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Voice Over IP su connessione analogica e ISDN

Le tecnologie di compressione della voce dedicano una banda che varia dai 4 kbit/sec. agli 82 kbit/sec. nei formati di compressione meno efficienti. Ad esempio il GSM codifica la voce con algoritmo RPE-LTP (Regular Pulse Exitation - Long Term Prediction) con LPC (Linear Predictive Coding) loop e campionamento a 13 kbit/s. Esiste un encoder della voce a 13 kbit/s.

La voce umana ha uno spettro di circa 2 Khz che, per il teorema di Shannon –chiamato anche disuguaglianza di Nyquist-, richiede una larghezza di banda di almeno 4 Kbit/sec. Secondo tale teorema è possibile ricostruire correttamente un segnale continuo, variabile nel tempo, da una serie di valori digitali discreti quando questi sono stati presi con una frequenza di campionamento pari o superiore al doppio della massima frequenza contenuta nel segnale in input. Ad un kilohertz di segnale analogico corrisponde un kbit/sec. di segnale digitale: per avere un buon campionamento occorre però il doppio di banda.

Tuttavia, con i formati di compressione diventa possibile ridurre drasticamente la banda richiesta, la compressione interviene dopo la digitalizzazione della voce e prima del suo invio. Non è infatti possibile comprimere un segnale analogico. Esistono frequenze del segnale digitali anche superiori alla frequenza della voce naturale; il segnale analogico rimane il limite da raggiungere per il campionamento digitale, la frontiera con la qualità dell'audio migliore.

Un segnale analogico ha una qualità in generale maggiore di uno digitale ed è il massimo e il riferimento da raggiungere. Frequenze di digitalizzazione superiori hanno un'utilità limitata perchè non aggiungono informazione al segnale di partenza, come la copia non può essere migliore dell'originale.

Per la trasmissione di video le tecnologie attuali(RealAudio e Microsoft Media Player) richiedono una larghezza di banda di almeno 50 kbit/sec., per evitare il flickering delle immagini, che tradotto in Italiano vuol dire pressappoco “esaurimento nervoso di chi le guarda”.

Con tale frequenza di campionamento per la conversione del segnale analogico della voce in uno digitale è possibile l'invio di traffico voce su Internet. Le connessioni analogiche raggiungono velocità di 56 kbit/sec. solamente per il download di pagine internet. Per il download di altri file o il downstream della voce la velocità massima è 33 kbit/sec. Anche l'upstream del 56 K è 33.6 Kbit/s.

Una chiamata via Internet richiede una banda maggiore della frequenza di campionamento della voce sia in upstream che in downstream, essendo la comunicazione telefonica bidirezionale (full duplex).

Altrimenti almeno uno dei due interlocutori riceve i pacchetti nell'ordine scorretto e ascolta in pratica parole senza senso, sillabe non nella giusta sequenza.

Mentre per dati quali bit di pagine internet o di file scaricati, il modem è in grado di fare controlli, interpolare (ossia ricostruire) pacchetti e sequenze di bit danneggiate e al limite richiedere il rinvio, non esistono controlli che rimedino ai difetti di trasmissione della voce; la coppia di modem è "invisibile" agli utenti anche nel senso negativo, di non poter migliorare la qualità della comunicazione.

Utilizzando un adeguato protocollo di comunicazione ossia formato di compressione della voce che limiti il campionamento intorno ai 12-13 kbit/sec. è possibile con un pacchetto-voce trasmesso per secondo avere pacchetti di dimensione=12000<1500 byte(che sono 12000 bit appunto; 1 byte=8 bit), al di sotto della soglia critica che crea problemi con connessione Internet.

Con linea ISDN si dispone di una connessione simmetrica su due linee: la velocità in upstream è la stessa che si ha in downstream. Con una larghezza di banda di 64 kbit/sec., ovvero impegnando anche una sola linea, è possibile stabilire una chiamata Voice Over IP anche con formati di compressione della voce meno efficienti che campionano a 50-60 kbit/sec.(sempre riferendosi a pari valore di un indice di qualità della riproduzione). Con l'utilizzo dei due canali ISDN è possibile gestire due chiamate Voice Over IP contemporaneamente.

In America, come è detto più sopra nell'articolo, gli operatori telefonici utilizzano il Voice Over Ip fino all'abitazione dell'utente; dunque, anche l'ultimo miglio è digitalizzato per consentire la comunicazione. Il vantaggio di un'estensione delle connessioni ISDN per la digitalizazione dell'ultio miglio è meno utilizzato dalle compagnie europee.

Operativamente oltre a disporre di un programma di Voice Over IP come Skype o Asterisk occorre installare un codec di compressione della voce, che è il protocollo di comunicazione che dovrà essere installato anche sull'altro terminale. Fra questi codec rientrano:GSM 6.10, ILBC, Speex 15.2k, Speex 8.0k, G.771 A-Law, G.771 U-Law.

Le ultime versioni di programmi quali Skype danno una buona qualità della chiamata anche a 56 kbit; in generale i programmi che stabiliscono una connessione punto-punto con il pc/telefono fisso chiamato hanno tempo di latenza parecchio inferiori rispetto alla composizione del numero da un sito web(come accade ad esempio nel servizio di Tiscali).

Problemi aperti

Le reti IP non dispongono di per sé di alcun meccanismo in grado di garantire che i pacchetti di dati vengano ricevuti nello stesso ordine in cui vengono trasmessi, né alcuna garanzia relativa in generale alla qualità del servizio. Le attuali applicazioni nel mondo reale della telefonia VoIP si trovano a dover affrontare problematiche legate a problemi di latenza (sostanzialmente si deve ridurre il tempo di transito e di elaborazione dei dati durante le conversazioni) e di integrità dei dati (prevenire perdite e danneggiamenti delle informazioni contenute nei pacchetti).

Il problema di fondo della tecnologia VoIP è la corretta ricostruzione dei pacchetti di dati ricevuti, tenuto conto del fatto che durante la trasmissione può cambiare la sequenza dei pacchetti e che alcuni pacchetti possono aver subito perdite o danneggiamenti delle informazioni contenute, e assicurare così che lo stream audio (flusso audio) mantenga la corretta coerenza temporale. Altro importante problema è mantenere il tempo di latenza dei pacchetti sufficientemente basso, in modo che l'utente non debba aspettare troppo tempo prima di ricevere le risposte durante le conversazione.

Altri problemi e soluzioni proposte

• Alcune implementazioni sono in grado di distinguere via hardware i pacchetti VoIP dagli altri, ed assegnare di conseguenza ad essi una priorità maggiore.
• È possibile memorizzare in un buffer i pacchetti, per rendere la trasmissione più asincrona, ma ciò può tradursi in un aumento del tempo di latenza, simile a quello delle trasmissioni satellitari.
• Il gestore della rete dovrebbe garantire una larghezza di banda sufficientemente ampia, per ridurre il tempo di latenza e le perdite di dati. Tuttavia ciò, mentre è relativamente facile nelle reti private, è molto più difficile quando si usa internet come mezzo trasmissivo.
• Con velocità minori di 256 kbit/s possono aversi problemi di jitter (letteralmente nervosismo, tecnicamente errore nella base dei tempi quando un campione digitale è convertito in segnale analogico). Il problema è causato dal fatto che il processo di serializzazione di grossi pacchetti di dati (maggiori di 1500 bytes) rende necessaria una notevole frammentazione dei pacchetti stessi per ridurre il ritardo di trasmissione. Più si riduce la velocità, più si rende necessaria la frammentazione dei pacchetti per assicurare una qualità accettabile della riproduzione vocale

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