Sobrecarga de protocolo. Códecs.

Hoy vamos a explicar el concepto de la sobrecarga de protocolo. Veremos como el ancho de banda de una señal, aún comprimida, aumenta considerablemente a la hora de ser transmitida en una red de conmutación de paquetes.

Y para ello, vamos a tomar un ejemplo típico en comunicaciones, la voz.

La señal de audio (musical) presenta información en todo el espectro audible, esto es 20Hz a 20KHz. La mayoría de sonidos por encima de los 16KHz son prácticamente inaudibles, cuando no enmascarados por las frecuencias inferiores.

Una señal que represente voz humana (señal vocal) no suele tener información relevante más allá de los 10 kHz, y de hecho en telefonía se toman sólo los primeros 4 kHz. Con 2 kHz bastaría para que la voz fuese inteligible, pero no para reconocer al hablante.

Bajo esta premisa y con el criterio de Nyquist, la voz telefónica se muestrea a 8KHz.

Los codecs más importantes y optimizados para esta señal son:

G.711 es un estándar de codificación digital (no de compresión) de audio optimizado para la voz humana, con cuantificación de 8 bits por símbolo, con frecuencia de muestreo de 8000 muestras por segundo (8KHz). Por tanto, el codificador G.711 proporciona un flujo de datos de 64 Kbit/s.

G.729 es un algoritmo de compresión de datos de voz que comprime la voz a frecuencia de muestreo de 8000 muestras por segundo (8KHz) y cuantificación de 8 bits por símbolo a un flujo de datos de 8 Kbit/s. También existen extensiones que suministran tasas de 6.4 kbit/s y de 11.8 kbit/s para peor o mejor calidad en la conversación respectivamente.

 G.729 se usa mayoritariamente en llamadas por WAN de ToIP por sus bajos requerimientos en ancho de banda.

Sobrecarga de protocolo

Para transportar la voz de un lugar a otro en una red de paquetes necesitamos la ayuda de algunos protocolos. Así también, ya nos habremos dado cuenta de que estos protocolos transmiten datos adicionales que ocupan ancho de banda adicional a la voz propiamente dicha.

Algunos de estos protocolos son Ethernet, IP, UDP y RTP. En resumen, esto hace que el ancho de banda real para transmitir la voz sea mayor al del codec.

Por ejemplo, para transmitir voz usando G.711 en teoría deberíamos usar 64Kbps (peso del codec) cuando en realidad usamos 95.2Kbps de ancho de banda.  En otros codecs de mayor compresión la sobrecarga es incluso más significativa (porcentualmente hablando).

Hagamos un ejercicio sencillo usando como ejemplo el codec G.711. Veamos la siguiente figura para ilustrar mejor el ejercicio.

Sobrecarga de protocolo
Sobrecarga de protocolo

 Ilustración de la sobrecarga de protocolos usando G.711

Calculemos el ancho de banda para G.711 basándonos en la figura anterior, la cual nos muestra el desperdicio u overhead de cada protocolo. Sumemos ahora todos estos bytes enviados.

Bytes transmitidos por cada 20ms de audio = 38 + 20 + 8 + 12 + 160 = 238 bytes

Bits transmitidos por cada 20ms de audio = 238 bytes * 8 bits/byte = 1904 bits

Bits transmitidos cada segundo = 1904 bits/20ms * 1000 ms/seg . = 95,200 bits/s = ¡95.2Kbps!

 Al transmitir voz G.729 el Ancho de Banda varía en función del protocolo que sustente el tráfico IP, y puede variar en función del punto donde se mida. Como norma general se puede decir que siempre será inferior a 45 Kbps

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