White Paper zur analogen Modem Kommunikation auf dem IP Netz

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1 Thema Analoge Modemkommunikation auf IP White Paper zur analogen Modem Kommunikation auf dem IP Netz Bemerkung: Dieses Dokument ist nur auf Anfrage erhältlich und wird laufend aktualisiert. Version 1.2 Review, Contents 1 Einführung Ausgangslage Applikationen Notstrombetrieb Modem-Tests, Ergebnisse im Swisscom Labor Testlabor Umfeld im Juli Test-Szenarien Allgemeine Begriffe Resultate der Modemverbindungen (alle Modemstandards) Resultate der Modem Textmodem (DTMF) Resultate der Modem < V. 34 (bis 14.4 kbps) Resultate der Modem V. 34 (bis 33.6kbps) Resultate der Modem > V. 34 (bis 33.6 kbps) Resultate Modemlangzeitcall Weitere Schritte & Roadmap End-to-End Test mit spezifischen TDM-Endgeräten Empfehlungen und Schlussfolgerungen Abkürzungen und Modem Protokolle /10

2 1 Einführung Wichtige Vorbemerkung zu diesem Whitepaper Dieses Whitepaper ist eine Hilfestellung und an ein technisches Fachpublikum gerichtet. Der Inhalt wurde nach bestem Wissen und Gewissen erstellt, trotzdem kann Swisscom keinen Gewähr leisten für die Testresultate. Modem-Anwendungen treten in den unterschiedlichsten Formen auf. Jeder Systemanbieter muss seine Anlagen unter den individuell gültigen Bedingungen End-to-End austesten und seine eigenen Schlussfolgerungen für den Modem-Betrieb ziehen. Ein Betrieb von Modems-over-IP ist in der alleinigen Verantwortung des Systemanbieters und seines Kunden. Swisscom empfiehlt immer die Umstellung auf eine rein IP-basierte Verbindung, da nur IP-basiert die nötigen Voraussetzungen für einen längerfristigen und einwandfreien Betrieb sichergestellt werden können. Umfang Dieses Dokument zeigt auf, wie die analoge Modem-Kommunikation über das IP-Netz heute im Swisscom- Massenmarkt -Produktportfolio funktioniert. Wichtiger Hinweis Swisscom hat die Tests im Juli 2014 auf der Connectivity-Ebene durchgeführt. Einerseits sind die Testresultate im definierten Testumfeld unter klaren Voraussetzungen befriedigend, andererseits kann das Verhalten einer End-to-End Verbindung (mit Kundenanlage und Applikation) auf dem Swisscom-Netz oder mit fremden/internationalen Telecom-Providern vom gezeigten Resultat abweichen. Mit der steigenden Komplexität und höheren Abhängigkeit zwischen Netzkomponenten (TDM und IP- Netz, Kundenrouter-Software, Life Cycle Management etc.) bleibt längerfristig die zuverlässige Verbindung zwischen analogen Modem-Devices über das IP-Netz eine Herausforderung. Empfehlung Für eine einwandfreie Kommunikation müssen aber alle Endgeräte (Modem sowie Applikationen) so schnell wie möglich auf IP-basierte Standard-Lösungen migriert werden. Die kritischen Applikationen (z. B. Gebäudesicherung, Einbruch- und Feueralarm etc.) müssen auf IP-basierte Anschlüsse migriert werden. Der Einsatz einer Dual-Access-Technologie (fix und mobil) garantiert eine sehr hohe Service-Verfügbarkeit. Bei den nichtkritischen Applikationen bleibt die heutige Lösung «Modem over IP» eine Zwischenlösung. Zielgruppe Dieses Dokument wendet sich an technische Spezialisten der Systemlieferanten, Service Anbieter und Grosskunden. 2 Ausgangslage Das seit Jahrzehnten im Einsatz stehende öffentliche Telefonnetz basiert auf der TDM 1 -Technologie und ist ein leitungsvermitteltes Netz (circuit switched network). Es ist unter den Abkürzungen PSTN 2 und ISDN 3 bekannt (analoge oder digitale Teilnehmeranschlussleitung). Swisscom bietet dazu verschiedene 1 TDM: Time Division Multiplexing 2 PSTN: Public Switched Telephone Network 3 ISDN: Integrated Services Digital Network 2/10

3 Anschlusstypen 4 an. Da künftig alle Netze IP-basiert sein werden, wird Swisscom in den nächsten Jahren schrittweise alle Netze und die darauf aufbauenden Services auf IP migrieren. Alle auf dem alten Festnetz basierenden Anschlüsse werden bis Ende 2017 abgelöst. Die Migration auf IP-basierte Produkte erfolgt ab sofort und findet etappenweise statt. Auf dem heutigen Telefonnetz sind mehrere technische Anlagen in Betrieb, die über Modems und Telefonleitungen funktionieren. Abbildung 1: MODEM-Kommunikation über das TDM-basierte Netz 2.1 Applikationen Folgende Applikationen sind bekannt: Alarmanlagen (Feuer, Einbruch), Telealarm (Notknopf für Senioren) Frankiermaschinen Haustechnik (z.b. Gebäudeleitsysteme, Klimasteuerung) Fernwartung (z.b. für PBX) Fernsteuerung (z.b. Ampeln) Fernüberwachung (z.b. Strom, Wasser, Wetter) Zahlungsterminals (z.b. EFT/POS, Bancomaten, Tankstellen) Weitere Anwendungen 2.2 Notstrombetrieb Bei den TDM Anschlüssen (Economy Line und Multiline ISDN) funktionieren Telefone teilweise auch bei einem lokalen Stromausfall, da die Speisung der Grundfunktionen des (notstromspeisefähigen) Endgeräts zentral sichergestellt wird ( Notstrombetrieb ). Bei der IP Telefonie ist ein Notstrombetrieb für den Fall eines lokalen Stromausfalles am Kundenstandort nicht möglich, und zwar unabhängig vom physikalischen Übertragungsmedium (Kupfer oder Glas). Aus diesem Grund muss die Notstromversorgung bei Bedarf lokal (z. B. über USV) sichergestellt werden. 4 EconomyLine (analog, 1 Sprachkanal), MultiLine (ISDN, 2 Kanäle), BusinessLine Basisanschluss (ISDN, 2 Kanäle), Business Line Primäranschluss (ISDN, 30 Kanäle) 3/10

4 3 Modem-Tests, Ergebnisse im Swisscom Labor Mittels Tests im Juli 2014 wurde erfasst, welche Modemübertragungsqualität (Modem zu Modem) in einem IP-Netz und bei TDM-VoIP besteht. Die Tests fokussierten sich ausschliesslich auf die Netzkommunikationsebene (Bitübertragungsebene). Es ist möglich, dass eine Applikation nicht kommunizieren kann, obwohl die Verbindung auf Bitübertragungsebene erfolgreich ist (z.b. wegen Delay- Sensitivität der Applikation). 3.1 Testlabor Umfeld im Juli 2014 Die TDM und IP Anschlüsse sind live, d. h. wie in einem produktiven Netz Der Modemroboter (DSP Genie MTT) generiert standard Modem-Verbindungen Swisscom Router mit entsprechendem Softwarestand IMS Rel. MRS Test-Szenarien Folgende Verbindungstypen wurden zwischen zwei Standorten über ein TDM- und ein IP-Netz getestet (siehe auch Abbildung 2: Test-Szenarien zwischen TDM- und IP-Netz): Verbindung Seite A Seite B Bemerkung TDM Anschluss mit Modem TDM Anschluss mit Modem Referenzmessung TDM Anschluss mit Modem IP Anschluss mit Modem IP Anschluss mit Modem IP Anschluss mit Modem IP Anschluss mit Modem IP Anschluss mit IP PBX (Aastra) IP : SIP Trunk TDM Anschluss mit Modem IP Anschluss mit IP PBX (Aastra) Tabelle 1: Test-Szenarien zwischen TDM- und IP-Netz Abbildung 2: Test-Szenarien zwischen TDM- und IP-Netz 4/10

5 Legenden IP Anschluss: Kupfer oder Fibre Swisscom Router: SwissBox (Centro Grande ADB), Stargate (Internet Box), Centro Business VoIP PBX: Aastra 470 Media Gateway: Übergang zw. IP und TDM für den Call Inhalt (Bestandteil von IMS) IMS: IP Multimedia System. VoIP Plattform. Dieses Gateway ist nötig, wenn ein Call vom IP Netz über das TDM Netz geht. Nicht getestet wurden: End-to-End Verbindungen mit Applikationen (z. B. Alarmanlage, Frankiermaschine etc.) ITA 5 Schnittstelle auf dem IP-Router Centro Business ISDN Datenverbindung mit 64 Kbps Data transparent sowie auf dem D-Kanal (9.6 Kbps). Es wird heute nicht unterstützt, wenn ein Call vom IP-Netz zum TDM-Netz geht, z. B. Verbindung Das Modem ist herstellerspezifisch, da zahlreiche Systemlieferanten auf dem Markt sind. 3.3 Allgemeine Begriffe Erfolgreich (normal Call) bedeutet: Daten können übertragen und der Call normal beendet werden. Jitter emulieren: Mit einer Jitter-Emulation (60ms Peak-to-Peak Jitter, vergleichbar mit Accessbandbreiten vom 1200/300 kbit) werden die tiefstbitratigen DSL-Anschlüsse emuliert, die für VoIP noch empfohlen sind. 3.4 Resultate der Modemverbindungen (alle Modemstandards) Die Anwendungen wurden im Kapitel 2.1 Applikationen beschrieben. Die Testresultate sehen wie folgt aus: Anz. Calls Erfolgreich Nicht erfolgreich Erfolgsrate 96% % % 88% Tabelle 2: Resultate der Modemverbindungen Bemerkungen Die 64 Modemcalls bestehen aus einer Zusammenstellung von 32 verschiedenen Kombinationen von Modulationsverfahren (V.21, V.22, V.22bis, V.32bis, V.34, V.90, V.92) und Übertragungsraten. Jede Kombination wurde in beiden Richtungen getestet. Nicht erfolgreiche Calls, die auf das Messsystem zurückgeführt werden konnten, wurden aus den Resultaten entfernt. Interpretationen Falls eine Modemverbindung erfolgreich ist, bedeutet das nicht zwangsläufig, dass eine Applikation damit funktioniert. Beispielsweise kann die Verzögerung (Delay) bei IP-Verbindungen 5 ITA : ISDN Telephone Adapter 5/10

6 bei zu strikten Timern in der Applikation zu hoch sein. Umgekehrt müssen Bitfehler eine Applikation nicht zwangsläufig stören. Eine analoge Modemverbindung auf dem IP-Netz (z. B. ) ist weniger erfolgreich als eine pure TDM-TDM Verbindung ( ). Dieses ist abhängig von den beteiligten Endgeräten (Router/IAD, IP PBX). 3.5 Resultate der Modem Textmodem (DTMF 6 ) Anwendung: z.b. Steuerfunktionen von Alarmanlagen. Die Testresultate sehen wie folgt aus: Anz. Calls Erfolgreich Nicht erfolgreich Erfolgsrate 100% 100% 100% 100% Tabelle 3: Resultate der Modem Textmodem Bemerkungen Wenn Jitter eingeführt wird, werden die Calls weniger erfolgreich sein. Interpretationen Die Anzahl Calls (mit 4) ist gering, wodurch die Messergebnisse nicht sehr repräsentativ sind. 3.6 Resultate der Modem < V. 34 (bis 14.4 kbps) Anwendungen: im Kapitel 2.1 Applikationen beschrieben. Die Testresultate sehen wie folgt aus: Anz. Calls Erfolgreich Nicht erfolgreich Erfolgsrate 90% % % 84% Tabelle 4: Resultate der Modem < V. 34 Interpretation Dito zum Kapitel 3.4 Resultate der Modemverbindungen. 6 DTMF : Dual Tone Multi Frequency 6/10

7 3.7 Resultate der Modem V. 34 (bis 33.6kbps) Anwendungen: im Kapitel 2.1 Applikationen beschrieben. Die Testresultate sehen wie folgt aus: Anz. Calls NA NA Erfolgreich NA NA Nicht erfolgreich 0 0 NA NA Erfolgsrate 100% 100% NA NA Tabelle 5: Resultate der Modem V. 34 Bemerkungen Bei dieser Modem Geschwindigkeit gab es viele erfolglose Verbindungen, vor allem wegen Fehlern beim Verbindungsaufbau. Dies konnte mit echten Modems nicht reproduziert werden. Deshalb wurden die nicht erfolgreichen Verbindungen als Messfehler aus der Statistik entfernt. Interpretation Dito zum Kapitel 3.4 Resultate der Modemverbindungen 3.8 Resultate der Modem > V. 34 (bis 33.6 kbps) Anwendungen: im Kapitel 2.1 Applikationen beschrieben. Die Testresultate sehen wie folgt aus: Anz. Calls Erfolgreich Nicht erfolgreich Erfolgsrate 100% 100% % 89% Tabelle 6: Resultate der Modem > V. 34 Bemerkungen Es sind V. 90 (Downstream 56 Kbps und 33.6 Kbps Upstream) und V. 92 (Downstream 56 Kbps und 48 Kbps Upstream). Bis 33.6 kbps benutzen V.90 und V.92 dieselben Übertragungsverfahren V.34, unterscheiden sich aber im Verbindungsaufbau. Die höheren Geschwindigkeiten von V.90/V.92 kommen nur bei Dial-Up zu einer ISDN-Gegenstelle zum Tragen. Die Verbindungen mit Aastra PBX zeigen eine deutlich schlechtere Erfolgsrate. Dies ist eine Folge davon, dass Aastra keinen für Modemübertragungen optimierten Mode (Voiceband-Datamode) verfügt. Interpretation Dito zum Kapitel 3.4 Resultate der Modemverbindungen 7/10

8 3.9 Resultate Modemlangzeitcall Dauer: 18 Minuten, Protokoll: V. 92 und Geschwindigkeit: 28.8 Kbps Anwendungen: im Kapitel 2.1 Applikationen beschrieben. Die Testresultate sehen wie folgt aus: Anz. Calls Erfolgreich Nicht erfolgreich Erfolgsrate 100% 100% 100% 50% Tabelle 7: Resultate Modemlangzeitcall Bemerkungen Die Verbindungen waren erfolgreich, ausser bei Aastra PBX. Dies ist eine Folge davon, dass Aastra keinen für Modemübertragungen optimierten Mode (Voiceband-Datamode) verfügt. Interpretation Dito zum Kapitel 3.4 Resultate der Modemverbindungen 8/10

9 4 Weitere Schritte & Roadmap Die analoge Modemkommunikation wurde in den Jahren 1970 bis 1990 für leitungsvermittelte Netze entwickelt, mit den Charakteristiken zero delay, zero jitter, zero packet-lost. Ein IP-Netz hat gänzlich andere Charakteristiken inklusive möglichem delay, jitter und packet-lost. Deshalb funktioniert die analoge Modemübertragung auf IP-Netzen weniger gut als auf TDM-Netzen. Zudem ist die Schnittstelle ATA auf dem Router für die Telefonie auf IP ausgelegt und für die Modemkommunikation müssen geeignete Einstellungen (dynamisch) vom ATA vorgenommen werden. Heute besitzen viele Media-Gateways in Routern (z.b. Internet Box) sowie im Netz bereits einen Modus für Voiceband-Data-Mode. Mit diesem Modus wird die VoIP-Übertragungsstrecke für analoge Datenübertragung (Fax transparent und Modem) optimiert. Technisch wird damit eine maximale Übertragungsqualität erreicht. Es muss aber bewusst sein, dass diese maximale Übertragungsqualität immer unter der Übertragungsqualität von reinen TDM-Verbindungen sein wird. Die analoge Modemkommunikation auf dem IP-Netz kann als best effort bezeichnet werden. 5 End-to-End Test mit spezifischen TDM-Endgeräten Der Einsatz von TDM-basierten Endgeräten auf dem IP-Netz liegt in der Verantwortung des Systemlieferanten und der Kunden. Um eine verbindliche Aussage zu Funktion und Verbindungsqualität machen zu können, ist es empfehlenswert, dass der Systemlieferant oder Grosskunden einen live IP-Anschluss beschaff und mit den entsprechenden Endgeräten/Applikationen testet. Wie bereits beschrieben, ist die Wiederverwendung von den TDM-basierten Endgeräten auf dem IP-Netz nur eine temporäre Brückenlösung. Die Anpassung der TDM-basierten Endgeräte auf IP bedeutet Aufwand, ist aber nötig. 6 Empfehlungen und Schlussfolgerungen Bei den Modemanwendungen geht der Trend schon heute in Richtung IP-fähige Endgeräte. Bei Ersatzinvestitionen empfiehlt Swisscom, ab sofort in IP-basierte Geräte (z. B. Alarmanlagen, Zahlungsterminals, Smart Metering etc. ) zu investieren. In vielen Bereichen sind IP-basierte Lösungen bereits im Einsatz, erprobt und verfügbar. Die IP-Kommunikation erfolgt auf xdsl, Fibre oder Mobil ( MTS/HSPA, LTE). In diesem Kontext empfiehlt Swisscom den Systemlieferanten und Kunden ab sofort den Einsatz von IPbasierten Endgeräten sowie die Umstellung bestehender TDM-Anlagen auf rein IP-basierte Lösungen. Mittelfristig ist es sinnvoll, eine Migration auf reine IP-basierte Endgeräte vorzunehmen und bei den Endkunden entsprechend zu fördern. 9/10

10 7 Abkürzungen und Modem Protokolle Abkürzung Beschrieb ATA Analogue Telephone Adapter DSL Digital Subscriber Line DTMF Dual Tone Multi Frequency EDGE Enhanced Data-rates for Global Evolution (2,5 G) EFT/POS Electronic Fund Transfer/Point of Sales HSPA High Speed Packet Access (3.5 G) GSM Global System for Mobile Communications (2G) IMS IP Multimedia System IP Internet Protocol ISDN Integrated Services Digital Network ITA ISDN Telephone Adapter ITU International Telecommunications Union LTE Long Term Evolution (4G) MODEM Modulation Demodulation PBX Private Branch Exchange (TVA) PSTN Public Switched Telephone Network SIP Session Initiation Protocol SME Small and Medium Enterprises TDM Time Division Multiplexing UMTS Universal Mobile Telecommunications System (3G) VoIP Voice over IP DTMF Text-12 (bps) DTMF Security DC (bps) V V V V. 22bis V. 22 bis V. 32 bis-4800 V. 32 bis 7200 V. 32bis-9600 V.32bis V. 32 bis V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V /10