Voz : Qualidade de voz

Voz sobre IP - Consumo de largura de banda por chamada

19 Setembro 2015 - Tradução por Computador
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Índice


Introdução

Um dos fatores mais importantes a serem considerados ao criar redes de voz de pacote é o planejamento adequado da capacidade. No planejamento da capacidade, o cálculo de largura de banda é um fator importante a considerar quando você projeta e resolve problemas nas redes de voz de pacote para obter uma boa qualidade de voz.

Este documento explica os cálculos e recursos da largura de banda de codec de voz para modificar ou manter a largura de banda quando for usada Voz sobre IP (VoIP).

Nota: Como um complemento a este documento, você pode utilizar a ferramenta TAC Voice Bandwidth Codec Calculator (apenas clientes registrados). Essa ferramenta fornece informações sobre como calcular a largura de banda exigida para chamadas de voz de pacote.

Pré-requisitos

Requisitos

Não existem requisitos específicos para este documento.

Componentes Utilizados

Este documento não se restringe a versões de software e hardware específicas.

Convenções

Consulte as Convenções de Dicas Técnicas da Cisco para obter mais informações sobre convenções de documentos.

VoIP - Largura de Banda por Chamada

Estas suposições de cabeçalho de protocolo são utilizadas para os cálculos:

  • 40 bytes para IP (20 bytes)/cabeçalhos de Protocolo UDP (8 bytes)/Real-Time Transport Protocol (RTP) (12 bytes).

  • O protocolo Compressed Real-Time (cRTP) reduz os cabeçalhos IP/UDP/RTP a 2 ou 4 bytes (o cRTP não está disponível por Ethernet).

  • 6 bytes para cabeçalho de Camada 2 (L2) Multilink Point-to-Point Protocol (MP) ou Frame Relay Forum (FRF).12.

  • 1 byte para o indicador de fim de quadro em quadros MP e Frame Relay.

  • 18 bytes para cabeçalhos Ethernet L2, incluindo 4 bytes de FCS (Frame Check Sequence) ou CRC (Verificação de Redundância Cíclica).

Nota: Esta tabela contém somente cálculos para os tamanhos do payload de voz padrão no CallManager da Cisco ou no software Gateways H.323 de Cisco IOS�. Para cálculos adicionais, incluindo tamanhos de payload de voz diferentes e outros protocolos, tais como Voice over Frame Relay e Voice over ATM (VOATM), use a ferramenta TAC Voice Bandwidth Codec Calculator (apenas clientes registrados).

Informações sobre Codec Cálculos de Largura de Banda
Codec e Taxa de Bits (Kbps) Tamanho de Exemplo do Codec (Bytes) Intervalo de Exemplo do Codec (ms) Mean Opinion Score (MOS) Tamanho de Payload de Voz (Bytes) Tamanho de Payload de Voz (ms) Pacotes por Segundo (PPS) Largura de Banda MP ou FRF.12 (Kbps) Largura de Banda com cRTP ou FRF.12 (Kbps) Ethernet de Largura de Banda (Kbps)
G.711 (64 Kbps) 80 bytes 10 ms 4.1 160 bytes 20 ms 50 82.8 Kbps 67.6 Kbps 87.2 Kbps
G.729 (8 Kbps) 10 bytes 10 ms 3.92 20 bytes 20 ms 50 26.8 Kbps 11.6 Kbps 31.2 Kbps
G.723.1 (6,3 Kbps) 24 bytes 30 ms 3.9 24 bytes 30 ms 33.3 18.9 Kbps 8.8 Kbps 21.9 Kbps
G.723.1 (5,3 Kbps) 20 bytes 30 ms 3.8 20 bytes 30 ms 33.3 17.9 Kbps 7.7 Kbps 20.8 Kbps
G.726 (32 Kbps) 20 bytes 5 ms 3.85 80 bytes 20 ms 50 50.8 Kbps 35.6 Kbps 55.2 Kbps
G.726 (24 Kbps) 15 bytes 5 ms   60 bytes 20 ms 50 42.8 Kbps 27.6 Kbps 47.2 Kbps
G.728 (16 Kbps) 10 bytes 5 ms 3.61 60 bytes 30 ms 33.3 28.5 Kbps 18.4 Kbps 31.5 Kbps
G722_64k(64 Kbps) 80 bytes 10 ms 4.13 160 bytes 20 ms 50 82.8 Kbps 67.6 Kbps 87.2 Kbps
ilbc_mode_20 (15.2Kbps) 38 bytes 20 ms NA 38 bytes 20 ms 50 34.0 kbps 18.8 Kbps 38.4 kbps
ilbc_mode_30 (13.33Kbps) 50 bytes 30 ms NA 50 bytes 30 ms 33.3 25.867 Kbps 15.73 kbps 28.8 Kbps

Explicação dos termos

Taxa de Bits do Codec (Kbps) Com base no codec, esse é o número de bits por segundo que precisam ser transmitidos para entregar uma chamada de voz. (taxa de bits do codec = tamanho de exemplo do codec/intervalo de exemplo do codec).
Tamanho de Exemplo do Codec (Bytes) Com base no codec, esse é o número de bytes capturado pelo Processador do Sinal Digital (DSP) em cada intervalo de exemplo do codec. Por exemplo, o codificador G.729 funciona nos intervalos de exemplo de 10 ms, correspondendo a 10 bytes (80 bits) por exemplo em uma taxa de bits de 8 Kbps. (taxa de bits do codec = tamanho de exemplo do codec/intervalo de exemplo do codec).
Intervalo de Exemplo do Codec (ms) Esse é o intervalo de exemplo em que o codec funciona. Por exemplo, o codificador G.729 funciona nos intervalos de exemplo de 10 ms, correspondendo a 10 bytes (80 bits) por exemplo em uma taxa de bits de 8 Kbps. (taxa de bits do codec = tamanho de exemplo do codec/intervalo de exemplo do codec).
MOS MOS é um sistema de classificação da qualidade de voz das conexões de telefone. Com o MOS, um amplo intervalo de ouvintes julga a qualidade de um exemplo de voz em uma escala de um (ruim) a cinco (excelente). É calculada a média das pontuações para fornecer o MOS para o codec.
Tamanho de Payload de Voz (Bytes) O tamanho de payload de voz representa o número de bytes (ou bits) que são preenchidos em um pacote. O tamanho de payload de voz deve ser um múltiplo do tamanho de exemplo do codec. Por exemplo, os pacotes G.729 podem utilizar 10, 20, 30, 40, 50 ou 60 bytes do tamanho de payload de voz.
Tamanho de Payload de Voz (ms) O tamanho de payload de voz também pode ser representado em termos dos exemplos do codec. Por exemplo, um tamanho de payload de voz G.729 de 20 ms (dois exemplos do codec de 10 ms) representa um payload de voz de 20 bytes [(20 bytes * 8)/(20 ms) = 8 Kbps]
PPS PPS representa o número de pacotes que precisam ser transmitidos a cada segundo para entregar a taxa de bits do codec. Por exemplo, para uma chamada G.729 com tamanho de payload de voz por pacote de 20 bytes (160 bits), é necessário transmitir 50 pacotes a cada segundo [50 pps = (8) Kbps/(160 bits por pacote)]

Fórmulas para cálculo de largura de banda

Estes cálculos são utilizados:

  • Tamanho total do pacote = (cabeçalho L2: MP ou FRP, 12 ou Ethernet + (cabeçalho de IP/UDP/RTP) + (tamanho de payload de voz)

  • PPS = (taxa de bit de codec) / (tamanho do payload de voz)

  • Largura de banda = tamanho total do pacote * PPS

Exemplo de cálculo

Por exemplo, a largura de banda necessária para uma chamada G.729 (taxa de bits de codec de 8 Kbps) com cRTP, MP e payload padrão de 20 bytes de voz é:

  • Tamanho total do pacote (bytes) = (cabeçalho de MP de 6 bytes) + (cabeçalho comprimido de IP/UDP/RTP de 2 bytes) + (payload de voz de 20 bytes) = 28 bytes

  • Tamanho total do pacote (bits) = (28 bytes) * 8 bits por byte = 224 bits

  • PPS = (taxa de bits do codec de 8 Kbps/(160 bits) = 50 pps

    Nota: 160 bits = 20 bytes (payload de voz padrão) * 8 bits por byte

  • Largura de banda por chamada = tamanho do pacote de voz (224 bits) * 50 pps = 11,2 Kbps

Configurando os tamanhos de virulência da voz no Cisco CallManager e nos gateways do IOS

O tamanho de payload de voz por pacote pode ser configurado nos gateways do Cisco CallManager e do Cisco IOS.

Nota: Se o gateway do Cisco IOS for configurado no Cisco CallManager como um gateway do Media Gateway Control Protocol (MGCP), todas as informações do codec (tipo de codec, tamanho de payload, detecção de atividade de voz, etc.) serão controladas pelo Cisco CallManager.

No Cisco CallManager, o tamanho de payload de voz por pacote é configurável em todo um sistema. Esse atributo é definido na Cisco CallManager Administration (Service > Service Parameters > select_server > Cisco CallManager) com estes três parâmetros de serviço:

  • PreferredG711MillisecondPacketSize - (Configuração padrão: 20 ms. Configurações disponíveis: 10, 20 e 30 ms.)

  • PreferredG729MillisecondPacketSize - (Configuração padrão: 20 ms. Configurações disponíveis: 10, 20, 30, 40, 50 e 60 ms.)

  • PreferredG723MillisecondPacketSize - (Configuração padrão: 30 ms. Configurações disponíveis: 30 e 60 ms.)

No Cisco CallManager, o tamanho de payload de voz é configurado em termos de exemplos de milissegundos (ms). Com base no codec, esta tabela mapeia alguns exemplos de ms para o tamanho de payload real em bytes.

Codec Tamanho de Payload de Voz (ms) Tamanho de Payload de Voz (Bytes) Comentários
G.711 20 ms (padrão) 160 bytes Observe que a taxa de bits do codec é sempre mantida. Por exemplo: Codec G.711 = [240 bytes * 8(bits/bytes)]/30 ms = 64 Kbps
30 ms 240 bytes
G.729 20 ms (padrão) 20 bytes
30 ms 30 bytes
G.723 30 ms (padrão)

Nos gateways do Cisco IOS, uma característica é adicionada no Software Cisco IOS Release 12.0(5)T que permite que o tamanho de payload de voz (em bytes) para os pacotes VoIP seja alterado com a Interface de Linha de Comando (CLI). A nova sintaxe do comando é a seguinte:

Cisco-Router(config-dial-peer)#codec g729r8 bytes ?

Each codec sample produces 10 bytes of voice payload.

Valid sizes are:
10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120,
130, 140, 150, 160, 170, 180, 190, 200, 210, 220, 230

Any other value within the range will be rounded down to nearest valid size.

<10-230> Choose a voice payload size from the list above

Impacto da alteração dos tamanhos de payload de voz

O número de exemplos do codec por pacote é outro fator que determina a largura de banda e o atraso de uma chamada VoIP. O codec define o tamanho do exemplo, mas o número total de exemplos colocados em um pacote afeta a quantidade de pacotes enviados por segundo.

Quando você aumenta o tamanho de payload de voz, a largura de banda VoIP é reduzida, e o atraso geral aumenta. O exemplo seguinte ilustra isso:

  • Chamada G.729 com tamanho de payload de voz de 20 bytes (20 ms): (40 bytes de cabeçalhos IP/UDP/RTP + payload de voz de 20 bytes) * 8 bits por byte * 50 pps = 24 Kbps

  • Chamada G.729 com tamanho de payload de voz de 40 bytes (40 ms): (40 bytes de cabeçalhos IP/UDP/RTP + payload de voz de 40 bytes) * 8 bits por byte * 25 pps = 16 Kbps

Nota: Os cabeçalhos L2 não são considerados nesse cálculo.

Nota: Os cálculos mostram que quando o tamanho de payload é dobrado, o número de pacotes por segundo exigidos é posteriormente reduzido à metade.

Nota: Conforme definido nas especificações do Setor de Padronização de Telecomunicação da União de Telecomunicação Internacional (ITU-T) G.114, o atraso geral unidirecional recomendado para a voz é 150 ms. Para uma rede privada, 200 ms é uma meta razoável, e 250 ms deve ser o máximo.

Detecção de atividade de voz

Com redes de voz comutadas por circuito, todas as chamadas de voz utilizam links de largura de banda fixa de 64 Kbps, não importando o quanto é conversação e o quanto é silêncio. Com redes VoIP, toda a conversação e silêncio são inseridos no pacote. Com Detecção de Atividades de Voz (VAD), os pacotes de silêncio podem ser suprimidos.

Ao longo do tempo e como uma média em um volume de mais de 24 chamadas, a VAD pode proporcionar uma economia de até 35% de largura de banda. Não se percebe a economia em cada chamada de voz individual ou na medida de qualquer ponto específico. Para fins de projeto de rede e de engenharia de largura de banda, a VAD não deve ser levada em consideração, principalmente em links que carregam menos de 24 chamadas de voz simultaneamente. Diversos recursos como música de espera e fax tornam o VAD ineficaz. Quando a rede é desenvolvida para a largura de banda total para chamadas de voz, todas as economias oferecidas pelo VAD estão disponíveis para os aplicativos de dados.

A VAD também fornece o Comfort Noise Generation (CNG). Como é possível confundir o silêncio com uma chamada desconectada, o CNG fornece o ruído branco gerado localmente para que a chamada pareça conectada normalmente para ambas as partes. O G.729 Anexo B e o G.723.1 Anexo A incluem uma função VAD integrada, porém, são executados da mesma forma que o G.729 e o G.723.1, respectivamente.

No Cisco CallManager, a VAD pode ser habilitada (é desabilitada, por padrão) com estes parâmetros de serviço:

  • SilenceSuppressionSystemWide - Esse parâmetro seleciona a configuração VAD para todos os pontos finais skinny (por exemplo: Telefones IP Cisco e gateways Skinny)

  • SilenceSuppressionWithGateways - Esse parâmetro seleciona a configuração VAD para todos os gateways MGCP. Isso não afeta os gateways H.323. A VAD nos gateways H.323 deve ser desabilitada no gateway.

Você pode localizar esses parâmetros de serviço na Cisco CallManager Administration (Service > Service Parameters > select_server > Cisco CallManager).

Compressão de cabeçalho de RTP ou RTP comprimido (cRTP)

http://www.cisco.com/c/dam/en/us/support/docs/voice/voice-quality/7934-bwidth-consume.gif

Todos os pacotes VoIP são compostos de dois componentes: exemplos de voz e cabeçalhos IP/UDP/RTP. Embora os exemplos de voz sejam compactados pelo Processador de Sinal Digital (DSP) e possam variar em tamanho com base no codec utilizado, esses cabeçalhos são uma constante de 40 bytes de comprimento. Quando comparados com os exemplos de voz de 20 bytes em uma chamada G.729 padrão, esses cabeçalhos formam uma quantidade considerável de carga adicional. Com cRTP, esses cabeçalhos podem ser compactados para dois ou quatro bytes. Esta compactação oferece economias de largura de banda VoIP significativas. Por exemplo, um chamada VoIP G.729 padrão consome 24 Kb sem cRTP, mas apenas 12 Kb com cRTP habilitado.

Como o cRTP faz a compressão de chamadas de VoIP em cada enlace, as duas extremidades do enlace de IP precisam ser configuradas para cRTP.

Nos Cisco IOS Software Releases 12.0.5T e anteriores, o cRTP é comutado por processo, o que limita muito a escalabilidade de soluções cRTP devido ao desempenho da CPU. A maioria desses problemas foram resolvidos com a introdução de várias melhorias no desempenho de cRTP no Cisco IOS Software Releases 12.0.7T a 12.1.2T. Este é um resumo da história.

  • O cRTP sofre Switch de processo no Cisco IOS Software Release 12.0.5T e anteriores.

  • No Cisco IOS Software Release 12.0.7T, e continuando no Release 12.1.1T, foi apresentado o suporte para switching rápido e switching para encaminhamento do Cisco Express para cRTP.

  • Na versão do Cisco IOS Software 12.1.2T, foram introduzidos aprimoramentos de desempenho algorítmico.

Passar o cRTP para o caminho de switching rápida aumenta significativamente o número de sessões RTP (chamadas de VoIP) que os gateways VoIP e roteadores intermediários podem processar.

Heurística da compressão

Como o RTP não tem um cabeçalho de pacote distinto próprio, um stream RTP (para o cRTP) é diferenciado de um stream UDP (cUDP) por heurísticas. As heurísticas exatas utilizadas atualmente para detectar pacotes RTP para compactação são:

  • O número da porta de destino é uniforme.

  • O número da porta de destino está no intervalo 16384-32767 ou 49152-65535.

  • O campo da versão RTP é definido como dois.

  • O campo de extensão RTP é definido como zero.

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