Teléfono IP (Internet Protocol)

TELEFONO IP
Un teléfono IP es un dispositivo que transporta voz sobre una red usando paquetes de datos en vez circuito
conmutado sobre una red de voz. La telefonía IP se refiere a transferir la voz sobre protocolo Internet (IP) de
protocolo TCP/IP
Existen otros paquetes estándares para Frame Relay y ATM, pero muchas personas usan el término Voz sobre
IP (VoIP) o "Telefonía IP " como significado de voz sobre algún paquete de Red.
Los teléfonos IP originalmente han existido en forma de un Sw cliente corriendo sobre un PC multimedia para
la comunicación de bajo costo PC a PC sobre la Internet. Problemas con la calidad del servicio (QOS)
asociados con la Internet y la plataforma PC, en sí resulto ser pobre en la calidad de la voz, excesivo retrazo, y
la congestión en la red provoca perdida de paquetes. La QOS proporcionado por la Internet continua
mejorando así como la tecnología esta avanzando con enlaces más rápidos, y switchs que evitan la congestión,
conexiones de acceso más rápido de los usuarios tales como xDSL, cortes de baja latencia y nuevos
protocolos como RSVP y técnicas que dan prioridad a datos sensibles tales como voz y video.
Muchos de los esfuerzos sobre VoIP están actualmente centrados en dos aplicaciones claves. La primera es
respecto a redes de aplicaciones de negocios privadas. Los negocios que tiene oficinas localizadas
remotamente y que están conectadas viía una intranet corporativa para el servicio de datos pueden tomar la
ventaja de la Intranet existente para agregar servicio de fax y voz usando tecnología VoIP.
Los negocios están dirigiendo sus demandas para soluciones VoIP, primeramente porque reducen sus costos
de operativos debido a que pueden manejar en una red ambos servicios voz y datos, y evitando los cargos y
pagos adicionales, que son particularmente excesivos para corporaciones con sitios multi−internacionales
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La Segunda aplicación clave es VoIP sobre redes públicas. Esta aplicación involucra el uso de dispositivos de
voz (gateway) diseñados para llevar en ISP, ahora conocidos Internet Telephony Service Providers (ITSP), o
las emergentes nuevas generaciones de carriers tales como Qwest y Level 3, las cuales están desarrollando
significativamente Redes IP para llevar tráfico multimedia tales como. Los ISPs están interesados en VoIP
como una manera de ofrecer un valor agregado al servicio para incrementar su flujo de ganancias
REFERENCIA DE DISEÑO
La figura siguiente muestra un diagrama de bloques . Un telefono IP consiste de cuatro componentes: Interfaz
de Usuario, Interfaz de Voz, Interfaz de Red y Procesador central y lógica asociada
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La interfaz de usuario provee las funciones tradicionales de un teléfono. Lo mínimo consiste de un teclado
para el discado de números (0−9, *, #) y un indicador de señal audible para el anuncio de llamadas llegadas
para el usuario. Un teléfono más sofisticado prove teclas adicionales, que proporcionan funciones tales como:
mute, rediscado, tono de espera, transferencia, conferencia, etc. Una pantalla también es proporcionada para
desplegar usuario, numero discado, información de la llamada recibida, etc. En ciertos modelos el teléfono
puede estar equipado con una interface serial para permitir comunicación con dispositivos tales como un PDA
para permitir sincronización de información de fono, facilidades de discado automático, etc.
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La interfaz de voz provee la conversión de voz análoga a muestras digitales. Las señales de conversación son
tomadas a una razón 8 KHz para crear un flujo de datos digitalizado de 64kbps para ser procesado vía pulse
code modulation (PCM) codec.
A interfaz de red permite la transmisión y recepción de paquetes voz desde y hacia el teléfono. Las LAN
corporativas frecuentemente usan una Ethernet 10BaseT o 100BaseT corriendo bajo protocolo TCP/IP. El
teléfono IP puede ofrecer un secondo conector Ethernet RJ−45 para permitir a un PC poder conectarse.
El procesador central ejecuta el procesamiento de voz, el proceso de llamado, el proceso de protocolo y
funciones de SW de administración de red. Como muestra la siguiente figura, este consiste de un Procesador
de Señal Digital (DSP) para la voz y funciones relativas a una unidad Micro Controladora (MCU) para el resto
de las funciones. Para asegurar el upgrade del software el teléfono usa memoria Flash.
ARQUITECTURA DEL SO FTWARE
La telefóno IP está basado en el estandar ITU H.323 para VoIP. El software consiste de lso siguientes grandes
subsistemas: Interfaz de usuario, Procesamiento de Voz, Telephony Signaling Gateway, Protocolos de interfaz
de Red, Agente administrador de Red, y servicios del sistema. Estos subsistemas estan descritos abajo.
INTERFAZ DE USUARIO
El subsistema interfaz de usuario provee los componentes de SW que maneje la interfaz de usuario de un
teléfono IP y consiste de los siguientes sub−módulos.
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Controlador de Display
Controla el HW que genera los caracteres a desplegar. El dispositivo despliega una simple linea de despliegue
con la identificación del llamado o múltiples líneas de despliegue con caracteres gráficos
Controlador de Teclado
Ejecuta un examen de las teclas presionadas por el usuario.
Controlador Audible
Ejecuta el control del HW que genera el sonido para el usuario.
Procedimientos de Usuario
Control la información desplegada por el controlador de display y las teclas presionadas por el usuario, y
luego convierte estos en una promitiva para el procesamiento de llamadas.
PROCESAMIENTO DE VOZ
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El SW de procesamiento esta compuesto por los siguientes módulos de software
Interfaz de unidad PCM
Recibe muestras de PCM desde la interfaz análoga y luego envia al apropiado módulo de software DSP para
el procesamiento. También de muestras PCM procesadas a la interfaz análoga
Generador de Tono
Genera el tono para el llamado en proceso.
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Unidad canceladora de Línea de Eco
Performs ITU G.168 compliant echo cancellation on sampled, full−duplex voice port signals.
Eco en un teléfono de red es causada por reflexión de señales generadas por un circuito híbrido que convierte
un circuito de 4 alambre (pares separadas para transmitir y recibir) y un circuito de dos alambres (un simple
par para trasmitir y recibir). Esta reflexión del parlante de voz es escuchada en el parlante de oído. El eco
igual esta presente en un convencional circuito conmutado telefónico. Sin embargo esto es aceptable porque el
viaje de ida y vuelta de los retardos a través de la red son menores que 50 msec. El eco resulta un problema en
voz sobre paquetes de red porque el viaje de ida y vuelta de retrasos son casi siempre mayors que 50 msec.
Luego la técnica de cancelación del eco son requeridas. La ITU standard G.168 define requerimientos de
rendimiento que son actualmente requeridos por el cancelador de eco.
El eco es cancelado hacia el paquete de red desde el teléfono de red. El cancelador de eco compara el dato de
voz recibida desde el paquete de red con la voz que comienza a ser trasmitida a el paquete de red.El eco desde
el teléfono de red híbrido es removido por un filtro digital sobre la trayectoria de transmisión dentre del
paquete de red.
Detector de actividad de voz (VAD)
Detecta actividad de voz y actividades de transmisión de paquetes para así optimizar el ancho de banda.
Cuando una actividad no es detectada, la salida del encoder puede no ser transportada cruzando la red. Este
software también mide las características de ruido de la interfaz y reporta esta información.
Unidad codificadora de voz
Ejecuta el empaquetamiento de 64 kbps de flujo de datos recibidos desde el usuario
.
Existen varios algoritmos de compresión que tienen diferentes características de rendimiento:
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G.711 PCM que opera a 64 kbps (sin compresión)
G.726 ADPCM que opera a 16, 24, 32 and 40 kbps
G.723.1 que opera at 5.3 or 6.3 kbps
G.729 que opera a 8 kbps.
Típicamente los algoritmos de compresión de voz que ejecutan mayor compresión de voz requieren mucha
más poder de procesamiento. Esto debe ser notorio en la alta fidelidad de audio, la calidad de los algoritmos
de compresión pueden ser usados en teléfonos IP ya que esto no están sujetos a una restricción de 4 KHz de
ancho de banda como en PSTN. Esto permite proveer un mejor sonido que un PCM y permitir que la musica
sea reproducida con alta fidelidad.
Packet Protocol Encapsulation Unit
Ejecuta la encapsulación de los paquetes de voz destinados a la interfaz de Red. Para VoIP esta encapsulación
es por el protocolo transporte en tiempo real (RTP) que corre directamente sobre el tope de UDP.
Encriptación de Voz
Proporciona una encriptación optima de datos de los paquetes de voz antes de ser trasnmitidos a la red (esto
asegura la privacidad)
Unidad de Control
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Coordina el intercambio de información de monitoreo y control entre el modulo de procesamiento de voz y el
modulo de administración de red y señalización de telefonía. Esta información intercambiada datos de
configuración, información de señales y reporte de estatus.
PUERTA DE SEÑALIZACIÓN TELEFONICA
El subsistema de puerta de señalización telefónica (TSG) ejecuta las funciones para establecer, mantener, y
terminar un llamado. El TSG consiste de los siguientes módulos de software:
Procesamiento de llamadas
Ejecuta el estado de procesamiento de la máquina para establecer, mantener y terminar.
Direcciona traslación y parsing
Ejecuta la colección de dígitos y examina cuando un número discado ha sido completado y realiza la
disponibilidad del número para direccionar la traslación.
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Señalización de la Red
Ejecuta las funciones de señalización para establecer, mantener y terminar las llamadas sobre la red IP.
Existen dos estándares H.323 y SGCP/MGCP.
Protocolos H.323
El H.323 es un estándar ITU que describe como la comunicación multimedia ocurre entre usuarios terminales,
equipamientos de red y variados servicios sobre redes IP de área local y ancha. Los siguientes estándares son
usados sobre VoIP en un teléfono IP:
H.225−Call Signaling Protocols.
Realiza la señalización para establecer y terminar las conexiones de llamadas basadas en Q.931.
H.245−Control Protocol.
Proporciona capacidades de negociación entre dos puntos finales tales como que algoritmos de compresión
son usados, solicitudes de conferencias, etc.
RAS−Registration, Admission, and Status (RAS) Protocol.
Usados para llevar el registro, admisión, cambios de ancho de banda y mensajes de estado entre dispositivos
de teléfono IP y servidores llamados GateKeeper que proporcionan las traslación de direcciones y control de
acceso a los dispositivos.
RTCP−Real−time Transport Control Protocol (RTCP).
Proporciona información estadística para monitorear la calidad del servicio de llamadas de voz
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Protocolos SGCP/MGCP
Protocolo de control de simple puerta (Simple Gateway Control Protocol SGCP) es un estándar que describe
protocolo maestro / esclavo para establecer llamadas de voz sobre IP. El lado del esclavo o cliente reside en
una puerta (teléfono IP) y en el lado maestro reside una entidad referida como Agente llamador. SGCP ha sido
adoptado por la industria de CABLE Modem como parte del estándar DOCSIS. SCMP esta evolucionando a
un protocolo de control de puerta multimedia (Multimedia Gateway Control Protocol MGCP).
ADMINISTRACIÓN DE RED
El subsistema de administración de red soporta administración remota del teléfono. El agente administrador
de red consiste de los siguientes cuatro módulos.
Agente administrador de red
Ejecuta las funciones de administración de red de un teléfono IP, incluye monitoreo de estado y reporte de
alarmas, obtención de estadística en respuesta a consultas SNMP, etc.
Servidor de Web Embedded (opcional)
Proporciona soporte a la administración vía Web. Presenta al usuario páginas Web para la configuración de
teléfono IP, obtener información estadística. Puede proveer Applets Java para cargar al PC del usuario.
SNMP
Ejecuta funciones para Simple Network Management Protocol (SNMP) para el procesamiento de
Administración de Información Base (MIB). Obtener y Setear la generación de Alarmas.
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TFTP
Trivial File Transport Protocol (TFTP) es usado para bajar software actualizados y dejarlos en la memoria
rápida.
El protocolo de Interfaz de Red soporta cuatro comunicaciones sobre una LAN y consiste de los siguientes
módulos de software.
TCP
Transport Control Protocol (TCP) provee transporte confiable de datos, incluyendo retransmisión y control de
flujo. Esto es usado para consultas en el Web y llamadas a funciones de señalización.
UDP
The User Datagram Protocol (UDP) provee un eficiente pero no confiable transporte de datos. Esto es usado
para transportar datos de voz en tiempo real ya que la retransmisión podría mucho más retraso a la
conversación de voz y es inaceptable. El UDP es usado por SNMP y TFTP para administración de tráfico de
red.
IP
El protocolo Internet (IP) provee un estándar de encapsulación de datos para la transmisión sobre la red. Este
contiene una dirección origen destino usada para el enrutamiento.
MAC/ARP
Ejecuta el control de acceso al Medio (MAC), funciones de administración y maneja el protocolo de
resolución de direcciones (ARP) para el dispositivo.
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Driver Ethernet
Configura y controla el HW controlador ethernet, incluye operaciones de inicialización de DMA.
SERVICIOS DEL SISTEMA
Consiste de los siguientes módulos de SW:
Partida/Inicialización
Provee el arranque e inicialización de componentes de SW y HW del teléfono IP.
POST
Proporciona funciones de Power−On Self−Test (POST) del teléfono IP.
RTOS
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El sistema operativo de Tiempo Real (RTOS) provee funciones tales como tareas de administración,
administración de memoria y tareas de sincronización.
BSP
Board Support Package (BSP) software. Provee controladores de interfaz de HW, vector de interrupciones,
etc. que permiten al sistema operativo de tiempo real operar sobre la plataforma de hardware.
Controlador Guardián de Tiempo.
Provee control de un timer guadián (WDT), como un mecanismo de control para prevenir al teléfono Ip de
fallas de SW o HW
Administrador de Memoria Rápida
Provee funciones para leer datos desde y hacia memoria rápida.
Administrador de interfaz DSP
Proporciona los controladores para intercambiar información entre MCU y DSP, incluyendo bajar SW,
funciones de administración de Red y paquetes de Voz.
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CONSIDERACIONES DE IMPLEMENTACION
CostO
Como vimos anteriormente el teléfono IP requiere de software para el procesamiento de voz, software de
protocolos de red y de administración de red. Lo anterior requiere de un importante poder de procesamiento y
memoria que se agrega al costo del teléfono. Para poder reducir el costo, muchos de los bloques funcionales
descritos anteriormente son típicamente integrados dentro de un simple Chip, es decir: DSP, MCU,
controlador ethernet, PCM y lógica asociada.
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