Calidad de servicio: La calidad de servicio (QoS, Quality of Service) hace referencia a la capacidad que tiene un sistema de asegurar que se cumplen los requisitos de tráfico para un flujo de información determinado.

En la RFC 2475 (An Architecture for Differentiated Services) se establecen algunas características significativas, cualitativas o estadísticas, a tener en cuenta en la transmisión de un paquete en una dirección a través de una o más rutas en una red: caudal (throughput), demora (delay), variación de demora (jitter), pérdidas…

Es conocido que Internet ofrece un único nivel de servicio, Best Effort, donde no existe una preasignación de recursos, ni plazos conocidos, ni garantía de recepción correcta de la información. Sencillamente, se ofrece el mejor nivel de servicio posible en ese momento.

La QoS tiene como objeto solventar los problemas que han ido surgiendo en Internet y en las redes IP en general ante las nuevas aplicaciones y acceso masivo de usuarios. La demanda de servicios garantizados, y el despliegue de aplicaciones multimedia y servicios síncronos como voz y video en tiempo real, han generado la necesidad de definir y establecer calidad de servicio en las redes para el buen funcionamiento de estas aplicaciones.

Para el usuario final, la QoS implica tener un nivel de conexión y servicio en términos de rapidez, fiabilidad, rendimiento y disponibilidad, además de un servicio de atención al cliente con respuesta ágil y eficaz.

La VoIP ha migrado el tráfico de voz que de forma tradicional utilizaba como soporte una red de conmutación de circuitos (RTPC), a una red de conmutación de paquetes. Esto implica que la información de voz es fragmentada creando un flujo de paquetes independientes que viajan por diferentes caminos de la red, llegando al destino de forma desordenada y con diferentes retardos acumulados. Debido a esto, en la integración de la voz y los datos sobre una estructura única de conmutación de paquetes, existen algunas limitaciones que deben ser consideradas en el diseño e implantación de una solución de este tipo:
– El ancho de banda necesario para la transmisión de las comunicaciones de voz.
– El retardo con el que llegan los paquetes.
– La variación del retardo en la transmisión (jitter).
– Las pérdidas de paquetes.

Con el objetivo de paliar los problemas que generan estas limitaciones, QoS actúa a diferentes niveles:

– Nivel de dispositivo de la red a través del encolado, la planificación y la adaptación
del tráfico.
– Nivel de señalización para coordinar la QoS de extremo a extremo.
– Nivel de gestión para controlar y administrar el tráfico extremo a extremo.

QoS en VoIP
La calidad de servicio en VoIP está íntimamente relacionada con la percepción que tienen los usuarios finales en una conversación telefónica. Si el grado de satisfacción no es el conveniente, es porque existen deficiencias que no permiten las cargas de tráfico de forma puntual o permanente.

Las medidas subjetivas son métodos intuitivos utilizados para la determinación de la calidad de la VoIP. La más utilizada es la escala MOS (Mean Opinion Score) que se basa en someter a conversación a un conjunto de individuos y evaluar la claridad media que dicen percibir. Esta escala esta recogida en las recomendaciones P.800 y P.830 de la ITU. Existen varios tipos de escalas MOS dependiendo de la prueba que se realice, pero las más comunes se muestran en las siguientes tablas, y puntúan la calidad de la voz y el esfuerzo necesario para entender el mensaje pronunciado en el otro extremo.

Escala MOS utilizada para medir la calidad de la voz

Escala MOS utilizada para medir el esfuerzo de interpretación del mensaje

El uso de escalas MOS adolece de inconvenientes inherentes pues requiere de un número importante de personas para la realización del estudio, con el consecuente coste que ello supone, y de una compleja elaboración de planes de pruebas. Paralelamente, se debe considerar que factores como la cultura o la actitud de las personas que participan en la valoración, también influyen en los resultados obtenidos.

Por otro lado, la evaluación de la calidad de servicio también se puede basar en la medición de propiedades físicas del sistema. En entornos telefónicos, es habitual que estas pruebas consistan en el empleo de una señal de referencia o en la monitorización del tráfico en tiempo real. Las medidas en función del modo que tienen de interaccionar con la red, se pueden clasificar en dos tipos: intrusivas o pasivas. Siendo el resultado de estas pruebas fiable, eficiente y rápido.

En términos cuantitativos la calidad de servicio se refleja en una serie de parámetros o factores que pueden ser medidos y ajustados para satisfacer el grado de servicio demandado.

Los factores que se enumeran a continuación determinan la calidad de servicio:

– En ancho de banda que tiene la red para cursar llamadas puede provocar retardos.
– La limitación del ancho de banda y la congestión de los routers, provocan pérdida
de paquetes.
– El procesado al que es sometida la voz y el recorrido que realizan los paquetes a
través de la red provocan retardos.
– Como consecuencia de que cada paquete se transmite de forma independiente al
resto se produce jitter.
– El acoplo que sufre la señal de voz entre los distintos sentidos de la comunicación
genera eco.

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Ancho de banda
El ancho de banda (BandWidth, BW) va a establecer la velocidad máxima de transferencia de datos entre dos extremos de la red.

Relativo a la VoIP, en función del algoritmo para la codificación de la voz y de la compresión del codec utilizado, existen unos requerimientos mínimos para la transmisión de la señal de voz en cuestiones de BW.

El ancho de banda disponible en la red se reparte entre las aplicaciones que hay sobre ésta. Debido a ello y con objeto de arbitrar este reparto, han surgido los mecanismos de QoS. La técnica empleada para la gestión del ancho de banda en la red es determinante en el retardo que sufrirán los paquetes, y en consecuencia, en la calidad de la voz.

Pérdida de paquetes
La pérdida de paquetes es un fenómeno común en las redes de conmutación de paquetes. La información al ser fragmentada y viajar de forma independiente por la red puede atravesar en su camino hacia el destino diferentes equipos. En este contexto, cuando se produce congestión en el router (se han llenado las colas y el equipo no puede aceptar más paquetes), se producen pérdidas. Para el tráfico en tiempo real como la voz, la retransmisión de tramas perdidas en la capa de transporte no es práctica por ocasionar retardos adicionales, derivando de esto que sea habitual el transporte UDP. Trabajando con este protocolo, los paquetes que no son recibidos en el destino no son reenviados.

El problema de la pérdida de paquetes puede quedar resuelto cambiando el router y/o sustituyendo el enlace por uno de mayor capacidad, pero puede suponer una solución cara por lo que se buscan otras alternativas.

Cada paquete contiene de forma aproximada, pues depende del esquema de codificación utilizado, unos 20 ms de señal vocal que se corresponden con la duración media de un fonema. Debido a esto, la pérdida de un paquete en la transmisión representa la pérdida de un fonema en el proceso de reproducción de la señal de voz. En consecuencia, la pérdida de paquetes de voz es una pérdida de calidad de la señal. Cuando esta tasa de pérdida es pequeña, el cerebro puede reconstruir los fonemas perdidos, lo que permite que la calidad en la conversación pueda ser aceptable dejando de ser así para pérdidas superiores. Por esto existen mecanismos que mitigan estos efectos como pueden ser: técnicas de corrección, distribución, contención y recuperación.

El impacto de la pérdida de paquetes es medido en términos de Ie, el factor de deterioro, y cuanto más grande sea éste, el empeoramiento de la señal es más severo. En la siguiente tabla se muestra el impacto de las tramas perdidas en el factor de deterioro, según la ITU-T G.113 apéndice I.

Destacar que incluso con un 0% de pérdida de paquetes, los codecs G.729A y G.723.1 tienen un factor de deterioro de 11 y 15, respectivamente.

Impacto de las tramas perdidas

Retardo

Los retardos que se producen en la transmisión de los paquetes de la señal de voz causan dos problemas:

– Eco. Es consecuencia de las reflexiones de la señal. Cuando el retardo es superior a cierto umbral, que la ITU sitúa en 5ms, el hablante empieza a escuchar una versión molesta y retardada de sus propias palabras, y si este retardo alcanza niveles muy elevados, se llega al punto en que mantener la conversación resulta imposible.
– Talker overlap (solapamiento de la voz de los interlocutores). Durante la conversación se establecen pausas que invitan al otro interlocutor a dar una respuesta, si durante un tiempo razonable no ha llegado la respuesta, el hablante original puede seguir hablando. En este caso, si llega la respuesta del segundo interlocutor debido al retraso, se da una colisión que no permite la comunicación. A partir del umbral de retardo de 150 ms aproximadamente empieza a aparecer este fenómeno.

Por estos inconvenientes, el retardo de extremo a extremo es un factor crítico en el diseño de una red de transporte de VoIP. Normalmente, la calidad de la voz empieza a degradarse a partir de retardos superiores a 150 ms, pero si condiciones extraordinarias lo requieren, los usuarios habitualmente pueden aceptar hasta 400 ms.

Las principales fuentes de retardo en la VoIP son dos:

– Retardo debido al gateway o pasarela.
El procesado de la voz puede provocar diferentes tipos de retardos:
 Retardo de procesamiento del codec. La digitalización de la voz y la compresión de la señal repercute en un retardo inevitable.
 Retardo de serializacion. Relacionado directamente con la tasa del reloj de la transmisión, es el tiempo requerido para transmitir un paquete IP.
 Retardo de empaquetamiento. Referente al tiempo necesario para llenar un paquete de información (carga útil) con la conversación ya codificada y comprimida, depende del tamaño de bloque requerido por el codificador de voz y el número de bloques de una sola trama.
 Retardo de supresión de jitter. Con objeto de eliminar la variabilidad del retardo, se realiza un almacenamiento temporal del flujo de paquetes antes de recuperar la forma de onda de la señal de voz en un buffer.

– Retardo debido a la red.
Los paquetes con la información viajan por la red y sufren de fuentes de retardo adicionales:
 Retardo de encolado. Ocasionado por la espera de los paquetes para ser transmitidos por una línea de salida. Existen diferentes maneras de reducirlo a través del empleo de líneas con mayor ancho de banda o mediante técnicas de gestión de BW.
 Retardo de conmutación de la red. Es referente al tiempo que necesita la red para transportar la información de origen a destino y hay de diferentes tipos: retardo de acceso al medio, de propagación o asociado a servicios de red.

Tomado de:
Soler, E. (****). Diseño e implementación de una solución de VoIP (Proyecto Final de Carrera). Universitat Politécnica de Catalunya, Barcelona, España.

Fuente:
http://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2099.1/8373/Memoria%20PFC%20-%20Erika%20Soler.pdf

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