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VoIP – Voz sobre IPNormas e experiências : 

VoIP – Voz sobre IP Normas e experiências Carlos Meneses Ribeiro INESC, 8 de Março de 2002

Sumário: 

Sumário O que é a voz sobre IP? VoIP - Vantagens e desvantagens? O problema da perda de pacotes; Predição de amostras – Predição de longa duração; Norma ITU-T G.711 (72) PCM Companding -Apêndice 1 (99); Predição de amostras – Predição de curta duração; Extrapolação de parâmetros em codificadores CELP; Norma ITU-T G.729 CS-ACELP (96); Norma ITU-T G.728 LD-ACELP (92) Apêndice I (99); Vocoder LPC – Experiências; Comentários finais;

O que é a voz sobre IP?: 

O que é a voz sobre IP?

VoIP-Vantagens e Desvantagens: 

VoIP-Vantagens e Desvantagens Canal partilhado através da multiplexagem de pacotes (PSTN estabelece uma ligação ponto-a-ponto); Perda de pacotes (que podem ocorrer em rajada); Atraso e sua variação (jitter); Sinalização (controlo) efectuada na mesma rede (PSTN necessita de segunda rede (SS7)); Uma única infra-estrutura; Diminuição de segurança; Maiores tempos de estabelecimento das ligações (alguns segundos); Preços mais baixos que em PSTN Principalmente das ligações internacionais; Partilha das infra-estruturas de redes locais (empresas);

O problema da perda de pacotes: 

O problema da perda de pacotes Quando um pacote não chega ao destino a tempo de ser descodificado em tempo real (com um máximo de atraso) então a informação é perdida e não vale a pena ser reenviado o pacote; Quando uma ligação se quebra, pode ser perdida uma rajada de pacotes, a que pode corresponder um tempo demasiado longo; Solução a nível de protocolos de rede em “tempo real”: ITU-T H.323 - Comunicação multimédia baseada em pacotes; SIP (Session Initiation Protocol) Solução a nível de predição do sinal de fala: Norma ITU-T G.711 (72) PCM Companding -Apêndice 1 (99); Norma ITU-T G.728 LD-ACELP (92) Apêndice I (99); Norma ITU-T G.729 CS-ACELP (96); ITU-T G.723.1 (CS-ACELP) 5.3 e 6.3kbit/s (96);

Predição de amostrasPredição de longa duração: 

Predição de amostras Predição de longa duração Tirando partido da parecença entre períodos de pitch (vibração das cordas vocais), predizer uma amostra como igual à correspondente no período anterior.

Predição de longa duração (2): 

Predição de longa duração (2) Em zonas não vozeadas, de transição, ou variação do período de pitch, a predição de longa duração falha, mas o sinal sintetizado pode manter uma boa qualidade perceptual.

G.711 64 kbit/s(72) Apêndice 1(99): 

G.711 64 kbit/s(72) Apêndice 1(99) Tramas (pacotes) de 10 ms (80 amostras); Período de pitch estimado pelo método da covariância; (janela de 160 amostras, pitch de 40 a 120 amostras) Sobreposição de ¼ período no inicio; (atraso de 3.7 ms) Atenuação a partir da 2ª trama ( 0 a partir da 6ª trama); Utilização de 2 períodos na 2ª trama e de 3 períodos a partir da 3ª trama (evita tonalidades); Sobreposição final de ¼ período+32 amostras por trama perdida a partir da 2ª trama, no máximo de 1 pacote (maior desfasagem com o original no fim do que no inicio)

G.711 Apêndice 1 – Exemplo: 

G.711 Apêndice 1 – Exemplo

G.711 Apêndice 1 – Exemplo (2): 

G.711 Apêndice 1 – Exemplo (2)

Corpus e método de avaliação: 

Corpus e método de avaliação Corpus: 13 minutos de fala; 5 homens; 5 mulheres; Complexidade: TR – Tempo real PC com Processador AMD 1G; 192 MB; Matlab 6; Medida de qualidade objectiva: SNR – Relação Sinal-Ruído

G.711 Apêndice 1 – Avaliação: 

G.711 Apêndice 1 – Avaliação

Predição de amostrasPredição de curta duração: 

Predição de amostras Predição de curta duração Tirando partido da correlação entre amostras sucessivas, predizer uma amostra por predição linear das amostras adjacentes; Os coeficientes de interpolação são obtidos minimizando o erro quadrático numa janela imediatamente anterior e assumindo estacionaridade.

Comparação dos preditores: 

Comparação dos preditores Codificador – ITU-T G.711 Companding Lei-A 64 kbit/s Perdas aleatórias amostra-a-amostra (pacotes de 1 amostra)

G.711 com entrelaçamento: 

G.711 com entrelaçamento Cada trama é transmitida em k pacotes, com amostras entrelaçadas; Exemplo para k=5: Atraso total de k pacotes (aumento do atraso ou do débito de pacotes); Perda de 1 ou 2 pacotes  Perda de amostras isoladas; Rajada de 3 pacotes  Perda de 2 amostras consecutivas; Rajada de 4 pacotes  Perda de 4 amostras consecutivas; Rajada de 5 pacotes  Perda da totalidade da trama;

Entrelaçamento – Avaliação: 

Entrelaçamento – Avaliação

Entrelaçamento – Pacotes prioritários: 

Entrelaçamento – Pacotes prioritários Para minimizar a ocorrência de perda de pacotes seguidos dentro de uma trama com amostras entrelaçadas, pode-se definir probabilidades relativas de erro (inverso da prioridade) entre os pacotes de uma trama, desde que o protocolo de transmissão esteja preparado para esta funcionalidade. Exemplo para entrelaçamento com k=5, Probabilidades relativas: [0.4 0.8 0.8 1.5 1.5] Tenta-se garantir “sempre” a presença de um pacote; Grande probabilidade de presença de pelo menos 3 pacotes;

Entrelaçamento – Avaliação (2): 

Entrelaçamento – Avaliação (2) CONCLUSÃO: Quanto maior for a probabilidade de erro maior a necessidade de entrelaçamento.

Extrapolação de parâmetros em codificadores CELP: 

Extrapolação de parâmetros em codificadores CELP Repetição dos parâmetros do filtro de predição; Atenuação dos ganhos dos livros de código; Repetição do atraso no dicionário adaptativo;

Codificador G.729 8 kbit/s (96): 

Codificador G.729 8 kbit/s (96) Pacotes de 10 ms (80 amostras); Predição dos coeficientes do filtro com um preditor MA de 4ª ordem; Excitação do filtro: Zonas vozeadas – Apenas livro de código adaptativo com atenuação do ganho de 0.9; Zonas não vozeadas – Apenas livro de código fixo com atenuação do ganho de 0.8. A palavra de código é gerada aleatoriamente;

Codificador G.728 9.6 12.8 16 kbit/s (92) – Anexo I (99): 

Codificador G.728 9.6 12.8 16 kbit/s (92) – Anexo I (99) Pacotes de 0.625 ms (5 amostras); Repetição dos parâmetros do filtro de predição, mas com expansão da largura de banda dos formantes: Excitação do filtro – Repetição da excitação Zonas vozeadas –Com atraso correspondente ao pitch; Zonas não vozeadas – Escolhida aleatoriamente entre atrasos de 20 a 140 amostras; Excitação atenuada de 0.8 até 20 ms, de 0.2 entre os 20 ms e os 50 ms e 0 a seguir;

Vocoder LPC - Experiências : 

Vocoder LPC - Experiências Tramas de 20 ms (160 amostras) Repetição dos parâmetros da última trama Atenuação de 0.8 do ganho; Perdas aleatórias: 10%   20% 50% Rajada 1-5 20% de perdas

Comentários finais (1): 

Comentários finais (1) O VoIP é uma tecnologia em ascensão, que proporciona preços de chamadas telefónicas mais baixos; O VoIP ainda não está assente em protocolos que garantam a transmissão em tempo real, sendo necessários algoritmos de recuperação da informação perdida; Foi implementada a norma G.711 Apêndice 1, PCM a 64 kbit/s e iniciado o estudo do impacto da perda de pacotes na qualidade; Foi apresentado um algoritmo alternativo que melhora a SNR, baseado em predição de curta duração e entrelaçamento, mas à custa de maior complexidade e geração de maior número de pacotes;

Comentários finais (2): 

Comentários finais (2) Foram apresentados os princípios de recuperação de informação em codificadores baseados em CELP, de menor débito binário que PCM; Foram apresentadas algumas experiências com o Vocoder LPC, mas é necessário avaliar o desempenho de codificadores mais recentes; É necessário um estudo realista do desempenho da rede IP e a criação de modelos de perdas (aleatórias, rajada, ...) (TFC a decorrer no ISEL, com medidas na rede da TELEPAC e da PT Comunicações ); É necessário desenvolver codificadores criados de raiz para comunicação em IP, que tenham em conta no próprio codificador esta problemática;