REDES UNIFICADAS. Redes Corporativas

Transcripción

1 REDES UNIFICADAS Ing. José Joskowicz Instituto de Ingeniería Eléctrica, Facultad de Ingeniería Universidad de la República Montevideo, URUGUAY Setiembre 2008 Versión 7 Redes Unificadas Página 1

2 1 Temario 1 Temario Introducción Voz sobre redes de datos Codificación de voz G G G RTAudio Transmisión de voz sobre redes de datos RTP Real-Time Transport Protocol Versión (V) CSRC count (CC) Tipo de información (PT=Payload Type) Número de secuencia (Sequence Number) Marca de tiempo (Time Stamp) Identificador del origen (SSRC - Synchronization Source Identifier) Identificador del tributario (CSRC - Contributing Sources Identifier) RTCP RTP Control Protocol Ancho de banda en IP para voz Video sobre redes de datos Aplicaciones de video Codificación de video JPEG MPEG-x Transmisión de video sobre redes de datos Paquetización del video Ancho de banda en IP para video Calidad de voz en redes IP Factores que afectan la calidad de la voz sobre redes de paquetes Factor de compresión Pérdida de paquetes Demora Eco Variaciones en la demora (Jitter) Tamaño de los paquetes Medida de la calidad de voz Métodos Subjetivos de medida de la calidad de voz Métodos Objetivos de medida de la calidad de voz E-Model ITU-T P.862 (PESQ) ITU-T P Calidad de video en redes IP Factores que afectan la calidad del video sobre redes de paquetes Factor de compresión Redes Unificadas Página 2

3 6.1.2 Pérdida de paquetes Demora / Jitter Medida de la calidad perceptual de video Métodos Subjetivos de medida de la calidad de video Métodos Objetivos de medida de la calidad de video El trabajo del VQEG ITU-R BT Protocolos VoIP H Arquitectura H Terminales Gateways (Pasarelas) Gatekeeper MCU Multipoint Control Unit (Unidad de control multipunto) SIP Mensajería SIP Arquitectura SIP Terminales SIP Servidores SIP Gateway SIP Unificación en el Backbone Multipelxores Routers con placas de voz PBX con Gateways IP Gateways IP independientes Unificación en el Escritorio CTI Microsoft TAPI JAVA JTAPI CSTA ECMA TR/ Comunicaciones Unificadas Componentes de las Comunicaciones Unificadas Escritorio Convergente Presencia Mensajería Instantánea Conferencias Colaboración Referencias Redes Unificadas Página 3

4 2 Introducción Las redes de voz [1] y las redes de datos [2] presentan tecnologías muy disímiles. Por un lado, la transmisión de voz, con una historia de más de 100 años, se basa en el establecimiento de vínculos permanentes entre dos puntos, diseñados para transmitir un tipo de señal específico: la voz humana, típica señal analógica, de ancho de banda acotado, que debe llegar a destino inmediatamente y ser lo más inteligible posible. Por otro lado, la transmisión de datos, con una relativa reciente historia, se basa en la transmisión de información digital, sin establecer vínculos permanentes, y donde los retardos no son generalmente importantes. La integración de estas dos tecnologías no parece algo sencilla, y cabe preguntarse si existe alguna ventaja en realizar el intento. Las ventajas aparecen al analizar por los menos los siguientes tres aspectos: El primero aspecto es económico: es posible ahorrar dinero al integrar las tecnologías. El segundo aspecto es de administración: es más sencillo administrar un único sistema que dos independientes. Ambos aspectos son importantes, y las Empresas, tanto desarrolladoras, como consumidoras de tecnología están haciendo una fuerte apuesta a esta integración. El tercer aspecto, y quizás a nivel del usuario presente las ventajas más relevantes, tiene que ver con la mejora en las aplicaciones. Las nuevas tecnologías de unificación de redes permitirán a los usuarios disponer de facilidades que hasta hace un tiempo no eran posibles. La primera etapa en la integración se ha dado, no casualmente, en la transmisión a distancia. La transmisión a distancia está directamente relacionada con gastos mensuales, ya sean fijos, o por utilización. Bajar estos costos, incide directamente en los costos operativos de las Empresas. La primera integración de estas redes, existe desde hace muchos años: Los MoDems (Moduladores / Demoduladores) utilizan las redes telefónicas para la transmisión de datos a distancia. Dado que las redes telefónicas existen desde mucho antes que las de datos, resulta entendible que las primeras transmisiones de datos a distancia utilizaran como soporte estas redes. Para ello se diseñaron los módems, encargados de adaptar la información de datos al medio telefónico. Como éste último esta diseñado para señales analógicas, de hasta 3.4 khz de ancho de banda, los módems utilizan tonos" dentro de esta banda para enviar los datos que desean transmitir. De esta manera, se utilizan los enlaces telefónicos, generalmente disponibles y ya amortizados, para transmitir esporádicamente datos. Con el incremento de la cantidad computadoras y la baja de sus precios, vino aparejado la creciente necesidad de intercambio de información ( datos ), y la comunicación vía módem está limitada por las propias características de la red telefónica: el teorema de Shannon limita la cantidad de información por segundo que se puede transitar por un enlace de este tipo, a menos de 60 kb/s. Redes Unificadas Página 4

5 Luego de algún tiempo, con el crecimiento de la necesidad de transmitir datos, surgieron las primeras redes a distancia de transmisión de datos. Estas redes, inicialmente punto a punto, permitieron aumentar la velocidad en la transmisión de datos, con un costo fijo mensual para las empresas. En este caso, los enlaces de datos, no están limitados por el bajo ancho de banda de los enlaces telefónicos. Con la creciente demanda de transmisión de datos, estos enlaces se incrementaron, ofreciendo mayores capacidades y bajando sus costos. Hasta el punto en que, en conjunto con las tecnologías de compresión de voz, resulta actualmente más económico utilizar enlaces de datos para transmitir conversaciones telefónicas. De esta manera, se invirtió la situación inicial: de utilizar la red telefónica para cursar datos, se utiliza la red de datos, para cursar tráfico de voz. Comenzaremos por presentar los problemas tecnológicos que aparecen al cursar tráfico de voz y video sobre redes de datos. Luego se presentarán las tecnologías utilizadas para la unificación de las redes en el backbone y en el escritorio. Redes Unificadas Página 5

6 3 Voz sobre redes de datos 3.1 Codificación de voz La voz es codificada digitalmente para su transmisión. Los dispositivos de codificación y decodificación se denominan CoDec (Codificadores / Decodificadores). La siguiente tabla resume los algoritmos de compresión de voz más conocidos. Algoritmo Descripción G.711 Audio encoding at 64 k bit/s (µ-law and A-law) G khz speed at 48, 56 and 64K bit/s (hi-fi voice) [3] G Dual Rate Speed at 6.4 and 5.3 k bit/s G k bit/s speech [4] G.729 Annex A 8 k bit/s speech (Conjugate structure- algebraic code excited linear prediction or CS-ACELP). Reduce Complexity G.729 Annex B 8 k bit/s speech (Conjugate structure- algebraic code excited linear prediction or CS-ACELP). Silence Compression 8 k bit/s speech (Conjugate structure- algebraic code excited G.729 Annex AB linear prediction or CS-ACELP). Reduce Complexity & Silence Compression RTAudio 8.8 kb/s (Linear Prediction Coefficients LPC) Algunos de estos algoritmos son descritos a continuación G.711 El codec básico en telefónica es el estandarizado en la recomendación G.711 de la ITU-T [5], implementando la ley A o ley µ. Mediante esta codificación se obtiene una señal digital de 64 kb/s. La descripción de este codec puede verse en [1]. Cuando se dispone de velocidades de red reducidas, es conveniente tratar de minimizar el ancho de banda requerido por las señales de voz. Para ello, se han desarrollado varias recomendaciones, que reducen la velocidad de transmisión requerida, a expensas de degradar la calidad de la voz G.729 El codec G.729 [6] es un estándar de codificación para señales de audio desarrollado por la ITU, codificando las señales de voz a 8 kbit/s utilizando CS- ACELP (Conjugate-Structure Algebraic-Code-Excited Linear-Prediction). Se basa en el modelo CELP [7] operando con ventanas de audio de 10 ms correspondientes a una cantidad de 80 muestras (ya que la frecuencia de Redes Unificadas Página 6

7 muestreo es de muestras por segundo). CELP no conserva la forma de onda, sino que codifica el audio en base a características del oído y de la voz humana. Dado que el oído no detecta directamente la forma de onda, se genera una nueva forma de onda que reproduce la voz en base a instrucciones. Así se tiene una tabla de posibles tonos generados por las cuerdas vocales (fonemas) y otra con filtros que modelan la posición del tracto vocal (boca, faringe, laringe y lengua), que filtran los tonos generados por las cuerdas vocales. Las señales enviadas se llaman descriptores y son una combinación de fonemas y filtros. El modelado de la boca y la garganta se hace por medio de filtros lineales y la voz se genera a partir de una vibración periódica de aire que los excita. El proceso por el cual se extraen los parámetros del filtro y de la excitación se llama Analysis-by- Synthesis, AbS. El codificador busca los parámetros y realiza una decodificación interna (señal sintetizada) para comparar con la señal original. Se eligen los parámetros que concuerdan mejor y se los envía al decodificador. Cada 10 ms se extraen los parámetros del modelo CELP (coeficientes del filtro lineal predictivo, códigos adaptativos y fijos, ganancias). A partir de estos se computan los coeficientes LP, se convierten a LSP (Line Spectrum Pairs) y se cuantizan usando vectores predictivos de dos etapas (VQ). Dado que a la salida del codificador la tasa de bits es de 8 kbit/s y se toman cuadros de 10 ms, se usan 80 bits (10 bytes) para representar a cada cuadro o ventana de audio en G.729. En el anexo A de la recomendación G.729 se define una variante de este codec logrando así un codec de menor complejidad llamado G.729A. Este es interoperable con G.729, pudiéndose utilizar un codificador G.729A con un decodificador G.729 y viceversa. Los cambios respecto a la versión original se deben a simplificaciones en los algoritmos empleados. La reducción de la complejidad incluye la sustitución de algunos bloques de procesamiento por otros más sencillos. También incluye el mantener fijos parámetros que en la versión completa del codec varían dependiendo del audio a codificar. El Anexo B de la recomendación G.729 B provee detección de actividad de voz y silencios y modelado y regeneración del ruido de fondo, lo que redunda en una disminución del ancho de banda total utilizando, ya que no se transmiten muestras durante los períodos de silencio G El codec G [8] es un estándar de codificación para señales de audio desarrollado por la ITU, codificando las señales de voz a 6.4 o 5.3 kbit/s. Utiliza ventanas de audio de 30 ms. Redes Unificadas Página 7

8 Para la codificación a 6.4 kb/s se utiliza un algoritmo MPC-MLQ (Multi-Pulse Maximum Likelihood Quantization), generando 24 bytes por cada ventana de 30 ms. Para la codificación a 5.3 kb/s se utiliza ACELP, generando 20 bytes por cada ventana de 30 ms. El retardo total (latencia) del algoritmo es de 37.5 ms, ya que, una vez recibida la ventana de 30 ms, el algoritmo requiere de 7.5 segundos de muestras adicionales. El Anexo A de la recomendación G provee modelado y regeneración del ruido de fondo, lo que redunda en una disminución del ancho de banda total utilizando, ya que no se transmiten muestras durante los períodos de silencio RTAudio El codec RTAudio [9], desarrollado por Microsoft, está comenzando a ser utilizado comercial y corporativamente. Utiliza un ancho de banda de 8.8 k bit/s, con técnicas LPC (Linear Prediction Coefficients). RTAudio utiliza técnicas de codificación VBR (Variable Bit Rate), lo que significa que no todas las ventanas o cuadros de voz se codifiquen con la misma cantidad de bytes. El retardo total (latencia) del algoritmo es menor a 40 ms 3.2 Transmisión de voz sobre redes de datos Para poder transmitir las muestras codificadas de voz sobre redes de datos, es necesario armar paquetes. Si la voz está codificada con ley A, una conversación consiste en un flujo de 64 kb/s. Cada muestra dura 125 µs. Si bien se podría formar un paquete con cada muestra de voz, esto generaría un sobrecarga ( overhead ) demasiado importante (recordar que cada paquete requiere de cabezales). Por otro lado, si se espera a juntar demasiadas muestras de voz, para formar un paquete con mínima sobrecarga porcentual, se pueden introducir retardos no aceptables. Un paquete IP puede tener hasta 1500 bytes de información. Si con muestras de 64 kb/s se quisiera completar los 1500 bytes del paquete IP, se introduciría un retardo de 125µs x 1500 = 187,5 ms. Esta demora no es aceptable en aplicaciones de voz. Por esta razón, se toman generalmente ventanas de 10 a 30 ms. Las muestras de voz de cada una de estas ventanas consecutivas se juntan y con ellas se arman paquetes. El tamaño de estas ventanas es configurable para algunos algoritmos de codificación, y está estandarizado para otros. Redes Unificadas Página 8

9 Flujo de voz, 64 kb/s Ventana 3.3 RTP Real-Time Transport Protocol El protocolo RTP, basado en el RFC 3550 [10], establece los principios de un protocolo de transporte sobre redes que no garantizan calidad de servicio para datos de tiempo real, como por ejemplo voz y video. El protocolo establece la manera de generar paquetes que incluyen, además de los propios datos de tiempo real a transmitir, números de secuencia, marcas de tiempo, y monitoreo de entrega. Las aplicaciones típicamente utilizan RTP sobre protocolos de red no confiables, como UDP. Los bytes obtenidos de cada conjunto de muestras de voz o video son encapsulados en paquetes RTP, y cada paquete RTP es a su vez encapsulado en segmentos UDP. RTP soporta transferencia de datos a destinos múltiples, usando facilidades de multicast, si esto es provisto por la red. Redes Unificadas Página 9

10 Flujo de voz, 64 kb/s Ventana UDP RTP IP Ethernet Sobrecarga Cada paquete RTP consiste en un cabezal y los datos de voz. El cabezal contiene números de secuencia, marcas de tiempo, y monitoreo de entrega. El formato de éste cabezal es el mostrado en la figura V P X CC M PT Sequence number Timestamp synchronization source (SSRC) identifier contributing source (CSRC) identifiers. Los campos más relevantes son: Versión (V) La versión actual del protocolo es la 2. Redes Unificadas Página 10

11 3.3.2 CSRC count (CC) El campo indica la cantidad de identificadores CSRC incluidos en el cabezal (0 a 15, ver ) Tipo de información (PT=Payload Type) El campo payload identifica el tipo de información que viaja en el paquete. Es un campo de 7 bits, lo que permite diferenciar hasta 128 tipos de información. En audio, este campo indica el tipo de codificación. Los valores de este campo se definen en el RFC 3551 [11]. Algunos valores de ejemplo se muestran en la siguiente tabla Payload Type Formato Medio Clock Rate 0 PCM mu-law Audio 8 khz 3 GSM Audio 8 khz 4 G.723 Audio 8 khz 8 PCM A-law Audio 8 khz 9 G.722 Audio 8 khz 14 MPEG Audio Audio 90 khz 15 G.728 Audio 8 khz 18 G.729 Audio 8 khz 26 Motion JPEG Video 90 khz 31 H.261 Video 90 khz 32 MPEG-1 o 2 Elementary Stream Video 90 khz 33 MPEG-1 o 2 Transport Stream Video 90 khz 34 H.263 Video 90 khz Número de secuencia (Sequence Number) El campo correspondiente al número de secuencia es de 16 bits. Con cada paquete enviado, el emisor incrementa en uno el número de secuencia. Esto permite al receptor detectar paquetes perdidos, o fuera de orden Marca de tiempo (Time Stamp) Este campo es de 32 bits. Indica el momento al que corresponde la primer muestra de la ventana de información que viaja en el paquete. Este campo es utilizado por el receptor, para reproducir las muestras con la misma cadencia con las que fueron obtenidas. Es a su vez útil para medir el jitter (ver Error! No se encuentra el origen de la referencia.). En audio, el campo Time Stamp se mide en unidades de 125 µs (o sea, en unidades de muestreo). Si por ejemplo un paquete de 160 bytes de audio en Ley A contiene el campo TimeStamp con el valor 1, el siguiente paquete contendrá el campo TimeStamp en Identificador del origen (SSRC - Synchronization Source Identifier) El campo correspondiente al SSRC es de 32 bits. Típicamente cada flujo en una sesión RTP tiene un identificador diferente. El origen establece este número, asegurando que no se repita. Redes Unificadas Página 11

12 3.3.7 Identificador del tributario (CSRC - Contributing Sources Identifier) Pueden existir hasta 15 campos CSRC, de acuerdo al valor de CC. Esta lista identifica a cada uno de los interlocutores cuando el audio que se envía es producido en un mezclador o mixer (por ejemplo, cuando se envía el audio de varios participantes de una conferencia) 3.4 RTCP RTP Control Protocol El RFC 3550 establece, además del protocolo RTP, un protocolo de control, RTCP, encargado de enviar periódicamente paquetes de control entre los participantes de una sesión. El protocolo RTCP tiene las siguientes funciones principales: Proveer realimentación acerca de la calidad de los datos distribuidos (por ejemplo, de la calidad percibida de VoIP). Esta realimentación permite adaptar dinámicamente la codificación, o tomar acciones tendientes a solucionar problemas cuando se detecta degradación en la calidad de la comunicación Transporte del CNAME (Canonical Name) de cada originador. Este identificador permite asociar varios flujos RTP con el mismo origen (por ejemplo, flujos de audio y video provenientes del mismo emisor) Adaptar dinámicamente la frecuencia de envío de paquetes de control RTCP de acuerdo al número de participantes en la sesión. Dado que los paquetes se deben intercambiar todos contra todos, es posible saber cuantos participantes hay, y de esta manera calcular la frecuencia de envíos de esto paquetes. 3.5 Ancho de banda en IP para voz Dado que para el envío de voz sobre redes es necesario armar paquetes, el ancho de banda requerido dependerá de la sobrecarga ( overhead ) que generen estos paquetes. Como se ha visto, para el envío de voz sobre redes de paquetes se utiliza el estándar RTP. Éste protocolo a su vez se monta sobre UDP, el que a su vez se monta sobre IP, el que, en la LAN, viaja sobre Ethernet Ethernet 26 bytes IP (UDP + RTP) 40 bytes 20 ms de voz 160 bytes Redes Unificadas Página 12

13 Esta suma de protocolos hace que el ancho de banda requerido para el tráfico de voz sobre Ethernet sea bastante mayor al ancho de banda del audio. Para una ventana de 20 ms, y con codificación de audio Ley A, se obtienen 160 bytes de voz por trama Bytes de voz/trama = 64 kb/s * 20 ms / 8 = 160 bytes El paquete IP (incluyendo los protocolos RTP y UDP) agregan 40 bytes adicionales Bytes de paquete IP = = 200 bytes La trama Ethernet agrega otros 26 bytes: Bytes de Trama Ethernet = = 226 bytes En este ejemplo, cada 20ms se generan 226 bytes que se deben enviar por la LAN. Esto equivale a un ancho de banda de 90,4 kb/s (compárese con los 64 kb/s del flujo de audio) Ancho de banda LAN = 226 * 8 / 20 ms = 90.4 kb/s Es de hacer notar que este cálculo fue hecho para el envío de audio en una dirección. Como las comunicaciones son bidireccionales, el ancho de banda real requerido en la LAN será el doble. Pueden utilizarse técnicas de supresión de silencio, en las que no se envían paquetes cuando no hay audio. En este caso, el ancho de banda total es similar al ancho de banda unidireccional. Por lo visto anteriormente, el ancho de banda de la voz paquetizada en la LAN depende del tamaño de la ventana (típicamente 10, 20 o 30 ms) y el codec utilizado. La siguiente tabla muestra los anchos de banda unidireccionales necesarios utilizando redes IP sobre Ethernet Tipo de Codec Duración de Trama (ms) Bytes de voz/trama Bytes de paquete IP Bytes de trama Ethernet Ancho de Banda en LAN (kbps) ,8 G.711 (64 kb/s) , , ,8 G.729 (8 kb/s) , ,6 G (6.3 kb/s) ,9 G (5.3 kb/s) ,9 Redes Unificadas Página 13

14 Como se puede ver en la tabla, el ancho de banda puede variar de 23 kb/s a 117 kb/s, dependiendo del codec y la ventana seleccionada. Redes Unificadas Página 14

15 4 Video sobre redes de datos 4.1 Aplicaciones de video El video es utilizado en diversos tipos de aplicaciones, las que a su vez, tienen diversos requerimientos. La TV es, quizás, la aplicación de video más conocida. Sin embargo, existen en forma cada vez más difundida un nuevo conjunto de aplicaciones de video, entre las que se encuentran la video telefonía, los servicios de video conferencia, la distribución de video a demanda a través de Internet y la IP-TV, por mencionar los más relevantes. Cada una de estas aplicaciones tiene sus características propias en lo que respecta a requerimientos de calidad, velocidades, etc. En el área corporativa, se nota una creciente relevancia de la video-telefonía y las video-conferencias. La video-telefonía es una aplicación típicamente punto a punto, con imágenes del tipo cabeza y hombros, y generalmente poco movimiento. Por otra parte, es una aplicación altamente interactiva, dónde los retardos punta a punta juegan un rol fundamental en la calidad conversacional percibida. Las aplicaciones de video conferencias son típicamente punto a multi-punto. Al igual que la video telefonía, generalmente tienen poco movimiento. Además de la difusión del audio y el video es deseable en estas aplicaciones poder compartir imágenes y documentos. La interactividad también es típicamente un requisito, aunque podrían admitirse retardos punta a punta un poco mayores que en la video telefonía, ya que los participantes generalmente están dispuestos a solicitar la palabra en este tipo de comunicaciones. 4.2 Codificación de video Los estudios acerca de la codificación de imágenes y video comenzaron en la década de En 1984 fue introducida la estrategia de codificación utilizando la transformada discreta de coseno (DCT) [12], técnica ampliamente utilizada en los sistemas actuales de codificación. Las técnicas de compensación de movimiento aparecieron también en la década de 1980, dando origen a las tecnologías híbridas MC/DCT (Motion Compensation/Discrete Cosine Transform), utilizadas en los actuales algoritmos MPEG. Por otra parte, las transformadas discretas de Wavelets (DWT) comenzaron también a ser utilizadas en codificación de imágenes en la década de 1980, y fueron adoptadas más recientemente dentro de las tecnologías MPEG-4 y JPEG 2000, para la codificación de imágenes fijas. La complejidad de codificadores y decodificadores ha ido aumentando, logrando un muy alto nivel de compresión, a expensas de requerir decodificadores y, sobre todo, codificadores muy complejos, y que requieren gran capacidad de Redes Unificadas Página 15

16 procesamiento [13]. Es de esperar que en el futuro próximo se requiera aún mayor capacidad de procesamiento, reduciendo los requerimientos de ancho de banda y mejorando la calidad percibida. A continuación se presentan, en forma resumida, las características más destacables de las tecnologías actuales en codificación de imágenes y video, y la manera de codificar video para su transmisión sobre redes IP. No es el objetivo principal de este documento presentar un detalle pormenorizado de estas tecnologías, por lo que sólo se describirán brevemente sus características más relevantes JPEG JPEG (Joint Photographic Experts Group) [14] es un estándar diseñado para comprimir imágenes fijas, tanto en color como en blanco y negro. El objetivo principal de este estándar fue el de lograr compresiones adecuadas, optimizando el tamaño final de los archivos comprimidos, admitiendo pérdida de calidad en la imagen. El algoritmo utilizado divide a la imagen en bloques de 8 x 8 píxeles, los que son procesados en forma independiente. Dentro de cada uno de estos bloques, se aplica la transformada discreta de coseno (DCT) bidimensional, generando para cada bloque, una matriz de 8 x 8 coeficientes. La gran ventaja de estos coeficientes, es que decrecen rápidamente en valor absoluto, lo que permite despreciar gran parte de ellos (ya que representan información de alta frecuencia espacial). Conceptualmente, puede considerarse que cada bloque de 8 x 8 está compuesto por una suma ponderada de 64 tipos de bloques base, como se muestran en la Figura 4.1. En esta figura, cada bloque corresponde con un patrón determinado. El primer bloque (arriba a la izquierda) no tiene textura. El coeficiente asociado a este bloque se corresponde con la componente de luminancia promedio del bloque. Es conocido también como componente de DC, haciendo analogía con la componente de continua de una señal eléctrica. El resto de los bloques presentan patrones bien definidos, con frecuencias espaciales crecientes hacia la parte inferior-derecha de la figura. Figura 4.1 Redes Unificadas Página 16

17 El estándar JPEG 2000 [15] está también basado en la idea de utilizar para la codificación los coeficientes de una transformación, pero en este caso se utilizan transformadas discretas de Wavelets (DWT). Esta transformada permite comprimir aún más las imágenes que la DCT. Una de las principales diferencias entre JPEG y JPEG2000 es que en esta última no es necesario dividir la imagen original en bloques. La transformada DWT se aplica a toda la imagen, lo que elimina el conocido efecto de bloques MPEG-x MPEG-1 [16] fue originalmente diseñado por el Moving Picture Experts Group (MPEG) de la ISO (International Standards Organization) para el almacenamiento y reproducción digital de aplicaciones multimedia desde dispositivos CD-ROM, hasta velocidades de 1.5 Mb/s. MPEG-2 [17] fue el sucesor de MPEG-1, pensado para proveer calidad de video desde la obtenida con NTSC/PAL y hasta HDTV, con velocidades de hasta 19 Mb/s. La codificación en MPEG-1 está basada en la transformada DCT para explotar las redundancias espaciales dentro de cada cuadro, y en técnicas de estimación y compensación de movimiento para explotar las redundancias temporales (entre cuadros). Las secuencias de video son primeramente divididas en grupos de figuras (GOP Group of Pictures). Cada GOP puede incluir tres grupos diferentes de cuadros: I ( Intra ), P ( Predictivos ) y B ( predictivos Bidireccionales ). Los cuadros del tipo I son codificados únicamente con técnicas de compresión espacial (transformada DCT dentro del propio cuadro, por ejemplo). Son utilizados como cuadros de referencia para las predicciones (hacia adelante o hacia atrás) de cuadros P o B. Los cuadros del tipo P son codificados utilizando información previa de cuadros I u otros cuadros P, en base a estimaciones y compensaciones de movimiento. Los cuadros B se predicen en base a información de cuadros anteriores (pasados) y también posteriores (futuros). El tamaño de un GOP está dado por la cantidad de cuadros existentes entre dos cuadros I. Típicamente se utilizan de 12 a 15 cuadros para un GOP, y hasta 3 cuadros entre un I y un P o entre dos P consecutivos (típicamente una señal PAL se codifica con un GOP de tamaño 12 y una NTSC con 15, ambas con no más de 2 cuadros B consecutivos). Un ejemplo tomado de [18] se muestra en la Figura 4.2 (IBBPBBPBBI), donde las flechas indican los cuadros utilizados para las predicciones. Cuando más grande el GOP, mayor compresión se puede obtener, pero a su vez existe menor inmunidad a la propagación de errores. Redes Unificadas Página 17

18 Figura 4.2 Al igual que en JPEG, en MPEG-1 se divide la imagen de cada cuadro en bloques de 8 x 8 píxeles, los que son procesados en forma independiente. Dentro de cada uno de estos bloques, se aplica la transformada discreta de coseno (DCT) bidimensional, generando para cada bloque, una matriz de 8 x 8 coeficientes. A su vez, cuatro bloques se agrupan en un macro-bloque de 16 x 16 píxeles, el que es utilizado como base para la estimación del movimiento. La estimación de movimiento de un macro-bloque se realiza en el codificador, comparando el macro-bloque de una imagen con todos las posibles secciones de tamaño igual al macro-bloque (dentro de un rango espacial de 512 píxeles en cada dirección) de la(s) imagen(es) siguiente(s). La comparación se realiza generalmente buscando la mínima diferencia (el mínimo valor de MSE - ver sección 6.4) entre el macrobloque y la sección evaluada. Este procedimiento se basa en la hipótesis que todos los píxeles del macro-bloque tendrán por lo general un mismo desplazamiento, y por lo tanto, será más eficiente codificar un vector de movimiento del macro-bloque y las diferencias del macro-bloque predicho respecto del macro-bloque original. Las diferencias entre el macro-bloque predicho y el real también son transformadas mediante la DCT para su codificación. Redes Unificadas Página 18

19 Un flujo de video de MPEG-2 se forma de la manera descrita a continuación. Se utiliza como unidad básica un macro-bloque, compuesto típicamente por 4 bloques de luminancia y 2 de crominancia (ya que la crominancia es sub-muestreada). Los coeficientes DCT de cada uno de estos bloques son serializados, y precedidos por un cabezal de macro-bloque. Varios macrobloques contiguos (en la misma fila, y de izquierda a derecha) son agrupados formando un slice, el que a su vez es precedido de un cabezal de slice, el que contiene la ubicación del slice en la imagen y el factor de cuantización usado. Típicamente puede haber un slice por cada fila de macro-bloques, pero puede también haber slices con parte de una fila. Un grupo de slices forma un cuadro, el que es precedido por un cabezal de cuadro, conteniendo información del mismo, como por ejemplo el tipo de cuadro (I,P,B), y las matrices de cuantización utilizadas. Varios cuadros se juntan, formando el GOP, también precedido de un cabezal de GOP. Finalmente, varios GOPs pueden serializarse en una secuencia (Elementary Stream), con su correspondiente cabezal, el que contiene información general, como el tamaño de los cuadros, y la frecuencia de cuadros. En la Figura 4.3 (tomada de [18]) se muestra un esquema del sistema de capas descrito. Figura 4.3 MPGE-4 [19] es la evolución de MPEG-1 y 2, y provee la tecnología necesaria para la codificación en base a contenidos, y su almacenamiento, transmisión y Redes Unificadas Página 19

20 manipulación. Presenta mejoras interesantes respecto a la eficiencia de la codificación, robustez de transmisión e interactividad. MPGE-4 puede codificar múltiples Objetos de video (MVO Multiple Video Objects), ya que sus contenidos son representados en forma individual. El receptor puede de esta manera recibir diferentes flujos por cada objeto codificado dentro de un mismo video, correspondientes por ejemplo a diferentes planos (VOP Video Object Plane) de la imagen. Cada secuencia de VOPs constituye un objeto de video (VO Video Object) independiente, los que son multiplexados dentro de una transmisión, y demultiplexados y decodificados por el receptor. En 2001, el grupo MPEG de ISO/IEC y el VCEG (Video Coding Expert Group) del ITU-T decidieron unir esfuerzos en un emprendimiento conjunto para estandarizar un nuevo codificador de video, mejor que los anteriores, especialmente para anchos de banda o capacidad de almacenamiento reducidos [20]. El grupo se llamó JVT (Joint Video Team), y culminó con la estandarización de la recomendación H.264/MPEG-4 Part 10, también conocida como JVT/H.26L/AVC (Advanced Video Coding) o H.264/AVC. Este nuevo estándar utiliza compensaciones de movimiento más flexibles, permitiendo dividir los macrobloques en diversas áreas rectangulares, y utilizar desplazamientos de hasta un cuarto de píxel. Agrega además los cuadros del tipo SP (Switching P) y SI (Switching I), similares a los P e I, pero con la posibilidad de reconstruir algunos valores específicos de forma exacta. Con AVC, para una misma calidad de video, se logran mejoras en el ancho de banda requerido de aproximadamente un 50% respecto estándares anteriores [21] [22]. En la Tabla 4.1 se presenta un resumen comparativo de los diferentes estándares de codificación de video. Como se puede observar en dicha tabla, los codificadores / decodificadores H.264/AVC no son compatibles con los estándares anteriores, lo que supone un punto de quiebre en la evolución del video digital. Característica MPEG-1 MPEG-2 MPEG-4 H.264/MPEG-4 Part 10/AVC Tamaño del macro-bloque 16x16 16x16 (frame 16x16 16x16 mode) 16x8 (field mode) Tamaño del bloque 8x8 8x 8 16x16 8x8, 16x8 8x8, 16x8, 8x16, 16x16, 4x8, 8x4, 4x4 Transformada DCT DCT DCT/DWT 4x4 Integer transfor Tamaño de la muestra para aplicar 8x8 8x8 8x8 4x4 la transformada Codificación VLC VLC VLC VLC, CAVLC, CABAC Si Si Si Si, con hasta 16 MV Estimación y compensación de movimiento Perfiles No 5 perfiles, varios 8 perfiles, varios 3 perfiles, varios niveles en cada niveles en cada niveles en cada perfil perfil perfil Tipo de cuadros I,P,B,D I,P,B I,P,B I,P,B,SI,SP Ancho de banda Hasta 1.5 Mbps 2 a 15 Mbps 64 kbps a 2 Mbps 64 kbps a 150 Mbps Redes Unificadas Página 20

21 Característica MPEG-1 MPEG-2 MPEG-4 H.264/MPEG-4 Part 10/AVC Complejidad del codificador Baja Media Media Alta Compatibilidad con estándares previos Si Si Si No Tabla Transmisión de video sobre redes de datos Paquetización del video Las secuencias (Elementary Streams) son paquetizadas en unidades llamadas PES (Packetized Elementary Streams), consistentes en un cabezal y hasta 8 kbytes de datos de secuencia. Estos PES a su vez, son paquetizados en pequeños paquetes, de 184 bytes, los que, junto a un cabezal de 4 bytes (totalizando 188 bytes) conforman el MPEG Transport Stream (MTS) y pueden ser transmitidos por diversos medios. En redes IP, el transporte del video se realiza mediante los protocolos RTP y RTCP, ya descritos en 3.3. El RFC 2250 [23] establece los procedimientos para transportar video MPEG-1 y MPEG-2 sobre RTP. Varios paquetes MTS de 188 bytes pueden ser transportados en un único paquete RTP, para mejorar la eficiencia. Los RFC 3016 [24] y RFC 3640 [25] establecen los procedimientos para transportar flujos de audio y video MPEG Ancho de banda en IP para video Como se ha visto, la codificación digital de video utiliza algoritmos de compresión, los que generan codificación de largo variable y flujos de ancho de banda también variables. Para una aplicación determinada, el ancho de banda requerido en una red IP dependerá del tipo de codificación utilizada (MPEG-1, 2, 4, H264, etc.), de la resolución (tamaño de los cuadros SD, CIF, QCIF, etc), del tipo de cuantización seleccionado y del movimiento y textura de la imagen. Al ancho de banda propio de la señal de video se le debe sumar la sobrecarga de los paquetes IP, UDP y RTP y para la LAN, de las tramas Ethernet, todo lo que puede estimarse en aproximadamente un 25% adicional. A diferencia de la codificación de audio, donde los anchos de banda pueden calcularse en forma exacta en base únicamente al codec utilizado, la codificación de video es estadística, y depende de la imagen transmitida, por lo que los cálculos son también aproximados y estadísticos. A modo de ejemplo, en la figura Figura 4.4 se muestra coma varía la calidad percibida en función del ancho de banda para diferentes secuencias de video, codificadas en MPEG-2, y en resolución CIF (352 x 288) a 25 Hz. En esta gráfica, la calidad percibida se mide como DMOS, donde valores de 0 se corresponden a excelente calidad y valores de 1 se corresponden con muy mala calidad. Cada Redes Unificadas Página 21

22 línea se corresponde con una secuencia de video diferente, tomadas de la página del VQEG [26]. En este caso, para formatos CIF, se puede ver que para anchos de banda superiores a 1.75 Mb/s la calidad es excelente para cualquier secuencia de video. Sin embargo, para anchos de banda inferiores a 1 Mb/s la calidad percibida depende fuertemente del contenido del video (movimiento, textura de la imagen, etc.) 0.8 CIF src2 src3 src4 0.7 src5 src7 0.6 src9 src src13 src14 DMOS 0.4 src16 src src18 src19 src src21 src Bitrate (Mb/s) Figura 4.4 Por otra parte, en la Figura 4.5, tomada de [27], se muestra como varía el ancho de banda requerido usando diversos codificadores, en función de la calidad de la imagen, para una secuencia de video particular ( Tempete, src22), en resolución CIF a 15 Hz. Puede verse como para una misma calidad (medida en este caso como PSNR 1 ), MPEG-2 requiere de aproximadamente el doble de ancho de banda que H.264/AVC. 1 La definición detallada de la métrica PSNR se presenta más adelante, en el capítulo 6.4 Redes Unificadas Página 22

23 Figura 4.5 Como se puede ver, el ancho de banda de las señales de video puede variar notoriamente, desde valores cercanos a los 64 kb/s (para baja resolución de pantalla, imágenes con poco movimiento, baja cantidad de cuadros por segundo), hasta varios Mb/s (para resoluciones medias o altas). Redes Unificadas Página 23

24 5 Calidad de voz en redes IP La VoIP enfrenta problemáticas propias de las redes de datos, que se manifiestan como degradaciones en la calidad del servicio (QoS) o la calidad de la experiencia (QoE) percibida por los usuarios. Estas degradaciones pueden deberse por ejemplo a retardos, jitter (diferencia de retardos) y pérdida de paquetes, entre otros factores. Para que la tecnología de VoIP pueda ser utilizada a nivel corporativo, es esencial garantizar una calidad de voz aceptable. Se analizarán a continuación los factores que afectan la calidad de voz percibida, y luego los métodos aceptados para medirla en forma subjetiva y objetiva. 5.1 Factores que afectan la calidad de la voz sobre redes de paquetes Realizaremos una pequeña discusión acerca de los parámetros que influyen en la calidad de la voz transmitida a través de la red de datos: Factor de compresión Para poder transmitir la voz a través de una red de datos, es necesario realizar previamente un proceso de digitalización, el que puede degradar la señal de voz original, debido a la utilización de técnicas de compresión (Ver 3.1) Pérdida de paquetes A diferencia de las redes telefónicas, donde para cada conversación se establece un vínculo estable y seguro, las redes de datos admiten la pérdida de paquetes. Esto está previsto en los protocolos seguros de alto nivel, y en caso de que ocurra, los paquetes son reenviados. En los protocolos diseñados para tráfico de tiempo real generalmente no se recibe confirmaciones de recepción de paquetes, ya que si el canal es suficientemente seguro, estas confirmaciones cargan inútilmente al mismo. En aplicaciones de voz y video, el audio es encapsulado en paquetes y enviado, sin confirmación de recepción de cada paquete. Si el porcentaje de perdida es pequeño, la degradación de la voz también lo es. Los porcentajes de perdida admisibles dependen de otros factores, como por ejemplo la demora de transmisión y el factor de compresión de la voz. Existen técnicas para hacer menos sensible la degradación de calidad en la voz frente a la pérdida de paquetes. La más sencilla consiste en simplemente repetir el último paquete recibido. También cuentan como perdidos los paquetes que llegan a destiempo o fuera de orden Demora Un factor importante en la percepción de la calidad de la voz es la demora. La demora total está determinada por varios factores, entre los que se encuentran Demora debida a los algoritmos de compresión Redes Unificadas Página 24

25 En forma genérica, cuanto mayor es la compresión, más demora hay en el proceso (los codecs requieren más tiempo para codificar cada muestra). Algoritmo de muestreo/compresión Demora típica introducida G711 (64 kb/s) 125 µs G.728 (16 kb/s) 2.5 ms G.729 (8 kb/s) 10 ms G.723 (5.3 o 6.4 kb/s) 37.5 ms RTAudio (8 kb/s) 40 ms Demoras de procesamiento Es el tiempo involucrado en el procesamiento de la voz para la implementación de los protocolos. Demoras propias de la red (latencia) Las demoras propias de la red están dadas por la velocidad de transmisión de la misma, la congestión, y las demoras de los equipos de red (routers, gateways, etc.) Las demoras no afectan directamente la calidad de la voz, sino la calidad de la conversación. Hasta 100 ms son generalmente tolerados, casi sin percepción de los interlocutores. Entre 100 y 200 ms las demoras son notadas. Al acercarse a los 300 ms de demora, la conversación se vuelve poco natural. Pasando los 300 ms la demora se torna crítica, haciendo dificultosa la conversación. Un efecto secundario, generado por las demoras elevadas, es el eco. El eco se debe a que parte de la energía de audio enviada es devuelta por el receptor. En los sistemas telefónicos este efecto no tiene mayor importancia, ya que los retardos o demoras son despreciables, y por lo tanto, el eco no es percibido como tal. Redes Unificadas Página 25

26 Cuando la demora de punta a punta comienza a aumentar, el efecto del eco comienza a percibirse Eco Si el tiempo transcurrido desde que se habla hasta que se percibe el retorno de la propia voz es menor a 30 ms, el efecto del eco no es percibido. Asimismo, si el nivel del retorno está por debajo de los 25 db, el efecto del eco tampoco es percibido. En las conversaciones telefónicas habituales, el eco existe en niveles perceptibles (mayores a 25 db), pero la demora es mínima, por lo que el eco no es perceptible. Las excepciones son las comunicaciones vía satélite, en las que la demora promedio es del orden de los 150 ms. Para estos casos, las compañías telefónicas disponen generalmente de sofisticados equipos canceladores de eco Variaciones en la demora (Jitter) El jitter es la variación en las demoras (latencias). Por ejemplo, si dos puntos comunicados reciben un paquete cada 20 ms en promedio, pero en determinado momento, un paquete llega a los 30 ms y luego otro a los 10 ms, el sistema tiene un jitter de 10 ms. El receptor debe recibir los paquetes a intervalos constantes, para poder regenerar de forma adecuada la señal original. Dado que el jitter es inevitable, los receptores disponen de un buffer de entrada, con el objetivo de suavizar el efecto de la variación de las demoras. Este buffer recibe los paquetes a intervalos variables, y los entrega a intervalos constantes. Es de hacer notar que este buffer agrega una demora adicional al sistema, ya que debe retener paquetes para poder entregarlos a intervalos constantes. Cuánto más variación de demoras ( jitter ) exista, más grande deberá ser el buffer, y por lo tanto, mayor demora será introducida al sistema Tamaño de los paquetes El tamaño de los paquetes influye en dos aspectos fundamentales en la transmisión de la voz sobre redes de datos: La demora y el ancho de banda requerido. Para poder transmitir las muestras codificadas de voz sobre una red de datos, es necesario armar paquetes, según los protocolos de datos utilizados (por ejemplo, IP). Un paquete de datos puede contener varias muestras de voz. Por ello, es necesario esperar a recibir varias muestras para poder armar y enviar el paquete. Esto introduce un retardo o demora en la transmisión. Desde éste punto de vista, parece conveniente armar paquetes con la mínima cantidad de muestras de voz (por ejemplo, un paquete por cada muestra). Sin embargo, hay que tener en cuenta que cada paquete tiene una cantidad mínima de información (bytes) de control (cabezal del paquete, origen, destino, etc.). Esta información ( sobrecarga u overhead ), no aporta a la información real que se quiere transmitir, pero afecta al tamaño total del paquete, y por tanto al ancho de banda, como se vio en 3.5. Redes Unificadas Página 26

27 La duración de las ventanas de voz se encuentran entre 10 a 30 ms, valor que aporta a la demora total. 5.2 Medida de la calidad de voz Para evaluar la calidad de voz percibida, se han estandarizado métodos. Estos métodos se dividen en subjetivos y objetivos. Los métodos subjetivos de medida de la calidad de voz, se basan en conocer directamente la opinión de los usuarios. Típicamente resultan en un promedio de opiniones (por ejemplo, en un valor de MOS Mean Opinión Store). Los métodos objetivos a su vez se subdividen en intrusivos (se inyecta una señal de voz conocida en el canal y se estudia su degradación a la salida) y no intrusivos (monitorean ciertos parámetros en un punto de la red y en base a estos permite establecer en tiempo real la calidad que percibiría un usuario). Estos métodos se describen en las siguientes secciones. 5.3 Métodos Subjetivos de medida de la calidad de voz La calidad de la voz se establece a través de la opinión del usuario. La calidad de audio puede ser evaluada directamente (ACR = Absolute Category Rating), o en forma comparativa contra un audio de referencia (DCR = Degradation Category Rating). Con evaluaciones directas (del tipo ACR) se califica el audio con valores entre 1 y 5, siendo 5 Excelente y 1 Malo. El MOS (Mean Opinión Store) es el promedio de los ACR medidos entre un gran número de usuarios. Si la evaluación es comparativa, (del tipo DCR), el audio se califica también entre 1 y 5, siendo 5 cuando no hay diferencias apreciables entre el audio de referencia y el medido y 1 cuando la degradación es muy molesta. El promedio de los valores DCR es conocido como DMOS (Degradation MOS). La metodología de evaluación subjetiva más ampliamente usada es la del MOS (Mean Opinión Score), estandarizada en la recomendación ITU-T P.800 [28]. Adicionalmente, se puede evaluar la calidad del audio y la calidad de la conversación, las que pueden ser diferentes. La calidad de la conversación implica una comunicación bidireccional, donde, por ejemplo, los retardos juegan un papel muy importante en la calidad percibida. Los valores obtenidos con las técnicas ACR (es decir, el MOS) puede estar sujeto al tipo de experimento realizado. Por ejemplo, si se utilizan varias muestras de buena calidad, una en particular puede ser calificada peor que si esa misma muestra se presenta junto a otras de peor calidad. Los métodos subjetivos son en general caros y lentos porque requieren un gran panel de usuarios. Son dependientes entre otros factores del país, del idioma, de las experiencias previas de los usuarios. Redes Unificadas Página 27

28 5.4 Métodos Objetivos de medida de la calidad de voz E-Model La industria de las telecomunicaciones ha aceptado una representación numérica de la calidad de la voz, llamada MOS (Mean Opinion Score), y estandarizada en la recomendación ITU-T P.800. La calidad de la voz es calificada con un número, entre 1 y 5. El valor numérico de MOS es proporcional a la calidad de la voz. 1 significa muy mala calidad y 5 significa excelente. Los valores son obtenidos mediante el promedio de las opiniones de un gran grupo de usuarios. La ITU-T ha creado un modelo en la recomendación ITU-T G.107, llamado E- Model [29], para estimar o predecir la calidad de la voz en redes IP (VoIP) percibida por un usuario típico, en base a parámetros medibles de la red. El resultado del E-Model es un factor escalar, llamado R ( Transmission Rating Factor ), que puede tomar valores entre 0 y 100. El E-model toma en cuenta una gran cantidad de factores que pueden deteriorar la calidad de la voz percibida, como por ejemplo, el uso de compresión, los retardos de la red, así como también los factores típicos en telefonía como ser pérdida, ruido y eco. Puede ser aplicado para estimar la calidad de la voz en redes de paquetes, tanto fijas como inalámbricas [30]. El E-Model puede ser utilizado para evaluar como se verá afectada la calidad de la voz en una red en base a parámetros mensurables. El modelo parte de un puntaje perfecto (100) y resta diversos factores que degradan la calidad, según se puede ver en la ecuación (5.4.1). R = R o - I s - I d I e,eff + A (5.4.1) donde R o Representa la relación señal/ruido básica (antes de ingresar en la red) que incluye fuentes de ruido, tales como ruido ambiente. El valor inicial puede ser como máximo 100. Las fuentes de ruido independientes del sistema como ser el ruido ambiental, pueden hacer que este valor inicial sea menor a 100. I s Es una combinación de todas las degradaciones que aparecen de forma más o menos simultánea con la señal vocal. Por ejemplo, volumen excesivo y distorsión de cuantización. I d Representa las degradaciones producidas por el retardo y el eco Redes Unificadas Página 28

29 I e,eff Effective equipment impairment factor. Representa las degradaciones producidas por los códecs y por las pérdidas de paquetes de distribución aleatoria. A Factor de Mejoras de Expectativas. Muchas veces, los usuarios están dispuestos a aceptar peor calidad de voz si saben que se están utilizando tecnologías no clásicas (por ejemplo celulares o VoIP). Permite compensar los factores de degradación cuando existen otras ventajas de acceso para el usuario. Los valores de R varían entre 0 y 100, correspondiendo los valores más altos a mejores calidades de voz. Los tres tipos de degradaciones (I s, I d y I e, eff ) se subdividen, a su vez, en la combinación de otros factores, como se detalla a continuación. Cálculo de Is I s = I olr + I st + I q (5.4.2) donde I olr Representa la disminución de calidad producida por valores demasiado bajos de OLR (Overall Loudness Rating). El OLR se calcula, a su vez, como OLR = SLR + RLR (5.4.3) Siendo SLR (Send Loudness Rating), es la pérdida entre la boca del emisor y el micrófono del aparato telefónico SLR (Receive Loudness Rating), es la pérdida entre el parlante del aparato telefónico y el oído del receptor I st Representa la degradación producida por efectos locales no óptimos, y depende esencialmente del factor STMR (Side Tone Masking Rating). Parte de la señal recibida por el micrófono es transmitida, dentro del mismo teléfono, al parlante, generando un efecto local que hace que la persona que habla se escuche por el oído en el que tiene el tubo o microteléfono. La atenuación de la señal que pasa del micrófono al parlante del mismo aparato se conoce como STMR. Si este valor no está dentro de los parámetros adecuados, genera una sensación de eco, o de línea muerta, según el caso, bajando la calidad de la comunicación. Redes Unificadas Página 29

30 I q Representa la degradación producida por la distorsión de cuantificación. Se calcula en base a unidades qdu. 1 qdu se define como el ruido de cuantización que resulta de una codificación y decodificación completas en Ley A o Ley µ La fórmula de cálculo detallada de los parámetros (I olr, I st, I q ) puede verse en la recomendación G.107 [29]. Cálculo de Id I d = I dte + I dle + I dd (5.4.4) Donde I dte Expresa una estimación para las degradaciones debidas al eco para el hablante. Se calcula en base al factor TELR (Talker Echo Loudness Rating) y la demora media T de punta a punta en un sentido. El factor TELR es la medida de la atenuación del eco percibido por el hablante. I dle Representa degradaciones debidas al eco para el oyente. Se calcula en base al factor WEPL (Weighted Echo Path Loss) y la demora media Tr de ida y vuela. El factor WEPL es la medida de la atenuación entre la señal directa recibida por el oyente, la señal retardada recibida como eco. I dd Representa la degradación producida por retardos absolutos demasiado largos T a, que se producen incluso con compensación perfecta del eco. Si T a < 100 ms, el factor I dd es 0. La fórmula de cálculo detallada de los parámetros (I dte, I dle, I dd ) puede verse en la recomendación G.107. El efecto de la demora en el valor de R se grafica en la siguiente figura, asumiendo todos los otros factores ideales [31]. Redes Unificadas Página 30

31 User Satisfaction Very satisfactory Satisfactory R One-way Delay (ms) Some users dissatisfied Many users dissatisfied Exceptional limiting case TELR = 65 db Puede verse como hasta 175 ms el valore de R es mayor que 90, y se encuentra en la zona de Muy satisfechos. Sin embargo, luego de los 175 ms, el efecto de las demoras degrada fuertemente la comunicación, haciéndola poco natural. Si a la gráfica anterior se le suma el efecto del eco, el modelo E predice las siguientes curvas: Redes Unificadas Página 31

32 User Satisfaction Very satisfactory Satisfactory R One-way Delay (ms) Some users dissatisfied Many users dissatisfied Exceptional limiting case TELR = 65 db TELR = 60 db TELR = 55 db TELR = 50 db TELR = 45 db Es de hacer notar que el valor TELR es la medida de la atenuación del eco percibido por el hablante. Cuanto más atenuado el eco percibido (mayor valor en db de TELR), menor efecto tiene el eco sobre la degradación. En la medida que aumenta el eco, el valor de R decrece rápidamente con el retardo. Cálculo de Ie-eff I e-eff representa las degradaciones producidas por los códecs y por las pérdidas de paquetes, según la siguiente fórmula: Ie-eff Ppl = Ie + ( 95 Ie) (5.4.5) Ppl + Bpl BurstR Donde I e Es un valor que depende del codec utilizado, y representa la degradación percibida producida por los diferentes algoritmos de compresión. P pl Representa la probabilidad de pérdida de paquetes B pl Se define como el factor de robustez contra pérdida de paquetes, y es un valor preestablecido para cada codec Redes Unificadas Página 32

33 BurstR Es la Relación de ráfaga, y se define como Longitud media de las ráfagas observadas en una secuencia de llegada BurstR = Longitud media de las ráfagas previstas en la red en condiciones de pérdida "arbitraria" Si no existen pérdida de paquetes (P pl =0), el factor I e-eff depende únicamente del tipo de codec utilizado Los valores de I e tabla: para los diferentes codecs se detallan en la siguiente Codec Type Reference Operating Rate kbit/s Waveform Codecs Ie Value PCM G ADPCM G.726, G G.721, G.726, G G.726, G G.726, G Speech Compression Codecs LD-CELP G CS-ACELP G G.729-A + VAD 8 11 VSELP IS ACELP IS QCELP IS-96a 8 21 RCELP IS VSELP Japanese PDC RPE-LTP GSM 06.10, Full-rate VSELP GSM 06.20, Half-rate ACELP GSM 06.60, EFR ACELP G MP-MLQ G En una red sin pérdida de paquetes y sin eco, el valor de R dependerá de la demora y de los codecs utilizados, según se muestra en la siguiente gráfica, para G.711, G.729A y G (notar que la gráfica negra coincide con las gráficas anteriores) Redes Unificadas Página 33

34 User Satisfaction Very satisfactory Satisfactory R One-way Delay (ms) Some users dissatisfied Many users dissatisfied Exceptional limiting case G.711 G.729A G En una red con pérdida de paquetes, el valor de R depende de la utilización o no de técnicas de PLC (Packet Loss Compensation). A modo de ejemplo, para los codecs G.711 y G.729, las siguientes gráficas muestran el efecto conjunto de la demora y la pérdida de paquetes. Redes Unificadas Página 34

35 Cálculo de A A representa un Factor de Mejoras de Expectativas. Muchas veces, los usuarios están dispuestos a aceptar peor calidad de voz si saben que se están utilizando tecnologías no clásicas (por ejemplo celulares o VoIP). No existe, por consiguiente, ninguna relación entre A y los demás parámetros de transmisión. El cuadro siguiente presenta los valores típicos de A para diferentes tecnologías, según la recomendación ITU-T G-113 [32]. Ejemplo de sistema de comunicación Valor máximo de A Convencional (alámbrico) 0 Movilidad mediante redes celulares en un edificio 5 Movilidad en una zona geográfica o en un vehículo en movimiento Conexión con lugares de difícil acceso, por ejemplo, mediante conexiones de múltiples saltos por satélite Redes Unificadas Página 35

36 Relación de R y MOS El modelo relaciona el valor de R con el MOS, con un gran nivel de aproximación, según la siguiente ecuación: Para R < 6.5: MOS CQE = 1 Para 0 < R < 100: MOS 6 CQE = 1+ 0,035 + R( R 60)(100 R)7 10 R (5.4.6) Para R > 100: MOS CQE = 4, 5 La siguiente figuras muestran la relación entre R y MOS, según la fórmula anterior: Excelente 5 MOS Buena 4 Mediocre 3 Pobre 2 Mala R G.107_FB.2 Redes Unificadas Página 36

37 Aplicación del E-model El RFC 3611 [33] define campos de reportes extendidos (XR, Extended Reports) en el protocolo RTCP que permiten intercambiar información acerca de la calidad de la comunicación. En este RFC se incluye la posibilidad de intercambiar información del valor de R entre fuentes y destinos, así como los valores percibidos de MOS-LQ (MOS listening quality) y MOS-CQ (MOS conversational quality) ITU-T P.862 (PESQ) La recomendación ITU-T P.862 [34] presenta un método objetivo para la evaluación de la calidad vocal de extremo a extremo de redes telefónicas de banda estrecha y codecs vocales. Esta recomendación describe un método objetivo para predecir la calidad subjetiva de la voz telefónica utilizando los codecs más comunes. Presenta una descripción de alto nivel del método, explica la forma de utilizar este método y parte de los resultados de referencia obtenidos por la Comisión de Estudio 12 de la ITU-T en el periodo Proporciona adicionalmente una implementación de referencia escrita en el lenguaje de programación ANSI-C. Redes Unificadas Página 37

38 El método objetivo descrito se conoce por "evaluación de la calidad vocal por percepción" (PESQ, perceptual evaluation of evaluation of speech quality) y es el resultado de varios años de trabajos de desarrollo. PESQ compara una señal inicial X(t) con una señal degradada Y(t) que se obtiene como resultado de la transmisión de X(t) a través de un sistema de comunicaciones (por ejemplo, una red IP). La salida de PESQ es una predicción de la calidad percibida por los sujetos en una prueba de escucha subjetiva que sería atribuida a Y(t). El primer paso de PESQ consiste en una alineación temporal entre las señales iniciales X(t) y degradada Y(t). Para cada intervalo de señal se calcula un punto de arranque y un punto de parada correspondientes. Una vez alineadas, PESQ compara la señal (entrada) inicial con la salida degradada alineada, utilizando un modelo por percepción, como el representado en la siguiente figura Lo esencial en este proceso es la transformación de las dos señales, la inicial y la degradada, en una representación interna que intenta reproducir la representación psicoacústica de señales de audio en el sistema auditivo humano, teniendo en cuenta la frecuencia por percepción (Bark) y la sonoridad (Sone). El modelo cognitivo de PESQ termina brindando una distancia entre la señal vocal inicial y la señal vocal degradada ( nota PESQ ), la que corresponde a su vez con una predicción de la MOS subjetiva. La nota PESQ se hace corresponder a una escala similar a la de MOS, un número único en una escala de 0,5 a 4,5, aunque en la mayoría de los casos la gama de las salidas estará entre 1,0 y 4,5, que es la Redes Unificadas Página 38

39 gama normal de valores de MOS que suelen darse en un experimento sobre la calidad de voz. La descripción detallada del algoritmo es compleja, y puede verse en la recomendación referenciada. El método PESQ es objetivo e intrusivo, ya que requiere del envío de una señal conocida de referencia para evaluar la calidad percibida de la voz. Algunos sistemas lo implementan enviando un par de segundos de audio conocido, lo que basta para poder aplicar el método ITU-T P.563 El algoritmo P.563 es aplicable para la predicción de la calidad vocal sin una señal de referencia independiente. Por ese motivo, este método se recomienda para la evaluación no intrusiva de la calidad vocal y para la supervisión y evaluación con la red en funcionamiento, empleando en el extremo lejano de una conexión telefónica fuentes de señal vocal desconocidas. En comparación con la Rec. ITU-T P.862 (que utiliza el método basado en dos extremos o intrusivo ) que compara una señal de referencia de elevada calidad con la señal degradada en base a un modelo perceptual, P.563 predice la calidad de la voz de una señal degradada sin una señal vocal de referencia dada. En la figura siguiente se ilustran las diferencias entre ambos métodos. Redes Unificadas Página 39

40 El enfoque utilizado en P.563 puede visualizarse como un experto que escucha una llamada real con un dispositivo de prueba, tal como un microteléfono convencional conectado en paralelo a la línea. Esta visualización permite explicar la principal aplicación y permite al usuario clasificar las puntuaciones obtenidas mediante P.563. La puntuación de calidad que se predice mediante P.563 está relacionada con la calidad percibida en extremo receptor. La señal vocal que debe evaluarse se analiza de varias formas, que detectan un conjunto de parámetros de señal característicos. En base a un conjunto restringido de parámetros clave se establece la asignación a una clase de distorsión principal. Básicamente, la parametrización de la señal del algoritmo P.563 puede dividirse en tres bloques funcionales independientes que se corresponden con las tres clases de distorsión principales: Análisis del tracto vocal y desnaturalización de la voz o voces masculinas o voces femeninas o marcada robotización Análisis de un ruido adicional intenso Redes Unificadas Página 40

41 o SNR estática reducida (nivel básico del ruido de fondo) o SNR por segmentos reducida (ruido relacionado con la envolvente de la señal). Interrupciones, silenciamientos y recorte temporal El modelo de calidad vocal de P.563 se compone de tres bloques principales: 1. Decisión sobre la clase de distorsión de que se trata. 2. Evaluación de la calidad vocal intermedia para la correspondiente clase de distorsión. 3. Cálculo global de la calidad vocal. Cada clase de distorsión utiliza una combinación lineal de varios parámetros para generar la calidad vocal intermedia. La calidad vocal definitiva se calcula combinando los resultados de calidad vocal intermedia con algunas características adicionales de la señal. La descripción detallada del algoritmo es compleja, y puede verse en la Recomendación referenciada. Redes Unificadas Página 41

42 6 Calidad de video en redes IP La transmisión de video y multimedia sobre redes de datos enfrenta problemáticas específicas en lo que respecta a la calidad percibida por los usuarios. Varios tipos de degradaciones suelen presentarse en las señales de video transmitidas sobre redes de paquetes. El estudio en esta área es todavía un tema de investigación. Se analizarán a continuación los factores que pueden afectar la calidad de video percibida, y luego los métodos aceptados para medirla en forma subjetiva y objetiva. 6.1 Factores que afectan la calidad del video sobre redes de paquetes La transmisión de video sobre redes de paquetes, y en particular, sobre la Internet, presenta características esencialmente diferentes a la de la difusión de TV por las vías clásicas (radiofrecuencia, TV-cable). Se utilizan rangos de anchos de banda variables, hay congestión y pérdida de paquetes, y típicamente, en las aplicaciones corporativas, la observación se realiza desde distancias más cortas, y generalmente en pantallas más pequeñas. En esta sección se describirán conceptualmente los factores específicos de las redes IP que afectan a la calidad de video Factor de compresión El proceso de digitalización de video utiliza técnicas que transforman una secuencia de píxeles al dominio de la frecuencia espacial (DCT), cuantificando valores, descartando eventualmente componentes de alta frecuencia, y haciendo uso de técnicas de predicción y compensación de movimientos. Esto genera ruido de cuantificación, el que puede degradar la imagen original a niveles perceptibles. Es este ruido de cuantificación [35], el que genera las clásicas degradaciones que pueden verse en imágenes y videos con alta compresión, entre ellos, el conocido efecto de bloques, que hace ver a la imagen como un conjunto de bloques pequeños. Los algoritmos de compresión utilizados actualmente en la codificación digital de video introducen varios tipos de degradaciones, las que se pueden clasificar según sus características principales [36]. Esta clasificación es útil para poder comprender las causas de las degradaciones y el impacto que tiene en la calidad percibida. Debido al gran ancho de banda requerido en video para enviar la señal sin comprimir, el uso de codecs con compresión es sumamente habitual en video. Esto pone un límite a la calidad de imagen recibida, el que es independiente del medio de transmisión sobre el que viaje la señal. Redes Unificadas Página 42

43 Las principales degradaciones introducidas por el uso de codecs con compresión son las siguientes: Efecto de bloques (blocking) Efecto de imagen de base (basis image) Borrosidad o falta de definición (Blurring) Color bleeding (Corrimiento del color) Efecto escalera y Ringing Patrones de mosaicos (Mosaic Patterns) Contornos y bordes falsos Errores de Compensaciones de Movimiento (MC mismatch) Efecto mosquito Fluctuaciones en áreas estacionarias Errores de crominancia Pérdida de paquetes La pérdida de paquetes en las redes IP afecta a la calidad percibida de video. En la Figura 6.1, tomada de [37], se muestra como la pérdida de un paquete puede propagarse, afectando no solo a la información de video contenida en dicho paquete, sino a otras partes del mismo o diferentes cuadros. Típicamente, y dado que la codificación se realiza en forma diferencial, la pérdida de un paquete afectará a todos los bloques siguientes en la misma fila ( slice ). Si el paquete perdido corresponde además a un cuadro de referencia (I), también se verán afectados los cuadros predictivos, posteriores o anteriores, propagándose el error en el tiempo. Figura 6.1 Redes Unificadas Página 43

44 Existen técnicas de cancelación de paquetes perdidos, las que tratan de reconstruir la información perdida en base a información disponible. Por ejemplo, reemplazando los píxeles perdidos por los mismos valores de cuadros anteriores. Varios trabajos se han realizado, estudiando la manera en que la calidad de video se ve afectada por la pérdida de paquetes. Algunos [38] proponen estimar el MSE del video, en base a diferentes técnicas, que tienen en cuenta la pérdida de paquetes. Sin embargo, estos son estimadores no se corresponden con la calidad perceptual, al basarse en la predicción del MSE o PSNR, los que no tienen relación directa con el MOS. En [39] se muestra que no basta con conocer el porcentaje de pérdida de paquetes para estimar como se ve afectada la calidad de video percibida. Dependiendo de diversos factores, la pérdida de un paquete determinado de video puede o no afectar la calidad percibida. Por ejemplo, en imágenes casi estáticas, el video perdido puede ser reconstruido en base a imágenes anteriores, casi sin pérdida de calidad, lo que lleva a que la pérdida de un paquete sea prácticamente imperceptible. Algo similar sucede cuando la pérdida solo afecta a un cuadro. De esta manera, se propone un clasificador de paquetes perdidos, que, en base a un algoritmo, decide si el paquete perdido afectará o no a la calidad percibida del video. El algoritmo toma en cuenta cuantos cuadros se verán afectados por la pérdida del paquete, la movilidad de la imagen y su varianza y el error introducido medido con MSE, entre otros factores. Se define el parámetro VPLR (Visible Packet Loss Rate), en lugar del clásico PLR (Packet Loss Rate), para ser utilizado como entrada a los algoritmos de predicción de calidad en base a la pérdida de paquetes. La idea de detectar como afecta la posible pérdida de cada paquete en la calidad perceptual es explorada en [40], donde se propone un método que garantice una calidad perceptual constante en la recepción de un flujo de video. La idea en este caso es marcar solo ciertos paquetes específicos con mayor prioridad (asumiendo una red con soporte para Diff Serv), de manera de garantizar su llegada a destino, sin inundar a la red con todos los paquetes de video marcados como prioritarios, sino solo con los paquetes cuya pérdida afecten especialmente la calidad percibida. El algoritmo se basa únicamente en la calidad deseada (PSNR) y la tasa de pérdida de paquetes (PLR). Una idea similar es presentada en [41], donde se presenta una métrica para priorizar ciertos paquetes de video, en base a la estimación de la distorsión percibida en caso de la pérdida o llegada fuera de tiempo de cada paquete. Dado que las pérdidas de paquetes se dan generalmente en ráfagas, la calidad puede verse fuertemente degradada por la pérdida de varios paquetes consecutivos, correspondientes a cuadros consecutivos. En [42] se propone una técnica que consiste en reagrupar los cuadros que se envían, generando un buffer en el codificador de 3 GOPs, y reagrupando el orden en el que se envía la información. Con esto se logra difundir los paquetes perdidos entre varios cuadros Redes Unificadas Página 44

45 separados en el tiempo, y de esta manera, según los autores, mejorar la calidad percibida. Si bien varios trabajos se han realizado acerca de la degradación del video debida a la pérdida de paquetes, el tema está aún abierto, y no hay aún estándares ni trabajos sistemáticos de comparación de diferentes modelos Demora / Jitter El receptor debe recibir los paquetes a decodificar a intervalos constantes, para poder regenerar de forma adecuada la señal original. Dado que el jitter es inevitable en las redes de paquetes, los receptores disponen de un buffer de entrada, con el objetivo de suavizar el efecto de la variación de las demoras. Este buffer recibe los paquetes a intervalos variables, y los entrega a intervalos constantes. Es de hacer notar que este buffer agrega una demora adicional al sistema, ya que debe retener paquetes para poder entregarlos a intervalos constantes. Cuánto más variación de demoras (jitter) exista, más grande deberá ser el buffer, y por lo tanto, mayor demora será introducida al sistema. Las demoras son indeseables, y tienen impacto directo en la experiencia del usuario, sobre todo en contenidos de tiempo real (por ejemplo, distribución de eventos deportivos en línea) y en aplicaciones conversacionales (por ejemplo video telefonía, o video conferencias). Se hace necesario disponer de mecanismos que minimicen el tamaño de los jitterbuffers, pero que a su vez, no comprometan la calidad debida a la perdida de paquetes que no han llegado a tiempo. En [43] se propone un método dinámico al que llaman AMP (Adaptive Media Playout), en el que se cambia la velocidad de reproducción del medio (video / audio) dependiendo de la condición del canal de transmisión, y logrando de esta manera reducir el tamaño del jitter-buffer. Se indica que aumentar o disminuir la velocidad de ciertas partes del contenido hasta en un 25% es subjetivamente mejor que aumentar las demoras totales o tener interrupciones. En el proyecto Multimedia del VQEG se proponen realizar pruebas con demoras entre 2 milisegundos y 5 segundos, y pérdidas de paquetes impulsivas en el rango de 0 a 50%. 6.2 Medida de la calidad perceptual de video La manera más confiable de medir la calidad de una imagen o un video es la evaluación subjetiva, realizada por un conjunto de personas que opinan acerca de su percepción. La opinión media, obtenida mediante el MOS (Mean Opinion Score) es la métrica generalmente aceptada como medida de la calidad. Para ello, los experimentos subjetivos controlados continúan siendo actualmente los Redes Unificadas Página 45

46 métodos de medida reconocidos en la estimación perceptual de la calidad del video. Los métodos de medida de calidad de video, al igual que los de voz, se clasifican en métodos subjetivos y métodos objetivos. Los métodos subjetivos se basan en conocer directamente la opinión de los usuarios. Los métodos objetivos intentan predecir la calidad percibida por los usuarios, en base a medidas que puedan realizarse mediante algoritmos automáticos. 6.3 Métodos Subjetivos de medida de la calidad de video Diversos métodos subjetivos de evaluación de video son reconocidos, y están estandarizados en la recomendación ITU-R BT [44], especialmente desarrollada para aplicaciones de televisión y en la recomendación ITU-T P.910 [45], para aplicaciones multimedia. En todos los métodos propuestos, los evaluadores son individuos que juzgan la calidad en base a su propia percepción y experiencia previa. Estos métodos tienen en común la dificultad y lo costoso de su implementación. La recomendación BT detalla los siguientes métodos: DSIS Double Stimulus Impairment Scale (Escala de degradación con doble estímulo) DSCQS Double Stimulus Continuos Quality Scale (Escala de calidad continua de doble estímulo) SSCQE - Single Stimulus Continuous Quality Evaluation (Evaluación de calidad continua de estímulo único) SDSCE - Simultaneous Double Stimulus for Continuous Evaluation (Método de doble estímulo simultáneo para evaluación continua) La recomendación P.910 detalla los siguientes métodos: ACR - Absolute Category Rating (Índices por categorías absolutas) DCR - Degradation Category Rating (Índices por categorías de degradación) PR - Pair Comparison (Método de comparación por pares) En los diferentes métodos los participantes deben calificar las secuencias de video, solas o comparadas con la señal de referencia, en escalas que generalmente van de 1 a 5, en forma discreta o continua, según el método. Las recomendaciones establecen los detalles de los procedimientos para realizar las encuestas. Redes Unificadas Página 46

47 6.4 Métodos Objetivos de medida de la calidad de video Los métodos subjetivos, presentados en la sección anterior, son costosos, difíciles de realizar, e impracticables en aplicaciones de tiempo real. Por esto se hace necesario el uso de métodos objetivos y automáticos, que puedan predecir con fiabilidad la calidad percibida, en base a medidas objetivas tomadas en algún punto del sistema. Las primeras medidas objetivas de la calidad del video están basadas en obtener las diferencias, píxel a píxel, entre las imágenes originales (previo a la compresión y transmisión) y las imágenes presentadas (luego de la recepción y reconstrucción). Dado que los sistemas de video utilizan técnicas de compresión con pérdida de información, y que los medios de transmisión a su vez pueden introducir factores distorsionantes (retardos, pérdida de paquetes, etc.), las imágenes presentadas serán diferentes a las originales. Las medidas más simples son las de error cuadrático medio (MSE - Mean Square Error) y su raíz cuadrada (RMSE = Root Mean Square Error) y la relación señal a ruido de pico (PSNR Peak Signal to Noise Ratio), definidas en las ecuaciones (6.1) a (6.3) más adelante. Estas métricas requieren de la referencia completa de la señal original para poder ser calculadas. 1 MSE= TMN N M T [ x( m, n, t) y( m, n, t )] n= 1 m= 1 t= 1 2 (6.1) RMSE= MSE (6.2) PSNR= 2 L log 10 MSE 10 (6.3) donde la imagen tiene N x M píxeles y T cuadros, x, y son los píxeles de la imagen original y la distorsionada respectivamente. L es el rango dinámico que pueden tomar los valores de x o y, y toma el valor 255 para 8 bits por píxel. Estas métricas son fáciles de calcular, y tienen un claro significado. Por estas razones, han sido ampliamente usadas como métricas en la estimación de la calidad de video. Hay que poner especial énfasis en la alineación espacial y temporal de las imágenes a comparar, ya que la referencia y la imagen degradada pueden estar desfasadas en el tiempo o en el espacio. Sin embargo, también han sido ampliamente criticadas por no tener correlación directa con la calidad percibida. Por ejemplo, en la Figura 6.2, tomada de [46], se Redes Unificadas Página 47

48 muestran tres ejemplos de imágenes comprimidas, donde se puede ver claramente que con similares valores de MSE, la calidad percibida puede ser esencialmente diferente (comparar, por ejemplo, Tiffany con Mandril, sobre el lado derecho de la figura), lo que pone en duda la utilidad de este tipo de métrica como indicador de calidad. En la Figura 6.3, presentada en [47], se puede ver como la misma imagen, con el mismo valor de PSNR, puede tener diferente calidad percibida, dependiendo del lugar en el que se presenten las degradaciones. En la figura (b), se nota claramente la degradación en el cielo (parte superior), mientras que en la figura (c), una degradación similar en la parte inferior prácticamente no es perceptible. Este fenómeno se conoce como enmascaramiento. En zonas texturadas o con gran actividad espacial, las degradaciones quedan enmascaradas y son menos percibidas por el sistema visual humano. El enmascaramiento también puede darse en video, donde cambios rápidos temporales pueden enmascarar cierta pérdida de calidad en cada cuadro. Debido a la baja correlación entre el MSE, RMSE y PSNR con la calidad percibida, en los últimos tiempos, se ha realizado un gran esfuerzo para desarrollar nuevos modelos que tengan en cuenta las características de percepción del sistema visual humano y que permitan calcular métricas objetivas que lo simulen. Sin embargo, no se existen, al momento de escribir el presente trabajo, métodos objetivos de la medida perceptual de calidad de video estandarizados, que apliquen a todos los casos y con buenos resultados respecto a las medidas subjetivas. Sin embargo, existen varias propuestas de métricas de medida, con diversa complejidad y precisión de sus resultados. Las métricas basadas en analizar una imagen degradada y compararla píxel a píxel con su imagen de referencia (MSE, PSNR), no son suficientes para estimar la calidad percibida de la misma. El sistema visual humano es extremadamente complejo, y puede detectar fácilmente algún tipo de distorsión, mientras que puede pasar por alto otras, dependiendo de diversos factores. Estos factores pueden incluir el tipo de aplicación (TV, video conferencia, etc.), el lugar de la imagen en donde se produce la degradación (generalmente las degradaciones son menos visibles en regiones con muchos detalles o actividad espacial, o con gran movimiento, y son más visibles en imágenes estacionarias, o en fondos poco texturados). Incluso la calidad percibida puede depender del tipo de dispositivo utilizado y del tamaño del monitor [48]. En forma genérica, los métodos objetivos de medida de calidad pueden clasificarse según la disponibilidad total, parcial o nula de la señal original, como se detalla a continuación. Métodos con disponibilidad total de la señal original (FR - Full Reference) Estos métodos se basan en la disponibilidad de la señal original, la que puede ser contrastada con la señal degradada, cuadro a cuadro. Esto presupone una severa restricción al uso práctico de este tipo de métodos, ya que en varias aplicaciones reales esto no es posible. Los métodos que utilizan métricas del tipo FR (Full Reference) pueden ser utilizados para categorizar en forma objetiva un sistema de transmisión, un codec, el efecto de un reducido ancho de banda, o de diversos Redes Unificadas Página 48

49 factores que degraden una señal, en ambientes controlados. Sin embargo, no son adecuados para aplicaciones de tiempo real (TV, video conferencias, etc.), ya que no es posible tener las señales originales. Métodos con disponibilidad parcial de la señal original (RR - Reduced Reference) Se trata de enviar, junto con el video codificado, algunos parámetros que caractericen a la señal, y que sirvan de referencia en el receptor para poder estimar la calidad percibida. Puede pensarse en la reserva de un pequeño ancho de banda (comparado con el del video) para el envío de este tipo de información adicional. Métodos sin disponibilidad de la señal original - NR (No Reference) Las personas no necesitan señales de referencia, ni información adicional para juzgar la calidad de una señal de video. Se basan en sus experiencias previas, y en las expectativas que tengan respecto al sistema. De igual manera, estos métodos intentan estimar la calidad percibida basándose únicamente en el análisis de la señal recibida. Son los métodos más complejos de implementar, pero no requieren de otra información que la propia señal de video. La gran mayoría de los modelos propuestos hasta el momento son del tipo FR (Full Reference), ya que requieren de la señal de referencia para el cálculo de sus métricas. El Video Quality Experts Group (VQEG) [49] está realizando un interesante y exhaustivo trabajo en el estudio y comparación de desempeño de métricas objetivas, separando el estudio por áreas de aplicación, de acuerdo al tipo de servicio: FR-TV (Full Reference TV), RRNR-TV (Reduced Reference / No Reference TV), HDTV (High Definition TV) y Multimedia. Redes Unificadas Página 49

50 Figura 6.2 Evaluaciones de imágenes comprimidas con JPEG. Arriba: Imagen Tiffany original y comprimida, MSE=165; Medio: Imagen Lago original y comprimida, MSE=167; Abajo: Imagen Mandril original y comprimida, MSE=163 Redes Unificadas Página 50

51 Figura El trabajo del VQEG El VQEG (Video Quality Expert Group) [49] está llevando a cabo un gran trabajo sistemático y objetivo de comparación de modelos. El objetivo del VQEG es proporcionar evidencia para los organismos internacionales de estandarización acerca del desempeño de diversos modelos propuestos, a los efectos de definir una métrica estándar y objetiva de calidad percibida de video digital (VQM Video Quality Metric). Los estudios del VQEG se dividen en FR-TV (Full Reference TV) RRNR-TV (Reduced Reference, No Reference TV) Multimedia HDTV Cada aplicación, por sus propias características, requiere de pruebas y modelos diferentes. El primer proyecto, ya terminado, es el correspondiente a FR TV. Este proyecto fue llevado a cabo en dos fases, como se detalla a continuación. En la fase I de FR-TV, llevada a cabo entre 1997 y 2000, se evaluaron 9 propuestas, además de la PSNR. Las evaluaciones fueron realizadas con diversos tipos de material de video, incluyendo 20 tipos diferentes de contenidos (entre los que hay deportes, animaciones, escenas de interiores y exteriores, etc.) y con velocidades de 768 kb/s hasta 50 Mb/s. Se utilizó el método DSCQS y las pruebas Redes Unificadas Página 51

52 se realizaron sobre una base de más de opiniones subjetivas, en 8 laboratorios independientes en diferentes partes del mundo. Como se mencionó, el objetivo es contrastar el resultado presentado por cada uno de los modelos propuestos, contra el resultado subjetivo obtenido para el mismo video, utilizando el método DSCQS. El desempeño de cada una de los modelos propuestos fue evaluado respecto a tres aspectos de su capacidad de estimar la calidad subjetiva: Precisión de la predicción: La capacidad de predecir la calidad subjetiva con mínimo error Monotonicidad: Mide si los incrementos (decrementos) en una variable están asociados a incrementos (decrementos) en la otra. Típicamente se mide con el coeficiente de correlación de Spearman Consistencia: Se corresponde con el grado en que el modelo mantiene la precisión a lo largo de las secuencias de pruebas. Se puede evaluar midiendo la cantidad de puntos para los que el error de la predicción es mayor a cierto umbral, por ejemplo, el doble de la desviación estándar. Como resultado de la fase I de FR-TV, dependiendo de la métrica de comparación utilizada, siete u ocho de los modelos propuestos resultaron estadísticamente equivalentes entre sí, y a su vez, equivalentes a los resultados obtenidos con el PSNR [50]. Este resultado fue realmente desalentador, ya que indica que no existen diferencias apreciables entre el sencillo cálculo del PSNR y los sofisticados métodos preceptuales propuestos. En base a estos resultados, el VQEG ha realizado una segunda fase de pruebas, llamando nuevamente a interesados en contrastar sus modelos. La denominada fase II para FR-TV fue realizada entre los años 2001 y 2003 y los resultados finales fueron publicados en agosto de 2003 [51]. El objetivo de esta segunda fase era obtener resultados más discriminatorios que los obtenidos en la fase I. Al igual que en la fase I, las evaluaciones fueron realizadas con diversos tipos de material de video, y en formato de 525 y 625 líneas por cuadro. Se evaluaron velocidades entre 768 kb/s y 5 Mb/s. Las pruebas fueron realizadas en 3 laboratorios independientes, en Canadá, Estados Unidos e Italia. Se evaluaron 6 proponentes, algunos de los cuales ya habían sido evaluados en la fase I: NASA (USA, Proponent A) British Telecom (UK, Proponent D) Yonsei University / Radio Research Laboratory (Korea, Proponent E) CPqD (Brazil, Proponent F) Chiba University (Japan, Proponent G) NTIA (USA, Proponent H) En la Figura 6.4 se muestra la exactitud de las predicciones de cada uno de estos modelos, medidos con el coeficiente de correlación de Pearson, según los datos presentados en [51]. Puede verse que, en el formato de 525 líneas, los modelos Redes Unificadas Página 52

53 de British Telecom y de NTIA se destacan del resto, y son estadísticamente equivalentes, según las conclusiones del informe del VQEG. Estos modelos presentan una mejora de un 17% respecto al PSNR. Por otra parte, en el formato de 625 líneas, los modelos de NASA, Yonsei, CpQD y NTIA son los mejores, y también son estadísticamente equivalentes, según las conclusiones del informe. En promedio, presentan una mejora de un 21% respecto al PSNR. Con otras métricas de comparación de los modelos (monotonicidad, consistencia) se obtienen resultados similares. 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, NASA British Telecom Yonsei University CPqD Chiba University NTIA PSNR Figura 6.4 El VQEG esté en proceso de evaluar modelos del tipo RR y NR (Reduced y No Reference), para ámbitos diferentes al de TV. En particular, se espera realizar estudios de modelos específicos para Multimedia, los que seguramente tengan mayor relación directa con el ámbito corporativo. En el contexto del VQEG, Multimedia se define como una aplicación que puede combinar texto, gráficos, video y sonido dentro de un mismo paquete. Estas aplicaciones incluyen, por ejemplo, sistemas de video conferencias. Las herramientas a evaluar por el grupo MM del VQEG pueden ser utilizadas tanto en ambientes de laboratorio (con modelos FR) como en ambientes operacionales, con modelos RR y NR. El análisis será basado en medidas del tipo DMOS para los modelos FR y RR, y medidas de MOS para el modelo NR. Se espera que las pruebas subjetivas se realicen en forma separada para los diferentes tipos de monitores utilizados. Por ejemplo, se prevén pruebas específicas para dispositivos móviles como PDAs, independientes de las pruebas realizadas en ordenadores de escritorio, ya que las características visuales de estos dispositivos son muy diferentes. Por lo tanto, es posible que del resultado de las pruebas, surjan modelos más adecuados a cada tipo de dispositivo. Redes Unificadas Página 53

54 En el caso de RR, se admitirán las siguientes velocidades para el canal de referencia, dependiendo del dispositivo utilizado: PDA/Mobile (QCIF): PC1 (CIF): PC2 (VGA): (1 kb/s, 10 kb/s) (10 kb/s, 64 kb/s) (10 kb/s, 64 kb/s, 128 kb/s) La última versión disponible del plan de pruebas del grupo MM, al momento de publicar estas notas, es la 1.16, del 7 de febrero de 2007 [52] ITU-R BT.1683 Sobre la base de los resultados anteriores, la ITU ha estandarizado, en la recomendación ITU-R BT.1683 [53] de junio de 2004, a los cuatro mejores algoritmos de predicción de la calidad percibida, definidos en el marco de esta recomendación como: British Telecom BTFR (Reino Unido) Yonsei University/Radio Research Laboratory/SK Telecom (Corea) Centro de Investigación y Desarrollo en Telecomunicaciones (CPqD) (Brasil) National Telecommunications and Information Administration (NTIA)/Institute for Telecommunication Sciences (ITS) (Estados Unidos) Es importante destacar que los modelos propuestos en esta Recomendación pueden utilizarse para evaluar un codec (combinación de codificador/decodificador) o una combinación de varios métodos de compresión y dispositivos de almacenamiento en memoria. Aunque en el cálculo de los estimadores de la calidad objetiva descrito en la Recomendación se considera la degradación provocada por errores (por ejemplo, errores en los bits, paquetes rechazados), no se dispone aún de resultados de pruebas independientes para validar la utilización de estimadores en los sistemas con degradación por errores. El material de pruebas utilizado por el VEQG no contenía errores de canal. Redes Unificadas Página 54

55 7 Protocolos VoIP 7.1 H.323 H.323 ( AUDIOVISUAL AND MULTIMEDIA SYSTEMS: Infrastructure of audiovisual services Systems and terminal equipment for audiovisual services [54] es una recomendación de la ITU-T que describe los terminales y demás dispositivos que proveen servicios de comunicaciones multimedia (video, voz y datos) sobre redes de paquetes que no garantizan calidad de servicio (por ejemplo Ethernet con protocolos TCP/IP). La primera versión de H.323 fue aprobada en 1996 por la ITU-T. La versión 2 fue aprobada en enero de 1998, la versión 3 en 1999, la versión 4 en 2000, la versión 5 en 2003 y la versión 6 en junio de H.323 es parte de las recomendaciones H.32x (como por ejemplo H.320 para ISDN y H.324 para la PSTN) H.323 es aplicable a cualquier red conmutada de paquetes, con independencia de los protocolos utilizados en la capa física. La red debe proveer protocolos de entrega confiables (como por ejemplo TCP - Transmission Control Protocol) y protocolos de entrega no confiables (como por ejemplo UDP - User Datagram Protocol). Los protocolos confiables proveen mecanismos de confirmación de recepción de paquetes, y retransmisiones, de ser necesarias, para asegurar la correcta recepción de los paquetes enviados. Los protocolos no confiables son del tipo mejor esfuerzo en la entrega de paquetes, pero no sobrecargan a la red con paquetes de confirmación y eventuales retransmisiones, lo que los hace a su vez más rápidos Arquitectura H.323 La recomendación H.323 define una arquitectura en la que se diferencian los siguientes componentes: Terminales H.323 Pasarelas ( Gateways ) para interconectar el mundo H.323 con otros sistemas de telecomunicaciones (típicamente la red telefónica pública analógica y digital) Controlador H.323 ( Gatekeeper ) Unidades de control multipunto ( MCU - Multipoint Control Units ) Redes Unificadas Página 55

56 Terminales Los terminales H.323 son los teléfonos multimedia IP. Estos teléfonos pueden ser aplicaciones informáticas, que utilizan las capacidades multimedia del PC (parlantes y micrófono), o terminales físicos de similar aspecto a cualquier teléfono o videoteléfono. La recomendación establece que esos terminales deben soportar obligatoriamente comunicaciones de voz y opcionalmente comunicaciones de datos y video. La recomendación también establece los protocolos utilizados en la señalización de las llamadas, los mensajes de control, la manera de realizar la multiplexación de estos mensajes, los codecs de audio y video y los protocolos utilizados para el intercambio de datos entre los terminales. Redes Unificadas Página 56

57 Alcance de H.323 Micrófono Parlante Cámara Display Audio Codec G.711, G.722, G.723, G.728, G.729 Video Codec H.261, H.263 RTP RTCP UDP Equipos de datos Intrerfaz de datos T.120 IP Control Control Interfaces de usuario Canal de control H.245 Canal de señalización H,225.0 (Q.931) Canal de RAS H TCP Audio Codec La recomendación H.323 admite los siguientes tipos de codificación de audio (ver capítulo Error! No se encuentra el origen de la referencia.): G.711 (64 kb/s) G.722 (7 khz speed at 48, 56 and 64K bit/s (hi-fi voice) Redes Unificadas Página 57

58 G.728 (16 kb/s) G (Dual Rate Speed at 6.4 and 5.3K bit/s) G.729 (8 kb/s) Todo terminal H.323 debe obligatoriamente disponer de un codec de audio. Este codec de audio debe soportar como mínimo la codificación G.711 (en Ley A y Ley µ ), y opcionalmente las otras admitidas por la recomendación H.323. El tipo de codec a utilizar al establecer una comunicación de audio con otro terminal es negociado según la recomendación H.245, por el canal de control de llamadas. En una misma comunicación, el terminal H.323 debe ser capaz de utilizar un codec en la recepción y otro diferente en la transmisión. Si el terminal soporta G.723.1, debe ser capaz de codificar a 5.3 kb/s y a 6.3 kb/s. El audio generado es formateado según la recomendación H.225.0, utilizando los estándares RTP (Real Time Protocol) y RTCP (Real Time Control Protocol). Video Codec La codificación de video es opcional en H.323, por lo que pueden existir terminales H.323 que no dispongan de facilidades de video. Sin embargo, si el terminal H.323 dispone de facilidades de comunicaciones de video, debe adecuarse a los siguientes codificadores: H.261 (n x 64 kb/s) H.263 ( < 64 kb/s) H.261 QCIF es obligatorio si el terminal dispone de facilidades de video. Otros modos de H.261 y H.263 son opcionales. El tipo de codec a utilizar al establecer una comunicación de video con otro terminal, la velocidad de transmisión, el formato de la imagen y las opciones de los algoritmos utilizados, son negociados según la recomendación H.245, por el canal de control de llamadas. Un mismo terminal puede soportar a la vez varios canales de video, tanto en la transmisión como en la recepción. Asimismo, en una misma comunicación, el terminal H.323 debe ser capaz de utilizar un codec en la recepción y otro diferente en al transmisión. El video generado es formateado según la recomendación H.225.0, utilizando los estándares RTP (Real Time Protocol) y RTCP (Real Time Control Protocol). Redes Unificadas Página 58

59 Interfaz de datos Los terminales H.323 pueden establecer comunicaciones de datos con otros terminales H.323 (por ejemplo, para compartir documentos). Para ello, pueden abrir canales de datos, los que pueden ser bidireccionales o unidireccionales. La recomendación T.120 provee un estándar de interoperabilidad para el intercambio de datos entre terminales H.323 y otro tipo de terminales (por ejemplo, terminales H.324, H.320 y H.310). RTP (Real-Time Transport Protocol) El protocolo RTP, basado en el RFC 3550 (ver 3.3), establece los principios de un protocolo de transporte sobre redes que no garantizan calidad de servicio para datos de tiempo real, como por ejemplo voz y video. El protocolo establece la manera de generar paquetes que incluyen, además de los propios datos de tiempo real a transmitir, números de secuencia, marcas de tiempo, y monitoreo de entrega. Las aplicaciones típicamente utilizan RTP sobre protocolos de red no confiables, como UDP. Los bytes obtenidos de cada conjunto de muestras de voz o video son encapsulados en paquetes RTP, y cada paquete RTP es a su vez encapsulado en segmentos UDP. RTP soporta transferencia de datos a destinos múltiples, usando facilidades de multicast, si esto es provisto por la red. RTCP (RTP Control Protocol) El RFC 3550 también detalla el protocolo de control RTCP. Los paquetes RTCP son enviados periódicamente y contienen indicadores de la calidad del enlace, y otros datos acerca de la fuente y destino de la comunicación. Estos indicadores incluyen la cantidad de paquetes enviados, la cantidad de paquetes recibidos perdidos y el jitter en el receptor. El RFC 3550 no establece que deben hacer las aplicaciones (terminales H.323 en este caso) con los indicadores recibidos, sino que esto queda librado a cada implementación. Los usos típicos están relacionados con el cambio de codecs, y el reporte de problemas, locales, remotos o globales. Canal de control H.245 Los terminales H.323 utilizan uno o varios canales de control para enviar y recibir mensajes desde y hacia otros terminales y dispositivos H.323 (gateways, gatekeepers, etc.). El protocolo utilizado en estos canales de control está determinado en la recomendación H.245 ( Line transmisión of non-telephone signals Control protocol for multimedia communication (ver [55])) de la ITU-T. Redes Unificadas Página 59

60 Los mensajes definidos en H.245 incluyen el intercambio de las capacidades de cada terminal, la apertura y cierre de canales lógicos, mensajes de control de flujo y comandos e indicadores generales. Los terminales deben mantener un canal de control H.245 por cada llamada en la que el terminal esté participando. Dado que un terminal puede estar participando en forma simultánea en varias llamadas, puede tener también varios canales de control H.245 abiertos. Canal RAS H (Registration, Admission and Status) El canal de RAS es utilizado entre los terminales y el Gatekeeper (Ver ). A través de éste canal, el terminal realiza las funciones de registro, admisión, solicitud de ancho de banda, status, etc. Este canal de señalización es independiente del canal de control H.245 y del canal de señalización de llamadas. En ambientes de red dónde no se dispone de Gatekeepers (recordar que los gatekeepers son opcionales en una red H.323), el canal de RAS no es utilizado por los terminales. En ambientes de red dónde se dispone de un Gatekeeper, el canal de RAS debe ser abierto entre el terminal y el gatekeeper, antes de ser abierto cualquier otro canal entre terminales. El protocolo utilizado en el canal RAS está descrito en la recomendación de la ITU-T H Call signalling protocols and media stream packetization for packet-based multimedia communication systems [56] Canal de señalización H El canal de señalización del terminal H.323 utiliza funciones de señalización del protocolo H para establecer conexiones con otro terminal H.323. Este canal de señalización es independiente del canal de RAS y del canal de control H.245. El canal de señalización es abierto por el terminal antes de establecer el canal de control H.245. En ambientes de red en los que no hay Gatekeeper, el canal de señalización es establecido directamente entre dos terminales. En ambientes de red en los que se dispone de un Gatekeeper, el canal de señalización es abierto entre el propio terminal y el Gatekeeper, o entre el propio terminal y otro terminal, de acuerdo a lo indicado por el Gatekeeper. La recomendación H utiliza los mensajes descritos en la recomendación Q.931 [57], utilizada en ISDN Redes Unificadas Página 60

61 Gateways (Pasarelas) Los gateways o pasarelas, realizan la función de interconexión entre las redes H.323 y otras redes de comunicaciones, como la red pública conmutada (PSTN Public Switched Telephony Network) analógica y digital, o redes SIP. Los gateways son responsables de adaptar el audio, video y los datos, así como también la señalización, entre los formatos propios de H.323 y otras redes de telecomunicación, de manera transparente para los usuarios. Los terminales H.323 pueden comunicarse con otros terminales H.323 de la misma red en forma directa, sin utilizar gateways. En redes dónde no es necesario tener comunicación con terminales externos a la propia red, no es necesario disponer de gateways. Por ello, son elementos opcionales en la recomendación H.323 Hacia la red H.323, el gateway presenta las características de un terminal H.323 (o de un MCU Multipoint Control Unit), y hacia la red PSTN, el de un terminal telefónico (de acuerdo al tipo de red a la que esté conectado, podrá presentar las características de un teléfono analógico, ISDN, etc.) Los gatekeeprs conocen la existencia de gateways, ya que esto es especificado en el momento en que el gateway se registra en el gatekeeper. La recomendación no detalla la manera en que deben implementarse los gateways. Pueden ser parte del mismo equipo donde reside el gatekeeper, ser equipos independientes, etc. Redes Unificadas Página 61

62 Gatekeeper Las redes H.323 pueden disponer de un elemento centralizador de control y servicios telefónicos, llamado en la recomendación Gatekeeper. Este dispositivo, en caso de existir, debe proveer, como mínimo, los siguientes servicios: Traducción de direcciones Una de las funciones principales del Gatekeeper es traducir un número telefónico, o un alias a la dirección de red apropiada (por ejemplo, la dirección IP). Para ello, el Gatekeeper debe disponer de una tabla de traducción de direcciones, que se actualiza cada vez que un dispositivo (por ejemplo un terminal H.323) se registra o de-registra en el Gatekeeper. Control de Admisión El Gatekeeper puede autorizar o negar el acceso (registro) a la red H.323, utilizando mensajes descriptos en la recomendación H Las reglas de decisión para autorizar o negar el acceso no son parte de la recomendación. Control de Ancho de Banda El Gatkeeper debe soportar la mensajería H respecto a la asignación de ancho de banda. Mediante los protocolos adecuados, puede indicar a cada terminal el ancho de banda total disponible según el tipo de llamada, las categorías de los terminales, etc. Gerenciamiento de su Zona Un Gatekeeper define una Zona H.323. Los terminales, gateways y MCUs registrados en el mismo Gatekeeper pertenecen a la misma zona. El Gatekeeper debe brindar como mínimo los servicios descritos anteriormente para todos los dispositivos de su Zona. En forma adicional a los servicios indicados, el Gatekeeper puede brindar cualquier otro tipo de servicios adicionales, como por ejemplo: Señalización para el control de llamadas Cuando una red H.323 dispone de un Gatekeeper, la señalización para el establecimiento y liberación de llamadas puede realizarse directamente entre dos terminales, o a través del Gatekeeper. El Gatekeeper puede asumir la función de centralizador de señalización, de manera que los terminales tengan que utilizarlo para las funciones de señalización de llamadas. Autorización de llamadas Mediante el uso de señalización H.225.0, el Gatekeeper puede autorizar o negar llamadas solicitadas desde los terminales. Las razones para autorizar o negar llamadas pueden incluir criterios de restricciones de ciertos terminales, horarios del día, etc. La recomendación no establece cuales deben ser estos criterios, los que quedan librados a los fabricantes. Redes Unificadas Página 62

63 Una red puede tener más de un Gatekeeper, los que pueden comunicarse entre sí. Los protocolos de comunicación utilizados entre dos o más Gatekeeper no están especificados en la recomendación MCU Multipoint Control Unit (Unidad de control multipunto) El MCU provee soporte para realizar conferencias, entre 3 o más terminales. Se compone de unidades Controladoras Multipunto (MC Multipoint Controller) y Procesadores Multipunto (MP Multipoint Processor) Controladoras Multipunto (MC Multipoint Controller) Los controladores multipunto (MC) proveen las funciones de control necesarias para la implementación de conferencias de 3 o más terminales. Los MC realizan el intercambio de capacidades entre los terminales de la conferencia, de manera de establecer un modo común a todos los participantes. Como parte del establecimiento de una conferencia, los terminales se conectan a un MC utilizando el canal de control H.245. Procesadores Multipunto (MP Multipoint Processor) A diferencia de los MC, que se encarga exclusivamente del control de las conferencias, los MP reciben los canales de audio, video y/o datos de los terminales, los procesan, y los redistribuyen nuevamente a los terminales. Los MP son los encargados de realizar la conmutación o mezcla del audio y video proveniente de los terminales, y redistribuirlo hacia los terminales. El MP puede decidir conmutar el audio o video, de manera de enviar hacia todos los terminales de la conferencia el audio o video proveniente de uno de los terminales, o mezclar el audio y video, de manera de enviar hacia todos los terminales la suma del audio y video proveniente de todos los otros. En el caso de video, la mezcla puede consistir en enviar hacia un mismo terminal varios cuadrantes, cada uno con el video proveniente desde los otros terminales. El criterio utilizado para realizar las mezclas o la conmutación es determinado por el MC. El MCU mínimo puede consistir de un único MC y ningún MP. En este caso, las funciones de mezcla y conmutación de audio y video deberán ser provistas por los propios terminales. Un MCU típico, que soporte conferencias centralizadas, se compone de un MC y un MP. Un MCU típico que soporte únicamente conferencias descentralizadas, se compone de un MC y un MP con soporte únicamente la recomendación T.120 (datos) Redes Unificadas Página 63

64 7.2 SIP En marzo de 1999 es aprobado el RFC 2543, por el grupo de estudio MMUSIC del IETF, dando origen oficial al protocolo SIP (Session Initiaton Protocol). SIP tiene sus orígenes a fines de 1996, como un componente del Mbone (Multicast Backbone), El Mbone, era una red experimental montada sobre la Internet, para la distribución de contenido multimedia, incluyendo charlas, seminarios y conferencias de la IETF. Uno de sus componentes esenciales era un mecanismo para invitar a usuarios a escuchar una sesión multimedia, futura o ya establecida. Básicamente un protocolo de inicio de sesión (SIP). En junio de 2002, el RFC 2543 fue reemplazado por un conjunto de nuevas recomendaciones, entre las que se encuentran los RFC 3261 al 3266 [58][59][60][61][62][63]. Una completa introducción a SIP puede leerse en [64] Mensajería SIP La mensajería SIP está basada en el esquema Request Response de http. Esto presenta ciertas ventajas, sobre todo para los familiarizados con las tecnologías HTTP. A diferencia de H.323, todos los mensajes son de texto plano, y por lo tanto fáciles de interpretar (recordar que en H.323, los mensajes eran binarios). Para iniciar una sesión se envía un mensaje de Request a una contraparte de destino. El destino recibe el Request, y lo contesta con el correspondiente Response. Un ejemplo del establecimiento de una comunicación se muestra en la figura Redes Unificadas Página 64

65 SIP User Agent Client INVITE SIP User Agent Server 180 Ringing 200 OK ACK Media Stream BYE 200 OK host.abc.com sip.fing.com Los mensajes de Request tiene el formato <Método> <URL> <SIP-Version> Por ejemplo: INVITE SIP/2.0 La siguiente tabla resume los métodos SIP Método Descripción INVITE A session is being requested to be setup using a specified media ACK Message from client to indicate that a successful response to an INVITE has been received OPTIONS A Query to a server about its capabilities BYE A call is being released by either party CANCEL Cancels any pending requests. Usually sent to a Proxy Server to cancel searches REGISTER Used by client to register a particular address with the SIP server SUBSCRIBE Used to request status or presence updates from the presence server NOTIFY Used to deliver information to the requestor or presence watcher. Redes Unificadas Página 65

66 Las respuestas ( Response ) tienen el formato <SIP-Version> < Status-Code> <Reason> Por ejemplo: SIP/ Not Found La siguiente tabla resume las respuestas SIP Respuesta Descripción 1xx 2xx 3xx 4xx 5xx 6xx Informational Request received, continuing to process request. Success Action was successfully received, understood and accepted. Redirection Further action needs to be taken in order to complete the request. Client Error Request contains bad syntax or cannot be fulfilled at this server. Server Error Server failed to fulfill an apparently valid request. Global Failure Request is invalid at any server. Ejemplo 180 Ringing 181 Call is Being Forwarded 200 OK 300 Multiple Choices 302 Moved Temporarily 401 Unauthorized 408 Request Timeout 503 Service Unavailable 505 Version Not Suported 600 Busy Everywhere 603 Decline Para comprender mejor el formato de los mensajes SIP, se analizará con más detalle el método INVITE. El método INVITE contiene varios campos que forman un cabezal. Este cabezal incluye atributos que proporcionan información adicional acerca del mensaje. En el INVITE se incluye un identificador único de la llamada, la dirección del destino, la dirección del origen, e información acerca del tipo de sesión que se quiere establecer. Un ejemplo del cabezal de INVITE es el siguiente: INVITE sip:pepe@fing.com SIP/2.0 Via: SIP/2.0/UDP pc33.montevideo.com;branch=z9hg4bk776asdhds Max-Forwards: 70 To: Pepe <sip:pepe@fing.com> From: Alicia <sip:alicia@abc.com>;tag= Call-ID: a84b4c76e66710@pc33.montevideo.com CSeq: INVITE Contact: <sip:alicia@pc33.montevideo.com> Content-Type: application/sdp Content-Length: 142 Redes Unificadas Página 66

67 La primer línea del mensaje contiene el nombre del método ( INVITE en el ejemplo anterior). Las líneas siguientes contienen el resto de los campos del cabezal. Los detalles de la sesión, como por ejemplo el tipo de medio, el codec o la frecuencia de muestreo, no son descriptos en el cabezal SIP. El cuerpo del mensaje SIP contiene una descripción de estos parámetros, codificados en un formato conocido como SDP (Session Description Protocol). Este mensaje SDP (no mostrado en el ejemplo anterior) es transportado en el mensaje SIP de manera similar a como se transporta un documento adjunto en un mensaje de . El formato SDP se estandariza en el RFC 2327 [65] Un ejemplo del mensaje anterior, incluyendo el cuerpo SDP, se muestra a continuación: INVITE sip:pepe@fing.com SIP/2.0 Via: SIP/2.0/UDP pc33.montevideo.com;branch=z9hg4bk776asdhds Max-Forwards: 70 To: Pepe <sip:pepe@fing.com> From: Alicia <sip:alicia@abc.com>;tag= Call-ID: a84b4c76e66710@pc33.montevideo.com CSeq: INVITE Contact: <sip:alicia@pc33.montevideo.com> Content-Type: application/sdp Content-Length: 142 v=0 o=agarcia IN IP s=phone Call c=in IP t=0 0 m=audio RTP/AVP 0 a=rtpmap:0 PCMU/8000 El formato de cada renglón de SDP es <tipo>=<valor>. <tipo> es siempre un único carácter, y se diferencian mayúsculas de minúsculas. El formato de <valor> depende del <tipo> al que corresponda. No puede haber espacios al lado del =, ni antes ni después. En este ejemplo, SDP contiene: Versión del protocolo (v) Origen (o) o=<username> <session id> <version> <network type> <address type> <address> Nombre de la sesión (s) Debe haber un único campo de nombre de sesión. Redes Unificadas Página 67

68 Datos de la conexión (c) c=<network type> <address type> <connection address> <network type> = IN para Internet <address type> = IP4 para IP version 4 <connection address> Es la dirección IP, que puede ser una dirección de multicast. Puede incluirse un valor de TTL (Time To Live), luego de la dirección IP, separada con el símbolo /, por ejemplo: c=in IP /127 Temporaizadores (t) t=<start time> <stop time> Indica las horas de comienzo y fin de una sesión. Medios (m) m=<media> <port> <transport> <fmt list> <media> puede ser "audio", "video", "application", "data" and "control" <port> Puerto para el stream de medios <transport> Para IP4, típicamente es RTP/AVP, indicando que se utiliza el transporte RTP <fmt list> Es el formato del audio o video transportado (Ver Tipo de información (PT=Payload Type) ) Atributos (a) a=<attribute>:<value> a=<attribute> El campo a permite definir atributos, tanto a nivel de la sesión como a nivel de cada uno de los medios. Puede haber varios campos de atributos. Éstos pueden ser propiedades, del tipo a=<flag>, o atributos, del tipo a=<attribute>:<value> Arquitectura SIP SIP utiliza una arquitectura del tipo Cliente-Servidor, y tiene los siguientes componentes: Terminales SIP (SIP User Agents) Servidores SIP (Registrar, Proxy, Redirect, Location, Presence) Pasarelas SIP (Gateways) Redes Unificadas Página 68

69 Terminales SIP Los terminales SIP, al igual que los H.323 son teléfonos multimedia IP. Estos teléfonos pueden ser aplicaciones informáticas, que utilizan las capacidades multimedia del PC (parlantes y micrófono), o terminales físicos de similar aspecto a cualquier teléfono o videoteléfono. Los terminales SIP, llamados SIP User Agents, pueden iniciar y recibir sesiones SIP. Cada terminal dispone de un User Agent Client (UAC) y un User Agent Server. Los UAC son los encargados de iniciar requerimientos SIP hacia otros terminales. Los UAS son quienes escuchan y atienden los requerimientos remotos. Así como los terminales telefónicos clásicos se identifican mediante su número de teléfono, o número de abonado, y los terminales H.323 mediante su alias, los terminales SIP se identifican a través de su dirección SIP. El direccionamiento en SIP utiliza el formato de URLs de Internet: sip:nombre@dominio Los terminales SIP pueden soportar servicios de presencia, incorporando agentes de presencia (PA= Presence Agent). En estos casos son capaces de recibir solicitudes de subscripciones y generar notificaciones de cambios de estados. Un PA soporta un paquete de eventos de presencia, el que incluye los métodos SUBSCRIBE y NOTIFY Servidores SIP Registrar Server Es un servidor de registro de usuarios SIP. Los usuarios (agentes SIP) solicitan su registro en este servidor, mediante el intercambio de mensajes SIP. Un servidor de registro acepta solamente el método REGISTER, rechazando cualquier otro método con una respuesta 501 (Not Implemented). La información de los usuarios registrados es puesta a disposición de otros servidores, como los Proxies o Redirect. Proxy Server Es un servidor que atiendo las solicitudes y las redirige. Para ubicar el destino, puede consultar un servidor de ubicaciones (Location Server). La siguiente figura esquematiza el funcionamiento de SIP Proxy Redes Unificadas Página 69

70 SIP User Agent Client INVITE 200 OK SIP Proxy Server INVITE 200 OK SIP User Agent Server Media ACK BYE 200 OK host.fing.com server.fing.com sip.abc.com Los servidores Proxy tienen las siguientes características: 1. Un servidor Proxy no origina requerimientos (request), únicamente responde a requerimientos provenientes de agentes 2. No tiene capacidad de medios (audio, vide, etc.) 3. No cambia ni interpreta los cuerpos de los mensajes. Se basa exclusivamente en los campos del cabezal del mensaje. Un uso típico de servidores Proxy se ve en la siguiente figura [64]: Redes Unificadas Página 70

71 Redirect Server Es un servidor de redireccionamiento. A diferencia del Proxy, no interviene en el establecimiento de la comunicación, sino que informa la manera de ubicar al destino final. La figura siguiente esquematiza el funcionamiento de SIP Redirect Redes Unificadas Página 71

72 SIP User Agent SIP Redirect Server INVITE REGISTER 200 OK SIP User Agent 302 Moved ACK C 1 2 RS INVITE 3 UAS 180 Ringing 200 OK ACK Media Stream host.wcom.com Location Server server.wcom.com sip.uunet.com Es un servidor de búsqueda. Puede ser consultado para obtener la dirección final de un usuario SIP. Presence Server Un servidor de presencia es un equipo que en ciertas ocasiones actúa como un agente de presencia y envía información de presencia a otros agentes, y en otras ocasiones actúa como proxy, redirigiendo las solicitudes de subscripciones a otros agentes de presencia Gateway SIP Al igual que en H.323, existen pasarelas SIP hacia la PSTN y también hacia H.323 Los gateways son responsables de adaptar el audio, video y los datos, así como también la señalización, entre los formatos propios de SIP y otras redes de telecomunicación, de manera transparente para los usuarios. En redes dónde no es necesario tener comunicación con terminales externos a la propia red, no es necesario disponer de gateways. Redes Unificadas Página 72

73 8 Unificación en el Backbone Como vimos en la Introducción, la integración de las redes de voz y datos en el Backbone (es decir, en los enlaces a distancia entre varios puntos de la misma empresa) es un concepto que tiene ya varios años, y el principal móvil es el ahorro económico. En la actualidad la gran mayoría de las empresas con varias sucursales disponen de enlaces dedicados de datos, utilizando diversas tecnologías. Estos enlaces, generalmente tienen un costo fijo mensual, independientemente de su utilización. Es por tanto razonable tratar de incluir en estos enlaces la mayor cantidad de información posible, incluyendo conversaciones de voz. Para ello se han desarrollado varias tecnologías. 8.1 Multipelxores Son equipos capaces de combinar (multiplexar) tráfico de voz y de datos y enviarlo por un mismo enlace digital. Un equipo similar en la punta opuesta del enlace separa ( demultiplexa ) los distintos tipos de tráficos. Los enlaces digitales pueden ser de diversas tecnologías, como enlaces punto a punto, Frame Relay, ATM, etc. Los Multiplexores disponen generalmente de interfaces de datos (pueden ser LAN, seriales, etc.) y de voz (con señalización FXS, FXO, E&M, E1, etc.) LAN MUX WAN MUX LAN PBX Voz Voz PBX Interfaces de Voz: FXS Esta interfaz simula una línea urbana, a la que se puede conectar un teléfono analógico. También es posible conectar un puerto de línea urbana de una PBX. Redes Unificadas Página 73

74 FXO Esta interfaz simula un teléfono, a la que se puede conectar una línea urbana. También es posible conectar un puerto de interno de una PBX. E&M Esta interfaz se conecta a PBX, con señalización E&M T1 / E1 Esta interfaz provee canales telefónicos a través enlaces digitales T1 (24 canales) o E1 (30 canales), típicamente con señalización CAS (Channel Associated Signaling) o ISDN PRI. En cualquiera de los casos, la voz es empaquetada y enviada al enlace WAN en conjunto con los datos. El tipo de enlace WAN puede ser IP, Frame Relay, ATM, etc. La calidad de la voz depende del protocolo del enlace y de varios factores, como ser, algoritmos de compresión, tecnología utilizada, ancho de banda, etc. 8.2 Routers con placas de voz Los equipos ruteadores ( routers ) fueron diseñados originalmente para interconectar dos o varias redes de área local (LAN) a través de enlaces de datos a distancia (WAN). Generalmente tienen incorporados algoritmos de ruteo de varios protocolos (incluido casi siempre el protocolo IP), y soportan una gran variedad de protocolos de WAN (Frame Relay, enlaces punto a punto, etc.) Muchos de estos equipos soportan actualmente placas de voz, con las mismas interfaces que los multiplexores (FXS, FXO, E&M, E1, etc.) 8.3 PBX con Gateways IP Muchas PBX soportan actualmente la incorporación de Gateways IP. Estos Gateways conectan la PBX directamente a la LAN, e implementan la conversión de la voz a paquetes IP y viceversa. Los paquetes de voz que salen del Gateway son enviados por el Router, a través de la WAN, hasta el Gateway de la otra PBX. Redes Unificadas Página 74

75 I P IP PBX PBX LAN Router WAN Router LAN Es de hacer notar que en estas configuraciones se requiere que el Gateway marque los paquetes de voz como prioritarios y que el router respete ésta priorización. Esto es muy importante debido a la diferencia de velocidades de transmisión que típicamente existen entre la LAN y la WAN. Mientras que en la LAN es usual disponer de velocidades de 100 Mb/s, en la WAN, ésta velocidad no sobrepasa generalmente 1 Mb/s y muchas veces se dispone velocidades menores a 0.1 Mb/s (por ejemplo 64 kb/s). Esto indica una relación de velocidades de 1 a 100 o a Por ésta razón, los routers implementan colas de datos: Los paquetes recibidos de la LAN son encolados para ser enviados a la WAN. Dado que la LAN tiene una velocidad mucho mayor que la WAN, las ráfagas de paquetes recibidos desde la LAN pueden tener que esperar tiempos largos hasta ser enviados a la WAN. Esto perjudica especialmente a los paquetes de voz y video, que requieren demoras de punta a punta muy pequeñas. Para evitar estos problemas, es posible marcar los paquetes, tanto a nivel IP como a nivel Ethernet, indicando la prioridad del mismo. Los routers preparados para aplicaciones de voz, soportan varias colas de datos, y los envíos a la WAN se realizan por orden de prioridad. Los estándares más comunes son DiffServ (para IP) y 802.1p para Ethernet. Por otro lado, cuando la velocidad de acceso a la WAN es pequeña, los tiempos que demoran en ser enviados los paquetes no son despreciables. Por ejemplo, un paquete de bytes, transmitido a 32 kbps demora 375 mseg en ser transmitido (1,5x8/32). Los paquetes de voz, aún siendo priorizados, deberán esperar a que pase el paquete de datos, por lo que se introducen demoras muy apreciables en el sistema. Previniendo esto, algunos protocolos de WAN pueden fragmentar los paquetes IP grandes, en varios paquetes de WAN más pequeños, de manera que entre cada fragmento del paquete original se puedan insertar paquetes de voz. En el caso de Frame Relay, los mecanismos de fragmentación están normalizados, según la recomendación FRF-12 ( Frame Relay Fragmentation Implementation Agreement ) Redes Unificadas Página 75

76 8.4 Gateways IP independientes Estos equipos se utilizan cuando se dispone de PBX y routers que no soportan la incorporación de Gateways IP. Son equipos independientes, que disponen de las interfaces telefónicas clásicas (FXS, FXO, E&M, etc.) y son capaces de paquetizar la voz sobre IP. Es muy importante que éstos equipos puedan marcar a los paquetes que generan como prioritarios, ya sea a nivel de IP, Ethernet, o ambos. Es también muy importante que los routers respeten la priorización, según las marcas realizadas por los gateways Gw Gw PBX PBX LAN Router WAN Router LAN Redes Unificadas Página 76

77 9 Unificación en el Escritorio La unificación de las redes de voz y datos a nivel del escritorio comprende varias tecnologías. La tecnología llamada CTI (Computer Telephony Integration) permite vincular la telefonía con las aplicaciones informáticas. Sobre esta tecnología se han desarrollado diversos tipos de aplicaciones. Se destaca su uso en ambientes de Call Center, y más recientemente, como plataforma tecnológica para las denominadas Comunicaciones Unificadas. 9.1 CTI La tecnología de CTI (Computer Telephony Integration) fue concebida manteniendo las redes de voz y las de datos separadas, pero permitiendo integrar ambos sistemas. Esto se logra a través de vínculos de datos entre los servidores informáticos y las centrales telefónicas. LAN Host Enlace Pbx Las tecnologías de CTI permiten mantener los teléfonos de escritorio, ya sean TDM (analógicos o digitales) o IP, pero controlados desde aplicaciones informáticas. Estas aplicaciones informáticas pueden integrarse con funciones telefónicas, permitiendo realizar screen popups cuando llega una llamada, y controlando las funciones de los teléfonos desde el computador. La tecnología de CTI permite "sincronizar" la recuperación de datos en las aplicaciones de los PCs con el ingreso de cada llamada. Por ejemplo, si se dispone de la facilidad de identificación del abonado llamante, es posible, utilizando funciones de CTI, desplegar en la pantalla del PC los datos del llamante antes de atender la llamada, de manera que se pueda saludar a quien llama por su nombre, o se conozca el historial del llamante sin necesidad de preguntar su identificación. Las tecnologías de CTI son ampliamente utilizadas, desde hace ya varios años, en ambientes de Call Center, dónde es importante minimizar los tiempos de cada Redes Unificadas Página 77

78 llamada, y brindarle a las telefonistas la máxima información posible referente al cliente. Estas tecnologías están teniendo actualmente creciente difusión en ambientes corporativos, asociados a la integración de las aplicaciones de escritorio y sistemas de presencia. Con este tipo de integraciones, el correo electrónico, las herramientas de oficina y la mensajería instantánea se integran a la telefonía, permitiendo por un lado actualizar el estado de presencia en función de la actividad telefónica, y por otro, iniciar llamadas desde aplicaciones de escritorio, en forma automática y a través del teléfono habitual. CTI es conocido también como RCC, o Remote Call Control, entiendo por éste concepto a las tecnologías que permiten realizar el control de las llamadas y los teléfonos desde aplicaciones externas. Las tecnologías de CTI están basadas en arquitecturas del tipo cliente servidor. Un Servidor de Telefonía se vincula con la PBX mediante un enlace dedicado a tal fin. Originalmente estos enlaces se implementaban sobre comunicaciones seriales (RS-232 por ejemplo). Actualmente se realizan a través de la red IP. En el Servidor de Telefonía se instalan programas que dialogan con las PBX, y publican servicios para los usuarios de la red de datos. Éstos servicios permiten controlar los dispositivos telefónicos (por ejemplo, los teléfonos) desde aplicaciones informáticas. Existen varios estándares de CTI entre los que se destacan: TAPI (Telephony API): Es utilizada en ambientes Microsoft. Las bibliotecas necesarias para su uso se distribuyen como parte de los sistemas operativos Windows JTAPI (Java Telephony API) CSTA (Computer Supported Telecommunications Applications) ECMA TR/87 Protocolos propietarios (como por ejemplo MLink de Nortel, ASAI de Avaya, etc.) Microsoft TAPI Las bibliotecas TAPI de Microsoft contienen un conjunto de funciones de telefonía, que pueden ser utilizadas desde aplicaciones desarrolladas en C, C++,.net o cualquier otro lenguaje de programación que pueda llamar a funciones de Microsoft. La arquitectura es del tipo Cliente-Servidor, como se esquematiza en la figura siguente. En el Servidor residen los componentes Telephony Service (de Microsoft) y el denominado Telephony Service Provider (TSP), que es el responsable de mantener el vínculo con la PBX, implementando el protocolo adecuado (el que puede ser propietario). Los clientes se comunican con el servidor a través de las funciones de TAPI locales. Redes Unificadas Página 78

79 9.1.2 JAVA JTAPI La especificación de JTAPI (Java Telephony API) fue desarrollada en forma conjunta por diferentes empresas, de computación y telecomunicaciones (Sun, Avaya, Nortle, Intel, IBM, entre otras). La primera versión de JTAPI data de 1996, y la más reciente, la versión 1.4, de El modelo de JTAPI se muestra en la siguiente figura. JTAPI es una capa por encima del motor de tiempo real de Java (Java Run-Time), y accede remotamente a al servidor de telefonía, donde residen APIs de telefonía (como TAPI). JTAPI dispone de un conjunto completo de funciones y eventos de telefonía, que pueden ser utilizadas desde aplicaciones JAVA. Redes Unificadas Página 79

80 9.1.3 CSTA CSTA (Computer Supported Telecommunications Applications) proporciona una capa de abstracción para las aplicaciones de telecomunicaciones que requieran usar tecnologías de CTI. La primera versión fue publicada en 1992, y es conocida con Fase I. La actual Fase III fue publicada en 1998, y ha tenido varias actualizaciones posteriores. En 2000 CSTA fue estandarizada por la ISO en las recomendaciones ISO/IEC 18051, ISO/IEC 18052, ISO/IEC y ISO/IEC El modelo de CSTA es similar a los anteriores, conectando el dominio informática con el de la PBX a través de un Switch Link. CSTA utiliza ASN.1 ("Abstract Syntax Notation One"), una metodología para representar estructuras de datos desarrollada por la ITU. ASN.1 consiste en un lenguaje declarativo, y ciertas reglas de codificación para traducir el código ASN.1 en un flujo de bytes que se puedan ser fácil y eficientemente transmitidos. Al estar normalizado, se garantiza que la codificación y la decodificación de los mensajes es realizada de la misma manera. Redes Unificadas Página 80

81 CSTA tiene un conjunto completo de funciones, incluyendo: 26 funciones de control de llamadas ( Call Control, como Make Call, Answer call, etc.) 6 funciones asociadas a las llamadas ( Call Associated, como Send User Data, etc.) 19 funciones lógicas ( Logical Device features, como do not disturb, forwarding, etc.) 23 funciones asociadas a los dispositivos físicos ( Physical Device como escribir en los displays de los teléfonos, etc.) 5 funciones de intercambio de capacidades ( Capability Exchange, como feature discovery, etc.) 4 funciones de consultas ( Snapshot features como consultar las llamadas establecidas en un dispostivo, etc.) 3 funciones de monitorización ( Monitor features, como subscribirse a notificaciones de eventos, etc.) 17 funciones de voz ( Voice Services, como detección de DTMF, etc.) Otras funciones de ruteo, funciones de mantenimiento, administración, etc. El modelo de llamada entrante en CSTA es el siguiente: Offered Delivered Established Accept Call Answer Call Clear Connection Connection Cleared El modelo de llamada saliente (por ejemplo Make Call ) en CSTA es el siguiente: Redes Unificadas Página 81

82 Originated Call Offered To Called device Offered Called Device alerted Delivered Called Party answers Established Called Party clears Connection Cleared Adicionalmente, CSTA soporta el control y notificación de interacciones no telefónicas, como por ejemplo mensajería instantánea, correo electrónico y Chat. Esto permite utilizar un mismo modelo para la atención de contactos multimedia, ya sean de voz, texto, etc ECMA TR/87 Entre los estándares, ECMA (European Computer Manufacturer's Association) TR/87 se destaca por estar siendo adoptado por diferentes aplicaciones, entre ellas Microsoft Office Communicator. Este protocolo fue estandarizado por la ISO en la recomendación ISO/IEC TR 22767, en agosto de 2005 [66]. Este estándar utiliza el protocolo SIP (ver la sección 7.2) y lo adapta para ser utilizado como transporte para notificar los eventos telefónicos de CSTA. Los eventos telefónicos son embebidos, extendiendo el protocolo CSTA, dentro de mensajes con formato SIP. Por ejemplo, un mensaje SIP TR/87 tiene un formato como el siguiente: INFO sip:signalingisbel@isbel.com.uy:5060;maddr= contact: <sip:cavallone@isbel.com.uy:1554;maddr= ;transport=tcp;ms-receivedcid=a400> via: SIP/2.0/TCP :9639;ms-received-port=1554;ms-received-cid=a400 max-forwards: 70 from: "Claudio Avallone" <sip:cavallone@isbel.com.uy>;tag=fe92afa496;epid=df4c4f0f01 to: <sip:signalingisbel@isbel.com.uy>;tag=af01a8c0-13c4-46f3f24e-167cfc9b-2f52 call-id: 1d8f7fcfb3d54d6b8d0066edd39ccd27 cseq: 6 INFO user-agent: LCC/1.3 content-disposition: signal;handling=required content-type: application/csta+xml content-length: 279 <?xml version="1.0"?> - <MakeCall xmlns=" <callingdevice>tel:121;phone-context=dialstring</callingdevice> <calleddirectorynumber>tel:esn 330</calledDirectoryNumber> <autooriginate>donotprompt</autooriginate> </MakeCall> El cabezal es un comando SIP, del tipo INFO El cuerpo del mensaje se corresponde con un formato XML, donde se detalla el tipo de operación telefónica a realizar ( Make call en el ejemplo anterior). Redes Unificadas Página 82

83 La siguiente figura (tomada de [66]) ilustra el proceso de intercambio de mensajes para iniciar una llamada desde una aplicación, utilizando TR/87. Se puede observar como todos la mensajería CSTA se incluyen dentro de métodos INFO de SIP. Redes Unificadas Página 83

84 9.2 Comunicaciones Unificadas Las comunicaciones unificadas son un resultado directo de la convergencia de las telecomunicaciones y las aplicaciones. Diferentes formas de comunicación han sido históricamente desarrolladas, promocionadas y distribuidas como aplicaciones independientes. La convergencia de todas las formas de comunicación sobre redes IP y sobre plataformas estandarizadas de software han permitido el desarrollo de un nuevo paradigma, cambiando la manera en que los individuos y las organizaciones se comunican. Las Comunicaciones Unificadas reducen la latencia humana en los procesos de negocios. Si bien los diferentes métodos de comunicación (voz, mensajería instantánea, etc.) pueden ser utilizados en forma individual e independiente, la unificación entre todos ellos ayuda a mejorar la productividad y la eficiencia, permitiendo disminuir los tiempos necesarios para contactar a otras personas, u obtener respuestas a las necesidades en forma más rápida. Las Comunicaciones Unificadas pueden definirse genéricamente como una plataforma de aplicaciones que mejoran la productividad individual, grupal y organizacional permitiendo y facilitando la administración y el control integrado de diversos canales de comunicación, redes, sistemas y aplicaciones de negocios [67]. Los componentes de las Comunicaciones Unificadas incluyen aplicaciones de presencia, mensajería instantánea, telefonía IP, conferencia de audio, conferencia web o colaboración de datos, mensajería unificada (un lugar común de almacenamiento de correo de voz, correo electrónico y fax), movilidad y/o video conferencia, todo accesible a través de una única interfaz de cliente, o embebida dentro de una interfaz de aplicación Componentes de las Comunicaciones Unificadas Escritorio Convergente Utilizando Comunicaciones Unificadas se obtiene un escritorio unificado o convergente ( Converged Desktop ). Este concepto apunta a consolidar las interfaces informáticas y telefónicas, manteniendo ambas, pero permitiendo un alto grado de integración y unificación. Mediante la utilización de técnicas de CTI, integradas o embebidas en las aplicaciones de escritorio, es posible: Recibir notificaciones de llamadas telefónicas en el escritorio: Mediante la presentación de pantallas emergentes ( screen popups ), la información de las llamadas entrantes se despliegan de manera similar a la recepción de un nuevo correo electrónico, o de un mensaje instantáneo Redes Unificadas Página 84

85 Controlar el teléfono desde el escritorio: Las llamadas pueden ser atendidas u originadas desde las aplicaciones de escritorio, integrando la libreta de direcciones corporativa. Mediante 1 click sobre el nombre de la persona es posible iniciar una llamada, a su interno, a su celular, a su trabjo, etc. Redes Unificadas Página 85

86 Activar desvíos inteligentes de llamadas: En forma integrada al calendario de reuniones, o al estado de presencia, es posible activar desvíos de llamadas, al correo de voz, al celular, etc. Combinar los sistemas de mensajería instantánea y presencia a las actividades telefónicas: Automáticamente el estado de presencia se cambia a Al teléfono cuando se está en una llamada. Adicionalmente, con una llamada establecida, se puede iniciar una sesión de mensajería instantánea para intercambiar archivos, o compartir el escritorio Presencia La presencia es una indicación del estado de disponibilidad de una persona para comunicarse con otras. Los sistemas de presencia basan su desarrollo en las recomendaciones del RFC 2778 [68] donde se definen las siguientes entidades: Presentity: Una entidad descrita por su información de presencia. Generalmente esta entidad es una persona, y su estado se mantiene en un servidor de presencia. Watcher: Quienes solicitan información de presencia de otras personas al servidor de presencia Fetcher: Un watcher que solicita el estado actual de presencia de algún Presentity a través del servidor de presencia Subscriber: Un watcher que solicita notificaciones del servidor de presencia cuando algún presentity cambia de estado. Poller: Una clase especial de Fetcher que solicita los estados de presencia en forma regular. Redes Unificadas Página 86

87 En el contexto de las Comunicaciones Unificadas, diversos tipos de aplicaciones pueden conocer y presentar el estado de presencia de las personas. Típicamente la presencia es indicada en sistemas de mensajería instantánea. Sin embargo, el estado de presencia puede ser muy útil en otro tipo de aplicaciones. En los clientes de correo electrónico, conocer el estado de presencia del remitente brinda la posibilidad de decir en el mismo momento el medio por el cual contestar su solicitud. Si la persona está presente y disponible, puede ser más eficiente llamarlo que responderle en forma escrita. Aplicaciones de procesadores de texto y planillas electrónicas, así como aplicaciones de gestión (CRM, ERP, etc.) también pueden mostrar el estado de presencia de las personas involucradas en el documento o proceso, mejorando de esta manera la comunicación organizacional cooperativa Mensajería Instantánea Originalmente los sistemas de mensajería instantánea fueron definidos para entregar mensajes de texto cortos y simples en forma inmediata a otros usuarios que estén contactados en línea. Con el tiempo los sistemas fueron mejorados para soportar intercambios de archivos, conversaciones de voz y video, y otras funciones. La definición estandarizada de estos sistemas se corresponde con el RFC Los sistemas de mensajería instantánea han tenido un enorme éxito para la comunicación informal interpersonal. Es por ello que su incorporación al ámbito corporativo sea un camino casi natural Conferencias Las conferencias multipartitas existen desde hace tiempo en el ambiente corporativo. Sin embargo, los conceptos de Comunicaciones Unificadas aplican a los sistemas de conferencias, permitiendo la integración con los sistemas de presencia, mensajería instantánea, calendarios, PBX, etc. Redes Unificadas Página 87