Introdução:

 

            Voz sobre IP (VoIP), é um termo utilizado para caracterizar o serviço que consiste em transmitir informação de voz através do protocolo IP (Internet Protocol). De uma forma geral, isto significa enviar informação de voz em formato digital dentro de pacotes de dados ao invés da utilização do tradicional protocolo de comutação de circuitos utilizado há décadas pelas companias telefônicas.

            A maior vantagem da tecnologia VoIP é a possibilidade da redução dos custos de utilização dos serviços de telefonia comum, principalmente em ambientes corporativos, pois redes de dados já instaladas passam a também transmitir voz.

            A tecnologia ganhou grande impulso no "VoIP Forum", um esforço dos maiores fabricantes de equipamentos de rede, tais como Cisco, 3Com e VocalTec, para promover o uso do padrão ITU-T H.323 de transmissão de voz e vídeo utilizando o protocolo IP. O Forum também promove o uso de serviços direcionados, tais como localização de usuários, distribuição automática de mensagens e serviços de correio de voz..

            Além do protocolo IP, VoIP usa também o real-time protocol (RTP), para assegurar que os pacotes cheguem todos no seu devido tempo. No entanto, com a utilização das redes de telefonia para transmissão de dados, fica difícil garantir qualidade de serviço. Resultados bem melhores são obtidos se utilizadas redes privadas gerenciadas de forma mais inteligente, com o estabelecimento de prioridades para os pacotes que trafegam pela rede.

            Para se utilizar VoIP, o primeiro passo é a conversão dos sinais de voz analógicos para sinais digitais, de forma que a informação possa ser transmitido através de uma rede IP. Este processo é realizado por CODECs, que podem ser tanto softwares quanto hardwares, e que são totalmente especificados pelo padrão H.323. Mas estes codecs não realizam somente a conversão analógico-digital, eles são responsáveis também pela compressão dos sinais digitais, para que estes possam trafegar na rede de forma mais rápida e eficiente, mas isto também não é o bastante.

            Diferentemente dos tipos de dados que comumente trafegam pela rede, onde pacotes IP perdidos ou atrasados são eventualmente rearrumados para formar informações coerentes, conversas sobre IP podem apresentar ecos, atrasos e jitters se os pacotes não chegarem na ordem correta ou se sofrerem atrasos. Qualquer que tenha tentado se utilizar desta tecnologia no começo de seu desenvolvimento com certeza experimentou a sensação de falar e depois ouvir a própria voz, ou então ouvir a superposição daquilo que ele havia falado com o que foi dito do outro lado da linha. No entanto, com a combinação dos avanços obtidos na garantia de Qualidade de Serviço, onde pacotes de voz têm prioridade sobre pacotes de dados comuns, e a melhora dos algoritimos de compressão de voz, tornaram voz sobre IP uma realidade, pelo menos dentro das redes privadas de LANs e WANs.

 

Aplicações e Benefícios:

 

            O principal objetivo dos provedores de serviço VoIP é reproduzir a capacidade das operadoras de telefonia com uma significativa redução dos custos de utilização do serviço e oferecer uma alternativa de competitividade técnica.

            A figura abaixo ilustra uma situação sobre como a telefonia pode ser implementada utilizando-se uma rede IP:

 

                                                           

                                    Figura 1: Infraestrutura VoIP

           

 

VoIP pode ser empregada em quase todas as aplicações de comunicações de voz, desde uma simples ligação entre escritórios até complexas teleconferências multiponto em ambientes compartilhados. E a qualidade da reprodução da voz também pode variar de acordo com as aplicações. Ligações de clientes devem ter uma qualidade maior que ligações feitas para dentro da própria empresa, por exemplo. Então, os equipamentos de VoIP devem oferecer flexibilidade para uma ampla gama de configurações e ambientes.

            Embora o uso de voz sobre pacotes de rede seja relativamente limitado no momento, há um crescente e considerável interesse no uso da tecnologia. Há uma expectativa de rápido crescimento do mercado , e previsões indicam que este deva crescer mais de 100% ao ano nos próximos cinco anos. Está claro que um mercado já foi estabelecido e que existem boas oportunidades para desenvolvedores e fabricantes lançarem seus produtos no mercado.

 

Desenvolvimento de produtos VoIP:

 

            O objetivo para os fabricantes é relativamente simples: adicionar as capacidades dos telefones às redes baseadas em IP e interconectar estes às redes de telefonia e redes de voz privada de tal forma que o padrão de qualidade de voz e todas as características conhecidas dos atuais telefones sejam preservadas.

            A figura 2 ilustra uma visão geral para uma arquitetura VoIP e sugere que os principais pontos para os desenvolvedores de produtos se concentram em cinco áreas específicas:

 

                                   

                                                   Figura 2: Arquitetura VoIP

 

 

1. A qualidade da voz deve ser comparável às que são oferecidas hoje por redes PSTN, mesmo com diferentes níveis de QoS apresentados pelas diversas redes.

 

2. As redes IP em questão devem apresentar boa performance, minimizando efeitos como latência da rede e perdas e atrasos de pacotes, mesmo durante horários de pico de uso ou quando múltiplos usuários tenham que dividir os recursos da rede.

 

3. O processo das chamadas telefônicas deve ser transparente para o usuário, ou seja, o usuário não deve necessariamente saber qual tipo de tecnologia está sendo utilizada para a implementação do serviço.

 

4. O serviço entre os dois diferentes tipos de rede (VoIP e PSTN) envolve a utilização de gateways entre os ambientes de rede de dados e de voz.

 

5. Gerenciamento do sistema, segurança, endereçamento e contabilidade devem ser oferecidos, preferencialmente, de acordo com o sistema de suporte e operações das redes de voz atuais.

 

            Dado o início da corrida, padrões devem ser adotados e implementados, gateways possibilitando a interface IP/PSTN devem ser desenvolvidos, as redes existentes precisam ter seu nível de QoS avaliados, e serviços globais precisam ser estabelecidos. Também é importante ressaltar que a adoção de VoIP deve continuar economicamente viável mesmo que o preço das ligações de telefone tenha uma significativa queda, já que a implementação de redes de dados corporativas é essencial em todo o mundo.

 

 

Qualidade da voz e características:

 

            Possibilitar um nível de qualidade de diálogo no mínimo igual ao existente no protocolo de comutação de circuitos é visto como requisito básico, embora especialistas argumentem que a relação custo-funcionalidade-qualidade deva ser levada em consideração. Embora QoS comumente se refira a fidelidade de transmissão de voz e documentos de fax, também está relacionada com a capacidade da rede, serviços oferecidos, e grau de escalabilidade do sistema.

            A qualidade de reprodução do som sobre uma rede de telefonia é muito subjetiva, embora padrões de medidas tenham sido desenvolvidos pelo ITU. Foi verificado que existem basicamente três fatores que podem impactar a qualidade do serviço:

 

1.Delay (atraso): Dois problemas que são consequência deste atraso de pacotes são o eco e a superposiçãode vozes. O eco se torna um problema quando ocorre um atraso de mais de 50ms. Quando o eco é percebido como um problema de qualidade, o sistema VoIP deve arrumar uma maneira de cancelar este efeito. A superposição de vozes começa a ficar significante se o atraso em um dos sentidos de propagação da informação torna-se maior que 250ms.

 

2.Jitter (Variação do atraso): Jitter é a varição do tempo de atraso da chegada do pacotes introduzida pela variação do atraso de transmissão da rede. Remover o jitter requer a retenção de pacotes por um tempo que seja suficiente para que o pacote mais lento chegue a tempo de ser executado na sequência correta, o que causa um delay adicional. O buffer necessário para corrigir o jitter adiciona atraso, que é usado para corrigir a variação do atraso a que cada pacote é submetido enquanto trafega pela rede.

 

3. Perda de pacotes: Redes IP não podem garantir que todos os pacotes serão entregues corretamente, muito menos que eles irão chegar na ordem. Pacotes poderão ser perdidos devido a períodos de pico e congestionamento da rede. Devido a particularidade na transmissão e a natureza da voz, o sistema de retransmissão normal do TCP não é satisfatório. Procedimentos para compensar a perda de pacotes incluem interpolação de discurso, com retransmissão do último pacote e o envio de informação redundante. Geralmente perda de 10% ou mais dos pacotes não são toleráveis.

 

                                                           

                                                Figura 3: Jitter e Delay

           

 

Manutenção de níveis de qualidade de voz, apesar das variações inevitáveis na performance da rede, são alcançados usando técnicas tais como compressão, supressão do silêncio e habilitação de QoS. O baixo custo e a alta performance dos DSPs também ajudam a processar algoritmos de compressão e cancelamento de eco de forma mais eficiente.

            Os softwares de pré-processamento de voz também são utilizados para otimizar a qualidade da voz. A técnica de supressão de silêncio usada nestes softwares detecta quando existe uma lacuna em um discurso e suprime a transferência de coisas como pausas, suspiros, e outros períodos de silêncio. Isto pode significar até 60% de uma ligação, o que resulta em uma preciosa economia de banda.

            A arquitetura de uma rede VoIP deve passar pelo compromisso entre uma boa qualidade de voz, a confiabilidade do sistema, e os atrasos inerentes ao sistema. Minimizar os atrasos da rede é uma das chaves de um sistema VoIP. Garantir confiabilidade é outro. Fabricantes que oferecerem flexibilidade para configurar o seu sistema de acordo com as necessidades do ambiente, e além disso otimizarem a qualidade de voz terão considerável vantagem competitiva.

 

Redes IP transportando informações de voz :

 

            A maioria dos equipamentos de rede de dados de hoje (routers, LAN switches, ATM switches, PBXs, etc.) devem suportar tráfego de voz. Além disso, equipamentos específicos VoIP terão que estar integrados com estes equipamentos ou serem compatíveis com eles. Outro ponto diz respeito a flexibilidade dos equipamentos VoIP, que devem trabalhar tanto em bem planejadas redes corporativas de Intranet até a imprevisível Internet.

            Com tudo isto, temos normalmente três técnicas, combinadas ou não, que podem ser usadas para alcançar diferentes níveis de qualidade de serviço.

            Manter um ambiente de rede controlado, cuja capacidade possa ser pré-planejada, e um desempenho de performance possa ser assumido, pelo menos na maior parte do tempo. Este é geralmente o caso de redes de IP privadas (Intranet) que pertence e é operada por uma organização.

            Usar ferramentas de gerenciamento para configurar os nós da rede e monitorar performance, gerenciando também a capacidade de tráfego de uma forma dinâmica. A maioria dos dispositivos de rede (routers, switches, etc.) incluem uma variedade de mecanismos que podem ser úteis para trabalhar com voz. Por exemplo, o tráfego de dados pode ter prioridades a nível de localização, protocolo e tipo de aplicação, de forma que o tráfego de dados que necessitem ser feitos em tempo real tenham prioridade sobre aqueles que não sejam tão críticos. Tais mecanismos também podem ser utilizados para minimizar atrasos de dados na rede, melhorando seu desempenho como um todo.

            Adicionar-se controle de protocolos e mecanismos que ajudem a evitar ou aliviar os problemas inerentes às redes IP. Protocolos como o RTP (real-time protocol) e RSVP (resources reservation protocol) também são usados para oferecer maior controle de QoS da rede.

            Equipamentos de VoIP portanto, devem ser configuráveis para permitir não só as técnicas descritas acima, mas também flexíveis o suficiente para suportar novas técnicas assim que elas venham a se tornar disponíveis.

            O tráfego de voz em tempo real sobre redes IP pode ocorrer basicamente de três maneiras:

 

1. Os pacotes de voz são transmitidos entre endereços IP pré-definidos, eliminando-se a necessidade de conversão de números de telefone para endereço IP.

 

2. Informações de voz de PC para PC são transmitidas com o uso de microfones e sistemas de som (multimídia), operando sobre uma rede baseada em IP sem conexões PSTN. Aplicativos para PC e telefones com IP habilitado podem utilizar comunicação ponto-a-ponto ou sessões multiponto. Este tipo de sistema pode emular rádios ou grupos de discussão na Internet e pode ser combinado com sistemas de dados compartilhados.

 

3. Comunicações de telefonia, isto é, de qualquer um telefone para qualquer outro telefone, tal como na figura 1 apresentada, podem parecer o serviço comum usado pelos usuários, quando na realidade consiste em um sistema com várias formas de voz sobre pacotes de rede, tudo conectado à rede de telefonia comum. Funções de gateway são necessárias quando há uma interconexão à rede PSTN, ou quando há uma conexão de telefones padrão à uma rede de dados. No futuro, telefones com IP habilitados irão se conectar diretamente.

 

            Futuras redes de VoIP incluirão PBXs baseados em IP (iPBX), que irá emular todas as funções do PBX tradicional. Isto irá permitir que tanto os padrões de telefone e PCs multimedia se conectem à Internet ou a PSTN, promovendo desta forma uma migração para os padrões VoIP.

            Tal sistema de VoIP pode combinar comunicações em tempo real ou não. Mensagens de voz ou de fax por exemplo utilizam-se de funções que são muito semelhantes a uma ligação de telefone, mas não necessitam dos mesmos níveis de qualidade de serviço.

            A figura 4 ilustra o protocolo de rede IP que é atualmente usado para implementar VoIP.

                                                 

           

                                                Figura 4: Estrutura do protocolo VoIP

 

A mais importante consideração a nível de rede é a necessidade de minimizar atrasos desnescessários de transferência de dados. A utilização de nós suficientes e capacidade de link,   e aplicação de mecanismos que evitem congestionamentos, tais como controle de acesso e aplicação de prioridades podem ajudar muito a reduzir atrasos na rede como um todo. A capacidade de gerenciar redes e otimizar as escolhas de rotas reduzirão drasticamente os problemas com jitter. Os fabricantes de equipamentos devem, sempre que possível, evitar formatos proprietários, que simplesmente recriam soluções de prateleira.

           

Os softwares para VoIP:

 

            Transporte de voz e chamadas telefônicas são apenas algumas das aplicações de redes IP, com os softwares sendo utilizados para auxiliar as aplicações e realizar a interface com a rede. O crescimento da tecnologia VoIP são resultado direto dos avanços experimentados tanto na área de hardware quanto de software, principalmente nos anos 90.

            As funções que devem ser executadas por um software que faz a conversão de voz para pacotes IP são basicamente as seguintes:

 

            O processo do sinal de voz, que será empacotado para transmissão através da rede. Tipicamente roda sobre DSP.

 

            O processo de chamada (signaling), que sinaliza para o gateway, permitindo que chamadas sejam estabelecidas através de pacotes da rede.

 

            O processo de empacotamento, que adiciona os cabeçalhos necessários a transmissão dos pacotes de dados através da rede, conforme as normas do protocolo utilizado.

 

            O gerenciamento da rede, proporcionando todas as configurações necessárias para um melhor desempenho da mesma, conforme discutido anteriormente. Na próxima sessão também serão vistos mais detalhes do processo de gerenciamento da rede.

 

            A etapa de processamento do sinal de voz deve realizar também as seguintes funções:

 

            A interface PCM, que recebe amostras da interface de telefonia (PCM) e a encaminha para o apropriado processamento no software VoIP e vice-versa.

 

            A unidade de cancelamento de ecos, que realiza esta função na amostra do sinal de voz, de acordo com o padrão ITU G.165 ou G.168. Como os atrasos para VoIP são quase sempre maiores que 50ms (onde os efeitos de eco tornam-se praticamente intoleráveis), a unidade de cancelamento de ecos é imprescindível. Parâmetros operacionais podem ser programados para um funcionamento mais satisfatório.

 

             O unidade de detecção de sinal de voz e supressão de silêncio, para melhor utilização da banda. Se a unidade não detecta atividades por um determinado período de tempo, a saída do encoder de voz não será transmitida através da rede. Ao invés disto é inserido um "ruído confortável" para que o usuário não tenha a sensação que a conexão foi interrompida.

 

            A detecção de tom, que detecta a recepção de sinais DTMF e define se é um sinal de voz ou de fax, aplicando para cada um deles o processo apropriado, isto é, a decodificação e empacotamento de sinais de fax ou de compressão de voz.

 

            O gerador de tons DTMF, conforme os comandos do operador do sistema ou usuário.

 

            O módulo de processamento de fax, que proporciona a demodulação de dados PCM, extraindo daí as informações relevantes e realizando o empacotamento dos dados.

 

            O módulo de empacotamento de voz, que encapsula a voz comprimida ou dados de fax para transmissão através da rede. Cada pacote contém uma sequência de números que possibilita a recepção e entrega dos pacotes de forma correta. Aqui também ocorre a reprodução dos intervalos de silêncio e a detecção de pacotes perdidos.

 

            O módulo de reprodução da voz em seu destino, que armazena em um buffer os pacotes recebidos e encaminha eles para reprodução pelo CODEC. Este módulo também contém um buffer adaptativo para jitter e um mecanismo de medição que permite a adaptação do tamanho do buffer de acordo com a performance da rede.

 

            O processo de chamadas (signaling) detecta a presença de uma nova chamada e identifica a informação de endereço. A partir daí uma série de procedimentos são desencadeados para que se estabeleça uma conexão de telefonia da forma como a conhecemos hoje:

           

Uma interface com a rede de telefonia deve ser monitorada para detectar comandos e possibilitar respostas a estes comandos.

            O protocolo de sinalização E&M deve ser detectado e a informação extraída.

            A sinalização da informação deve ser mapeada de forma que possa ser utilizada para estabelecer uma sessão através dos pacotes da rede.

            Números de telefone devem ser convertidos para endereços IP. Há duas formas de realizar a ligação, em um estágio simples (ligação para número de destino e roteamento automático das funções selecionadas) ou em dois estágios (ligação para o gateway VoIP e então a ligação para o destino real).

            Equipamentos VoIP devem estar de acordo com o padrão H.323 definido pela ITU para descrever terminais, equipamentos e serviços de comunicação multimídia através de redes (tais como LANs ou Internet) que não garantem QoS. H.323 é uma família de softwares baseada neste padrão que definem várias opções para compressão e controle de chamadas. A figura 5 ilustra os componentes dos terminais que utilizam este padrão.

 

                                                                             Figura 5: Gateway de voz/ Funções dos terminais

                       

           

Implementando VoIP em sistemas:

 

            O emprego de uma estrutura VoIP para uso comercial envolve muito mais que simplesmente adicionar funções de compressão em uma rede IP. Qualquer pessoa deve poder ligar para qualquer outra pessoa independente de sua localização e da forma com que estejam conectados à rede (telefones, celulares, PCs ou qualquer outro dispositivo). Deve existir também a garantia de que o serviço é tão satisfatório quanto as redes de telefonia utilizadas atualmente. Em nenhum aspecto o serviço de VoIP deve ser inferior ao serviço tradicional (isto inclui a continuidade de funcionamento em caso de falta de energia!)

            A figura 6 mostrada abaixo é um refinamento da figura 1, e inclui a colocação de um gateway VoIP e funções de suporte que fazem com que o sistema possibilite um serviço de alta qualidade. O gateway é aqui representado como um componente separado, mas ele pode estar integrado a um switch de voz (como o PBX) ou a um switch IP.

 

                                                                       

                                    Figura 6: Um sistema combinado de PSTN/ VoIP

 

 

Algumas das funções necessárias para um sistema VoIP:

 

            Gerenciamento de falhas: Uma das tarefas mais difíceis de qualquer sistema de gerenciamento de telecomunicações é identificar e solucionar qualquer problema ou falha. A integração de gerenciamento de facilidades de sistemas de telefonia e de dados usando como base o padrão TMN é muito utilizada na busca de soluções para este desafio.

           

            Billing: Os gateways VoIP devem registrar todas as chamadas, tenham ela sido completadas ou não. Os registros devem incluir informações como hora do início e do fim da chamada, número discado, endereço IP da fonte e do destino, pacotes enviados e recebidos, etc.

 

            Configurações: Uma interface de gerenciamento simples é nescessária para configurar os equipamentos, mesmo com o sistema em funcionamento. Uma grande variedade de parâmetros e opções estão envolvidas. Exemplos incluem protocolos de telefonia, seleção de algoritmos de compressão, controles de acesso, configurações de portas, etc.

           

            Endereços/Diretórios: Números de telefone e endereços de IP devem ser gerenciados de forma transparente para o usuário. PCs usados para chamadas de voz precisam ter números de telefone e telefones com IP habilitado também necessitam de seus endereços IP. Além disto os serviços de diretório da Internet inclui o mapeamento dos dois tipos de endereço.

 

            Autenticação/Encriptação: VoIP oferece potencial de segurança em telefonia fazendo uso dos serviços de segurança disponíveis no ambiente TCP/IP. Controles de acesso podem ser implementados por meio de autenticação e chamadas particulares podem ser feitas utilizando-se encriptação de links.

 

           

            Implementação de sistemas escaláveis proporcionando todas as "- bilidades" que são comumente oferecidas em sistemas comerciais abertos. Isto inclui a interoperabilidade entre os sistemas de comunicação, a alta confiabilidade das redes de VoIP, a escalabilidade do sistema, a acessibilidade e logicamente a viabilidade de implementação do sistema.