la demora de los paquetes en la traza de nivel 7. Para calcular el número de contenedores del histograma se utilizó la siguiente expresión.. k  1 log 2 N. (7). Donde N es el número de valores de datos de la muestra. Las Figuras 2.5 y 2.6 muestran la función de distribución acumulada y la diferencia de probabilidad respectivamente. El resultado refuerza la polémica en cuanto a la distribución que mejor describe el comportamiento de la demora. Probability Density Function 0.028 0.026 0.024 0.022 0.02. f(x). 0.018 0.016 0.014 0.012 0.01 0.008 0.006 0.004 0.002 0 600. 700. 800. 900. 1000. 1100. x Histogram. Pareto. Weibull. Wakeby. Fig. 2.4. Comparación de ajuste de tres distribuciones para la traza 7. Función de Densidad de Probabilidad (PDF).

(37) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS. 26. Cumulative Distribution Function 1 0.9 0.8 0.7. F(x). 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 600. 700. 800. 900. 1000. 1100. x Sample. Pareto. Weibull. Wakeby. Fig. 2.5. Comparación de ajuste de tres distribuciones para la Traza 7. Función de distribución acumulada (CDF). Probability Difference 0.32. Probability Difference. 0.24 0.16 0.08 0 -0.08 -0.16 -0.24 -0.32 600. 700. 800. 900. 1000. 1100. x Pareto. Weibull. Wakeby. Fig. 2.6. Diferencia de Probabilidad correspondiente a las tres distribuciones. 2.5.1 Evaluación de algoritmos El desempeño de los cuatro algoritmos propuestos en (Ramjee, 1994) se evaluó para cada una de las trazas obtenidas. La Fig. 2.7 muestra el MOS promedio de los algoritmos. Como es de esperar, la calidad de audio se degrada en la medida en que aumenta el nivel de.

(38) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS. 27. severidad. Los niveles 6, 7 y 8 muestran un alto grado de insatisfacción (MOS inferior a tres). Sin embargo, los algoritmos no son afectados en la misma medida cuando aumenta el nivel de severidad. Note como cambia la posición relativa de los algoritmos medida en la escala MOS. 4.5 Algoritmo1 Algoritmo2 Algoritmo3 Algoritmo4. 4 3.5. MOS. 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Trace. Fig. 2.7. Comparación de los cuatro algoritmos para los diferentes niveles de severidad Para una evaluación más detallada del comportamiento de los algoritmos las Fig. 2.8 y 2.9 muestran el MOS instantáneo para las trazas 5 y 6. Los intervalos para el cálculo del MOS son de 10 seg. Estos resultados se resumen en las tablas 2.3 y 2.4. Para la traza 5, el desempeño del Algoritmo 1 se corresponde con un 4% del tiempo “satisfecho”, 80% “algunos usuarios insatisfechos”. Nótese el deterioro del desempeño de ese mismo algoritmo para la traza 6 donde esas categorías quedan representadas por el 0%. 4.5. 4. 3.5. MOS. 3 Algorithm Algorithm Algorithm Algorithm. 2.5. 2. 1 2 3 4. 1.5. 1. 1. 6 12 18 Identificador de intervalo de evaluacion. 24. Fig. 2.8. MOS instantáneo para la Traza 5. El intervalo de evaluación es de 10 segundos..

(39) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS. 28. 3.5. 3. MOS. 2.5. 2 Algorithm 1 Algorithm 2 Algorithm 3 Algorithm 4. 1.5. 1. 0.5. 1. 5. 12 18 Identificador de intervalo de evaluacion. 24. Fig. 2.9. MOS instantáneo para la Traza 6. Analizando los resultados anteriores se puede llegar a dos conclusiones parciales en cuanto a la influencia de las trazas en la evaluación de los algoritmos de reproducción adaptativos para aplicaciones de VoIP.  La obtención de las trazas depende en un gran medida de la distribución que se use para su generación.  El nivel de severidad que se le aplica a las trazas determina de una forma considerable el desempeño de cada algoritmo, es decir; cada algoritmo se comporta de maneras diferentes dependiendo del nivel de severidad con que se generen las trazas..

(40) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS. 29. Tabla 2.1: Detalles de las Trazas Traza. Deterioro 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 1. 2. 3. 5. 8. 12. 16. 20. Ocupancia red Acceso (%) 0. 1. 2. 4. 8. 15. 30. 50. 512. 512. 1508. 1508. 1508. 1508. 1508. 1508. Intervalo de cambio de ruta (s) Demora de cambio de ruta (ms). 0. 3600. 1800. 900. 480. 240. 120. 60. 0. 2. 4. 8. 16. 32. 64. 128. Demora del nucleo de la red (ms). 16. 32. 64. 128. 196. 256. 512. 768. Jitter (pico a pico) (ms). 5. 10. 24. 40. 70. 100. 150. 500. 3600. 1800. 900. 480. 240. 120. 60. 64. 128. 256. 480. 800. 1600. 3000. 0.01. 0.02. 0.04. 0.01. 0.2. 0.5. 1. 0.00. 0.00. 0.00. 0.00. 0.00. 025. 05. 1. 5. 1. 0.05. 0.1. Ocupancia red LAN (%). MTU bytes). Intervalo de fallo de enlace 0 (s) Duración del fallo de 0 enlace (ms) Pérdida de paquetes (%) 0 Reordenamiento de paquetes (%). 0. Tabla 2.2: Equivalencia entre el MOS estimado y el factor R Factor R (límite. Nivel de satisfacción. MOS (límite inferior). Muy satisfecho. 90. Satisfecho Algunos usuarios. 80. 4.03. 70. 3.60. insatisfechos Muchos usuarios. 60. 3.10. insatisfechos Casi todos insatisfechos No recomendado. 50. 2.58. 0. 1. inferior). 4.34.

(41) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS. Tabla 2.3: Desempeño para la traza 5. Nivel de satisfacción. Alg. 1 Alg. 2. Alg. 3 Alg. 4. Muy satisfecho (%). 0. 0. 0. 0. Satisfecho (%) Algunos usuarios. 4. 0. 0. 4. 80. 8. 83. 67. insatisfechos. (%) Muchos usuarios. 8. 88. 13. 21. insatisfechos. (%) Casi todos No recomendado insatisfechos (%). 4. 0. 0. 4. 4. 4. 4. 4. (%) Tabla 2.4: Desempeño para la traza 6 Nivel de satisfacción. Alg. 1 Alg. 2. Alg. 3 Alg. 4. Muy satisfechos (%). 0. 0. 0. 0. Satisfechos (%) Algunos usuarios. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. insatisfechos (%) Muchos usuarios. 13. 0. 25. 13. insatisfechos (%) Casi todos No recomendado insatisfechos (%). 62. 33. 58. 50. 25. 67. 17. 37. (%). 30.

(42) CAPÍTULO 3. EVALUACIÓN DE LOS RESULTADOS. 31. CAPÍTULO 3. ANÁLISIS DEL DESEMPEÑO DE LOS ALGORITMOS SELECCIONADOS. 3.1. Obtención de las trazas a utilizar. WiMax es un subconjunto de las normas 802.16 cuya meta principal es la compatibilidad del producto y la interoperabilidad de productos BWA, tal como WiFi está para las normas 802.11 WiBro ha sido desarrollado como una solución móvil BWA, y es generalmente considerado un precursor para WiMax. En el Internet de hoy los usuarios no sólo escriben y envían correos electrónicos, sino que también explotan la posibilidad de tráfico de voz sobre la red (VoIP), comparten juegos en línea y hasta poseen reloj de pulsera capaces de emanar tráfico a la red. Estas aplicaciones de tiempo real demandan una cierta calidad de servicio (QoS) y es aquí donde se comienza a tener en cuenta el retraso y la pérdida. Las normas WiMax y WiBro han definido tipos múltiples de servicio para garantizar niveles diferentes de QoS. Sin embargo, en la fase inicial de implementación, sólo el servicio de mejor esfuerzo está disponible. Dentro del conjunto de tecnologías inalámbricas, sensibles a ser utilizadas en el segmento de acceso, para aplicaciones de VoIP se encuentra WiMAX. En un estudio presentado en (Carlos A. R. López, 2010) se utilizan trazas generadas en ambiente vehicular sobre la red WiBRO para evaluar un conjunto de 6 algoritmos de reproducción adaptativos para aplicaciones de voz. A continuación se presenta un análisis de los resultados de dicho experimento..

(43) CAPÍTULO 3. EVALUACIÓN DE LOS RESULTADOS. 3.2. 32. Evaluación de los algoritmos seleccionados. El promedio de puntos del MOS computado para cinco trazas es mostrado en la figura 3.1, (Carlos A. R. López, 2010) las líneas verticales representan los intervalos de confianza (95%) alrededor de la manera computada para diez repeticiones. La razón para repetir las corridas recae en los cambios ocurridos en la distribución de períodos de actividad y silencio cada vez que se aplica el modelo propuesto en (1993) para una traza en particular. Note que las características de una traza pueden ser cambiadas con la distribución de períodos de actividad. El algoritmo 5 exhibe el mejor desempeño seguido por el eEM y el algoritmo 2 de Ramjee.. 4.5. MOS. 4. 3.5. 3 Algorithm Algorithm Algorithm Algorithm Algorithm Algorithm. 2.5. 2. 1. 1 2 3 4 5 eEM 2. 3. 4. 5. Traces Fig. 3.1. Promedio MOS usando cinco trazas. Disponible en (Carlos A. R. López, 2010) Estos resultados tuvieron su base en evaluaciones por separado de cada uno de estos algoritmos para una misma traza que sirvió de complemento para dar más fuerza a la evaluación de los mismos; a continuación se muestran las pruebas hechas de forma más particular para los algoritmos seleccionados..

(44) CAPÍTULO 3. EVALUACIÓN DE LOS RESULTADOS. 33. 3.2.1 Desempeño de los algoritmos 1 y 4 de Ramjee El desempeño de los algoritmos 1 y 4 de Ramjee se puede observar en las figuras de la 3.2 a la 3.5 (Carlos A. R. López, 2010). Cada uno de estos algoritmos determinan el retraso de la red de forma diferente. El algoritmo 1 es un simple filtro, en los experimentos la ganancia estimada fue tomada con el valor 0.001998 (valor típico propuesto), como se puede ver en la figura 3.1, este algoritmo no presenta un buen desempeño en el seguimiento de la demora en un sentido para una traza sobre WiMAX, especialmente en presencia de picos. El algoritmo 4 ha sido diseñado para tratar con este problema, este reacciona de forma rápida ante los picos de demora, sin embargo sus intentos para seguir la demora de la red son escasos. La figura 3.3 muestra que muchos paquetes se pierden siempre que la demora sea pequeña. Este defecto ha sido localizado en estudios previos realizados en redes cableadas. 450 Traces Algorithm 1. 400 350. Delay (ms). 300 250 200 150 100 50 0. 5000. 15000. Packet Sequence. Fig: 3.2. Cálculo de reproducción para el algoritmo 1. Disponible en (Carlos A. R. López, 2010).

(45) CAPÍTULO 3. EVALUACIÓN DE LOS RESULTADOS. 34. 600 Traces Algorithm 4 500. Delay (ms). 400. 300. 200. 100. 0. 5000. 15000. Packet Sequence. Fig: 3.3. Cálculo de reproducción para el algoritmo 4. Disponible en (Carlos A. R. López, 2010) La figura 3.4 muestra una gráfica que relaciona MOS contra tiempo (seleccionando 10s) para los algoritmos 1 y 4 de Ramjee y en la figura 3.5 se puede observar en forma de gráfico la satisfacción del usuario con respecto a estos dos algoritmos. Se puede observar que para el algoritmo 1 la clasificación de “muy satisfactorio” representa un 43% del total y la de “satisfactorio” un 3%. Para el algoritmo 4 la suma de “muy satisfactorio” y “satisfactorio” da un total de un 17%. 4.5. 4. MOS. 3.5. 3. 2.5. 2. 1.5. 1. Algorithm 1 Algorithm 4 5. 10. 15. 20. 25. Assessment period identifier. Figura 3.4. MOS instantáneo (intervalo de evaluación 10s). Algoritmo 1 y 4. Disponible en (Carlos A. R. López, 2010).

(46) CAPÍTULO 3. EVALUACIÓN DE LOS RESULTADOS. USER SATISFACTION (Algorithm 4) 17% 40%. USER SATISFACTION (Algorithm 1) very satsisfied satisfied some dissatisfied many dissatisfied almost all dissatisfied not recommended. 27%. very satsisfied some dissatisfied many dissatisfied almost all dissatisfied not recommended. 10%. 43%. 35. 13% 20% 3% 3% 3%. 20%. Figura 3.5. Satisfacción del usuario para los algoritmos 1 y 4 de Ramjee. Disponible en (Carlos A. R. López, 2010) 3.2.2 Desempeño de los algoritmos 2 de Ramjee y eEM En la figura 3.6 (Carlos A. R. López, 2010) observamos que el algoritmo 2 de Ramjee se adapta rápidamente a ráfagas de paquetes con grandes demoras. Por otra parte este tiende a sobreestimar la demora media de la red. El algoritmo eEM intenta darle seguimiento a la demora de la red, sin embargo su predicción se basa en el procesamiento de la historia de la demora de la red y de la dinámica de la red lo cual hace dificultoso seleccionar adecuadamente el retraso de la reproducción en los momentos en que la red varía la demora. (ver Figura 3.6) En la gráfica de MOS para el algoritmo 2 y eEM (Figura 3.7) las caídas de las pendientes se asociaron a las pérdidas de paquetes. Las sumas de las clasificaciones “muy satisfactorio” y “satisfactorio” dieron un total de 57% para los dos algoritmos evaluados; el mejor hasta el momento (ver Figura 3.8). Sin embargo el 20% del total está en la clasificación de “no recomendado”.(Carlos A. R. López, 2010).

(47) CAPÍTULO 3. EVALUACIÓN DE LOS RESULTADOS. 36. 700 Traces Algorithm 2 Algorithm eEM. 600. Delay (ms). 500. 400. 300. 200. 100. 0. 5000. 15000. Packet Sequence. Fig. 3.6. Cálculo de reproducción para los algoritmos 2 de Ramjee y eEM. Disponible en (Carlos A. R. López, 2010). 4.5. 4. MOS. 3.5. 3. 2.5. 2. Algorithm 2 Algorithm eEM. 1.5. 1. 5. 10. 15. 20. 25. Assessment period identifier. Fig. 3.7. MOS instantáneo (intervalo de evaluación 10s). Algoritmo 2 de Ramjee y eEM. Disponible en (Carlos A. R. López, 2010).

(48) CAPÍTULO 3. EVALUACIÓN DE LOS RESULTADOS. USER SATISFACTION (Algorithm 2). 10%. 37. USER SATISFACTION (Algorithm eEM). 3%. 20% 17%. satisfied some dissatisfied many dissatisfied almost all dissatisfied not recommended. 47%. 23%. very satsisfied satisfied some dissatisfied many dissatisfied almost all dissatisfied not recommended. 3% 10%. 47% 10% 10%. Fig. 3.8. Satisfacción del usuario para los algoritmos 2 de Ramjee y eEM. Disponible en (Carlos A. R. López, 2010) 3.2.3 Desempeño del algoritmo 3 de Ramjee El algoritmo 3 de Ramjee no se desempeña bien en segmentos de alta variación de la demora (ver Figuras 3.9 y 3.10). La suma de las clasificaciones “muy satisfactorio” y “satisfactorio” dan un total de 53%, pero la suma de “no recomendado”, “casi todos los usuarios insatisfechos” y “muchos usuario insatisfechos” representan el 40% del total. (ver Figura 3.11) (Carlos A. R. López, 2010) 450 Traces Algorithm 3. 400 350. Delay (ms). 300 250 200 150 100 50 0. 5000. 15000. Packet Sequence. Fig. 3.9. Cálculo de reproducción para el algoritmo 3 de Ramjee. Disponible en (Carlos A. R. López, 2010).

(49) CAPÍTULO 3. EVALUACIÓN DE LOS RESULTADOS. 38. 4.5 4 3.5. MOS. 3 2.5 2 1.5 1 Algorithm 3 0.5. 5. 10. 15. 20. 25. Assessment period identifier. Fig. 3.10. MOS instantáneo (intervalo de evaluación 10s). Algoritmo 3 de Ramjee. Disponible en (Carlos A. R. López, 2010). USER SATISFACTION (Algorithm 3). 23%. very satsisfied some dissatisfied many dissatisfied almost all dissatisfied not recommended. 7%. 53%. 10% 7%. Fig. 3.11. Satisfacción del usuario para el algoritmo 3 de Ramjee. Disponible en (Carlos A. R. López, 2010) 3.2.4 Desempeño de los algoritmos 2 de Ramjee y algoritmo 5 En la figura 3.12 (Carlos A. R. López, 2010) se plotean el comportamiento del algoritmo 2 de Ramjee y el algoritmo 5 propuesto en (Carlos A.Rodríguez Lopez) para el seguimiento.

(50) CAPÍTULO 3. EVALUACIÓN DE LOS RESULTADOS. 39. de la demora en un sentido desde una traza sobre WiMAX. Se puede observar que el algoritmo 5 hace una estimación más precisa de la demora. Este algoritmo 5 aprovecha un pequeño factor de compresión de la demora cada vez que la demora de la red excede su estimación como en el algoritmo 2 de Ramjee y utilizando el ajuste dinámico del coeficiente Ω. Como consecuencia la adaptación a la variabilidad de las trazas de voz sobre redes WiMAX móviles son mejoradas. Como se muestra en la figura 3.13 la suma de la clasificación “muy satisfecho” y “satisfecho” dan un total de 66%. En la figura 3.14 se plotea el MOS instantáneo para este algoritmo 5. En la tabla 3.1 se muestra un resumen de los resultados obtenidos.. 700 Traces Algorithm 2 Algorithm 5. 600. Delay (ms). 500. 400. 300. 200. 100. 0. 5000. 15000. Packet Sequence. Fig. 3.12. Cálculo de reproducción para el algoritmo 5. Disponible en (Carlos A. R. López, 2010).

(51) CAPÍTULO 3. EVALUACIÓN DE LOS RESULTADOS. 40. USER SATISFACTION (Algorithm 5). 10%. 23%. 3%. 20% very satsisfied satisfied some dissatisfied many dissatisfied not recommended. 43%. Fig. 3.13. Satisfacción del usuario para el algoritmo 5. Disponible en (Carlos A. R. López, 2010) 4.5 4. MOS. 3.5 3 Algorithm 5. 2.5 2 1.5 1. 5. 10. 15. 20. 25. Assessment period identifier. Fig. 3.14. MOS instantáneo (intervalo de evaluación 10s). Algoritmo 5. Disponible en (Carlos A. R. López, 2010).

(52) CAPÍTULO 3. EVALUACIÓN DE LOS RESULTADOS. Tabla 3.1: Resumen del desempeño de los algoritmos Playout strategy. Very Satisfied and Satisfied, sum (%). Not recommended, Nearly all dissatisfied and Many dissatisfied , sum (%). Algorithm 1. 46. 50. Algorithm 2. 10. 43. Algorithm 3. 53. 40. Algorithm 4. 17. 73. Algorithm eEM. 57. 43. Algorithm 5. 66. 13. 41.