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Tecsup Virtu@l Tecnologías de Voz sobre IP

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Tecnologías de Voz sobre IP

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Abril 2008

ÍNDICE

1. 2. 3.

4. 5.

6. 7. 8. 9. 10.

11. 12. 13. 14. 15.

Introducción ................................................................................ 4 Objetivos ..................................................................................... 4 La Demanda de los Usuarios....................................................... 4 3.1. Conflicto entre Voz y Datos............................................ 5 3.2. Duración de la llamada.................................................... 5 3.3. Control de Flujo .............................................................. 5 3.4. Bloques de Datos............................................................. 6 3.5. Retardo del Tráfico.......................................................... 6 3.6. Control de Errores ........................................................... 6 Introducción a la Voz Digitalizada.............................................. 7 Sistemas de Telefonía ................................................................. 9 5.1. Sistema de uso residencial .............................................. 9 5.2. Sistemas Empresariales ................................................. 10 5.3. Sistemas Centrex Externos............................................ 11 Circuitos Troncales ................................................................... 12 Servicio y Funcionalidades de Llamadas .................................. 13 Private Branch Exchange (PBX)............................................... 13 8.1. PBX Anexos y Troncales .............................................. 14 8.2. Conexión a Redes de Voz ............................................. 15 Señalización .............................................................................. 16 9.1. Funciones de Señalización ............................................ 16 Señalización en Enlaces Troncales Analógicos ........................ 18 10.1. LOOPSTART................................................................ 18 10.2. Ground start................................................................... 19 10.3. E&M type I ................................................................... 20 10.4. E&M type II .................................................................. 21 10.5. E&M type III................................................................. 22 10.6. E&M type V .................................................................. 23 10.7. Supervisión de Comienzo de Marcación en troncales E&M.............................................................................. 24 Señalización de Marcación ....................................................... 25 11.1. Marcación por pulsos ................................................... 25 11.2. Marcación por Tonos .................................................... 26 Señalización digital ................................................................... 27 Identificando la Señalización .................................................... 28 Que son las interfases FXO y FXS?.......................................... 29 14.1. Efectos de eco ............................................................... 30 Modos de Interconexión de PBX .............................................. 31 15.1. Antes del Switching desperdiciando puertos en PBX... 31 15.2. Switching....................................................................... 33 15.3. CCS Tunneling.............................................................. 34 15.4. QSIG Switching ............................................................ 35 15.5. Transporte de Troncales ................................................ 36 15.6. Extendiendo una Extensión........................................... 38 15.7. Private line automatic ringdown ................................... 38 15.8. Reemplazo de las redes TDM ....................................... 39

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16. 17.

18.

19. 20. 21.

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Digitalización y Codificación (Comprensión) de Voz ............. 40 16.1. Muestreo Digital ............................................................ 41 16.2. Cuantificación................................................................ 42 Algoritmos de Codificación (Compresión) de Voz................... 42 17.1. Codecs de Forma de Onda............................................. 43 17.2. Codecs Fuente ............................................................... 43 17.3. Codecs Híbridos ............................................................ 43 Algoritmos o Estándares de Compresión de Voz..................... 44 18.1. Recomendación G.711 .................................................. 44 18.2. Recomendación G.726 .................................................. 46 18.3. Recomendación G.728 .................................................. 47 18.4. Recomendación G.723.1 ............................................... 47 18.5. Recomendaciones G.729 y G.729A .............................. 47 Calidad de Compresión ............................................................. 48 Introducción a la Tecnología de Voz sobre IP .......................... 49 20.1. Estándar h.323 ............................................................... 51 20.2. Voip en Redes Públicas ................................................. 54 Referencias Bibliográficas......................................................... 55

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1. Introducción Tiempo atrás la función de una red era ahorrar dinero optimizando el uso de los enlaces de transmisión de baja velocidad y coste elevado, pero con el paso del tiempo estos enlaces han pasado a ser de gran capacidad y bajo coste. Aunque esta es una de las principales razones del aumento del número de redes existentes, en la práctica hay muchas otras razones para instalarse una red. La razón por la que el coste del ancho de banda necesario es tan pequeño es porque los enlaces individuales son muy rápidos de forma que son compartidos por varios usuarios. En el caso de varias estaciones y dispositivos, un usuario sólo precisa un sencillo dispositivo para comunicarse con el resto simultáneamente. Sin una red habría que tener un enlace punto a punto desde cada dispositivo hasta el otro con el que se quiere comunicar, con lo que cada uno precisa de un número elevado de conexiones, cada una de las cuales se incluyen en el coste total. Con una red cada dispositivo tan sólo necesita una conexión. Por razones de rentabilidad a menudo son necesarias múltiples rutas de acceso entre usuarios/dispositivos finales para obtener disponibilidad total. 2. Objetivos • • • •

Conocer el concepto de voz sobre IP. Conocer la pila de protocolos involucrados transmisión de VoIP. Analizar las ventajas y desventajas de VoIP. Mencionar los principales estándares en VoIP

en

una

3. La Demanda de los Usuarios El bajo precio de las comunicaciones y su disponibilidad han hecho que aplicaciones potenciales que por razones de coste antes no eran posibles, sean ahora muy atractivas. Hay tres requerimientos demandados por los usuarios en relación a las nuevas tecnologías. • •

La implementación de nuevas aplicaciones que utilicen el proceso de imágenes y gráficos. Adaptar las aplicaciones existentes que estaban muy limitadas por el alto coste de las comunicaciones para que ofrezcan un

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abanico más amplio de posibilidades aprovechando la mayor rapidez de respuesta de los sistemas. • La integración de voz, vídeo y datos. Unificar las diferentes redes que tiene cada usuario ya que la mayoría de ellos posee una red de datos (TCP/IP, SNA, DECNET o X.25) separada de la línea de fax y voz. Por razones de gestión y de optimización del coste, los usuarios quieren una sola red donde conviva todo el tráfico.

MIX MIX

PBX

PBX

Multiplexed Links Multiservice Links

Site 1

Site 2 Figura: Sistemas Convergentes

3.1.

Conflicto entre Voz y Datos Resulta atractivo pensar que la voz digital llegue a ser de alguna forma igual que los datos. Hasta cierto punto puede ser cierto, pero existen algunas diferencias entre ambas que son un problema para la integración.

3.2.

Duración de la llamada La diferencia más importante entre voz y datos está en que las llamadas de voz tienen una duración media de 3 minutos, mientras que las de datos pueden durar varias horas. La red telefónica ha sido diseñada para soportar un elevado número de líneas externas pero relativamente pocos caminos entre terminales de llamada, por lo cual es posible que la llamada sea bloqueada en el caso que la línea esté saturada, con lo que este problema se acentúa al realizar transmisión de datos a través de estas líneas. Las nuevas PBX’s digitales solucionan este problema permitiendo más capacidad de llamada que número de terminales existentes.

3.3.

Control de Flujo El ancho de banda necesario para la transmisión de voz depende de la técnica de digitalización utilizada, pero el circuito utilizado estará en uso a su máxima capacidad o estará libre, no existe la posibilidad de aumentar o disminuir la velocidad de la voz (el circuito de voz debe

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estar utilizado a la máxima velocidad). En cambio los datos pueden ser controlados desde un ordenador que tiene gran capacidad para la generación de tráfico de datos. 3.4.

Bloques de Datos Los datos son transmitidos en bloques de diferente tamaño a través de la red, mientras que el tráfico telefónico es continuo. Este tráfico telefónico puede ser considerado como bloques de datos muy largos de longitud indeterminada, pero la red no permite la recepción de una ráfaga de datos como un bloque único y su transporte con características de tiempo real.

3.5.

Retardo del Tráfico Un retardo de 200 ms es aceptable para una red de datos en tiempo real. Lo más usual es un retardo de unos 500 ms. El tráfico de datos Batch no tiene problemas con el retardo, pero para transmisión de voz de alta calidad el retardo del tráfico no puede ser mayor a 50 ms. Por lo tanto el retardo del tráfico variable hace que la transmisión de voz sea imposible. Los paquetes de voz han de ser distribuidos al receptor a una frecuencia uniforme.

3.6.

Control de Errores Lo más importante para el tráfico de datos es que los errores puedan ser controlados, detectados, o preferiblemente detectados y corregidos. El mecanismo de corrección a menudo sólo es posible realizarlo por contexto y requiere retransmisión para recuperarlo. En el caso de la voz no es factible el retardo de tiempo de las recuperaciones y no tiene en cuenta errores ocasionales o ráfagas de errores. En la actualidad en el cableado estructurado de edificios no diferenciamos por el tipo de cableado utilizado entre dos tipos de tomas. Tanto para las tomas ofimáticas como para las tomas telefónicas utilizamos el mismo cableado de forma que nos permite esconder cualquier combinación en cuanto a los tipos de tomas que necesitamos en cada punto de conexión variando tan sólo el equipo de conexión al otro extremo del cable.

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PBX

PBX PBX Figura: Digitalización de voz en Redes de Paquetes IP o Internet

4. Introducción a la Voz Digitalizada Para manejar Voz sobre IP (voz sobre Internet) se han creado diferentes sistemas, para un mismo propósito, que es el comunicarse a través del uso de un micrófono conectado a una computadora en vez de un aparato telefónico, donde la voz es filtrada, digitalizada, comprimida, mapeada y luego transmitida a través del proveedor local de acceso a Internet, transportando la voz como si fuera un archivo de texto. Luego en el proceso inverso la computadora receptora reconstituye los paquetes y les da el habla a través de audífonos o auto parlantes. Otro caso será enlazando el teléfono al PC, donde un software Cliente - Servidor convierte la Voz en Paquetes IP y un Gateway/Servidor deriva la voz sobre la red IP o la envía hacia la Red Pública. Estos servicios de voz pueden ser transmitidos por diferentes redes como ATM, Frame Relay, resultando más económico compartir el canal de comunicación con datos y voz, en lugar de tener medios de comunicación separados.

CODEC 300-3400 Hz ANALOG

64,000 bps DIGITAL

La voz requiere de un ancho de banda de 64 Kbits, lográndose por medio de la compresión reducciones de hasta 32, 16, 8 o 4 Kbits, a través de la supresión del silencio, eliminando todos lo paquetes vacíos que típicamente se envían en una conversación, esto sin afectar la calidad. Una consecuencia de correr voz sobre IP es que no se puede utilizar la línea a más de un 70% de capacidad,

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porque el retardo sensitivo de la voz, produciría interrupciones en las conversaciones. La comprensión de voz es necesaria cuando es necesario compartir un canal de comunicación con voz y datos, siempre que tengamos limitaciones en el ancho de banda de nuestro canal de comunicación. El crecimiento y fuerte implantación de las redes IP, tanto en local como en remoto, el desarrollo de técnicas avanzadas de digitalización de voz, mecanismos de control y priorización de tráfico, protocolos de transmisión en tiempo real, así como el estudio de nuevos estándares que permitan la calidad de servicio en redes IP, han creado un entorno donde es posible transmitir telefonía sobre IP. Si a todo lo anterior, se le suma el fenómeno Internet, junto con el potencial ahorro económico que este tipo de tecnologías puede llevar acarreado, la conclusión es clara: El VoIP (Protocolo de Voz Sobre Internet - Voice Over Internet Protocol) es un tema importante y estratégico para las empresas. Realmente la integración de la voz y los datos en una misma red es una idea antigua, pues desde hace tiempo han surgido soluciones desde distintos fabricantes que, mediante el uso de multiplexores TDM (1), STM (2) o routers (3) a través de típicas conexiones punto a punto y frame-relay, permiten utilizar las redes WAN de datos de las empresas para la transmisión del tráfico de voz. La falta de estándares, así como el largo plazo de amortización de este tipo de soluciones no ha permitido una amplia implantación de las mismas. •

•

•

La compañía RAD Data Communications aún fabrica multiplexores TDM (Multiplexores por división de tiempo) para la transmisión de datos y voz, aplicados directamente sobre enlaces de radio, microondas y enlaces satelitales. La empresa MICOM (Absorbida por Northern) fabricó por muchos años multiplexores STM (Multiplexores estadísticos) para un transporte más eficiente de voz y datos, basados en un protocolo propietario llamado Microband ATM. Dicha tecnología es conservada y aún optimizada por Northern. Actuales fabricantes como Cisco Systems, Motorola, etc. están optando por la digitalización de la voz asociada al proceso del router. Esto permite el manejo de voz encapsulada directamente sobre algún protocolo WAN o encapsulada sobre IP y ésta a su vez a al protocolo WAN. Estos dos procedimientos han sido desarrollados de manera propietaria.

Adicionalmente, agregan parámetros de calidad de servicio, prioridad, etc, logrando en muchos casos una calidad de la voz

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bastante buena. No obstante, la incompatibilidad entre diferentes fabricantes se hace más abismal. 5. Sistemas de Telefonía Dentro de los sistemas de telefonía estos se clasifican en: • • •

Uso residencial Sistemas Empresariales Sistemas Centrex Externos

PBX A

PSTN CO

CO

CO

CO

CO CO

CO

PBX B Figura: Sistemas de telefonía 5.1.

Sistema de uso residencial

Ring ng i R

PSTN

X 2244 Figura: Residencial

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Son las conexiones que se encuentran en cualquier hogar, para el cual cada circuito telefónico requiere el uso de un único par de hilos. Existe una conexión física a través de este par de hilos desde su domicilio hasta la oficina central (CO) u operador público de telefonía. La CO es administrada por un operador público de telefonía y es donde finalizan los hilos físicos procedentes de miles de abonados. Para facilitar la transmisión de la señal, y reducir el ruido, es posible que estos hilos tengan repetidores o bobinas de cargas que bloquean las señales de alta frecuencia. Además las CO poseen líneas troncales hacia otras CO´s. 5.2.

Sistemas Empresariales

PSTN PBX

PBX

WAN

Las compañías tienen necesidades de telecomunicaciones más complejas que los clientes de tipo residencial, debido a que el número de personas a comunicarse es mayor. Muchas de estas compañías tienen emplazamientos remotos que se encuentran conectados por lo general mediante líneas dedicadas para realizar las llamadas a estos puntos remotos. El uso de las líneas dedicadas permite la optimización de costos ya que por estos mismos enlaces la comunicación, la voz es compartida con la transferencia de datos. También es posible disponer de una o más conexiones a una Red pública conmutada (RTC) con el propósito de poder comunicarse con otras empresas o en casos de emergencia. Elementos de un sistema empresarial: • •

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Teléfonos de tipo empresarial Dispositivos analógicos

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• • • •

Central Telefónica Privada (PBX) Distribuidores automáticos de llamadas (ACD) Sistema de respuesta de voz interactiva (IVR) Correo de voz y sistemas de atención automática.

PSTN Figura: Sistemas Centrex 5.3.

Sistemas Centrex Externos El servicio Centrex proporciona la funcionalidad de una PBX cliente desde los Switches telefónicos de la CO. El servio Centrex puede soportar marcación directa interna (DID), marcación abreviada para diferentes oficinas remotas, transferencia de llamadas, desvió de llamadas, conferencias, retensión de llamadas, etc.

PBX

PBX

PBX

PBX

Figura: Circuitos Troncales

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6. Circuitos Troncales Para poder proporcionar una comunicación útil, el equipo telefónico situado en su emplazamiento necesita conectarse con los otros equipos ubicados en las diferentes oficinas remotas o empresas asociadas y con la red pública telefónica. Esto es similar a tener circuitos WAN en cada uno de los emplazamientos y una conexión a la red Internet pública. Los tipos de circuitos utilizados para la comunicación de voz se asemejan a los circuitos de datos a nivel más básico. La conexión física de un circuito de voz troncal, es bien un DS0 o múltiples DS0´s que proporciona un único canal o varios canales de voz analógicos el cual es conectado a una PBX en las entradas analógicas vía pares de cobre, también puede ser una conexión digital TDM que proporciona muchos canales de voz como un circuito E1 o PRI el cual proporciona 30 canales de voz el cuál es conectada a un puerto E1 de la PBX. Dentro los troncales más conocidas tenemos: •

•

•

•

•

Troncal con tono de marcación: Los cuales son circuitos que proporcionan conectividad analógica con la CO a través de un par de hilos. A cada una de estas líneas se le asigna un número de teléfono asignado por el operador público. Este tipo de líneas son de uso residencial y también se le conoce como troncal loop-start. Troncales Bidireccionales: También llamadas troncales de combinación, y son conectadas a PBX´s. Utiliza señalización ground-start para prevenir que las llamadas entrantes o salientes tomen control de la troncal al mismo tiempo. A estas líneas se le asigna un número de cabecera. Tiene la característica de marcación directa interna (DID) el cual permite a los llamantes acceder directamente a los anexos internos de una PBX sin tener que pasar por una operadora. Troncal de acceso primario PRI: Proporciona un servicio 30B+D, el cual permite utilizar 30 canales para voz y un canal para señalización. Troncales Punto a Punto: También llamadas líneas TIE y las PBX´s se comunican directamente entre sí, no con la CO local. Las PBX´s utilizan señalización E&M para el establecimiento y liberación de las llamadas. Las troncales punto a punto también pueden ser conectadas por sistemas de transporte WAN como enlaces digitales TDM o redes de paquetes como Frame Relay y redes IP. Troncales extendidas o líneas OPX: Son de utilidad cuando se desean integrar usuarios remotos a la red de voz y se tienen dos tipos de líneas FXO y FXS las cuales son explicadas más adelante.

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7. Servicio y Funcionalidades de Llamadas Además de la conexión y desconexión de llamadas, se encuentra disponible un conjunto de funcionalidades y servicios de llamadas para los usuarios domésticos y empresariales y tenemos las siguientes más conocidas: • • • • •

Gestión de llamadas Identificación de usuarios Comodidad Seguridad Respuesta de emergencia

Figura: Private Branch Exchange (PBX)

8. Private Branch Exchange (PBX) Una PBX es una Central Telefónica que podría manejar señalización analógica y digital. Presenta interfases para usuarios abonados (Anexos) y para el entorno de la red telefónica (Troncales hacia el Carrier). El crecimiento de las tecnologías de la información ha proporcionado al sector empresarial e industrial un conjunto de oportunidades para mejorar sus procesos. Internet, el correo electrónico y el teletrabajo permiten intercambiar información con cualquier parte del mundo de forma casi instantánea, sin importar la distancia entre los puntos. Todos estos sistemas suponen nuevas demandas para las centrales telefónicas (PBX) de las empresas. Los correos de voz, el marcado directo, el direccionamiento de llamadas y otras características similares son funciones muy corrientes hoy en día en una PBX.

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Figura: PBX Anexos y Troncales 8.1.

PBX Anexos y Troncales El crecimiento de ISDN ha significado un incremento del conjunto de servicios que ha de ofrecer una PBX: voz, datos, fax, etc. El resultado es un considerable aumento de la cantidad y complejidad de los sistemas de señalización necesarios para controlar tales servicios. Paralelamente a esta evolución ha crecido el número de proveedores de servicios, en dura competencia para ofrecer más y mejores servicios a las empresas, con el máximo nivel de calidad. Los técnicos responsables de la instalación y el mantenimiento de las centrales PBX deben ser eficaces, proporcionar asistencia de alta calidad y respuesta rápida. Además, cada vez necesitan tratar con una mayor variedad de servicios y problemas asociados. Las líneas troncales nos permiten la interconexión de una PBX a una red pública de telefonía o a otra PBX remota. Dentro las líneas troncales más utilizadas tenemos las líneas Tie, líneas PRI, líneas E1 (TDM), o por medio de líneas analógicas.

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Figura: Conexión a Redes de Voz 8.2.

Conexión a Redes de Voz Para ello, necesitan equipos de interconexión de mayor capacidad de procesamiento con: • • • •

Funciones de análisis adecuados para los modernos sistemas de señalización. Capacidad de adaptarse a los nuevos sistemas y tecnologías que están surgiendo. Características apropiadas para las labores de asistencia en campo. Gran sencillez de funcionamiento.

En resumen se podría decir que una central telefónica o PBX: •

•

Es un conmutador o Switch de voz que conecta llamadas de teléfonos de usuarios internos, entre ellos mismos o hacia el mundo exterior. Es una versión pequeña de lo que los Carriers usan para conectar llamadas de voz en toda su red.

R(ing) T(ip)

CO Figura: Señalización ON HOOK/ OFF HOOK

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Figura: Señalización Discado 9. Señalización 9.1.

Funciones de Señalización Dentro del conjunto más importante de señalización tenemos los siguientes tipos: • • • • • •

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Detección de equipo colgado y descolgado (onhook/off-hook) Supervisión de comienzo de de marcación. Transmisión de Dígitos (Marcación por Pulsos y Tonos) Identificación de Número Tonos de progresión de la llamada Supervisión de respuesta de desconexión.

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Para que una PBX se pueda comunicar con las central telefónicas del proveedor de servicio de manera analógica, necesita de algún modo de señalización que le permita transmitir mensajes como la solicitud de apertura de llamada, saber cuando la línea de abonado se encuentra ocupada, etc; a fin de que la comunicación entre las mismas se efectúe de la manera más óptima. Esta señalización depende de las interfases físicas de las troncales analógicas, y difieren entre ellas por los valores de corriente y voltaje de las líneas y el número de líneas en la troncal. Dentro del Hardware de las troncales, existen dispositivos que se encargan de la conversión de las señales analógicas a digitales y asociar el tipo de señales físicas para el entendimiento de los mensajes, es por eso que existen estándares de tonos, pulsos, frecuencias y niveles de corriente. Hacia el lado usuario, también es necesario desarrollar un sistema de señalización para que la Central Telefónica pueda indicarle al abonado (Anexo) que tiene una llamada, que el usuario pueda además indicarle a la central que está haciendo un requerimiento de acceso a la red y necesita llamar a otro abonado y a la vez que la central telefónica se percate de dicho requerimiento. Es en este caso, donde el aparato telefónico, juega un papel importante para conmutar, abriendo y cerrando un circuito cada vez que se cuelga y descuelga, el mismo. La central Telefónica manejará niveles de voltaje y corriente, y señales de tonos y pulsos para indicarle al abonado (Anexo) a través de su aparato telefónico, algún tipo de mensaje o respuesta. La supervisión de respuesta en el extremo lejano y la supervisión de desconexión son elementos que proporcionan confirmación positiva del inicio y del fin sesiones de llamada. Estos elementos son importantes para los proveedores de servicios con propósitos de facturación y contabilidad.

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Figura: Señalización de troncales analógicas

10. Señalización en Enlaces Troncales Analógicos Los enlaces troncales de voz analógicos se utilizan cuando una PBX no soporta conexiones digitales como BRI, PRI o canales E1, o cuando se necesitan pocos canales de voz. Hay tres tipos comunes de enlace troncal analógicos: • • •

Loop-Start Groud-Start E&M

10.1.

LOOPSTART

Figura: LOOP START

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Bajo esta técnica, la Central Telefónica emite un nivel de corriente permanente por la línea del anexo, en donde debido que el estado general de un teléfono (colgado), se abre el circuito dentro del aparato telefónico, ocasionado por un switch interno. De esta manera la Central Telefónica no tiene el retorno del nivel de corriente que genera, percatándose, de este modo que el abonado está en estado de reposo y no está realizando ningún requerimiento de acceso a la PBX. Cuando el usuario desea realizar una llamada, levantará en aparato telefónico, lo que ocasionará que el switch interno se cierre y por consiguiente la corriente generada por la Central Telefónica retornará a la misma y detectada por el sensor de corriente, siendo esto un indicativo para la PBX, que el usuario necesita realizar una llamada. Esta técnica utiliza dos hilos, donde la disposición de los hilos no es relevante. 10.2.

Ground start

Figura: GROUND START Es una técnica desarrollada para troncales, donde la línea de referencia a tierra juega un papel importante para la correcta señalización y entendimiento de la Central Telefónica con el proveedor de servicio. Dentro de esta interfase existe un switch y un detector de corriente. El switch normalmente se encuentra abierto, lo que ocasiona un ahorro de energía, ya que el tono de “marcar” que normalmente envía el proveedor de

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servicio, el cuál se traduce en niveles de voltaje y corriente no están siendo consumidos por el usuario. Cada vez que llega una llamada telefónica, la central remota cierra su switch transmitiendo un nivel de corriente, el cuál será detectado por la Central Telefónica local, conmutando está llamada a la consola de operadora. Cuando algún abonado local realiza un requerimiento de línea, el switch en la interfase Ground Start se cerrará ocasionando que el abonado obtenga el tono de marcar. Problemas con este tipo de señalización es que la señalización es secuencial es decir por la misma línea física se producen los niveles de corriente que indican el acceso al medio y posteriormente por este mismo par de hilos se transmitirá la información de voz. Esto ocasiona que los dispositivos involucrados en la señalización así como los dispositivos que operan la voz estén mezclados y muchas veces cumpliendo funciones duales, ocasionando interferencias y fatiga en los mismos dispositivos ya que en la mayoría de los casos, los niveles de voltaje y de corriente varían ampliamente. 10.3.

E&M type I

Figura: E&M TIPO I E&M son las siglas de Ear and Mouth (oreja y boca). Recuerde que los enlaces troncales loop-start y ground-

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start utilizan el mismo par de cables tanto para audio y funciones de señalización. Los enlaces troncales E&M aíslan estas funciones en pares cables diferentes. Dependiendo de la configuración del circuito E&M, las señales de enlace troncal y la ruta de audio pueden necesitar uno o dos pares de cables para un total de cuatro a ocho cables para permitir la comunicación de voz full duplex. Se puede deducir que los enlaces troncales E&M, tipo I, no proporcionan aislamiento a tierra, porque la corriente fluye desde una batería en el PBX a tierra en la CO. Las conexiones back to back no son posibles para E&M tipo I, porque ninguna corriente puede fluir en tal configuración. Estado de las señales E&M tipo I:

10.4.

Condición

M

E

ON-HOOK OFF-HOOK

GND - 48Vdc

OPEN GND

E&M type II

Figura: E&M TIPO II Los circuitos E&M, tipo II, operan de la misma forma que la señalización tipo I, con la adición de un elemento de aislamiento a tierra. En lugar de situar la toma de tierra para el cable E en los terminales de la CO, el cable SG

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actúa como un cable de extensión para llevar la corriente de vuelta a la toma de tierra en la PBX. En lugar de situar la batería para el cable M en el PBX, el cable SB actúa como un cable extensión para llevar la corriente desde una batería a la CO. Este diseño evita que las diferencias de potencial de tierra entre los extremos opuestos del enlace troncal, interfieran con la función del detector de corriente. Estado de las señales E&M tipo II :

10.5.

Condición

M/SB

E/SG

ON-HOOK OFF-HOOK

OPEN - 48Vdc

OPEN GND

E&M type III

Figura: E&M TIPO III Un elemento interesante de este tipo de circuito E&M es que las señales procedentes del CPE (cliente) a la CO (carrier) necesitan tres cables (M/SG/SB), mientras que las señales desde la CO al CPE sólo necesitan un cable. Esta asimetría permite que el lado CPE operar normalmente en ausencia de una buena referencia a tierra. La CO controla que la señal se envíe al CPE mediante el cable E exactamente como en el caso de circuitos E&M, tipo I. El CPE controla que la señal se envié desde la CO mediante el cable M de modo que el cable M se conecte a

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SB o a SG. El CPE conecta M a SB para señalar un estado off-hook, y conecta M a SG para señalar un estado onhook. En ambos caso, la tierra o la batería en el cable M se originan desde el lado de la CO. Estado de las señales E&M tipo III:

10.6.

Condición

M/SB

E/SG

ON-HOOK OFF-HOOK

OPEN - 48Vdc

OPEN GND

E&M type V

Figura: E&M TIPO V El tipo V de E&M es el más sencillo, eficiente y por consiguiente, el más utilizado. Es prácticamente una interfase Ground Start pero con hilos separados destinados a la transferencia de Voz. E&M tipo V combina la simplicidad de la señalización tipo I, con los beneficios de aislamiento a tierra y las capacidades back-to-back. Para permitir la operación back-to-back de las interfaces de la PBX o de la CO, los circuitos E&M proporcionan batería en un cable y tierra en el otro para cada extremo del enlace troncal. Recuerde que los circuito E&M tipo I no pueden operar en configuraciones back-to-back ya que el

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lado de la PBX del enlace troncal proporciona una batería en ambos cables. Estado de las señales E&M tipo V:

10.7.

Condición

M

E

ON-HOOK OFF-HOOK

OPEN GND

OPEN GND

Supervisión de Comienzo de Marcación en troncales E&M

Event

Ε&Μ Signals M Lead

Low Frequency Signals

E Lead

reception

Idle Seize Ready to receive

0 1 1

1

dial tone

0 Numbering Called party free Called party busy Called party answer Conversation

(optional)

0 50/50 1 1 1 1

0 0 1 1

or MF Q23 ring tone busy tone

Figura: Supervisión de Comienzo de Marcación en troncales E&M Una vez realizada la toma de un troncal E&M, viene luego el envió de la transmisión de los dígitos de marcación, para el cual existe diferentes métodos de señalización: •

•

•

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transmission

0 0

Inmediate Start: Es la forma más sencilla de supervisión de comienzo de marcación, una vez tomada la troncal se espera 150 ms para comenzar el envío de los dígitos a la dirección destino o número llamado. La idea es que la pausa de 150 ms es suficiente para que el receptor esté preparado, sin embargo, no ha ningún método para saber que el lado receptor este preparado para recibir los dígitos. Delay Start: Una vez tomada la troncal E&M se comprueba el estado del otro extremo receptor este en off-hook, para lo cual se espera un tiempo entre 75 a 300 ms para el envió de los dígitos de marcación. Wink Start : Esta señalización de supervisión es la más utilizada. Una vez tomada la troncal se espera un reconocimiento desde el receptor el cual envía un

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•

pulso WINK que dura entre 140 a 290 ms seguido por un estado off-hook, una vez detectado este pulso wink en el lado originador este hace una pausa de al menos de 210 ms y después transmite los dígitos. Tone Start: Se usa a veces entre PBX en redes privadas. Es parecida a la señalización loop-start y ground-start, en la que el lado receptor responde a una petición de captura de troncal con un tono de marcación. El lado origen puede transmitir automáticamente los dígitos cuando detecte el tono de marcación.

11. Señalización de Marcación Continuando con el tipo de conversación entre el abonado (Anexo) y la central telefónica para indicarse mutuamente los requerimientos respecto a su estado y para indicarse peticiones de acceso, se llega al momento en que es necesario que el abonado “diga” a la Central Telefónica con que otro abonado desea comunicarse. Para esto se tienen dos esquemas de marcación: • •

El primero consiste en una marcación por pulsos. EL segundo marcación por tonos.

11.1.

Marcación por pulsos

Figura: Señales de Numeración Discado por Pulsos Esta técnica se basa en que cada vez que un abonado desea indicar un número telefónico, generará por cada dígito un tren de pulsos, es decir señales de diferente duración a fin de que la Central Telefónica pueda discriminar de entre un dígito y otro. Ejemplo el cero es representado con un tren de diez pulsos.

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El esquema de pulsos originalmente se implementó con teléfonos de marcación giratoria, que estaban diseñados para trabajar con líneas loop-start existentes y para permitir a la parte emisora conectar automáticamente con la parte destino sin intervención de una operadora. 11.2.

Marcación por Tonos

Figura: Discado por Tonos El discado por pulsos puede variar en duración puesto que para dígitos menores como el uno, los pulsos son de menor duración y para los números mayores la duración es mayor, lo que ocasiona un retardo durante el discado. La marcación multifrecuencia (DTMF) es el método más utilizado para la transmisión de dígitos, tanto para la transmisión del número de destino como para el intercambio información dentro de banda entre los que llaman y los sistemas automatizados de telefonía (buzón de voz, IVR, ACD, etc). La marcación DMTF se basa en el diseño físico de un teclado numérico al cual se le asigna una frecuencia distinta a cada fila y columna del teclado, de manera que cada tecla corresponda con dos frecuencias, como se muestra en el gráfico de arriba.

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Con la técnica DTMF denominada Dual Tone Multi Frequency, se generan dos tonos duales simultáneos de múltiple frecuencia para indicar el discado de un determinado dígito. Con esto se logra mayor rapidez en el discado y sobre todo una manera eficaz de reconocer la opción que el usuario está seleccionando. Esto ha permitido el desarrollo de diversas aplicaciones sobre telefonía como el correo de voz, telé ventas y las contestadoras automáticas, permitiéndose al usuario el discar de acuerdo a aplicaciones y opciones. 12. Señalización digital

Figura: Señalización Digital CAS & CCS Cuando existe un alto volumen de llamadas para justificar el costo de Hardware, los enlaces troncales digitales son las opciones a elegir como un canal troncal digital E1 o un canal digital Primario ISDN PRI. A nivel de troncales digitales existen dos tipos de señalización especiales, originadas por la naturaleza de la transmisión de la información que esta dada por canales de transmisión de 64 Kbps. •

Channel Associated Signalling (CAS) : Es denominada como señalización en banda puesto que la señalización va portada dentro de cada canal de 64Kbps (time slot), bajo la forma de algunos bits reservados para este fin conocidos como ABCD bits. Para la funciones de señalización de un canal E1 o PRI este va en el time spot 16 con una estructura multitrama, de modo que los bits específicos en tramas específicas de la multitrama representan las señales de un canal TDM dado.

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•

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Common Channel Signalling (CCS) : Es denominada como señalización de canal común, donde todos los 32 canales de una interfase E1 se destina para el uso de la voz excepto uno de ellos que es usado para transportar la señalización de todos los demás 31 canales. Para esto se destina el canal o time slot 16. Este time slot de señalización es asociado a un canal de datos dedicado para esta función, esto hace que la señalización este fuera de banda. Para el caso de una línea PRI la señalización va en el canal D.l

13. Identificando la Señalización

Figura: Identificación de Señalización Existen muchos otros tipos de señalización, en donde a mayor bondades y servicios que pueda ofrecer una Central Telefónica, mayor será la importancia de la señalización, siendo importante, además, seleccionar un tipo de señalización que permita la fiabilidad de los mensajes y de los eventos ocurridos en la Central Telefónica como transferencia de llamadas, conferencia tripartita, correo de voz, etc. Cabe indicar que los valores de la señalización tienen significancia local, es decir que por cada tramo que se comunique una central, la señalización puede ser diferente. Es así como, para establecer una llamada por larga distancia, se pueden establecer muchas señales como interfases se tenga que pasar para llegar al destino, interfases como LoopStart, luego Groun Start, E&M, luego CAS y después continuar con el proceso contrario. Algunas señalizaciones:

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• • • • •

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British Telecom DPNSS = Digital Private Networking Signalling System Nortel MCDN = Meridian Customer Defined Networking CORNET = Corporate ISDN Network Protocol PSS1 = Private Signalling System No. 1 Señalización R2 para canales Digitales E1

14. Que son las interfases FXO y FXS?

Figura: Interfaces FXO y FXS Las interfases FXS y FXO han sido diseñadas por fabricantes que van a conectar sus equipos de tal manera que necesitan que dicho equipo simule un anexo ó una troncal GroundStart o LoopStart , en un punto remoto. Nos permiten extender anexos. •

•

Foreign Exchange Station (FXS): Es una interfase donde se puede conectar un aparato telefónico directamente ya que simula un anexo. Puede ser programado para el tipo de discado por pulsos ó DTMF. Foreign Exchange Office (FXO): Es una interfase para conectarse a los anexos de una Central telefónica, es decir que simula el aparato telefónico. Esto permitiría la conexión de un anexo para que pueda ser compartido por otros usuarios.

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14.1.

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Efectos de eco

Como se mencionó anteriormente, uno de los problemas al manejar líneas troncales con solo dos hilos, ocasionaría el uso de las mismas para el proceso de señalización y para la transmisión de datos de voz, lo que provocaría el uso de componentes comunes, adicionando el factor de que esos mismos hilos tienen que tener funciones full duplex. Dichos procesos en definitiva, ocasionarán la existencia de eco en la línea mientras se esté efectuando una conversación. Se debe tener presente que una señal de eco menor a los 45 milisegundos es aún tolerado.

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15. Modos de Interconexión de PBX 15.1.

Antes del Switching desperdiciando puertos en PBX

Cuando se fabricaron los primeros equipos de comunicación de voz, como los multiplexores TDM de división de tiempos o estadísticos, estos no tenían un nivel de inteligencia como para participar de manera activa antes, durante y después de la comunicación de voz. Es por esto que las llamadas eran centralizadas y procesadas de manera efectiva por la Central Telefónica. Es entonces cuando aumentaba el procesamiento de la central PBX y también del uso del ancho de banda del enlace que estuviéramos utilizando. Era, pues, muy necesario desarrollar equipos inteligentes que puedan descargar procesos a la central telefónica y puedan interactuar con los requerimientos de las llamadas y participar de ruteo de las mismas de acuerdo a tablas de numeración. Este es el tipo de trabajo de equipos que actualmente realizan procesamiento de voz. Para el caso del diagrama de arriba para que un usuario en New York se pueda comunicar con una abonado en Denver es necesario ingresar a la PBX de Santa Clara por un canal y salir por otro hacia Denver, esta forma de conexión desperdicia puertos o canales troncales en la PBX central ya que para realizar una llamada entre puntos extremos se necesita dos canales troncales en la PBX central.

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Este punto debe ser cuidadosamente tratado puesto que al hacer uso del ancho de banda de un determinado enlace, se debe de dimensionar la capacidad del mismo, de acuerdo al tipo de compresión que se está utilizando y si la conmutación de las llamadas se realiza de manera centralizada. La posibilidad de manejar un ancho de banda bastante amplio de hace necesaria. También se debe considerar la cantidad de veces en que la señal de voz está siendo comprimida y descomprimida., ocasionando un alto procesamiento y la elevada posibilidad de que la lectura de voz se distorsione de la señal de voz muestreada inicialmente. Se debe notar que en la actualidad, mucho de los equipos que procesan señales de voz, poseen procesadores DSP (Digital Signal Processor) los cuales están destinados a procesar únicamente y de manera dedicada, señales de voz digital a fin de restar trabajo a los procesadores principales y de realizar un trabajo mucho más especializado.

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15.2.

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Switching

El realizar Switching para la interconexión entre PBX, es necesario contar con equipos intermedios como multiplexores, Frads, routers con características de Switching, esta característica permite que los equipos intermedios se comporten como centrales telefónicas, los cuales también participaran en el encaminamiento de las comunicaciones de telefonía. En el diagrama de arriba para que los abonados de New York y Denver puedan comunicarse entre sí ya no necesitarán hacer switching en la PBX de Santa Clara ni consumir puertos troncales, ya que el multiplexor o equipo conectado a la central o PBX de Santa Clara se encargará de realizar switching cuando los puntos remotos quieran comunicarse entre sí. Como se observa el medio de transporte puede ser de cualquier tecnología de comunicación desde líneas dedicadas digitales hasta redes de paquetes o celdas, solo se deberá tener en cuenta la capacidad de ancho de banda disponible para los canales de voz a transmitir por estos enlaces, ya que un canal de comunicación de voz de alta calidad (PCM) puede consumir 64 Kbps. Pero existen métodos de compresión de voz que permiten alojar una mayor cantidad de canales voz e inclusive compartir estos enlaces de comunicación con transmisión de datos.

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15.3.

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CCS Tunneling

La señalización de canal común permite que solo un canal de un conjunto de canales transporte información de señalización correspondiente a todos los demás canales. Esto permite que todos los canales que transportan voz tengan mayor ancho de banda para poder transmitir la información de manera eficiente. Adicionalmente, dentro del hardware, el procesamiento de un solo canal para un sólo tipo de información es mucho más eficiente que el mismo hardware discrimine dentro de un canal, la sección reservada para señalización de la reservada para la transmisión de la voz.

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15.4.

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QSIG Switching

Una de las formas de señalización más eficientes es QSIG. La cuál maneja de manera eficiente el tráfico de la voz, así como los eventos que sucedan en toda la topología de la red de telefonía, incluyendo información de valor agregado como correo de voz, mensajes de texto por pantallas de las consolas, etc. Este tipo de señalización está orientado a las interfases troncales, para comunicar las Centrales Telefónicas dentro de una red WAN. Dichas señalizaciones no dependen del tipo de protocolo WAN que se esté utilizando, pero si dependen, de manera estrecha, del delay o retardo que estos protocolos WAN puedan ofrecer así como de las variaciones del delay adicionales. Q.SIG formalmente se le conoce como sistema se señalización privada 1 (PSS1), es un grupo de extensiones de los protocolos RDSI. El objetivo de QSIG es activar los elementos avanzados de llamada entre redes de telefonía privada que utilizan las PBX´s interconectadas a través de troncales digitales PRI o E1. La comunicación a través de enlaces troncales entre PBX´s de diferentes vendedores ha estado limitada a las funciones mínimas que se pueden ser facilitadas mediante troncales analógicas (como conexión de llamada y cancelación). QSIG nos permite interconectar PBX´s de diferentes fabricantes y poder mantener todas las facilidades de

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operación como transferencias de llamadas, correo de voz, etc, entre estas PPX´s. 15.5.

Transporte de Troncales

La interacción de digitalizar la voz a partir de una Central Telefónica con servicios de valor agregado, con un sistema de señalización eficiente y dentro de una red de conmutación de paquetes, es una alternativa que muchas empresas en la actualidad están optando para reducir costos de las llamadas. Hasta hace unos años, para ofrecer una conectividad dentro de una red privada, la voz era transportada directamente sobre un protocolo WAN, donde se obtuvo como resultado una calidad aceptable de la voz, pero no era posible la adaptación de parámetros relacionados a la Calidad de Servicio (QoS) que permitan convivir con otros tipos de tráficos como LAN, dentro de un entorno común como lo es un enlace dedicado. Es posible transportar información de voz y establecer llamadas conversaciones a través de redes Frame Raley, ATM y TCP/IP, interconectando las centrales telefónicas a los equipos de acceso o Gateways de voz, para ello se debe tener en cuenta las siguientes consideraciones:

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• •

•

•

Utilizar la interfases E&M o T1/E1 como troncales de acceso. Los dispositivos deben proveer la funcionalidad DACS (Digital Access Cross Connect), la cual permite direccionar los canales de una línea T1/E1 a diferentes destinos. Conmutación QSIG permite la escalabilidad y la eficiencia cuando se interconecta centrales telefónicas de diferentes fabricantes. Capacidad de establecer llamadas telefónicas a velocidades menores a canales de 64Kbps, usando diferentes algoritmos de compresión.

El servicio no estructurado utiliza los 30 canales (2Mbps) de comunicación entre la comunicación de las dos PBX´s.

CES IW

PBX

CES IW

E1

PBX

CBR, 2 MG, PVC (or SVC)

Figura: Voz sobre ATM: Servicio no estructurado El servicio estructurado permite canalizar los 30 canales (2Mbps) de comunicación entre los diferentes puntos remotos. TS 18,19 / CBR, PVC (or SVC)

IW

PBX

IW

PBX

IW

PBX

Stuctured E1

TS 1, 2, 4 / CBR, PVC (or SVC)

Figura: Servicio estructurado

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15.6.

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Extendiendo una Extensión Una de las aplicaciones comunes es la de extender un anexo, lo que comúnmente se llama anexo extendido. Dicha conexión consiste en establecer un determinado anexo de la Central Telefónica, para conectarlo a un Router con interfase FXO y que a través de toda una red WAN se pueda acceder a un determinado punto remoto donde se conectará el aparato telefónico en una interfase FXS, la cual simulará de anexo en este lugar, de tal forma que el abonado o usuario en éste punto, cada vez que levante el teléfono tenga un tono de marcar entregado por la Central Telefónica Central, es decir dicho usuario remoto es una anexo más dentro del esquema local de la Central Telefónica.

15.7.

Private line automatic ringdown Otra de las aplicaciones comunes consiste en conectar dos teléfonos directamente a las interfases FXS de dos routers remotos. Así se tendrá que la red de Routers sería la central telefónica de toda la Red.

De manera adicional se puede aplicar el concepto de la conexión de tipo Private Line Auto Ringdown (PLAR) en donde un circuito se conecta entre dicho par de teléfonos sin necesidad de Central Telefónica y únicamente cuando alguno de los usuarios descuelgue el teléfono. Este servicio es también conocido como “Hot Line” dado que como ambos teléfonos están conectados de manera

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dedicada, se garantiza que cada vez que uno de los dos descuelgue el teléfono, se estará realizando una llamada de manera automática al otro extremo. 15.8.

Reemplazo de las redes TDM Uno de los últimos retos logrados por los desarrolladores de la tecnología de las comunicaciones es el de desplazar aplicaciones para portar voz basadas en una red TDM hacia una red de conmutación de circuitos. Si bien es cierto que una Red TDM tiene un ancho de banda fijo para cada usuario, restablecido de manera permanente y que garantiza un delay invariable, y una calidad de la voz muy buena, todo esto resultaba de costo muy elevado a la hora de ver los requerimientos para transportar voz y también datos. La necesidad de ahorrar costos y de tener un único medio por donde se transmita datos y video, sumados a los algoritmos de compresión conocidos y al eficiencia de una red conmutación de paquetes como Frame Relay, han hecho que la transmisión de dicho tráfico sea posible con una calidad de voz aceptable sin perjudicar la performance en la transmisión de datos.

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16. Digitalización y Codificación (Comprensión) de Voz

Las señales analógicas son continuas en dos dimensiones: tiempo y valor. Para digitalizar una señal analógica, se debe muestrear la señal con respecto al tiempo (Muestrear es el proceso de hacer discreta la señal analógica con respecto al tiempo), y cuantificarla con respecto al valor muestreado. Para enviar audio por una red convergente de datos, la forma de onda de audio analógica ha de ser codificada en bits binarios de datos que puedan ser procesados por un ordenador. Se muestrea, se cuantifica (se le asignan valores de bit discretos) y se comprime para que ocupe la mínima cantidad de ancho de banda. Cuando el sonido llega a su destino, se invierte el proceso. Los programas de compresión (la "co" de codecs) se aprovechan de las pausas entre palabras, períodos de silencio y cambios predecibles en las amplitudes para reducir el requisito de ancho de banda para transmitir la voz humana a la mitad. A continuación encontrará una lista de los estándares de codecs más populares de la International Telecomunication Union (ITU), incluyendo los utilizados por la Telefonía IP. •

•

•

Para poder brindar conectividad de usuarios a través de una red telefónica, es necesaria y la interconexión de Centrales Telefónicas. Todas la conexiones de PBX son de tipo digital bajo interfases de tipo E1, E2 o E3, pudiendo incluso tener interfases SDH. El manejo de la información de voz, a través de largas distancias tiene que ser del tipo digital, debido a que su tratamiento analógico, causaría pérdida en la calidad de la voz así como se obtendría mucha atenuación. Para que la voz pueda utilizar las interfase digitales de alta velocidad necesita ser digitalizada, debiéndose considerar las

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•

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muchas técnicas de digitalización, las cuales varían entre sí por el ancho de banda utilizado, la razón de compresión y la calidad de la señal de voz. Este proceso de digitalización también es llamado compresión, cuando el ancho de banda utilizado es menor a los 64 Kbps.

16.1.

Muestreo Digital

Voice Bandwidth = 300 Hz to 3400 Hz

Analog Audio Source

Sampling Stage

- S a m p le : 8 k H z (8 ,0 0 0 S a m p le s /S e c ) - C o d e d o n 8 b it s = > 6 4 K b /s B W fo r o n e c o n v e r s a tio n En la figura de arriba se muestra el proceso de muestreo de una señal analógica. Una fuente de reloj proporciona la base de tiempo para tomar una muestra de la señal analógica a intervalos fijos de tiempo. Según el teorema de Nyquist, la frecuencia de muestreo debe ser al menos dos veces más alta que la mayor frecuencia de entrada. Mientras los humanos podemos oír frecuencias de hasta 20 Khz, la mayoría de la información transmitida en una conversación no excede de lo 4 Khz. Las señales de un teléfono analógico se filtran antes del muestreo para que la mayor parte de la señal esté entre 300 y 3,400 Hz. Esta señal es muestreada a 8,000 Hz para que las frecuencias de hasta 4,000 Hz puedan ser muestreadas. Cada 125 us (1/800 seg), el valor de señal es transmitida a función de cuantificación. Si la señal es muestreada a 8000 muestras por segundo y codificadas a 8 bits por muestra entonces tendremos por conversación un ancho de banda (BW) de uso de 64 Kbps.

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16.2.

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Cuantificación 8159 4063 2015 991 479 223 95 31 0 -31 -95 -223 -479 -991 -2015 -4063 -8159

10000000 10001111 10011111 10101111 10111111 11001111 11011111 11101111 11111111/01111111 01101111 01011111 01001111 00111111 00101111 00011111 00001111 00000000

La cuantificación es el proceso de redondear los valores muestreados a un valor discreto predefinido más próximo. Esto permite representar el valor del impulso como un flujo binario de bits en vez de un puro formato analógico. En el proceso de cuantificación se debe considerar dos variables importantes: •

•

Número de niveles de cuantificación: La señal digital se parece más a la señal analógica según aumenta el número de niveles de cuantificación, para esto se requiere que se codifique más información, por lo que se requiere aumentar el número de bits por muestreo, lo cual aumentará la proporción de bits de salida digitalizada requiriendo mayor BW para el envió de la señal digitalizada. Distribución de Niveles de cuantificación: Indica la resolución digital en los diferentes rangos del valor de la señal analógica.

17. Algoritmos de Codificación (Compresión) de Voz El objetivo de la codificación de las señales de voz es desarrollar codecs de audio que proporcionen mejor calidad de la señal de voz con una proporción más baja de bits, permitiendo alojar una mayor cantidad de conversaciones de voz en un BW dado. Los codecs de baja proporción de bits tienden a perder señal, lo que significa que la calidad de la señal se reduce, estos son los codecs más utilizados ya que requieren un menor ancho de banda para el envió de señal de voz digitalizada.

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Designación

Ancho de Banda

Índice de

Algoritmo de

ITU

de Audio

Transmisión

Compresión

G.711

3.4 KHz

56K, 64Kbps

PCM

G.728

3.4 KHz

16Kbps

LD-CELP

G.723.1

3.4 KHz

48K, 56K, 64Kbps

Compresión simple de amplitud; Ampliamente extendido en PSTN Misma

calidad

3.4 KHz

G.729A

8Kbps

Codec básico del VoIP Forum

CS-ACELP

calidad que G.723.1; Aplicaciones

de

conversación

pueden

Codecs de forma de Onda Codecs Fuente Codecs Híbridos Codecs de Forma de Onda Reconstruyen una señal de entrada sin modelar el proceso que creó la señal de entrada. La señal de salida recrea la forma de entrada de la forma de onda, con la independencia de que la entrada sea una señal de conversación. Es tipo de codec utiliza no utiliza un baja proporción de bits para la codificación y son los menos complejos. Estándares de compresión de voz que utilizan Codecs del algoritmo de forma de onda: • •

17.2.

G.711 PCM (Modulación por Pulsos Codificados) G.726 ADPCM (Modulación por Pulsos codificados Diferencial y Adaptable)

Codecs Fuente Los codecs fuente de conversación intentan replicar el proceso físico de la creación de sonido. Los codecs fuente producen señales de muy baja tasa de bits, pero tienen una baja calidad de voz, y son utilizados en aplicaciones militares.

17.3.

G.711;

Cercano a la calidad tarificada;

más nuevas de telefonía IP.

Los algoritmos de codificación clasificarse como sigue:

17.1.

que

Videoconferencia de bajo índice

Baja latencia y ligeramente mejor

G.729 and

• • •

LP-MLQ

Comentarios

Codecs Híbridos Estos Codecs proporcionan una mayor calidad de voz que los codecs fuente y utilizan proporciones de bits más bajos que los codecs de forma de onda. Para cumplir este

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rendimiento, los codecs híbridos usan una combinación de codecs fuente y de análisis de forma de onda. Estos algoritmos de los codecs híbridos son bastante complejos. Los codecs híbridos más comunes operan en el dominio del tiempo usando técnicas de predicción lineal de análisis por síntesis (LPAS). Algoritmos estándares que utilizan codecs híbridos: •

• • •

G.723 ITU que utiliza un algoritmo MP-MLQ (Cuantificación de Probabilidad máxima de Multiimpulso) G.728 que utiliza algoritmo LD-CELP (Predicción Lineal de código estimulado de bajo retraso). G.729 que usa el algoritmo CS-ACELP. G.723.1 1ue usa el algoritmo ACELP.

18. Algoritmos o Estándares de Compresión de Voz 18.1.

Recomendación G.711 La ITU ha estandarizado la Modulación de Código de Pulso (Pulse Code Modulation, PCM) como G.711, que permite una señal de audio de calidad tarificada con un ancho de banda de 3.4 KHz que ha de ser codificado para la transmisión de índices de 56 Kbps o 64 Kbps. El G.711 utiliza A-law o Mu-law para una compresión simple de amplitud y es el requisito básico de la mayoría de los estándares de comunicación multimedia de la ITU.

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(PCM es el método de codificación de señal de audio analógica más popular y es ampliamente utilizado por la red telefónica pública. Sin embargo, el PCM no soporta compresión de ancho de banda, por lo que otras técnicas de codificación como el Adaptive Differential PCM (ADPCM) utilizan estimaciones basándose en dos muestras cuantificadas consecutivas para reducir el ancho de banda.)

En codificación en PCM usa un codec de forma de onda y la señal es previamente filtrada para eliminar los componentes de frecuencias altas y bajas y muestreada a 8000 veces por segundo. Este valor muestreado es cuantificado para uno de los 256 valores, que están representados en 8 bits. La proporción de bits resultantes del codec G.711 es de 64 Kbps, lo que determina un time slot DS0. El valor de cada muestra es codificado usando una de las dos leyes de codificación A-Law (Usa y Japon) o u-Law (Europa). Estas leyes se refieren a la distribución de los niveles de cuantificación, a esto también se le llama companding (compresión y descompresión). Nota: Como las señales de alta frecuencia tienen menor resolución en G7.11, las señales DMTF de marcado

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pueden ser irreconocibles si el nivel de audio es demasiado alto.

0101 0111 0000 1100 1100 0011 0011 1100 1101 1100 0100 0110 0100 0100 1101 1100 1110

• ADPCM –4KHz (3.4 kHz) x 2 = –8000 samples of 4 bits = –32 kBit/s

18.2.

Recomendación G.726 Es un codec de forma de onda y en lugar de transmitir los valores reales PCM de la forma de onda, el codec ADPCM transmite una señal de error que es la diferencia entre la entrada real y la estimada.

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Bits por muestra de señal de error 5 4 3 2

Tasa de Bits 40 Kbps 32 Kbps 24 Kbps 16 Kbps

Unacceptable

Números de Niveles de cuantificación 31 15 7 4

Utility

Business

Toll

Bandwidth (kbps)

64

PCM

56 48 40

ADPCM 32 (G.723)

32

LD CELP 16 (G.728)

24

LDCELP 16 (G.728)

16 8

LPC 4.8

ADPCM 16 (G.726)

MPMLQ (G.723.1)

CS-ACELP 8 (G.729)

0

18.3.

Recomendación G.728 G.728 codifica una señal de audio de calidad tarifada con un ancho de banda de 3.4 KHz para transmitir a 16 Kbps. Es comúnmente utilizada en sistemas de videoconferencia que funcionan a 56 Kbps o 64 Kbps. Con un requisito de ordenador más alto, el G.728 proporciona la cualidad del G.711 a un cuarto del índice de datos necesario.

18.4.

Recomendación G.723.1 G.723.1 define cómo puede codificarse una señal de audio con un ancho de banda de 3.4 KHz para transmitirse a 5.3 Kbps y 6.4 Kbps. G.723.1 requiere un índice de transmisión muy bajo ofreciendo una calidad de audio cercana a la tarifada. G.723.1 ha sido seleccionada por el VoIP Forum como el codec básico para aplicaciones de telefonía IP de bajo índice de bits.

18.5.

Recomendaciones G.729 y G.729A Elegidas como los estándares oficiales de la ITU en 1996, estas recomendaciones codifican señales de audio cerca de la calidad tarifada con un ancho de banda de 3.4 KHz para su transmisión a una velocidad de 8 Kbps. G.729A

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requiere una potencia de ordenador más baja que G.729 y G.723.1. Tanto G.729 como G.729A tienen una latencia (el tiempo que necesita para convertir de analógico a digital) más baja que G.723.1. Se espera que G.729A tenga un impacto mayor en la compresión de voz para su transmisión sobre redes inalámbricas. Bajo este tipo de algoritmo de compresión, la filosofía de la digitalización se basa en que no se necesita muestrear toda la señal de voz a cada momento y codificarla en un determinado número de bits, debido a que los cambios en la señal de voz pueden ser mínimos durante una conversación, más aún cuando a menudo se producen espacios de silencio. Es por esto que las muestras de voz bajo esta técnica, son en menor número de bits.

19. Calidad de Compresión Como se mencionó anteriormente, la calidad de la voz depende directamente del ancho de banda que se destine para la transmisión únicamente de voz. Por ejemplo, la técnica PCM necesita de 64Kbps para establecer una sola comunicación de voz con una calidad de voz excelente. Técnicas como ADPCM, basadas en el concepto de que no es necesario muestrear toda la señal para tener una referencia de la misma puede tener solo en 32Kbps una calidad de voz comparable con PCM.

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Algoritmos bastante eficientes como el G.729 permiten tener una calidad muy buena, y comparable a la calidad que ofrece PCM a 64Kbps, con solo 8Kbps. Este último es unos de los estándares más utilizados en la actualidad por la eficiencia en desarrollo del algoritmo de muestreo y compresión.

20. Introducción a la Tecnología de Voz sobre IP Desde hace tiempo, los responsables de comunicaciones de las empresas tienen en mente la posibilidad de utilizar su infraestructura de datos, para el transporte del tráfico de voz interno de la empresa. No obstante, es la aparición de nuevos estándares, así como la mejora y abaratamiento de las tecnologías de compresión de voz, lo que está provocando finalmente su implantación. Después de haber constatado que desde un PC con elementos multimedia, es posible realizar llamadas telefónicas a través de Internet, podemos pensar que la telefonía en IP es poco más que un juguete, pues la calidad de voz que obtenemos a través de Internet es muy pobre. No obstante, si en nuestra empresa disponemos de una red de datos que tenga un ancho de banda bastante grande, también podemos pensar en la utilización de esta red para el tráfico de voz entre las distintas delegaciones de la empresa. Las ventajas que obtendríamos al utilizar nuestra red para transmitir tanto la voz como los datos son evidentes.

Non-QoS IP Backbone Gatekeeper 3600

GK

P S T N

Gateway AS5300

Proxy 3600

GK

IP Backbone GSR, CoS, QoS, Tag, etc.

V

DNS

Cisco Voice Manager

AAA

Gateway AS5300

V

Client (3600) PBX

Client (3600)

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P S T N

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Ahorro de costes de comunicaciones pues las llamadas entre las distintas delegaciones de la empresa saldrían gratis. Integración de servicios y unificación de estructura.

Realmente la integración de la voz y los datos en una misma red es una idea antigua, pues desde hace tiempo han surgido soluciones desde distintos fabricantes que, mediante el uso de multiplexores, permiten utilizar las redes WAN de datos de las empresas (típicamente conexiones punto a punto y frame-relay) para la transmisión del tráfico de voz. La falta de estándares, así como el largo plazo de amortización de este tipo de soluciones no ha permitido una amplia implantación de las mismas. Es innegable la implantación definitiva del protocolo IP desde los ámbitos empresariales a los domésticos y la aparición de un estándar, el VoIP, no podía hacerse esperar. La aparición del VoIP junto con el abaratamiento de los DSP’s (Procesador Digital de Señal), los cuales son claves en la compresión y descompresión de la voz, son los elementos que han hecho posible el despegue de estas tecnologías. Para este auge existen otros factores, tales como la aparición de nuevas aplicaciones o la apuesta definitiva por VoIP de fabricantes como Cisco Systems o Nortel-Bay Networks. Por otro lado los operadores de telefonía están ofreciendo o piensan ofrecer en un futuro cercano, servicios IP de calidad a las empresas.

Figura: Pila de protocolos usados por VoIP

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20.1.

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Estándar h.323

El VoIP/H.323 comprende a su vez una serie de estándares y se apoya en una serie de protocolos que cubren los distintos aspectos de la comunicación: • Direccionamiento: • RAS (Registration, Admision and Status). Protocolo de comunicaciones que permite a una estación H.323 localizar otra estación H.323 a través de el Gatekeeper. • DNS (Domain Name Service). Servicio de resolución de nombres en direcciones IP con el mismo fin que el protocolo RAS pero a través de un servidor DNS • Señalización: • Q.931 Señalización inicial de llamada • H.225 Control de llamada: señalización, registro y admisión, y paquetización / sincronización del stream (flujo) de voz • H.245 Protocolo de control para especificar mensajes de apertura y cierre de canales para streams de voz • Compresión de voz: • Requeridos: G.711 y G.723 • Opcionales: G.728, G.729 y G.722 • Transmisión de voz: • UDP. La transmisión se realiza sobre paquetes UDP, pues aunque UDP no ofrece integridad en los datos, el aprovechamiento del ancho de banda es mayor que con TCP. • RTP (Real Time Protocol). Maneja los aspectos relativos a la temporización, marcando los

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paquetes UDP con la información necesaria para la correcta entrega de los mismos en recepción. Control de la transmisión: • RTCP (Real Time Control Protocol). Se utiliza principalmente para detectar situaciones de congestión de la red y tomar, en su caso, acciones correctoras.

H.323 define una serie de entidades en una red H.323 con una serie de funcionalidades: •

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Gatekeepers: Dentro de su zona LAN actúa de monitor de la red, proporcionando los servicios de resolución de direcciones (por ejemplo, asignación de la dirección IP a su alias, ya sea número telefónico o nombre) y de conceder permisos de llamadas MCUs (Multipoint Control Unit): es el sistema encargado del control de las conferencias múltiples, proporciona todos los servicios para establecer comunicaciones multipunto Terminales: son los dispositivos que se pueden conectar directamente a IP y soportan H.323 Gateways: son los sistemas encargados de permitir que los equipos H.323 puedan operar con otras redes, H.323 predefine un número de dispositivos, los actualmente definidos son H.320 (interconexión con terminales de videoconferencia RDSI), H.324 (terminales de videoconferencia sobre telefonía) y dispositivos RTB Proxies: son los sistemas que actúan como intermediarios entre diversas entidades, tal y como lo hacen los proxies en las redes IP (conexión entre la IntraNet e InterNet, por ejemplo).

El establecimiento y el mantenimiento de conexiones H.323 realizan un uso tanto de tráfico sobre TCP como de UDP: •

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Q.931 sobre TCP que se realiza a través del puerto bien conocido 1720 para negociar el puerto de conexión del H.245 H.245 sobre TCP para realizar las negociaciones de los parámetros (codificadores entre otros) y realiza las conexiones UDP para RTP y RTCP RTP y RTCP sobre UDP en que se usan conexiones UDP para mantener los flujos asociados con el tráfico H.323

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El standard H.323 define un método de permitir tráfico multimedia sobre una red IP, pero y como no puede ser de otra forma, no asegura que la comunicación pueda tener lugar. En el caso de transmisión de voz es necesario asegurar unos parámetros mínimos para que una conversación pueda tener lugar. Los parámetros más influyentes en el comportamiento de una transmisión de voz son los siguientes: •

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Retardos de los paquetes: Una red IP, y sobre todo InterNet, no asegura el retardo de un paquete. Actualmente, solamente a través del control y gestión global extremo a extremo, y la disponibilidad de suficiente ancho de banda así como la tecnología de switching-routing necesaria, es posible asegurar unos niveles de retardo máximos. Por ello y en el estado de congestión actual y previsible, InterNet no nos puede asegurar unos niveles máximos. Jitter: Es muy dependiente del retardo de los paquetes, y consiste en el tiempo de variación en la llegada de paquetes. Este parámetro tiene los mismos problemas y dificultades que el retardo, por lo que las soluciones van en la misma línea. Si cabe, en este caso es más importante las tecnologías de enrutamiento de los paquetes IP. Pérdida de paquetes: al estar basados, sobre todo UDP, en una transmisión no fiable las pérdidas de paquetes si existe congestión o problemas en la transmisión pueden llegar a ser importantes.

El estado de la red tiene un impacto diferente sobre la transmisión de fax (protocolos T.4 y T.30) sobre IP que sobre la transmisión de voz sobre IP. El oído humano es mucho más sensible a la pérdida de datos, que puede hacer la conversación ininteligible, que al retardo. La UIT ha desarrollado una recomendación para ayudar a definir los efectos de los retardos dando un valor máximo. La recomendación G.114 definida en 1996 recomienda que el límite en un canal unidireccional de voz sea de 400 ms. Sin embargo tenemos que considerar que la apreciación de la calidad de una comunicación de voz tiene una buena parte subjetiva, dependiendo también de valor calidad/precio que se le de a esa comunicación. Puede que retardos de 400 ms resulten inadmisibles para una buena parte de los usuarios para conversaciones de negocios, y que retardos de 600 ms resulten admisibles por usuarios privados si el coste así se lo justifica.

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Un aspecto importante a reseñar es el de los retardos en la transmisión de la voz. Hay que tener en cuenta que la voz no es muy tolerante con estos. De hecho, si el retardo introducido por la red es de más de 300 milisegundos, resulta casi imposible tener una conversación fluida. Debido a que las redes de área local no están preparadas en principio para este tipo de tráfico, el problema puede parecer grave. Hay que tener en cuenta que los paquetes IP son de longitud variable y el tráfico de datos suele ser a ráfagas. Para intentar obviar situaciones en las que la voz se pierde porque tenemos una ráfaga de datos en la red, se ha ideado el protocolo RSVP, cuya principal función es trocear los paquetes de datos grandes y dar prioridad a los paquetes de voz cuando hay una congestión en un router. Si bien este protocolo ayudará considerablemente al tráfico multimedia por la red, hay que tener en cuenta que RSVP no garantiza una calidad de servicio como ocurre en redes avanzadas tales como ATM que proporcionan QOS de forma estándar. 20.2.

Voip en Redes Públicas Podemos encontrar con tres tipos de redes IP:

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Internet: El estado actual de la red no permite un uso profesional para el tráfico de voz. Red IP pública: Los operadores ofrecen a las empresas la conectividad necesaria para interconectar sus redes de área local en lo que al tráfico IP se refiere. Se puede considerar como algo similar a Internet, pero con una

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mayor calidad de servicio y con importantes mejoras en seguridad. Hay operadores que incluso ofrecen garantías de bajo retardo y/o ancho de banda, lo que las hace muy interesante para el tráfico de voz. Intranet: La red IP implementada por la propia empresa. Suele constar de varias redes LAN (Ethernet conmutada, ATM, etc.) que se interconectan mediante redes WAN tipo Frame-Relay/ATM, líneas punto a punto, RDSI para el acceso remoto, etc. En este caso la empresa tiene bajo su control prácticamente todos los parámetros de la red, por lo que resulta ideal para su uso en el transporte de la voz.

A finales de 1997 el VoIP forum del IMTC ha llegado a un acuerdo que permite la interoperabilidad de los distintos elementos que pueden integrarse en una red VoIP. Debido a la ya existencia del estándar H.323 del ITU-T, que cubría la mayor parte de las necesidades para la integración de la voz, se decidió que el H.323 fuera la base del VoIP. De este modo, el VoIP debe considerarse como una clarificación del H.323, de tal forma que en caso de conflicto, y a fin de evitar divergencias entre los estándares, se decidió que H.323 tendría prioridad sobre el VoIP. El VoIP tiene como principal objetivo asegurar la interoperabilidad entre equipos de diferentes fabricantes, fijando aspectos tales como la supresión de silencios, codificación de la voz y direccionamiento, y estableciendo nuevos elementos para permitir la conectividad con la infraestructura telefónica tradicional. Estos elementos se refieren básicamente a los servicios de directorio y a la transmisión de señalización por tonos multifrecuencia (DTMF).

21. Referencias Bibliográficas • • • •

http://www.cisco.com http://www.rad.com http://www.voip.org http://www.monografias.com

FIN DE LA UNIDAD

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