Voz : Qualidade de voz

Voz em IP - Consumo de Largura de Banda por Chamada

22 Maio 2008 - Tradução Manual
Outras Versões: Versão em PDFpdf | Tradução por Computador (29 Julho 2013) | Inglês (2 Fevereiro 2006) | Feedback


Interativo: Este documento oferece cálculos personalizados da largura de banda de voz com a ferramenta Calculadora de Largura de Banda de Codec de Voz TAC (clientes registrados somente) .


Índice

Introdução
Pré-requisitos
     Requisitos
     Componentes Usados
     Convenções
VoIP – Largura de Banda por Chamada
     Explicação dos Termos
     Fórmulas de Cálculo de Largura de Banda
     Cálculo da Amostra
Configurando Tamanhos de Payload de Voz no Cisco CallManager e nos Gateways do IOS
Impacto da Mudança nos Tamanhos do Payload de Voz
Detecção de Atividade de Voz
Compactação de Cabeçalho RTP ou Compressed RTP (cRTP)
     Heurística de Compactação

Introdução

Um dos fatores mais importantes a ser considerado ao construir redes de voz por pacotes é o planejamento adequado da capacidade. Nesse planejamento, o cálculo da largura de banda é um fator importante a ser considerado ao projetar redes de voz por pacotes e ao solucionar problemas visando uma boa qualidade de voz.

Este documento explica os cálculos e recursos da banda larga de codec de voz para modificar ou manter a largura da banda ao usar Voz em IP (VoIP).

Observação: A ferramenta Calculadora de Largura de Banda Codec de Voz TAC (clientes registrados somente) é um complemento a este documento. Essa ferramenta fornece informações sobre como calcular a largura de banda necessária para chamadas de voz por pacotes.

Pré-requisitos

Requisitos

Não existem requisitos específicos para este documento.

Componentes Usados

Este documento não está restrito a versões específicas de software e de hardware.

Convenções

Para obter mais informações sobre convenções de documentos, consulte Convenções e Dicas Técnicas da Cisco.

VoIP – Largura de Banda por Chamada

As seguintes suposições de cabeçalho de protocolo são usadas para os cálculos:

  • 40 bytes para o cabeçalho de IP (20 bytes) / User Datagram Protocol (UDP) (8 bytes) / Real-Time Transport Protocol (RTP) (12 bytes).

  • O cRTP (Compressed Real-Time Protocol) reduz os cabeçalho IP/UDP/RTP para 2 ou 4bytes (cRTP não está disponível por Ethernet).

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

  • 1 byte para o sinalizador end-of-frame nas estruturas MP e Frame Relay.

  • 18 bytes para os cabeçalhos L2 Ethernet, incluindo 4 bytes de Frame Check Sequence (FCS) ou Cyclic Redundancy Check (CRC).

Observação: A tabela a seguir contém apenas cálculos para tamanhos de payload de voz padrão nos gateways H.323 do Cisco CallManager ou Cisco IOS® Software. Para cálculos adicionais, inclusive tamanhos de payload de voz diferentes e outros protocolos, como o VoFR (Voice over Frame Relay) e VoATM (Voice over ATM), use a ferramentaCalculadora de Largura de Banda Codec de Voz TAC (clientes registrados somente) .

Informações do Codec

Cálculos de Largura de Banda

Codec e Taxa de Bits (Kbps)

Tamanho de Amostra de Codec (Bytes)

Intervalo de Amostragem de Codec (ms)

Mean Opinion Score (MOS)

Tamanho do Payload de Voz (Bytes)

Tamanho do Payload de Voz (ms)

Pacotes por Segundo (PPS)

MP ou FRF.12 de Largura de Banda (Kbps)

w/cRTP MP ou FRF.12 de Largura de Banda (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

34

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

34

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

34

28,5 Kbps

18,4 Kbps

31,5 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 da amostra do codec / intervalo de amostragem do codec).

Tamanho de Amostra de Codec (Bytes)

Com base no codec, esse é o número de bytes capturados pelo Digital Signal Processor (DSP) em cada intervalo de amostragem do codec. Por exemplo, o codificador G.729 opera em intervalos de amostragem de 10 ms, o que corresponde a 10 bytes (80 bits) por amostra, numa taxa de bits de 8 Kbps. (Taxa de bits do codec = tamanho da amostra do codec / intervalo de amostragem do codec).

Intervalo de Amostragem de Codec (ms)

Esse é o intervalo de amostragem no qual o codec opera. Por exemplo, o codificador G.729 opera em intervalos de amostragem de 10 ms, o que corresponde a 10 bytes (80 bits) por amostra, numa taxa de bits de 8 Kbps. (Taxa de bits do codec = tamanho da amostra do codec / intervalo de amostragem do codec).

MOS

MOS é um sistema de graduação de qualidade de voz de conexões de telefone. Com o MOS, um amplo conjunto de ouvintes julgam a qualidade de uma amostra de voz numa escala de um (ruim) a cinco (excelente). A média das pontuações é calculada para fornecer o MOS do codec.

Tamanho do Payload de Voz (Bytes)

O tamanho do payload de voz representa o número de bytes (ou bits) incluídos em um pacote. Esse deve ser um múltiplo do tamanho da amostra do codec. Por exemplo, pacotes G.729 podem usar payloads de voz com 10, 20, 30, 40, 50 ou 60 bytes.

Tamanho do Payload de Voz (ms)

O tamanho do payload de voz também pode ser representado nos termos das amostras de codec. Por exemplo, um tamanho de payload de voz do G.729 igual a 20 ms (duas amostras de codec de 10 ms) representa um payload de voz igual a 20 bytes [ (20 bytes * 8) / (20 ms) = 8 Kbps ]

PPS

PPS representa o número de pacotes que precisam ser transmitidos a cada segundo a fim de 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), 50 pacotes precisam ser transmitidos a cada segundo [50 pps = (8 Kbps) / (160 bits por pacote) ]

Fórmulas de Cálculo de Largura de Banda

Os seguintes 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

Cálculo da Amostra

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

    Observação: 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 Tamanhos de Payload de Voz no Cisco CallManager e nos Gateways do IOS

O tamanho do payload de voz pode ser configurado no Cisco CallManager e nos gateways do Cisco IOS.

Observação: Se o gateway do Cisco IOS estiver configurado no Cisco CallManager como gateway Media Gateway Control Protocol (MGCP), todas as informações do codec (o tipo de codec, tamanho de payload, detecção de atividade de voz, assim por diante) serão controladas pelo Cisco CallManager.

No Cisco CallManager, o tamanho do payload de voz por pacote é configurável na base de todo o sistema. Esse atributo é definido no Cisco CallManager Administration (Serviço > Parâmetros de Serviço > select_server > Cisco CallManager) com os seguintes três parâmetros de serviço:

  • PreferredG711MillisecondPacketSize – (Definição padrão: 20 ms. Definições disponíveis: 10, 20 e 30 ms.)

  • PreferredG729MillisecondPacketSize – (Definição padrão: 20 ms. Definições disponíveis: 10, 20, 30, 40, 50 e 60 ms.)

  • PreferredG723MillisecondPacketSize – (Definição padrão: 30 ms. Definições disponíveis: 30 e 60 ms.)

No Cisco CallManager, o tamanho do payload de voz é configurado nos termos de amostras em milissegundos (ms). Com base no codec, a tabela a seguir mapeia algumas amostras de ms ao tamanho de payload real, em bytes.

Codec

Tamanho do Payload de Voz (ms)

Tamanho do Payload de Voz (Bytes)

Comentários

G.711

20 ms (padrão)

160 Bytes

Observe que a taxa de bits do codec é sempre a mesma. 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, um recurso foi incluído no Cisco IOS Software Release 12.0(5)T de modo a permitir que o tamanho do payload de voz (em bytes) dos pacotes VoIP seja alterado via a Interface de Linha de Comandos (CLI). Esta é a sintaxe do novo comando:

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 Mudança nos Tamanhos do Payload de Voz

O número de amostras de codec por pacote é outro fator na determinação da largura de banda e atraso da chamada VoIP. O codec define o tamanho da amostra, mas o número total de amostras colocado em um pacote afeta como muitos pacotes são enviados por segundo.

Quando você aumenta o tamanho do payload de voz, a largura de banda do VoIP diminui e o atraso geral aumenta. O exemplo a seguir ilustra isso:

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

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

Observação: Os cabeçalhos na L2 não são consideradas no cálculo acima.

Observação: Os cálculos mostram que ao passo que o tamanho do payload é dobrado, o número de pacotes por segundo necessário é subseqüentemente cortado pela metade.

Observação: De acordo com as especificações G.114 do International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector (ITU-T) , o atraso total unidirecional recomendado para voz é de 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 as redes de voz comutadas por circuito, todas as chamadas de voz usam larguras de rede fixas de 64 Kbps, sem levar em consideração o quanto da conversa é fala e o quanto é silêncio. Com as redes VoIP, toda conversa e silêncio são colocadas em pacotes. Os pacotes de silêncio podem ser eliminados com a utilização da Detecção de Atividades de Voz (VAD).

No decorrer do tempo e com uma média de volume de mais de 24 chamadas, o VAD pode significar até 35 por cento de economia da largura de banda. Não se percebe a economia em cada chamada de voz individual ou na medida de qualquer ponto específico. Em relação ao design de rede e à engenharia da largura de banda, a VAD não deve ser levado em consideração, especialmente em links que transportam menos de 24 chamadas de voz simultâneas. 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.

O VAD também provê Geração de Conforto-Ruído (CNG). Como silêncio pode ser confundido com uma chamada desconectada, a CNG fornece ruído branco gerado localmente de modo que a chamada pareça estar conectada para ambos os lados. 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, o VAD pode ser ativado (está desativado por padrão) com o seguinte parâmetro de serviço:

  • SilenceSuppressionSystemWide – Este parâmetro seleciona a definição de VAD para todos os pontos finais skinny (por exemplo: Cisco IP Phones e gateways Skinny)

  • SilenceSuppressionWithGateways – Este parâmetro seleciona a definição de VAD para todos os gateways MGCP. Ele não tem nenhum efeito nos gateways H.323. O VAD deve estar desativado nos gateways H.323.

Você pode encontrar tais parâmetros de serviço em Cisco CallManager Administration (Serviço > Parâmetros de Serviço > select_server > Cisco CallManager).

Compactação de Cabeçalho RTP ou Compressed RTP (cRTP)

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Todos os pacotes VoIP são compostos de dois componentes: amostras de voz e cabeçalhos de IP/UDP/RTP. Embora as amostras de voz sejam compactadas pelo Digital Signal Processor (DSP) e possam variar no 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. Usando 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 link, as duas extremidades do link de IP precisam ser configuradas para cRTP.

Nas versões 12.0.5T e anteriores do software Cisco IOS, 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 do cRTP no Cisco IOS Software Releases 12.0.7T a 12.1.2T. A seguir está um resumo do histórico.

  • O cRTP é comutado por processo no Cisco IOS Software Release 12.0.5T e anterior.

  • Na versão 12.0.7T do software Cisco IOS, e continuando na versão 12.1.1T, foi apresentado o suporte para comutação rápida e comutação para encaminhamento do Cisco Express para cRTP.

  • No Cisco IOS Software Release 12.1.2T, foram introduzidos aprimoramentos de desempenho de algoritmo.

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

Heurística de Compactação

Como o RTP não tem um cabeçalho de pacote distinto do seu próprio, a distinção entre os fluxos RTP (para cRTP) e UDP (cUDP) é feita pelo uso de heurística. Esta é a heurística exata usada no momento para detectar pacotes RTP para compactação:

  • O número da porta de destino é par.

  • O número da porta de destino está na faixa 16384-32767 ou 49152-65535.

  • O campo de versão do RTP está definido como dois.

  • O campo de extensão do RTP está definido como zero.


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