Ist Quality of Service in NGN-Netzen beherrschbar?

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2 Inhaltsverzeichnis ABSTRAKT 3 1 KOMPLEXITÄT VON VOIP-DIENSTEN IN NGN-NETZEN 4 2 SERVICE-QUALITÄT IN VOIP-NETZEN Endkunden-Perspektive Network Performance Service Level Agreements 6 3 QUALITÄTSSICHERUNG IN VOIP-IMPLEMENTIERUNGEN Einführung Sprachqualität 7 4 VOIP MONITORING Monitoring der IP-Transportqualität Monitoring der Sprachqualität Monitoring der Dienstgüte 11 5 EFFEKTIVE NUTZUNG VON MONITORING-SYSTEMEN Überwachung von SLAs: Sprachqualität Überwachung von SLAs: Dienstequalität Proaktives Monitoring Troubleshooting / Root-Cause-Analyse 17 6 IMPLEMENTIERUNG EINER VOIP MONITORING-LÖSUNG 18 7 REFERENZEN 20 8 ABKÜRZUNGEN 21 9 RÜCKFRAGEN ÜBER brightone 22

3 Ist Quality of Service in NGN-Netzen beherrschbar? White Paper Abstrakt Die Implementierung von Sprachdiensten mit Hilfe von VoIP-Technologien ist heute oft durch ein komplexes Zusammenspiel verschiedener Netze, Dienste und Produkte gekennzeichnet. Die technologische Reife von Produkten und schlüsselfertige Teillösungen sind die Voraussetzungen, den hohen Qualitätserwartungen der Nutzer bei gleichzeitig hoher Effizienz gerecht werden zu können. Gerade in der Einführungsphase von VoIP-Technologien und deren Erweiterungen sind Kunden häufig unsicher, ob die qualitativen Aussagen der Abnahme auch später im Rollout und Wirkbetrieb Bestand haben. Traditionelle Netz-und Systemüberwachungen fokussieren vorrangig auf die normale (statische) Funktion von Komponenten, Systemen und Anwendungen. Bei Echtzeit-Anwendungen (wie VoIP) müssen daneben auch dynamische Parameter (sogenannte Quality of Service) überwacht werden. Moderne Monitoring-Werkzeuge für Echtzeitanwendungen sollen den Betreiber dabei in möglichst vielen Aspekten des Betriebes unterstützen. Hier zeigen die verfügbaren Werkzeuge durchaus unterschiedliche Stärken und Schwächen. Dieses White Paper zeigt, wie verschiedene Monitoring-Systeme bei der Bewältigung der Betreiber-Aufgaben eingesetzt werden können. Hierzu zählen die Überwachung von Dienste- und Sprachqualität und die Alarmierung bezüglich auftretender Probleme, die Unterstützung bei der Analyse von technischen Problemen (Drill-down, Root-Cause-Analyse) sowie die proaktive Analyse und Optimierung von Geräten und Netzen. Darüber hinaus spielen auch die Unterstützung beim Verkehrs-Management (z.b. Vergleich verschiedener Routen) und der Definition und Überwachung von Service Level Agreements eine Rolle. Gewährleistungsausschluss Die in diesem Dokument enthaltenen Angaben und Daten können ohne vorherige Ankündigung teilweise oder vollständig geändert werden, ohne dass für die brightone Deutschland GmbH die Verpflichtung entsteht, Personen oder Organisationen davon in Kenntnis zu setzen. Die brightone Deutschland GmbH übernimmt keine Garantie für die Vollständigkeit dieses Dokuments. Wir bitten Sie, eventuelle Probleme bezüglich dieser Dokumentation auf schriftlichem Weg an uns zu melden.

4 1 Komplexität von VoIP-Diensten in NGN-Netzen Die Basis-Technologien von VoIP-Diensten sind relativ einfach und ausgereift: Die Digitalisierung von Sprache (mittels Pulse Code Modulation, PCM) existiert schon ca. 70 Jahre. Die Nutzung von PCM-Technologien in Transportsystemen der Telekommunikation existiert ca. 50 Jahre. Der Transport von Daten basiert auf IP. Die Signalisierung von Sprachverbindungen basiert heute meist auf dem Session Initiation Protocol (SIP), das es seit ca. 15 Jahren gibt. Die ersten kommerziellen VoIP-Systeme gab es bereit vor ca. 20 Jahren. Eine komplexe Netz-Topologie und das Zusammenarbeiten verschiedener Produkte und Dienstleister bei der Realisierung der Sprach- und anderer Multimediadienste können jedoch zu schwer überschaubaren Situationen führen: Viele Komponenten (unterschiedlicher Hersteller und Dienstleister) verarbeiten, d.h. modifizieren Sprachdaten und transportieren diese, wodurch sie die Qualität beeinflussen. Als Beispiel sei hier der Session Border Controller genannt, der häufig zur Trennung von Netzen eingesetzt wird und Sprachpakete konvertiert. In aktuellen VoIP-Implementierungen (z.b. IMS) ist die Call Control funktional verteilt, viele Unterstützungsfunktionen (DNS, ENUM, UPSF, Charging, etc.) müssen nahtlos zusammenspielen. Bei Netzübergängen (ins PSTN, IP IP) sind zudem oftmals Anpassungen in der Signalisierung und im Media-Transport notwendig. Je nach involvierter NGN-Technologie kommen unterschiedliche Architektur-Ansätze zum Einsatz. Dazu gehören unter anderem ETSI TISPAN, 3GPP IMS, PacketCable. Diese sichern Interoperabilität und unterstützen auch QoS-Implementierungen. Die Herausforderung für IP Telephony Service Provider (ITSP) ist es, die Einflüsse der in seiner gewählten Architektur relevanten Komponenten auf Sprach- und Dienstequalität zu kennen und zu kontrollieren. Im klassischen Sinn kann (und wird) der Betreiber wesentliche Eigenschaften testen und im Betrieb überwachen. Bei Nutzung externer Dienste und bei Komponenten in Kundeneigentum hat er jedoch oft keinen vollen Durchgriff, was die Erfassung und Aggregierung von Informationen für die Gewinnung von Qualitätsaussagen zur Sprach- und Dienstequalität erschwert. Dieses White Paper beschreibt einige methodische Ansätze zur Kontrolle und Überwachung von Sprach- und Dienstequalität bei Inbetriebnahme und im Betrieb von VoIP-Netzen. Der Schwerpunkt liegt darauf, theoretische und praktische Fragestellungen für eine (komplexe) Monitoring-Lösung greifbarer zu machen. 2 Service-Qualität in VoIP-Netzen 2.1 Endkunden-Perspektive Die Service-Qualität (in VoIP-Netzen) kann unter verschiedenen Aspekten betrachtet werden: Die Sicht des Endkunden auf objektive messbare Faktoren wird durch subjektive Wahrnehmung beeinflusst. Diese Sichtweise wird zumeist als Quality of Experience (QoE) bezeichnet und kann auch durch Faktoren beeinflusst sein, die nur indirekt mit dem angebotenen Dienst bzw. dessen Qualität im Zusammenhang stehen.

5 Diese Übersicht zeigt, von welchen unterschiedlichen Einflüssen die Wahrnehmung von objektiven Faktoren durch Individuen abhängt. 2.2 Network Performance Bild 1 Quality of Experience nach ETSI TS / ITU-T E.800 Bild 2 Network Performance vs. Ende-zu-Ende QoS Die Herausforderung heutiger VoIP-Implementierungen liegt in der Zusammenführung unterschiedlicher Technologien und der funktionalen und geographischen Verteilung dieser Funktionen. Das obige Bild zeigt eine vereinfachte logische Sicht auf einen VoIP-Dienst. Die Netzstruktur des Zugangsnetzes ist im Festnetz zumeist hierarchisch, d.h. die Transportnetze fächern sich in Aggregationsnetze auf, die wiederum mehrere DSL-Netze aggregieren. Für einen einfachen Sprachdienst müssen u.u. eine Vielzahl von Komponenten die Signalisierungs- und Mediadaten verarbeiten, wie z.b.: Telefonie-Adapter (im Netz des Endkunden), Loadbalancer, Firewall, Session Border Controller (an den Netzgrenzen), Call Session Control Server (im VoIP Core), Application Server (im VoIP Core), Signaling and Media Gateway (Netzübergang in das PSTN) Daneben gibt es weitere Komponenten deren Funktionen für den Sprachdienst notwendig sind. Dazu zählen DNS, die Nutzerprofildaten und Rufnummern-Portierungs- Daten um nur einige zu nennen. Die Network Performance umfasst alle Funktionen und Transportfunktionen die zur direkten Realisierung des Sprachdienstes notwendig sind, außer den Kundengeräten.

6 2.3 Service Level Agreements VoIP-Dienste unterstützen eine Vielzahl verschiedener Geschäftsmodelle. So kann ein Endkunde relativ einfach selbst Produkte zu einem Dienst integrieren. Ein selbst gekaufter Analog Telephony Adapter (ATA), der in einem Heimnetz angebunden ist und einen Internet-VoIP-Dienst nutzt ist ein prominentes Beispiel (Zulieferer: ATA- Hersteller, Internet Service Provider, Internet Telefonie Service Provider). Ein weiteres Beispiel ist ein Kabelnetzbetreiber der den VoIP-Dienst für seine Kunden (bspw. Woh-nungsbaugesellschaften) durch einen weiteren Dienstleister zukauft. Dieser Netzbetreiber bietet gegenüber seinen Kunden und End-Kunden einen Hosted Service an und ist wiederum selbst Kunde bei einem Internet Telephony Service Provider (ITSP, siehe Bild 3). Je nach Netzstruktur ist er aber auch auf qualitätsgerechte Zulieferungen im Kabelnetz (Ebene 3 und 4) angewiesen. Jede der verschiedenen mögliche Konstellationen erfordern durchdachte Service Level Agreements und deren Überwachung. Bild 3 Potentielle Vertragsbeziehungen in SLAs Service Level Agreements (SLAs) können genutzt werden um Mindestanforderungen an die Qualität der Dienste zu definieren sowie die notwendigen Maßnahmen bei deren Verletzung. Das Dokument Packet Voice Interconnection Service Schedule to AA.80 (herausgegeben durch GSMA) kann als Ideengeber für die Ausgestaltung eines SLA-Dokumentes genutzt werden. 1 3 Qualitätssicherung in VoIP-Implementierungen 3.1 Einführung Quality of Service wird schon in der Design- und Implementierungsphase des VoIP- Dienstes beeinflusst. Das Bild unten soll dies verdeutlichen. Ein QoS-Monitoring wird letztendlich nur ein Abbild der realisierten Qualitäts-Maßnahmen erfassen können. Andererseits ist es sinnvoll, Monitoring-Anforderungen in der Implementierung zu berücksichtigen. Zu potentiellen Anforderungen zählen die Unterstützung entsprechender Standards wie RFC3611 (RTCP Extended Reports), RFC6035 (SIP event package for voice quality reporting) in den Endgeräten und Gateways und natürlich die Erfassung von Anruf-Statistiken im VoIP-Core und an den Netzübergängen. 1 Anmerkung: Die in diesem Dokument genutzten KPI-Definitionen sind teilweise im VoIP-Umfeld nicht anwendbar.

7 Requirements QoS Monitoring / Troubleshooting Devices Integrate & test Network planning & build Traffic classes & DQoS Für die Netzplanung (Transmission Planning) kann das sogenannte E-Modell (G.107ff) verwendet werden. Es ermöglicht, basierend auf Messungen bzw. bekannten Impairments die Nutzerwahrnehmung der Sprachqualität abzuschätzen. Basierend auf Basis-Parametern (z.b. SNR, genutzter Codec) können Auswirkungen von Übertragungsfehlern (Paketverlust, Jitter) aber auch von Geräte- und Einstellungsproblemen (Echo, Echolaufzeit, Dämpfungseinstellungen) abgeschätzt werden. 3.2 Sprachqualität Die Sprachqualität wird durch Design (z.b. verwendete Codecs), Geräte und Netze beeinflusst. Da Kundenendgeräte (RGW) oft eine zentrale Bedeutung haben, soll auf diese hier näher eingegangen werden. Kundenendgeräte spielen eine wesentliche Rolle für die Service-Qualität. Dies gilt sowohl für die Sprachqualität als auch für die Güte des Sprachdienstes. Basierend auf Standard-Chipsets sind die Unterschiede in der Gerätequalität oftmals auf Software und Konfigurationsdaten zurückzuführen. In einem Hosted Service hat der Dienstleister die Verantwortung für die Endgeräte beim Kunden (sogenannte Residential Gateways). Dies macht es notwendig, die Änderung von Software und Konfigurationseinstellungen einer Qualitätssicherung zu unterziehen. Ein Minimalansatz von Test- und Messroutinen beinhaltet 2 Bild 4 Kontinuierlicher QoS-Prozess Gewährleistung der Versorgungsspannungen / - ströme unter verschiedenen Lastbedingungen, Klingelspannungen, -frequenzen (und Signalform) sowie Kadenzen, Übertragungseigenschaften nach ITU Q.552 wie Frequenzgang, Pegelgang, Eingangs-und Ausgangsdämpfungen, Gabelübergangsdämpfung, Erkennen von DTMF-Tönen und Hook-Flash-Signalen, Generierung korrekter Ereignistöne (Frequenz, Pegel, Kadenzen etc.), objektive Sprachqualitätsmessungen und Echoverlustmessungen. Endgeräte spielen darüber hinaus auch eine wichtige Rolle als Ursache und Empfänger von Transportstörungen für Media-Pakete. Robustheit in Bezug auf Jitter und Paketverlust sind solche wichtigen Eigenschaften. 2 Neben diesen reinen Telefonie-Schnittstellen (POTS) bezogenen Parametern sollten Tests natürlich auch andere notwendige Funktionen im Betreiber-Netz berücksichtigen: Provisionierung, Sicherheit, Administration, Protokoll-Konformität, QoS-Signalisierung etc.

8 Bild 5 Messung der Robustheit eines Endgerätes gegenüber Jitter Die linke Grafik oben zeigt den Einfluss von Jitter auf die Latenz der Sprache (Mouthto-Ear Delay) und auf die Sprachqualität (PESQ-LQO). Die rechte Grafik zeigt den Einfluss von veränderlichen Jitter innerhalb einer kurzen Zeitperiode während eines Anrufes. Der Jitter ist in diesen Messungen künstlich durch einen Impairment-Generator injiziert worden. Neben der Messung von Geräte-Parametern wird häufig auch die (unter idealen Netzbedingungen) erreichbare Sprachqualität gemessen. Durch Nutzung entsprechender Werkzeuge (bspw. Malden Multi DSLA) kann neben einer Verifikation der Geräte- Parameter auch Ursachenforschung betrieben werden, insbesondere bei Artefakten wie Clipping und Codec-Fehlern. Bild 6 Nutzung eines Speech Quality Test Set (Malden Multi DSLA) für die Verifikation und Analyse von Sprachqualität Sprachqualität wird durch den Endnutzer subjektiv wahrgenommen. Um die für ein Sprachdienst relevante Sprachqualität zu optimieren wäre ein definierter Test mit einem Auditorium und einem normierten Bewertungsmaßstab notwendig (sogenanntes Absolute Category Rating, ACR, siehe ITU-T P.800). Beim Netzbetreiber kommen statt dieser zeit- und kostenintensiven Methode oft verschiedene technische Messund Bewertungsverfahren zum Einsatz. Prinzipiell unterscheidet man intrusive und nicht-intrusive Messverfahren. Intrusive Messverfahren speisen ein Referenzsignal in das zu testende System ein und vergleichen dieses mit dem beeinflussten Ausgangssignal. Derzeit werden vorrangig die ITU-Standards P.862 und P.863 eingesetzt. Beide Verfahren unterstützen auch Breitband-Codecs. Das Ergebnis solcher

9 Messungen sind der sogenannte Mean Opinion Score (MOS), zumeist als Listening Quality MOS-LQO angegeben. P.862 (Perceptual Evaluation of Speech Quality; An objective quality measurement of telephone-band codecs ( Hz)) Die beschriebene Methode (und Software) erlauben eine Evaluierung von Sprachqualität für Schmalband-Telefonie (Handsets) und Schmalband Codecs (3.1 khz, 8kHz Abtastrate). Es werden u.a. Effekte von Einwegstörungen und Geräuschen erkannt, der Effekt von Low Bitrate Codecs, Übertragungsfehler, Paketverlust sowie Jitter und Zeitsprünge. Die Analyse ist auf Waveform-Codecs, CELP-Codecs sowie GSM-Codecs anwendbar. Die Messmethode ist eine intrusive Messmethode bei der ein Referenzsignal in das zu testende System (z.b. Wirknetz) eingespeist wird und mit dem ausgespeisten Signal durch entsprechende Algorithmen verglichen wird. Die gemessenen Werte können mittels P auf einen MOS-LQO-Wert gemappt werden. Die Messmethode erfasst keine Störungen durch (konstante) Laufzeit, Echo, (lineare) Dämpfungen, Nebengeräuschen oder Effekte die durch Interaktion entstehen. P ist eine Erweiterung für Breitband-Codecs ( Hz). P.863 (Perceptual Objective Listening Quality Assessment, including also HD voice) Die beschriebene Methode erlaubt eine Evaluierung von Sprachqualität für Schmalband- Signale und Super-Breitband-Signale ( Hz). Die erkannten Qualitätsprobleme entsprechen etwa denen in P.862. Die Anwendbarkeit umfasst neben den Schmalband- Codecs einen großen Satz an Breitband-Codecs. Die Methode ist leistungsfähiger (als P.862) und liefert genauere Resultate auch für Schmalband-Codecs. Die Einschränkungen bezüglich erkannter Qualitätsprobleme gelten ebenfalls analog zu P.862. Vorteil der intrusiven Messverfahren ist die Steuerbarkeit der Messung (Wiederholbarkeit) und die Möglichkeit Ende-zu-Ende testen zu können. Das verbessert die Vorhersagegenauigkeit der gemessenen Werte. Nachteil ist, dass für eine hohe Testabdeckung ein großer Aufwand notwendig ist. Nichtintrusive Messverfahren werden im nächsten Kapitel betrachtet. 4 VoIP Monitoring Qualitativ lassen sich verschiedene Methoden der QoS-Überwachung unterscheiden: 1. Netz- und System-Überwachung (Ausfall von NICs, Überlast-Indikationen, Statistiken, Trends etc.), 2. Netz-QoS (QoS-Indikatoren bezogen auf die Diensteklassen), 3. Anwendungsorientierte QoS (RAQMON, RTCP-XR), 4. Sprachqualität (MOS), 5. Dienstequalität. Die Punkte 2, 4 und 5 werden nachfolgend genauer ausgeführt. 4.1 Monitoring der IP-Transportqualität Die ITU-T Standards Y.1540ff beschreiben Netzanforderungen für den Transport von IP-basierten Diensten. Performance-Parameter sind bspw. für Sprache:

10 Hier ist jedoch bezüglich der Methode und Granularität der Überwachung Vorsicht geboten. Beispiel 1: Wenn in einem Netzabschnitt während einer Periode von 1 Minute 10 % Paketverlust auftreten sollte, bedeutet dies weniger als 0,1 % Paketverlust über einem Reportzeitraum von 2 Stunden. In Bezug auf Sprachqualität sind die Auswirkungen schon dramatischer. Ca. 3 % der Anrufe innerhalb der 2 Stunden haben eine (Phase) inakzeptabler Qualität (bei durchschnittlich 3 Minuten Gesprächsdauer). Ca. 1 % der Sprachminuten ist komplett inakzeptabel. IPLR kann ohne Bezug zur Anwendung nur mittels aktiver Probes gemessen werden. (SNMP-Monitore würden bspw. Packet- Drops abfragen). Aktive Probes senden und empfangen ICMP- (oder andere) Pakete und schätzen damit den IPLR ab. Für das Erkennen eines kurzzeitigen Paketverlustes sind kurze Testintervalle und sehr niedrige Schwellwerte (für Alarmierung o.ä.) notwendig. Dies sind hohe technische Hürden. Beispiel 2: Sprache setzt eine exakte Zeitsynchronisation voraus. Jitter des IP-Transports (variable Inter Arrial Time) müssen auf der Empfängerseite (durch Dejitter-Buffer) ausgeglichen werden. Andernfalls würden ständig entweder zu wenige oder zu viele Sprachpakete beim Empfänger für das Ausspielen zur Verfügung stehen. Die Nutzung von Dejitter-Buffer geschieht zulasten der Gesamtlaufzeit der Sprache (Mouth-to-Ear-Delay). Der Versuch beide Parameter zu optimieren führt zu gewissen Datenverlust (Buffer-Underrun oder Buffer-Overrun). Die Messung von IPDV ist deshalb ein wichtiger Baustein im Monitoring. Analog zur IPLR-Messung können passive Messungen nur mit Wissen über die Anwendung sinnvoll erfolgen (Inter Arrival Time). Für aktive Probes ist ein hoher technischer Aufwand nötig. Die Bildung von Durchschnittswerten für eine Transportleitung ist ebenfalls problematisch. So stellen kurzzeitige Jitter-Spitzen (Spikes) ein größeres Problem dar als ständiger Jitter geringeren Ausmaßes. Ein Monitoring auf Basis der (abstrakten) Transportqualität wird immer Worst-Case- Annahmen bezüglich der Robustheit von Geräten / Codecs gegenüber der Transportqualität machen müssen. 4.2 Monitoring der Sprachqualität Für intrusive Messungen werden aktive Komponenten benötigt. Um den Aufwand für einen derartigen Messansatz zu reduzieren werden, insbesondere im Produktivbetrieb passive (nicht-intrusive) Mess- und Schätzmethoden eingesetzt. Folgende ITU- Standards sind relevant:

11 P.561 (In-service non-intrusive measurement device) Der Standard definiert eine Reihe von Pflicht- und optionalen Messungen, z.b. Sprachpegel, Rauschpegel, Echo-Parameter, Variationen in IP-Paket-Laufzeiten, IP-Paketverlust, Clipping, Round Trip Delay, Einseitige Verbindungen etc. Das Messgerät simuliert hierbei die potentiellen Empfänger (u.a. simulierter Jitter-Buffer, Decoder, Fehler-Korrekturen). P.562 (Analysis and interpretation of INMD voice-service measurements) Der Standard definiert, wie Ergebnisse aus nicht-intrusiven Messungen (insbesondere nach P.561) interpretiert werden können. Die Ergebnisse werden für jeden Anruf zum sogenannten Call Clarity Index aggregiert. Dazu werden verschiedene (perzeptuelle) Modelle für die Sprecher / Zuhörer genutzt, die eine Vorhersage der Sprachqualität erlauben. Der Bewertungsmaßstab 1 (schlecht) bis 5 (exzellent) kann für eine statistisch relevante Anzahl an Anrufen auch auf das E-Modell gemappt werden und dient somit als Parameter der Netzplanung (und Überwachung). Ein Nachteil dieser Messmethode ist, dass sie Beeinträchtigungen aus dem IP-Transport nicht abdeckt, bzw. nur Anrufe bewerten kann bei denen diese Beeinträchtigungen vernachlässigbar sind. P. 563 (Single-ended method for objective speech quality assessment in narrowband telephony applications) Die Messung liefert analog zu den intrusiven Messmethoden einen (geschätzten) Mean Opinion Score (Listening Quality). Dazu wird das empfangene Sprachsignal analysiert und insbesondere auf Störungen bewertet. Zu solchen Störungen zählen unnatürliche Sprache ( Roboterstimme ), verschiedene Rauschquellen, Clipping, Effekte von Codec-Fehlern, Filtern, variable Delays, Fehler-Korrektur-Maßnahmen (PLC), Transcoding etc. P.564 (Conformance testing for voice over IP transmission quality assessment models) Diese passive Messmethode ist speziell für paketbasierte Sprachdienste entwickelt worden und liefert einen MOS-Wert (Listening Quality) durch Midpoint-Monitore. Damit ist sie geeignet die Transport-Qualität von Netzen zu bewerten und (Konformität vorausgesetzt) für SLAs geeignet. Der Standard ist für Schmalband- und Breitband-Codecs anwendbar. Die Methode ergänzt P.562 insofern, als dass keine Wave-Form-Analysen durchgeführt werden. Die Messungen basieren überwiegend auf RTCP-Daten (RTCP-S, RTCP-R, RT- CP-XR) bzw. die empfangenen RTP-Pakete. Bei den Messungen werden die aktuellen Endpunkte emuliert (entweder dynamisch, statisch oder durch Referenz-Endpunkte). Dies erlaubt eine realistischere Schätzung der Sprachqualität. 4.3 Monitoring der Dienstgüte Die Dienstgüte wird im PSTN durch Indikatoren wie ASR (Answer Seizure Ratio), ABR (Answer Bid Ratio), NER (Network Effectiveness Ratio), Post-dial Delay, Average Call Duration oder Conncetion Disconnect Delay bestimmt. Analoge Indikatoren können auch für VoIP sinnvoll genutzt werden. Aufgrund der Verteilung der Call

12 Control und der Flexibilität der Signalisierung ist eine Vergleichbarkeit mit ISUP o.ä. nur schwer möglich. Beispiel: ASR beinhaltet im PSTN (ISUP) eine Reservierung von Ressourcen (Circuit im Switch). Die Reservierung von Ressourcen in VoIP ist jedoch uneinheitlich. Die Reservierung kann transparent sein (keine explizite Signalisierung oder Reservierung, z.b. bei Best Effort) oder über verschiedene QoS-Modelle und Signalisierungsverfahren erfolgen. Häufig wird deshalb bei der Angabe von ASR eine potentielle Ressourcen-Reservierung ignoriert. Sinnvoller ist dann die Nutzung von ABR, die keine Ressourcen-Reservierung einschließt. Beispiele: KPI Bezeichnung Standard Definition (SIP) Grenzwerte ABR Answer Bid Ratio ITU-T E.411, E.425 # of 200 OK (ACK) # INVITE % NER Network Effectiveness Ratio E.411, E.425 # of 486 (UDUB) + # 200 OK (ACK) + # 180 / CANCEL 3 # 200 OK 99 % CSD Call Setup Delay Y.1531 CSD = (t6 t1) (t3 t2) (t5 t4) (siehe Abbildung unten) < 7,5 Sek. (Durchschn.) < 8,5 Sek. (95 %- Quantil) ACD Average Call Duration ETSI TS Zeit zwischen bi-direktional aufgebautem Media-Pfad und dessen Abbau. - Analoge Metriken werden aus Sicht des User Agents im RFC6076 definiert. ABR: Effektivität der Call Control; Sollte geringer sein als ASR (Fehler sollten erkannt werden, bevor Reservierungen erfolgen), Entspricht SER (Session Establishment Ratio) in RFC6076, Kann durch Re-attempts und Crankback Routing beeinflusst werden, Sollte sich auf dem Weg zum Ziel verbessern. NER Effektivität der Call Control Session-Invites zum Far-End zu liefern (nach Reservierung), Entspricht SEER (Session Establishment Effectiveness Ratio) in RFC6076, Nutzerverhalten wird ausgeschlossen (d.h. Ablehnen der Session durch Endnutzer, Nutzer hebt nicht ab etc.), Kann zum Vergleich verschiedener Call-Routen verwendet werden, Abhängigkeit zum Call-Modell (UDUB) User defined unavailable or busy 180 / CANCEL 180 des terminierenden UAS, gefolgt von einem CANCEL Request des anrufenden UAC

13 CSD: Bild 7 Zusammenhang zwischen ASR und NER; Siehe auch: ITU-T E.425 Bild 8 Berechnung des CSD in einem IMS-Kontext (nach Y.1531) 1. Die Messbarkeit ist normalerweise nur gegeben wenn UE orig und UE term am selben Messpunkt überwacht oder die Messungen zeitsynchron aggregiert werden können (z.b. über Accounting Requests). 2. Eine potentielle Vereinfachung: CSD = t4 t1 bei automatischer Rufannahme im UAS (Aktive Probe), d.h. sie vernachlässigt Verarbeitung von ACK. 3. Eine zweite Variante: CSD = (t4 t1) + (t6 t3) unter der Annahme, dass zwei Messpunkte mit relativen Zeiten korreliert werden können. 4. Eine dritte Möglichkeit: PDD = t4 t1 Es wird nur die Zeit bis zur ersten provisional Response gemessen; PPD = t6 t3 (Post-Pickup Delay); PDD + PPD zusammen könnten für eine gute Abschätzung genutzt werden. Die gemessenen Werte sind unabhängig. Es muss gegebenenfalls an mehreren Messpunkten gemessen werden.

14 5 Effektive Nutzung von Monitoring-Systemen 5.1 Überwachung von SLAs: Sprachqualität SLAs sollten nach Möglichkeit nur wenige KPIs enthalten. Die Zusammensetzung der KPIS muss klar definiert und durch ein abgestimmtes Messverfahren gewonnen werden. Im Folgenden wird die Entwicklung und Nutzung von Sprachqualitäts-KPIs aufgezeigt. In Anlehnung an GB934 (TM Forum) kann man Impairments in ihren Auswirkungen auf Sprachqualitäts-Schätzungen wie im Bild dargestellt klassifizieren. Der Aufwand für die Ermittlung und Analyse steigt, je mehr Parameter man in geeigneten KPIs aggregieren möchte. Bild Bild 99 Zusammensetzung von von KPIs KPIs für für Sprachqualität In der Abbildung oben wird die Aggregierung von KPIs aus Messwerten gezeigt. Beispiel: Aus Transportparametern können ein R-Factor (G.107) berechnet werden, die Anzahl sogenannter Degraded Service Quality (DSQ)-Events gezählt oder ein MOS (basierend auf Transport-Qualität) geschätzt werden. Zur Ursachen-Analyse (z.b. bei Problembehandlungen) ist umgekehrt ein Drill-down notwendig. Typischerweise werden regelmäßige, oder bei passiven Monitoren kontinuierliche Messungen durchgeführt. Die Berechnung von Mittelwerten erschwert das Erkennen von Problemen und ist auch für SLAs nicht gut geeignet. Die Messergebnisse sollten als statistische Verteilungen präsentiert werden: 1) Anteil von Anrufen mit MOS-Klasse sehr gut / gut / befriedigend / weniger als befriedigend In vielen Fällen dürfte die Richtung der Media-Streams eine Rolle spielen: 2) Anteil von Media-Streams (mit Richtung A B, mit Richtung B A) mit MOS- Klasse sehr gut / gut / befriedigend / weniger als befriedigend Die beiden obigen KPIs suggerieren die Nutzung von Mittelwerten innerhalb eines Anrufes / Streams. Die Nutzung von Mittelwerten (bei passiven Monitoren) ist zur einfachen Problemeingrenzung sinnvoll, aber aus ersichtlichen Gründen unzuverlässig. Dies wird in dem folgenden KPI berücksichtigt. 3) Anteil von Anruf-Minuten (mit Richtung A B, mit Richtung B A) mit MOS- Klasse sehr gut / gut / befriedigend / weniger als befriedigend. Hier ist eine direkte Korrelation zum auftretenden Zeitpunkt möglich.

15 Bild 10 Verteilung Sprach-Minuten auf MOS-Klassen für Streams vom Access zum Core + Entwicklung Sprach-Minuten in einem Test / Demosystem Die Daten in der obigen Abbildung wurden von einem passiven Monitoring-System (VoIPFuture) gebildet und durch Nachbearbeitung (aus CSV-Dateien) in einem Report verarbeitet Überwachung von SLAs: Dienstequalität Die Messung der Dienstegüte (Verfügbarkeit, Anzahl erfolgreicher Anrufe etc.) sollte ebenfalls als statistische Verteilung über definierte Schwellwerte erfolgen. Bei Erfolgsraten (ABR, ASR, NER bzw. SER, SEER) werden per Definition alle Anrufversuche berücksichtigt. Variationen können hier spezifische Bedürfnisse widerspiegeln (Bspw. Unterscheidung nach Quelle / Ziel, zeitliche Aspekte). Ein passives Monitoring der Dienstegüte ist wie schon oben diskutiert aufwändig und fehleranfällig. Ein aktives Monitoring umgeht diese Schwierigkeiten wie im Beispiel unten gezeigt. Bild 11 Dienste-Güte bei Verbindungen zwischen 2 Zugangsnetzen Die Daten in der obigen Abbildung wurden von einem aktiven Monitoring-System (Nextragen Tracesim) erstellt und durch Nachbearbeitung (von XML-basierten Reports) in einem Report verarbeitet. 5 Das Zeitverhalten (Call Setup Delay bzw. Session Request Delay) sollten wiederum klassifiziert werden. 4 Die im Diagramm aufgezeichneten Lücken sind durch Abschaltung des Testsystems (Umbaumaßnahmen) bedingt. Die gezeigten Impairments werden durch einen WAN-Simulator produziert. 5 Die CSD-Werte werden durch einen WAN-Simulator beeinflusst. Die Messung wurde nach der Methode 2. im Kapitel 4.3 durchgeführt.

16 Anteil an Anrufen mit einem CSD < 2 Sekunden, < 5 Sekunden, < 8 Sekunden, > 8 Sekunden. Kumulative Schwellwerte sind hier sinnvoll. Die Anrufdauer (Average Call Duration ACD) kann als Langzeitindikator genutzt werden. Schwankungen / Trends sind stark interpretationsfähig und als Bestandteil von (QoS-) SLAs weniger geeignet. Der Anteil sehr kurzer Anrufe ist allerdings als Indikator geeignet, Session-Fehler zu erkennen (einseitige Verbindungen, fehlerhafte Mediaverbindungen, Qualitäts-bedingte Abbrüche etc.). In allen Fällen ist die Definition von kumulativen Schwellwerten als Bestandteil des SLAs sinnvoll. 5.3 Proaktives Monitoring Die obigen Beispiele zeigen, wie durch Verwertung von Daten aus Monitoring-Werkzeugen eine SLA-Überwachung realisiert werden kann. Proaktives Monitoring heißt, dass über die Beobachtung von Indikatoren Probleme erkannt und eliminiert werden, bevor sie zu Beeinträchtigungen der Kundenzufriedenheit führen. Aufgrund der Anwendungsorientiertheit von Multimedia-Monitoring-Werkzeugen sind diese viel sensitiver (einstellbar) in Bezug auf QoE als eine traditionelle Netzüberwachung. Durch die Einstellung von Alarmierungsregeln ist der Betreiber in der Lage Probleme sukzessive zu erkennen und zu analysieren. Beispiele: Transport-Policy: Nutzung korrekter DSCP-Werte, VLANS etc. Transport-Qualität und Anwendungsfehler: Paketverlust, Jitter, Protokoll-Fehler, Codec-Nutzung Verletzung von Schwellwerten bezüglich (kumulierter) Sprachqualität über einen bestimmten Zeitraum Unterschreitung von Schwellwerten bei der Dienstegüte Bild 12 Transport-Qualität und Darstellung der häufigsten Indikatoren (Nutzung VoIPFuture) In der obigen Abbildung zeigt das Monitoring-System VoIPFuture die häufigsten Indikatoren bei beobachteten Transportproblemen in einem Testsystem. Durch Drilldown ist der Betreiber in der Lage, den Ursprung und die Ursache von Probleme zu identifizieren.

17 Ein weiteres Beispiel ist unten aufgeführt. Über Schwellwertdefinitionen (Anzahl von Anrufen mit MOS < 3.1) ist ein Alarm generiert worden. Bild 13 Drilldown eines Alarmes bis zur Quelle und Ursache (Nutzung von Nextragen TraceMon) Die Alarmierung in der obigen Abbildung ist durch Nutzung eines passiven Monitors (Nextragen TraceMon) in einem Test-/Demo-System erfolgt. Durch Drill-down werden beteiligte Clients und Ursache ermittelt Troubleshooting / Root-Cause-Analyse Bei Kundenbeschwerden muss es möglich sein, innerhalb kurzer Zeit potentielle Probleme in den Konversationen der Kunden / Kundengruppe nachzuvollziehen. In vielen Fällen handelt es sich bei solchen Problemen nicht um Einzelfälle, denn bei temporären Problemen werden nur sehr wenige Kunden aktiv. Das Monitoring-Werkzeug sollte in der Lage sein, durch eine Vielzahl effektiver und intelligenter Filter ähnliche Problemfälle zu finden, mögliche Ursachen einzuschließen oder auszuschließen und so zur Ermittlung eines Root-Cause-Ereignisses beizutragen. Beispiel 1: Ein relativ häufiges Problem sind sogenannte Sender-Restarts (Zeitsprünge in Sequenz-ID, Timestamp eines RTP-Senders). In den Fällen in denen ein Empfänger mit solchen Zeitsprüngen Probleme hat, kommt es zu einseitigen Verbindungen sowie Abbrüchen. Die Erkennung von Sender-Restarts und die Rückwirkung auf bestimmte Empfänger kann nur ein VoIP-Monitoring-System gewährleisten, dass RTP-Protokoll-Fehler systematisch erkennt. Beispiel 2: Temporäre Router-Probleme führen zu extremen Jitter und entsprechenden Qualitäts-Problemen wie im Bild unten gezeigt. 6 Zwischenschritte sind hier nicht gezeigt

18 Bild 14 Indikator-Analyse (Network Overload) zur Identifikation eines Router-Problems (Nutzung von VoIPFuture) 6. Implementierung einer VoIP Monitoring-Lösung Zur Implementierung einer effektiven Monitoring-Lösung sind mehrere Schritte notwendig: Analyse und Design, Werkzeugauswahl, Installation und Betrieb. Die Erstellung einer Monitoring-Strategie umfasst z.b. folgende Punkte: Analyse der Produkt- und Dienstestruktur einschließlich zugelieferter Produkte / Dienste; hier sind insbesondere technische / kommerziell relevante Zusagen bzw. Anforderungen bezüglich Quality of Service zu untersuchen Identifikation kommerzieller Zwänge (z.b. durch Service Level Agreements) Realisierungsstruktur (Netz-Architektur, Anwendungen, Dienste) Spezifische Anforderungen an die Monitoring-Werkzeuge / -Lösung Existierende Werkzeuge bzw. Datenquellen (z.b. ACRs, CDRs, Anwendungs- Logs) und deren Aggregationsmöglichkeiten Messbedingungen, z.b. Last / Verkehr, Transport-Parameter (MPLS, VLAN etc.) Standorte für passive Monitore Potentielle Nutzung aktiver Monitore Alarmierungsregeln Definition der Reports und notwendigen Analysen Beispiel: Die Entscheidung ob und wo aktive oder passive Probes eingesetzt werden sollen, ist von verschiedenen Faktoren abhängig:

19 Vorteile der Nutzung aktiver Messprobes: Wiederholbare Messungen (hohe Objektivität); eine Vielzahl von Messergebnissen / Indikatoren (MOS, Paketverlust, Jitter, Inter Arrival Time, Delay) Flexibilität (Probes können meist leicht an anderen Orten eingesetzt werden) Genauigkeit der Messungen (Verhalten der Probes ist bekannt, bspw. Autoanswer); schnelle Erkennung von Trends, Problemen, Messmethode kann dem Bedarf angepasst werden: Ständige Messung im "Hintergrund" mit geringer Zusatzlast (minimal intrusiv) Lasttests (in eingeschränktem Rahmen) Nutzung der SIP-Infrastruktur nach Bedarf Kombination mehrerer Probes Nachteile: Netzabdeckung beschränkt sich auf die Positionierung der Probes, d.h. es wird u.u. nur ein sehr kleiner Netzausschnitt gesehen, Netzkomponenten können Messergebnisse verändern (bei Abhängigkeit zu RTCP), Einflüsse des Nutzer- und Endgeräteverhaltens werden nicht berücksichtigt. Die Probes stellen "idealisierte" Endgeräte und Nutzer dar. Bild 15 Potentielle Monitoring-Punkte in einem VoIP-Netz In der Umsetzung gibt es mehrere Optionen. Der Netzbetreiber kann die Werkzeuge selbst kaufen, es ist ein Hosting möglich oder der gesamte Dienst wird als Managed Service realisiert. Die brightone GmbH hat langjährige Erfahrungen in der Realisierung von Kommunikationslösungen mittels NGN-Technologien und VoIP. Für ihre Kunden hat brightone ihr Portfolio im Bereich Monitoring-Lösungen stark erweitert. Durch Partnerschaften sind wir in der Lage ein breites Spektrum an Dienstleitungen anzubieten. Insbesondere für kleinere und mittelgroße Netzbetreiber werden Monitoring-Lösungen auch als Managed Service angeboten.

20 7 Referenzen [1] ITU-T Q.552 Transmission characteristics at 2-wire analogue interfaces of digital exchanges [2] ITU-T P.862 Perceptual evaluation of speech quality (PESQ): An objective method for endto-end speech quality assessment of narrow-band telephone networks and speech codecs [3] IUT-T P Mapping function for transforming P.862 raw result scores to MOS-LQO [4] ITU-T P Wideband extension to Recommendation P.862 for the assessment of wideband telephone networks and speech codecs [5] ITU-T P.863 Perceptual objective listening quality assessment [6] ITU-T P Application guide for Recommendation ITU-T P.863 [7] ITU-T P.561 In-service non-intrusive measurement device Voice service measurements [8] ITU-T P.562 Analysis and interpretation of INMD voice-service measurements [9] ITU-T P.563 Single-ended method for objective speech quality assessment in narrow-band telephony applications [10] ITU-T P.564 Conformance testing for voice over IP transmission quality assessment models [11] ITU-T G.107 The E-model, a computational model for use in transmission planning [12] ITU-T G.109 Definition of categories of speech transmission quality [13] RFC 4502 / 2021 Remote Network Monitoring Management Information Base Version 2 [14] RFC 3287 Remote Monitoring MIB Extensions for Differentiated Services [15] RFC 3577 Introduction to the Remote Monitoring (RMON) Family of MIB Modules [16] RFC 4710 Real-time Application Quality-of-Service Monitoring (RAQMON) Framework [17] RFC1889 / RFC3550 RTP: A Transport Protocol for Real-Time Applications [18] ITU-T Y.1540 Internet protocol data communication service IP packet transfer and availability performance parameters [19] ITU-T Y.1541 Network performance objectives for IP-based services

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