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Comfort e ritardo nelle chiamate VoIP
di Andrea Marzilli    04 Giugno 2011

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Uno degli ostacoli più importanti allo sviluppo della telefonia su IP è costituito dai ritardi con cui si riesce a comunicare. Il ritardo totale tra il momento in cui viene pronunciata una parola dal chiamante e quello in cui viene ascoltata del ricevente dovrebbe essere intorno ai 150ms (0,15 secondi). Questo per garantire una comunicazione confortevole.

Il cervello umano riesce a tollerare bene ritardi anche poco più grandi, fino a 200ms, ma non si può assolutamente oltrepassare la soglia dei 400ms, dopo la quale la latenza rende la conversazione insostenibile. Considerando dunque che il servizio VoIP vuole essere una valida alternativa alla telefonia tradizionale non ci si può allontanare troppo dai 150ms.

Ma cosa genera il ritardi nella conversazione?

Prima di tutto la conversione analogico/digitale e la costruzione del pacchetto:

Il segnale del parlato deve essere trasformato da una forma d'onda che rappresenta l'analogo del suono (segnale analogico), in una rappresentazione digitale formata da una sequenza di 1 e 0.

Per cercare di essere più efficienti in termini di spazio si effettua una compressione sul segnale. Una delle compressioni più efficienti è la G.729 (raccomandazione dell'ITU-T serie G) che riduce di 1/8 le dimensioni della banda richiesta alla trasmissione vocale arrivando dai 64Kbps della G.771 (PCM) a 8Kbps

Figura 1. Conversione e costruzione del pacchetto
Conversione e costruzione del pacchetto

La sequenza digitale deve essere spezzettata in frammenti che in genere rappresentano ciascuno 20ms o 40ms di parlato. Usando una compressione da 8Kbps otteniamo che a 1 byte corrisponde 1ms, il che significa che per ogni pacchetto abbiamo 20 byte di informazione (payload).

Per il trasporto e la temporizzazione del datagramma, però, sono necessarie tutte le informazioni della pila protocollare che costituiscono il pacchetto VoIP.

All'arrivo dell'informazione, questa deve essere riconvertita in segnale analogico

Quasi tutto viene realizzato da processori dedicati alla manipolazione del segnale (DSP - Digital Signal Processor) e si ottiene un tempo (detto framing time) molto breve, di circa 25ms, ma abbiamo già usato circa il 16,5% del tempo a disposizione. Ricordiamoci che siamo sul filo dei 150 millisecondi..

Tempo di accodamento

Una delle conseguenze di avere pacchetti che possono compiere più percorsi è la necessità di riordinarli all'arrivo. Questo fenomeno si gestisce con delle code che vengono riempite e svuotate in modo ordinato. Inoltre possono esserci delle congestioni da gestire con una strategia di priorità.

Figura 2. Riordinamento dei pacchetti
Riordinamento dei pacchetti

Il tempo di accodamento è stimabile intorno ai 6ms se consideriamo il payload di 20byte.

Tempo di propagazione

Dipende dalla velocità di trasmissione del mezzo. I tratti significativamente lunghi nell'attraversamento della rete sono composti di fibra ottica è possibile dunque approssimare il valore del ritardo a 6 microsecondi/Km.
Ciò significa che una lunghezza di 5000 kilometri si può stimare di raggiungerla in un tempo di 30ms.

Tempo di serializzazione

Tempo che serve a sincronizzare i pacchetti vocali sull'interfaccia di rete. Dipende dalla banda minima garantita (MCR - Minimum Cell Rate) e dalla dimensione della trama, se abbiamo un pacchetto con l'header RTP compresso, che occupa 38byte, con una ADSL che assicura 64Kbps si stima un ritardo di 4,75ms (dati Cisco).

Jitter e tempo del "Dejitter buffer"

La commutazione a pacchetto implica che i datagrammi, che non compiono percorsi fissi e sono soggetti alla congestione della rete, non arrivano tutti con il ritmo costante col quale sono stati inviati, il che provoca una distorsione nel segnale.

Questo fenomeno di ritardo variabile è chiamato Jitter ed è necessario ristabilire la frequenza di arrivo dei pacchetti per riottenere un segnale sufficientemente intellegibile. È necessario quindi disporre, di una memoria tampone (buffer) in cui accodare i pacchetti e dalla quale attingerli poi in modo sincrono.

Figura 3. DeJitter buffer
DeJitter buffer

Questo sistema di accodamento e rilascio implica un ulteriore tempo di attesa, il tempo di Dejitter appunto.

Questo tempo è dimensionato trovando un compromesso tra la minima latenza desiderata (non si può aspettare troppo) ed una stima del ritardo tra i pacchetti. Quindi può succedere che qualche pacchetto arrivi più tardi del tempo con il quale lo si è atteso nel buffer. Tipicamente un dejitter buffer viene dimensionato intorno ai 50ms

Tempo della rete

Tutti i tempi considerati fin'ora sono costi fissi o stimabili entro un certo intervallo. La stima si fa molto più difficile considerando il tempo di attraversamento dei nodi della rete. Infatti Bisogna tenere in considerazione i dispositivi, le strategie gestione della congestione, la perdita di pacchetti e tutte quelle caratteristiche che fanno la differenza tra un servizio scadente ed un servizio di qualità.

Tabella riepilogativa

Tipo di ritardo

Stima

Costruzione pacchetto ~ 25 ms
Accodamento ~ 6 ms
Propagazione ~ 30 ms
Serializzazione ~ 5 ms
Dejitter ~ 50 ms
Totale ~ 125 ms
Attraversamento rete ?

Per rimanere al di sotto dei 150ms dovremmo augurarci che il tempo di attraversamento della rete sia inferiore ai 35ms e che il tempo massimo di jitter sia minore del tempo previsto dal buffer.

Nel caso in cui ci sia un ritardo troppo grande dell'arrivo del pacchetto rispetto al tempo di Dejitter si adotta una politica di perdita. Si preferisce rinunciare al pacchetto e ripetere il pacchetto precedente piuttosto che causare un ulteriore ritardo. Questo metodo in realtà crea una interpolazione nel flusso che non è avvertibile all'orecchio umano sotto una soglia del 5% di pacchetti persi

200ms sono da considerarsi ancora un ritardo accettabile, mentre superando i 400ms la conversazione diventa insostenibile. Immaginiamo cosa significhi un ritardo di quasi mezzo secondo durante una telefonata.

Per mantenere fruibile la conversazione è dunque necessario garantire un tempo di attraversamento della rete basso. intorno ai 50/60 ms. Questo si ottiene con accorgimenti che rietrano nelle strategie di Qualità del Servizio (QoS).





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