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VoIP e convergência (TEL040)

O artigo é de 2006, mas como trata de conceitos que ainda hoje são válidos, não perdeu sua atualidade. Nele explicamos o que é VoIP e o que significa um termo que na época estava começando a ser utilizado com maior frequência.

Um termo muito em moda nos nossos dias e nos meios especializados em telecomunicações é "Convergência". Esse termo é usado para designar a integração de todos os tipos de equipamentos possíveis num sistema único capaz de trocar dados, sons e imagens. Dentre as tecnologias que se incluem nessa convergência o destaque é para a VoIP ou Voz sobre Protocolo de Internet. Convergência e VoIP são os assuntos desse nosso artigo que esclarece os leitores que ainda não estão totalmente informados sobre o assunto, os principais tópicos de interesse técnico.

Com o aperfeiçoamento das tecnologias de redes sem fio (Wireless), ganhando maior alcance e confiabilidade, a possibilidade de se integrar qualquer tipo de aparelho a um sistema único de comunicações é hoje uma realidade.

No início, a idéia mais simples que tínhamos de uma rede era a formada por um ou mais computadores e periféricos como impressoras, scanners, câmeras de vídeo, eventualmente sensores num sistema industriais e nada mais do que isso.

Hoje em dia, a idéia se ampliou a tal ponto que, qualquer tipo de dispositivo que possa se comunicar com outro, pode fazer parte de um sistema único.

Televisores que antes se comunicavam apenas com os aparelhos de DVD e vídeo, eventualmente uma câmera podem se comunicar com a internet, telefones celulares e outros equipamentos.

Telefones celulares que antes apenas se comunicavam com outros telefones celulares e telefones comuns podem agora enviar imagens para computadores, dados de sua agenda e muito mais.

Eletrodomésticos que antes eram considerados equipamentos "fora do sistema, podem se comunicar entre sí, com celulares e até com o computador. Você pode enviar uma ordem para seu forno de microondas, usando a internet, para que ele ligue por determinado tempo em determinado horário.

Enfim todos os equipamentos estão ligados num sistema único, falando uma linguagem única, conforme sugere a figura 1.

 

Convergência
Convergência

 

Além da possibilidade de haver uma integração total entre todo e qualquer equipamento eletrônica, essa convergência tem algumas outras vantagens que já se manifestam em algumas aplicações práticas. Uma delas é o que denominamos VoIP.

 

VoIP

Voice over Internet Protocol ou Voz sobre Protocolo de Internet é o nome dessa tecnologia bastante interessante que já está se difundido de uma maneira bastante intensa, graças às suas vantagens.

A idéia básica é usar as conexões de internet, que na sua maioria são linhas telefônicas, para realizar comunicações telefônicas, mas na forma digital, usando um protocolo de internet (IP).

Mas qual é a vantagem disso? A primeira vantagem e talvez a maior de todas que está atraindo a atenção principalmente de pessoas e empresas que têm na conta telefônica uma despesa preocupante, é justamente a possibilidade de cortar gastos com ligações.

As conexões via internet não têm custo por tempo e distância. Isso significa que não se paga por uma ligação interurbana, interestadual ou internacional usando VoIP.

Mesmo usando a linha telefônica, a conexão é feita via Internet e isso corta os custos. Como funciona isso é o que veremos a seguir.

 

Digitalização

A base do processo é a digitalização dos sinais de voz, para que eles possam ser enviados via internet através de um modem.

Os sinais analógicos, como os que correspondem à voz, são amostrados e os valores obtidos em cada amostragem, convertidos para a forma digital, conforme mostra a figura 2.

 

DSP convertendo os sinais analógicos em digitais.
DSP convertendo os sinais analógicos em digitais.

 

Nesse processo de amostragem, e transformação para a forma digital, existem alguns recursos importantes para se obter melhor aproveitamento do sistema. Um deles é o VAD (Voice Activation Detection). Esse recurso permite que se detecte quando o usuário não está falando, e com isso nenhum pacote de informação é gerado.

Nesses intervalos em que não há transmissão de pacotes, é gerado um ruído branco no receptor para que o usuário não pense que a chamada foi interrompida.

O fluxo de dados PCM é feito na forma de frames num CODEC que codifica os pulsos em quadros de menor dimensão, para maior robustez da transmissão. Dessa forma, a taxa de erros devido a jitters (atrasos) e bursts (picos) é menor.

Na figura 3 mostramos como o CODEC divide o fluxo de dados em pacotes.

 

O CODEC divide os dados em pacotes.
O CODEC divide os dados em pacotes.

 

Outra função importante do CODEC é comprimir os dados de modo a se obter uma melhor utilização da faixa de voz. Essa compressão pode ser feita segundo diversos algoritmos, cada um apresentando suas vantagens e desvantagens, conforme mostra a tabela de características dada abaixo.

 

AlgoritmoG.711G723.1G.726G.728G.729
Taxa de Transmissão (bps) 64 5,3-6,3 32 16 8
Qualidade (MOS) 4,4 3,98 4,2 4,2 4,2
Atraso (ms) 0,75 30 1 3 a 5 10
Complexidade Muito baixa Muito Alta Muito Baixa Baixa Alta

 

Os frames são organizados em pacotes com o formato mostrado na figura 4.

 

Os pacotes são remontados para o envio.
Os pacotes são remontados para o envio.

 

Temos então no inicio do pacote o IP, o número discado pelo DSP por tons que deve ser usado para identificação do destino. Essa parte do pacote é formada por 20 bytes que contém o endereço do terminal de origem e o endereço IP do terminal de destino.

Vêm a seguir outro bytes do UDP e RTP que contém o socket de origem e destino. Finalmente são introduzidos os pacotes de voz codificada para a forma digital.

Ao chegar ao receptor, os cabeçários (IP, UDP e RTP) são desconsiderados e apenas os pacotes de dados são levados ao DSP para que sejam reconvertidos para a forma analógico e reproduzidos no fone.

 

Os Problemas

Se bem que as vantagens sejam muitas na utilização do VoIP, existem diversos problemas que ainda precisam ser eliminados.

Um dos problemas mais aborrecidos é o atraso. Na digitalização, compressão, transmissão e descompressão ocorrem atrasos que se tornam evidentes no momento em que os sinais são reproduzidos.

A persistência auditiva nos permite detectar atrasos de 0,1 segundos ou maiores e no VoIP esse atraso chega aos 250 ms ou 0,25 s. Na figura 5 mostramos o que ocorre.

Outro problema é o jitter ou interrupção que pode ocorrer entre os pacotes.

Conforme mostra a figura 5, o sinal analógico digitalizado é comprimido em pacotes que são transmitidos. Ao chegar ao terminal receptor, esses pacotes devem ser recuperados de forma constante, sem que exista intervalo entre eles, para que o som seja reproduzido exatamente na forma original segundo foi codificado.

 

Os processos de compactação e envio dos dados podem causar um atraso.
Os processos de compactação e envio dos dados podem causar um atraso.

 

Na prática, entretanto podem ocorrer pequenos retardos na decodificação que causam interrupções ou uma separação entre os pacotes e isso se reflete na reprodução do som de forma desagradável.

Da mesma forma, existe a possibilidade de que pacotes de dados sejam perdidos na transmissão, conforme mostra a figura 6.

 

Os pacotes podem se perder durante a transmissão.
Os pacotes podem se perder durante a transmissão.

 

Quando isso ocorre, se houver um intervalo na reprodução podem ocorrer chiados ou ruídos desagradáveis. Na prática, o DSP consegue detectar a falta de um pacote e para não haver a ocorrência de chiados ele gera um pacote igual ao anterior para "encher" o espaço do pacote perdido.

O ouvido humano não consegue detectar a diferença e com isso praticamente a qualidade da transmissão é mantida.

 

Equipamento

Existem três tipos de equipamentos que são usados na implantação de um sistema VoIP. Esses elementos vão depender basicamente do tipo de solução adotada, conforme veremos a seguir.

 

Terminal

O terminal é o aparelho telefônico propriamente dito, através do qual a comunicação de voz é realizada. Se o sistema usar um computador, o terminal é um "softfone," ou seja, um telefone especial que já possui um software instalado. Se for um telefone comum, deve ser usado um dispositivo especial que faça seu interfaceamento com o computador.

 

Media Gateway

Esse dispositivo é formado por processadores que fazem a adaptação do formato telefônico tradicional para o formato Internet, conforme mostra a figura 7.

 

Media Gateway
Media Gateway

 

Esse dispositivo consiste num conjunto de DSPs que fazem a conversão dos sinais analógicos para a forma digital e vice-versa, e um microprocessador que processa esses sinais segundo os protocolos de rede, gerenciamento, tarifação e roteamento para que eles possam ser enviados via internet.

Além disso, esse elemento da rede possui diversos outros recursos especiais como a compressão de voz, detecção e geração de tom, supressão dos intervalos de silêncio, etc.

 

Media Gateway Controller

Também conhecido como Gatekeeper, esse elemento da rede faz o processamento das chamadas e o interfaceamento entre os elementos que vão acessar a rede. Na figura 8 temos um exemplo de rede completa com todos os elementos analisados.

 

Media Gateway controller.
Media Gateway controller.

 

Outra função desse elemento é armazenar uma base de dados que tenha os endereços IP dos assinantes. Isso permite fazer a conversão dos números telefônicos convencionais em endereços IP.

 

Conclusão

Apesar das deficiências que ainda existem principalmente em relação aos problemas de atrasos e pacotes perdidos, o VoIP consiste numa solução muito interessante como alternativa para as elevadas tarifas telefônicas.

Nesse artigo analisamos seu aspecto técnico, de modo que o leitor possa conhecer seu princípio de funcionamento e a partir dele decidir se é uma solução para o seu caso.

 

 

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