CALIDAD DE SERVICIO (QoS) EN VoIP

En todo el proceso de la comunicación intervienen diversos factores que nos determinarán la calidad del servicio ofrecido.

En este caso, existen principalmente dos elementos que nos determinan esta calidad, el algoritmo de compresión utilizado y el retraso en la propagación de la señal.

La comunicación sobre la propia red de datos, nos obliga a compartir ancho de banda con todo el conjunto de aplicaciones que se ejecutan en nuestra red. Por ello es necesario disminuir en lo posible la saturación de la red y de esta forma asegurarnos de no producir un colapso de todas nuestras comunicaciones.

Para ello se utilizan algoritmos de compresión, que, sin disminuir la calidad del sonido notablemente, si reduzcan drásticamente el ancho de banda utilizado.

En una codificación normal, por ejemplo PCM, el muestreo de la señal con una resolución y frecuencia determinada se inyecta en la corriente de datos. Con ello la calidad obtenida puede ser de un nueve sobre diez, ciertamente alta pero a costa de necesitar 64 kbps para la transmisión.

Con los actuales algoritmos de compresión de predicción lineal, podemos alcanzar niveles de calidad de siete u ocho sobre diez y rebajar el ancho de banda necesario a 5,3 Kbps.

En cuanto a la propagación, en todo el sistema se acumulan diversos retrasos producidos por diversos motivos.

Primero interviene la necesidad de comprimir paquetes de un tamaño concreto. Realmente se produce un retraso por acumulación de la señal. En este orden hablamos de retrasos del orden de 30 ms. Posteriormente se producen retrasos en el tratamiento de la señal, aunque estos no deben sobrepasar el propio retraso de acumulación. Por último se encuentra el retraso propio de la red. Aquí interviene la propagación propia de la red, routers, etc.

Como norma general el retraso total introducido en una comunicación puede oscilar sobre los 200 ms. Siendo una medida dependiente de la red y bastante oscilante.

Como resumen podemos decir que la calidad total del servicio es algo inferior a la obtenida por la telefonía tradicional, pero dentro de unos márgenes totalmente aceptables.
La calidad de la voz es un concepto subjetivo, pues no se puede medir con objetividad sino es con referencia a una persona que escucha y experimenta como percibe la voz. La calidad percibida de una llamada VoIP está limitada por diversos factores, como el retardo y sus variaciones, pérdidas de paquetes y el eco. Para evaluar la calidad se suelen utilizar medidas subjetivas y formar índices de percepción, como el conocido índice MOS (Mean Opinion Score).

Los factores que influyen en la calidad de la voz, se pueden clasificar en dos grupos:

·     Los relacionados con la transmisión de paquetes y que pueden afectar a la claridad de la voz (fidelidad, inteligibilidad). Entre ellos se encuentran la latencia, pérdida de paquetes, variación de retardo (jitter) y distorsión de codificación.

·     Los que afectan a las redes en general, como el eco, retardo de propagación, niveles variables de señal y ruido de fondo.

La combinación de estos efectos puede dar lugar a un entorno de llamada inaceptable, por lo que deben ser controlados en su conjunto. A continuación se comentan estos efectos y su posible atenuación o compensación para mejorar la calidad de la conversación.

El efecto empeora cuando además se pierden paquetes de voz a lo largo del trayecto a su destino, pues ello afecta a la calidad del sonido. El efecto de la pérdida de paquetes depende de factores como el tamaño del paquete, tipo de codec de voz usado y duración de la pérdida entre otros. Los paquetes que se pierden afectan no solo a la conversación sino también a la efectividad de los mensajes de señalización de las llamadas.

En general, a partir de un 5% de pérdida de paquetes la voz tiene un sonido metálico, y si el porcentaje de pérdidas supera el 10% parece que se habla con un robot. No obstante, para una conversación telefónica la pérdida medida  entre extremos no debiera superar el 3-5%, para no interferir la señalización.

2.    Variación del retardo (Jitter)

Sin mecanismos de provisión de QoS, los enrutadores manejan los paquetes a medida que van llegando, y dependiendo de lo que ocurre en ese instante, los despacha con más o menos rapidez.

Debido a ello los paquetes que van por la red llegan a su destino con variaciones de retardo, lo que es poco tolerable para que haya una conversación con cierta fluidez.

La solución consistirá en poner los paquetes recibidos en una memoria intermedia en recepción y leerlos a una velocidad regular mediante un proceso separado, aunque esto introduce un retardo adicional proporcional a la variación del retardo.

Las memorias (buffer) que compensan estas fluctuaciones de retardo pueden ser dinámicas, adaptables a las variaciones, o estáticas, con un tamaño fijo. Las primeras pueden proporcionar mejor calidad del servicio al reducir el tamaño de la memoria si la red lo permite. La topología de red también influye en el retardo variable, así en una red de datos conmutada hay menos colisiones de paquetes que en una basada en concentradores (HUB).


3.    Eco

Otro factor importante que afecta a la calidad percibida de voz en las llamadas es el eco de la persona que habla. Cualquier discontinuidad a lo largo de la línea de transmisión puede causar eco, como el producido al pasar en un extremo la línea de dos a cuatro hilos (bobina híbrida), pues parte de la señal recibida desde el extremo lejano se vuelve a transmitir junto con la señal deseada, por lo cual la persona que habla escucha su propia voz con cierto retardo, perceptible a partir de unos 30 ms. Otro tipo de eco (eco acústico) se puede producir por realimentación de la salida del auricular al micrófono cercano.

Las recomendaciones G.164 (supresores de eco), G.165 y G.168 de la ITU proporcionan unos métodos de medida y límites en los niveles y retardos de eco que se deberían seguir con criterio de cumplimiento mínimo. Las posibilidades de terminación de llamadas en redes fijas, celulares o inalámbricas hacen que los requerimientos de control de eco sean más exigentes.

El efecto del eco se puede corregir con un cancelador, que hace una predicción del eco en función de la señal recibida y la sustrae de la señal de audio a transmitir, consiguiendo que el efecto sea imperceptible. Para ello se requiere que cumplan con los límites de la recomendación G.168 de la ITU, aunque normalmente los canceladores de eco tienen una capacidad de supresión mucho mayor, pues deben responder a los posible retardos producidos en las redes actuales, que pueden incluir teléfonos celulares en los extremos, redes ATM y codificación de VoIP. Una capacidad añadida que se espera de un cancelador es la posibilidad de controlar el nivel de audio para compensar sus variaciones. La naturaleza dinámica de las redes puede causar variaciones de retardo y las características del extremo del circuito. Es por ello muy importante que el cancelador converja rápidamente antes de que se produzca el eco, aunque también puede generar un ruido molesto al tratar de adaptarse al eco con rapidez.

También se requiere que tenga en cuenta el ruido de fondo o ruido estacionario, mediante algún tipo de análisis espectral, para poder minimizarlo y que no influya negativamente en la codificación de la voz.

4.    Ruido

El ruido de fondo es otro potencial problema de calidad percibida. Este ruido es captado por el teléfono y se distorsiona tras la codificación de voz en el Gateway VoIP, y si el ruido es similar a la conversación, el impacto en los codificadores es mayor. El resultado puede ser un molesto ruido que origina quejas de los usuarios VoIP a los operadores. De nuevo la tecnología puede ayudar a resolver esta cuestión mediante el uso en los canceladores de eco de un mecanismo de reducción automática de ruido (ANR) mediante técnicas de filtrado espectral, lo cual puede disminuir el ruido de fondo hasta un 75% cuando es estacionario (no variable).

También existen mecanismos de supresión de silencio cuando no hay actividad, con objeto de no transmitir paquetes y ahorrar ancho de banda, e incluso pueden enviar información de ruido de inactividad para que el extremo lejano lo genere como “ruido confortable” en periodos de silencio. Los detectores de voz se usan para restablecer la codificación.

Se ha descubierto que cuando se mueve una salva de ruido desde el principio al final de una conversación la calidad percibida es bastante afectada, sugiriendo un efecto memoria en la llamada y que si se retarda el ruido no se tiene en cuenta.




5.    Packet Loss

Es la tasa de perdida de paquetes. Representa el porcentaje de paquetes transmitidos que se descartan en la red. Estos descartes pueden ser producto de alta tasa de error en alguno de los medios de enlace o por sobrepasarse la capacidad de un buffer de una interfaz en momentos de congestión. Los  paquetes perdidos son retransmitidos en aplicaciones que no son de Tiempo Real; en cambio para telefonía, no pueden ser recuperados y se produce una distorsión vocal.

6.    Codificación, Compresión de voz  y Ancho de Banda

La voz antes de ser convertida en paquetes se ha de codificar (digitalizar si estaba en formato analógico) y comprimir de acuerdo con un esquema generalmente normalizado, utilizando los codecs de voz. Con ello se obtiene una reducción de la velocidad de bit y, por tanto, del ancho de banda ocupado por la voz, aunque en el proceso posterior de paquetización vuelve a aumentar al añadirse los campos de cabecera según los protocolos empleados.

Así, una llamada VoIP utilizando G.711 (64 kbps) en una comunicación bidireccional (half duplex) a 60 paquetes/seg. puede consumir un ancho de banda de pico de 168 kbps. En la utilización de los codecs hay que establecer un compromiso entre la reducción de velocidad obtenida, el retardo introducido por el algoritmo de compresión y tamaño de trama y la calidad percibida al comprimir. Una técnica adicional para reducir el ancho de banda consiste en aprovechar los tiempos de silencio en la conversación para no codificar ni transmitir paquetes, suprimiendo por tanto la transmisión durante esos periodos. Otra forma de disminuir el ancho de banda ocupado es utilizando compresión de cabeceras. En efecto, los bits de cabecera de los paquetes suponen una sobrecarga adicional que aumentan el ancho de banda. En paquetes RTP, el tamaño de la cabecera puede quedar reducido unas diez veces.