Algoritmo para determinação da taxa de transmissão em uma rede IP

103 Pages·2009·1.12 MB·Portuguese

Dem(cid:243)stenes Zegarra Rodr(cid:237)guez
Algoritmo para determina(cid:231)ªo da taxa de
transmissªo em uma rede IP
Disserta(cid:231)ªo apresentada (cid:224) Escola
PolitØcnica da Universidade de Sªo
Paulo para obten(cid:231)ªo do T(cid:237)tulo de
Mestre em Engenharia ElØtrica.
Sªo Paulo
2009
Dem(cid:243)stenes Zegarra Rodr(cid:237)guez
Algoritmo para determina(cid:231)ªo da taxa de
transmissªo em uma rede IP
Disserta(cid:231)ªo apresentada (cid:224) Escola
PolitØcnica da Universidade de Sªo
Paulo para obten(cid:231)ªo do T(cid:237)tulo de
Mestre em Engenharia ElØtrica.
`rea de concentra(cid:231)ªo:
Sistemas Eletr(cid:244)nicos
Orientador:
Prof. Dr. Miguel Arjona Ram(cid:237)rez
Sªo Paulo
2009
Ficha CatalogrÆ(cid:28)ca
Rodr(cid:237)guez, Dem(cid:243)stenes Zegarra
Algoritmo para determina(cid:231)ªo da taxa de transmissªo em uma rede
IP. Sªo Paulo, 2009. 85 p.
Disserta(cid:231)ªo (Mestrado) (cid:22) Escola PolitØcnica da Universidade de
Sªo Paulo. Laborat(cid:243)rio de Processamento de Sinais.
1. Redes de computadores. 2. Redes de comunica(cid:231)ıes. 3. Proces-
samento de voz. 4. Algoritmos. 5. Comunica(cid:231)ıes digitais. I. Universi-
dade de Sªo Paulo. Escola PolitØcnica. Laborat(cid:243)rio de Processamento
de Sinais. II. T(cid:237)tulo.
aos meus pais Dem(cid:243)stenes e Julia
Agradecimentos
A Deus, por ter me guiado ao longo dessa caminhada.
Aos meus pais, irmªos e sobrinhas pela paciŒncia, compreensªo e amor.
Ao meu orientador, Prof. Dr. Miguel Arjona Ram(cid:237)rez, pelo grande apren-
dizado tanto no acadŒmico quanto no pessoal.
A minha namorada Renata por seu apoio e colabora(cid:231)ªo.
A todos os demais amigos que me apoiaram e ajudaram na realiza(cid:231)ªo deste
trabalho.
(cid:192) Coordena(cid:231)ªo de Aperfei(cid:231)oamento de Pessoal de N(cid:237)vel Superior (CAPES)
pelo apoio (cid:28)nanceiro para a realiza(cid:231)ªo deste trabalho.
Resumo
A comunica(cid:231)ªo de Voz sobre IP (VoIP) vem aumentando com o decorrer do
tempo e as redes de comunica(cid:231)ªo estªo se tornando cada vez mais congestionadas,
ocasionando perda de pacotes e latŒncia nas redes, prejudicando diretamente a
qualidade das comunica(cid:231)ıes de voz.
Neste trabalho, foi estudado em detalhe como a qualidade do sinal de voz
transmitido em uma comunica(cid:231)ªo VoIP Ø afetada por par(cid:226)metros da rede e pelo
tipo de codi(cid:28)cador utilizado na comunica(cid:231)ªo. Uma contribui(cid:231)ªo importante deste
trabalho Ø a apresenta(cid:231)ªo de uma metodologia que serve para predizer o compor-
tamento de um codi(cid:28)cador de voz em diferentes cenÆrios de redes.
O estabelecimento de um mecanismo de controle que otimize a utiliza(cid:231)ªo
da rede e ao mesmo tempo garanta a melhor qualidade poss(cid:237)vel do sinal de voz
transmitido vem sendo motivo de pesquisa.
O emprego de codi(cid:28)cadores multitaxa nas comunica(cid:231)ıes de voz possibilita a
implementa(cid:231)ªo de algoritmos que controlem a comuta(cid:231)ªo destas taxas de codi-
(cid:28)ca(cid:231)ªo baseados em diferentes fatores de decisªo como as caracter(cid:237)sticas do sinal
de voz a ser transmitido ou empregando a informa(cid:231)ªo dos par(cid:226)metros de rede.
Este trabalho apresenta um algoritmo de determina(cid:231)ªo de taxa de codi(cid:28)ca(cid:231)ªo
com fator de decisªo baseado na qualidade do sinal avaliada no ponto da recep(cid:231)ªo
ou em algum ponto intermediÆrio.
Para realiza(cid:231)ªo dos testes montou-se um cenÆrio de emula(cid:231)ªo de rede IP
para o estabelecimento de uma chamada VoIP, onde sªo utilizados codi(cid:28)cadores
multitaxa (ITU-T G.726 e Speex). Para avalia(cid:231)ªo da qualidade do sinal de voz
foi utilizada a recomenda(cid:231)ªo ITU-T P.563, sendo que o (cid:237)ndice MOS obtido no
ponto de recepcªo Ø transmitido utilizando um la(cid:231)o de transmissªo, que forma
parte da estrutura do mecanismo de controle apresentado neste trabalho. Este
la(cid:231)o de transmissªo Ø implementado via socket sobre uma comunica(cid:231)ªo UDP.
Como as ferramentas utilizadas sªo todas freeware, o cenÆrio de emula(cid:231)ªo
pode ser facilmente implementado por demais pesquisadores.
Os resultados obtidos sªo con(cid:28)Æveis, jÆ que para cenÆrios onde se mesclam
diferentes taxas de codi(cid:28)ca(cid:231)ªo, o (cid:237)ndice MOS obtido Ø um valor que estÆ na faixa
dos valores obtidos nos cenÆrios onde se utilizou taxa de codi(cid:28)ca(cid:231)ªo œnica.
O correto desempenho do mecanismo do RDA tambØm foi veri(cid:28)cado, sendo
que a qualidade do sinal de voz decresce, o mecanismo de controle no RDA
comuta a uma taxa de codi(cid:28)ca(cid:231)ªo menor, garantindo o melhor uso do canal de
transmissªo. Quando os par(cid:226)metros da rede passam a melhores condi(cid:231)ıes, o
(cid:237)ndice MOS do sinal aumenta e o RDA comuta a uma taxa de codi(cid:28)ca(cid:231)ªo maior
obtendo uma qualidade mais alta na comunica(cid:231)ªo.
Abstract
Voice over IP (VoIP) communications are becoming increasingly popular so
that data communication networks are ever more prone to degradations like
packet losses and rising latency.
In this work, it was studied in detail how the quality of the speech signal
transmitted in a VoIP communication is a(cid:27)ected by parameters of the network
and the type of codec used in the communication. An important contribution
of this work is to predict the behavior of a speech codec in di(cid:27)erent network
scenarios.
The main goal of this research has been the development of an algorithm that
constrains rate allocation to a speech communication for best quality according
to current network resource availability.
The use of multirate codecs in speech communications makes it possible to
implementcontrolalgorithmsforcodingrateswitching. Theyarebasedonspeech
signal features or network tra(cid:30)c parameters.
This work presents an algorithm for the determination of coding rate with
decision factor based on speech quality evaluated at the point of reception or
intermediate points.
For accomplishment of the tests, a scenario of emulation of an IP network
for the establishment of a VoIP call was built, where multi-rate codecs are used
(ITU-T G.726 and Speex). For evaluation of the quality of the speech signal
the Recommendation ITU-T P.563 was used, where the MOS index obtained in
the reception is transmitted using a transmission loop, as a part in the control
mechanism in the proposed algorithm. This transmission loop consists of a UDP
message sent on a socket.
As the tools used are all freeware, the simulation scenarios can easily be
implemented by other researchers.
The results are trustworthy, because for multirate scenarios, the MOS index
obtained is a value that is between the ones obtained in the single-rate scenarios.
The correct performance of the mechanism of the RDA was also veri(cid:28)ed, so
that when the quality of the signal decreases, the control mechanism in the RDA
switches to a lower coding rate, ensuring the best use of the transmission canal.
When the parameters of the network drive to best conditions, the MOS index
of the signal increases and the RDA decides to switch to a higher coding rate
achieving a higher communication quality.
SumÆrio
Lista de Figuras
Lista de Tabelas
Lista de Abreviaturas
1 Introdu(cid:231)ªo 1
1.1 Contexto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Objetivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Organiza(cid:231)ªo do Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Revisªo Te(cid:243)rica 4
2.1 Codi(cid:28)cadores de Voz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.1 TØcnicas de codi(cid:28)ca(cid:231)ªo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.1.1 Codi(cid:28)cadores da forma de onda . . . . . . . . . . 5
2.1.1.2 Codi(cid:28)cadores paramØtricos . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1.3 Codi(cid:28)cadores h(cid:237)bridos . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.2 Codi(cid:28)cadores segundo as Recomenda(cid:231)ıes ITU-T . . . . . . 5
2.1.2.1 Codi(cid:28)cador segundo a Recomenda(cid:231)ªo ITU-T G.711 6
2.1.2.2 Codi(cid:28)cador segundo a Recomenda(cid:231)ªo ITU-T G.726 7
2.1.2.3 Codi(cid:28)cador segundo a Recomenda(cid:231)ªo ITU-T G.728 7
2.1.2.4 Codi(cid:28)cador segundo a Recomenda(cid:231)ªo ITU-T G.729 8
2.1.2.5 Codi(cid:28)cadorsegundoaRecomenda(cid:231)ªoITU-TG.723.1 8
2.1.3 Codi(cid:28)cador internet Low Bitrate Codec (iLBC) . . . . . . 8
2.1.4 Codi(cid:28)cador Speex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.5 Par(cid:226)metros dos Codi(cid:28)cadores de Voz . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Estimadores de Qualidade de Voz . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.1 Classi(cid:28)ca(cid:231)ªo dos estimadores de qualidade de voz . . . . . 10
2.2.1.1 MØtodos nªo Intrusivos . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.1.2 MØtodos Intrusivos . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.1.3 Recomenda(cid:231)ªo ITU-T P.800 . . . . . . . . . . . . 11
2.2.1.4 Recomenda(cid:231)ªo ITU-T P.862 . . . . . . . . . . . . 14
2.2.1.5 Recomenda(cid:231)ªo ITU-T P.563 . . . . . . . . . . . . 17
2.2.1.6 Recomenda(cid:231)ªo ITU-T G.107 . . . . . . . . . . . 18
2.3 Descri(cid:231)ªo de uma rede VoIP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.1 Arquitetura de uma rede VoIP . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.2 Informa(cid:231)ªo de um pacote VoIP . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.3 Protocolos e Recomenda(cid:231)ıes em uma rede VoIP . . . . . . 25
2.4 Principais fatores de degrada(cid:231)ªo da qualidade em uma rede de dados 29
2.5 Taxa de Codi(cid:28)ca(cid:231)ªo e Taxa de Transmissªo . . . . . . . . . . . . 30
2.5.1 Composi(cid:231)ªo da taxa de transmissªo de codi(cid:28)cadores . . . . 30
2.5.2 Mecanismos para reduzir a taxa de transmissªo . . . . . . 31
2.6 Algoritmo para Determina(cid:231)ªo da taxa de codi(cid:28)ca(cid:231)ªo (RDA) . . . 32
2.6.1 MØtodos existentes de RDA . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.6.1.1 RDA baseado na anÆlise do sinal . . . . . . . . . 33
2.6.1.2 RDA baseado em RTCP . . . . . . . . . . . . . . 35
2.6.2 Mecanismos de melhora da qualidade de uma rede IP . . . 36
2.6.2.1 Playout Bu(cid:27)er . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.6.2.2 FEC - forward error correction . . . . . . . . . . 37
3 CenÆrios de Emula(cid:231)ªo e Resultados Experimentais 39
3.1 Ferramentas empregadas no cenÆrio de emula(cid:231)ªo . . . . . . . . . . 39
3.2 Metodologia para predizer o comportamento de um codi(cid:28)cador de
voz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2.1 Procedimento de teste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.2 Resultados dos testes da estima(cid:231)ªo da qualidade da voz . . 44
3.2.2.1 CenÆrio ideal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.2.2 CenÆrio com atrasos (cid:28)xos ponto a ponto . . . . . 45
3.2.2.3 CenÆrio com probabilidade de perdas de pacotes . 48
3.3 Avalia(cid:231)ªo de um RDA baseado na qualidade do sinal . . . . . . . 49
3.3.1 CenÆrio de emula(cid:231)ªo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3.2 Resultados obtidos na avalia(cid:231)ªo do RDA . . . . . . . . . . 54
3.3.3 Avalia(cid:231)ªo do RDA em uma rede com atrasos ponto a ponto
e perda de pacotes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.4 Implementa(cid:231)ªo do la(cid:231)o de transmissªo . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.4.1 Socket . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.4.1.1 Comunica(cid:231)ªo entre cliente e servidor . . . . . . . 60
4 Conclusªo 63
4.1 Principais contribu(cid:231)ıes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.2 Sugestıes para trabalhos futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
ReferŒncias 66
ApŒndice A -- C(cid:243)digos utilizados nesta disserta(cid:231)ªo 71
C(cid:243)digo adicional para P.563.c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
C(cid:243)digo adicional para o gravador de som . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
C(cid:243)digo adicional do NISTNet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
Mecanismo de controle utilizando RDA . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
client_socket_udp.c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
loop_time2.c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
server_socket_udp.c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Variador de taxa no softphone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81