Bei der Beurteilung von VoIP- Diensten kommt es auf die richtige Messmethode an

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1 Bei der Beurteilung von VoIP- Diensten kommt es auf die richtige Messmethode an

2 Kein Teil dieser Broschüre darf in irgendeiner Form (Druck, Fotokopie, Mikrofilm oder in einem anderen Verfahren) ohne unsere vorherige schriftliche Genehmigung reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Wir weisen darauf hin, dass die im Buch verwendeten Bezeichnungen und Markennamen der jeweiligen Firmen im Allgemeinen Warenzeichen, marken- oder patentrechtlichem Schutz unterliegen. Copyright: 2012 Nextragen GmbH Stand: 02/2012 2

3 Management Summary Zur Bewertung der Sprachqualität von VoIP-Gesprächen nutzt das Simulationswerkzeug TraceSim von Nextragen verschiedene Messmethoden. Diese unterscheiden sich fundamental und führen zu abweichenden Qualitätswerten. Zudem ist nicht jedes Verfahren für jede Aufgabenstellung gleich geeignet. Der Beitrag erklärt die Grundzüge und wesentlichen Unterschiede der beiden gebräuchlichsten Verfahren, die als "E-Model" und "PESQ" bezeichnet werden. Allgemein gesprochen, versuchen alle Messmethoden ein Telefongespräch nach einem schulnotenähnlichen System zu bewerten, welches als Mean Opinion Score (MOS) bezeichnet wird. MOS ist von der ITU-T im Standard P.800 definiert. Bei diesem Bewertungsschema werden die Noten - die MOS-Werte - auf einer Bewertungsskala zwischen 1 (ungenügend) und 5 (sehr gut) vergeben. Die Angabe eines MOS-Werts, beispielsweise in einer Ausschreibung, einem Messprotokoll oder einem Service-Level-Agreement (SLA) stellt jedoch nur dann eine klare und nachvollziehbare Aussage dar, wenn das zugrunde liegende Verfahren bekannt ist. Denn je nach Verfahren können sich verschiedene MOS-Werte ergeben. Das gilt auch für die beiden heute gebräuchlichsten Messmethoden E-Model und PESQ. Zudem sind die nach dem jeweiligen Verfahren ermittelten MOS-Werte nur sehr bedingt miteinander vergleichbar. Es sollte also immer eindeutig klargestellt werden, welcher MOS-Wert gemeint ist. Man kann dies beispielsweise durch einen einfachen Zusatz ausdrücken: MOS E-model = MOS-Wert, ermittelt nach E-Model, MOS PESQ = MOS-Wert, ermittelt nach PESQ. Es kann auch auf andere Art präzisiert werden, welcher MOS-Wert gemeint ist. So beschreiben die Normen der ITU-T ein noch breiteres Spektrum, um verschiedene MOS-Werte zu charakterisieren. Für die messtechnische Praxis im Bereich der Unternehmenskommunikation sind die hier genannten Zusätze allerdings typischerweise ausreichend. Im Folgenden betrachten wir zunächst die MOS-Wertermittlung nach dem E-Model-Verfahren. E-Model betrachtet nur Paketparameter Das E-Model ist im Standard ITU-T Rec. G.107 beschrieben. Bei Messungen nach diesem Verfahren zeichnet das VoIP-Messgerät die von dem Telefon oder der Telefonanlage übermittelten Datenströme der RTP-Pakete (RTP-Streams) auf und bewertet diese anhand des Verhaltens der Paketparameter. Zu den für die Beurteilung berücksichtigten Parametern gehören: Packet loss: die beim Transport über das Netz verloren gegangenen Pakete; Jitter: als Maß, ob die Pakete in zeitlich korrekten Abständen hintereinander eingegangen sind; Delay: Die Verzögerung vom Sender zum Empfänger; Codierung: Es wird der für die Codierung der Sprache genutzte VoIP-Codec ermittelt. Die vier Parameter werden anschließend dem E-Model Algorithmus zur Verfügung gestellt, welcher daraus den MOS-Wert des RTP-Streams errechnet. Beim E-Model werden die Pakete auf deren Vollständigkeit und zeitliche Eigenschaften untersucht. Damit lassen sich in einfachen Netzsituationen ohne Medienübergän- 3

4 ge (!) Abschätzungen erreichen. Nimmt man beispielsweise ein LAN erstmals in Augenschein und ein nach dem E-model ermittelter MOS-Wert ist sehr negativ, so ist schnell offenkundig, dass die RTP-Streams zu gestört sind, um eine akzeptable beziehungsweise die gewünschte Sprachqualität zu realisieren. Ebenfalls kann nach der Durchführung von Maßnahmen eine Wiederholung der Messung zeigen, ob Verbesserungen in den RTP-Streams erreicht wurden. In dieser einfachen Methodik liegen aber auch die Grenzen des E-Models begründet. Es wird lediglich die Qualität des Transportes in einem LAN festgestellt. Das Messverfahren ist nicht dafür ausgelegt, die Inhalte der RTP-Pakete - also die Sprache - für die Beurteilung zu berücksichtigen. Ebenfalls ist eine Messung im Rahmen des E- models nicht in der Lage, über mehrere Netzsegmente hinweg sinnvolle Aussagen zu erzeugen. Abbildung 1 veranschaulicht diese methodisch bedingten Grenzen einer Messung nach dem E-Model. Als Szenario sind drei miteinander gekoppelte Kommunikationssegmente (IP - ISDN/WAN - IP) dargestellt. Bei einem solchen Kommunikationsgebilde handelt es sich beispielsweise um ein Unternehmen mit zwei VoIP- Standorten. An den Netzübergängen bedient man sich heute typischerweise Gateways zur Umwandlung der VoIP-Pakete in ISDN-Daten. Abbildung 1: Die MOS-Wert-Ermittlung nach E-model berücksichtigt nur die Fehler von RTP-Paketen im jeweiligen Netzsegment. Vererbte Fehler aus vorgelagerten Segmenten werden ignoriert, da sie durch Korrekturpakete ohne Sprachinformation ersetzt werden. (Hier dargestellt am Beispiel des Parameters Packet loss.) Will man in einem solchen Netzkonstrukt den MOS-Wert und somit die VoIP-Qualität auf Basis des E-Models ermitteln, so erhält man keine Aussage über die gesamte Verbindung (Ende-zu-Ende). Für den Standort A und den Standort B werden getrennte MOS-Werte ermittelt. Treten beispielweise im Gateway Codec-Fehler oder auf dem ISDN-Netzwerk Übermittlungsfehler auf, dann werden diese auf der Paketschicht nicht sichtbar. Die Gründe hierfür sind: beim Umpaketieren eines VoIP-Pakets in ein anderes Format werden die Zeitstempel neu generiert, die Paketfehler (Jitter und Packet loss) werden dabei zurückgesetzt. Da man bei diesem Beurteilungsverfahren nur die Paketebene betrachtet und die Paketinhalte (die eigentliche Sprache) außer Acht lässt, erhält man immer nur einen Messwert vom jeweiligen Messpunkt bis zum Gateway. Das E-Model scheitert daran, eine Ende-zu-Ende Sprachqualität zu errechnen und die ermittelten Messwerte geben nur einen Teil der Wahrheit wieder. 4

5 Wird anstatt der ISDN-Verbindung zwischen den beiden Unternehmensteilen eine WAN-Verbindung genutzt, so wird oft zur Einsparung von Bandbreite eine Codec- Wandlung vorgenommen, beispielsweise von G.711 auf G.729. Die Codec-Wandlung sorgt ebenfalls für eine Aufteilung in drei Übertragungssegmente. Versucht man eine solche Übermittlungsstrecke anhand des E-Models zu beurteilen, erhält man ebenfalls keine Ergebnisse für die gesamte Strecke. Die ermittelten MOS-Werte haben dann auch nur eine Aussagekraft für einzelne Segmente. Das Problem bleibt das gleiche: Aus vorigen Segmenten "geerbte" Fehler werden in der Bewertung von Folgesegmenten ignoriert. PESQ betrachtet die übermittelte Sprache Ganz anders arbeitet das PESQ-Messverfahren gemäß der Spezifikation ITU-T Rec. P.862. Der PESQ-Algorithmus setzt bei den Sprachsignalen an: Zur Berechnung des MOS-Wertes wird ein Referenzsignal mit dem entsprechenden, nach der Übertragung empfangenen Signal direkt verglichen. Bei diesem Verfahren wird somit zwischen dem Sender und dem Empfänger die Sprachqualität auf einer Ende-zu-Ende-Basis betrachtet. Abbildung 2: MOS-Wert-Ermittlung nach PESQ. Anhand eines Referenzsignals werden alle auf der Übertragungsstrecke aufgetretenen Veränderungen und Beeinträchtigungen des beim Empfänger ankommenden Vergleichssignals erkannt. Es wird genau ein MOS-Wert ermittelt, der die Gesamtbewertung der Sprachqualität der Ende-zu-Ende-Beziehung darstellt. Da der Algorithmus direkt auf das Sprachsignal aufsetzt, bietet dieser den Vorteil, dass jede Signalveränderung beziehungsweise jeder Fehler auf der Strecke bemerkt wird. Während das E-Model nur die reinen Transportfehler (Paketverluste, Jitter, etc.) in jeweils einem Segment der Übertragungsstrecke betrachtet, liefert PESQ eine Bewertung über die gesamte Ende-zu-Ende-Kommunikationsstrecke. Auch die Qualitätseinflüsse aus der Wandlungen der Sprachsignale an den Netzübergängen werden einbezogen (Codec-Wandler, Fehler in der Codec-Wandlung, Wandlung von IP in ISDN, ISDN-Fehler). 5

6 Fazit Der Unterschied zwischen den beiden Bewertungsmethoden ergibt sich aus den Parametern, die bei der Ermittlung des MOS-Werts berücksichtigt werden. Das E- model bezieht sich ausschließlich auf Eigenschaften der RTP-Pakete, während PESQ zur Berechnung die Daten aus den realen Sprachsignalen gewinnt. Insbesondere, wenn eine Kommunikationsstrecke aus mehreren Segmenten mit Medienwandlern besteht, führt die Verwendung des E-Models zu mehrdeutigen Aussagen und einer systematischen Überschätzung der tatsächlichen Sprachqualität. Die dennoch weite Verbreitung des E-Models dürfte drei Gründe haben: in einfachen Situationen kann man damit brauchbare Abschätzungen erreichen, der Algorithmus kann ohne Lizenzkosten in Messgeräten implementiert wer- den (anders als bei anderen Verfahren) und es dürfte wohl auch Unverständnis für den messtechnischen Aussagegehalt eine Rolle spielen. Gänzlich sinnlos sind jedoch in Ausschreibungen oder SLAs die Forderungen eines bestimmten MOS-Wertes, wenn dieser nicht präzisiert wird, beispielsweise durch den Zusatz "nach E-Model" oder "nach PESQ". PESQ bildet heute den Marktstandard in der fachkundigen Messtechnik für Sprachqualität. Allerdings wird auch PESQ zukünftig nicht alle relevanten Szenarien abdecken können. Seit 2011 steht als ITU-T Rec. P.863 ein neues Bewertungsmodell unter dem Namen Perceptual Objective Listening Quality Analysis (POLQA) zur Verfügung. POLQA ist eine Weiterentwicklung von PESQ und erlaubt unter anderem auch die Untersuchung von übermittelten Sprachsignalen im "Ultra-Breitband" ( Hz). Es dürfte aber im Zuge des schrittweisen Ausbaus der Next-Generation- Networks noch einige Jahre dauern, bis die Verwendung von POLQA über einen engen Anwenderkreis unter den großen Festnetz- und Mobilfunknetzbetreibern hinaus praktische Relevanz erlangt. 6

7 Firmenprofil Nextragen Die Nextragen GmbH ist auf die Entwicklung von VoIP/Video-Produkten und Software-Lösungen rund um die Themen Monitoring, Analysing und Testing ausgerichtet. Die Sicherstellung der End2End Dienstequalität (QoS, QoE) für Next Generation Networks und Triple Play Dienste steht im Fokus des im Jahr 2009 gegründeten Unternehmens mit Sitz an der Flensburger Förde im Norden Deutschlands. Kunden aus dem Carrier-, Telekommunikations- und Enterprise-Segment setzen die Nextragen-Lösungen ein, um die Qualität und Zuverlässigkeit von VoIP- und Video- Anwendungen zu monitoren, zu analysieren und zu testen. Produkte, Lösungen und Dienstleistungen der Nextragen GmbH sind 100% made in Germany und werden weltweit über zertifizierte Partner vertrieben. Weitere Informationen erhalten Sie auf der Firmenwebsite unter 7

8 nderungen und Irrt mer vorbehalten 8

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