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Telefonia IP para Ambientes Móveis Compactos

1. Introdução 2. Telefonia IP 1. Voz 2. Comutação 3. Protocolos de Sinalização e Controle 1. H.323 2. SIP 4. Aspectos de Tempo Real 5. Aspectos Econômicos 3. Computação Móvel 1. Qualidade de Serviço 4. Análise de Erros da Telefonia IP sobre Ambiente de Computação Móvel 5. Implementação 1. Bibliotecas para Implementação de Telefonia IP 6. Resultados, Conclusões e Trabalhos Futuros 7. Referências w.projetoderedes.kit.net

Introdução

Este trabalho tem como objetivo construir um protótipo, baseado em duas tecnologias em franca ascensão, Telefonia IP e Computação Móvel, utilizando ainda de técnicas de sistemas embutidos. Este prótotipo se propõe a ter as funcionalidades de um telefone celular, porém, não utiliza da sólida e bem conhecida tecnologia de telefonia celular. Ao contrário, nosso aparelho celular é construído sobre o protocolo IP, utilizando da técnica que ficou conhecida como Wavelan, para garantir mobilidade ao nosso sistema.

Este documento apresenta inicialmente a tecnologia de Voz sobre o Protocolo IP, que será tratada como Telefonia IP, mostrado seu estado atual de desenvovimento, vantagens e problemas encontrados, padrões propostos e utilizados e expectativas de custo e utilização. Esta seção do documento tem ainda o objetivo de ser uma referência sobre este assunto.

Na terceira seção, apresentaremos o ambiente de Computação Móvel, apresentando suas dificuldades e vantagens, os padrões utilizados, especialmente aquele utilizado na construção do nosso protótipo. Vamos apresentar também os conceitos de qualidade de serviço e suas limitações sobre um ambiente de computação móvel.

Na quarta seção, apresentaremos os experimentos realizados sobre o ambiente de computação móvel com o objetivo de verificar a qualidade de voz transmitida sobre este ambiente, utilizando diversos vocoders e incluindo uma política de redundância de informações transmitidas. Estes testes permitiram definir aspectos importantes para o transmissão de voz no nosso protótipo.

Na quinta seção apresentaremos então nosso protótipo. O hardware e o software utilizados na sua implementação, os padrões utilizados, as pilhas de protocolos usadas na implementação. As limitações de energia, portabilidade e alcance do sinal.

Na última seção apresentamos então os resultados e as conclusões obtidas com este trabalho. As possibilidades de utilização do protótipo e as melhorias necessárias. Também estaremos apresentando as possibilidades vislumbradas de trabalhos futuros, utilizando os conhecimentos obtidos neste trabalho de forma a agregar valor e possivelmente transformálo em produto.

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Telefonia IP

Uma revolução está para acontecer no ambiente de telecomunicação. Há décadas, desde a invenção do telefone, que a exigência básica para uma comunicação telefônica é o estabelecimento de um circuito entre os dois assinantes ou interlocutores. Isto se dá ainda hoje, na maioria das ligações telefônicas realizadas. É certo que o circuito é digitalizado e multiplexado, mas sua presença é indispensável na comunicação telefônica que nós chamaremos de convencional e que representa a telefonia pública hoje utilizada, conhecida como PSTN (Public Switched Telephonic Network ou Rede Telefônica Pública Comutada).

Mas esta necessidade está acabando, com a utilização de redes de pacotes para tráfego de voz. Dentro deste conceito, a voz é empacotada e transmitida em redes compartilhadas, juntamente com dados. E agora é hora da utilização de redes IP. O protocolo que conquistou o mundo de dados com a Internet agora vai entrar também no mundo de voz. Este é o objetivo da Telefonia IP.

O termo Telefonia IP, Telefonia Internet ou ainda Voz sobre IP (VoIP - Voice over IP) tem se aplicado a utilização de redes baseadas em protocolo IP na camada de rede para transporte de voz, em especial a Internet. Podemos destacar as vantagens da utilização deste serviço:

• Compartilhamento da rede para o tráfego de voz com o tráfego de dados (email, w, ftp, etc);

• Unificação de redes de transporte, sinalização e gerência sobre a mesma rede, com economia de infraestrutura e manutenção.

• Meio de transmissão de baixo custo, comparado ao sistema telefônico;

• Possibilidade de compactação e supressão de silêncio, reduzindo a largura de banda utilizada.

• Utilização de rede já instalada;

• Possibilidade de oferecer outros serviços como correio de voz, call centers via Internet, segunda linha virtual, etc.

• Possibilidade de disponibilização de diversos serviços como email, fax, voz, web, com o auxílio de tecnologias com reconhecimento e síntese de voz, através de interface telefônica.

Um primeiro ambiente que podemos imaginar de Telefonia IP é para chamadas entre dois computadores, usando de seus recursos multimídia. Este cenário é apenas o mais simples. Na realidade, Telefonia IP refere-se ao fluxo de voz sobre pacotes transportado sobre redes que utilizam o Internet Protocol (IP) para terminais onde o fluxo é decodificado em voz novamente. Estes terminais podem ser computadores, ou da mesma forma telefones convencionais analógicos. Neste caso, porém, um gateway é requerido para converter os pacotes de áudio para o formato analógico que o telefone é capaz de reproduzir[1].

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Computador a computador

Este primeiro cenário é o mais simples e antigo da Telefonia IP. Dois usuários se comunicando sem que haja utilização da rede telefônica convencional. Vários softwares estão disponíveis para esta utilização, podendo utilizar protocolo proprietário ou padrão. Nesta última opção, podemos encontrar a interação de softwares de diferentes fabricantes. A codificação de voz é feita pelos computadores envolvidos e a transmissão é feita através da rede IP.

Computador a telefone w.projetoderedes.kit.net

Neste ambiente necessitamos da utilização de um gateway, um equipamento que faz a interface entre a Telefonia IP e a telefonia pública convencional. Todos os protocolos envolvidos com a Telefonia IP terminam neste equipamento e são aí processados e resolvidos. A partir dele a rede telefônica convencional é responsável pela comunicação da voz. Ele converte voz, sinalização e controle da rede IP para a rede telefônica convencional, permitindo a comunicação entre usuários dos dois ambientes: rede IP e telefonia convencional. Posteriormente vamos discutir mais sobre este equipamento.

Telefone a telefone w.projetoderedes.kit.net

Finalmente, temos a utilização da Telefonia IP para ligação de dois assinantes da telefonia convencional. Desta forma, a rede IP é utilizada apenas como uma forma de transporte da voz, por ser uma meio mais barato. Um exemplo desta utilização é para chamadas internacionais, para redução de custos. As operadoras públicas podem também ocasionalmente substituir parte de sua rede convencional por uma rede IP.

A utilização de uma rede de protocolo IP para a transmissão de voz reduz em muito os custos de telefonia. Uma rede IP é muito mais barata que uma rede telefônica convencional. Esta redução no custo se dá devido a uma série de fatores:

• Comutação da rede IP é feita através de software, por dispositivos como roteadores e switches, ao contrário da rede pública, que é toda comutada por hardware. Isto garante um desempenho melhora da rede pública, mas permite uma grande redução no custo do custo da rede IP;

• A Rede IP não garante qualidade de serviço, ou seja, pode incluir atrasos na voz, perda de pacotes e ruídos na voz não previstos. A rede telefônica convencional garante diversos parâmetros de qualidade, que tornam seu custo mais elevado.

• Compartilhamento do canal. Em uma rede IP, o mesmo meio físico é compartilhado para várias ligações, com inclusão de alguns fatores como supressão de silêncio e compressão que podem reduzir a largura de banda utilizada por conversação em poucos kilobytes por segundo. Na telefonia convencional dois canais de 64 kbps, simplex, são reservados para cada conversação, independente da existência ou não de tráfego de voz nos circuitos, ou seja, mesmo nos momentos de silêncio. Além w.projetoderedes.kit.net disso, a mesma rede IP pode ser usada para a transmissão de dados, de forma a se reaproveitar uma infraestrutura existente.

Mas devemos observar que a maior vantagem da utilização de Telefonia IP não é o baixo custo. Enquanto ligações de longa distância baratas estão incentivando o uso, as razões pelas quais as companhias são atraídas para a Telefonia IP são a facilidade de criação de serviços e a consolidação de suas redes, unificando voz e dados.

A adição de novos serviços e funcionalidades atende a uma série de exigências novas no mundo de telecomunicações. Por exemplo pode-se criar uma vídeo-conferência sobre a rede IP somente pela definição de como o fluxo de vídeo é codificado e decodificado. Ao contrário, fazer vídeo-conferência sobre a RTPC pode ser um processo difícil e caro, por envolver a agregação de vários canais de 64 kbps usados para voz em um canal maior que suporte vídeo. Da mesma forma, como Telefonia IP é baseado em software é mais fácil adicionar serviços como correio de voz, siga-me e outros. Podemos ainda prever a integração de diversos serviços que utilizam de tecnologias agregadas como reconhecimento e síntese de voz. Por exemplo, é possível ouvir todos os emails recebidos por um telefone comum, utilizando a síntese de voz e transmissão sobre IP para que estes emails cheguem sobre um telefone comum. Desta mesma forma, serviços como fax, web e outros podem ser acessados através de telefones comuns.

Uma outra vantagem para a Telefonia IP é a consolidação das redes de dados.

Atualmente, companhias telefônicas mantém duas redes, uma para voz e outra para dados. Como redes de voz chegam a ser 10 vezes mais caras que as redes de dados, o uso de VoIP elimina a rede de voz, mantendo uma rede única. A manutenção, gerência, suporte e desenvolvimento são todos aplicáveis sobre uma única rede. Normalmente as operadoras precisam manter dois times diferentes para cada uma das redes, dadas suas características diversas.

Verificando a topologia de cada rede, podemos encontrar, nas operadoras de telecomunicações, três sub-redes distintas, para uma rede de voz:

• Rede transporte de voz - Formada pelos troncos de interligação de centrais telefônicas;

• Rede de sinalização - Responsável por tarefas como controle de chamada entre centrais e tarifação.

• Rede de gerência - Responsável pela gerência de desempenho, configuração, segurança, tarifação e falhas.

Sobre a telefonia convencional, é necessário manter uma estrutura de rede para cada uma destas sub-redes, com protocolos e canais ocupados distintos, triplicando o custo final. Com o uso de telefonia IP, unifica-se todas estas redes sobre a mesma infraestrutura e utilizando sempre o mesmo protocolo de rede: IP.

Falta agora questionar sobre a qualidade final da transmissão de voz sobre Telefonia IP.

Se a rede estiver sobrecarregada, podem ser inseridos atrasos que podem atrapalhar a qualidade final da voz. Todavia, se Telefonia IP é usada em uma rede privada dedicada, w.projetoderedes.kit.net com a utilização de mecanismos de garantia de qualidade de serviço, a qualidade final de voz será bem próxima do nível exigido pelos clientes. Espera-se que as operadoras de telecomunicações desenvolvam suas redes baseadas no protocolo IP para permitir então esta utilização. Podemos observar que novas operadoras já estão se desenvolvendo sobre estas redes e que as atuais operadoras também já estão consolidando suas redes IP.

Mesmo antes que as operadoras consolidem suas redes IP para a utilização de Telefonia

Internet, sua utilização já é realidade em ambientes de telefonia privada, interno a grandes empresas. Outro uso é o oferecimento de Telefonia sobre a Internet, como está hoje, sem qualidade de serviço, porém a custos muito baixos, que justificam seu uso para clientes que não sejam muito exigentes.

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Voz

A voz humana é uma forma de onda mecânica com frequências principais na faixa que vai de 300 a 3400 Hz, com alguns padrões de repetição definidos em função do timbre de voz e dos fonemas emitidos durante a conversação. O primeiro problema da telefonia em geral é a reprodução com qualidade da voz humana em um terminal à distância.

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