Núcleo de Red de Telecomunicaciones

7/18/2019 Núcleo de Red de Telecomunicaciones

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Núcleo de Red de

Telecomunicaciones

Gastón Nicolás Pereira

Facultad de Ingeniería – Universidad de la República

2015



Núcleo de Red de Telecomunicaciones | Gastón Pereira

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Contents

Tema 1-Introducción y conceptos básicos........................................................................ 5

1.1-Conceptos básicos de telefonía: ............................................................................. 5

1.2-Terminal telefónico ................................................................................................ 6

1.3-Redes de acceso ...................................................................................................... 7

1.4-Conmutación .......................................................................................................... 7

1.5-Transmisión y Transporte: ..................................................................................... 8

1.6-Señalización ........................................................................................................... 9

Tema 2- Codificación de voz y video ............................................................................. 12

2.1-Codificación de Voz: ............................................................................................ 12

2.2-Códecs de voz: ..................................................................................................... 14

G.711: ..................................................................................................................... 15

G.722: ..................................................................................................................... 19

G.723.1: .................................................................................................................. 21

G.729: ..................................................................................................................... 21

2.3- Proceso de digitalización de la voz: .................................................................... 22

2.4- Códecs de video: ................................................................................................. 23

JPEG: ...................................................................................................................... 23

MPEG: .................................................................................................................... 24

H.264: ..................................................................................................................... 26

Tema 3- Paquetización de voz y video sobre IP ............................................................. 27

3.1- Voz sobre redes de datos: .................................................................................... 27

Real-Time Transport Protocol (RTP): .................................................................... 27

Real Time Control Protocol (RTCP): ..................................................................... 29

Ancho de banda en voz sobre IP: ........................................................................... 30

3.2- Video sobre redes de datos: ................................................................................. 31

Ancho de banda en video sobre IP: ........................................................................ 31

Tema 4- Calidad de voz y video ..................................................................................... 32

4.1- Calidad de voz: .................................................................................................... 32

Medida de la calidad de voz: .................................................................................. 32

Métodos Subjetivos: ............................................................................................... 32

Métodos Objetivos: ................................................................................................ 33

4.2- Calidad de voz en redes IP: ................................................................................. 36

ITU-T G.107: .......................................................................................................... 37

4.3- Calidad de Video: ................................................................................................ 40




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Métodos subjetivos: ................................................................................................ 40

Métodos Objetivos: ................................................................................................ 41

Calidad de video en redes IP: ................................................................................. 42

ITU-T G.1070: ........................................................................................................ 43

Tema 5- Teoría de Teletráfico ........................................................................................ 44

5.1- Modelos matemáticos: ........................................................................................ 46

Tiempo entre arribos (A): ....................................................................................... 46

Duración de las llamadas: ....................................................................................... 47

5.2: Modelo con infinitos recursos: ............................................................................ 47

5.3- Modelo con recursos finitos: ............................................................................... 51

5.4- Modelo con fuentes y recursos finitos: ............................................................... 53

5.5-Modelo con demora:............................................................................................. 55

Tema 6- Redes de Acceso .............................................................................................. 57

6.1- Arquitectura:........................................................................................................ 58

6.2-Par de cobre: ......................................................................................................... 59

Planta externa: ........................................................................................................ 59

Tecnologías DSL: ................................................................................................... 61

6.3- Cable Coaxial: ..................................................................................................... 62

6.4- Fibra óptica: ........................................................................................................ 62

PON: ....................................................................................................................... 63

6.5- Inalámbricas: ....................................................................................................... 63

WI-FI: ..................................................................................................................... 63

Wi-Max: ................................................................................................................. 64

Satelitales: ............................................................................................................... 64

Redes de acceso celular: ......................................................................................... 65

Tema 7- Conmutación .................................................................................................... 66

7.1- Conmutación Automática o Manual: .................................................................. 66

7.2- Conmutación de Circuitos o de Paquetes: ........................................................... 67

Conmutación de Circuitos: ..................................................................................... 67

Conmutación de Paquetes: ..................................................................................... 68

7.3- Conmutación Digital de circuitos:....................................................................... 69

TDM: ...................................................................................................................... 70

Conmutación Temporal: ......................................................................................... 71

Conmutación Digital: ............................................................................................. 72

Conmutación TST: ................................................................................................. 72




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7.4- Conmutación de Paquetes: .................................................................................. 73

Circuitos Virtuales: ................................................................................................. 73

Datagramas: ............................................................................................................ 73

7.5- Jerarquía de Centrales: ........................................................................................ 74

Tema 8 – Transmisión y sincronismo ............................................................................ 75

8.1- Transmisión en redes de circuitos: ...................................................................... 75

8.2- Transmisión de paquetes: .................................................................................... 77

MPLS: ..................................................................................................................... 77

Tema 9 – Señalización .................................................................................................... 78

9.1- Señalización entre centrales y teléfonos: ............................................................ 78

Señalización analógica: .......................................................................................... 78

Señalización digital: ............................................................................................... 78

Señalización IP: ...................................................................................................... 79

9.2- Señalización entre centrales públicas: ................................................................. 81

SS7: ......................................................................................................................... 81

SIGTRAN: .............................................................................................................. 81




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Tema 1-Introducción y conceptos básicos

Los temas del curso son:

Introducción y conceptos básicos Codificación de voz y video Paquetización de voz y video sobre IP Calidad de voz y video Teoría de tele-tráfico Redes de Acceso Conmutación Transmisión y Sincronismo Sistemas de Señalización Redes NGN

1.1-Conceptos básicos de telefonía:

La arquitectura de la mayoría de las redes de comunicación consta de los siguientescomponentes:

1. El terminal telefónico2. Las redes de acceso3. La conmutación4. La transmisión y el transporte5. La señalización

Los terminales telefónicos se encuentran en los extremos de la red, y pueden ser dedistintos tipos; tanto fijos como móviles, particulares o corporativos, etc. Estosterminales telefónicos son conectados a los sistemas centrales a través de redes deacceso (cobre, fibra óptica, inalámbricas, etc.). La conmutación es la que permiteconectar a los distintos usuarios entre sí. Las centrales de conmutación que permitenesta función, están interconectadas a su vez por la red de transmisión y transporte, lacual se encarga de enviar grandes volúmenes de información entre puntos específicos.Finalmente es necesario mantener un sistema de señalización entre los diversoscomponentes para controlar y gestionar la red.




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1.2-Terminal telefónico

Existen diferentes tipos, fijos o móviles, con tecnología analógica o digital, parauso corporativo o particular, etc.

Reseña histórica:

1876: Primer teléfono de hilo de cobre instalado porGraham Bell.

1896: Primer teléfono con sistema de disco. 1946: Primer teléfono móvil (vehicular). 1963: “Western Electric” lanza el primer teléfono de

tonos. 1973: Primer teléfono celular.

Circuito de audio:Debe tener un auricular y un micrófono. El micrófono original diseñado por

Edison consiste en una barra de carbón entre dos electrodos. La resistencia eléctrica delcarbón varía con la presión, por lo que la corriente varía según las señales acústicas.Luego con el surgimiento del transistor fueron sustituidos por componentes dinámicos,que generan tensiones variables en función de la presión de aire, que pueden seramplificadas y procesadas.

En la figura 1.2.1 se aprecia el circuito básico de audio del teléfono analógico.La línea telefónica está esquematizada con una impedancia Zo; R se diseña para que sea

ligeramente diferente a Zo y lograr cierto retorno en el auricular.

Figura 1.2.1: Circuito de audio teléfono analógico.




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1.3-Redes de acceso

La tecnología de acceso con más años en las redes de telecomunicaciones es la basada en cables de cobre que llegan desde los abonados hasta las centrales telefónicas.

Las redes de acceso de cobre presentan una arquitectura en estrella, partiendo de cablesmultipares desde las centrales telefónicas, hasta puntos de distribución primarios,secundarios y terciarios. Si bien este tipo de red de acceso se utilizaba solamente paraservicios de telefonía analógica, luego sirvió también para servicios de datos comoADSL. La gran demanda de servicios y ancho de banda ha llevado a la necesidad deutilizar redes de acceso de mayor capacidad, como la fibra óptica (FTTH: “ Fiber to the

home”).

Cuando se requiere movilidad o no es posible llegar hasta el terminal en formacableada, es necesario utilizar tecnologías inalámbricas; por ejemplo GSM paraservicios móviles.

1.4-Conmutación

Son los encargados de establecer las conexiones entre los diferentes nodos oterminales de la red, es decir es el proceso para establecer una conexión individualdesde un punto de entrada (Usuario A), hasta un punto de salida (Usuario B) (Ver figura1.4.1).

Figura 1.4.1: Proceso de conmutación

El usuario “A” mediante un proceso de selección, determina con que usuario

“B” desea conectarse.

Hay dos tipos de conmutación:

Conmutación de circuitos: Se establece un camino “confiable y seguro” de punta a punta que se mantiene durante toda la comunicación.

Conmutación de paquetes: Cada mensaje es enviado sin establecer previamenteuna conexión entre origen y destino.




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La conmutación de circuitos es la que ha sido históricamente utilizada en lossistemas telefónicos, mientras que la conmutación de paquetes ha sido desarrollada parala transmisión de datos.

Inicialmente consistía en un proceso manual, utilizando “operadoras” para

establecer y liberar las conexiones. Sobre finales de la década de 1880 se diseñaron las primeras centrales con conmutación automática. Luego con el surgimiento de laelectrónica la conmutación analógica dio lugar a la digital, utilizando técnicas del tipoTDM (“Time Division Multiplexing”). La tecnología TDM está dejando su lugar a laVoIP (“Voz sobre IP”) y cambiando al proceso de conmutación de circuitos al de

paquetes.

Centrales de conmutación pública:

Atienden típicamente a más de 10.000 abonados, utilizan tecnología TDM y se pueden clasificar en distintos tipos:

Centrales de conmutación local: Atiende a abonados finales y posee conexióncon la red de acceso fija. La conexión entre dos abonados conectados en lamisma central se realiza en forma local.

Centrales de tránsito: Son centrales telefónicas que interconectan otras centraleslocales o internacionales, pero no tienen abonados finales directamenteconectados.

Centrales internacionales: Son centrales de tránsito que conectan enlacesinternacionales.

Centrales celulares: Son las que prestan servicios de conmutación a abonadoscelulares.

Centrales de conmutación privadas:

Los primeros sistemas telefónicos empresariales fueron conocidos con el nombrede “Key Systems”, y consistían en conectar varias líneas urbanas a distintos botones deun mismo aparato telefónico. Este sistema presentaba muchas fallas y se hacíainmanejable a medida que crecían las empresas, por lo que fue sustituido por las PBX(“Private Branch Exchange”). Las PBX centralizan en una “caja” las líneas urbanas y

los “internos”, cada teléfono se conecta con uno o dos pares a la PBX, y la función deconmutación se realiza en forma centralizada en la PBX.

1.5-Transmisión y Transporte:

La transmisión es el proceso de transportar información entre dos puntos de unared. Interconectan puntos distantes, por ejemplo centrales telefónicos públicos y

privadas. Las primeras tecnologías de transmisión estaban basadas en cables multiparesde cobre. Otros sistemas de transporte son los radioenlaces de microondas que utilizanlos satélites para las comunicaciones internacionales. Sobre la década de los 80 seextendieron los tendidos de fibra óptica, que gracias a su prácticamente ilimitado ancho

de banda lo convierten en el medio de transporte más utilizado.




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1.6-Señalización

Para establecer una comunicación telefónica entre dos dispositivos, es necesarioimplementar protocolos de señalización, que permitan indicar el número discado, laatención de una llamada, etc. La señalización existe en todos los niveles en las redes detelecomunicaciones.

Señalización analógica:

La más antigua de todas es la señalización analógica por “corriente de bucle”

(Figura 1.6.1). La central telefónica o la PBX conectan en su extremo una batería dealimentación (48 V de corriente continua) formando un “bucle” con el aparato

telefónico. El aparato cuenta con una llave, accionada por horquilla, que puede abrir o

cerrar el bucle de corriente. Con el aparato “colgado” el bucle se encuentra abierto, y por lo tanto no circula corriente. Con el aparato “descolgado” el bucle se cierra, y

circula corriente. Con un sensor de corriente en la central es posible detectar la situaciónen la que se encuentra el abonado.

Figura 1.6.1: Señalización por corriente de bucle.

Luego de “descolgar” es necesario seleccionar el destino de la conversación;

inicialmente esto se realizaba mediante “operadoras” que preguntaban con quién se

deseaba hablar y manualmente conectaban a los usuarios. Frank Lundquist diseño el primer sistema de “disco” (Figura 1.6.2). La idea del teléfono de disco consiste en

enviar, sobre el mismo par de cobre, una señalización numérica que indique el destinode la conversación. El disco lo que hace, es interrumpir la corriente de bucle por

períodos cortos de tiempo, tantas veces como dígito “discado”.




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Figura 1.6.2: Teléfono de disco.

Un sistema mecánico, asociado a un disco giratorio, acciona el interruptoreléctrico en forma periódica. El mecanismo es tal que la cantidad de veces en que elinterruptor es accionado es proporcional al ángulo con que se giró el disco. La central

telefónica distingue entre los diferentes estados de la comunicación, según la duraciónde la interrupción de la corriente de bucle (Figura 1.6.3)

Figura 1.6.3: Interrupciones de la corriente de bucle.

En 1963 la “Western Electric” lanza al mercado el primer teléfono de tonos. Losteléfonos de tonos utilizan una matriz de 4 filas por 4 columnas. Cada fila y cadacolumna corresponden a una frecuencia determinada. Al pulsar un dígito, el teléfonogenera una señal de audio compuesta por la suma de dos frecuencias (la correspondientea la fila + la correspondiente a la columna del dígito), que pueden ser fácilmente

detectadas por la central telefónica por medio de filtros. A este sistema se lo conocecomo tonos DTMF (“Dual tone multi- frecuency signaling”).

Ventajas de DTMF:

Más rápida. Permite señalización de “punta a punta”, útil en

aplicaciones empresariales. No requiere partes móviles.




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Señalización digital:

Con el surgimiento de la electrónica digital, aparecieron las centrales telefónicasque realizaban la digitalización de la voz y la conmutación digital. Sin embargo, losaparatos telefónicos continuaban siendo analógicos. Luego aparece la recomendación de

la actualmente ITU-T, de la tecnología ISDN (“Integrated Service Digital Netwrok”),que proponía llegar digitalmente hasta los abonados, y brindar servicios de valoragregado de telefonía y datos. Para la señalización, ISDN utiliza un canal especial(canal “D”), sobre el cual el aparato y la central telefónica intercambian información.

Señalización IP:

Los más importantes son H.323 y SIP. El primero, traslada a las redes IP, laseñalización ISDN. El segundo, propone un nuevo estándar de señalización.




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Tema 2- Codificación de voz y video

En las comunicaciones digitales se requiere que en algún punto, la señal de voz

analógica, sea convertida en una secuencia de números discretos (bits). Este proceso puede realizarse en los propios teléfonos, en “Gateways” o en las placas de abonados.

2.1-Codificación de Voz:

PCM:

Las primeras ideas acerca de la digitalización, son atribuidas al ingeniero británico Alec Reeves, que desarrollo el sistema conocido como PCM (“Pulse Code

Modulation”). La idea consistía en muestrear la señal analógica, darle un valor discreto(cuantificación), y luego a cada muestra asignarle un código binario distinto. Reeves,describió la teoría y sus ventajas, pero no le dio un uso práctico. En 1943 durante laSegunda Guerra Mundial, los investigadores de los laboratorios Bell desarrollaronSIGSALY, un sistema seguro de comunicación entre los aliados, este es considerado el

primera transmisor en utilizar PCM. Recién en la década de los 60, con la invención deltransistor, se populariza el uso de PCM.

LPC:

Si bien PCM codifica la voz de la manera más eficiente, tiene el problema de la

alta tasa de bits utilizada para la transmisión. En base a estos problemas surge LPC(“Linear Prediction Coding”), un sistema de codificación predictivo. Estos utilizan laidea de que la voz puede modelarse como una combinación lineal de “ p” muestrasanteriores más una señal de error; los coeficientes de la combinación lineal se vanajustando cada cierto tiempo, por lo que se denomina que el predictor es adaptativo. Aeste tipo de codificadores se los conoce como “vocoders”. Las técnicas de codificaciónLPC evolucionaron en la década de los 80 a lo que se conoce como CELP (“Code-

excited linear prediction”). CELP es un tipo de codificación híbrida, es decir combinalas técnicas de codificación de los codificadores de forma de onda (PCM), con losvocoders.

Sintetizador de voz:

Sobre la década de los 80 aparece la idea de generar voz “sintética”, simulando

la manera en que se produce la voz humana en el conducto vocal. Es posible realizar unmodelo del conducto vocal basado en un generador de impulsos de aire y un conjuntode tubos, de diámetros variables (Figura 2.1.1). Los tubos se comportan como un filtrocon propiedades estables (cuasi estacionarias) en intervalos cortos.




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Figura 2.1.1: Modelo del conducto vocal.

Un generador de impulsos puede modelar la señal que excita al conducto vocal.El conducto en general puede ser modelado como un filtro con respuesta variable en eltiempo; pero estacionario en períodos cortos, cuya excitación viene de un generador deimpulsos (Figura 2.1.2).

Figura 2.1.2: Modelo final del conducto vocal.

La forma matemática de la transferencia del filtro lineal puede ser expresada como:

() 11 ∑ . −=

Donde p es el orden del filtro y representa los coeficientes. El generador de impulsosu(n) está relacionado al tono o “pitch” de la voz y consiste en una serie de impulsos.

Para señales sordas (como la “m”) puede ser más complejo asemejándose a “ruido

blanco”.




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El modelo de síntesis de voz consiste en encontrar, para cada intervalo corto detiempo, lo mejores valores de los coeficientes , la ganancia G y del generador u(n).Estos valores deben ser tales que minimicen las diferencias entre una onda de sonidoreal y la sintetizada. Los sintetizadores de voz tienen la ventaja que al explotar laredundancia de la voz humana, se necesita una menor tasa de bits para el envío de la

señal; como desventaja se introducen mayores retardos, ya que hay que “procesar” la

señal antes de enviarla.

2.2-Códecs de voz:

El códec es el código específico que se utiliza para codificación/decodificación delos datos; precisamente la palabra códec es una abreviatura de codificador-decodificador. Los códecs empleados en la codificación de la voz humana puedenemplear ciertas características de la misma; por ejemplo, la voz puede tener tonos quelleguen hasta los 20 kHz, lo que corresponde con el límite de frecuencias que puedeescuchar el oído humano. Sin embargo, la mayor parte de la energía de la voz, seencuentra en frecuencias por debajo de los 4 kHz. Una primera distinción entre losdistintos códecs es el ancho de banda que utilizan (Figura 2.2.1):

300 – 3.400 Hz : Banda angosta (“Narrowband”) 50 – 7.000 Hz : Banda ancha (“Wideband”) 50 – 14.000 Hz : Banda super-ancha (“Superwideband”) 20 – 20.000 Hz : Banda completa (“Fullband”)

Figura 2.2.1: Clasificación del ancho de banda para los códecs de voz.

Otras características de los códecs son la tasa de bits (“bitrate”), la calidad del audioresultante, el retardo y la complejidad.




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G.711:

La recomendación G.711 fue aprobada por la ITU-T en el año 1988, y describeun códec de audio que utiliza el sistema PCM.

Características:

1) Tasa de muestreo de 8000 muestras por segundo (8 kHz), con una tolerancia de50 partes por millón.

2) Es un códec de banda angosta (300 a 3400 Hz). Si bien el sonido resultante defiltrar la voz humana a 3.4 kHz inteligible; y se puede identificar perfectamenteal locutor, se muestrea a una tasa mayor (8 en vez de 6.8) por las imperfeccionesde los filtros.

3) Una tasa de 8000 muestras por segundo implica 125 micro segundos entremuestras, lo que genera cierto retardo. A los efectos de una conversación

telefónica, se considera que un retardo de menos de 150 ms ya es aceptable.4) Para la codificación utiliza 8 bits por muestra, lo que genera un bitrate de

8 × 8000 64

5) Para la cuantificación se utilizan 2 algoritmos distintos, Ley (E.E.U.U yJapón) y la Ley A (resto del mundo). Ambas leyes utilizan una funciónlogarítmica para determinar 256 niveles no lineales de cuantificación,explotando la idea de que el oído humano es más sensible a diferencias de

sonido en amplitudes bajas que en amplitudes altasResumiendo las características de G.711 podemos armar la siguiente tabla:

G.711

Tipo: Forma de onda (PCM)

Muestreo: 8 kHz ± 50 ppmAncho de banda: 300 a 3400 Hz (banda angosta)

Retardo: 125

Codificación: 8 bits por muestraBitrate: 64 kbps

Cuantificación: 256 niveles (Ley A/ )Tabla 2.2.1: Características de G.711




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Cuantificación:

En la práctica se utilizan segmentos de recta que aproximan de mejor manera lasfórmulas teóricas de la Ley A y Ley (Figura 2.2.2).

Figura 2.2.2: Fórmula teórica (azul) y segmentos de aproximación (amarillo).

Ley A (de 13 segmentos):

1 log()1log() 1 < < 1

1log() 0 < < 1

87.6

Ley (de 15 segmentos):

log(1 )l o g 1

255




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En el caso de la Ley A los segmentos se determinan de la siguiente manera:

1. Se divide el eje vertical positivo en 8 niveles iguales, trazando rectashorizontales por cada nivel. Sobre el eje vertical (y) se representan los valores

cuantificados, mientras que en el eje horizontal (x) están los valores realesnormalizados con respecto al valor máximo.

2. Se marcan sobre el eje x los valores: 1 , 1 2⁄ , 1 4⁄ , 1 8⁄ , 1 16⁄ , 1 32⁄ ,1 64⁄ , 1 128⁄ trazando rectas verticales sobre cada uno de ellos.3. Los segmentos de recta que aproximan la función se obtienen uniendo las

siguientes intersecciones:a. (Nivel 8, 1) – (Nivel 7, 1 2⁄ )

b. (Nivel 7, 1 2⁄ ) – (Nivel 6, 1 4⁄ )c. (Nivel 6, 1 4⁄ ) – (Nivel 5, 1 8⁄ )d. (Nivel 5,

1 8⁄) – (Nivel 4,

1 16⁄)

e. (Nivel 4, 1 16⁄ ) – (Nivel 3, 1 32⁄ )f. (Nivel 3, 1 32⁄ ) – (Nivel 2, 1 64⁄ )g. (Nivel 2, 1 64⁄ ) – (Nivel 1, 1 128⁄ )h. (Nivel 1, 1 128⁄ ) – (Nivel 0,0)

4. Se simetriza respecto al origen para obtener los valores negativos5. De esta manera se obtienen 16 segmentos de recta (8 paras los valores positivos

y 8 para los negativos), pero como los últimos 4 segmentos más cercanos tienenla misma pendiente se convierten en uno solo, llegando al total de 13 segmentos.

6. Para cada nivel vertical se divide además en 16 sub-niveles de igual amplitudcomo se ve en la figura 2.2.3.

Figura 2.2.3: Niveles y subniveles.




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La representación de la muestra cuantificada se realiza de la siguiente manera (figura2.2.4):

I. El bit 7 representa el signo de la muestra.

II. Los bits 6,5 y 4 representan el Nivel o segmento donde cayó la muestra.III. Los bits 3, 2, 1 y 0 representan el subnivel o intervalo dentro del segmento más

próximo al valor de la muestra.

Figura 2.2.4: Codificación G.711

G.711 Apéndice 2:

El apéndice 2 de la recomendación G.711 da algunas definiciones para utilizaren los sistemas de comunicación de redes de paquetes. El propósito de estos algoritmoses mantener una buena calidad de audio pero al mismo tiempo reducir en la mayorcantidad posible las tasas de transmisión.

El VAD (“Voice activity detection”) es un algoritmo que tiene como objetivo,clasificar la señal de entrada en “señal vocal activa” o “señal vocal inactiva”. Durantelos segmentos de voz inactiva, la función del componente CNG (“Comfort Noise

Generator”) es describir y reproducir el ruido ambiente pero reduciendo al mínimo lavelocidad de transmisión. El ruido de confort es transmitido para evitar la sensaciónmolesta que se produce al no escuchar nada cuando no hay señal vocal. El algoritmo deDTX (“Discontinous Transmission”) determina cuando se transmiten las tramas SID(“Silence insertion description”) (Payload del CNG), puede ser de manera periódica, ocuando hay un cambio significativo en la característica del ruido de fondo. El algoritmoCNG del receptor utiliza la información que le viene en las tramas SID para actualizarsu modelo de generación de ruido de fondo.




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G.711.1:

Esta recomendación extiende el códec G.711 a un ancho de banda de 7 kHz(Banda ancha) para optimizarlo a VoIP. La frecuencia de muestreo es de 16 kHz, sinembargo es posible convertir las muestras codificadas en G.711.1 a G.711 simplemente

truncando la mitad de las muestras. El retardo máximo es de 11.875 ms y el bitrate es de64, 80 o 96 kbps. Primero se filtra el audio para que quede en la banda deseada (50 a7000 Hz), luego se divide en dos bandas (baja y alta frecuencia). La componente de bajafrecuencia es a su vez dividida en las señales que entran en la banda de 300 a 3400 Hzcodificadas con G.711 (Capa 0), el resto de la baja frecuencia es codificada a 16 kHz(Capa 1). La señal de banda alta también es codificada a 16 kHz por un procesodiferente (Capa 2). Finalmente dependiendo el modo en que se utiliza el códec lasdiferentes capas son sumadas y transmitidas (Figura 2.2.5).

Figura 2.2.5: Modos de funcionamiento de G.711.1

Las tramas de G.711.1 son de 5 ms, cada una contiene un total de 480 bits. 320son bits de capa 0 correspondientes a 40 muestras codificadas en 8 bits cada una. 80 bitsson de capa 1 y 80 de capa 2. El retardo total de 11.875 ms se da por, los 5 ms de latrama más 5 ms de “lookahead” que requiere la codificación de capa 2, y 1.875 ms de

los filtros.

G.722:

El códec G.722 es un códec de banda ancho aprobado por la ITU-T en 1988.Está basado en lo que se conoce como ADPCM (“Adaptative differencial pulse-code

modulation”) una variante de PCM que va modificando los niveles de cuantización. Lafrecuencia de muestreo es de 16 kHz y en un principio utiliza 8 bits para la codificación,sin embargo el algoritmo ADPCM mapea las muestras de 8 bits en muestras de 4 bits.Los códecs G.722.1 y G.722.2 no son variantes de G.722, sino que son códecscompletamente diferentes.




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G.722

Tipo: Sub-band ADPCMMuestreo: 16 kHzAncho de banda: 50 a 7000 Hz (banda ancha)Retardo: 3 msCodificación: 8 bits por muestra mapeados a 4 bits por ADPCMBitrate: 48, 56 y 64 kbps

Tabla 2.2.2: Características de G.722

G.722.1

Tipo: Siren 7

Muestreo: 16 kHzAncho de banda: 50 a 7000 Hz (banda ancha)Retardo: 40 msBitrate: 24 y 32 kbps

Tabla 2.2.3: Características de G.722.1

G.722.2

Tipo: AMR-WBMuestreo: 16 kHzAncho de banda: 50 a 7000 Hz (banda ancha)

Retardo: 25.9375 msBitrate: De 6.6 a 23.85 kbpsTabla 2.2.4: Características de G.722.2

AMR (“Adaptative Multi Rate”) es utilizado típicamente en redes celulares

GSM. Hace uso del DTX, VAD y CNG. En el caso de G.722.2 se utiliza la versión de banda ancha (AMR-WB) con una tasa de muestreo de 16 kHz codificando con 14 bits por muestra. Está basado en las técnicas CELP con filtros de orden 16, por lo que el bitrate es bastante menor a otros códecs. Utiliza tramas de 20 ms, que sumado a los 5

ms de lookahead mas los 0.9375 ms de retardo del filtro, dan un total de latencia de25.9375 ms.




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G.723.1:

Es un códec de banda angosta, que cuenta con 2 velocidades posibles, 6.4 o 5.3kbps. Utiliza ventanas de 30 ms que sumados a los 7.5 ms de lookahead dan unalatencia total de 37.5 ms. Para la codificación de 6.4 kbps utiliza un algoritmo conocidocomo MPC-MLQ (“Multi- pulse máximum likelihood quantization”) generando 24

bytes por cada ventana, mientras que la codificación de 5.3 kbps utiliza ACELPgenerando 20 bytes por ventana.

G.723.1

Versión de 5.3 kbps Versión de 6.4 kbps

Tipo: MPC-MLQ ACELPAncho de banda: 300 a 3400 Hz (banda angosta) 300 a 3400 Hz (banda angosta)Retardo: 37.5 ms 37.5 msCodificación: 20 bytes por ventana (30 ms) 24 bytes por ventana (30 ms)Bitrate: 5.3 kbps 6.4 kbps

Tabla 2.2.5: Características de G.723.1

G.729:

Es un códec de banda angosta que utiliza CS-CELP. Se basa en el modelo desíntesis de voz, contando con dos generadores de impulsos combinados. Estosgeneradores se seleccionan de una lista predeterminada (“codebook”). Utiliza ventanasde 10 ms cada una correspondiente a 80 muestras.

G.711

Tipo: CS-CELP (sintetizador de voz)

Muestreo: 8 kHzAncho de banda: 300 a 3400 Hz (banda angosta)

Retardo: 15 ms

Bitrate: 8 kbps

Tabla 2.2.6: Características de G.729




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2.3- Proceso de digitalización de la voz:

Puede ser realizado tanto en el propio teléfono, como en “Gateways” o en las

placas de abonados en las centrales públicas. En la figura 2.3.1 se aprecia el proceso dedigitalización para el códec G.711.

Figura 2.3.1: Proceso de digitalización.

Híbrida: es un dispositivo encargado de convertir la señal analógica de 2a 4 hilos, para separar por canales diferentes el audio entrante delsaliente.

Filtro Pasabajos: acota el ancho de banda para asegurar el teorema demuestreo.

Conversores A/D y D/A: Implementan la conversión analógica digital oviceversa con Ley a O Ley .

Paralelo/Serie y Serie/Paralelo: Obtiene 8 bits de cada muestra y losintroduce en el canal para tener un flujo de 64 kbps.




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2.4- Códecs de video:

Los estudios acerca de la codificación de imágenes y videos comenzaron en ladécada de los 50. En 1984 fue introducida la estrategia de codificación con DCT

(“Discret e Cosine Transform”), técnica ampliamente utilizada en los sistemas actualesde codificación. En esa misma época también surgieron las técnicas de compensaciónde movimiento, dando origen a tecnologías híbridas como MC/DCT (“Motion

Compensation / Discrete Cosine Transform”). Los conceptos fundamentales detrás dela codificación de video son los siguientes:

Predicción:

Mediante este proceso, se trata de “predecir” el valor de ciertas muestras enfunción de otras, de manera de poder enviar como información la diferencia, querequiere menos ancho de banda para ser transmitida. Dada la alta redundancia que

tienen típicamente las escenas de video, la predicción se puede hacer tanto dentro de unmismo cuadro, como cuadro por cuadro.

Transformación:

Los valores relacionados a las muestras pueden ser transformados en otroconjunto de valores equivalentes, que representan la misma información. En video seutiliza generalmente DCT.

Cuantización:

Es el proceso por el cual se le asigna un valor “entero” a un número “real”. El

proceso de cuantización introduce distorsión, ya que al aproximar cambiamos el valorreal por otro distinto.

Codificación entrópica:

Se trata de representar los valores cuantizados de manera de tomar ventaja de lafrecuencia con que aparece cada símbolo. Por ejemplo, en los códigos de largo variable(VLC) se representan con menos bits a los símbolos que aparecen más frecuentemente.

JPEG:

JPEG (“Joint Photographic Experts Group”) es un estándar diseñado paracomprimir imágenes fijas. El objetivo fue lograr comprimir de manera eficiente parareducir el tamaño final de los archivos, admitiendo pérdida de calidad en las imágenes.El algoritmo divide la imagen en bloques de 8 x 8 pixeles, los que son procesados enforma independiente. Dentro de cada bloque se aplica DCT bidimensional, generandoen cada bloque una matriz de 8 x 8 coeficientes. Cada uno de estos bloques de 8 x 8

pixeles, se puede considerar que está compuesto por una suma ponderada de 64 bloques base (Figura 2.4.1), esto permite eliminar detalles de forma selectiva; por ejemplo, siuna casilla tiene un valor próximo a 0, puede ser eliminada sin que afecte mucho lacalidad.




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Figura 2.4.1: Los 64 bloques base de JPEG.

El bloque de arriba a la izquierda no tiene textura, es conocido como lacomponente DC haciendo analogía con la componente continua de una señal eléctrica.

MPEG:

MPEG-1 (“Moving Picture Expert Group”) fue diseñado para elalmacenamiento y reproducción digital de aplicaciones multimedia desde dispositivos

CD-ROM, hasta velocidades de 1.5 Mb/s. MPEG además de explotar las redundanciasespaciales gracias a DCT, utiliza técnicas de compensación de movimiento paraexplotar las redundancias temporales. Las secuencias de video primero se dividen en“grupos de figuras” (GOP). Cada GOP puede incluir tres grupos de grupos diferentes de

cuadros:

I (“Intra”): Son codificados solamente con técnicas de compresión espacial(DCT), y son utilizados como cuadros de referencias para las predicciones (tantohacia adelante como hacia atrás) de los cuadros P o B.

P (“Predictivos”): Son codificados utilizando información de cuadros I u otroscuadros P anteriores, en base a estimaciones y compensación de movimiento.

B (“Bidireccionales”): Se predicen en base a información de cuadros anterioreso posteriores.

El tamaño del GOP lo determina la cantidad de cuadros existentes entre dos cuadros I.




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Un ejemplo de este método se muestra en la figura 2.4.2.

Figura 2.4.2: Técnica de compensación de movimiento.

Para la estimación de movimiento lo que se haces es, agrupar de a cuatro bloques de los de DTC, formando macro bloques de 16 x 16 pixeles, que son utilizadoscomo base para la estimación del movimiento. EL codificador compara el macro bloquecon todas las posibles secciones de una imagen con tamaño igual al macro bloque.Suponiendo que todos los pixeles de un macro bloque tendrán un mismodesplazamiento, es más fácil codificar el “vector desplazamiento” del macro bloque y

las diferencias con el macro bloque original.




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H.264:

Es un emprendimiento conjunto entre los grupos ISO e ITU-T desarrollado en elaño 2003, para crear un codificador de video mejor que los anteriores. Este nuevo

estándar utiliza compensación de movimiento más flexible, dividiendo los macro bloques en diversas áreas rectangulares y utilizar el desplazamiento de hasta un cuartode pixel.

En la figura 2.4.3 se ve una tabla comparativa con los diferentes estándares decodificación.

Figura 2.4.3: Comparación de codificadores de video.




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Tema 3- Paquetización de voz y video

sobre IP

Las redes de voz y las redes de paquetes son tecnologías muy diferentes. Por unlado, la transmisión de voz cuenta con una historia de más de 130 años, mientras que lade datos es más reciente. La transmisión de voz se basa en establecer un vínculo

permanente entre 2 puntos y es diseñada para transmitir un tipo especial de señal; la vozhumana. Las redes de datos por otro lado utilizan conmutación de paquetes, donde las

pérdidas y los retardos generalmente no tienen consecuencias importantes.

3.1- Voz sobre redes de datos:

Para poder transmitir las muestras codificadas de voz sobre una red de datos, esnecesario armar “paquetes”. Si bien se podría armar un paquete por cada muestra devoz, esto generaría sobrecarga (“Overheat”). Por otro lado, si se espera juntardemasiadas muestras de voz para armar el paquete, se generarían retardos importantes.Un paquete IP puede tener hasta 1500 bytes de información. En el caso de G.711, estointroduciría un retardo de 0.125 ms x 1500 = 187.5 ms; que no es aceptable en unaconversación. Generalmente lo que se hace es tomar “ventanas” de 10 a 30 ms y las

muestras codificadas dentro de esas ventanas se juntan armando un paquete.

Real-Time Transport Protocol (RTP):

Establece la manera de generar paquetes dando calidad de servicios para datosde “tiempo real”. Generalmente se utiliza sobre protocolos de red “no confiables”, como

UDP. Los “bytes” obtenidos de las muestras de voz son encapsulados en paquetes RTP,que a su vez es encapsulado en segmentos UDP (Figura 3.1.1).

Figura 3.1.1: Encapsulamiento RTP.




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Cada paquete RTP consiste en un encabezado y los datos de voz. En la figura3.1.2 se puede ver el formato del encabezado.

Figura 3.1.2: Encabezado RTP.

Versión (V): Indica la versión del protocolo, en este caso es la versión 2.

CSRC count (CC): Indica la cantidad de “fuentes” que contribuyen con el audio

incluido en el paquete.

Payload Type (TP): Identifica el tipo de información que viaja en el paquete. Es uncampo de 7 bits, que permite diferenciar hasta 128 tipos de información, generalmenteel tipo de codificación (Figura 3.1.3). Los valores 96 a 127 son dinámicos, es decirdependen de la aplicación, por ejemplo para codificar tonos DTMF.

Figura 3.1.3: Payload Type.




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Sequence number: Es un número de 16 bits que el transmisor incrementa con cada paquete enviado. Esto le permite saber al receptor si hubo paquetes perdidos o fuera deorden.

Timestamp: Es un campo de 32 bits que indica el momento al que corresponde la

primera muestra de la ventana de información que viaja en el paquete. Se utiliza paraque el receptor reproduzca las muestras con la misma cadencia que se obtuvieron. Semide en unidades de 0.125 ms.

Synchronization Source Identifier (SSRC): Cada flujo en una sesión RTP tiene unidentificador diferente, establecido por el origen para asegurarse que no se repita.

Contributing Source Identifier (CSRC): Identificada a cada una de las fuentes, cuando elaudio es producido por un mesclador.

Real Time Control Protocol (RTCP):

Es un protocolo de control establecido en el mismo RFC que RTP, y que seencarga de enviar periódicamente paquetes de control entre los participantes de unasesión.

Funciones:

Realimentación acerca de los datos enviados, por ejemplo la calidad de VoIP. Transporte del CNAME (Canonical Name) de cada originador. Este

identificador permite asociar varios flujos RTP con el mismo origen. Adaptar dinámicamente la frecuencia de envío de paquetes de control RTCP de

acuerdo al número de participantes de la sesión.

Tipos de paquetes RTCP:

Sender Report (SR): Envía estadísticas de los participantes “origen”. Reciver Report (RR): Envía estadísticas de los participantes “destino”. Source Description (SDES): Envía ítems de descripción del origen. BYE: Indica el fin de la participación en el intercambio de mensajes RTCP. APP: Funciones específicas para las aplicaciones participantes.




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Ancho de banda en voz sobre IP:

Dado que para enviar voz sobre redes de datos es necesario armar paquetes, elancho de banda requerido dependerá del “overhead” que generan los paquetes, es decir

del peso de los encabezados.Ejemplo: Códec G.711 (Figura 3.1.4).

Figura 3.1.4: Ancho de paquetes de voz G.711 sobre IP.

Para una ventana de 20 ms tenemos:

1 byte cada 0.125 ms 160 bytes en 20 ms

O sino: Bytes de voz en la trama = 64 ×0.02 × 160

El paquete IP, incluyendo RTP y UDP agrega 40 bytes.

La trama Ethernet agrega otros 26 bytes.

En total tenemos 226 bytes que se generan cada 20ms, esto representa un ancho de banda de la LAN de:

Ancho de banda LAN = 226 * 8 / 20 ms = 90.4 kb/s

Figura 3.1.5: Ejemplos de anchos de banda para distintos códec sobre IP.




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3.2- Video sobre redes de datos:

Las secuencias son paquetizadas en unidades llamadas PES (“Packetized

Elementary Stream”) formadas por un encabezado y hasta 8 kbytes datos. Estos PES

son paquetizados en pequeños paquetes de 184 bytes que junto con el encabezado de 4 bytes forman lo que se conoce como MTS (“MPEG Transport Stream”).

Al igual que para el audio se utiliza RTP y RTCP para el transporte de video enredes de datos. Varios paquetes MTS pueden ser transportados en un único paqueteRTP (Figura 3.2.1).

Figura 3.2.1: Overhead de video MPEG-2 en RTP.

En el caso de MPEG-2 se pueden incluir hasta 7 paquetes MTS:

Cada MTS tiene 184 bytes de contenido y 4 bytes de encabezado MTS, dando un totalde 7*184 + 7*4 = 1316 bytes

Si le adicionamos los 40 bytes de encabezado a nivel de IP, y 26 bytes de encabezado anivel de Ethernet da un total de 1382 bytes.

Algunos sistemas sin embargo no utilizan RTP, sino que incluyen los paquetesMTS directamente en el paquete UDP. Si bien esto disminuye el “overhead”, se pierden

todas las ventajas que cuenta RTP (mencionadas anteriormente).

Ancho de banda en video sobre IP:

La codificación digital de video utiliza algoritmos de compresión, lo que genera

codificación de largos variables y flujos de ancho de banda también variable. Para unaaplicación determinada el ancho de banda requerido va a depender del tipo decodificación, tamaño de pantalla, tipo de cuantización, etc. Al ancho de banda propio dela señal de video se le debe sumar la sobrecarga de los paquetes IP, UDP, RTP yEthernet. A diferencia del audio, en video no se puede calcular el ancho de bandarequerido de manera exacta para cada códec, por lo que se realizan cálculos estadísticos.




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Tema 4- Calidad de voz y video

4.1- Calidad de voz:

La voz puede sufrir distintos tipos de distorsiones o degradaciones, por ejemplo,distorsiones en el sistema de transmisión analógico, las introducidas por loscodificadores, ruidos externos, ecos, pérdidas de paquetes en redes de datos, etc.

Medida de la calidad de voz:

Hay dos tipos distintos de métodos para evaluar la calidad de voz, “subjetivos” y

“objetivos”. Los métodos subjetivos se basan en conocer directamente la opinión de losusuarios, resultando en un promedio de opiniones o MOS (“Mean Opinion Score”). Losmétodos objetivos intentan predecir la calidad percibida mediante la aplicación dealgoritmos. Estos métodos a su vez se subdividen en “intrusivos” (se inyecta una señalde voz conocida en el canal y se estudia su degradación a la salida) y “no intrusivos” (se

monitorean ciertos parámetros en un punto de la red).

La terminología para describir los posibles resultados se observa en la siguientetabla:

Tabla 4.1.1: Terminología MOS.

Métodos Subjetivos:

La calidad de voz se establece a través de la opinión del usuario. El audio puedeser evaluado directamente (ACR = “Absolute Category Rating”) o en formacomparativa con un audio de referencia (DCR = “Degradation Category Rating”).

Con evaluación directa se califica el audio con valores del 1 al 5, siendo 5“excelente” y 1 “malo”. El MOS se calcula como el promedio de los ACR.

Si la evaluación es comparativa, también se califica con valores del 1 al 5, donde5 es que no hay diferencia apreciable entre el audio de referencia y el medido, y 1cuando la degradación es muy molesta. El promedio de los valores DCR se conocecomo DMOS.




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Métodos Objetivos:

Los métodos subjetivos son complejos y caros de realizar, ya que requierenambientes controlados, y un número apreciable de opiniones de personas. Por estarazón, existe un gran interés en desarrollar métodos objetivos.

ITU-T P.862 (PESQ):

Se conoce como “evaluación de la calidad vocal por percepción” (PESQ =“Perceptual Evaluation of speech quality”). PESQ compara una señal inicial x (t) con

una señal degradada y (t) que se obtiene como resultado de la transmisión de x (t) através de un sistema de comunicaciones; es un método objetivo intrusivo.

El primer paso consiste en una alineación temporal entre las señales x (t)e y (t) (se calcula un punto de arranque y punto de partida).

Una vez alineada PESQ compara la señal de entrada con la señaldegradada, utilizando el modelo de percepción de la figura 4.1.1

Figura 4.1.1: Modelo de percepción PESQ.

El modelo PESQ termina brindando una distancia entre la señal vocal inicial y laseñal vocal degradada, que corresponde a su vez con una predicción MOS subjetiva. Lacorrespondencia entre PESQ y MOS está dada por la siguiente ecuación:

() 0.999 4.9990.999

1 −..+.




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Los resultados de PESQ se encuentran en una escala de -0.5 a 4.5. En la figura4.1.2 podemos ver la relación entre PESQ y MOS-LQO.

Figura 4.1.2: Correspondencia PESQ – MOS.

Entre los valores 1 y 4.5 del PESQ se puede aproximar la función por una recta.

ITU-T P.862.2:

Es una extensión de P.862 para señales de banda ancha (50 a 7000 Hz). En estecaso la relación entre PESQ y MOS-LQO es:

() 0.999 4.9990.9991 −..+.

ITU-T P.862.3:

Es una guía de aplicación de la serie de recomendaciones P.862. Establecelineamientos y áreas de aplicabilidad de las recomendaciones. Además establece valoresde referencia para diferentes códecs (Tabla 4.1.2)

Tabla 4.1.2: Valores de referencia MOS para distintos códec.




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ITU-T P.863 (POLQA):

En enero de 2011 la ITU-T estandarizó la recomendación P.863 POLQA(“Perceptual Objective Listening Quality Assessment”). Puede trabajar con bandasuper-ancha (50 a 14.000 Hz), y es a su vez compatible con bandas inferiores.

ITU-T P.563:

Es aplicable para predecir la calidad de una señal vocal sin contar con una señalde referencia (método no intrusivo). Es útil para evaluar y supervisar la red enfuncionamiento. La señal vocal que debe evaluarse se analiza de varias formas,detectando un conjunto de parámetros de señal característicos. En base a esos

parámetros se establece una asignación a una clase de distorsión.

El algoritmo de P.563 puede dividirse en tres bloques que corresponden con las

tres distorsiones:1. Análisis del tracto vocal y desnaturalización de la voz:

Voces masculinas. Voces femeninas. “Robotización”.

2. Análisis de ruido adicional: SNR estática (nivel básico de ruido de fondo). SNR por segmentos reducida (ruido relacionado con la envolvente de la

señal).

3. Interrupciones, silenciamientos y recorte temporal.

Primero se decide la clase de distorsión de la que se trata, luego se evalúa la calidadvocal intermedia para la correspondiente clase de distorsión, finalmente se calcula lacalidad global de la voz.




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4.2- Calidad de voz en redes IP:

Dentro de los factores que afectan la calidad de voz en redes de paquetes, seencuentran:

Factor de compresión y codificación:En el proceso de digitalización y codificación se puede degradar la señal

de voz original debido a técnicas de compresión. Pérdida de paquetes:

A diferencia de las redes telefónicas, las redes de datos admiten pérdidade paquetes. En los protocolos “seguros” de alto nivel esto está previsto, y los

paquetes son reenviados. Pero en los protocolos diseñados para tráfico de tiemporeal generalmente no se recibe confirmación de pérdida de paquetes.

Demora:Debida a varios factores como, la demora en los algoritmos de

codificación, demoras de procesamiento y demoras de la red. Generalmentehasta 100 ms son tolerados por el usuario, casi sin percepción. Un efectosecundario generado por las demoras altas es el eco.

Eco:Si el tiempo transcurrido desde que se habla hasta que se percibe el

retorno de la propia voz es menor a 30 ms, el efecto del eco no es percibido. Asímismo, si el nivel de retorno está por debajo de los -25 dB, el efecto del ecotampoco es percibido.

En la recomendación de la ITU-T G.168 se describe el sistema de“cancelación de eco”. Mediante un procesamiento digital, se evalúa si parte de la

señal en el camino de recepción se ha introducido en el camino de transmisióncon cierto retardo. En caso de ser detectada, la señal del canal de transmisión es

procesada, restándole la estimación de la señal correspondiente al eco. Variaciones en la demora (Jitter):

El Jitter es la variación en las demoras. Por ejemplo si dos puntos reciben paquetes cada 20 ms, pero en determinado momento, un paquete llega alos 30 ms y otro a los 10 ms, el sistema tiene un “Jitter” de 10 ms. Dado

que el Jitter es inevitable los receptores cuentan con un buffer, que recibelos paquetes en intervalos variables y los entrega a intervalos constantes.El Jitter buffer agrega una demora extra al sistema (10 a 30 ms).

Tamaño de los paquetes:Influye en la demora y el “ancho de banda” requerido. Para armar los

paquetes es necesario esperar varias muestras de voz, lo que genera unretardo en la transmisión.




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ITU-T G.107:

Recomendación para estimar o predecir la calidad de voz en redes de datos,también conocida como “E-Model”. El resultado de E-Model es un factor “R” que

puede tomar valores entre 0 y 100. Parte de un puntaje perfecto (100) y resta diversosfactores que restan la calidad.

,

representa la relación señal a ruido básica (antes de ingresar a la red). es una combinación de todas las degradaciones que aparecen en forma

simultánea con la señal vocal (volumen excesivo, distorsión de cuantización,etc.).

representa degradaciones de retardo y eco.

, representa degradaciones producidas por los códec y por pérdidas de

paquetes. es el “factor de mejoras de expectativas”, los usuarios están dispuestos a

aceptar peor calidad de voz si saben que se está utilizando tecnologías “no

clásicas”.

Cálculo de :

Representa la disminución de la calidad producida por valores muy bajos deOLR (“Overall Loudness Rating”), que a su vez se calcula como:

OLR = SLR + RLR

Siendo SLR (“Send Loudness Rating”) la pérdida entra la boca delemisor y el micrófono del teléfono y RLR (“Receive Loudness Rating”) la

pérdida entre el parlante y el oído del receptor.

depende del factor STMR (“Side Tone Masking Rating”). Parte de la señalrecibida por el micrófono es transmitida dentro del teléfono al parlante, la

atenuación de la señal que pasa del micrófono al parlante se conoce comoSTMR. representa la degradación producida por la distorsión de cuantización. se

calcula en “unidades qdu”, 1 qdu se define como el ruido de cuantización que

introduce una cuantización de Ley A o Ley .




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Cálculo de :

representa las degradaciones debidas al eco para el hablante y se calcula en base al factor TELR (“Talker Echo Loudness Rating”) (medida de atenuacióndel eco percibida por el hablante), y en base a la demora T de punta a punta enun sentido.

representa las degradaciones debidas al eco para el oyente y se calcula en base al factor WELP (“Weighted Echo Path Loss”) (medida de atenuación entrela señal directa recibida por el oyente y la señal retardad recibida como eco), yen base a la demora Tr de ida y vuelta.

representa la degradación producida por retardos absolutos Ta demasiadolargos, si Ta < 100 ms

es 0.

Cálculo de ,:

, (9 5 ). +

Depende del códec y representa la degradación producida por los algoritmosde compresión.

Representa la probabilidad de pérdidas de paquetes.

Factor de robustez contra pérdida de paquetes, valor preestablecido paracada códec.

es la “Relación de ráfaga”.

Cálculo de A:

“Factor de mejora de expectativas”, en la figura 4.2.1 se presentan valores

típicos de A.

Figura 4.2.1: Valores típicos de A.




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Relación entre R y MOS:

El mapeo entre los valores de R y MOS se realiza con la siguiente ecuación:

< 6.5: 1

6.5 < < 100: 1 0.035 ( 60)(100 )7 × 1 0− 100 4.5

Figura 4.2.2: Relación entre R y MOS.




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4.3- Calidad de Video:

Métodos subjetivos:

1) DSIS (“Double Stimulus Impairment Scale”):Consiste en la comparación de dos imágenes, secuencias de imágenes o

videos; uno dado por la señal original y otro por la señal degradada. Los participantes dan un valor entre 1 al 5, donde 1 es degradación muy molesta y 5degradación imperceptible.

2) DSCQS (“Double Stimulus Continuou s Quality Scale”):Similar al método anterior, pero se pide al participante que califiquen la

calidad de ambas señales, en lugar de la degradación. La calificación se hace en

base a una escala continua para medir diferencias más precisas entre las señales.

3) SSCQE (“Single Stimulus Continuous Quality Evaluation”):Se presenta una única secuencia de video a ser evaluada. Se toman

muestras de evaluación en forma continua mediante un cursor móvil conectado ala computadora.

4) SDSCE (“Simultaneous Double Stimulus for Continuous Evaluation”):Elaborado a partir de SSCQE con ligeras diferencias en la manera de

presentar las imágenes. Los participantes observan dos secuencias al mismotiempo, una de referencia y la otra degradada, y se pide que comprueben las

diferencias y realicen la calificación moviendo el cursor del dispositivo de voto.

5) ACR (“Absolute Category Rating”):Las secuencias se presentan una por vez y se califican

independientemente en una escala de 5 niveles (5 excelente, 1 mala).6) DCR (“Degradation Category Rating”):

Las secuencias se presentan de a pares, primero la señal de referencia yluego la degradada. La evaluación se realiza con la escala de 5 valores.

7) PC (“Pair Comparison”):

Se utiliza para comparar degradaciones producidas por dos sistemasdiferentes, sobre una misma señal de referencia.




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Métodos Objetivos:

La primera medida objetiva de calidad de video está basada en obtener lasdiferencias pixel a pixel entre las imágenes originales y las degradadas. Las medidas

más simples son el error cuadrático medio (MSE = “Mean Square Error”) y su raízcuadrada (RMSE = “Root Mean Square Error”), y la relación señal a ruido de pico(PSNR = “Peak Signal to Noise Ratio”).

1 [(,,) (, ,)]=

=

=

√

10 log

Donde la imagen tiene M por N píxeles y T cuadros. L es el rango dinámico que puedentomar los valores de x o y, toma el valor 255 para 8 bits por píxel.

En forma genérica, los métodos objetivos de medida de calidad de video, puedenclasificarse como:

Full Reference:Se basa en la disponibilidad de la señal original, que puede ser

contrastada cuadro a cuadro con la señal degradada. Reduced Reference:

Se trata de enviar junto con el video, algunos parámetros que caractericena la señal, y que sirven al receptor para poder estimar la calidad percibida.

No Reference:Las personas no necesitan señales de referencia, ni información adicional

para juzgar la calidad de video.




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Calidad de video en redes IP:

Factor de compresión:

El proceso de digitalización de video utiliza técnicas que transforman unasecuencia de píxeles al dominio de la frecuencia espacial (DCT), cuantificando valoresy descartando componentes de alta frecuencia. Los principales efectos debidos a ladegradación de video son:

Efecto de bloques Efecto de imagen base Borrosidad Corrimiento de color

Patrones de mosaicos Efecto mosquito

Pérdida de paquetes:

La pérdida de paquetes en video puede propagarse afectando no sólo a lainformación de dicho paquete. Dado que la codificación se realiza en forma diferencial,la pérdida de un paquete afectara a todos los bloques siguientes en la misma fila.Existen técnicas de cancelación de paquetes perdidos, que tratan de reconstruir lainformación perdida en base a información disponible.

Jitter:

Las demoras generadas por los Jitter buffer tienen un impacto directo en laexperiencia del usuario en contenidos de tiempo real (video conferencias, etc.). Hay unmétodo dinámico llamado AMP (“Adaptative Media Playout”), que cambia lavelocidad de reproducción del medio para reducir el tamaño del Jitter Buffer.




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ITU-T G.1070:

Model de predicción de calidad similar a E-Model pero para video. Utiliza trasfunciones para estimar la calidad, una para el video (Vq), otra para el audio (Sq) y otra

para la estimación de la calidad multimedia (MMq).La estimación de la calidad de voz se realiza igual que E-Model, pero quitando

las degradaciones por demoras e incluidas en MMq.

,

La estimación de video se realiza con la siguiente fórmula:

1 −

Donde representa la calidad de video dada únicamente por condiciones decodificación, es el porcentaje de pérdida de paquetes, y representa el gradode robustez frente a la pérdida de paquetes.

La estimación de la calidad multimedia se realiza de la siguiente manera:

.

Donde representa la calidad audiovisual y es función de (,) y contienelos factores de calidad asociados a las demoras.




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Tema 5- Teoría de Teletráfico

La Teoría del Teletráfico es la aplicación de las teorías de probabilidades a la

solución de problemas de planificación, evaluación de desempeño, operación ymantenimiento de sistemas de telecomunicaciones.

Funciones:

Caracterizar demanda de tráfico. Objetivos del Grado de Servicios (GOS) (probabilidad de una llamada de

ser bloqueada o demorada). Controles y dimensionamiento del tráfico. Vigilancia de la calidad de funcionamiento.

Intensidad instantánea de tráfico:

La intensidad instantánea de tráfico en un conjunto de recursos (líneas urbanas,servidores, etc.), es la cantidad de recursos ocupados en un determinado instante detiempo.

Intensidad promedio de tráfico:

La intensidad promedio de tráfico se calcula como:

() 1 ∫ ().

Donde () es la cantidad de recursos ocupados en cada instante t, y T es un tiempofijo. La unidad utilizada para la intensidad promedio de tráfico es el “Erlang” (E).

Donde un Erlang corresponde a una intensidad promedio de tráfico de una hora porhora, que es equivalente a tener un recurso ocupado en forma permanente. También sedefine otras unidades como:

CSS (“Hundred call seconds”): 36 CSS = 1 E

SM (“Speech minutes”): 60 SM = 1E

Volumen de tráfico:

Se define el volumen de tráfico, como el tráfico total cursado en un período T yse mide en Eh o Erlang horas.

Intensidad de llamadas ():

Es el promedio de llamadas por unidad de tiempo:




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Tiempo medio de ocupación (d):

Es la duración media del tiempo de ocupación (por ejemplo la duración media delas llamadas).

Tráfico cursado (Y) (“Carried traffic”):

Es el tráfico cursado por un grupo de servicios durante un intervalo de tiempo T.Se puede medir.

Tráfico ofrecido (A) (“Offered traffic”):

Es un concepto teórico, que indica la intensidad de tráfico si no hubiera rechazosdebido a falta de capacidad (infinitos recursos). Se calcula de manera teórica:

.

Tráfico rechazado (“Lost or rejected traffic”) ( ):Es el tráfico que no pudo ser cursado por la red, y se calcula como la diferencia

entre el tráfico ofrecido y el tráfico cursado.

Tráfico de desborde (“Overflow traffic”):

Es el tráfico que no pudo ser cursado por una red y es derivado a otra.

Ejemplo:

Tenemos una intensidad de llamada de 5 llamadas por minuto:

5 /

El tiempo medio de ocupación es de 3 minutos:

3

Podemos calcular el tráfico ofrecido a la red: . 15

En una jornada laboral de 8 horas, el volumen de tráfico es de 120 Erlang horas.




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5.1- Modelos matemáticos:

Tiempo entre arribos (A):

Los procesos de arribos se pueden describir matemáticamente como procesosestocásticos puntuales. La variable aleatoria (A) es el tiempo entre arribos, considerandoque no se producen arribos múltiples, y en promedio hay arribos por unidad detiempo.

() ( ≤ ) ∫ ().

El tiempo entre intervalos (A) se puede modelar con una distribución exponencial de parámetro .

() 1 −

() −

Propiedades:

1) Valor esperado:

( ) ∫ . () ∞ 1

2) Varianza: ( ) ( ) ()

( ) 1

3) No tiene memoria: ( < ℎ| ≥ ) ( ℎ)

4) La distribución de probabilidad del arribo de una nueva llamada nodepende de cuánto tiempo haya pasado desde el arribo de la últimallamada.




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Duración de las llamadas:

Se modela con una variable aleatoria (S) con promedio d:

() 1 −

() −

Donde

5.2: Modelo con infinitos recursos:

Consideraciones:

Sistema con infinitos recursos idénticos trabajando en paralelo(grupo homogéneo).

Hay infinitas fuentes que pueden generar tráfico. Una llamada es aceptada en el sistema si existe por lo menos un

recurso disponible, y cada llamada ocupa un único recurso. Dado que hay infinitos recursos, las llamadas son siempre

aceptadas. El arribo de llamadas se puede modelar como un proceso Poisson

de parámetro llamadas por segundo. La duración de las llamadas tiene distribución exponencial de

parámetro 1 .

El tráfico se puede modelar como un proceso de “nacimiento y

muerte” (Proceso simple Markov).

En un instante determinado el sistema se encuentra en un estado [i] (cantidad derecursos ocupados i). Con el tiempo pueden existir transiciones entre estados, pero entreun tiempo t y t + dt, sólo hay transiciones simples. Es decir la probabilidad de arribo ofin de más de 2 llamadas en dt es despreciable.

La probabilidad de N arribos en un tiempo T se puede calcular como:

() ()−!




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Se define p(i) como la probabilidad de encontrar el sistema en el estado [i]. La probabilidad de pasar del estado [i] al [i+1] en un intervalo de tiempo T, es la

probabilidad de que existe un arribo en ese intervalo de tiempo. En el caso de que T esmuy pequeño, esa probabilidad queda:

(1) − ≈

Vemos que es lineal con T, y no depende del estado [i] (Figura 5.2.1).

Figura 5.2.1: Probabilidad de que exista un arribo en el intervalo T.

La probabilidad de pasar del estado [i] al [i-1] en un intervalo de tiempo T, es la probabilidad de que termine una llamada en t < T.

() 1 − 1 1 ()

2 ⋯ ≈

Como hay i llamadas ([] → [ 1])

Vemos que es lineal con T, inversamente proporcional a la duración de llamada, y proporcional a la cantidad de llamadas del sistema.

El modelo final queda:

Figura 5.2.2: Modelo infinitos recursos para T muy pequeño.




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Ecuación de nodo:

Figura 5.2.3: Ecuación de nodo.

Ecuación de corte:

Figura 5.2.4: Ecuación de corte.

Para poder deducir las probabilidades de estados se parte de la ecuación de corte:

(0) (1)

(1) 2(2)

…

() ( 1)( 1)

Como sabemos que el tráfico ofrecido es de .

(1) (0)

(2) (1) . (0)

…




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() ! . (0)

Por otro lado sabemos que la suma de todas las probabilidades da 1:

()∞

= 1

! .(0)∞

= 1

(0) 1∑ !∞=

−

() ! −

En este caso el tráfico cursado (Y) es igual al ofrecido (A):

.() ∞=

Por lo tanto el tráfico perdido es 0. En la tabla siguiente se pueden ver las característicasgenerales de este modelo.

Infinitos Recursos

Probabilidad de estado: () ! −

Tráfico cursado (Y): A

Tráfico perdido ( ) 0

Tráfico en congestión (C): 0

Tiempo de congestión (E): 0

Llamadas en congestión (B): 0

Tabla 5.2.1: Características del modelo de infinitos recursos.




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5.3- Modelo con recursos finitos:

Consideraciones:

Sistema con n recursos idénticos, trabajando en paralelo. Una llamada es aceptada en el sistema si existe por lo menos un

recurso disponible, y cada llamada ocupa un único recurso. Si todos los recursos están ocupados el sistema está

“congestionado” y el intento de llamada es bloqueado. El arribo de llamadas se puede modelar como un proceso Poisson


parámetro

1 .

La deducción de las probabilidades de estados es similar al modelo anterior, conla diferencia de que estamos limitados por n, entonces:

! .(0)

= 1

(0) 1∑ !=

() ! 1

∑ !=

Congestión:

La congestión se da cuando todos los recursos están ocupados, es decir cuandoel sistema está en el estado [n]. La probabilidad de que al llegar un arribo, encuentre alsistema en el estado [n], es igual a la probabilidad estacionaria de que el sistema seencuentre en el estado [n]. Esta propiedad es conocida como PASTA (“Poisson Arrivals

See Time Average”). Entonces, la probabilidad de que exista congestión es:

() ! 1

∑

!=

(,)




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También conocida como fórmula Erlang-B.

En este modelo el tráfico cursado (Y) es menor al tráfico ofrecido (A):

.()

= . ( 1)

= ( 1 (,))

El tráfico perdido es:

(,)

El tráfico en congestión es:

(,)

La propiedad PASTA, asegura que: . En la tabla siguiente se pueden ver las

características generales de este modelo.

Recursos finitos

Probabilidad de estado: () ! 1

∑ !=

Tráfico cursado (Y): (1 (,))

Tráfico perdido ( ) (,)

Tráfico en congestión (C): (,)

Tiempo de congestión (E): (,)

Llamadas en congestión (B): (,)

Tabla 5.3.1: Características del modelo de recursos finitos.

Ejemplo:

Tenemos usuarios que generan 600 llamadas por hora, de 1 minuto de duración.

Contamos con 10 recursos disponibles.

600 ℎ 16 −

60 → 160 −

10 → (, ) 1010! 1

∑ 10 != 0.21 21%

Tenemos un 21% de probabilidad de que exista congestión.




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5.4- Modelo con fuentes y recursos finitos:

Consideraciones:

Sistema con n recursos idénticos, trabajando en paralelo. Hay un número finito (S) de fuentes generadoras de tráfico, que

es mayor a la cantidad de recursos (n). Una llamada es aceptada en el sistema si existe por lo menos un

recurso disponible, y cada llamada ocupa un único recurso. Si todos los recursos están ocupados el sistema está

“congestionado” y el intento de llamada es bloqueado. El arribo de llamadas se puede modelar como un proceso Poisson


parámetro 1 .

En este modelo, a medida que las fuentes obtienen recursos, va disminuyendo lacantidad de fuentes posibles para generar tráfico. Por lo tanto la probabilidad detransición del estado [i] al [i+1] va a depender del estado i (Figura 5.4.1). En este casoel parámetro que interesa saber es la tasa de arribos por cada fuente ():

Si hay S fuentes, la tasa total de arribos es:

El tráfico por cada fuente se puede definir como:

Figura 5.4.1: Diagrama de transición de estados para modelo con fuentes y recursos finitos.




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Para deducir las probabilidades de estados, aplicamos las ecuaciones de corte:

.(0) . (1) …

( ). () ( 1). ( 1) Entonces:

(1) (0)

(2) (−) (1) (−) . (0)

…

() (0)

(0) 1∑ =

Hay congestión cuando todos los recursos están ocupados, es decir cuando el sistemaestá en el estado n. Por lo tanto la probabilidad de que exista congestión es:

() ∑ = (,,)

También conocida como fórmula de Engset.El tráfico cursado es:

1 ( ( ))

El tráfico perdido es:

Recursos y fuentes finitos

Probabilidad de estado: () (0)

Tráfico cursado (Y): 1 ( ( ))

Tráfico perdido ( )

Tráfico en congestión (C):

Tiempo de congestión (E):

Llamadas en congestión (B):




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5.5-Modelo con demora:

Consideraciones:

Misma hipótesis que el modelo con recursosfinitos.

Si todos los recursos están ocupados, el sistemaestá congestionado, y la llamada se pone en “cola

de espera”. La cola de espera no tiene límites, pueden existir

infinitas llamadas en espera. Cuando una llamada entra en la cola de espera se

mantiene hasta que le llega su turno.

En la figura 5.5.1 vemos como sería el diagrama de transición de estados para este

modelo.

Figura 5.5.1: Diagrama de transición de estados para modelo con cola de espera.

Para deducir las probabilidades de estados, aplicamos las ecuaciones de corte:

(0) (1)

… () ( 1)( 1)

…

( ) ( 1) Resolviendo:

() {

! . (0)

−! . (0) ≤




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Normalizando hallamos el valor de p(0):

(0) 1∑ ! ! −=

La probabilidad de que una llamada ingrese en la cola de espera, es la probabilidad deque el sistema se encuentre en cualquiera de los estados [i] mayores o iguales a [n].

()∞=

! ∑ ! ! −=

(,)

También conocida como fórmula de Erlang C.

La probabilidad de que existan llamadas en espera, es la probabilidad de que el sistemase encuentre en cualquiera de los estados [i] mayores estrictos que [n]:

( 0) ()∞=+

(,)

El número promedio de llamadas en espera es:

(,)

Teorema de Little:El teorema de Little dice que la cantidad promedio de llamadas en espera L es

igual a la tasa de arribos multiplicada por la demora media W.

.

Entonces el tiempo promedio de espera queda:

(,)

También podemos calcular el tiempo promedio de demora para las llamadas en cola:

>




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Tema 6- Redes de Acceso

Es el segmento de la red de telecomunicaciones que brinda conexión a los

usuarios finales con la red del proveedor. Es la parte de mayor inversión de una red detelecomunicaciones.

Clasificación:

Según el medio físico:o Cableadas (cobre, cable coaxial, fibra

óptica):Son de despliegue lento y costos, no

necesariamente asociado a la demanda. Demayores anchos de banda, estables y

“dedicados” a los usuarios. o Inalámbricas (radiofrecuencia, aire):

Despliegue más rápido y asociado ala demanda. Anchos de banda variables ycompartidos entre usuarios. Permitemovilidad de los usuarios.

Según la tasa de transmisión ofrecida al usuario:o Banda ancha (datos de tasa mayores, ej.

video):

Se define la banda ancha, como laconexión que permite una tasa de bit(de pico) superior a cierto umbral.Hoy en día el umbral es de 25 Mbpsen bajada y 3 Mbps en subida.

o Banda angosta (voz y datos de baja tasa):Aquellas con tasas inferiores a la

banda ancha.




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6.1- Arquitectura:

Pares de cobre:

Instaladas para telefonía básica o POTS (“Plain Old Telephony System”). Muyextendida en todo el mundo, requiere una altísima inversión. Soporta tecnologías DSL,requiere digitalización para soportar ISDN.

Cables coaxiales:

Originalmente instaladas para CATV (“Community Antenna Television”), denaturaleza analógica y con topología de árbol-estrella.

Radio/Inalámbricas:

Terrestres o vía satélites. Única solución para servicios de carácter móvil,

aunque también se utiliza para servicios de difusión (TV satélite).Fibra óptica:

Antes era utilizado solamente en niveles de gran agregación de ancho de banda,enlaces entre centrales internacionales, hoy en día se utiliza también en las redes deacceso.




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6.2-Par de cobre:

Caro de instalar y mantener, lento de desplegar. Tiene como ventaja que ya estáinstalado, por lo que se sigue utilizando mucho.

Tipos:

Pares simples: Básicos utilizados para telefonía. UTP (4 pares): Empleados en cableados Ethernet tradicionales. Multipares: Arreglados de a 25, 50 o 100 pares, con gel impermeable y

equipos de presurizado.

Planta externa:

Es la infraestructura, equipos, estructuras y medios de comunicación exterioresal edificio de la central de conmutación.

Topología:

Red de enlace:Son todos los componentes físicos que se utilizan para llevartráfico de telecomunicaciones entre centrales, los cuales puedenser cables de cobre o fibra óptica.

Red primaria:

Es el conjunto de cables de cobre que inician en el distribuidor principal (MDF) de las centrales, y son repartidas en diferentes puntos de sub repartición (armarios) también llamados distritos.Consta de 1000 a 2000 pares.

Red secundaria:Inicia en los puntos de sub repartición, hasta un punto dedispersión, conocidos como cajas terminales (instaladas en postes,fachadas, azoteas, etc.).

Red directa:Es el conjunto de cables que inicia en el distribuidor principal

(MDF) y son repartidos y finalizados en terminales, en un radiode 300 metros alrededor de la central correspondiente.

Red de acceso al cliente:Es el enlace existente entre caja terminal y el equipo terminal delcliente.




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En la figura 6.2.1 se puede ver un diagrama de la planta externa completa.

Figura 6.2.1: Planta externa de la red de acceso de par de cobre.

Para un posible crecimiento de la demanda se reserva por lo menos un 10% de los paresinstalados.

Concentrador de abonados:

Aprovechando que no todos los abonados hablan al mismo tiempo, se compartenrecursos, teniendo de un lado una gran cantidad de pares y en el otro unos pocos hacia lacentral.




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Tecnologías DSL:

La tecnología DSL (“Digital Subscriber Line”) permite la transmisión deinformación digital sobre pares de cobre fuera de la banda local.

ISDN:

ISDN (“Integrated Services Digital Network”) es la red que permite elestablecimiento de conexiones totalmente digitales extremo a extremo. Integra voz ydatos en la misma línea.

Canales:

Canal B (“ Bearer channel ”): Provee un enlace digital para voz y datosde 64 kbps para el usuario. El audio se codifica con G.711.

Canal D (“Data channel”): 16 o 64 kbps utilizados para el call setup y

call management.Interfaces:

BRI (“Basic Rate Interface”): 2B+D (D de 16 kbps). PRI (“Primary Rate Interface”): 23B+D (EE.UU), 30B+2D (Resto del

mundo excepto Japón).

xDSL:

Posibilita la transmisión digital de alta velocidad sobre los bucles de abonado delas líneas telefónicas convencionales existentes. Tuvo un gran éxito debido a la cantidad

de líneas telefónicas hoy existentes, y poder aprovechar la inversión ya realizada.

HDSL (“ High Data Rate DSL”): Transmisión full dúplex, simétrica de 2Mbps.

ADSL (“Asymetric DSL”): Transmisión full dúplex, asimétrica de hasta8 Mbps (DS)/ 1.3 Mbps (US). 12 Mbps (DS)/ 3.5 Mbps (US) en ADSL2y 24 Mbps (DS)/ 3.3 Mbps (US) en ADSL2+.

VDSL (“Very High Bit Rate DSL”): Transmisión full dúplex, asimétricao simétrica con una tasa máxima de hasta 52 Mbps (DS), 100 Mbps enVDSL2.

G.Fast: Utilizada en diámetros menores a 500 metros, llega hasta 1 Gbps.




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6.3- Cable Coaxial:

El cable coaxial tiene mayor ancho de banda que el cobre, es compartido entrecientos de usuarios. A mayor número de usuarios, menor ancho de banda por usuario

(multiplexión en frecuencia). Como estrategia se toma agrupar a los usuarios en “islas”de menor tamaño.

6.4- Fibra óptica:

Medio que permite enviar información en forma de luz confinada gracias al principio teórico conocido como Ley de Snell.

() ()

Donde n es el índice de refracción de diferentes medios y es el ángulo de incidencia yde refracción. Para cierto ángulo se cumple que hay reflexión total, es decir la luz serefleja y nada se refracta, por lo que la luz en confinada dentro del material.

Clasificación:

Multi-modo: Fuente de luz más baratas, mayor pérdida, distanciasmenores a 500m, menor ancho de banda.

Mono-modo: Fuente de luz cara (láser), poca pérdida, distancias mayoresa 60 km, mayor ancho de banda.

Arquitectura:

FTTH (“Fiber to the Home”): Se trata de llegar con fibra hasta el hogardel abonado, directamente desde el nodo de servicio.

FTTEx (“Fiber to the Exchange”): Fibra hasta la central y desde lacentral al abonado se realiza con par trenzado o cable coaxial.

DTTCab (“Fiber to the Cabinet”): Fibra hasta un gabinete cercano a losabonados. Cobertura de 2 o 3 manzanas

FTTC (“Fiber to the Curb”): Similar al anterior pero el área de coberturaes de 1 cuadra.




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PON:

PON (“Passive Optical Network”) es una red de fibra óptica cuyos componentesson pasivos entre la central OLT (“Optical Line Termination”) y el equipo en el

domicilio del abonado, ONT (“Optical Network Terminal”). Permite compartir unamisma fibra óptica hasta por 64 usuarios. E la forma más económica de desplegarFTTH, y es la actualmente desplegada en Uruguay por Antel.

Downstream: Transmisión punto-multipunto, los splitters repiten la señalrecibida por todas las fibras salientes.

Upstream: La comunicación es punto a punto entre ONT y OLT. Laseñal es multiplexada usando TDM, los splitters no operan.

GPON (“Gigabit Capable PON”) tiene una cobertura de hasta 60 km, 2.5 Gbps (DS) /2.5 Mbps (US), y un máximo de 64 splits.

6.5- Inalámbricas:

Utiliza como medio físico el espectro radioeléctrico, un recurso caro y escaso,regulado por la URSEC.

WI-FI:

Wi-Fi (“Wireless Fidelity”) es una tecnología de red de área local inalámbrica. El protocolo de la IEEE 802.11 es el que regula la banda que utiliza Wi-Fi (2.4 o 5 GHz).

Ventajas:

Posibilitó la economía de escala para redes inalámbricas sin regulación. Puede usarse donde no pueden tenderse cables. Funciona en cualquier lugar del mundo. Anchos de banda semejantes a redes LAN.

Desventajas:

Dificultades con aplicaciones sensibles a latencia y Jitter. Vulnerables. Interferencia. Limitada capacidad para atravesar obstáculos. Alcance máximo teórico de 100 metros.




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Wi-Max:

Intento de extender el éxito de Wi-Fi ampliando su alcance y competir consistemas DSL/CATV. Está empezando a desaparecer, siendo remplazado por

tecnologías LTE.Características:

Conexión fija: 1 Gbps máximo (<5 km), 75 Mbps (<50 km). Móvil: 100 Mbps. Ancho de banda de canal flexible. Afectado por la lluvia.

Satelitales:

Un satélite es un repetidor radioeléctrico en el espacio, que recibe señales, lasamplifica y las vuelve a enviar a tierra.

Consiste de:

Transponder (Rx - Tx). Estación en tierra que controla el funcionamiento. Red de usuario.

Características: Transmite a velocidades en GHz. Costoso, limitado a empresas y países. Grandes latencias. Usado para sitios remotos, barcos, aviones, etc.




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Redes de acceso celular:

1) Primera Generación (1G):Sistemas analógicos, baja eficiencia espectral, sin seguridad,

sistemas incompatibles (sin posibilidad de roamming).2) Segunda Generación (2G):

Sistemas digitales (TDMA, CDMA y GSM), mejor calidad ymayor capacidad para servicios de voz, incluye seguridad. GSM(“Global System for Mobile Communication”) es el dominante enel mercado, resuelve problema de roamming, permite nuevosservicios como SMS.

3) Tercera Generación (3G):Sistema orientado a servicios de datos, nuevos servicios como

banda ancha móvil, video call, streaming. Mayor eficiencia

espectral. Técnicas de acceso al medio (W-CDMA, etc.)4) Cuarta Generación (4G):

Servicio completamente orientado a paquetes (IP). LTE es unejemplo

Características:

Zonas de cobertura, servidas por un transmisor y un sistema radiante (antenas)que se denomina radiobases. Estructurado en celdas de tamaño ajustado al tráfico,

permite Handoff (transferencia de llamada en curso) y Roamming (servicio de abonados

visitantes). A medida que fueron cambiando las generaciones, la “inteligencia” de la redse fue descentralizando desde el Core hacia el acceso.

BTS (“Base Transceiver Station”) es la que se encarga del control de la interfaz deradio con el terminal móvil. MSC (“Mobile Services Switching Center”) cumple lafunción de conmutación telefónica de las redes móviles




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Tema 7- Conmutación

La conmutación es la función de conectar entre sí al menos dos terminales de la

red de telecomunicaciones de modo que puedan intercambiar información ycomunicarse.

Clasificación:

Por tipo de tecnología:o Analógicao Digital

Por modo:o Circuitoso Paquetes

Por intervención humana:o Manualo Automática

Conmutación de circuitos:

Función de conectar caminos físicos o lógicos entre dosabonados. Para ahorrar el número de líneas lo que se hace esllevarlas todas a un centro desde donde se pueden interconectardos abonados cualesquiera entre sí.

Conmutación de paquetes:

Función de encaminar paquetes de datos desde un abonado hastaotro. En este caso no hay circuitos para interconectar, cada

paquete es conmutado en forma independiente.

7.1- Conmutación Automática o Manual:

Conmutación manual:

Solo para conmutación analógica, desarrollada en 1878. La red de conexión erainterconectada por la acción de una operadora, mediante clavijas y barras perforadas.Cuando el abonado de origen cerraba el circuito de su par de hilos hasta la central, seenviaba una señal indicando su deseo de establecer una llamada. En un cuadro, se

prendía una luz, la operadora introducía la clavija en la ranura correspondiente, y se ponía en contacto con el abonado que le comunicaba el destinatario de su llamada. Laoperadora seleccionaba el “Jack” del abonado deseado introduciendo la clavija del

cordón de salida. Se le envía una señal al abonado de destino, mediante corrientealterna, que actúa de timbre, al descolgar se completa la comunicación.




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Conmutación automática:

La limitación del acceso de las operadoras, llevó a que se diseñaran elementoselectromecánicos que efectuaran la conmutación. El problema era como proporcionar lainformación del destinatario de la llamada. La primera solución fue asignarle un número

a cada abonado, y se inventó el teléfono de disco.Las centrales de conmutación electromecánicas establecen circuitos físicos entre losabonados mediante técnicas electromecánicas (relés, sistemas rotatorios, etc.). Tenían el

problema del alto coste de mantenimiento debido al desgaste de las piezas de contacto,la complejidad y los ruidos introducidos. El avance de la electrónica permitió el uso detécnicas de digitalización de voz, por lo que aparecieron centrales de conmutacióndigital.

7.2- Conmutación de Circuitos o de Paquetes:

Originalmente sólo se brindaban servicios de telefonía para los cuales la técnicade conmutación más adecuada era la de circuitos. El desarrollo de las comunicacionesde datos ha hecho necesario la conmutación de paquetes.

Conmutación de Circuitos:

Se establece una conexión (camino físico o lógico) entre dos terminales para suuso exclusivo durante una llamada.

Características:

Existe una fase de establecimiento de la comunicación, conintercambio de señales entre los terminales y la red.

La fase de establecimiento introduce un retardo apreciable(mucho mayor al retardo de transmisión una vez establecida lallamada).

Se abre una comunicación que queda retenida hasta que losterminales o la red determinan su final mediante la señalizaciónapropiada.

Durante el tiempo de la comunicación existe un circuito dedicado,

permanente y único a dicha comunicación. Las centrales son transparentes al contenido de los canales una

vez establecida la comunicación. En cualquier nodo se podrá encontrar congestión, con lo que la

conexión podría no establecerse.




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Conmutación de Paquetes:

Un paquete es un conjunto estructurado y ordenado de datos, contieneencabezado y contenido (Payload). Los terminales dividen la información a enviar en

varios paquetes que se encaminan (conmutan) independientemente. A diferencia de laconmutación de circuitos, el canal de transmisión es ocupado sólo durante latransmisión del paquete (Medios compartidos). Esto otorga mayor robustez y eficienciaen el uso de la red. Cada nodo de la red recibe paquetes, los almacena, los procesa y losenvía tan pronto determina el siguiente nodo o camino lógico (Store and forward).

Características:

Es un sistema de espera y no de pérdida. Los paquetes siempre seaceptan y se encolan, no se producen bloqueos si hay memoriasuficiente.

Los retardos de propagación son aleatorios. No existe fase ni retardo de establecimiento Dos modos:

o Orientado a conexión (Circuito virtual): cada paquete tiene una identificación del circuito virtualal que corresponde, asegurando el orden de los

paquetes.o No orientado a conexión (Datagrama): Cada

paquete tiene la dirección del abonado, no segarantiza orden de arribo de los paquetes.

En la figura 7.2.1 se aprecian las principales diferencias entre conmutación de circuitosy de paquetes.

Figura 7.2.1: Características de la conmutación.




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7.3- Conmutación Digital de circuitos:

Funciones del conmutador digital:

Concentración. BORSCHT (“B attery feed, O vervoltage

protection, R inging, S upervision, C oding and

decoding, H ybrid, T esting”). Conmutación. Control de llamadas. Señalización. Tarificación.

Las funciones BORSCH son un conjunto de funciones de interfaz requeridas entre unalínea analógica y un conmutador digital.

Battery feed: Proveer corriente a la línea telefónica analógica. Overvoltage protection: Protección de los componentes frente a descargas. R inging: Provee la energía adicional requerida para el “ring” de los teléfonos

analógicos. Supervision: De los estados de la línea (On-Hook/Off-Hook). Coding and decoding: Conversión digital analógica del audio. Hybrid: Pasaje de 2 hilos a 4 hilos, convierte flujo bidireccional en dos

unidireccionales de sentidos opuestos. Testing: De la circuitería y de la línea analógica.

La concentración se utiliza para compartir recursos, reduciendo la cantidad de enlacesque van hacia la central (generalmente con una relación 8:1).

URAS (“Unidad remota de abonados”): Son concentradores digitales de abonadosdistribuidos, con circuitos BORSCHT y enlaces digitales de hasta 3 o 4 km hasta unconmutador. Algunos URAS pueden hacer conmutación local




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TDM:

La idea de TDM es aprovechar las características de la señal digital paratransmitir varios canales de voz por el mismo medio físico, es la base de la conmutación

de circuitos. TDM aprovecha el tiempo libre entre diferentes pulsos de una señalmuestreada para incluir pulsos correspondientes a otra. En el caso de G.711, paramultiplexar N llamadas simultáneas usando TDM, debo tomar N muestras de 8 bitsdurante Ts (125 microsegundos) y transmitirlas a una tasa de 8N/Ts. TDM requieresincronía.

PCM-E0: Es la jerarquía más baja, corresponde a una sola llamada, 64 Kbps.

PCM-E1: Multiplexa una trama de 30 señales de voz y 2 para sincronía y control.

× 2

Se divide en 32 slots de la siguiente manera:

El Time slot (TS) 0 y 16 se utilizan para sincronismo y control de la siguiente manera:

TS 0: Alineamiento de trama, para sincronizar el transmisor con el receptor y paracontrol de integridad. Se envían alternativamente:

Octeto A: Sincronismo N es el uso Nacional

Octeto B: ControlDonde C es el código de redundancia cíclica de la trama,A bit de alarma, y X no tiene uso.

En consecuencia tanto el sincronismo como el control llegan cada 64 time slot (4 kHzde cadencia).

TS 16: Históricamente se utilizaba para señalización, actualmente para aplicaciones deusuario.




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Hay dos técnicas básicas de conmutación de circuitos utilizando TDM:

1) Conmutación temporal: permuto time slots dentro de una mismatrama.

2) Conmutación espacial: se permutan tramas y se dejan los time slots

fijos.

Conmutación Temporal:

Se permutan solamente time slots dentro de la misma trama, mediante una rutinainterna se guarda en memoria de control y luego se transmite.

Figura 7.3.1: Conmutación temporal.

La memoria vocal es un buffer de entrada para la escritura secuencial de datos.La memoria de control vocal (MCV) mantiene la información de conmutación, es decirel orden con que se tiene que leer la memoria en la salida.




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Conmutación Digital:

Se implementa con una memoria de control y con una matriz de llaves digitalesque cambia estado cada timeslot.

Figura 7.3.2: Conmutación espacial.

Las llaves son relés eléctricos de alta velocidad implementados consemiconductores MOS. Estas llaves tienen la ventaja de alta velocidad de respuesta acambios, y la baja potencia de consumo. Sin embargo, la cantidad de llaves crececuadráticamente con la cantidad de entradas, por lo que en cierto punto se hace muycostoso. Además se pueden llegar a perder conexiones por uso descontrolado de lasllaves, por lo que hay probabilidad de bloqueo.

Conmutación TST:

Utiliza una combinación de los dos tipos de conmutación:

Temporal (T) – Espacial (S) - Temporal (T)

Las tramas que salen de T y entran S, son lo más grande posible para minimizar elnúmero de llaves de conmutadores S.

El conmutador T aumenta por lo menos “16 veces” la capacidad del conmutador S.

Como el conmutador T permite salida paralela de datos (conmuta cada trama en el

tiempo, varias a la misma vez), el conmutador S puede tomar las distintas salidas de T yhacer la conmutación espacial entre ellas.




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7.4- Conmutación de Paquetes:

Según se utilice datagramas o circuitos virtuales, la conmutación va a serdiferente. Conceptualmente son similares, cada paquete tiene un encabezado con un

identificador para su encaminamiento. EL conmutador, tiene tablas que le permitendeterminar la interfaz de salida y las modificaciones a realizar en el encabezado, enfunción del encabezado original y la interfaz de entrada.

Circuitos Virtuales:

Primero se establece una conexión lógica mediante paquetes de control. No esun camino físico dedicado, sigue siendo compartido. Cada paquete tiene unidentificador de circuito virtual (VCID) para que el conmutador determine la interfaz desalida. Los VCID tiene validez local, es decir cada conmutador tiene una lista distinta deidentificadores y los cambios que hacer (“swapping”).

Características:

Paquetes llegan en orden. Menos decisiones de encaminamiento. Confiabilidad: incluyen control de flujo, reconocimiento y control

de errores.

Datagramas:

Cada paquete tiene su propia cabecera con direcciones de origen y destino, y se procesan de manera independiente. A pesar de ser fragmentos de un mismo mensaje, pueden seguir caminos diferentes, por lo que pueden llegar desordenados a destino.Cada conmutador decide por cual interfaz debe enviar el paquete que se dirige a ciertodestino.




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7.5- Jerarquía de Centrales:

Una central telefónica es una entidad que gestiona conmutación o enrutamientode la llamada.

Las centrales pueden conectar circuitos entre abonados o terminales:

De una misma zona, de radio variable 2 a 10 km (llamada local). De zonas diferentes, incluso de estados o países diferentes (llamada interurbana

o internacional).

En las llamadas locales interviene una sola central o incluso únicamente la URA,mientras que en las llamadas internaciones intervienen varias centrales.

Figura 7.5.1: Tipos de llamadas.

La jerarquía entre centrales es por diferentes clases:

Figura 7.5.2: Jerarquía entre centrales.

Las centrales internacionales conectan operadoras de distintos países. Lasinterurbanas o de tránsito conectan centrales de distintas ciudades y son sólo de tránsito.Las tándem interconectan centrales entre sí, la mayoría son solo de tránsito. Lascentrales locales interconectan abonados entre sí, tienden a desaparecer. Las URAS sonminicentrales con funcionalidades limitadas, por ejemplo no facturan. Concentran de1000 a 2000 abonados para disminuir la carga de centrales mayores. Están remplazandoa las centrales locales, en Uruguay hay 4 centrales tándem (Central, cordón, aguada y

unión).




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Tema 8 – Transmisión y sincronismo

Por transmisión entendemos a los sistemas de elementos interconectados que

permiten transmitir señales entre los distintos nodos de la red.

8.1- Transmisión en redes de circuitos:

PDH:

PDH (“Plesiochronous Digital Hierarchy”) o Jerarquía digital plesiócrona (casisincronizadas) es una tecnología que permite enviar varios canales telefónicos sobre unmismo medio usando técnicas de multiplexación por división de tiempo. Utiliza las

distintas jerarquías de PCM:

E1: 30 canales de voz (más 2 de control), 256 bits a una velocidad de 2 Mbps. E2: 120 canales (4 E1), 848 bits a una velocidad de 8 Mbps. E3:480 canales (4 E2), 1536 bits a una velocidad de 34 Mbps. E4:1920 canales (4 E3), 2904 bits a una velocidad de 140 Mbps.

Para compensar las diferencias de reloj, se leen todas las tramas al menos la máximavelocidad permitida, y se introducen bits de relleno en las tramas más lentas. Se señalizaal receptor sobre cuáles son los bits de relleno, para reconstruir la trama original

Características:

Sistema complejo y caro. El acceso a las tramas multiplexada es muy complejo (requiere un equipo

ADM = “Add Drop Multiplexer”). El primer nivel de multiplexión (E1) es por bytes, los superiores por bits. El sincronismo de la trama se consigue agregando palabras de

alineamiento.

SDH:

SDH (“Synchronous Digital Hierarchy”) es un sistema que trata de superar laslimitaciones de SDH. Estandariza una velocidad básica de 155.520 Kbps y jerarquíassuperiores de N x 155.520 Kbps. Sincroniza a toda la red, duración de tramas uniformes(125 microsegundos)




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Transporte óptico:

WDM (“Wavelength Division Multiplexing”) es una tecnología que empleamúltiples longitudes de onda para transmitir diferentes flujos de datos sobre una mismafibra óptica. Se dividen en dos categorías según el patrón de lambdas empleado:

CWDM y DWDM. CWDM (“Coarse Wavelength Division Multiplexing”): Es una tecnología que

provee espacios amplios entre lambdas. Permite el uso de equipos menossofisticados y más económicos. Utiliza 18 lambdas equidistantes a 20 nm entresí. Límites: 80 km para una señal de 2.5 Gbit/s.

DWDM (“ Dense Wavelength Division Multiplexing”): Utiliza el mismo rangode frecuencias que CWDM pero empleando más portadoras y por lo tanto menosdistancia entre sí.

Figura 8.1.1: WDM.

Equipamiento:

1. Transceiver: Convierte una señal full dúplex eléctrica en una óptica.2. Transponder: Convierte una señal óptica de una lambda a otra lambda.3. Regeneradores: Reconstruyen la señal óptica.4. Multiplexores y demultiplexores.5. Conmutador óptico (OXC): Análogo al conmutador de circuitos TST.

ONT: Es un conjunto de elementos de Red Óptica, conectados por fibras capaces de proveer funcionalidades de transporte, multiplexión, conmutación, gestión y supervisiónde los canales ópticos.




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8.2- Transmisión de paquetes:

MPLS:

MPLS (“Multi Label Protocol Switching”) es un protocolo de transporte de paquetes predominante. Permite conmutación de paquetes a altas velocidades, debido al uso deetiquetas de largo fijo insertadas en los encabezados.

Características:

Se basa en la asignación e intercambio de etiquetas. Separa el routing del forwarding. Permite generar ingeniería de tráfico. Agnóstico a los protocolos de capa 2.

Opera de manera independiente a los protocolos de ruteosuperior. Se basa en el establecimiento de circuitos virtuales.

Arquitectura:

LER (“Label Edge Router”): es el nodo de borde, se encarga declasificar (push de etiqueta) el tráfico que ingresa al dominio,extrae la etiqueta del tráfico que sale (pop), realiza permutaciónde etiquetas para el tráfico en tránsito (swap).

LSR (“Label Switching Router”): Nodo de núcleo, dispositivo

especializado en intercambiar etiquetas. FEC (“Forwarding Equivalence Class”): es la clase en la que se

agrupan todos aquellos tráficos similares. Cada LSR construyeuna tabla (LIB) para saber a qué FEC debe corresponder un

paquete. LSP (“Label Switched Path”): Es el camino que siguen todos los

paquetes de un mismo FEC.

Funcionamiento:

LER recibe el tráfico a la entrada del dominio MPLS. Clasifica el tráfico. Asigna una FEC según su LIB, y asigna una o más etiquetas

MPLS. Envía el tráfico por el LSP asociado. Dentro del LSP, cada LSR examina únicamente la etiqueta más

externa (más próxima a capa 2).




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Tema 9 – Señalización

9.1- Señalización entre centrales y teléfonos:

Señalización analógica:

Se realiza mediante la corriente de bucle o loop start. Se envía la identificación delabonado mediante tonos DTMF o señalización FSK.

Señalización digital:

ISDN:

ISDN (“Integrated Service Digital Netwrok”) propone llegar digitalmente hasta losabonados, y brindar servicios de valor agregado de telefonía y datos. La arquitectura deISDN se basa en el modelo OSI de capas.

La capa 1 (capa física) establece los formatos de las tramas ISDN. La capa 2 (capa de enlace) realiza el control de errores o control de flujo.

También conocido como LAPD (“Link Access Protocol for the D channel”). La capa 3 (capa de red) permite el intercambio de información entre origen y

destino.

EN la figura siguiente se aprecia el flujo de datos en ISDN.

Figura 9.1.1: Flujo ISDN.




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ISDN BRI ("Basic Rate I nterface”): Dos canales de audio de 64 kbps y un canaldigital de 16 kbps para la señalización.

ISDN PRI (“Primary Rate Interface”): 30 canales de audio de 64 kbps y uncanal digital de 64 kbps para la señalización.

Señalización IP:

H.323:

Es un estándar base para las comunicaciones de audio, video y datos a través deredes IP, que no proveen calidad de servicios garantizada. H.323 es aplicable acualquier red conmutada de paquetes, con independencia de lso protocolos utilizados enla capa física

Componentes: Terminales:

Teléfonos multimedia IP. Deben soportar comunicación de voz, yopcional de video y datos. La recomendación establece los tiposde códec que se pueden utilizar (G.711 como mínimo).

Gateways:Realizan funciones de interconexión entre sistemas H.323 ysistemas de otro tipo (ISDN o PSTN).

Gatekeepers:Actúan como “punto central” de las llamadas de una determinada

zona (traducción de direcciones, gerenciamiento de ancho de banda, ruteo de llamadas, etc.).

Multipoint Control Units:Soportan conferencias entre 3 o más puntos.




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SIP:

SIP (“Session Initiation Protocol”) es un protocolo de señalización IP, basado en elesquema “request” – “response” de HTTP. A diferencia de H.323 todos los mensajes

son de texto plano, y por lo tanto fáciles de interpretar.

Figura 9.1.2: Ejemplo de una llamada SIP.

Los mensajes Request tienen un formato: <Método> <URL> <SIP-Version>. Donde elmétodo puede ser: Invite, ack, option, bye, etc.

Las respuestas SIP son del estilo HTTP: <SIP-Version> <Status-Code> <Reason>

Figura 9.1.3: Comparación H.323 y SIP.




9.2- Señalización entre centrales públicas:

SS7:

SS7 es un sistema con su propia arquitectura de red y conjunto de protocolos quedescriben una forma de comunicación de señalización entre los conmutadorestelefónicos de una red de telefonía pública. En la actualidad SS7 es el responsable delruteo de las llamadas entre los distintos países. Permite llamadas prepagas, roamming,“International callback”, e identificador de llamadas.

Arquitectura:

Signaling Point (SP): nodos de la red.De tres tipos:

o SSP: Conectan terminales de usuarios a lared SS7.o STP: Enrutadores de mansajes dentro de

SS7.o SCP: Interfaz para acceder a aplicaciones

de la base de datos. Signaling Data Links (SDL): Tipos de enlaces, diferentes según

los nodos que conectan. Signaling Units (SU): Mensajes de señalización.

SIGTRAN:

Es una familia de protocolos que proporcionan un servicio de datagramasconfiable y adaptaciones de las capas de usuario para señalización SS7 e ISDN sobreredes IP. Emplea un protocolo de capa de transporte llamado Stream ControlTransmission Protocolo (SCTP) en lugar de TCP o UDP.

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