ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL CARRERA DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES ANÁLISIS DEL METODO MFSP (Multiple Frames into Single Packet) PARA CONTRARESTAR LOS RETARDOS EN LOS SISTEMAS SATELITALES EN TRANSMISIÓN DE VOIP PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES ROMMEL LEONARDO RENDÓN HERNÁDEZ [email protected]DIRECTOR: CARLOS EGAS [email protected]QUITO, OCTUBRE 2009
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CARRERA DE ELECTRÓNICA Y …bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/1908/1/CD-2465.pdfVoIP funciona, en el lado transmisor se convierte la señal analógica de la voz en una señal
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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
CARRERA DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES
ANÁLISIS DEL METODO MFSP (Multiple Frames into Single Packet) PARA CONTRARESTAR LOS RETARDOS EN LOS SISTEMAS
SATELITALES EN TRANSMISIÓN DE VOIP
PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES
Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por ROMMEL LEONARDO RENDÓN
HERNÁNDEZ , bajo mi supervisión.
________________________ ING. CARLOS EGAS
AGRADECIMIENTOS
A DIOS por ayudarme a cumplir este proyecto en mi vida profesional
A mi Esposa por ser mi apoyo durante este proyecto
A mis Padres que con su guía estoy aquí por su esfuerzo
Al Ing. Egas que con su dirección se realizo el presente proyecto
DEDICATORIA
A DIOS
A mis hijas (Edith y Carla)
Mi Esposa
Mis Padres
Y a mi Hermana
INDICE
CAPITULO 1 VOZ SOBRE EL PROTOCOLO IP (VoIP)................1
1.1 VoIP .................................................................................................................................................11.2 Funcionamiento VoIP ......................................................................................................................11.3 Protocolos Fundamentales VoIP......................................................................................................41.3.1 Interacción del protocolo H.323 con VoIP ...................................................................................41.4 Direccionamiento.............................................................................................................................51.5 Transmisión de voz:.........................................................................................................................51.6 Protocolo de Transporte en Tiempo Real RTP................................................................................61.7 Compresión de voz ..........................................................................................................................61.8 Señalización .....................................................................................................................................81.8.1 Direccionamiento..........................................................................................................................91.9 Enrutamiento..................................................................................................................................101.10 Protocolo SIP ...............................................................................................................................101.10.1 Servidores de Registro ..............................................................................................................121.10.2 Servidores Proxy y de Redirección...........................................................................................131.10.3 Mensajes SIP.............................................................................................................................151.11 Comparación entre H.323 y SIP ..................................................................................................161.12 Aspectos de VoIP.........................................................................................................................181.12.1 Consumo de bps o velocidad de transmisión............................................................................18 1.12.2 Calidad de servicio (QoS).........................................................................................................181.12.3 Métodos de solución para paquetes en cola:.............................................................................191.12.4 Retardo......................................................................................................................................191.12.5 Pérdida de paquetes...................................................................................................................231.12.6 Seguridad ..................................................................................................................................231.13 Telefonía IP comparada con Telefonía convencional.................................................................23 1.14 Escenarios de la voz IP en servicios de telefonía ........................................................................241.14.1 Llamadas teléfono a teléfono ....................................................................................................241.14.2 Llamadas PC a teléfono o viceversa .........................................................................................241.14.3 Llamadas PC a PC ....................................................................................................................241.15 Ventajas y Desventajas ................................................................................................................251.15.1 Ventajas.....................................................................................................................................251.15.2 Desventajas ...............................................................................................................................25
CAPITULO 2
VOZ SOBRE IP EN REDES SATELITALES
2.1 Voz Sobre IP en Satélites…………………………………………..………………… 27 2.2 El Satélite…………………………………………..…………………………………… 27 2.3 Disponibilidad de grandes velocidades de transmisión. …………………………… 30 2.4 Calidad de Servicio y soporte Multicast. …………………………………………..… 30 2.5 Tecnología Vía Satélite para el protocolo IP………………………………………… 31 2.6 DVB-RCS…………………………………………..…………………………………… 31 2.7 Formato de ráfaga…………………………………………..……………………………33 2.8 Tráfico (TRF) …………………………………………..…………………………………33 2.9 ATM TRF…………………………………………..……………………………………33 2.10 MPEG2-TS ráfaga TRF optativo…………………………………………..………… 34 2.11 IP sobre MPEG-2 (Motion Picture Expert Group) ………………………………… 34 2.12 ISL (ENLACES ENTRE SATELITES) …………………………………………..… 37 2.12.1 Inconvenientes de los ISL…………………………………………..………………37 2.13.1 Descripción del método MFSP en aplicaciones de voz………………………… 42 2.14 Procesos para la simulación de MFSP en Redes satelitales…………………… 47
CAPITULO 3
ESTABLECIMIENTO DE PARAMETROS PARA LA
SIMULACIÓN
3.1 Parámetros e importancia de estos en el análisis del método MFSP en redes satelitales…………………………………………..…………………………………………
51
3.1.1 Transporte efectivo (te): …………………………………………..…………………51 3.1.2 Tiempo de viaje (rt): …………………………………………..………………………51 3.1.3 Número de paquetes (carga útil): …………………………………………..………52 3.2 Que es Matlab…………………………………………..………………………………56 3.3 Por que usar Matlab…………………………………………..…………………………56 3.4 Algoritmo del programa de simulación MFSP aplicado a VOIP en redes satelitales…………………………………………..…………………………………………
57
3.5 Diagrama de flujo del programa de simulación MFSP en redes satelitales…… 57 3.6 Simulaciones realizadas en Matlab………………………………………………... 63 3.6.1 Simulación de 2 Llamadas Agrupadas con MSFP……………..……………… 63 3.6.2 Simulación de 5 llamadas Agrupadas con MSFP………………….…..……... 63 3.6.3 Simulación de 36 llamadas Agrupadas con MSFP……………………… ….. 73
CAPITULO 4
RESULTADOS Y CONCLUCIONES
4.1 Resultado de la Simulación del Agrupamiento de dos Tramas de Voz con MFSP en redes SATÉLITES……………………………………………………………
78
4.2 Resultado de la Simulación del Agrupamiento de cinco Tramas de Voz con MFSP en redes SATÉLITES………………………………………………………………
78
4.3 Resultado de la simulación del agrupamiento de treinta y seis tramas de voz con MFSP en redes satélites……………………………………………………………
79
4.4 Análisis de los resultados de las simulaciones del método MFSP en redes satelitales: …………………………………………………………………………………
80
4.5 Otros estudio realizado sobre el tema MFSP.................................................... 81 4.5.1Evaluación de eficiencia de MFSP para proveer QOS en redes satelitales… 81 4.6 Comparación de resultados del Proyecto de Titulación con otros estudios realizados……………………………………………………………………………………
90
4.7 Como se podría mejorar el método MFSP analizado en el presente Proyecto de Titulación...........................................................................................................…
Tabla 1.1 Protocolos VOIP……………………………………………………………… 9 Tabla 1.2 Disponibilidad de servicios en SIP y H.323………………………….......... 17 Tabla 1.3 Clasificación de tipos de llamadas………………………………………….. 20 Tabla 1.4 Retardos por codificación según codificador………………………........... 21 Tabla 1.5 Retardo por paquetización…………………………………………………... 22 Tabla 2.1 Resultado de agrupamiento de tramas de la misma llamada…………… 43 Tabla 2.2 Resultado de agrupamiento de tramas de varias llamadas……………… 44 Tabla 3.1 Numero de tramas necesarias según el codificador……………………… 52 Tabla 4.1 Resultados MFSP con dos tramas………………………………….. 78 Tabla 4.2 Resultados MFSP con cinco tramas………………………………… 79 Tabla 4.3 Resultados MFSP con treinta y seis tramas……………………….. 79 Tabla 4.4 Comparación resultados otros estudios con tesis actual…………. 90
INDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 Proceso de una llamada VOIP……………………………………………….. 2Figura 1.2 Codificación y compresión de voz en el mismo dispositivo………………. 2Figura 1.3 Codificación y compresión de voz realizado por PBX Digital…………….. 3Figura 1.4 Pila de protocolos VOIP………………………………………………………. 5Figura 1.5 Muestreo y codificación de la señal de voz…….. ………..……………….. 7Figura 1.6 Esquema de protocolos bajo transmisión………..………..……………….. 10
Figura 1.7 Esquema de comunicación protocolo SIP………..………..……………….. 12Figura 1.8 Registro SIP. ………..………..………..………..………..………..………….. 13Figura 1.9 Esquema de comunicación protocolo SIP………..………..……………….. 14Figura 1.10 Registro SIP………..………..………..………..………..………..………….. 15Figura 1.11 Llamada SIP………..………..………..………..………..………..………….. 21Figura 2.1 Redes Vsat………..………..………..………..………..………..…………….. 28Figura 2.2 Trafico ATM en el contexto DVB-RCS………..………..………..………….. 30Figura 2.3 Trafico MPEG en el contexto DVB-RCS……..………..………..…………… 33Figura 2.4 Trafico DVB-RCS en el sentido ascendente y descendente……………… 36Figura 2.5 Área de cobertura satelital……..………..………..…………………………... 38Figura 2.6 Área de cobertura satelital con ISL……..………..………..………………… 38Figura 2.7 Cont. Área de cobertura satelital con ISL……..………..………..…………. 39Figura 2.8Cobertura mundial mediante enlaces ISL……..………..………..………….. 34Figura 2.9 Red general conexión a nivel Lan y WAM……..………..………..………... 41Figura 2.10 Agrupamientos de 5 tramas de voz de diferentes la misma llamada….… 43Figura 2.11 Agrupamiento de 5 tramas de voz de diferentes llamadas………….…… 44Figura 2.12 Esquema general del método MSFP en aplicaciones de voz…….…….. 46Figura 3.1 Codificación de primeros 10 ms generados……..………..………..………. 52Figura 3.2 Codificación de siguientes 10 ms generados y empaquetamiento de los primeros 10 ms y envió a capa 2 de los primeros 10 ms generados…. 53Figura 3.3 Codificación de siguientes 10 ms generados, empaquetamiento de los segundos 10 ms y envió a capa 2 de los primeros 10 ms generados. 54Figure 3.4-3.23 Simulación de 2 Llamadas Agrupadas Con MSFP……………….….. 63Figura 3.24-3.43 Simulación de 5 llamadas agrupadas con MSFP…………….……. 68Figure 3.44-3.63 Simulación de 36 llamadas Agrupadas con MSFP………….……. 73Figura 4.1 Escenario Para Realizar La Prueba……..………..………..……….……….. 84Figura 4.2 Jitter para 4 tramas agrupadas con MFSP……..………..…………………. 85Figura 4.3 Jitter para un solo paquete……..………..………..……………….…………. 85Figura 4.4 MFSP comparación con una sola trama ……..………..…….…..…………. 86 Figura 4.5 Paquetes perdidos Incrementando el número de usuarios con agrupamiento de 4 tramas……..………..………..……………..…….…..………….. 87Figura 4.6 Paquetes perdidos incrementando usuarios sin agrupamiento tramas…………………………………………………………………….. 87
Figura 4.7 Viaje ida regreso con…………………………………………………………. 88Figura 4.8 Viaje ida - regreso sin agrupar tramas……..………..………..……………. 88
RESUMEN
En el presente proyecto de titulación se realiza el estudio del método MSFP (Multiple
Frame into Single Packet) aplicado en transmisiones de VoIP (Voz sobre Protocolo
Internet) en sistemas satelitales. Para promover la optimización del uso de esta
tecnología a través de estas redes y poder tener cobertura mundial.
En primera instancia (capitulo 1 y capitulo 2) se analizan VoIP para tener presente sus
características en transmisión de datos. A continuación se analiza la implementación de
VoIP en un entorno satelital para con estos datos establecer parámetros de análisis.
En el capitulo tres con los datos adquiridos en los capítulos anteriores se realiza las
simulaciones de transmisión de VoIP en un entorno satelital. Dirigidas estas al uso de
bits por segundo y la relación de bits de carga útil respecto de los bits totales.
En el capitulo 4 se analizan los resultados obtenidos, se comparan estos con el resultado
de otro estudio relacionado (Evaluación de eficiencia de MFSP para proveer QOS en
redes satelitales) constatando que la aplicación del método MFSP en VoIP a través de
redes satelitales mejora su utilización, colocando esta tecnología en nivel competitivo que
sus homólogas terrestres. También se analiza el método de compresión de cabecera
IP/UDP/RTP para un mejoramiento del método analizado en el presente proyecto de
titulación.
PRESENTACIÓN
El mundo de las telecomunicaciones evoluciona a un ritmo vertiginoso, con lo que respecta a las
telecomunicaciones por satélite cambian a un ritmo aún mayor para estar acorde al nuevo entorno
mundial. La aplicabilidad de VoIP esta influyendo en todos los medios debido a su gran utilidad de
la unificación de una sola red para la transmisión de voz y datos.
Los diferentes medios de transmisión actuales presentan ventajas y desventajas para la
implementación de esta tecnología. Uno de los medios de transmisión es los sistemas
satelitales que tienen su gran ventaja de cobertura mundial y la no necesidad de realizar
instalación de equipos en medios terrestres (unidades móviles).
El presente trabajo tiene por finalidad investigar el Método MFSP en VoIP a través de
redes satelitales para examinar su aplicabilidad y la optimización de la transmisión de
VoIP en redes satelitales.
1
CAPITULO 1
VOZ SOBRE EL PROTOCOLO IP (VoIP)
1.1 VoIP
VoIP significa (Voice over Internet Protocol) lo que se desea es que la voz viaje
encapsulada en paquetes IP. Esta tecnología unificaría dos mundos separados, él de
la transmisión de voz y él de la transmisión de datos, en una sola red acarreando
menores costos, ya que el mantenimiento de una sola red resulta más económico que
el manteniendo de dos redes diferentes. Cabe indicar que VoIP, no es en sí mismo un
servicio, sino una tecnología que encapsula la voz en paquetes para poder
transpórtala en una red de datos.
El servicio de telefonía se basa en conmutación de circuitos y esta utiliza
ineficientemente la red, por otra parte la telefonía IP utiliza conmutación de paquetes
y cada llamada es un flujo de paquetes que se envían codificadas en el canal
permitiendo tener múltiples llamadas a través del mismo canal. Cuando ocurre un
silencio en una conversación, los paquetes de datos de otras conversaciones pueden
ser transmitidos por la red, lo que implica un uso más eficiente de la misma.
1.2 Funcionamiento VoIP
VoIP funciona, en el lado transmisor se convierte la señal analógica de la voz en una
señal discreta, posterior a esto se la codifica y por ultimo se la almacena dentro de
paquetes IP. Entonces es transportada a través de la red de datos y en recepción se
realiza el proceso inverso. Más específicamente el proceso inicia en el extremo
emisor con la señal analógica del teléfono que es digitalizada en muestras PCM por
medio del codificador/decodificador de voz (codec). Estas muestras PCM ingresan al
algoritmo de compresión, el cual comprime y la fracciona estas muestras dentro de
paquetes IP para ser transmitidos a través de la red. En el extremo receptor se
realizan exactamente las mismas funciones en un orden inverso. El flujo de un circuito
de voz se indica en la Figura 1.1.
2
Figura 1.1 Proceso de una llamada VOIP 1
Dependiendo de la forma en la que la red este configurada, el enrutador o puerta de
enlace puede realizar la labor de codificación, decodificación y compresión. Como se
indica en la Figura 1.2.
Figura 1.2 Codificación y compresión de voz en el mismo dispositivo 2
En cambio si se utiliza una PBX digital, es esta la que realiza la función de
codificación, y el enrutador solo se dedica a procesar el flujo de información que ha
enviado la PBX. Como se indica en la Figura 1.3.
1VoIP0707.pdf Pág. 2
http://www-eupm.upc.edu/~tsc/assignatures/q2/sist_telecom/voip0707.pdf 2 Voz sobre ip.doc Pág. 3,
H.323 y SIP se utilizan para el establecimiento y señalización de llamadas, intercambio
de capacidades, control de medios y servicios adicionales sobre redes IP. A continuación
se establecen similitudes y diferencias entre ambas tecnologías.
SIMILITUDES:
"! Ambos permiten llamadas de dos o múltiples terminales
"! Ambos soportan negociación de parámetros, codificación y los protocolos RTP/
RTCP.
DIFERENCIAS:
"! H.323 es un estándar extenso, complejo y rígido, que especifica toda el conjunto
de protocolos en cada capa del modelo de referencia OSI lo que facilita la tarea
de interoperabilidad pero es difícil de adaptar a las nuevas aplicaciones.
"! SIP es un protocolo de Internet típico que funciona intercambiando líneas cortas
de texto ASCII, interactúa bien con otros protocolos de Internet. Es altamente
modular y flexible, y se puede adaptar con facilidad a las nuevas aplicaciones.
"! H323 especifica servicios mientras que SIP especifica señalización e inicialización
"! H323 codifica la información en binario mientras que SIP codifica en modo texto
"! La interconexión con la PSTN es fundamental para el éxito de la telefonía
IP, H.323 cuenta con un punto a su favor en este aspecto al estar definida la
compatibilidad con la PSTN en el propio estándar.
17
"! H.323 no establece relación con protocolos de la red como HTTP, o los de correo
electrónico (SMTP, POP3, etc.).Mientras que SIP si lo hace.
A continuación se presenta una tabla comparativa entre SIP y H.323.
ELEMENTO H.323 SIPDiseñado por ITU IETF
Arquitectura Distribuida Distribuida Control de llamadas Gatekeeper Servidor Proxy , redirección Endpoints Gateway, terminal User Agent Compatibilidad con PSTN Si Ampliamente Señalización de llamadas Q.931 sobre TCP SIP sobre TCP o UDP Formato de mensajes Binario ASCII Transporte de medios RTP/RTCP RTP/RTCP Llamadas de múltiples partes Si Si Direccionamiento Host o numero telefónico URL’s Encriptación Si Si
Tabla 1.7 Disponibilidad de servicios en SIP y H.323 12
CONCLUSIONES
H.323 y SIP son protocolos usados para aplicaciones de VoIP, H.323 y SIP fueron
concebidos con enfoques diferentes. SIP fue diseñado como un protocolo para iniciación
de sesiones no enlazado a ningún medio específico como audio o video mientras que el
enfoque de H.323 es el de manejar voz y aplicaciones multimedia.
3.1 Parámetros e Importancia de estos en el Análisis del método MFSP en
Redes satelitales
A lo largo de los capítulos anteriores hemos conocidos los diferentes actores que
intervienen en la transmisión de VoIP en redes satelitales, así como el método para la
mejorarla, entonces establezcamos parámetros de medición para comparar la
transmisión de VoIP de redes satelitales:
3.1.1 Transporte efectivo (Te):
Definiremos a este parámetro como la relación entre la carga transportada (en bits) y
los bits transmitidos empleados. La importancia de analizar este parámetro es que
mediante este vemos que tan eficiente es el esquema de transmisión así valores
pequeños nos indican que para transmitir un determinada carga se emplea demasiada
cabecera mientras que para valores altos nos indican que para transmitir una
determinada carga la porción de cabecera utilizada es mínima y así no tendrá gran
impacto en la transmisión.
3.1.2 Tiempo de viaje (rt):
Definiremos a este parámetro como el tiempo que tarda un paquete en ir y volver. La
importancia de analizar este parámetro es que mediante este sabemos si el método no
agrega más retardo en la transmisión de un mensaje comparado con la transmisión
normal. No se definirá parámetros para el Jitter por que la mayoría del transporte de los
datos se realiza en sistemas satelitales que presentan un Jitter muy pequeño.
3.1.3 Número de paquetes (carga útil):
El número de paquetes que se presenta en una transmisión varía de acuerdo a la
cantidad de llamadas a cursar, codec utilizado y el tiempo de la llamada.
Un tema muy importante es el número de tramas de voz codificadas que puede llevar un
paquete ip como sabemos la longitud total de un paquete ip es de 216 =65536 bits de
51
los cuales 160 bits (20 Bytes) son de cabecera y 160 bits más son para UDP y RTP por
lo quedan para datos 65216 bits libres para transportar información, a continuación se
indica los paquetes de voz codificados que se lograrían encapsular en un datagrama IP
dependiendo del codificador:
Para G711 cuyo empleo de bits es 640bits por 10 ms
Dentro de un paquete ip alcanzarían:
65216/640= 101,9 => 101 paquetes (Que lleven voz codificada).
Para G726 cuyo empleo de bits es 320bits por 10 ms
Dentro de un paquete ip alcanzarían:
65216/320= 203,8 => 203 paquetes (Que lleven voz codificada).
Para G729 cuyo empleo de bits es 80 bits por 10 ms
Dentro de un paquete ip alcanzarían:
65216/80= 815.2 => 815 paquetes (Que lleven voz codificada).
Para G723.1 (6.3Kps) cuyo empleo de bits es 63 bits por 30 ms
Dentro de un paquete ip alcanzarían:
65216/63= 1035.7=>1035 paquetes (Que lleven voz codificada).
Para G723.1 (5.3Kbps) cuyo empleo de bits es 53 por 30 ms
Dentro de un paquete ip alcanzarían:
65216/53=1230.49 => 1230 paquetes (Que lleven voz codificada).
52
La tabla 3.1 resumen los resultados anteriores
Codificador Número de tramas de voz que entrarían
en paquete ip
Codec G711 101
Codec G726 203
Codec G729 815
Codec G733.1(6.3 K) 1035
Codec G723.1(5.3K) 1230
Tabla 3.1 Número de tramas necesarias según el codificador
Observemos los siguientes gráficos veremos que si esperamos a que un datagrama IP
se llene de información agregamos retardo a la transmisión (efecto que se desea
minimizar lo más posible para no agregar más retardo a la transmisión).
Figura 3.1 Codificación de primeros 10 ms generados
En la Figura 3.1 se indican los primeros 10 ms de una conversación, primero se
recogen muestras de la señal de voz a medida que se genera y se codifica con G711,
que impone un retado de codificación de 2.5 ms.
En la Figura 3.2 se recogen muestras de la señal de voz en el instante de tiempo =22.5
ms, los primeros 10ms de la conversación ya se han codificado con G711 y
empaquetado dentro del datagrama IP (G711 impone un retardo de paquetización de 10
2.5 7.5
202.5 0.5 7.5
12.5 0.5 7.5
32.5 0.5 7.5
4
E:1 /10
1Proceso de codificación
Tiempo Escala: 1cm/10ms
t
t
53
ms) mientras que los siguientes 10ms de la conversación acaban de terminar su proceso
de codificación.
Figura 3.2 Codificación de siguientes 10 ms generados y empaquetamiento de los primeros 10 ms
En la Figura 3.3 estamos en el instante de tiempo 32.5 ms, el primer paquete codificado
(primeros 10 ms) ya están siendo procesado por capa 2 para dirigirse a su destino
mientras que el segundo paquete termina de ser encapsulado dentro del paquete IP y el
paquete 3 (últimos 10 ms) acaba de terminar su proceso de codificación (le restan
proceso de paquetización y capas inferiores) por lo que dentro de un paquete IP se debe
almacenar solo lo que necesita el codificador utilizado y debe enviarse el paquete IP.
2.5 0.5 7.5
202.5 0.5 7.5
12.5 0.5 7.5
32.5 0.5 7.5
4
Escala1 10
2Proceso de codificación
Proceso de
empaqueta_ 1
Tiempo Escala: 1cm/10ms
t
t
t
54
Figura 3.3 Codificación de siguientes 10 ms generados, empaquetamiento de los segundos 10 ms y envió a capa 2 de los primeros 10 ms generados
En cambio en el método MFSP como son varias llamadas simultaneas (mismo instante
de tiempo) ahí si se puede encapsular más números de paquetes (hasta el número
máximo que permita el codec) por que todos sufren el mismo retardo de codificación y
paquetización.
2.5
0.5
7.5 20
2.5
0.5
7.5 1
2.5
0.5
7.5 3
2.5
0.5
7.5 4
Escala1:10ms
3
2
Proceso de empaquetado
1
PAQUETE1
Ya se ha enviado hacia
capa 2
Tiempo Escala: 1cm/10ms
Proceso de codificación
t
t
t
t
55
3.2 Que es Matlab El programa Matlab es el nombre abreviado de “matrix laboratory”, Matlab es un entorno
de computación orientado para llevar a cabo proyectos en donde intervienen elevados
cálculos matemáticos y visualización gráfica de los mismos. El programa puede realizar
cálculos numéricos con vectores y matrices. Como caso particular puede también
trabajar con números escalares, tanto reales como complejos. Una de las capacidades
mas atractivas de Matlab es la de realizar una amplia gama de gráficos en dos y tres
dimensiones. Matlab tiene también un lenguaje de programación propio, que permite
adaptar un modelo matemático basado en un algoritmo de programación.
3.3 Por que usar Matlab
Al manejar graficación de vectores y matrices, Matlab nos permite fácilmente
implementar ecuaciones que represente o modelen un evento físico específico, para
propósitos del actual proyecto de titulación VoIP con MFSP en redes satelitales, este nos
permite graficar vectores que representen el uso de bits/segundos tanto para
transmisión normal como para transmisión MFSP y de esta manera poder comprobar si
existe o no mejoramiento del modo de transmisión MSFP respecto del modo de
transmisión una sola trama . Otro comparación que puede realizarse es la relación
porcentual de carga útil respecto a los bits totales generados tanto para transmisión de
una sola trama como transmisión MFSP, al realizar la anterior comparación se
comprobara que el objetivo del método MFSP en trasmisiones VoIP en redes
satelitales( reducir los retardos) es alcanzable o no.
El siguiente algoritmo se basa en las operaciones definidas en capitulo 2 en el apartado
2.14.
56
3.4 Algoritmo del programa de simulación MFSP aplicado a VoIP en redes
satelitales
El programa pedirá como datos de ingreso el tiempo de llamada (1-10 en minutos
(valores mas probables de llamadas)), el codificador (que podrá elegir entre 5 opciones,
codificadores más utilizados en la actualidad), y el número de llamadas simultaneas
según el codificador que se haya elegido (cómputo interno que debe realizar el programa
con el dato del codificador solicitado).
El programa tendrá lazos que vuelvan ha solicitar la información antes indicada si los
parámetro ingresados por el usuario no están dentro del rango antes mencionado.Bajo
estas condiciones la simulación tendría como datos de ingreso el codificador, el número
de llamadas simultáneas y el tiempo de la llamada.
A continuación se esquematiza el programa en el siguiente diagrama de flujo.
3.5 Diagrama de flujo del programa de simulación MFSP en redes satelitales
INICIO LLAMADA, FUNCIÓN TESIS
LLAMADA, FUNCIÓN PREPRESENTACIÓN
1
57
SE PIDE AL USUARIOINGRESAR-Tiempo de llamada (Tll),-Codificador a utilizar elegir entre 5 opciones (G711, G729, G726, G723.1 (6.3Kbps), G723.1 5.3Kbps)),-Número de llamadas simultaneas (LLs)
LLAMADA, FUNCIÓN MFSP con los datos Tll, codec y LLs
1
- Se calcula el número de bits para transmisión normal según el codificador y se almacena en la variable B1
- Se calcula el tiempo de codificación según codificador elegido
2
58
- Se calcula el número de bits para transmisión bajo el esquema MSFP según el codificador se almacena en la variable B2
Genera error aleatorio que representan pérdidas y retransmisiones se almacena en E1
- R1= B1 + E1
- R2= B2 + E2
3
Genera error aleatorio que representan pérdidas y retransmisiones se almacena en E1
2
59
- Se dibuja R1 vs. T Que representa el número de bits para un T en transmisión normal
- Se calcula relación porcentual entre carga útil y bits transmitidos en transmisión normal se almacena en R3
LLAMADA,FUNCIÓN DIBUJAR con los datos R1, R2, R3, R4
- Se calcula relación porcentual entre carga útil y bits transmitidos en transmisión MFSP almaceno en R4
- Se Calcula carga útil y número de bits transmitidos para transmisión MFSP
- Se calcula carga útil y número de bits transmitidos para transmisión normal
4
3
60
A continuación se indica el código del método MSFP, el cual tendrá los siguientes datos
de entrada:
- Tiempo de llamada en segundos
- Codificador
- Número de llamadas simultaneas
- Se dibuja R3 vs. T Que representa la relación de carga útil con bits transmitidos para un T en transmisión Normal
- Se dibuja R4 vs. T Que representa la relación de carga útil con bits transmitidos para un Tiempo t en transmisión MFSP
FIN
- Se dibuja R2 vs. T Que representa el número de bits para un Tiempo t en transmisión MFSP
4
61
FUNCIÓN MSFP function [A,B,C,D] = mfsp(d,e,f) if e >0 ^ e<4 N=(d*1000)/10; E=fix(rand*100)+1; R1=(N+E)*f; E=fix(rand*100)+1; T=N+E; R2=T; end if e>3 ^ e<6 N=(d*1000)/30; E=fix(rand*100)+1; R1=(N+E)*f; E=fix(rand*100)+1; T=N+E; R2=T; end if e==1 bitT=R1*(320+640); bitT2=R2*(320+(640*f)); Carga=R1*(640); Carga2=R2*(640*f); end if e==2 bitT=R1*(320+320); bitT2=R2*(320 +(320*f)); Carga=R1*(320); Carga2=R2*(320*f); end if e==3 bitT=R1*(320+80); bitT2=R2*(320+(80*f)); Carga=R1*(80); Carga2=R2*(80*f); end if e==4 bitT=R1*(320+63); bitT2=R2*(320+(63*f)); Carga=R1*(63); Carga2=R2*(63*f); end if e==5 bitT=R1*(320+53); bitT2=R2*(320+(53*f));
62
Carga=R1*(53); Carga2=R2*(53*f); end R3=Carga/bitT; R4=Carga2/bitT2; A=R1; B=R2; C=R3*100; D=R4*100;
A continuación se indican las simulaciones realizadas.
633.
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Con
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s en
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smis
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MF
SP
.
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Bit
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G723.1
(5,3
Kbps)
Fig
ura
3.60
Con
sum
o de
bit
s en
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elac
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Fig
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3.61
Con
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bit
s en
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MF
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Fig
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Rel
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.
78
CAPITULO 4
RESULTADOS Y CONCLUCIONES
A continuación se presentan los resultados de la simulación realizada en el capitulo 3
4.1 Resultado de la Simulación del Agrupamiento de dos tramas de voz con
MFSP en redes satelitales.
En base a los resultados de la simulación de MFSP agrupando 2 tramas, para los
diferentes codificadores, se genera la tabla 4.1. En la que consta los bits transmitidos
tanto para transmisión simple como transmisión MFSP (agrupadas 2 tramas de voz) y
el porcentaje de carga útil tanto para transmisión simple como para transmisión MFSP
(agrupadas 2 tramas de voz).
Codificador Tiempo
de
llamada
Número de
llamadas
simultaneas
Bits
transmitidos
Bits
transmitidos
con MSFP
Porcentaje
de carga
útil [% ]
Transmisión
simple
Porcentaje
de carga
útil [% ]
Transmisión
MFSP
G711 3 2 310 150 65 80
G726 3 2 290 100 50 65
G729 3 2 320 155 20 33
G723.1 3 2 300 170 17 29
G723.1 3 2 240 160 14 25
Tabla 4.1 Resultados MFSP con dos tramas
4.2 Resultado de la simulación del agrupamiento de cinco tramas de voz con MFSP en redes
satelitales.
En base a los resultados de la simulación de MFSP agrupando 5 tramas, para los
diferentes codificadores se genera la tabla 4.2. En la que consta los bits transmitidos
tanto para transmisión simple como transmisión MFSP (agrupadas 5 tramas de voz) y
el porcentaje de carga útil tanto para transmisión simple como para transmisión MFSP
(agrupadas 5 tramas de voz).
79
Tabla 4.2 Resultados MFSP con cinco tramas
4.3 Resultado de la simulación del agrupamiento de treinta y seis tramas de
voz con MFSP en redes satelitales.
En base a los resultados de la simulación de MFSP agrupando 36 tramas, para los
diferentes codificadores, se presenta los siguientes resultados en la tabla 4.3, en la
que consta los bits transmitidos tanto para transmisión simple como transmisión MFSP
(agrupadas 36 tramas de voz) y el porcentaje de carga útil tanto para transmisión
simple como para transmisión MFSP (agrupadas 36 tramas de voz).
Tabla 4.3 Resultados MFSP con treinta y seis tramas
Codificador Tiempo
de
llamada
Número de
llamadas
simultaneas
Bits
transmitidos
Bits
transmitidos
con MSFP
Porcentaje
de carga
útil [% ]
Porcentaje
de carga
útil [% ]
G711 3 36 5800 160 65 98
G726 3 36 5500 110 50 98
G729 3 36 5900 180 20 90
G723.1 3 36 4900 145 17 88
G723.1 3 36 5100 190 14 85
Codificador Tiempo
de
llamada
Número de
llamadas
simultaneas
Bits
transmitidos
Bits
transmitidos
con MSFP
Porcentaje
de carga
útil [% ]
Porcentaje
de carga
útil [% ]
G711 3 5 600 180 65 90
G726 3 5 750 140 50 83
G729 3 5 600 170 20 55
G723.1 3 5 510 140 17 50
G723.1 3 5 590 165 14 45
80
4.4 Análisis de los resultados de las simulaciones del método MFSP en redes satelitales:
Basándose en los resultados de las tablas 4.1, 4.2 y 4.3 se puede apreciar que
el método MFSP comparado con transmisión de una sola trama presenta los
siguientes puntos:
!El método MFSP mejora el uso de bits para enviar información, lo que resulta en
que el retardo de la transmisión disminuye, debido a que se usan menos bits,
con lo que las comunicaciones fluirían de mejor manera.
! El retardo que se presenta en comunicaciones VOIP en redes satelitales
disminuirían haciéndolas competitivas frente a sus rivales terrestre, de esta
manera abriendo nuevas posibilidades de mercado.
!El método MFSP mejora el uso del canal, esto se debe a que se ocupan menos
bits de cabecera para llevar información, incrementado la eficiencia de
transmisión colocándola en planes de uso común (128/128, 256/128,
512/128.....).
!Con respecto al viaje ida - regreso(round trip) en el método MFSP presenta
un viaje ida regreso mayor que en transmisión simple pero la diferencia esta
dentro de un rango ampliamente aceptables debido a que la diferencia entre
viaje ida - regreso con MFSP respecto del viaje ida – regreso en transmisión
simple (una trama) difieren por unidades de ms.
! El Método MFSP presenta la siguiente desventaja; Si una trama se pierde por
ráfagas de ruido y/o problemas en el canal de transmisión se perderían muchas
tramas de voz de diferentes fuentes, comparado a la transmisión de una sola
trama que si se pierde una trama, por motivos de ruidos en el canal de
transmisión, una sola llamada (transmisión) se ve afectada.
81
4.5 Otros estudio realizado sobre el tema MFSP:
4.5.1 Evaluación de eficiencia de MFSP para proveer QOS en redes satelitales 24
A Continuación se presente un resumen del trabajo analizado.
La voz sobre el Protocolo de Internet (VoIP) ofrece una gama amplia de beneficios
para empresas y proveedores de servicio de red. Proporciona una manera alternativa
de hacer una llamada a la PSTN. La industria lentamente esta reconociendo el
potencial de las aplicaciones VOIP.
VOIP se ha desarrollado en los últimos diez años. Este documento propone y
presenta un nuevo modelo de empaquetamiento que realiza agrupamientos de
múltiples tramas de voz en un solo paquete (MFSP). Primero se estudia el actual
escenario de VOIP estableciendo sus ventajas y desventajas. Por último, se propone
un nuevo modelo de empaquetamiento de múltiples tramas de voz en un solo
paquete (MFSP). El nuevo modelo mitiga los existentes obstáculos de VoIP. El
estudio propuesto se enfoca especialmente en la variación del retardo que es vital
para QoS en VOIP, la simulación se realizo en NS-2 que indica la habilidad de MFSP
para eliminar el exceso de cabecera.
TRABAJOS RELACIONADOS
Los sistemas de comunicación por satélite son parte fundamental de la mayoría redes
de telecomunicación del mundo. Durante las últimas tres décadas, las comunicaciones
satelitales han sido parte esencial de sistema de telecomunicación que lidera el
mercado. La combinación de voz sobre IP y a través del Satélite es una tecnología
reciente que no tiene mucho desarrolló. Es más, la tecnología VOIP es
relativamente un nuevo concepto que desde hace una década y media que el
concepto tomó más enfoques. Esta combinación demuestra ser un una opción del
conectividad que eliminaría las llamadas de larga distancia de la telefonía tradicional.
Hasta donde se sabe la combinación de estas tecnologías necesitan más
investigación y éste es uno de las mayores
motivaciones de este estudio.
24
ICTS2006-VoIP-QoS.pdf
nrg.cs.usm.my/~tcwan/Papers/ICTS2006-VoIP-QoS.pdf
82
Conforme a la idea de empaquetar tramas como reducción del ancho de banda Esta
sugerencia fue introducida por una compañía privada con su papel blanco en 2004.
Esta idea apunta a reducir el exceso de cabecera para disminuir el consumo de ancho
de banda en redes VoIP. La idea del estudio es observar como funcionaria VoIP
sobre satélites geoestacionarios usando NS2 y examinar el rendimiento de MFSP.
NS2-SIMULATOR
En orden de implementación del estudio, se utilizara el simulador de la red (NS2)
versión 2.28. NS2 es un simulador de eventos discretos, NS2 es un software que
provee simulación para redes satelitales y no satelitales. Este implementa en sus
simulaciones protocolos de red como TCP y UDP sobre sistemas alámbricos e
inalámbricos, redes, y también protocolos como FTP, Telnet, Web, CBR y VBR.
TOPOLOGIA
La topología usada en NS-2 consiste en tres componentes principales.
1) El teléfono que proporciona paquetes VoIP
2) El enrutador que realiza empaquetado múltiple y transmite al satélite
3) El nodo que proporciona enlace satelital entre dos sitios.
La topología asume un grupo de teléfonos situado en dos sitios separados. Cada
grupo es conectado a una ruteador que tiene un transmisor y receptor satelital que
pueden enviar y recibir datos hacia un satélite geoestacionario. Este consumo de bits
por segundo depende del codec de voz usado en los teléfonos.
El tamaño del paquete y el intervalo entre cada toma de datos depende del codec de
voz. Los nodos de la simulación y terminales del satelitales se organizan de la
siguiente manera (asumiendo que todo el tráfico está viajando a través del Satélite):
Un terminal se localiza en Nueva York mientras otro se localiza en San Francisco.
Cada uno de ellos posee infraestructura como antena satelital gateway VoIP y
terminales. En total, se tiene7 nodos y estos son:
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1. NY-Nodo fuente
2. MFSP-NY-Nodo
3. MFSP-NY-enlace-Nodo
4. Enlace satelital
5. MFSP-SF-Nodo
6. MFSP-SF-enlace
7. SF –Nodo destino
1 El NY-fuente-nodo es el nodo que crea el tráfico,
2. El MFSP-NY-nodo es el gateway VoIP que implementa el sistema
MFSP
propuesto. Este nodo recibe pequeñas tramas del nodo NY-fuente-nodo
(de los teléfonos normales). Además, este nodo tiene habilidad de
coleccionar varias tramas y almacenarlas en un paquete grande y
seguidamente enviar al destino a través del satélite. El MFSP-NY-nodo
también tiene otra función, reagrupar los paquete recibidos.
3. El MFSP-NY--nodo es el teléfono receptor que recibe las tramas de voz
MFSP y entonces las reproduce .
4. SAT-nodo es el nodo del modelo por el que el tráfico de ambos sitios
pasa.
La Figura 4.1 muestra los elementos antes mencionados
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Figura 4.1 Escenario Para Realizar La Prueba25
ANALISIS del RESULTADO
La meta aquí es analizar la conducta del protocolo bajo varios escenarios, entre ellos
la utilización ancho de banda, retraso origen- destino, jitter o retraso y la utilización de
carga útil en la red global
Las Simulaciones siguientes se analizan para el protocolo de MFSP con tamaños de
tramas diferentes. Varias pruebas con respecto al número de tramas (MFSP) son
realizadas mientras el consumo del ancho de banda se compara para dos y cuatro
tramas agrupadas.
La Figura 4.2 representa la variación del retardo (jitter) para 4 tramas MFSP.
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ICTS2006-VoIP-QoS.pdf Pág.3
nrg.cs.usm.my/~tcwan/Papers/ICTS2006-VoIP-QoS.pdf
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Figura 4.2 Jitter para 4 tramas agrupadas con MFSP 26
Figura 4.3 indica el retardo del jitter para transmisión de un solo paquete. El jitter
máximo para un solo paquete (33 ms).
Figura 4.3 Jitter para un solo paquete 27
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La Figura 4.4 ilustra el escenario de MFSP con 4 & 8 tramas, se tiene que generan
menos tráfico respecto de la transmisión sin agrupar tramas (envió de solo una trama).
Esto significa que el número de paquetes que han sido generados a través de la
simulación son 100 paquetes para 20 usuarios, 60 segundos agrupando 4 tramas y
son 50 paquetes agrupando 8 tramas, mientras que sin agrupar se ha generado 400
paquetes.
Figura 4.4 MFSP comparación con una sola trama 28
La Figura 4.5 muestras el número de paquetes perdidos cuando aumentan el
número de usuarios para MFSP con 4 tramas. La Figura ilustra que los paquetes
perdidos para 20, 40, 80 usuarios son 4, 8 & 15 respectivamente. Estos valores son
4% de 100 paquetes, 4% de 200 paquetes y 3.75% de 400 paquetes que son una
perdida razonable y VoIP puede tolerar perdidas <5%. Los resultados indican que el
protocolo propuesto es solución para mejorar la manera actual de empaquetamiento
de VoIP (un solo paquete).
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ICTS2006-VoIP-QoS.pdf Pág.4
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Figura 4.5 Paquetes Perdidos Incrementando el número de usuarios con
agrupamiento de 4 tramas 29
La Figura 4.6 Indica el número de paquetes mientras se aumentan el número de
usuarios para transmisión de un solo paquete. La Figura ilustra que los paquetes
perdidos para 20, 40, 80 usuarios son 25, 45 & 90 respectivamente, qué es 6.25% de
400 paquetes, 5.625% de 800 paquetes y 5.525% de 1600 paquetes que no es una
taza de perdidas aceptable para VoIP y degradaría el QoS (el margen aceptable de
pérdidas para VOIP es menor o igual a 5%).
Figura 4.6 Paquetes perdidos incrementando usuarios sin agrupamiento de tramas 30