CINIT | Centro de Investigación e Innovación en Telecomunicaciones, A.C.

Mediciones para la Telefonía IP en la Red de Cable
19-Junio-2007
Traducción: Irazú Muñiz

Por su comportamiento, todo parece indicar que los operadores de cable encontraron petróleo cuando comenzaron a ofrecer el servicio de telefonía. Muchas compañías comenzaron a experimentar tasas de penetración del 20% y hasta mayores. Un operador independiente remarcó que “lo único que debes hacer es, abrir tu negocio, anunciar que ya estás ofreciendo telefonía y a partir de ese momento tendrás dos semanas de pedidos atrasados.”

La analogía que se hace con el petróleo tiene otras implicaciones que no están precisamente relacionadas con la cuestión de las ganancias económicas. De la misma manera que sucede con el petróleo crudo, la información que define una llamada telefónica necesita ser procesada y transportada para darle valor. La fluidez en los ingresos es constante si los operadores de cable hacen pruebas en tres niveles para garantizar la calidad en el transporte y en el producto, y exceden por mucho las expectativas de sus consumidores.

Figura 1. Medidas utilizadas en las pruebas a la telefonía IP

La figura 1 relaciona tres niveles de pruebas y mediciones en distintos puntos de un sistema de cable. En el nivel más bajo se analiza la calidad de la portadora de señal a través de mediciones analógicas comunes como la tasa portadora a ruido (CNR, carrier-to-noise ratio), batidos de segundo orden (CSO, composite second order), batidos de tercer orden (CTO, composite third order) – comúnmente llamado triple batido compuesto (CTB, composite triple beat) – y la potencia del canal.

En el siguiente nivel se hacen mediciones cuantitativas y de constelaciones, tales como la tasa de error de modulación (MER, modulation error ratio) y la tasa de bits en error (BER, bit error rate) para obtener una muestra de cuán sana es la señal digital.

Finalmente, la calidad de la llamada en sí, se mide con el grado de opinión promedio (MOS, mean opinion score) u otros parámetros derivados de éste.

Los puntos en que se inicia la adquisición de pruebas dependen totalmente de la situación. Para la introducción de nuevos servicios, lo más sensato es iniciar con la calidad de la portadora para tener buenos cimientos que respalden la oferta. No obstante, el camino más certero cuando se trata de resolver la queja de un cliente sobre la calidad de voz de un servicio que ya se ofrece tiempo atrás, debería comenzar por mediciones del MOS.

La Tubería es el Medio Físico
La calidad de la telefonía comienza en el medio físico. Para los sistemas de cable, este medio es la planta HFC que transporta la información analógica y digital hacia las interfaces de red en los hubs o cabeceras. A pesar de que nuestra telefonía es información digital, nuestro mecanismo de transporte aún es analógico. Las degradaciones que afectan severamente el CNR y ocasionan la presencia de distorsiones de intermodulación (CSO y CTB), generan en la información digital el mismo efecto de obstrucción que se observa en una tubería que transporta petróleo. El daño ocasionado por cambiar las representaciones de los bits de datos en una portadora analógica, se vuelve acumulativo. Exceder el umbral de pérdida de paquetes, al principio altera y luego interrumpe completamente una conversación de voz. A pesar de que en las implantaciones de VoIP más recientes se sugirió un máximo de 3 por ciento en la pérdida de paquetes, la experiencia demuestra que es mejor apuntar entre 0.1 y 0.5 por ciento en voz y no más de 1 por ciento para datos a alta velocidad.

DOCSIS establece los siguientes parámetros para limitar las degradaciones físicas.

Downstream	Upstream
CNR > 35 dB	CNR > 25 dB
CSO y CTB > 41dB	Portadora/ingresos y portadora/interferencias > 25dB

Tabla 1. Límites establecidos por DOCSIS para degradaciones físicas

La potencia del canal tiene un efecto distinto. Debido a que la modulación digital extiende la información a través del espectro de frecuencias, en condiciones normales de operación, la suma de la potencia promedio del canal de todos los servicios digitales más la potencia pico del canal analógico, no debiera exceder las especificaciones de potencia del láser. Observe que los ingresos se sumarán a este total.

Tradicionalmente, el analizador de espectro se utiliza para medir estos parámetros. Sin embargo, debido a que la calidad de la planta es crítica para la transmisión de señales digitales, la mayoría de los fabricantes de instrumentos de medición han incorporado en sus dispositivos portátiles multifuncionales, lecturas numéricas de estos indicadores para la medición en campo de los tres niveles. Como ejemplo está el Medidor de Activación de Servicios Digitales de JDSU, el Trilithic 869 DSPi y el CM1000 de Sunrise.

Navegando en las Estrellas
La modulación por amplitud en cuadratura (QAM) genera el diagrama de una constelación en el cual las “estrellas” representan combinaciones de unos y ceros pertenecientes a las muestras periódicamente tomadas de la conversación de voz. En su momento, los matemáticos comprobaron que la reproducción perfecta de una conversación telefónica se logra obteniendo 8,000 muestras por segundo de la misma, así que cualquier falla que mueva a las estrellas de su posición o las difumine progresivamente, degradarán la calidad de la llamada. Los parámetros analógicos discutidos anteriormente pueden ser una causa de tales desajustes. Otra, los codecs utilizados para transformar la voz analógica en su equivalente digital.

La inspección visual de la constelación puede resaltar varias fallas en la red. Por ejemplo, el diagrama de la constelación en la figura 2 muestra problemas de fase.

Figura 2. Diagrama de la constelación mostrando problemas de fase

Como la cantidad precisa de degradación es difícil de determinar utilizando únicamente el análisis visual, la teoría matemática de muestreo se utiliza para cuantificar los errores resultantes. Los dos parámetros más usados para medir errores de modulación son el MER y el BER. Los dos están matemáticamente relacionados y ambos disponibles en las lecturas que generan los diferentes equipos de medición.

Para señales digitales, el MER fue desarrollado como un simple indicador de la salud del sistema físico, algo similar a la tasa señal a ruido (SNR) en banda base que se utiliza en sistemas analógicos. El MER puede definirse en términos de dos vectores, uno señalando a un punto ideal de la constelación (vector ideal), y el otro señalando desde un punto medido hacia el punto ideal (vector de error), tal y como se muestra en la figura 3.

Figura 3. Vectores utilizados para calcular el MER

Muestreos estadísticos y el mapeo de las constelaciones a coordenadas matemáticas, crearon una referencia numérica de desviaciones de la localización ideal de las estrellas que permitieron generar un simple número de MER para representar el desempeño de la señal con base al tiempo.

Esta figura numérica para el MER, matemáticamente se expresa como: MER(dB) = 20 log (magnitud de la señal promedio / magnitud del error promedio)

Tan sólo como referencia, el MER del downstream debiera ser de 27 dB o más para 64 QAM y 31 dB o más para 256 QAM. En el upstream, el MER debiera ser de 12 dB o más para QPSK y 18 dB o más para 16 QAM.

El Oído es el que Manda
A pesar de que la integridad de la portadora y de los bits es lo que soporta la calidad de la voz, a final de cuentas el factor determinante será la percepción del suscriptor. El MOS es ambas cosas, el estándar de oro y el predecesor de las pruebas de calidad de voz. Su metodología, la cual se remonta a los Laboratorios Bell en pruebas de equipo de red, consiste en reunir a un grupo de personas que califican la calidad de cientos de muestras de voz en la escala de 1 a 5, donde 5 representa la mejor calidad de voz.

La medida perceptual de la calidad de la voz (PSQM, por sus siglas en inglés), el sistema de medición del análisis perceptual (PAMS, por sus siglas en inglés) y la evaluación perceptual de la calidad de la voz (PESQ), entre otros, son variaciones de modelos que predicen la puntuación MOS basándose en la comparación de un archivo de voz de prueba que ha sido procesado por la red, contra un archivo de referencia limpio. Las pruebas que utilizan estos modelos se llaman intrusivos porque requieren una llamada de prueba dedicada en vez de conversaciones actuales. El modelo PESQ proporciona puntuaciones entre -0.5 y 4.5, donde 4.5 indica la mejor calidad, mientras que el MOS califica en el rango de 1 a 5. PsyTechnics, uno de los desarrolladores de PESQ, exige una correlación mejor al 90% entre el PESQ y el MOS.

El Modelo E de la ITU es una herramienta de diseño que predice la calidad de voz promedio de las llamadas procesadas por la red, basándose en estimaciones matemáticas de los efectos del retardo, jitter, pérdida de paquetes y desempeño del codec. Genera un factor R que califica una red en la escala de 0 a 100, donde 100 representa la mejor calidad. Debido a que las puntuaciones del modelo E están basadas en parámetros que pueden medirse con equipo de medición, varios fabricantes las han incluido en sus dispositivos para proporcionar lecturas de MOS.

De manera similar, P.563 de la ITU-T y PsyTechnics PsyVoIP son modelos no intrusivos que predicen una puntuación de MOS basada en el tráfico vivo. Estos modelos analizan las ráfagas del protocolo en tiempo real (RTP) para direcciones fuente y destino, número de secuencia y perfil del jitter, y predice el impacto que el protocolo de Internet (IP) tiene en el valor del MOS con un porcentaje de correlación entre 80 y 90.

Las pruebas automatizadas de la calidad de la voz hacen las mediciones mediante el promedio de distintas muestras de la llamada en un rango de tiempo. La aplicación de mayor valor se obtiene entre puntos de agregación de la red, por ejemplo entre gateways, con un gran número de llamadas de prueba para simular el comportamiento de la red en presencia de volúmenes de tráfico reales. Visto de esta manera, se puede establecer un número de calidad de la red puede como una métrica de referencia para otras pruebas. Cuando se analizan las puntuaciones de las pruebas para los distintos puntos de red, pueden compararse con el promedio de la red para determinar posibles fallas tales como un mal funcionamiento del codec en el MTA o propensiones como rutas insuficientes.

Midiendo la Calidad de la Voz
Los dos métodos más comunes que se utilizan para obtener puntuaciones MOS en una red de cable, son el uso de información tanto de llamadas actuales como de archivos de voz de prueba generados por un servidor ubicado en la red. Como se muestra en la figura 4, ambos métodos utilizan software de prueba en puntos de medición estratégicos en la red para recolectar estadísticas sobre pérdida de paquetes y retrasos y hacer comparaciones entre ellas. Los dispositivos de medición también puede ser equipo fijo montado en racks o unidades portátiles.

Figura 4. Arquitectura de red con software de prueba

En versiones anteriores a PacketCable 1.5 no eran necesarios los MTAs con cablemodem incluido (eMTA) que pudieran regresar datos para generar puntuaciones sobre la calidad de la voz. Casi todo el análisis de los datos de llamadas ocurre en puntos de agregación de la red y se realiza con equipo fijo montado en racks. Puntuaciones MOS bajas reflejan la existencia de algún problema en la red pero se requieren aún más mediciones para localizar el problema en la planta RF, en el bloqueo de tráfico o la degradación de los paquetes en los eMTAs.

Además de las pruebas analógicas y del análisis de las constelaciones, la detección intrusiva de fallas puede hacerse comparando las puntuaciones MOS provenientes de puntos de prueba en la red, con puntuaciones de prueba en terminales eMTA hechas con equipo de prueba portátil. En tal caso, un servidor con archivos de voz genera archivos de llamadas de prueba que viajan como paquetes hacia dispositivos de medición ubicados tanto en puntos de la red como en eMTAs. Con equipo de medición portátil, este tipo de medición de MOS puede hacerse en el upstream y en el downstream. Después de generar una puntuación MOS para el downstream a partir de un archivo de voz de red, el equipo de prueba colocado en el sitio del suscriptor envía su propio archivo de prueba para generar un equivalente para el upstream. Ambas puntuaciones se muestran como lecturas en el equipo de prueba en campo.

PacketCable 1.5 simplifica el proceso de detección de fallas y ofrece la posibilidad de hacerlo sin interrumpir el servicio, basta con tan sólo especificar los puntos terminales que deben intercambiar reportes bajo el protocolo de transporte en tiempo real (RTP) que sirven como medidas de información de las llamadas en vivo. Este requerimiento exige que el eMTA transmita el factor R del modelo E y puntuaciones derivadas de MOS, así como la pérdida de paquetes, paquetes eliminados por retraso, niveles de la señal y del ruido y pérdida por eco residual. Se espera que los eMTAs de esta versión de PacketCable predominen en los siguientes años.

Llegando al Fondo
La pregunta de cuándo y dónde se deben hacer las pruebas, está altamente determinada por una combinación entre calidad y economía. Pruebas amplias para precalificar la red son indispensables antes de iniciar la oferta del servicio telefónico y también cuando el sistema sufre nuevas configuraciones. Si no se contara con la disponibilidad automática de información proveniente de los terminales cuyas características han sido especificadas en PacketCable 1.5, la degradación potencial de la calidad que pudiera causar la pérdida de clientes tendría que equilibrarse con el costo que implica enviar a un técnico de campo a hacer mediciones sobre la calidad del servicio. La disponibilidad de datos del tipo RTCP XR* y la recolección automática de datos en puntos de administración centralizados en la red, permiten que haya un monitoreo continuo y la generación de datos para lograr una óptima calidad en la voz.

Fuente:
Justin J. Junkus
Communications Technology
Vol. 23, No. 4, April 2006
www.ct-magazine.com

*RTCP XR
Los reportes extendidos (XR, eXtended Reports) del protocolo de control de RTP (Real-time transport protocol) han sido dieseñados por el Internet Engineering Task Force para añadir información en los paquetes RTCP que se transmiten por los eMTAs que cumplen con la especificación PacketCable.

Los bloques con reportes extendidos contenidos en un paquete XR proporcionan una forma de enviar información desde terminales IP, útil para evaluar la calidad de la voz y razones de su degradación.

Son siete tipos de bloques definidos por la especificación que contienen información sobre pérdidas en paquetes recibidos, duplicados, tiempos de recepción de paquetes, información sobre el tiempo de referencia del receptor, retrasos entre reportes en el receptor, estadísticas detalladas de la recepción y puntuaciones sobre la calidad de la voz. A pesar de que originalmente la información sirve para intercambiarse entre terminales IP tales como eMTAs y gateways, la información puede obtenerse mediante detectores de software en puntos intermedios de la red, particularmente en puntos donde se ha colocado equipo de prueba para evaluar el desempeño de la red.