RETI INTERNET MULTIMEDIALI

RETI INTERNET MULTIMEDIALI VoIP Introduzione, Codifica della voce Il documento è adattato da materiale cortesemente messo a disposizione dal Prof. Stefano Paris

VOIP Introduzione

Perché IP Telephony L integrazione di telefonia e IP rappresenta l opportunità di realizzare un sistema globale di comunicazione multimediale Riconosciuto il fallimento dapprima di ISDN come strumento di integrazione end-to-end di dati su reti fonia e successivamente di B-ISDN basata su ATM ci si è orientati sulla possibilità di integrare la fonia su reti dati l unica rete dati universale è basata su IP

Perché IP Telephony I vantaggi dell integrazione (gestione unificata di problematiche e risorse e servizi di comunicazione) si sommano ai vantaggi dell utilizzo di IP: Crescita Ubiquità Metodo di trasporto e interfaccia utente universali Metodi di scoperta delle risorse scalabili Servizi realizzati con protocolli end-to-end che utilizzano piattaforme aperte e che aprono la strada a molteplici manifatturieri e a forti innovazioni a basso costo

Vantaggi per l utente Utilizzo di apparati intelligenti (PC) che permettono di programmare direttamente servizi di chiamata e risposta Programmazione di call forwarding Es: in funzione dell ora, dirotta a numero specificato e, per mancata risposta, dirotta su voice mail Mobilità e portabilità del numero L identità dell utente sganciata dall indirizzo fisico di rete (associato alla terminazione della linea) consente l indirizzamento alla persona indipendentemente dalla sua posizione fisica

Vantaggi per l utente Messaggistica unificata Integrazione E-mail, voice mail, short message, Scambio di dati durante la chiamata, sessioni con video Multiconferenza, numeri personali Accesso remoto alla Intranet Completo utilizzo dell Intranet, compresa la telefonia Sganciamento dallo strato fisico Possibilità di connessioni diverse contemporaneamente Da casa per telelavoro

Vantaggi per l utente Qualità regolabile Le chiamate possono essere scelte o programmate con qualità scelta dall utente in modo da massimizzare il rapporto costo/prestazioni Le chiamate interne possono essere di alta qualità, mentre quelle esterne, o lunga distanza, possono essere a qualità ridotta per contenere la banda utilizzata

Vantaggi per il gestore privato Unificazione della gestione fonia / dati Gestione semplificata della fonia con interfacce standard e user friendly Unificazione di servizi voce dati (call centers, WEB, IVR, directory, security, certificazioni) Facile espandibilità di servizi Minor costo di servizi ed hardware Facilità di offrire servizi su reti IP

Vantaggi per l utente pubblico Toll bypass Linee multiple Click to dial Servizi avanzati di reperimento risorse Messaggistica universale Integrazione servizi di rete intelligente (IN) e Internet

Esempi di vantaggi per i carrier Integrazione delle reti PSTN, Wireless, IP Offerta di nuovi servizi Roaming Servizi avanzati di reperimento risorse Servizi alla persona Messaggistica universale Integrazione servizi di rete intelligente (IN) e Internet

Enti di standardizzazione International Telecommunication Union (ITU) Internet Engineering Task Force (IETF) AVT: RTP SIP: SIP per IP Telephony IPTEL: CPL and GLP SIPPING: estensioni SIP SIMPLE: SIP per Instant Messagging PINT (PIN): PSTN-Internet services MEGACO: Media gateway control SIGTRAN: Telephony signaling transport European Telecommunication Standards Institute (ETSI) Typhon

VOIP Codifica della voce

Qualità del segnale audio La codifica avviene a partire dalla rappresentazione digitale del segnale audio La rappresentazione di partenza può essere più o meno fedele, in relazione all'utilizzo che si intende fare del segnale audio Il segnale vocale può avere componenti fino ad una ventina di khz: per una sua perfetta riproduzione sarebbe necessario campionarlo ad una frequenza di 40 khz; d'altra parte la maggior parte dell'energia e dell'informazione è concentrata nei primi 4 KHz Usualmente si identificano tre livelli di qualità in funzione delle finalità d uso del segnale audio Frequenza di campionamento Qualità Caratteristiche Applicazioni 44kHz CD Riproduzione perfetta Multimedia 14 khz Audio Riproduzione quasi perfetta Videoconferenza 8 khz Telefonia Riproduzione buona Telefonia

Codificatori Vocali Funzione: trasformano la voce in un flusso di bit Tipologie: Waveform codecs sistemi a codifica della forma d onda Source codecs (vocoders) sistemi a codifica di parametri del modello della sorgente Hybrid codecs Sistemi misti

Waveform Codecs Codificano il segnale di banda B senza perdite Campionamento: si selezionano i campioni che rappresentano un segnale continuo nel tempo, passando a un segnale tempo-discreto Teorema di Nyquist: campionamento a 2B telefonia classica B= 4 KHz Quantizzazione: si rappresentano i valori dei campioni, di tipo analogico, con un numero di livelli discreto e finito operazione irreversibile uniforme o non-uniforme per addensare i livelli ove si concentra maggiore accuratezza massimo rumore di quantizzazione tollerabile telefonia base: 8 bit/campione = 64 kbit/s Campionatore ADC 00100001 alta qualità, bassa complessità, basso ritardo (1 campione), robustezza agli errori e al rumore di fondo

Pulse Code Modulation (PCM) Standardizzato da ITU nel 1960: G.711 Si assume B=4 khz, e la frequenza di campionamento Bc=8 khz, 8 bit/campione, 64 kbit/s Due differenti regole di quantizzazione (logaritmica) puntando a raffinare la granularità ove le ampiezze del segnale sono minori per America (m-law) e Europa (A-law) Regole di conversione standard Quantizzazione adattativa per adattarsi alla dinamica dei valori

Quantizzazione A-Law Encoding µ-law Encoding

Differential PCM (DPCM) I campioni vocali successivi presentano una correlazione E possibile utilizzare metodi di predizione per valutare il campione successivo noti i precedenti Si trasmette solo la differenza tra valore predetto e valore reale A causa della correlazione, la varianza della differenza è minore ed è possibile codificarla con un minor numero di bit Predittore - Camp. + + Quant.

Adaptive DPCM (ADPCM) Le prestazioni migliorano se predittore e quantizzatore sono adattativi Standardizzato nel 1980 da ITU ADPCM a 32 kbit/s: G.721 Successivamente ADPCM a 40, 32, 24, 16 kbit/s: G.726 e G.727 Predittore adattativo Bassa qualità camp. + - + quant. adattativo

Caratteristiche del segnale vocale La frequenza fondamentale, che varia in genere tra gli 80 e i 300 Hz in funzione del parlatore, è detta frequenza di pitch Fo, intendendo con la parola pitch il tono della voce. I suoni emessi in questo caso vengono detti sonori. I suoni sordi, o non vocalizzati, sono stimolati da una sequenza puramente casuale.

Spettro del segnale vocale

Modello a fonemi Filtro riverberante a parametri discreti Segnale in ingresso (treno di impulsi o rumore bianco) Parametri del filtro variati periodicamente (10-20 ms) Eccitazione Tratto vocale pitch rumore parametri filtro C n Un fonema è un'unità minima differenziante di un sistema linguistico: è la rappresentazione astratta di un suono

Produzione vocale Cavità nasale Bocca Tratto vocale Palato Labbra Lingua Mandibola Tunnel dell aria Dotto aereo Polmoni s Diaframma Articolatori Corde vocali Laringe Oscillatori

Modello del vocoder Modello elettrico equivalente Transfer function of the vocal tract Periodical excitation Voicing f Stochastic excitation V NV Spectrum shaping filter Gain Speech

Vocoder lineari (LPC) Modello della voce basato sul filtro lineare a parametri discreti (basato sulla predizione dei campioni) Ad intervalli regolari (10-20 ms) vengono stimati e trasmessi i parametri del modello coefficienti del filtro a i voiced/unvoiced flag, varianza del segnale di eccitazione, pitch, guadagno sˆ( n) p i 1 a s' ( n i i) Eccitazione (20 ms) gain S A(z) Voce sintetica La stima è effettuata minimizzando la varianza dell errore e( n) s n) s( n) ˆ(

Linear Prediction Coding Il sistema di produzione della voce è un modello autoregressivo: p s( n) a( k) s( n k) e( n) k 1 Parametri del modello stimati per ogni segmento (~30 ms). Parametri {a(k); k=1:p} ricavati risolvendo il sistema di equazioni Source Model unvoiced random sequence generator periodic pulse train generator V/U G u[n] Funzione di trasferimento: H( z) S( z) E( z) 1 k 1 Per codificare si trasmettono i parametri {a(k)} e G L ordine del modello è 8-10 H(z) = 1 P 1 a k z -k k = 1 Vocal Tract Model p G a( k) z k voiced

Vocoder lineari (LPC) Esempio: campionamento a 8000 Hz buffer 240 campioni => 30 msec G = 5 bit, a(k) = 8 bit ciascuno, voiced/unvoiced decision = 1 bit, pitch = 6 bit => 92 bits/30 msec = 3067 bps In decodifica un sintetizzatore utilizza i parametri ricevuti per riprodurre il segnale Ritardi elevati: segmentazione, analisi, sintesi Qualità: intelligibile ma non naturale (limiti modello + problemi con rumori di fondo) Bit rate basso: < 2.4 kbit/s

Vocoder lineari (LPC) Speech input signal Digitizer Waveform feature extraction Voiced/unvoiced Pitch Loudness Vocal tract analysis LPC Vocal Tract model coefficients Network Speech output signal Vocal tract model X Vocal signal synthetizer Loudness Voiced/unvoiced Pitch Unvoiced signal synthetizer LPC Vocal Tract model coefficients

Predizione short-term - risonanza del tratto vocale long-term - periodicità del parlato (vibrazione delle corde vocali) long-term prediction current sample short-term prediction time

Modelli di Eccitazione Eccitazione classica LPC a due stati (es. LPC-10) gain, pitch, flag voice/unvoiced Eccitazione mista eccitazione periodica e pseudo-random insieme 2 filtri di sintesi frequenze basse eccitazione periodica (il filtro a memoria lunga eccitato con un treno di impulsi regolari e riproduce bene i suoni vocalizzati) frequenze alte eccitazione pseudo casuale (rumore bianco gaussiano eccita filtro a memoria breve e riproduce bene le consonanti) Eccitazione residuale Eccitazione ideale: e(n) Codifica a basso bit-rate di e(n) Non e più un vero vocoder Verso codificatori ibridi

Hybrid Codecs Cercano di colmare il vuoto tra vocoder e waveform codec I più diffusi usano le stesse tecniche dei vocoder (LPC), ma ottimizzano alcuni parametri (segnale di eccitazione) minimizzando il segnale errore Encoder Decoder

Hybrid Codecs Multipulse-Excited Linear Prediction (MPLP), 1982 Impulsi non uniformi di ampiezze variabili Posizione e ampiezza di ciascun impulso sono determinate con procedura iterativa che minimizza una funzione dell errore es. MPLP 9.6 kbit/s di BTI per servizio Skyphone Regular Pulse Excitation (RPE) Sequenza di impulsi equi-spaziati Parametri: posizione primo impulso e periodo es. LPT-RPE GSM 13 kbit/s 8000 Hz, 13 bit/campione LTP: long term prediction

Codificatore GSM Codificatore LPC-LTP (Linear Prediction Coding- Long Term Prediction) con RPE (Regular Pulse Excitation) Standard ETSI Blocchi da 20 ms che producono 260 bit raggruppati in 3 livelli di importanza 50 ricevono massima protezione 132 ricevono una protezione media 78 non sono protetti per nulla Totale 13 kbit/s

Codificatore GSM Segnale vocale Campionatore quantizzatore segmentazione CODIFICATORE Analisi di breve periodo Analisi di lungo periodo Codifica RPE multiplazione Al trasmettitore RPE: Regular Pulse Excitation

Hybrid Codecs Code Excited Linear Prediction (CELP) La sequenza di eccitazione viene scelta tra un insieme di sequenze (code-book): un catalogo di realizzazioni che minimizzano l errore rispetto al segnale originale Le sequenze nel code-book sono realizzazioni di processi gaussiani Problema: complessità e lunghi ritardi dovuti alla ricerca della sequenza ottima nel code-book Semplificazione dell algoritmo mediante metodi efficienti di ricerca e modifica del code-book G.728 low delay CELP codec 16 kbit/s G.729 CS-ACELP codec 8 kbit/s G.723.1 ACELP 5.3 kbit/s Conjugate Structure Algebraic Code-Excited Linear Prediction Algebraic Code-Excited Linear Prediction

Code Excited Linear Prediction (CELP) CELP usa la quantizzazione vettoriale per rappresentare in modo compatto il residuo (errore di stima) Il vettore di ingresso viene ricercato nel code-book con l obiettivo di minimizzare l errore residuo

Codificatore CELP Speech samples Gaussian Excitation codebook Gain Pitch Synthesis filter LP parameters Spectral Envelope (LP) Synthesis filter Buffer and LP analysis - + Side information Perceptual Weighting Filter W(z) Compute Energy of Error (square and sum) Index of Excitation sequence

Decodificatore CELP From Channel decoder Buffer And controller Gaussian Excitation codebook Pitch Synthesis filter LP Synthesis filter LP parameters, gain and pitch estimate updates

Principali Codifiche Compressione Year Bit rate (kbit/s) Frame size (ms) Look ahead (ms) G.711 PCM 1972 64 0.125 0 Adaptive Differential Pulse-Code Modulation G.726 ADPCM 1990 32 1 0 G.722 Subband ADPCM 1988 48-64 0.125 1.5 Low Delay Code Excited Linear Prediction G.728 LD-CELP 1992-94 16 0.625 0 Conjugate-Structure Algebraic-Code- Excited Linear Prediction G.729 CS-ACELP 1995 8 10 5 Multi-Pulse Maximum Likelihood Quantization G.723.1 MP-MLQ 1995 6.3 30 7.5 Algebraic-Code-Excited Linear Prediction G.723.1 ACELP 1996 5.3 30 5 Regular Pulse Excitation Long Term Prediction RPE-LTP (GSM) 1987 13 20 0

Prestazioni dei Codec Mean Opinion Score 12-64 ascoltatori 5 livelli: excellent, good, fair, poor, bad excellent G.729 G.728 G.726 G.727 G.711 good G.723.1 GSM fair IS96(DAMPS) R.V.Cox, AT&T Com. Mag, Sept 97 poor bad 4 8 16 32 64 kbit/s

Adaptive Multi-Rate (AMR) Il codificatore Adaptive Multi-Rate (AMR o AMR-NB) è uno schema di compressione audio ibrido ottimizzato per il parlato (soggetto a brevetto) basato su ACELP (Algebraic Code Excited Linear Prediction) E un codificatore multi-rate che codifica segnali vocali a banda stretta(200-3400 Hz) a bit rate variabile tra 4.75 e 12.2 kbit/s con qualità telefonica a partire da 7.4 kbit/s Adottato dal 3GPP ad ottobre 1999 attualmente ampiamente usato per GSM e UMTS Si adatta alle caratteristiche del canale e seleziona una tra otto possibili bit-rate di codifica Trame di 20 ms contenenti 160 campioni (frequenza campionamento 8kHz) Lunghezze di trama variabili pari a 95, 103, 118, 134, 148, 159, 204, 244 bit con bitrate corrispondenti pari a 4.75, 5.15, 5.90, 6.70, 7.40, 7.95, 10.2, 12.2 kbit/s

Adaptive Multi-Rate (AMR) L adattamento del codec alla qualità del canale viene orchestrato dalla RNC Radio Network Controller TransCoder

Principi di funzionamento AMR Il funzionamento dinamico effettua un trade-off tra qualità della voce e livello di protezione: le velocità inferiori sono caratterizzate da una migliore protezione dagli errori, viceversa per le velocità più elevate C/I: Channel/Interference

MP3: MPEG 1 Layer III Codifica audio introdotta in MPEG 1 Sviluppato in origine dal Fraunhofer IIS nell ambito del progetto EUREKA EU147 Rilasciato nel 1993 Precisione 16 bit Frequenze di campionamento: 32KHz, 44.1 KHz, 48 KHz Tre livelli di compressione: Layer 1, Layer 2, Layer 3 (MP3) Layer 3: 32-320 kbps, target 64 kbps Layer 2: 32-384 kbps, target 128 kbps usato nel DAB Layer 1: 32-448 kbps, target 192 kbps

MP3 Utilizza le caratteristiche psicoacustiche dell audio per ridurre l informazione che non verrebbe apprezzata dall orecchio umano Si sfruttano i limiti dovuti alla mascheratura in frequenza e tempo che delimitano il campo dell udibile per modulare il rumore di quantizzazione, determinandone il livello dopo aver analizzato il segnale con un banco di filtri (32 sotto-bande nel caso MP3)

Codificatore MP3 Input: 16 bit a 44kHz - 768kbps Bande Equispaziate ~689Hz FFT utilizzata per trovare le soglie di masking

MPEG-2 AAC (Advanced Audio Coding) Standard per la codifica dei DVD-Audio Recordable (DVD-AR) Introdotto nel 1997 come MPEG 2 Layer 7 Lavora a 320 kbps con 5 canali per diverse direzioni del suono: Left, Right, Center, Left- Surround, and Right-Surround Fino a 48 canali, frequenza di campionamento tra 8 khz e 96 khz, bitrate fino a 576 kbps per canale

Qualità della voce ricostruita Oltre alla caratteristiche intrinseche della codifica, nelle reti trasmissive la qualità della riproduzione è influenzata anche da Ritardi di riproduzione eccessivi Eco Perdita totale o parziale di segmenti codificati Codifica-decodifica multipla

Soppressione dei silenzi Nelle conversazioni duplex il canale è usato per il 50% del tempo e in più ci sono le pause del parlato Utilizzabile in reti a pacchetto per ridurre la banda media occupata e aumentare la capacità a disposizione I silenzi vanno soppressi senza dare la sensazione di caduta della linea (rumore di fondo) Esistono molti metodi di silence-detection Decisione segmento per segmento basata su livello di energia Decisione con memoria (es. almeno due segmenti consecutivi di segmenti sotto soglia per l attivazione) Soglie adattative Meccanismi legati al codec

End-to-End QoS (ETSI Typhoon) NOTA: Sopra 25 ms di ritardo occorre buona compensazione dell eco B e s t H i g h M e d i u m B e s t E f f o r t M O S Q u a l i t y : 4. 0-5. 0 3. 8-4. 2 2. 9-3. 8 2. 0-2. 9 M o u t h - t o - 0 m s - 1 5 0 m s - 2 5 0 m s - 4 5 0 m s a n d E a r D e l a y : 1 5 0 m s 2 5 0 m s 4 5 0 m s a b o v e C a l l 0 s e c - 1 1 s e c - 3 3 s e c - 5 5 s e c a n d S e t u p : s e c s e c s e c a b o v e

Cause di ritardi in VoIP Cattura suono Compressione (framing, algoritmo + processing) Pacchettizzazione Trasmissione + Propagazione Processing + code nei router Playout delay Decompressione (processing) Resa suono

Esempio di un delay budget VoIP

Ritardo di compressione Compressione Bit rate (kbit/s) Frame size (ms) Look ahead (ms) Processing (ms) G.711 PCM 64 0.125 0 0 Adaptive Differential Pulse-Code Modulation G.726 ADPCM 32 1 0 0 Low Delay Code Excited Linear Prediction G.728 LD-CELP 16 0.625 0 0 Conjugate-Structure Algebraic-Code- Excited Linear Prediction G.729 CS-ACELP 8 10 5 0-10 Multi-Pulse Maximum Likelihood Quantization G.723.1 MP-MLQ 6.3 30 7.5 0-30 Algebraic Code Excited Linear Prediction G.723.1 ACELP 5.3 30 5 0-30 Regular Pulse Excited-Long Term Prediction RPE-LTP (GSM) 13 20 0 0-30

Pacchettizzazione E la procedura per cui uno o più segmenti di voce vengono raggruppati per la trasmissione su reti a cella o pacchetto E causa di ulteriori ritardi qualora occorra l accumulo di più segmenti codificati Ritardo di pacchettizzazione

Ritardo di pacchettizzazione Dipende dalla lunghezza del pacchetto (ms di voce) Si compone in modo più o meno additivo al ritardo di compressione In generale: buona compressione + pacchettizzazione prendono 20-30 ms + processing

Ritardo di trasmissione velocità del link 40 Byte (voce) 64 kbit/s 5 ms 128 kbit/s 2.5 ms 512 kbit/s 0.625 ms 2 Mb/s 0.16 ms X n. di link attraversati 10 Mb/s 0.032 ms Ritardo di propagazione: 5 ms /1000 km

Ritardi in rete Tecnica a circuito La banda totale è suddivisa in circuiti a 64 k Tecnica a pacchetto Multiplazione statistica Ritardi

Effetti della velocità dei link A B C D G711 Tx0 t Formazione pacchetto =Tx0 Tx1 latency A B C D Circuiti a 64 k: pipeline Store and forward su grossi circuiti Playout buffer

Ritardo in coda La teoria prova che i ritardi medio e percentile nella coda di trasmissione sono proporzionali al tempo di trasmissione T Un carico accettabile produce un ritardo pari a circa 1-2 volte T TX

Compensazione del jitter 1 2 3... Il ritardo variabile della rete causa Jitter Ritardo di playout e resync

Compensazione del jitter Il ritardo di playout del primo pacchetto deve essere settato per compensare il jitter massimo T out costante: settato a priori al valore massimo tollerato T out adattativo: variato durante i periodi di silenzio sulla base dei ritardi osservati nel periodo di attività precedente

Valutazioni di ritardo Nella rete telefonica, il cammino massimo USA da costa a costa offre un ritardo misurato (propagazione e apparati) di 90 ms Nel backbone le velocità sono elevate e i ritardi di trasmissione a pacchetto, e nelle relative code, sono frazioni di ms Ritardo di codifica, pacchettizzazione, decodifica, e processing 50 ms Assumendo un ritardo di buona qualità (200 ms max) restano 60 ms per ritardo nelle code e nel playout buffer

Misure di ritardo Chuck Fraleigh, NetVMG - Sue Moon, KAIST - Bryan Lyles, Independent Consultant - Chase Cotton, Mujahid Khan, Deb Moll, Rob Rockell, and Ted Seely, Sprint - Christophe Diot, Intel Research Packet-Level Traffic Measurements from the Sprint IP Backbone IEEE Network Nov. Dec. 2003 U.S. transcontinental delay distributions in Fig. 11 are obtained between San Jose and New York, and reflect 200 million packet matches in a 1 h period. Packets identified in these delay distributions crossed five POPs and eight core routers.

Backbone Sprint

Distribuzione del ritardo San Jose New York OC-48: Interfaccia SDH a 2.5 Gbit/s

Distribuzione del ritardo San Jose New York The minimum delays are 27.58 ms from OC-48-6 to OC-48-4 (from San Jose to New York), and 27.34 ms from OC-48-3 to OC-48-5 (from New York to San Jose); The average delays are 28.37 ms and 28.58, and the 99.9 percent delays are 28.99 ms and 31 ms, respectively. The jitter on these paths is limited to less than 3 ms. This amount of jitter is not sufficient to impact the performance of delay-constrained applications such as media streaming or VoIP. While we observe a very small number of packets that experienced delay above 100 ms. Router idiosyncrasies are identified as a cause of large delays. The main contributing factor in network delay is the speed of light

Valutazioni di Qualità Mean Opinion Score (MOS) Misura la chiarezza della voce Basato sull opinione di un gran numero di ascoltatori Standardizzato nella raccomandazione P.800 Score Quality of Speech 5 Excellent 4 Good 3 Fair 2 Poor 1 Bad Difetti: metodo complesso e costoso non adatto a misure continuate

Valutazioni di Qualità Perceptual Speech Quality Measurement (PSQM) Raccomandazione P.861 del 1996 Utilizza un confronto matematico fra segnale elaborato e segnale degradato operato attraverso operazioni che tengono conto delle modalità percettive I risultati sono tarati in modo da predire il MOS Difetti: pensato per i CODEC non riscontra i difetti tipici delle reti (errori del canale, perdita di pacchetti, clipping..)

Valutazioni di Qualità Perceptual Analysis Measurement System (PAMS) Sviluppato da BT a partire dal 1998 per ovviare a errori di PSQM Primo sistema adatto a testare in modo completo sistemi VoIP

Valutazioni di Qualità Perceptual Evaluation of Speech Quality (PESQ) Raccomandazione P.862 del 2001

E-Model L E-model è stato standardizzato dall ITU-T (G.107) per prevedere, in modo approssimato, la qualità del segnale vocale su un collegamento IP Dati il codec, e misure oggettive di ritardo e perdita di pacchetti (oltre ad altri fattori di degrado della comunicazione), con l E-model si determina una previsione approssimata del MOS che si otterrà su un collegamento telefonico IP L E-model è un utile strumento impiegato largamente nell industria per la progettazione preliminare e la pianificazione, anche se non è riconosciuto come strumento ufficiale da ITU-T

E-Model Si definisce una metrica R rating factor (compresa tra 1 e 100) La qualità R è definita come: R = R 0 - I s - I d - I e + A R 0 è il rapporto base segnale-rumore (es. rumore del circuito e dell ambiente); I s è il fattore di degrado simultaneo alla trasmissione del segnale vocale (es. quantizzazione); I d degrado imputabile ai ritardi del segnale vocale (eco parlatore, eco ascoltatore, ritardo assoluto); I e degrado imputabile al dispositivo (equipment); A: fattore di vantaggio dell utente (l utente è sempre proiettato a compensare degradi prestazionali e a non riconoscerli tanto più se si trova in condizioni meno favorevoli)

E-Model

E-Model

E-Model effetto del codec Valori di I E dovuti intrinsecamente a codec (ITU-T G.113) Adaptive Differential Pulse-Code Modulation Low Delay Code Excited Linear Prediction Conjugate-Structure Algebraic-Code- Excited Linear Prediction Algebraic Code Excited Linear Prediction Multi-Pulse Maximum Likelihood Quantization

E-Model effetto della perdita Valori di I E dovuti a effetto di perdite su codec (ITU-T G.113) Packet Loss Concealment Voice Activity Detection Enhanced Full Rate L impiego di tecniche di FEC (Forward Error Correction) o loss concealment richiede che questi valori vengano rivisti

E Model ritardo end-to-end

Ritardo Ritardo del codificatore: dimensione trama e algoritmico Ritardo di pacchettizzazione Ritardo di serializzazione T PD ritardo pacchettizzazione [ms] P S dimensione del payload [b] C BW banda del codificatore [kbit/s] T SER ritardo serializzazione [ms] L S velocità di linea [kbit/s] H L lunghezza dell intestazione [b]

Ritardo in coda Modello M/D/1/ con M sorgenti con distribuzione di Poisson che usano lo stesso codec Il carico è dato da stabilità in cui 0<r<1 per la l è il tasso di arrivo e m il tasso di servizio P S dimensione del payload [b] C BW banda del codificatore [kbit/s] T SER ritardo serializzazione [ms] T S tempo di elaborazione nel router [ms]

E-Model: Formula MOS=f(R) Mean Opinion Score (MOS CQE ) For R 0: MOS CQE 1 Mean Opinion Score Conversational Quality, Estimated For 0 R 100: For R 100: MOS 6 CQE 1 0.035R R( R 60)(100 R)7 10 MOS CQE 4.5 Excellent 5 MOS Good 4 Fair 3 Poor 2 Bad 1 0 20 40 60 80 100 R G.107_FB.2 Figure B.2/G.107 MOS CQE as function of rating factor R

POLQA POLQA (Perceptual Objective Listening Quality Analysis) Nuova generazione ITU-T P.863 per asseverare la qualità della voce in contesti evoluti: Requisiti super wideband : HD Voice, 3G, VoLTE (4G), VoHSPA e VoIP. Differenza tra POLQA e PESQ: Valutazione anche con alto livello di rumore di fondo Valutazione con gamma di frequenze tra 50 Hz e 14 khz Sensibilità alla distorsione lineare di frequenza

Quality of Experience (QoE) ITU-T Rec. E. 800 definisce la QoS come collective effect of service performance which determines the degree of satisfaction of a user of the service ITU-T Recommendation P.10/G.100, definisce la Quality of Experience (QoE) come, the overall acceptability of an application or service, as perceived subjectively by the enduser La QoE comprende tutti gli effetti del sistema end-to-end che concorre ad erogare al fruitore l esperienza di fruizione (client, terminale, infrastruttura di rete e di servizio) Il grado di accettazione del servizio può essere influenzato dalle aspettative dell utente e dal contesto

Le 4 viste della QoS secondo ITU-T E.800

Applicazione delle viste della qualità

QoE secondo ITU-T Rec G 1080 Le dimensioni della QoE secondo ITU-T Recommendation G.1080: "Quality of experience requirements for IPTV services" Quality of Service objective QoE subjective Human components Service factors Transport factors Application factors Emotions Service billing Experience

QoE secondo ETSI STF 354 [Brooks & Hestnes, 2010], [ETSI STF 354] QoE is a measure of user performance based on objective and subjective psychological measures of using a service or product using a service or product. NOTE 1: It takes into account technical parameters (e.g., QoS) and usage context variables (e.g., communication task), and measures the process and outcomes of usage (e.g., user effectiveness, efficiency, satisfaction, and enjoyment) NOTE 2: The appropriate psychological measures will be dependent on the communication context. Objective psychological measures do not rely on the opinion of the user (e.g., task completion time task accuracy ). Subjective psychological measures are based on the opinion of the user.

Requisiti QoS lato cliente ITU-T G.1001 End-user multimedia QoS categories Dal punto di vista del cliente finale, i requisiti di QoS richiesti dal servizio devono essere soddisfatti indipendentemente dalla modalità di implementazione di rete per lo specifico servizio: il cliente tende a confrontare la qualità dei servizi offerti da diversi operatori in base ad alcuni parametri di performance universali e user-oriented. Di nuovo, questi parametri (soggettivi o oggettivi) devono essere quindi considerati dal punto di vista del servizio (e della percezione che il cliente ne può avere) e non tengono contro della tecnologia o dell architettura di rete sottostante poiché vengono rilevati all end-point ma devono poter essere correlati in modo semplice alle performance della rete. I parametri maggiormente impattanti il cliente finale sono tre: il ritardo, la variazione del ritardo e la perdita di informazioni sul canale di comunicazione. Audio Video Data Background apps Conversational Voice Voice messaging Streaming audio Videophone One-way video Web-browsing Bulk data High priority transaction services (E-commerce) Command/control Still image Interactive games Telnet E-mail (server access) Instant messaging Fax Low priority transaction services Email (server-to-server) Usenet

Requisiti QoS lato cliente ITU-T G.1001 - Performance targets for audio, video and data applications Medium Application Degree of Typical datat Key performance parameters and target values symmetry rates one way delay delay variation information loss other Audio Conversational voice 2-way 4-64 kbps preferred: <150 ms limit: <400 ms < 1ms < 3% Audio Voice messaging 1-way 4-32 kbps <1s (playback) <2s (record) < 1ms < 3% Audio HQ streaming audio 1-way 16-128 kbps <10s <<1ms < 1% Video Videophone 2-way 16-384 kbps preferred: <150 ms Lip-synch: < 1% limit: <400 ms <80ms Video One-way 1-way 16-384 kbps <10s < 1% Data Web-browsing 1-way 10KB preferred: <2 s limit: < 4 ms n.a. 0 Data Bulk data 1-way 10KB - 10MB preferred: <15 s limit: < 60 ms n.a. 0 Data HP transaction services preferred: <2 s 2-way <10KB (E-commerce) limit: < 4 ms n.a. 0 Data Command/ control 2-way 1KB <250ms n.a. 0 Data Still image 1-way < 100KB preferred: <15 s limit: < 60 ms n.a. 0 Data Interactive games 2-way < 1KB <200ms n.a. 0 Data Telnet 2-way < 1KB <200ms n.a. 0 Data E-mail (server access) 1-way <10KB <200ms n.a. 0 Background apps Email (server-to-server) 1-way <10KB preferred: <2 s limit: < 4 ms n.a. 0 Background apps Fax (real time) 1-way 10KB < 30s/page n.a. <10e-6 BER Background apps Fax (store&fw) 1-way 10KB sereval mins n.a. <10e-6 BER Background apps LP transaction services 1-way <10KB < 30s n.a. 0 Background apps Usenet 1-way > 1MB sereval mins n.a. 0 Source: ITU-T G.1001 End-user multimedia QoS categories Tables I.1 e I.2

QoS offerta dal Provider ITU-T Y.1541 Network performance objectives for IP-based services Gli obiettivi di performance IP UNI-to-UNI si riferiscono al percorso tra le due User Network Interface. Il percorso UNI-to-UNI nella rete IP comprende il set di Sezioni di Rete (NS) e dei collegamenti tra le reti (Exchange Link, EL) che forniscono il trasporto dei pacchetti IP dalla UNI sorgente alla UNI destinazione. Le Sezioni di Rete possono considerarsi come Domini di operatore e possono includere le architetture di rete di accesso mentre l installazione presso il cliente (Customer Installation) comprende tutti i Terminal Equipment (host, router o LAN). Source: ITU-T REC Y.1540 IP packet transfer and availability performance parameters Figure 4 IP Network connectivity Source: ITU-T Y.1541 Network performance objectives for IP-based services Figure 1 UNI-to-UNI reference path for network QoS objectives

Upper bound on the mean IPTD Upper bound on the 1-10 -3 quantile of IPTD minus the minimum IPTD Upper bound on the packet loss probability Upper bound QoS offerta dal Provider ITU-T Y.1541 Network performance objectives for IP-based services QoS Class 0 1 2 Application (examples) Real-time, jitter sensitive, high interaction (VoIP, VTC) Real-time, jitter sensitive, interactive (VoIP, VTC) Transaction data, highly interactive (Signalling) 3 Transaction data, interactive 4 5 Low loss only (short transactions, bulk data, video streaming) Traditional applications of default IP networks Node mechanism Separate queue with preferential servicing, traffic grooming Separate queue, drop priority Long queue, drop priority Separate queue (lowest priority Network techniques Constrained routing and distance Less constrained routing and distances Constrained routing and distance Less constrained routing and distances Network performance parameter IPTD IPDV IPLR IPER 100ms 50ms 1x10-3 1x10-4 400ms 50ms 1x10-3 1x10-4 100ms U 1x10-3 1x10-4 400ms U 1x10-3 1x10-4 Any route/path 1s U 1x10-3 1x10-4 Any route/path U U U U Source: ITU-T Y.1541 Network performance objectives for IP-based services Tables I.1 e I.2 IPTD: IP packet Transfer Delay; IPDV: IP packet Delay Variation; IPLR: IP packet Loss Ratio; IPER: IP packet Error Ratio Gli obiettivi descritti si riferiscono a reti IP e prendono come riferimento due punti di misurazione che delimitano la rete IP end-to-end: lo standard richiede che questi obiettivi possano essere facilmente soddisfatti sulle reti IP e che gli operatori si debbano impegnare con i clienti a consegnare i pacchetti IP in ottemperanza ai requisiti espressi in tabella. Lo standard prevede inoltre che su alcuni percorsi di rete si possano realizzare risultati di performance molto migliorativi rispetto a quanto descritto in tabella. La sigla "U" indica "unspecified" o "unbounded : quando le performance relative ad un determinato parametro sono caratterizzate da U significa che lo standard non prevede di identificare alcun obiettivo per tale parametro: in questo caso, le misure effettuate per tale parametro possono fornire risultati a discrezione dell operatore.

QoS offerta dal Provider ITU-T Y.1221 Traffic control and congestion control in IP-based networks QoS Class 0 1 2 Application (examples) Real-time, jitter sensitive, high interaction (VoIP, VTC) Real-time, jitter sensitive, interactive (VoIP, VTC) Transaction data, highly interactive (Signalling) 3 Transaction data, interactive 4 5 Low loss only (short transactions, bulk data, video streaming) Traditional applications of default IP networks Node mechanism Separate queue with preferential servicing, traffic grooming Separate queue, drop priority Long queue, drop priority Separate queue (lowest priority Network techniques Constrained routing and distance Less constrained routing and distances Constrained routing and distance Less constrained routing and distances Any route/path Y.1221 transfer capabilities Dedicated Bandwidth (DBW) Delay-sensitive Statistical Bandwidth (DSBW) Associated DiffServ PHBs EF AF Any route/path Best-effort (BE) Default Remarks The IPLR objective only applies to the IP packets in the higher priority levels of each AF class. The IPTD applies to all packets. A legacy IP service, when operated on a lightly loaded network may achieve a good level of IP QoS. Source: ITU-T Y.1541 Network performance objectives for IP-based services - Table VI.1/Y.1541 Association of Y.1541 QoS classes with Y.1221 transfer capabilities and differentiated services PHBs DBW (Dedicated Bandwidth) DSBW (Delay-sensitive Statistical Bandwidth) BE (Best Effort) Definizione: pensata per applicazioni con requisiti di ritardo stringenti, si pone l obiettivo di garantire la consegna dei pacchetti IP nei tempi richiesti sul percorso end-to-end. Requisiti di QoS: a causa delle restrizioni relative alla perdita dei pacchetti e al ritardo, è previsto che questa caratterizzazione scarti tutti i pacchetti non conformi ai requisiti Definizione: pensata per applicazioni che non hanno requisiti di ritardo stringenti Requisiti di QoS: a causa delle restrizioni relative alla perdita dei pacchetti, è previsto che questa caratterizzazione consegni tutti i pacchetti non conformi ai requisiti solo se le risorse lo consentono. Definizione: pensata per applicazioni che non hanno requisiti stringenti di ritardo e perdita di pacchetti Requisiti di QoS: nessuna policy prevista per questo tipo di caratterizzazione

QoS erogata dal Provider ITU-T G.1011 Reference guide to quality of experience assessment methodologies Application Telephony Media Speech Conversational / Non-Conversational NONCONV CONV Subjective test methodology [ITU-T P.800] [ITU-T P.830] [ITU-T P.835] [ITU-T P.800] [ITU-T P.805] Objective test methodology Model FR/RR/NR Primary usage [ITU-T P.862]+[ITU-T P.862.1] (NB) [ITU-T P.862.2] (WB) [ITU-T P.563] (NB) [ITU-T P.564] (NB/WB) FR NR LAB, MON MON [ITU-T G.107] (NB) NR PLN [ITU-T P.561] + [ITU-T P.562] (NB/WB) Video-telephony Multimedia CONV [ITU-T P.920] [ITU-T G.1070] (NB/WB) NR PLN Video-streaming (Mobile TV/IPTV) Video Audio NONCONV NONCONV [ITU-T P.910] [ITU-T J.140] [ITU-R BT.500-12] [ITU-T P.830] [ITU-R BS.1116-1] [ITU-R BS.1285] [ITU-R BS.1534-1] Multimedia NONCONV [ITU-T P.911] [ITU-T J.144] (SDTV) [ITU-T J.247] (QCIF, CIF, VGA) [ITU-T J.249] (SDTV) [ITU-T J.246] (QCIF, CIF, VGA) NR FR RR NR MON LAB, MON MON MON [ITU-R BS.1387] FR/RR MON/PLN Web-browsing Data [ITU-T G.1030] NR PLN FR Full Reference LAB laboratory testing RR Reduced Reference MON monitoring NR No Reference PLN planning NB Narrowband MON Wideband PLN planning NR NR MON Source: ITU-T G.1011 Reference guide to quality of experience assessment methodologies - Table I.1 Existing Recommendations and current work in ITU on QoE assessment PLN

QoS erogata dal Provider ETSI EG 202 765-3 V1.1.2 (2010-07) IETF RFCs ITU-T Recommendations Framework RFC 2330 Y.1540, section 1-->5 Loss RFC 2680 Delay RFC 2679 (one-way) RFC 2681 (round-trip) Delay Variation RFC 3393 Y.1540, section 5.5.6 G.1020 Y.1540, section 6.2 G.1020 G.114 (one-way) Y.1540, section 6.2.2 G.1020 Connectivity / Availability RFC 2678 Y.1540, section 7 Loss Patterns RFC 3357 G.1020 Packet Reordering Packet Duplication Link/Path Bandwidth Capacity, Link Utilization, Available Capacity RFC 4737 RFC 5136 Bulk Transport Capacity RFC 3148, RFC 5136 Y.1540 [i.1], sections 5.5.8.1 and 6.6 Y.1540 [i.1], sections 5.5.8.3, 5.5.8.4, 6.8, and 6.9 ETSI EG 202 765-3 V1.1.2 (2010-07) - Speech and multimedia Transmission Quality (STQ); QoS and network performance metrics and measurement methods; Part 3: Network performance metrics and measurement methods in IP networks Table 1: Overview of Relevant Standards La tabella mostra gli standard di riferimento IETF e ITU-T per ciascuno dei parametri di QoS, utili per recuperare le definizioni e le modalità di misura per ciascuno di essi.

Requisiti QoS lato cliente Servizio dati Parameter Measure Information provided by Domanda ai clienti Login Time Time of fastest 80 % and 95 % of logins IAP Data transmission speed achieved Unsuccessful data transmissions ratio Successful log-in ratio Delay (one way transmission time) Maximum, minimum, mean value and standard deviation of transmission rate Percentage of unsuccessful data transmissions Percentage of successful log-ins Time in seconds Source: ETSI EG 202 057-4 V1.2.1 (2008-07) Speech Processing, Transmission and Quality Aspects (STQ); User related QoS parameter definitions and measurements; Part 4: Internet access Table 2: QoS parameters from the perspective of the user IAP IAP IAP IAP Possibilità di accedere a Internet ogni volta che si vuole - Velocità di navigazione (da una pagina all'altra) - Velocità di download file (musica, video, programmi) Affidabilità del servizio (nessuna interruzione) Possibilità di accedere a Internet ogni volta che si vuole - Velocità di navigazione (da una pagina all'altra) - Velocità di download file (musica, video, programmi) Incrociando quando indicato nelle Tabelle I.1 e I.2 contenute in ITU-T G.1001 End-user multimedia QoS categories e i parametri indicati nella tabella precedente si ottiene quanto segue. Parameter Login Time Data transmission speed achieved Videocall 16-384 kbps Unsuccessful data <1% PLR transmissions ratio Successful login Ratio Delay (one way P:<150ms transmission time) L:<400ms Video one-way 16-384 kbps <1% PLR <10s Web- Browsing Webpage in 1-way delay P:<2s L:<4s Bulk data HP trans. services 10K-10MB in 1-way delay P:<15s L:<60s <10KB in 1-way delay Command / control 1 KB in 1-way delay Still image <10 s <100 KB in 1-way delay Interactive games <1KB in 1-way delay Telnet <1KB in 1-way delay Tbd (dopo 5 tentativi consecutivi falliti si parla di network outage) P:<2s L:<4s <250 ms P:<15s L:<60s <200 ms <200 ms Email (server access) <10KB in 1-way delay P:<2s L:<4s Email (serverserver) <10KB in 1-way delay Several minutes LP trans. services <10KB in 1-way delay <30s Usenet >1MB in 1-way delay Several minutes

QoS erogata dal Provider ETSI EG 202 057-4 V1.2.1 (2008-07) Parameter Definition Measurement and statistics Login Time Data transmission speed achieved Unsuccessful data transmissions ratio Successful log-in ratio Delay (one way transmission time) Periodo di tempo che intercorre tra il momento in cui si stabilisce l interconnessione tra il Test-PC e il Test-Server e il completamento del login. Dopo 5 tentativi di login falliti si parla di ISP outage Rate di trasmissione dei dati che si ottiene dal download e dall upload di uno specifico file di test tra un sito remoto e il computer utente. Rapporto tra le trasmissioni fallite e il numero totale di trasmissioni tentate in un certo lasso di tempo di riferimento. Una trasmissione si definisce completata con successo quando il file di test è completamente trasmesso e ricevuto senza errori. Rapporto tra i login effettuati con successo rispetto ai tentativi totali quando la rete di accesso è perfettamente funzionante. Metà del tempo (in millisecondi) che intercorre tra due messaggi di ICMP Echo Request/Reply (Ping) verso un indirizzo IP valido. La misura deve indicare il tempo (in secondi) in cui avviene il login relativamente al 80% e al 95% dei login più veloci. Si deve tenere traccia del numero di login correttamente portate a termine. Si escludono dalle misurazioni i tentativi di login falliti. Per ciascuna direzione di trasferimento (upload/download) si deve fornire: a) La velocità in kbit/sec che rappresenta il 95% dei trasferimenti più veloci b) La velocità in kbit/sec che rappresenta il 5% dei trasferimenti più lenti c) Il valor medio e la deviazione standard della velocità in kbit/sec Il rate è calcolato dividendo la dimensione del file di test trasferito per il tempo di trasferimento richiesto per una corretta e completa trasmissione. La percentuale si ottiene sommando il numero totale delle trasmissioni fallite e dividendolo per la somma di tutti i tentativi di trasmissione del file di test. Il file di test deve essere incomprimibile, normalmente composto da una sequnza causale di numeri e deve avere una dimensione (in kbit) che sia almeno doppia della velocità massima teorica della linea (in kbit/secondo). Un tentativo di trasmissione del file di test deve ritenersi fallito nel caso richieda più di 60 secondi. La percentuale si ottiene dal rapporto tra la somma di tutti i login effettuati con successo e il totale dei tentativi effettuati. Un tentativo di login si considera completato con successo quando l utente è in grado di utilizzare un valido indirizzo IP e utilizzare i servizi via internet (compreso il servizio di DNS). Un tentativo di login è da considerarsi fallito qualora richieda più di 10 secondi. Devono essere fornite le seguenti statistiche: a) valore medio del delay in millisecondi b) la deviazione standard del delay Il ritardo è calcolato dividendo per 2 il tempo necessario per ottenere un Echo Reply Message come indicato in RFC 792. La deviazione standard è la misura per ii jitter. Source: ETSI EG 202 057-4 V1.2.1 (2008-07) Speech Processing, Transmission and Quality Aspects (STQ); User related QoS parameter definitions and measurements; Part 4: Internet access

Qo* value chain QoS QoD QoP QoE 1.QoS = Quality of Service 2.QoD = Quality of Delivery 3.QoP = Quality of Presentation 4.QoE = Quality of Experience

QoE per Video e Audio Requisiti per sincronizzazione e compressione I fattori che maggiormente influenzano la QoE sono: Qualità del materiale sorgente: garbage in = garbage out Qualità del codec standard Tipologie di video coder: MPEG-2, MPEG-4 AVC (noto anche come MPEG-4 Part 10 o H.264) Risoluzione Bit rate Se il bit rate è insufficiente, le forti compressioni necessarie possono determinare artefatti Tipo di flusso dati: Constant bit rate (CBR) vs. Variable Bit Rate (VBR) La codifica video con compressione è nativamente VBR, ma esigenze di semplicità di rete richiedono la trasformazione in CBR Gli stream VBR hanno qualità costante, mentre i flussi CBR hanno qualità variabile La lunghezza dei Group Of Picture influenza la qualità e la compressione