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Il telefono la tua voce

Vantaggi                                                

Il vantaggio principale di questa tecnologia sta nel fatto che essa elimina l'obbligo di riserva della banda per ogni telefonata (commutazione di circuito), sfruttando l'allocazione dinamica delle risorse, caratteristica dei protocolli IP (commutazione di pacchetto). Vengono instradati sulla rete pacchetti di dati contenenti le informazioni vocali, codificati in forma digitale, e ciò solo nel momento in cui è necessario, cioè quando uno degli utenti collegati sta parlando.

Fra gli altri vantaggi rispetto alla telefonia tradizionale si annoverano:

  • minore costo per chiamata, specialmente su lunghe distanze;
  • minori costi delle infrastrutture: quando si è resa disponibile una rete IP nessun'altra infrastruttura è richiesta;
  • nuove funzionalità avanzate;
  • l'implementazione di future opzioni non richiederà la sostituzione dell'hardware.

Le conversazioni VoIP non devono necessariamente viaggiare su Internet, ma possono anche usare come mezzo trasmissivo una qualsiasi rete privata basata sul protocollo IP, per esempio una LAN all'interno di un edificio o di un gruppo di edifici. I protocolli usati per codificare e trasmettere le conversazioni VoIP sono solitamente denominati Voice over IP protocols.

Uno dei vantaggi di questa tecnologia è 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, può 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 velocità di trasmissione e sempre attivo), può effettuare e ricevere chiamate telefoniche da telefono fisso PSTN, potendo contare su tariffe molto economiche, soprattutto per le chiamate internazionali.

La tecnologia VoIP introduce inoltre nuove possibilità per l'offerta del servizio telefonico quali:

  • eliminare la distinzione tra chiamate locali e a lunga distanza;,
  • mantenere diversi numeri telefonici su un solo collegamento;
  • salvare messaggi vocali sul proprio computer;
  • permettere telefonate completamente gratuite tra utenti dello stesso fornitore o fornitori convenzionati fra loro oppure in open gateway.

Funzionamento

Protocolli VoIP

La tecnologia VoIP 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 VoIP, viene adottato la suite composta da RTP (Real-time Transport Protocol) su UDP (User Datagram Protocol) su IP (Internet Protocol). L'utilizzo di UDP anziché TCP si giustifica col fatto che una comunicazione real-time come la fonia non può tollerare ritardi o latenze aggiuntive o troppo elevate dovute alla ritrasmissione dei pacchetti persi e agli ACK.

Per quanto riguarda la segnalazione il processo di standardizzazione non si è ancora concluso. Al momento, sono coinvolti tre enti internazionali di standardizzazione: l'ITU (International Telecommunications Union), l'IETF (Internet Engineering Task Force) e l'ETSI (European Telecommunication Standard Institute) con alcuni consorzi (per esempio, Softswitch, H.323ORG, Vivida ecc.). La gestione delle chiamate voce sulla rete IP è, al momento, indirizzata verso due differenti proposte, elaborate in ambito ITU e IETF, che sono rispettivamente H.323 e SIP (Session Initiation Protocol).

I sostenitori della proposta dell'ITU affermano che H.323, storicamente nato prima, abbia ormai ottenuto il supporto di tutti i fornitori di apparati VoIP, mentre i sostenitori del SIP dubitano dell'interoperabilità dei prodotti H.323 di differenti produttori e, allo stesso tempo, evidenziano i vantaggi di SIP in particolar modo per quanto riguarda la ridotta segnalazione durante l'attivazione della chiamata. Volendo confrontare H.323 e SIP bisogna comunque osservare che lo scopo dei due standard è piuttosto differente. SIP è stato creato come protocollo per la comunicazione voce in tempo reale su IP e presiede a tutte le funzioni base di controllo di una chiamata: instaurazione e terminazione della sessione, operazioni di segnalazione, tono di chiamata, chiamata in attesa, trasferimento, identificazione del chiamante e via dicendo. Mentre SIP è un protocollo per la segnalazione e il controllo di sessioni multimediali, H.323 delinea un'architettura completa per lo svolgimento di conferenze multimediali, comprendente la definizione dei formati di codifica a livello applicativo, la definizione di protocolli per la segnalazione e il controllo, per il trasporto dei flussi audio, video e dati e per la gestione degli aspetti di sicurezza, tutto ciò con riferimento ad architetture di rete locali.

La suite di protocolli H.323 è stata, inizialmente, l'unica soluzione standard adottata dai produttori di dispositivi per telefonia su IP e in generale per applicazioni multimediali, ed è supportata sia da applicativi PC che da dispositivi di rete (router) e da terminali utenti (IP Phone). La proposta SIP, però, sta incontrando sempre maggiore favore, grazie alla sua ottima integrazione con gli altri protocolli della suite TCP/IP (mentre H.323 è pensato per una generica rete a pacchetto) e alla sua maggiore semplicità. H.323, infatti, nasce in ambito telefonico dove le specifiche sono estremamente precise e complete ma anche estremamente complicate, inoltre, ingloba, al suo interno, altri componenti precedentemente definiti dall'ITU, aumentandone notevolmente la complessità.

Nonostante la diffusione dello standard H.323, il mercato dei dispositivi per l'utenza finale, del software e dei gateway per la connessione alla rete PSTN si è ormai orientato verso soluzioni basate su SIP. Quasi tutti i prodotti sul mercato sono compatibili con entrambi gli standard e numerosi consorzi ed enti di standardizzazione, tra cui il 3GPP per UMTS, hanno incluso SIP nelle loro specifiche.

Dal punto di vista degli utenti finali e quindi del mercato di soluzioni VoIP come telefoni, adattatori, cordless e telefoni "dual mode" (VoIP e tradizionali) i produttori sembrano però orientarsi verso uno "standard" tecnicamente non disegnato per diventare tale: Skype. Con i suoi 100 milioni di utenti l'impresa di Niklas Zennström e Janus Friis è riuscita a sfruttare il vantaggio del first-comer e, grazie alla sua rete chiusa (gli utenti Skype possono chiamare solo altri utenti Skype o telefoni sulla rete PSTN) e al protocollo di segnalazione proprietario che utilizza per il proprio software, ha potuto allargare la sua attività alla gestione di partnerships con produttori di hardware e sviluppatori di software.

Altri protocolli utilizzati per la codifica della segnalazione della conversazione (ricostruzione del frame audio, sincronizzazione, ecc.) sono:

  • Skinny Client Control Protocol, protocollo proprietario della Cisco
  • Megaco (conosciuto anche come H.248) e MGCP
  • MiNET, protocollo proprietario della Mitel
  • Inter Asterisk Xchange, (soppiantato da IAX2) usato dai server Asterisk open source PBX e dai relativi software client
  • XMPP, usato da Google Talk. Inizialmente pensato per l'IM ora esteso a funzioni Voip grazie al modulo Jingle

Voice Over IP su connessione ADSL Wi-Fi

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

La voce umana ha uno spettro di circa 2,7 kHz che, per il teorema di Shannon è chiamato anche "disuguaglianza di Nyquist" -, richiede una larghezza di banda di almeno 5,4 kHz. Secondo tale teorema è possibile ricostruire correttamente un segnale continuo, variabile nel tempo, da una serie di valori discreti quando questi sono stati presi con una frequenza di campionamento almeno superiore al doppio della massima frequenza contenuta nel segnale in ingresso. Ad un segnale analogico di X Hz di banda corrisponde un segnale digitale di 2*X*N bit/sec, dove N è il numero di bit usati per rappresentare ogni campione: per la voce si avrebbe 4000*2*8=64 kbit/s (c'è un certo margine rispetto ai 2,7 kHz), che per altro è la medesima banda fornita da una singola linea ISDN.

Tuttavia, con i formati di compressione diventa possibile ridurre drasticamente la banda richiesta intervenendo 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 riferimento da raggiungere. Tuttavia 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 Windows Media Player) richiedono una larghezza di banda di almeno 50 kbit/s per evitare lo sfarfallio delle immagini.

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/s. 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 richiederne la ritrasmissione, 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 circa 1,5 KByte (che sono 12000 bit appunto; 1 byte=8 bit) ovvero 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/s, 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/s (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, 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 digitalizzazione dell'ultimo miglio è invece 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.



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