Contribución al estudio y control del jitter

Texto completo

(1)Facultad de Ingeniería Eléctrica. Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones. TRABAJO DE DIPLOMA. Contribución al estudio y control del jitter Autor: Nha Duong Minh. Tutor: MSc. Carlos Alberto Rodríguez López. Santa Clara 2008 ““A Aññoo 5500 ddee llaa R Reevvoolluucciióónn””.

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones. TRABAJO DE DIPLOMA Contribución al estudio y control del jitter Autor: Nha Duong Minh Tutor: MSc. Carlos Alberto Rodríguez López Prof. Dpto. de Telecomunicaciones y Electrónica Facultad de Ingeniería Eléctrica, UCLV E-mail: [email protected] Santa Clara 2008 "Año 50 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 Automática, 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. DEDICATORIA. A mis abuelos por quererme y por estar conmigo siempre aunque ya no están en este mundo.. A mis padres y mis hermanos quienes yo quiero más que cualquier cosa del mundo..

(5) ii. AGRADECIMIENTOS. A mis padres por haberme enseñado los primeros pasos, por darme tanto cariño y amor, por acompañarme siempre en las victorias y en las dificultades de mi vida, dándome fuerza para para levantarme después de cada caída y sobre todo por haberme regalado la vida. A mi familia por apoyarme siempre tanto en tiempos buenos como difíciles. Al profesor Carlos, mi tutor inseparable, por haberme ayudado y apoyado tanto en el trabajo y por su dedicación. A todos mis amigos por estar siempre conmigo, ayudándome a pasar los tiempos difíciles lejos de casa. A todos los profesores por haberme enseñado, por sus cariños y por todas sus ayudas. Muchas gracias.

(6) iii. TAREA TÉCNICA Para el logro de los objetivos propuestos en el presente trabajo, la investigación sigue una línea definida por un grupo de tareas, entre las que se encuentran:. 1.. Búsqueda bibliográfica y estudio de trabajos relacionados con el tema.. 2.. Estudio del fenómeno del jitter que se produce en aplicaciones de VoIP en redes. de paquetes: Tipos, características, factores que influyen en jitter. 3.. Elegir las herramientas para la aplicación del control y el estudio del jitter.. 4.. Comparar las características generales de los algoritmos de control de jitter que. existen. 5.. Definición de un esquema para evaluar algoritmos de control de jitter. Ejemplo de. aplicación. 6.. Confección de informe.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(7) iv. RESUMEN. En este trabajo se realiza una contribución al estudio y control del jitter. Para ello se hace una descripción del fenómeno del jitter que se produce en aplicaciones de VoIP en las redes de paquetes, son expuestas sus principales características y los factores que inciden en él. Son analizados las variantes de dos tipos de algoritmos de buffer de reproducción de audio: aquellos que ajustan los parámetros del buffer de reproducción durante el tiempo de ráfaga de silencio y los que ajustan en cualquier momento. Se exploran las funciones de las herramientas para la evaluación de algoritmos siendo las más destacadas: MATLAB y NS2 (Network Simulator) y se propone un esquema para medir el desempeño de estos. Finalmente se aplica el esquema de evaluación propuesto a un caso de estudio y se discuten los resultados obtenidos..

(8) v TABLA DE CONTENIDOS DEDICATORIA ......................................................................................................................i AGRADECIMIENTOS ......................................................................................................... ii TAREA TÉCNICA............................................................................................................... iii RESUMEN ............................................................................................................................iv INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................1 Organización del informe ...................................................................................................2 CAPÍTULO 1.. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA..................................................................4. 1.1. Definición de telefonía IP .......................................................................................4. 1.2. Introducción a los diferentes tipos de telefonía IP..................................................5. 1.3. Calidad del servicio de telefonía IP ........................................................................7. 1.3.1 1.4. Dificultades técnicas .......................................................................................7 Concepto básico de jitter........................................................................................9. 1.4.1 1.5. Introducción a los diferentes tipos de jitter en telefonía IP ............................9 Definición de buffer de jitter ................................................................................11. 1.5.1. Buffer de jitter estático. ................................................................................11. 1.5.2. Buffer de jitter dinámico...............................................................................11. 1.5.3. Jitter buffer en perspectiva histórica............................................................12. 1.6. Evaluación de la calidad de VoIP .........................................................................13. 1.6.1. Puntaje de opinión (mean opinión scores MOS) .........................................13. 1.6.2. Evaluación perceptiva de la calidad del habla – PESQ ................................14. 1.6.3. Modelo E.......................................................................................................15. CAPÍTULO 2. 2.1. MATERIALES Y MÉTODOS.................................................................18. Tarea principal de los algoritmos existentes.........................................................18.

(9) vi 2.2. Breve introducción al mecanismo de reproducción de los paquetes de audio en. red WAN...........................................................................................................................18 2.2.1. El principio básico de los cuatro algoritmos.................................................19. 2.2.2. Algoritmo 1...................................................................................................21. 2.2.3. Algoritmo 2...................................................................................................21. 2.2.4. Alogoritmo 3.................................................................................................22. 2.2.5. Algoritmo 4...................................................................................................22. 2.2.6. Comparación y discusión de resultados........................................................24. 2.3. Breve introducción al algoritmo de reproducción de los paquetes en VoIP usando. la estimación adaptativa del retardo de la red.................................................................24 2.3.1. Motivación del algoritmo.............................................................................25. 2.3.2. Algoritmo del buffer de reproducción con α adaptativo...............................27. 2.3.3. Medición y comparación experimentales del algoritmo con α adaptativo. ..29. 2.3.4. Evaluación del algoritmo con prueba subjetiva. ...........................................30. 2.4. Breve introducción al algoritmo de control de playout delay para la VoIP. utilizando alteración en la escala de tiempo .....................................................................32 2.4.1. El principio básico del nuevo algoritmo. ......................................................33. 2.4.2. Medición y comparación experimentales del algoritmo de control de playout. delay para la VoIP utilizando alteración en la escala de tiempo. .................................35 2.5. Herramientas para la aplicación y el estudio del jitter..........................................37. 2.5.1. MATLAB......................................................................................................37. 2.5.2. Network Simulator (NS). ..............................................................................37. CAPÍTULO 3.. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ..............................................................38. 3.1. Esquema de evaluación de algoritmo. ..................................................................38. 3.2. Tráfico simulado de una aplicación de VoIP combinado con tráfico de FTP. .....39.

(10) vii 3.2.1. Topología. .....................................................................................................40. 3.2.2. Las características del tráfico de VoIP. ........................................................40. 3.2.3. Resultado de la simulación en network Simulator 2 (NS- 2). ......................41. 3.3. Implementación de algoritmo de la reproducción de buffer.................................43. 3.4. Análisis de resultados ...........................................................................................43. 3.4.1. Resultados obtenidos con α =0.998, la razón de transmisión entre los router. 1 y 2 es de 10 Mbps. .....................................................................................................43 3.4.2. Resultados obtenidos con α =0.885, la razón de transmisión entre los router. 1 y 2 es de 10 Mbps. .....................................................................................................46 3.4.3. Resultados obtenidos con α =0.998, la razón de transmisión entre router 1 y. router 2 es 5 Mbps. .......................................................................................................48 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...................................................................51 Conclusiones.....................................................................................................................51 Recomendaciones. ............................................................................................................52. Referencias bibliográficas Anexos.

(11) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. Internet fue concebida originalmente para transportar tráfico de datos usando el protocolo de control de transmisión (TCP) sobre IP (Internet Protocolo). En los últimos años, se ha realizado un esfuerzo de investigación considerable sobre mecanismos de transmisión de tráfico que es sensible a las pérdidas y al retardo, tal como la voz y el video en tiempo real. A este tipo de tráfico se le conoce tradicionalmente como tráfico multimedia. El paradigma de mejor esfuerzo (best-effort en inglés) característico en Internet hace que la transmisión de esta clase de tráfico sea un gran reto de investigación. Esta característica best-effort introduce variabilidad en el retardo y pérdida de paquetes. Estos fenómenos afectan seriamente la calidad del tráfico multimedia en Internet. Uno de los servicios multimedia más utilizados actualmente sobre Internet es la transmisión de voz en tiempo real de forma interactiva, el cual es llamado comúnmente Telefonía sobre Internet (ToIP, VoIP). El reto más importante es el de reducir al máximo los efectos de las pérdidas y de la variabilidad del retardo, para de esta manera ofrecer la mejor calidad de voz posible en una conversación. La mayoría de las aplicaciones generan paquetes espaciados a intervalos regulares de tiempo. El tráfico generado por la fuente de voz se separa en periodos de actividad y periodos de silencio. Al pasar por Internet, se inyecta un retardo variable a los paquetes al llegar a su destino. Esta variabilidad de retardo modifica la periodicidad con la que los paquetes fueron enviados en la fuente. Para poder reproducir el tren de paquetes recibidos, una aplicación debe ser capaz de reducir o de eliminar esta variabilidad de retardo. Esto se hace guardando los paquetes temporalmente en un buffer, y luego reproduciéndolos después de un cierto tiempo límite. Los paquetes que llegan después de su tiempo límite se consideran en retardo y no se reproducen. Si este tiempo límite se incrementa, la.

(12) INTRODUCCIÓN. 2. probabilidad que un paquete llegue a tiempo también aumenta. Esto reduce la cantidad de paquetes perdidos artificialmente en el buffer del receptor; sin embargo, incrementar el tiempo de espera de los paquetes en el buffer impacta negativamente la interactividad de una conversación de voz. Este es el principal compromiso de un algoritmo de “playout delay” para VoIP: optimizar el tiempo de espera de los paquetes en el buffer. En la actualidad se realizan grandes esfuerzos en el estudio de mecanismos que permitan asegurar una adecuada QoS en las redes IP y pero la solución parece estar todavía distante, los investigadores centran sus trabajos en el desarrollo de mecanismos que permitan el control del jitter para garantizar una correcta QoS en los servicios interactivos en tiempo real. El objetivo de este presente trabajo es contribuir al estudio y control del jitter para aplicaciones en VoIP, para alcanzar dicho objetivo se realiza un estudio de los mecanismos de control del jitter, haciendo una descripción del fenómeno en las aplicaciones de VoIP en las redes de paquetes. Son descritas las variantes de dos tipos de algoritmos de buffer de reproducción de audio y se exploran herramientas que permiten implementar y evaluar estos algoritmos. Se propone el esquema de evaluación para un caso de estudio. Organización del informe El informe de la investigación se estructurará en resumen, introducción, capitulario, conclusiones y recomendaciones, referencias bibliográficas y anexos. Introducción Se dejará definida la importancia, actualidad y necesidad del tema que se aborda y se dejarán explícitos los elementos del diseño teórico Capítulo I Se hace una descripción de los conceptos y los principios relacionados con el fenómeno jitter y los mecanismos del control de jitter. Se aborda lo referente a la evaluación de la calidad a través de los modelos MOS, PESQ, E Capítulo II Se exponen las variantes de dos tipos de algoritmo para buffer de reproducción de audio y.

(13) INTRODUCCIÓN. 3. se hace una revisión de las herramientas a utilizar en el estudio del desempeño de algoritmos para reproducir los paquetes de audio. Capítulo III En este capítulo se lleva a cabo un ejercicio de evaluación de un algoritmo y se realiza la discusión de los resultados. Conclusiones Se realizará un análisis crítico de los resultados obtenidos a partir de los objetivos que se trazaron inicialmente..

(14) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 4. CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. En este capítulo se organiza de la forma siguiente: en las dos primeras secciones se introduce brevemente la definición y la clasificación de diferentes tipos de telefonía IP. En las secciones se hace un estudio sobre el problema fundamental y los factores que afectan a la calidad de VoIP, evaluando la importancia de “jitter buffer”. Al final del capítulo, se aborda lo referente a la evaluación de la calidad a través del modelos MOS, PESQ, E.. 1.1. Definición de telefonía IP. Comúnmente se conoce también por los términos de voz sobre Protocolo de Internet (Internet Protocol-IP), también llamado Voz sobre IP (Voice over IP-VoIP) VoIP, Telefonía IP, Telefonía por Internet, Telefonía Broadband y Voz sobre Broadband (Neuman, 2007). Según Ríos et al. (2007), la voz sobre IP es una tecnología usada para transmitir conversaciones de voz sobre una red de datos usando el protocolo IP. Las redes de datos pueden ser: Internet, una Intranet Corporativa, una red manejada por un Operador Local o de Larga Distancia o un Proveedor de Servicio de Internet (Internet Service Provider-ISP). A pesar de ser varios los términos utilizados para describir este proceso de transmisión de la voz a través de una red de datos, VoIP y Telefonía IP son los más comúnmente usados, y aunque se usen de forma indiferente, cada uno de ellos tiene su propia definición. VoIP: transporte básico de voz en forma de paquete en una red basada en el protocolo IP, sin tomar en cuenta características ni funcionalidades de la misma..

(15) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 5. Telefonía IP: hace uso de la VoIP, pero además es un conjunto de aplicaciones de software que ofrece una rica gama de características. Es considerada una típica aplicación de VoIP y tiene como meta intentar proveer las mismas características y calidad que la telefonía tradicional. En la figura 1.1 se muestra en términos simples el proceso para llevar a cabo la VoIP. Figura 1.1 Proceso de codificación y transmisión de la voz sobre una red IP. (Ríos et al., 2007) 1.2. Introducción a los diferentes tipos de telefonía IP. De acuerdo a la naturaleza de la red IP usada se puede hablar de tres tipos de de voz sobre redes IP Comunicación entre usuarios de PC conectados a Internet: Mediante el uso de computadoras y un programa adecuado se puede entablar una conversación en tiempo real con otra computadora similar ubicada en cualquier parte del planeta.

(16) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 6. Figura 1.2 Comunicación entre usuarios de PC conectados a Internet. (ITU-D, 2003). La segunda modalidad es la que posibilita la comunicación entre dos usuarios, aunque uno de ellos no esté conectado a Internet. Una persona conectada a través de su PC con Internet puede llamar a un teléfono fijo.. Figura 1.3 Comunicación entre usuario de PC y teléfono fijo. (ITU-D, 2003) La tercera modalidad, y la más reciente, permitieron ampliar las comunicaciones. Dos teléfonos fijos pueden comunicarse entre sí por medio del protocolo IP; uno de ellos llama.

(17) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 7. a una central conectada a Internet y ésta lo comunica con el otro teléfono fijo de manera similar a la descrita anteriormente.. Figura 1.4 Comunicación entre los teléfonos fijos. (ITU-D, 2003).. 1.3. Calidad del servicio de telefonía IP. Una de las dificultades principales en telefonía IP es que debe alcanzar una calidad del servicio similar a la de las redes de teléfono convencional .Esta dificultad proviene, por una parte, de las consideraciones técnicas que son específicas por el modo de transferir los datos sobre las redes del IP. Por otra parte, de las organizaciones y modo de la provisión del servicio sobre redes de datos en general, y IP en particular (ITU –D, 2003). 1.3.1. Dificultades técnicas. Muchas llamadas atraviesan redes hibridas incluyendo PSTN-VOIP-PSTN desde ahora los deterioros tradicionales introducidos por la PSTN se aumentan y a veces se destacan por los deterioros introducidos por las redes de nueva generación. Podemos mencionar cuatro fuentes principales de la dificultad asociadas al modo de la transmisión de paquetes que tiene un impacto en el transporte de la voz sobre IP. •. Pérdida: desaparición posible de los paquetes durante la comunicación.. Según. el número de los paquetes perdidos, la calidad de sonido en el extremo de recepción puede sufrir. Hay cuatro causas principales de la pérdida del paquete:.

(18) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 8. -Tiempo de vida agotado (TTL= 0) - la demora en el extremo de recepción mayor que jitter buffer - Destrucción por congestión en ruta - Invalidez del paquete debido a las averías de la transmisión •. Retardo del paquete: también se llama latencia, se define técnicamente en VoIP como el. tiempo que tarda un paquete en llegar desde la fuente al destino. Las comunicaciones en tiempo real (como VoIP) y full-duplex son sensibles a este efecto. Al igual que el jitter, es un problema frecuente en enlaces lentos o congestionados. La latencia o retardo entre el punto inicial y final de la comunicación debiera ser inferior a 150 ms. El oído humano es capaz de detectar latencias de unos 250 ms, y 200 ms en el caso de personas bastante sensibles. Si se supera ese umbral la comunicación se vuelve molesta. •. Jitter: la variación en el tiempo en la llegada de los paquetes. •. Eco: se define como una reflexión retardada de la señal acústica original. El eco es especialmente molesto cuanto mayor es el retardo y cuanto mayor es su intensidad con lo cual se convierte en un problema en VoIP puesto que los retardos suelen ser mayores que en la red de telefonía tradicional. El oído humano es capaz de detectar el eco cuando su retardo con la señal original es igual o superior a 10 ms. Pero 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 (ITU-D, 2003).. Figura 1.5: las principales dificultades en transmisión de telefonía IP. (ITU-D, 2003)..

(19) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 1.4. 9. Concepto básico de jitter. El jitter es un efecto de las redes de datos no orientadas a conexión y basadas en conmutación de paquetes. Como la información se discretiza en paquetes, cada uno de los paquetes puede seguir una ruta distinta para llegar al destino. Las redes IP no garantizan una trayectoria específica a su destino, ni garantizan ancho de banda disponible para la duración de la comunicación. Esto da lugar a los paquetes que son recibidos con diferencias niveles de la sincronización de cuando fueron enviadas Este efecto está generalmente bien para descargar una página Web por ejemplo, sin embargo en caso de voz, éstos problemas pueden afectar a la calidad de la conversación. El jitter se define técnicamente como la variación en el tiempo de llegada de los paquetes, causada por congestión de red, pérdida de sincronización o por las diferentes rutas seguidas por los paquetes para llegar al destino (Cisco Systems Inc, 2006).. . Figura 1.6: Variación en el tiempo de llegada de los paquetes (jitter) (Cisco Systems Inc, 2006) 1.4.1. Introducción a los diferentes tipos de jitter en telefonía IP. De acuerdo a la naturaleza de jitter en voz sobre IP se puede hablar de tres grandes categorías de jitter: Tipo A: jitter constante. Éste es un nivel aproximadamente constante de la variación de retraso de paquete a paquete. Tipo B: jitter transitorio. Está caracterizado por un incremento sustancial en la demora que pueda ser incurrida por un solo paquete. Este problema ocurre (notablemente en.

(20) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 10. softphone) cuando el proceso de VoIP tenga que compartir la CPU con otros procesos en el mismo tiempo. Tipo C: variación de la demora en cortos plazos. Este está caracterizado por un incremento de demora que persiste para un cierto número de paquetes, y puede ser acompañado por un aumento de la variación de la demora de paquete a paquete. El jitter tipo C se asocia comúnmente a la congestión y los cambios de ruta (Clark, 2003).. Figura 1.7: Jitter tipo B: Ejemplo de la congestión en red LAN (x = paquete). (Clark, 2003).. Figura 1.8: Jitter tipo C: Ejemplo de la congestión en enlace. (Clark, 2003)..

(21) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 1.5. 11. Definición de buffer de jitter. En voz sobre IP (VoIP), un buffer de jitter es un área de datos compartida donde los paquetes de voz se pueden recoger, almacenar, y enviar al procesador de voz en intervalos uniformemente espaciados. Las variaciones en el tiempo de llegada del paquete (jitter), pueden ocurrir debido a la congestión de red, o cambios de la ruta. El buffer de jitter, que está situado en el extremo de recepción de la conexión de voz, retrasa intencionalmente los paquetes que llegan de modo que el usuario del extremo experimente una conexión clara con la distorsión pequeña (Grupta, 2007). 1.5.1. Buffer de jitter estático.. El funcionamiento tradicional del buffer consiste en almacenar los paquetes antes de ser enviados al decodificador. Un problema común es que los paquetes pueden llegar fuera de secuencia, el buffer de jitter no responde estrictamente a la estructura FIFO (primero en llegar-primero en salir), sino que se reordenan los paquetes de ser necesario. Un algoritmo empleado es definir un buffer con un tamaño fijo que solo puede procesar una cantidad fija de paquetes. Como resultado de esto se obtiene un sistema con demora constante y mínima complejidad. La desventaja de este método es que el tamaño del buffer debe ser suficientemente grande para que ante el peor caso se puedan acomodar los paquetes antes de ser reproducidos. El tamaño del buffer depende de las características de la llamada, del codec empleado, así como del número de tramas de audio incluidas en los paquetes RTP. Cuando un buffer de jitter estático es usado en un sistema para almacenar los paquetes de media, es necesario conocer el tipo de codec usado y el número esperado de tramas por paquete (Grupta, 2007). 1.5.2. Buffer de jitter dinámico. Con el propósito de mantener la demora tan corta como sea posible, es importante que el algoritmo del buffer de jitter se adapte rápidamente a las condiciones de cambio de la red. Por lo tanto, los buffer de jitter con asignación de tamaño dinámico son denominados buffer de jitter adaptativos. La adaptación se alcanza mediante el incremento o decremento de la profundidad del buffer para eliminar el jitter en el arribo de los paquetes RTP (Grupta, 2007)..

(22) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 1.5.3. 12. Jitter buffer en perspectiva histórica. Muchos investigadores han desarrollado diversos algoritmos para mejorar el transporte de paquetes de la voz en Internet, incluyendo la clasificación de tráfico, reservación de ancho de banda, algoritmos de la evitación de la congestión y otros. Estos acercamientos usan diferentes. técnicas para disminuir el retardo de transmisión y/o probabilidad de la. congestión del paquete de la voz en la red y hace Internet más conveniente para la transmisión de voz (optimización de la red). Sin embargo, éstos métodos no proporcionan resultados aceptables ni solucionan totalmente el problema porque (1) no todos los equipo soportan QoS múltiple protocolos y (2) las tecnologías no pueden reaccionar a menudo para cambiar las condiciones de la red y manejar la calidad de cada llamada en tiempo real. Al principio de los años noventa, el grupo Domenico Ferrari en UC Berkeley produjo muchas publicaciones significativas sobre el efecto de jitter y retardo en comunicación tiempo real. Su trabajo propuso un mecanismo distribuido para controlar retardo y jitter en la red de conmutación de paquete (Ferrari y Verma, 1990). En el año 1993, Henning Schulzrinne hizo su tesis doctoral sobre la reducción y caracterización de la pérdida de paquetes en las redes de computadoras de alta velocidad con servicios en tiempo real, en ella se centraba en el control de la congestión, programación, y la correlación de la pérdida del tráfico en tiempo real (Schulzrinne, 1993). Durante los años 1993-1996 Jean Bolot produjo una serie de los artículos que reportaron y caracterizaron el comportamiento de la pérdida y retardo de los paquetes del audio en Internet. Son trabajos teóricos apoyados por evidencia experimental, con uso de técnicas tales como protección de la redundancia contra pérdida del paquete (Bolot, Crepin y Garcia ,2005). En el año 1994 Ramachandran Ramjee hizo una comparación de los algoritmos de reproducción de los paquetes de voz usando la estimación del retardo de la red. Este trabajo fue ampliado para incluir los límites del funcionamiento, por Sue Moon en el año 1998 (Ramjee et al., 1994)..

(23) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. La tesis de maestría de Christian Sieckmeyer " Evaluation of adaptive. 13 playout. algorithms for packet audio " desarrollada en TU Berlín en 1995, se realiza una evaluación amplia de algoritmos de buffer de reproducción, usando implementación. C++. (Sieckmeyer, 1995). En el año 2003 Miroslaw Narbutt y un colectivo de autores hicieron una propuesta de mejorar de algoritmo de Ramjee de tal forma que se puede ajustar adaptativamente el valor de α, dependiendo en la variación del retardo en la red. 1.6. Evaluación de la calidad de VoIP. 1.6.1. Puntaje de opinión (mean opinión scores MOS). La primera técnica significativa usada para medir claridad del habla estaba basada en encuestas de una gran cantidad de oyentes humanos para producir puntajes de claridad estadísticos sujetivos. Esta técnica se conoce como puntaje de opinión humana. Las técnicas para probar redes con MOS se describen en la Recomendación P.800 de la ITU. La recomendación P830 proporciona métodos más específicos para la prueba sujetiva de codec del habla .Estas dos recomendaciones de la ITU describen métodos para probar, métodos para obtener puntajes subjetivos, valores de los puntajes, características de las muestras de habla que se utilizarán y otras condiciones bajo de las cuales la prueba debe ser realizada. La prueba de MOS se puede basar en pruebas conversacionales de dos vías o en pruebas de una vía de escuchar, en donde se usan muestras de haba estandardizadas. Los oyentes oyen las muestras transmitidas sobre un sistema o una red, y califican la calidad total de la muestra, de acuerdo con las escalas de opinión. P.800 especifica varios tipos de prueba subjetiva: Prueba de opinión de conversación. Prueba de clasificación absoluta de categorías (absolute category rating - ACR). Prueba Quantal - Response Detectability. Método de clasificación de Degradación de categorías (DCR). Método de clasificación de comparación de categorías (CCR)..

(24) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 14. Cada uno de estos métodos define sus escalas de opinión correspondientes (Ver anexo 1). Obviamente, la prueba MOS tiene varias desventajas: Es subjetiva por que los resultados depende de muchas cualidades incontrolables de los oyentes que hacen la prueba. Es costosa porque requiere a una gran cantidad de gente y elabora las disposiciones de prueba. Es ineficaz e impráctico realizar la prueba tan frecuente como se necesita hacer cambios de diseño y configuración de una red y para la supervisión rutinaria de la misma (Aguilar ,2005). 1.6.2. Evaluación perceptiva de la calidad del habla – PESQ. Evaluación perceptiva de la calidad del habla (PESQ) es un método que se realizar a través del computador, simulando un oído humano, no solo aplicable a codec de voz sino a medidas de extremo a extremo. PESQ presenta ciertas condiciones en las que se debe usar para obtener predicciones acertadas, por ejemplo, se recomienda su uso para la evaluación de la calidad del habla de banda angosta 3.1 kHz y también de codec de habla de banda angosta. PESQ no presenta una evaluación detallada de la calidad de transmisión, sino que simplemente mide los efectos de la distorsión del habla, y el ruido sobre la señal del canal, en un sentido. Otros efectos como eco, etc..., no se ven reflejados en los puntajes obtenidos por PESQ. El objetivo de PESQ es comparar la señal original X (t) con esta misma degradada por el canal Y (t), para obtener la preedición objetiva de la calidad de habla percibida por una persona como si fuera una prueba subjetiva de escucha. PESQ está actualmente en la recomendación P.862 del 2001, en la cual describe el procedimiento para procesar las señales, con el fin de obtener un resultado de la escala MOS. Este procedimiento se divide en tres módulos: procesamiento de señales, modelamiento perceptivo y modelamiento cognitivo (Aguilar ,2005)..

(25) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 15. Figura 1.9: Diagrama en bloques de PESQ (Aguilar ,2005). 1.6.3. Modelo E. El método de evaluación más usado para VoIP es el llamado modelo E, el cual computa una estimación predicativa de la calidad subjetiva de la voz según los parámetros de la transmisión. Modelo E define un factor de calidad R, obtenido como una función de retrasos, pérdidas de paquetes, deterioro de factores de los equipos, y calidad esperada de la llamada del usuario., con rango de 1 hasta 100 R = Ro –Is -Ie- Id + A Donde R0 es la proporción señal a ruido (nivel de voz recibido relativo al ruido circuital y acústico). Is toma en cuenta los efectos de los deterioros que ocurren simultáneamente con la señal de voz. Ie toma en cuenta los efectos de los deterioros causados por pérdidas. Id toma en cuenta los efectos de los deterioros causados por retardos. A es un factor que modela la expectativa del usuario de acuerdo con la tecnología empleada. Por ejemplo, el valor de A es mayor en las redes de satélite que en las redes de circuito conmutadas clásicas, porque las expectativas del usuario en las redes de satélite son más bajas que en las redes alambradas. El rango típico para el factor A es de [0, 20] y algunos valores propuestos por la ITU se muestran..

(26) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 16. Tabla1: Valores de factor A propuesto por ITU.. El resultado del MOS se obtiene a través de la ecuación MOS = 1+0.035R+7*10-6 R(R - 60)(100 - R). En un sistema de VoIP, debido a que en realidad los retrasos y las pérdidas constituyen las afectaciones principales, Cole y Rosenbluth han reducido el modelo a la siguiente ecuación, usando apropiadamente los valores seleccionados por defecto para los factores sustituidos: R = 94.2 − Ie −Id Sus pruebas han mostrado que la siguiente definición para Ie puede ser usada en la estimación del impacto de las pérdidas: Ie = λ1 + λ 2 ln(1 + λ 3e). Donde λ1 cuantifica la degradación de la calidad de voz debido al codec, λ 2 y λ 3 se refieren a la degradación debido a las pérdidas y e representa la razón total de pérdida de paquetes. Los valores para los parámetros λ han sido determinados a través de simulaciones con diferentes condiciones de pérdidas para diferentes codec. Tabla2: Coeficientes para el cálculo del deterioro de la calidad debido a las pérdidas. Por otra parte, el impacto del retraso ha sido modelado como: Id = 0.024d + 0.11 (d − 177.3) I (d − 177.3)..

(27) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 17. Donde I (x) es una función paso unitario y d el retraso total de extremo a extremo. La forma de esta ecuación está justificada por la observación experimental de que después de un umbral calculado en 177.3 ms el retraso conduce a una degradación perceptiva más rápida. La interpretación los valores de los factores R y MOS (Balan, 2006). Tabla3: interpretación entre los factores R y MOS.

(28) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 18. CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS. Este capítulo se organiza de la forma siguiente: en la sección 2.2 se hace un estudio sobre cuatro algoritmos que tienen características esenciales comunes, tomando como base el artículo de Ramjee (Ramjee et al., 1994). En la sección 2.3 se realiza un análisis de un algoritmo que implementa una modificación a los algoritmos de sección 2.2. En la sección 2.4 se presenta un algoritmo con un mecanismo de ajuste diferente. En la parte final del capítulo se proponen herramientas para la aplicación del control y el estudio del jitter. 2.1. Tarea principal de los algoritmos existentes. La variación en el tiempo en la llegada de los paquetes se llama jitter. El jitter es eliminado por el buffer de jitter, este almacena temporalmente los paquetes que llegan y los envía a un receptor en intervalos iguales de tiempo. Si el buffer de jitter es demasiado pequeño, muchos paquetes se pueden desechar debido a una variación significativa de retardo. Esto afectará negativamente la calidad de la llamada. Un aumento del tamaño del buffer de jitter permite que se pueda almacenar más paquetes pero el mismo buffer de jitter les agrega su retardo, que también afecta negativamente la calidad de la llamada. Muchas investigaciones se centran en estrategias adaptativas del buffer de jitter para encontrar un punto óptimo en la compensación entre retardo extremo – extremo y la pérdida del paquete, para optimizar la calidad de la llamada dinámicamente. 2.2. Breve introducción al mecanismo de reproducción de los paquetes de audio en red WAN.. Los cuatro algoritmos que se analiza en esta sección 2.2 determinan el retardo de reproducción en cada ráfaga de audio. Dentro de cada ráfaga de audio, los paquetes son.

(29) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 19. reproducidos al receptor de manera periódica con el mismo período de generación en el emisor. Sin embargo los algoritmos pueden modificar el retardo de reproducción desde una ráfaga de audio a otra. Los intervalos de silencio entre dos ráfagas de audio en el receptor pueden artificialmente alargarse o comprimirse (con respecto a la longitud original del intervalo de silencio correspondiente en el emisor). La compresión o expansión de silencio en pequeñas cantidades no es notable en la calidad de reproducción de la llamada. 2.2.1. El principio básico de los cuatro algoritmos.. En (Ramjee et al., 1994), se comparan cuatro algoritmos para buffer de reproducción, a continuación se expone el principio básico de funcionamiento de cada uno de estos algoritmos (figura 2.1). Para una mejor comprensión se introducen la definición de los tiempos siguientes asociados con el paquete i: •. ti : Tiempo en el cuál paquete i es transmitido en el emisor.. •. ai : Tiempo en el cuál paquete i es recibido en el receptor.. •. pi : Tiempo en el cuál paquete i es reproducido en el receptor.. •. D prop : El retardo de propagación desde el emisor hasta el receptor, el cual se. supone que es constante a lo largo del tiempo de la conexión del audio. •. vi : El retardo experimentado del paquete i.. •. bi : Tiempo que paquete i está dentro de jitter buffer en el receptor, esperando su. reproducción •. bi = p i − a i .. d i : Cantidad total de tiempo desde el momento que el paquete i es transmitido en. la fuente hasta su reproducción en el receptor (se refiere al retardo extremo – extremo del paquete i) d i = pi − ti . •. ni : Retardo total introducido por la red, ni = a i − t i . ..

(30) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 20. Figura 2.1: Los tiempos asociados con el paquete i (Ramjee et al., 1994). Para determinar el tiempo de la reproducción del paquete i, se consideran los dos casos siguientes, dependiendo si ese paquete es o no es el primero paquete de la ráfaga de audio. •. Si paquete i es el primer paquete de ráfaga de audio, su tiempo de reproducción ( pi ) es computado como: ^. ^. pi = t i + d i + 4 * v i ; ^. ^. d i y v i son las estimaciones de la media y varianza del retardo extremo a extremo durante. una ráfaga de audio. El punto de reproducción de cualquier paquete subsiguiente en la ráfaga de audio es computado como un desplazamiento a partir de punto en que el primer paquete de esa misma ráfaga de audio es reproducido. Si i fue el primer paquete en la ráfaga de audio y paquete j pertenece a esa misma ráfaga de audio, el punto de reproducción del paquete j es computado como: p j = pi + t j − t i . ^. ^. d i y v i son computados para cada paquete recibido, aunque ellos solo se utilizan para. determinar el punto de la reproducción del primer paquete de cualquier ráfaga de audio. Se analizarán los cuatro algoritmos más adelante, pero la diferencia entre ellos solo es la ^. ^. ^. manera de computar d i . La computación de v i (el cuál alternativamente depende de d i ) es la misma para todos los algoritmos y es definido más adelante. Desde un punto de vista.

(31) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 21. ^. intuitivo, el término 4* v i se utiliza para fijar el tiempo de reproducción bastante lejos de la estimación del retardo.. 2.2.2. Algoritmo 1. La estimación del retardo es calculado según RFC793 (Jon Postel, 1981) y el trabajo de Van Jacobson (Jacobson, 1988) es: d i = α * d i −1 + (1 − α ) * ni . ^. ^. La variación es computada como:. v i = α * v i −1 + (1 − α ) d i − ni . ^. ^. ^. Este algoritmo es básicamente un filtro recursivo lineal y es caracterizado por el factor α. según los estudios experimentales α = 0.998002.. 2.2.3. Algoritmo 2. 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. ^. If ( ni > d i ) then d i = β * d i + (1 − β ) * ni ^. ^. else d i = α * d i −1 + (1 − α ) * ni . ^. ^. Según los estudios experimentales β =0.75 y α=0.998002, la estimación de la media y la varianza del retardo se mantienen como en algoritmo 1..

(32) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 2.2.4. 22. Alogoritmo 3. El tercero algoritmo utiliza el retardo mínimo de todos los paquetes recibidos en la ráfaga de audio anterior (k-1) como el retardo medio.. {. d i [k ] = min n i =1.. N [k − 1]}; . ^. 2.2.5. Algoritmo 4. Este algoritmo sirve para ajustar los picos. En la figura muestra un pico típico del retardo de los paquetes, el cual constituye un aumento grande del retardo extremo – extremo en la red (ni en la figura 2.1), seguido por una serie de los paquetes que llegan casi simultáneamente (en la figura 2.2, cada paquete es representado por un punto).. Figura 2.2: Pico típico del retardo de los paquetes (Ramjee et al., 1994). 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..

(33) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 1. ni = receiver _ timestamp − sender _ timestamp. if (mod e == NORMAL ). 2.. {. ^ if (abs (ni − ni −1 ) > abs v  * 2 + 800 )  . {. var = 0; / *detected beginning of spike */ mod e = IMPULSE ;. }. else {. var = var/ 2 + abs ((2ni − ni −1 − ni − 2 ) / 8);. if (var <= 63) { mod e = NORMAL;. /* end of spike*/. ni − 2 =n i −1; ni −1 = n i ; return;. } } 3.. if (mod e == NORMAL ) ^. ^. d i = 0.125 * ni + 0.875 * d i −1 ; else ^. ^. d i = d i −1 + ni − ni −1 ; ^ ^ ^   v i = 0.125 * abs ni − d i  + 0.875 * v i −1 ;  . 4. ni − 2 =n i −1;. 23.

(34) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 24. ni −1 = n i ; return;. 2.2.6. Comparación y discusión de resultados. Según (Ramjee et al, 1994) el objetivo principal de de los cuatro algoritmos es mantener la razón de pérdida del paquete debajo del 5% y el retardo de reproducción (el retardo de buffer) tan pequeño como sea posible. Por tanto se evalúa la eficiencia de los algoritmos de reproducción usando experimentalmente las mediciones de tráfico de audio en varios puntos diferentes de Internet.. Tabla. 2.1:. Las. trazas. usadas. para. la. evaluación. de. eficiencia. En el resultado de la comparación entre los algoritmos, se puede ver que el algoritmo adaptativo (algoritmo 4) puede ajustar explícitamente a los incrementos agudos o los picos largos de incremento de los retardos de paquetes con baja razón de paquetes perdidos (ver resultado en anexo 2).. 2.3. Breve introducción al algoritmo de reproducción de los paquetes. en VoIP. usando la estimación adaptativa del retardo de la red. Una estrategia estándar del buffer de la reproducción utiliza la estimación del retardo medio y de la varianza del retardo en la red para ajustar el tiempo de reproducción de los paquetes. Esta estimación es caracterizada por un factor fijo, constante (factor α). En (Narbutt y Murphy, 2003) se demostró que este parámetro no trabaja muy bien para todas las condiciones de la red. Por lo tanto propone ampliar la estrategia estándar del buffer substituyendo el factor α fijo por un factor dinámico. En este algoritmo, el factor α se ajusta dinámicamente según las variaciones del retardo. Cuando estas variaciones son altas.

(35) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 25. (implica que las condiciones de la red están cambiando), el parámetro α tiene un valor bajo, y viceversa. Esto permite una adaptación rápida a las variaciones de la red y reduce el tamaño del buffer. Las simulaciones y los resultados experimentales, demuestran que este nuevo algoritmo del buffer de reproducción. puede mejorar perceptiblemente la. compensación entre la pérdida de los paquetes y el tamaño del buffer.. 2.3.1. Motivación del algoritmo. El algoritmo estima dos estadísticas: la media y la varianza del retardo extremo a extremo durante una ráfaga de audio y las utiliza para calcular el tiempo de reproducción de los paquetes: d i = α * d i −1 + (1 − α ) * ni ; ^. ^. v i = α * v i −1 + (1 − α ) d i − ni ; ^. ^. ^. En el algoritmo del epígrafe 2.2, el factor α es fijo y alto (α = 0.998002) para limitar la sensibilidad de la estimación a los términos pequeños del jitter. Mediante experimentos con diversos valores de α se observó que un valor alto de α es bueno solamente cuando las condiciones de la red son estables (retardo y jitter son constante). Cuando las condiciones de la red cambian rápidamente (aumentos o disminuciones repentinos del retardo), los valores más pequeños de α (0.7, 0.8, 0.9) son más apropiados. En la figura 2.3 se ilustra que cuando las condiciones de la red cambian rápidamente, este algoritmo trabaja mejor con los valores pequeños del factor α. Consecuentemente se pierden menos paquetes (de 3.5% a el 1%) y el tamaño del buffer es más pequeño (de 27.8ms a 7.4ms)..

(36) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 26. Figura 2.3: Tiempos de reproducción calculados para dos valores de α (Narbutt y Murphy, 2003). La figura 2.4 demuestra que no hay un valor fijo óptimo cuando la condición de la red varía en tiempo..

(37) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 27. Figura 2.4: Tiempos de reproducción calculados para varios valores de α (Narbutt y Murphy, 2003). Cuando el jitter es pequeño y el retardo medio de la red es grande (Fig. 2.4), los mejores resultados se alcanzan con α pequeña. En este caso, la razón de la pérdida del paquete y el tamaño del buffer es relativamente pequeño (3.7% de paquetes perdidos y de 2.7 ms del tamaño de buffer). Con α=998002, la razón de la pérdida del paquete es alto (11.7%), y el tamaño de buffer es mucho más grande que el necesario (36.6ms). Por otra parte cuando el jitter es grande pero el retardo medio de la red es constante), los mejores resultados se alcanzan con α=0.998002 (Narbutt y Murphy, 2003).. 2.3.2. Algoritmo del buffer de reproducción con α adaptativo.. La idea detrás de este algoritmo es ajustar adaptativamente el valor del α, dependiendo en la variación del retardo en la red (α tiene un valor grande cuando las variaciones extremoextremo son pequeñas y viceversa). Este parámetro α dinámico (recalculado para cada paquete entrante) se puede utilizar para realizar la estimación de la media y la varianza del retardo de la red de la misma manera que antes.. α i es el parámetro dinámico basado en las nuevas estimaciones de la varianza del retardo ^. extremo-extremo v / i entre la fuente y la destinación:.  ^/  α i = f  vi ,  .

(38) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 28. ^. Donde la función f ( v / i ) fue elegida experimental para maximizar el funcionamiento del algoritmo. El parámetro dinámico α i ahora se utiliza para las estimaciones adaptantes del retardo promedio y su variación: d i = α i * d i −1 + (1 − α i ) * ni ; ^. ^. v i = α i * v i −1 + (1 − α i ) d i − ni ; ^. ^. ^. Finalmente el tiempo de reproducción del paquete i, (supone que es el primer paquete en la ráfaga de audio) se calcula como: ^. ^. pi = t i + d i + β * v i ; El parámetro ß controla la relación entre retardo /razón de la pérdida Cualquier paquete subsiguiente de esa ráfaga de audio es reproducido hacia fuera con el mismo periodo. de la generación de los paquetes en el emisor - es decir:. p j = pi + t j − t i ;. Figura 2.5: Estimación de tiempo de reproducción (Narbutt y Murphy, 2003)..

(39) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 2.3.3. 29. Medición y comparación experimentales del algoritmo con α adaptativo.. En (Narbutt y Murphy, 2003) se realizó un experimento para examinar el funcionamiento de este algoritmo con emulaciones de la red (NISTNET 2.1.0 network emulation software). La figura 2.6 muestra el retardo y el histograma de retardo experimentado por los paquetes de audio durante una hora del experimento. La compensación de retardo contra la pérdida de paquete de los dos algoritmos se muestra en figura 2.6.. Figura 2.6: El retardo y el histograma de retardo experimentado por los paquetes de audio, y la compensación de retardo contra la pérdida de paquete de los dos algoritmos..

(40) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 30. La comparación de la eficiencia de los algoritmos para una traza entera de la red se demuestra en figura 2.7.. Figura 2.7: Tiempos de reproducción calculados para α fijo y α adoptivo (Narbutt y Murphy, 2003).. 2.3.4. Evaluación del algoritmo con prueba subjetiva.. El modelo E fue utilizado para evaluar la calidad subjetiva del algoritmo, se determinaron la calidad de transmisión y la satisfacción subjetiva del usuario sobre un período de una hora. Las figuras 2.8 y 2.9: muestran el nivel de satisfacción del usuario (basados en valores calculados de R) para dos tipos de cancelación de eco (TELR=55, 65) y para varios parámetros de α (0.8, 0.9, 0.998, dinámicos). El mejor valor de R (71% muy satisfecho) cuando TELR=65 se alcanza con α dinámico. El segundo lugar de satisfacción se alcanza con α = 0.8 fijo (47% con resultados muy satisfecho). Cuando el nivel de cancelación del eco es TELR=55dB, el mejor nivel de satisfacción del usuario se alcanza nuevamente con el algoritmo de α dinámico (el 85 % satisfecho) mientras que con α =0.8, obtiene solamente 50% satisfecho.

(41) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 31. Figura 2.8: Nivel de satisfacción del usuario para varios tipos de α cuando TELR=65 (Narbutt y Murphy, 2003).. Figura 2.9: Nivel de satisfacción del usuario para varios tipos de α cuando TELR=55 (Narbutt y Murphy, 2003)..

(42) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 32. Los algoritmos presentados en las secciones 2.2 y 2.3 ajustan el tiempo de reproducción de los paquetes en la ráfaga de silencio, esto significa que el ajuste no se realiza con los paquetes dentro de la misma ráfaga, sino con el primer paquete de cada ráfaga de audio. A continuación, se hace un estudio sobre otro tipo de algoritmo de buffer, en el que el tiempo de reproducción no solamente se ajusta en períodos del silencio, sino también dentro de ráfaga de audio. 2.4. Breve introducción al algoritmo de control de playout delay para la VoIP utilizando alteración en la escala de tiempo. En los algoritmos que ajustan adaptativamente el tiempo de reproducción en los intervalos de silencio, una conversación típica se puede dividir en las ráfagas de audio y los periodos del silencio. El tiempo de reproducción de una nueva ráfaga de audio puede por lo tanto ser ajustado prolongando o acortando los períodos del silencio entre las ráfaga de audio. Sin embargo, la eficacia es limitada cuando las ráfaga de audio son largas, y la variación del retardo de la redes es alta dentro de las ráfagas de audio. En el nuevo algoritmo, el tiempo de reproducción no solamente se ajusta en períodos de silencio, sino también dentro de las ráfagas de audio. Cada paquete individual puede tener programado un tiempo de reproducción diferente, que se fija según la variación estadística del retardo. Este método se ilustra en figura 2.10. Para la misma variación del retardo de la red, el nuevo algoritmo puede atenuar con eficacia la pérdida de los paquetes, y adapta el tiempo de reproducción de una manera dinámica y reactiva con mejores resultados que los algoritmos anteriores (Liang, Farber y Girod, 2001). .. Figura 2.10 a: Buffer con tamaño fijo..

(43) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 33. Figura 2.10b: Buffer que ajusta tiempo de reproducción en los intervalos de silencio.. Figura 2.10c: Buffer que ajusta tiempo de reproducción en cualquier momento.. 2.4.1. El principio básico del nuevo algoritmo.. Figura 2.11: Relación entre los tiempos (Liang, Farber y Girod, 2001)..

(44) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 34. En la figura 2.11, los tiempos de transmisión, recepción y reproducción del paquete i se denotan por t ri , t si , t ip respectivamente, donde i = 1, 2... N denota el número de secuencia del paquete. El emisor transmite los paquetes con razón constante Lo:. t si +1 − t si = Lo = const ;. d ip = t ip − t ri ;. El tamaño de buffer es dado por. El retardo de la red d ni es: d ni = t ri − t si ; El retardo total extremo – extremo. d ti = d ni + d ip. También el número de los paquetes enviados en una ráfaga de audio se denota por N, y el número de los paquetes recibidos por R = {i | tir < ∞} El algoritmo tiene que fijar el retardo total máximo permitido (el plazo de la reproducción) i i para cada paquete d max . En los algoritmos a y b de la figura 2.10 d max = d max = const para. todos los paquetes que pertenece al misma ráfaga de audio. Solamente el algoritmo c (este algoritmo), la adaptación es realizada en la base del paquete al paquete. Consecuentemente, la longitud de los paquetes los que son reproducidos hacia fuera puede diferenciar para cada paquete, es decir. t ip+1 − t ip = Li ; Donde Li es la longitud alcanzada (en tiempo) del paquete audio. Ahora se definirán los dos parámetros más importantes para este algoritmo. El primero es el tamaño promedio de buffer, es dado por.. dp =. ∑ (d ρ ρ 1. i∈. i max. ). − d ni ,. (2). Donde ρ es el número de los paquetes reproducidos. El segundo parámetro asociado con la razón de la pérdida de los paquetes. ε l = ( R − ρ )/ N ..

(45) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 35. Los dos parámetros reflejan la compensación entre la pérdida y retardo La razón de pérdida en el enlace es: ε n = (N − R ) / N . La razón de pérdida total es la suma de los dos parámetros: ε n + ε l . La operación básica del proceso de reproducción como siguiente: cuando llega un paquete nuevo i, su retardo de la red d ni se obtiene desde el encabezado de RTP. El retardo d ni junto con los retardos pasados, se toman en la consideración a la estimación del retardo d ni +1 y al tiempo de la reproducción t ip+1 del paquete entrante siguiente i se elige cerca bastante a d ni , el tamaño Desde ecuación 2, si el límite de reproducción d max. de buffer puede ser reducido i +1 En el tiempo i, ajusta d max y el tiempo de reproducción t ip+1 para el paquete i +1 usando la. estadística de los retardos pasados. Los datos y el histograma del retardo de los últimos paquetes ω se recogen y se guardan, y el histograma de los pasados retardos acumulado en el tiempo i se denota por h i (d n ) , con símbolo i que indica el tiempo en que el histograma es actualizado ^. εl ≤. ∞. ∞. ∑ h (d ) / ∑ h (d ). i. i. n. i +1 d n = d max. d n =0. n. ^ i +1. El tamaño del buffer esperado d b del paquete i+1 es: ^ i +1. db =. i +1 d max. ∑ (d. d n =o. 2.4.2. i +1 max. ). − d n h (d n ) / i. i +1 d max. ∑ h (d ). i. d n =0. n. Medición y comparación experimentales del algoritmo de control de playout delay para la VoIP utilizando alteración en la escala de tiempo.. En (Liang, Farber y Girod, 2001) se compara el funcionamiento de los tres algoritmos descritos en sección 2.4 (Buffer con tamaño fijo, buffer que ajusta tiempo de reproducción en los intervalos de silencio, buffer que ajusta tiempo de reproducción en cualquier.

(46) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 36. momento) a partir de experimentos específicos. Los resultados de los experimentos se muestran en la figura 2.12 que siguen:. Figura 2.12: Resultados de los experimentos. En la figura 2.12 muestra la razón total de la pérdida (equivalente a la razón de pérdida de los paquetes retrasados más la razón de pérdida del enlace) contra el tamaño del buffer usando los diferentes algoritmos para las cuatro trazas. Con la misma razón de la pérdida total de 5% para la traza 1, el algoritmo3 puede reducir 40.0 ms del tamaño de buffer en comparación con el algoritmo1 y 31,5 ms en comparación con el algoritmo2. Si se permite el mismo tamaño de buffer para los algoritmos, el algoritmo 3 tiene la razón de pérdida más baja. Para la traza 1, con el mismo tamaño de buffer de 40 ms, la razón total de la pérdida del algoritmo 3 es más que 10% menor que la de los algoritmos 1 y 2. Reducciones similares en el tamaño de buffer y la razón de pérdida también se obtienen con las trazas 24. En las secciones previas, se presentan las características de los 2 tipos de algoritmos de reproducción de buffer, uno trabaja con ajuste en la ráfaga de silencio, y otro ajusta en cualquier momento. A continuación se introduce los conocimientos brevemente sobre las herramientas que se van a utilizar para el esquema de evaluación de algoritmo..

(47) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 2.5 2.5.1. 37. Herramientas para la aplicación y el estudio del jitter. MATLAB. Este programa esta disponible en el entorno de la UCLV y es dominado por estudiantes y profesores; debido a sus grandes cualidades en cuanto al procesamiento, programación y manejo de datos puede ser empleado no solo para el cálculo sino también para realizar diferentes simulaciones y gráficos a partir de datos importados por la aplicación. Por estas razones Matlab puede ser empleado para la programación de los algoritmos; en nuestro caso particular es empleado para, una vez filtradas las trazas de tráfico, ejecutar el algoritmo y almacenar y graficar los resultados lo cual resulta conveniente para los algoritmos que aquí se analizan.. 2.5.2. Network Simulator (NS).. NS-2 es un simulador de redes para modelar varias situaciones experimentales que nos permitan analizar el comportamiento del jitter en diversos ambientes. Esta es la segunda versión de una herramienta desarrollada por el proyecto VINT la cual es ampliamente usada por la comunidad de investigadores en redes. Existen diferentes niveles de configuración en NS-2 al ser del tipo “open source”. NS -2 posee la capacidad de crear aplicaciones y protocolos personalizados y soporta varias fuentes de generación de tráfico como son: Web, FTP, CBR…. La disponibilidad y gran desempeño de NS hacen de él una atractiva herramienta para la simulación de tráfico, estas cualidades unidas a la flexibilidad de programación y el bajo costo, propiciaron la elección de este software por encima de OPNET..

(48) CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN. 38. CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN. En el capítulo 2, se hizo un análisis sobre 2 tipos de algoritmo de reproducción: aquellos que ajustan los parámetros del buffer de reproducción durante el tiempo de ráfaga de silencio y los que ajustan en cualquier momento. Al final del capítulo se hizo una revisión de las herramientas a utilizar en el estudio del desempeño de algoritmos para reproducir los paquetes de audio. En el presente capítulo, se analiza mediante el uso de estas herramientas el desempeño del algoritmo de Ramjee (Ramjee et al, 1994), con α fijo. La elección de este algoritmo responde a las razones que se expresan a continuación: la intención principal de este ejemplo es la de presentar un esquema para evaluación de algoritmos más que obtener resultados concretos, este algoritmo es relativamente simple y por lo tanto se hace menos compleja su implementación . Para la realización de la evaluación de este algoritmo, se usan las herramientas Matlab y Network Simulator (NS -2). Los códigos del algoritmo se programan en Matlab y las trazas de paquetes de audio se obtienen mediante simulación usando NS-2.. 3.1. Esquema de evaluación de algoritmo.. A partir de los esquemas de evaluación consultados en la bibliografía, y de las experiencias que se obtienen durante la exploración de un grupo de herramientas, se sugiere como vía de evaluación de los algoritmos la siguiente: Para la programación de los algoritmos, se sugieren el uso de Matlab. La razón de esta elección radica tanto en las cualidades de esta herramienta como en la disponibilidad de la información, la facilidad en el uso y su difusión. Para la obtención de las trazas mediante simulación se sugiere el uso de NS2 por su disponibilidad y gran desempeño. La elección.

(49) CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN. 39. de NS sobre OPNET tiene que ver con el costo y con la flexibilidad en la programación. Para la captura de tráfico real y atendiendo a la disponibilidad de los mismos se proponen los siguientes elementos:. Softphone XLITE. IP phone budgetone 200. PBX asterisk. Ethereal (analizador de red). Durante el proceso de análisis, se filtran las trazas, tomando los campos significativos, se importan desde Matlab. Posteriormente se ejecuta el algoritmo, y se almacenan y grafican los resultados. Este esquema resulta apropiado para algoritmos como los que aquí se analizan, sin embargo existen algoritmos donde los parámetros del emisor se ajustan mediante retroalimentación del desempeño en el receptor. Para este tipo de algoritmo no resulta adecuada la implementación en Matlab.. 3.2. Tráfico simulado de una aplicación de VoIP combinado con tráfico de FTP.. A continuación se describe como se obtienen las trazas de tráfico de voz. Para simular un ambiente cercano a las condiciones que aparecen en escenarios con tráfico diverso, se combina el tráfico de la fuente de voz con tráfico FTP..

(50) CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN. 3.2.1. 40. Topología.. Figura 3.1: Topología de simulación La topología de la simulación se muestra en la figura 3.1, las características de los elementos que las componen son las siguientes:. Los nodos 2, 3, 4, 5 se conectan con el router1 a una razón de10 Mbps, y un retardo de 10ms.. Los nodos 6, 7, 8, 9 se conectan con el router 2 a una razón de 10 Mbps, y un retardo de 10ms.. El router1 se conecta con el router 2 a una razón variable, depende de cada simulación, y a un retardo de 10ms.. El tipo de buffer usado es el DropTail, que es el tipo más simple de buffer. La caída de los paquetes ocurre solamente cuando buffer está lleno (estructura FIFO).. El límite de cola utilizado para cada uno de los enlaces es de 80 paquetes. 3.2.2. Las características del tráfico de VoIP.. Las conexiones VoIP se basan en agentes UDP que ofrecen un flujo constante de paquetes y no son afectados por la pérdida de paquetes en términos de la generación del tráfico, es decir no hay ni retransmisión, ni ningún ajuste de razón de transmisión de los paquete. La generación del tráfico es ON-OFF, significa que los paquetes pueden transmitir con la máxima razón o no (Viipuri, 2002)..

(51) CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN. 41. set udp0 [new Agent/UDP]; # A UDP agent $ns attach-agent $n (3) $udp0; # on node $n0 set null0 [new Agent/Null]; # Its sink $ns attach-agent $n(4) $null0; # on node $n4 $ns connect $udp0 $null0 Este programa sirve para crear una conexión UDP entre dos nodos. En NS2, un agente UDP es el servidor y un agente NULL es el cliente de la conexión. Se puede configurar los parámetros de tráfico exponencial como: set expoo [new Application/Traffic/Exponential]. $expoo attach-agent $udp0 $expoo set packetSize_ 60 $expoo set burst_time_ 1000ms $expoo set idle_ 1500ms $expoo set rate_ 24kb. indica el tamaño del paquete. indica el tiempo promedio activo del generador. el tiempo promedio inactivo del generador. es la razón de transmisión durante los periodos activos.. El código fuente del generador de tráfico se puede ver en anexo 3. 3.2.3. Resultado de la simulación en network Simulator 2 (NS- 2).. Hay dos tipos de fichero de resultado en NS-2, como se muestran en tabla 3.1 y tabla 3.2 las trazas de salida en formato NAM y TR.. Tabla 3.1: Las trazas de salida en fichero NAM - -t 0.490368 -s 2 -d 0 -p tcp -e 1040 -c 1 -i 34 -a 1 -x {2.0 7.0 13 ------- null} h -t 0.490368 -s 2 -d 0 -p tcp -e 1040 -c 1 -i 34 -a 1 -x {2.0 7.0 -1 ------- null} - -t 0.4912 -s 2 -d 0 -p tcp -e 1040 -c 1 -i 35 -a 1 -x {2.0 7.0 14 ------- null} h -t 0.4912 -s 2 -d 0 -p tcp -e 1040 -c 1 -i 35 -a 1 -x {2.0 7.0 -1 ------- null} r -t 0.491426848888187 -s 5 -d 0 -p exp -e 60 -c 0 -i 27 -a 0 -x {5.0 6.0 13 ------- null} + -t 0.491426848888187 -s 0 -d 1 -p exp -e 60 -c 0 -i 27 -a 0 -x {5.0 6.0 13 ------- null}.

(52) CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN. 42. - -t 0.491426848888187 -s 0 -d 1 -p exp -e 60 -c 0 -i 27 -a 0 -x {5.0 6.0 13 ------- null} h -t 0.491426848888187 -s 0 -d 1 -p exp -e 60 -c 0 -i 27 -a 0 -x {5.0 6.0 -1 ------- null} r -t 0.491522848888187 -s 1 -d 6 -p exp -e 60 -c 0 -i 26 -a 0 -x {5.0 6.0 12 ------- null}. Tabla 3.2: Las trazas de salida en fichero TR 1. 2. 3. 4. r1.675136 1 0 ack 40 ------- 1 7.0 2.0 1191 2507 + 1.675136 0 2 ack 40 ------- 1 7.0 2.0 1191 2507 - 1.675136 0 2 ack 40 ------- 1 7.0 2.0 1191 2507 r 1.675184 0 2 ack 40 ------- 1 7.0 2.0 1179 2482 + 1.675184 2 0 tcp 1040 ------- 1 2.0 7.0 1279 2557 r 1.675458 5 0 exp 60 ------- 0 5.0 6.0 61 2533 + 1.675458 0 1 exp 60 ------- 0 5.0 6.0 61 2533 - 1.675904 2 0 tcp 1040 ------- 1 2.0 7.0 1257 2512 En esta tesis se usa fichero TR para importar los resultados desde Matlab. De todos los campos en este fichero, resultan de interés: 1: Los tipos de evento. 2: Instante de tiempo del evento correspondiente. 3: Los tipos de tráfico. 4: Identificador único del paquete..

(53) CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN. 3.3. 43. Implementación de algoritmo de la reproducción de buffer. Como se explicó al principio del capítulo, la implementación del algoritmo se programa en Matlab. Es importante destacar los siguientes detalles de la programación:. El tamaño inicial de buffer es 40 ms. El retardo medio y su varianza se calculan para todos los paquetes, pero solo se usan para calcular el tamaño nuevo de buffer. Dentro de cada ráfaga de audio, el tamaño del buffer es constante y cuando el buffer detecta un intervalo de silencio (mayor que 0.1s), el tamaño del buffer cambia para ajustar tiempo de reproducción de los paquetes.. Cuando hay un intervalo de silencio menor que 0,1s, el algoritmo no es capaz de detectarlo. En este caso, el tamaño de buffer no cambia.. Cuando hay muchos paquetes perdidos, el algoritmo puede interpretar erróneamente esta situación como ráfaga de silencio. (El código fuente del algoritmo se puede ver en anexo 4).. 3.4. Análisis de resultados. A continuación se comentan los resultados del desempeño del algoritmo para diferentes valores de α y diferentes condiciones de la red:. 3.4.1. Resultados obtenidos con α =0.998, la razón de transmisión entre los router 1 y 2 es de 10 Mbps..

(54) CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN. 44. Se puede ver que en este caso el retardo de la red es bastante pequeño, no supera los 100ms (figura 3.2) y los valores de jitter no superan los 10ms, los intervalos que aparecen vacíos se corresponden a períodos de silencio (figura 3.3). En cuanto al comportamiento del jitter después de pasar el buffer (no hay ningún paquete desechado por buffer) (Figura 3.4), es importante notar que los valores de 80ms, 20ms son el resultado de ráfagas de silencio inferiores a 100ms y como se explicó en 3.2, no se detectan en el algoritmo. Este interpreta a los paquetes mencionados como paquetes que están en la ráfaga de audio que le precede. El cálculo de jitter del paquete i se efectúa de la forma siguiente: Jitter (i) = tiempo de retransmisión de paquete i – tiempo de retransmisión de paquete i-1. Si ocurren pérdidas de paquetes no se procede a realizar el cálculo hasta que se reciba dos paquetes sucesivos. El primer paquete recibido luego de ocurrir alguna pérdida es tratado como el nuevo primer paquete en el algoritmo que determina los valores del jitter..