ITCT20130015A1 - Metodo e relativi apparati per il miglioramento del servizio di telefonia voip basato sulla duplicazione dei pacchetti ip trasmessi attraverso due o più accessi a rete dati di differenti operatori telefonici - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione avente per TITOLO

METODO E RELATIVI APPARATI PER IL MIGLIORAMENTO DEL SERVIZIO DI TELEFONIA VOIPBASATO SULLA DUPLICAZIONE DEI PACCHETTI IP TRASMESSI ATTRAVERSO DUE O PIU' ACCESSI A RETE DATI DI DIFFERENTI OPERATORI TELEFONICI

DESCRIZIONE GENERALE

La presente invenzione riguarda un nuovo metodo per il miglioramento della qualit? del servizio di telefonia VolP (Voice over Intenet Protocol) su terminali mobili (cellulare, smartphone, tablet, ecc.) attraverso la duplicazione dei pacchetti IP (Internet Potocol) e la relativa trasmissione attraverso due o pi? accessi alla rete Internet, eventualmente secondo differenti tecnologie (es. HSPA, HSDPA, WiFi, LTE, ecc.), erogati da differenti operatori (telefonici e/o di fornitura di dati).

In telecomunicazioni e informatica con Voice over IP {Voce tramite protocollo Internet), acronimo VolP, si intende una tecnologia che rende possibile effettuare una conversazione telefonica sfruttando una connessione Internet o una qualsiasi altra rete dedicata a commutazione di pacchetto che utilizzi il protocollo IP senza connessione per il trasporto dati.

Pi? specificamente con VolP si intende l'insieme dei protocolli di comunicazione di strato applicativo che rendono possibile tale tipo di comunicazione. Grazie a numerosi provider VolP ? possibile effettuare telefonate anche verso la rete telefonica tradizionale (PSTN).

Uno dei vantaggi di questa tecnologia ? che permette di fare leva su risorse di rete preesistenti, consentendo una notevole riduzione dei costi in ambito sia privato che aziendale, specialmente per quanto riguarda le spese di comunicazione interaziendali e tra sedi diverse. Una rete aziendale, infatti, pu? essere sfruttata anche per le comunicazioni vocali, permettendo di semplificare l'installazione e il supporto e di aumentare il grado di integrazione di uffici dislocati sul territorio, ma collegati tramite l'infrastruttura di rete. Il consumatore privato, utilizzando un collegamento ad Internet a banda larga (ad alta velocit? di trasmissione e sempre attivo), pu? effettuare e ricevere chiamate telefoniche da telefono fisso PSTN, potendo contare su tariffe molto economiche, soprattutto per le chiamate internazionali.

La tecnologia VolP richiede che il segnale vocale analogico venga preventivamente codificato in formato digitale tramite conversione analogico-digitale, eventualmente compresso tramite l'uso di codec audio e infine trasmesso a pacchetto in rete grazie all'utilizzo congiunto in parallelo di due tipi di protocolli di comunicazione:

? una per la "segnalazione" della conversazione (ricostruzione del frame audio, sincronizzazione, identificazione del chiamante, etc...).

? una per il trasporto dei dati (pacchetti voce su IP);

? Per il trasporto dei dati, nella grande maggioranza delle implementazioni VolP, viene adottato la suite composta da RTP ( Real-time Transport Protocol) su UDP ( User Datogram Protocol) su IP ( Internet Protocol). L'utilizzo di UDP anzich? TCP si giustifica col fatto che una comunicazione real-time come la fonia non pu? tollerare ritardi o latenze aggiuntive o troppo elevate dovute alla ritrasmissione dei pacchetti persi e agli ACK.

Il continuo interesse per le applicazioni VolP deriva da una serie di vantaggi che questa tecnologia offre: risparmio dei costi, nuovi servizi a valore aggiunto, flessibilit? e scalabilit?. L'aumento rapido e recente di servizi di telefonia mobile forniti dalle reti di terza generazione (3G) hanno recentemente creato le condizioni per una considerevole espansione delle applicazioni e dei servizi [1] di telefonia VolP. A differenza dell'accesso tradizionale ADSL in cui la qualit? del servizio VolP dipende dalle caratteristiche di accesso ADSL in termini di banda minima garantita o MCR (minimum celi rate), in uno scenario di rete 3G la qualit? del traffico voce su IP ? notevolmente ridotta a causa del collegamento radio meno affidabile, del maggiore ritardo e della minore banda garantita. Queste sono le principali cause di degradazione della qualit? delle chiamate VolP rispetto a quelle su rete PSTN che, grazie a risorse dedicate, garantiscono un certo livello di QoS (Quality of Service) [2],

Con l?obiettivo di migliorare la qualit? del servizio VolP sulle reti 3G, questo brevetto propone un approccio dual streaming per ridurre la perdita di pacchetti VolP trasmesso tramite connessione dati 3G [4], L'idea principale consiste nel duplicare il singolo flusso VolP [6] e inviarlo attraverso due o pi? diversi accessi alla rete internet. Tali accessi possono basarsi su tecnologia diversa (es. WiFi, HSPA, LTE, ecc.) e, preferibilmente, devono essere offerti differenti gestori (di telefonia mobile e/o accesso dati wireless). Il brevetto considera uno scenario in cui un utente possiede un terminale mobile dotato di due o pi? differenti ricetrasmettitori e, ovviamente, di due o pi? SIM indipendenti appartenenti a due o pi? operatori diversi.

Circa l'equilibrio costi / benefici, il metodo proposto, se da un lato richiede un doppio modulo RF, dall'altro lato ? anche vero che un terminale mobile dual-SIM permette di attuare meccanismi di bilanciamento del carico e failover migliorando l?accesso a Internet. Inoltre, un contesto applicativo in cui si giustifica un costo maggiore del terminale mobile, a fronte di una maggiore continuit? e intelligibilit? della conversazione, ? quello delle intercettazioni in ambito forense.

ARCHITETTURA DEL SISTEMA

L'idea di base dell'approccio dual streaming ? molto semplice: al fine di migliorare la qualit? del parlato percepita al ricevitore duplichiamo il flusso VolP in due o pi? flussi di dati differenti sfruttando un terminale telefonico mobile (es. Smartphone, Tablet, ecc.) con due o pi? interfacce di rete collegate a due o pi? differenti operatori telefonici. L'architettura del sistema ? rappresentato in figura 1, dove si pu? notare come il flusso di dati generati a livello di applicazione ? diviso in due diversi flussi IP, ciascuno dei quali ? associato alla relativa rete di accesso radio in modo tale che i pacchetti IP hanno indirizzo di origine diversa, ma lo stesso indirizzo di destinazione, cio? il destinatario della chiamata VolP. In ricezione i due flussi di dati vengono uniti in modo da erogare un flusso di dati unificato al livello di applicazione. La sincronizzazione dei due flussi di dati pu? essere eseguita grazie al campo relative al numero di sequenza del protocollo RTP, rendendo cos? possibile scartare i pacchetti duplicati ricevuti dalle due fonti di dati.

Gli elementi hardware e software utilizzati per realizzare il trasmettitore e il ricevitore del banco di prova che ha permesso di valutare la bont? dell'idea.

Il trasmettitore ? costituito da un notebook equipaggiato con:

a) Linux Lubuntu 12.10 [14] OS;

b) due interfacce di rete HSPA gestiti da due diversi operatori di rete e, quindi, due SIM diversa appartenenza Operatore 1 e Operatore 2;

c) microfono o traccia audio preregistrata come sorgente audio;

d) Linphone [15] come softphone per generare il flusso RTP; Linphone permette la trasmissione di un file audio sia memorizzato nel disco rigido del dispositivo e un sorgente audio registrato dal microfono;

e) interprete Python con il modulo di estensione pcapy per catturare il traffico di dati in uscita;

f) il duplicatore di pacchetti, uno script Python che catturare la sorgente RTP generata dal softphone e la replica sopra la seconda interfaccia radio;

g) Wireshark e Tshark sono stati installati e utilizzati per raccogliere le statistiche di traffico in uscita e confrontarli con quelli raccolti presso il nodo ricevente, al fine di calcolare il tasso di perdita di pacchetti per ogni flusso di dati;

h) My Tracks ? stato installato per registrare il percorso del terminale mobile durante la prova.

nodo ricevitore ? costituito da una postazione fissa dotata di:

a) Linux Debian 4.3 SO;

b) Asterisk come server di comunicazione VolP in grado di indirizzare e gestire le chiamate VolP dal softphone remoto;

c) interprete Python;

d) Il mix di pacchetti, uno script Python;

e) Wireshark e tshark sono stati installati per raccogliere statistiche dei flussi lato del ricevitore e confrontare i flussi trasmessi con quelli ricevuti.

MISURE SPERIMENTALI

Con lo scopo di valutare la bont? dell'idea proposta nel presente brevetto, sono stati considerati i seguenti parametri prestazionali di rendimento:

a) tasso di perdita di pacchetti: la percentuale di pacchetti persi a causa della cattiva qualit? del collegamento e/o congestione del traffico di rete;

b) MOS (Mean Opinion Score) index: ? stato introdotto con lo scopo di presentare una misura universale della qualit? del segnale vocale. ITU-T P.800 [11] specifica l'intervallo di valori da 1 a 5, dove 1 indica un pessimo segnale con continue interruzioni e 5 rappresenta un ottimo segnale, pari alla qualit? radio AM. La procedura di valutazione MOS di un segnale vocale comprende il calcolo del punteggio medio assegnato a quest'ultima da parte di un campione rappresentativo di popolazione, quindi ? un metodo molto costoso e richiede tempo.

c) PESO (Perceptual Evaluation of Speech Quality): ? stata standardizzata in [12] e rappresenta un algoritmo completo di riferimento per la valutazione della qualit? del segnale vocale. Si basa sul confronto tra il segnale vocale originale e quello ricevuto dal nodo corrispondente, ma ? correlato al valore MOS dalla seguente relazione di corrispondenza [13]:

Le prove sperimentali consistono in chiamate VolP effettuate con l'architettura descritta in precedenza. Ogni chiamata dura 3-6 minuti e tutte le chiamate sono state effettuate in condizioni diverse, in termini di velocit? di movimento e di copertura radio. La parte mobile dell'architettura di dual streaming, ? stato provata a bordo di una automobile, facendo variare la velocit? da 0 a circa 100 km/h. Per esplorare la risposta del sistema in differenti condizioni di copertura dei provider, i test sono stati eseguiti spostando il terminale mobile nelle aree urbane, nelle campagne e nei piccoli centri. Questo ci ha portato a verificare l'efficacia del sistema di dual streaming in condizioni diverse di copertura.

Abbiamo eseguito una serie di 30 test, ottenendo significativi miglioramenti riguardanti tutti i parametri considerati. L'approccio dual streaming permette una notevole riduzione di perdita di pacchetti sulla sequenza mixata riaspetto alle single sequenze degradate a causa per esempio della non continua copertura radio dei singoli gestori telefonici. In alcuni casi il miglioramento introdotto dall' architettura dual streaming ? fortemente ridotto; questo accade quando i due operatori mostrano un comportamento simile in termini di qualit? di collegamento: ? il caso in cui si ha una elevata probabilit? di ricevere e di perdere gli stessi pacchetti dai singoli flussi.

CONCLUSIONI

In questo brevetto ? stato proposto un approccio di duplicazione di flussi VolP su due o pi? accessi dati di tipo wireless (es. HSPA, LTE, WiFi, ecc.). L'idea principale ? quella di duplicare il pacchetto VolP e inviarlo tramite due o pi? operatori telefonici diversi. Il brevetto considera uno scenario in cui un utente possiede un terminale mobile con almeno due interface radio RF e una doppia SIM. Da una serie di misure sperimentali variando la copertura radio, si ? riscontrato che la qualit? vocale delle chiamate VolP dipende dale prestazioni del singolo operatore telefonico. I risultati dimostrano che ? possibile, attraverso l'approccio dual stream, migliorare significativamente la qualit? del parlato di una chiamata VolP, aumentando il valore del MOS in media di un punto. Un altro importante vantaggio ? la riduzione dei pacchetti persi e la maggiore continuit? ottenuta grazie al ridotto numero di chiamate VolP che hanno subito una interruzione.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1) Un metodo per la trasmissione e ricezione della voce da terminale mobile e su rete dati IP (Internet Protocol) basato sugli attuali standard delle telefonia su IP e comprendente: a) Una fase di acquisizione, digitalizzazione e compressione della voce; b) Una fase di pacchettizzazione della voce; c) Una fase di duplicazione del pacchetto in due o pi? flussi VolP (Voice over IP); d) Una fase di invio dei due o pi? flussi VolP attraverso tecniche di accesso wireless; e) Una fase di gestione dei pacchetti ricevuti provenienti dai due o pi? flussi VolP; f) Una fase di eliminazione dei pacchetti duplicati in ricezione; g) Una fase di ricostruzione dei pacchetti rimanenti; h) Una fase di spacchettizazione del flusso VolP; i) Una fase di decodifica e di conversione in analogico della voce; 2) Un metodo per la trasmissione e ricezione della voce su rete dati IP secondo la rivendicazione 1 e caratterizzato dal fatto che il trasmettitore invia una copia di ogni pacchetto VolP verso due o pi? accessi ad Internet; 3) Un metodo per la trasmissione e ricezione della voce su rete dati IP secondo la rivendicazione 1 e caratterizzato dal fatto che il trasmettitore invia una copia di ogni pacchetto VolP verso due o pi? accessi wireless ad Internet basati su tecnologie eventualmente diverse (es. WiFi, HSPA, LTE, ecc.) 4) Un metodo per la trasmissione e ricezione della voce su rete dati IP secondo la rivendicazione 1 e caratterizzato dal fatto che il trasmettitore invia una copia di ogni pacchetto VolP verso due o pi? accessi dati wireless il cui servizio viene fornito da due o pi? operatori distinti; 5) Un metodo per la trasmissione e ricezione della voce su rete dati IP secondo la rivendicazione 1 e caratterizzato dal fatto che il ricevitore scarta l'eventuale copia di un pacchetto gi? ricevuto attraverso la verifica del numero di sequenza;