XIV ERI-PR 2007
ISBN: 978-85-7669-115-0
Avaliação de técnicas de codificação de voz para VoIP
Márcio A. de Souza1, Anderson D. Schicorski1, Kleber Z. A. Ferreira1, Luciano J.
Senger1, Omar A. C. Cortes2
1
Departamento de Informática – Universidade Estadual de Ponta Grossa (UEPG)
Ponta Grossa – PR – Brazil
2
Departamento Acadêmico de Informática – CEFET – Maranhão
São Luiz – MA - Brazil.
{msouza,ljsenger}@uepg.br, [email protected], [email protected],
[email protected]
Abstract. The VoIP (Voice over IP) technology uses coding algorithms (called
codecs) that makes the transformation of the human voice into a digital
representation. There are several examples of codecs, each one with different
characteristics. The goal of this paper is to conduct an evaluation of codecs
commonly used in VoIP communication. This comparative study has been
made through the evaluation of the overhead generated by the codec on the
network and the quality of the transmitted digitalized voice. The evaluation of
the transmitted audio quality and bandwidth consumption has been performed
using audio and network analysis tools. The results show that the G.723.1 and
G.711 recommendations presented the best results.
Resumo. A utilização da tecnologia VoIP (Voz sobre IP) necessita de
algoritmos de codificação (chamado codecs) que permitam fazer a
digitalização da voz humana. Diversos codecs existem, com diferenças
significativas entre eles. O objetivo deste artigo é apresentar uma análise
comparativa de alguns codecs comumente utilizados na comunicação VoIP,
através da análise da sobrecarga que eles geram na rede e da qualidade da
voz resultante após a transmissão. Essa avaliação é feita utilizando
ferramentas para análise de pacotes e de áudio. Os resultados obtidos
mostram que dentre todos os codecs avaliados, as recomendações G.723.1 e o
G.711 apresentam resultados melhores.
1. Introdução
A área de telecomunicações vem sofrendo uma grande revolução, em grande parte
impulsionada por avanços tecnológicos conseguidos junto às redes de comutação de
pacotes como a Internet. Os serviços de telefonia, antes oferecidos pelos sistemas de
telefonia convencional (baseados em comutação de circuitos), têm sido oferecidos sobre
essas redes de comutação de pacotes, o que reflete em uma mudança no modo como os
serviços de telefonia vêm sendo prestados hoje em dia.
Em relação à transferência de voz, as redes de comutação de pacotes têm se
tornado uma alternativa muito atraente para conversas telefônicas, visto que elas
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oferecem uma qualidade de transmissão razoável aliada a um custo relativamente baixo,
principalmente para usuários que costumam fazer ligações interurbanas.
Assim, grupos ligados às empresas de telecomunicação e de computação
passaram a investir na criação de mecanismos para transmissão de voz sobre a Internet,
chamando esta nova tecnologia de VoIP. O termo VoIP é originário de Voice over IP
(Voz sobre IP), onde IP (Internet Protocol) é um protocolo extensamente difundido
tanto em redes públicas (como a Internet) quanto em redes privadas. A idéia do
protocolo VoIP se baseia na transmissão de voz em forma de pacotes através de uma
rede utilizando protocolos da pilha TCP/IP [Comer 2006; Moraes e Cirone 2003;
Tanenbaum, 2003].
Para que esse sistema seja viável, o sinal de voz deve passar por um processo de
digitalização e compactação antes de ser transformado em pacotes IP. Essa digitalização
é feita através de codecs (algoritmos de codificação), os quais são responsáveis pela
codificação do sinal de voz. Esses codecs são muito importantes no processo de
transmissão de voz pela Internet, pois influenciam a qualidade final das transmissões e a
largura de banda utilizada por elas.
Este artigo apresenta uma avaliação da tecnologia utilizada para a transmissão de
voz utilizando uma rede TCP/IP, abordando os codecs utilizados para realizar o
processo de digitalização. Essa avaliação será feita através de experimentos práticos
com alguns dos principais algoritmos de digitalização existentes, objetivando analisar a
sobrecarga que esses codecs geram na rede e a qualidade da voz transmitida por eles.
Este artigo está organizado da seguinte maneira: a segunda Seção apresenta
alguns trabalhos relacionados. A Seção 3 apresenta alguns conceitos básicos sobre VoIP
e codificação de voz. Em seguida, na Seção 4 são apresentadas a metodologia
empregada neste trabalho e os resultados obtidos da avaliação dos codecs. Por fim, a
Seção 5 apresenta as conclusões deste trabalho.
2. Trabalhos Relacionados
Existem diversos trabalhos direcionados a avaliar a qualidade da comunicação usando a
tecnologia VoIP. Os trabalhos de Kushman et al. (2007), Levy e Zlatokrilov (2006) e
Markopoulou et al. (2003) analisam os fatores que podem influenciar no desempenho de
uma comunicação usando VoIP.
Outros trabalhos têm como objetivo definir ferramentas para monitorar a
qualidade de ligações VoIP [Chua e Pheanis, 2006; David 2003; Lustosa et al. 2005].
Existem ainda trabalhos que apresentam modelos que permitem avaliar a qualidade da
voz transmitida [Lakaniemi et al. 2001; Lustosa et al. 2004]. Wenyu et al. (2003)
apresentam uma avaliação dos aparelhos de comunicação em relação à qualidade da
voz.
Todos os trabalhos citados utilizam alguns codecs nos experimentos práticos
apresentados nos artigos, embora o objetivo dos trabalhos não seja especificamente
avaliar os codecs. Este artigo, por outro lado, foca-se na avaliação dos codecs de voz,
comparando-os em termos de qualidade da voz transmitida (usando um software de
análise de áudio) e de sobrecarga na rede.
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3. Arquitetura VoIP
A base da arquitetura VoIP é a rede TCP/IP, de maneira que qualquer equipamento que
se conecte a ela deve possuir meios para realizar a recepção e o envio de pacotes de voz
digitalizada. Assim, para que a transferência de voz sobre IP aconteça, é necessário que
sejam definidos protocolos, os quais fornecem as funcionalidades necessárias à
transmissão da voz com uma qualidade suficiente. Os dois protocolos principais usados
para a sinalização e controle de chamadas de voz são o H.323 e o SIP [Fernandes 200-]
O H.323, desenvolvidos pela ITU (órgão ligado às empresas de telefonia), é um
conjunto grande e complexo de protocolos destinados a controlar todas as fases de uma
ligação pela Internet, incluindo a codificação de voz e vídeo, estabelecimento de
conexões, sinalização, etc. O protocolo H.323 apresenta as seguintes
características [Toga & Elgebaly, 1998]: independência de rede, interoperabilidade e
independência de plataforma, pois a transmissão de áudio e outros conteúdos não
depende de modificações na camada de transporte ou no sistema operacional;
representação padronizada de mídias, através do estabelecimento de padrões para
compressão e descompressão de sinais de áudio e vídeo, assim como de mecanismos de
negociação desses codificadores entre os pares comunicantes; gerenciamento de largura
de banda; conferências multiponto.
O SIP (Session Initiation Protocol), apresentado inicialmente em [Rosenberg et
al. 2002], é um protocolo mais simples e inspirado em protocolos baseados em texto,
como o HTTP e o SMTP, usado para transporte de informações multimídia pela Internet
e desenvolvido pela IETF (órgão responsável pela padronização de protocolos da
Internet). O protocolo SIP apresenta as seguintes características: simplicidade, por ter
apenas seis métodos para a troca de informações entre os comunicantes e ser baseado
em texto; interoperabilidade, independência de rede e de plataforma [Willys & Drage,
2007].
Independente dos protocolos usados para controlar a chamada, um processo
muito importante no procedimento de transmissão de voz é a digitalização, a qual é
responsável por codificar a voz de maneira que ela possa ser transmitida via pacotes IP.
O processo de digitalização interfere diretamente na qualidade da voz transferida e na
largura de banda utilizada.
Com a arquitetura apresentada, a próxima Subseção apresenta uma discussão
sobre as técnicas de digitalização de voz, as quais são avaliadas neste artigo.
3.1. Digitalização de Voz
O sinal da voz (que é um sinal analógico), para ser transmitido através de uma rede de
computadores que utiliza um sistema de transmissão digital, precisa passar por um
processo de digitalização. Esse processo é realizado por algoritmos conhecidos como
codecs (enCOders/DECoders) [Bernal 2003, Fernandes 200-, Jordan 1994].
Uma técnica muito difundida em sistemas de digitalização de sinais de áudio é a
PCM (Pulse Code Modulation). Na técnica de PCM, o processo de digitalização é
realizado tomando-se amostras do sinal analógico em determinados intervalos de tempo.
Como a faixa de valores possíveis de um sinal analógico é muito grande, utiliza-se um
conjunto limitado de valores de quantização (um conjunto de bits), os quais são usados
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para representar cada uma das amostras. Os valores das amostras são então aproximados
para esses valores de quantização. Quanto menor o número de valores de quantização
disponíveis, maior será a perda sentida no sinal original.
De acordo com o número de amostras geradas por segundo e a quantidade de
bits usada para representar cada uma das amostras, pode-se calcular a taxa de bits (bit
rate) usada pelo codec. A taxa de bits é geralmente medida utilizando a unidade Mbit/s
(Megabits por segundo), que representa o número de bits utilizado em 1 segundo de
áudio. Nesse caso, a taxa de bits equivale apenas à codificação da voz, e não inclui o
tráfego gerado por informações de controle utilizadas pelos demais protocolos VoIP.
Em virtude da grande utilização da técnica de PCM, a ITU criou uma
recomendação tomando-a como base, chamada de G.711. Uma taxa típica de
transmissão de dados da G.711 é 64 kbps. Outros algoritmos baseados em adequações
da técnica PCM surgiram visando proporcionar uma taxa de bits menor mantendo um
padrão de qualidade de voz aceitável.
Dentre essas adequações da PCM, podem ser citadas: a ADPCM (usada na
recomendação G.726), a CS-ACELP (usada na recomendação G.729) e a ACELP MPMLQ (usada na recomendação G.723.1). Diferentes recomendações apresentam
diferentes taxas de transmissão e diferentes atrasos (nesse caso, atraso refere-se ao
tempo necessário para codificação da voz, sendo medido em milissegundos).
Geralmente, quanto maior a taxa de bits, menor o atraso, visto que taxas de bits maiores
representam algoritmos de codificação com menor compactação.
A implementação dessas recomendações geram os codecs, e a Tabela 1 apresenta
uma relação dos codecs analisados neste trabalho, com suas respectivas taxas de bits e
atrasos típicos.
Tabela 1. Codecs avaliados
Codec
Tipo de codificação
Taxa de bits (Kbit/s)
Atraso (ms)
G.711
PCM
64 Kbit/s
1
G.726 – 40
ADPCM
40 Kbit/s
60
G.726 – 16
ADPCM
16 Kbit/s
60
G.729
CS-ACELP
8 Kbit/s
25-35
G.723.1
ACELP MP-MLQ
6,3 Kbit/s
67-97
Em um universo com uma grande gama de possíveis codecs, é interessante
estudar o custo/benefício oferecido por eles, e, principalmente, o resultado obtido em
termos de qualidade da voz codificada. Este artigo apresenta uma avaliação de quatro
dos codecs mais usados para aplicações de digitalização de voz, analisando a largura de
banda utilizada por eles e a qualidade da voz digitaliza. Nesse contexto, a próxima
Seção apresenta a metodologia usada na avaliação dos codecs e os resultados obtidos.
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4. Avaliação dos Codecs Usados em VoIP
A avaliação da eficiência dos codecs está relacionada com, além da qualidade do
sinal recuperado pelo receptor, à largura de banda utilizada por eles e à complexidade do
algoritmo (ou o atraso que ele gera durante o processo de codificação).
Para alcançar os resultados mostrados neste artigo, foi necessário definir um
ambiente de testes e utilizar alguns softwares (mostrados na Subseção 4.1). A Subseção
4.2 apresenta os resultados obtidos pelos experimentos, e a Subseção 4.3 apresenta
conclusões obtidas desses experimentos.
4.1. Ambiente de Teste e Softwares Usados
Os testes foram feitos usando dois computadores (A, B) conectados através de uma rede
Ethernet 100 Mbps isolada. Os dois computadores estabelecem uma conexão de voz
através de uma conexão ponto a ponto, onde o computador A (que será chamado de
emissor) realiza uma transmissão de um sinal sonoro (com 1 minuto de duração) e o
computador B (que será chamado de receptor) é responsável por receber o sinal. A
transmissão do sinal de áudio foi feita usando o software MyPhone
[myphone.sourceforge.net], que permite a utilização de diferentes codecs.
No receptor foi instalada uma ferramenta de análise de tráfego, chamada
Ethereal [Hards 2004], com o objetivo de medir o comportamento do fluxo de pacotes
(largura de banda utilizada, taxa média de pacotes transmitidos, por exemplo) no meio
de transmissão para os diferentes codecs utilizados para a digitalização do sinal.
O emissor é responsável por gerar o sinal sonoro, o qual foi plotado em um
gráfico usando o software SoundForge [www.sonymediasoftware.com]. Esse sinal
gerado foi transmitido até o receptor usando os diversos codecs, e os sinais recebidos
foram plotados em gráficos para serem comparados ao sinal original. Essa comparação
permitiu uma análise visual da diferença de qualidade sonora obtida pelos codecs.
Para melhorar a confiabilidade da análise das formas de onda, o sinal de voz foi
substituído por um sinal sonoro contínuo, livre de pausas. Essa decisão foi tomada para
tornar mais clara a avaliação dos sinais sonoros plotados no gráfico. Além disso, as
diferenças percebidas entre o sinal sonoro contínuo se repetiram na transmissão de
sinais sonoros variáveis.
4.2. Experimentos Feitos com os Codecs
Neste artigo foram comparados cinco codecs utilizados em telefonia sobre IP. A Tabela
1 apresenta cada um deles, relacionando-os com o tipo de codificação, os seus valores
de taxa de bits, e o atraso de cada um deles.
Algumas variações de alguns codecs não são apresentadas neste artigo por
apresentarem resultados muito parecidos entre eles. Por exemplo, o G.711 apresenta
duas variações (lei A e lei µ), as quais não apresentaram diferenças na prática. Foram
consideradas duas variações do codec G.726, pois as mesmas apresentaram taxas de bits
diferentes.
Para comparar esses cinco codecs, inicialmente foi feita uma operação de
transferência de áudio, e foi utilizado o software Ethereal para medir o comportamento
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da rede. As seguintes informações, obtidas através da monitoração da rede, foram
medidas:
•
Número médio de pacotes transferidos por segundo;
•
Tamanho médio do pacote (em bytes);
•
Largura de banda média (em Mbit/s);
Os resultados obtidos são mostrados na Tabela 2.
Tabela 2. Resultados obtidos pela monitoração da rede para os cinco codecs
Codec
Número médio de
pacotes
Tamanho médio
do pacote
Largura de banda
média
G.711
66,978
293
0,157
G.726 – 40
200,361
104
0,167
G.726 – 16
200,272
74
0,119
G.729
33,579
113
0,031
G.723.1
11,456
125
0,012
A Figura 1 apresenta a relação entre a largura média de banda utilizada pelos
cinco codecs, e percebe-se que a maior taxa de bits utilizada pelo codec G.711 não
refletiu em uma maior largura de banda utilizada em relação ao codec G.726 - 40.
Largura de banda média
0,2
0,15
Largura de banda média
0,1
0,05
0
G.711
G.726 - 40 G.726 - 16
G.729
G.723.1
Codecs
Figura 1. Largura de banda média por codec
Os demais codecs apresentam uma relação coerente entre a largura de banda
utilizada e a taxa de bits definida na especificação do codec.
Em relação à qualidade do som, na Tabela 3 são exibidos os resultados gerados
pelo Sony Sound Forge referentes às estatísticas das ondas sonoras resultantes. Na
tabela, em sua primeira linha, foram colocadas as estatísticas do som emitido, e essas
estatísticas são comparadas às obtidas pelos codecs que estão sendo analisados, os quais
estão dispostos em ordem decrescente de sua taxa de bits. Na segunda e terceira coluna,
são exibidos os valores de amplitude de onda mínima e máxima atingidos pela forma de
onda. Na quarta coluna demonstra-se a intensidade do sinal e na quinta, a freqüência.
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Tabela 3. Comparação entre o som emitido e o som recebido nos cinco codecs
Som Emitido
G.711 Lei A
G.726
G.726
G.729
G.723.1
Amplitude
Mínima
Máxima
-2,51
-2,51
-3,328
-3,588
-1,248
-1,7
-1,574
-1,847
-1,724
-1,979
-3,875
-3,847
Intensidade (dB)
-3,535
-8,372
-11,684
-12,67
-12,622
-9,593
Freqüêcia (Hz)
2405,75
2405,55
1724,78
1777,58
1990,73
2421,83
As Figuras de 2 a 7 representam os gráficos das ondas sonoras capturadas nos
testes efetuados. Para todas as figuras, o quadro à esquerda apresenta uma visão geral
dos 37,5 segundos iniciais da gravação, e o quadro à direita mostra a ampliação de um
trecho da onda mostrada na esquerda.
A Figura 2 apresenta o som emitido originalmente, e a partir da Figura 3 até a
Figura 7, é apresentado no quadro à esquerda um comparativo entre a forma de onda do
sinal recuperado (em preto) em comparação ao som emitido (em cinza).
Figura 2. Forma de onda do som emitido
Figura 3. Forma de onda do G.711
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Figura 4. Forma de onda do G.726 – 40
Figura 5. Forma de onda do G.726 - 16
Figura 6. Forma de onda do G.729
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Figura 7. Forma de onda do G.723.1
Considerando os resultados obtidos para cada um dos codecs, foi possível fazer
algumas observações específicas, as quais são descritas abaixo.
G.711: Dentre os codecs testados, este ocupou o segundo lugar quanto à utilização de
banda, apresentando taxa em torno de 0,157 Mbit/s. Este codec apresentou uma
qualidade sonora clara e sem a presença de ruídos, e pode-se notar que as ondas sonoras
apresentaram um padrão semelhante ao padrão de ondas do sinal original, conforme a
Figura 3.
O codec assumiu valores de freqüência bem próximos aos do sinal original, com
diferenças muito pequenas e também apresentou os melhores resultados em termos de
amplitude, o que garantiu a melhor qualidade de som entre todos os codecs avaliados
neste artigo.
G.726 (40 e 16): O codec G.726, em sua versão de 40 Kbit/s, foi responsável pela
maior utilização da banda. A versão de 16 Kb/s, por sua vez, apresentou os pacotes de
menor tamanho (74 bytes), conforme visto na Tabela 2. Esse codec apresentou uma
sensação sonora desagradável, o que pode ser percebido na Tabela 3. e nas Figuras 4 e
5, pois ele apresentou sinais de freqüência muito aquém da freqüência do sinal original e
uma distorção no padrão das ondas sonoras em relação ao sinal original.
G.729: Este codec apresentou a segunda menor taxa de utilização da banda,
aproximadamente 0,031 Mbit/s, e apresentou uma sensação sonora tida como razoável.
Também apresentou uma grande queda na utilização do canal de comunicação em
relação aos dois codecs anteriores, conforme visto na Tabela 2.
Em termos de qualidade sonora, na Figura 6 nota-se que as ondas sonoras não
apresentaram um padrão semelhante ao que foi emitido. Apesar da má qualidade do
sinal, o som reproduzido foi compreensível, sendo superior à qualidade oferecida pelo
codec G.726.
G.723.1: Este codec apresentou a menor taxa de utilização do canal de comunicação,
apresentando um valor de 0,012 Mbit/s. O valor de freqüência se aproximou do sinal
original, apesar de possuir uma taxa de bits muito pequena. A sensação sonora foi tida
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como boa em relação aos demais codecs, apresentado uma qualidade de som só inferior
à do codec G.711.
Na Figura 7 nota-se que as ondas sonoras recebidas apresentaram padrão
bastante semelhante ao que foi emitido.
4.3. Análise Comparativa Entre os Codecs Avaliados
A fim de permitir uma melhor análise das características de cada codec, bem como obter
um resultado comparativo sobre o comportamento de cada um deles durante os testes
realizados, a Tabela 4 apresenta uma comparação entre os aspectos mais relevantes
apresentados por cada um deles.
A Tabela 4 contém os dados referentes à qualidade sonora (obtidos da Tabela 2),
largura de banda consumida (obtidos da Tabela 3) e atraso típico (obtido da Tabela 1).
Tabela 4. Quadro comparativo dos resultados obtidos pelos codecs
G.711
G.726
G.729
G.723.1
Qualidade Sonora
Boa
Ruim
Razoável
Boa
Largura de Banda (Mbits/s)
0,157
0,167 e 0,119
0,031
0,012
Atraso (ms)
<< 1
60
25-35
67 - 97
Conforme a Tabela 4, o codec G.726, apresentou os piores resultados quanto à
sensação sonora e largura de banda, e apresentou o segundo pior resultado em relação ao
atraso. Portanto, neste trabalho, pode-se concluir que esse codec não apresentou
resultados que recomendem o seu uso.
O codec G.729 demonstrou uma qualidade sonora tida como razoável, ocupando
uma largura de banda de nível baixo, e um atraso com valor intermediário.
Considerando que o usuário de VoIP considera, geralmente, a qualidade sonora como o
mais importante fator a ser considerado, esse codec não seria o ideal.
Os dados apresentados na Tabela 4 apontam os codecs G.711 e G.723.1 como
melhores opções quanto à sensação sonora do sinal resultante. Contudo apresentaram-se
divergentes quanto à largura de banda utilizada no meio de comunicação, na qual o
G.723.1 se mostrou como a melhor opção, e em relação ao atraso típico, no qual o
G.711 assumiu um valor muito menor. Portanto, os dois codecs apresentam
características que indicam a utilização deles em diferentes cenários.
Considerando que o atraso típico de um codec representa o tempo necessário
para realizar a transformação do sinal analógico em um fluxo de bits, é possível concluir
que quanto maior o atraso, maior a complexidade do algoritmo, consequentemente mais
recursos de hardware são necessários para realizar a codificação. Dessa forma,
aplicações que estejam executando em computadores de menor porte, ou onde existam
vários processos concorrentes disputando os recursos de processamento, a opção por um
codificador de menor custo computacional seria a mais indicada, e nesse caso poderia-se
usar o G.711.
Por outro lado, considerando a largura de banda utilizada, valores muito altos
podem inviabilizar situações nas quais o meio de comunicação seja de baixa qualidade,
como uma conexão à internet discada; ou o tráfego na rede seja intenso, como em redes
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públicas; ou ainda, sejam utilizadas codificações adicionais, como criptografia. Neste
caso, poderia ser usado o G.723.1.
Analisando todos os dados obtidos, conclui-se que os codecs G.711 e G.723.1,
são as melhores soluções dentre os codecs testados. E que a escolha entre um ou outro,
deve se atentar as considerações descritas nos parágrafos anteriores, levando em conta o
poder computacional disponível e o meio de comunicação disponível.
5. Considerações Finais
Este artigo apresentou uma avaliação de alguns codecs utilizados na telefonia sobre IP,
avaliando-os em relação à largura de banda utilizada e qualidade da voz transmitida.
Com base nos resultados obtidos neste artigo, pode-se perceber que os codecs são
bastante diferentes entre si, e não parece existir uma solução que possa ser considerada
de uso geral.
Alguns conceitos teóricos que podem parecer claros e intuitivos, na prática,
podem não se refletir. Por exemplo, geralmente, quanto maior o valor de taxa de bits,
maior a largura de banda utilizada. Porém, o codec G.726 – 40 apresentou maior uso de
largura de banda em relação ao codec G.711, o qual possui taxa de bits maior. Além
disso, embora seja natural imaginar que quanto maior a taxa de bits, maior seja a
qualidade, não existe relação direta entre a qualidade de voz e a taxa de bits, como pode
ser percebido no codec G.723.1.
Entre todos os codecs avaliados, este artigo recomenda o G.723.1 e o G.711, os
quais apresentam qualidade sonora muito boa. Porém, esses dois codecs apresentam
usos diferenciados. O G.723.1 é mais indicado em sistemas onde haja a necessidade de
economia da largura de banda do meio de transmissão, levando em consideração o fato
de que o consumo de recursos computacionais será elevado. Por outro lado, o codec
G.711 apresenta a melhor qualidade sonora, mas é indicado para sistemas onde há
bastante largura de banda disponível.
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