NEXT GENERATION MEASUREMENT

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1 NEXT GENERATION MEASUREMENT

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: Herausgeber: 2009 Nextragen GmbH Stand: 11/2009 Nextragen GmbH Lise-Meitner-Str Flensburg

3 Messung der Sprachqualität in VoIP-Netzwerken Die korrekte Übermittlung von Sprache ist eine der Grundlagen der Geschäftskommunikation. An dieser Tatsache ändert auch die weltweite Umstellung der Telefonie auf Voice over IP (VoIP) nichts. Die Sprachinformationen müssen auch in einem IP-Netz unverzerrt und unverfälscht beim Empfänger ankommen. Somit steht die Sprachqualität im Vordergrund und erfordert technische Maßnahmen zum Erhalt der qualitativen Sprachgüte auf der gesamten Übermittlungsstrecke zwischen dem Anrufer und dem angerufenen Telefondienstteilnehmer. Die in der Vergangenheit in den Telefonnetzen genutzten Verfahren (MOS und E-Model) zur Beurteilung der Sprachgüte, reichen durch die Umstellung auf die VoIP-Technologie nicht mehr aus. Erst eine Messung nach dem so genannten PESQ-Verfahren ergänzt die Messmethoden um weitere wichtige Qualitätsaspekte und gibt eindeutige Hinweise für eine Ursachenanalyse, wenn die VoIP-Verbindungen qualitative Mängel aufweisen. Die in den Messprodukten der Nextragen GmbH integrierte PESQ-Analyse ermöglicht die komfortable Inbetriebnahme von VoIP-Systemen und erleichtert die Fehlersuche an Triple Play-Anschlüssen. Die Analyseprodukte stellen sicher, dass die Dienstqualität auch in VoIP-Netzen den hohen Anforderungen der Netzbetreiber als auch der Nutzer entspricht. Daher verlassen sich europaweit zahlreiche Telekommunikationsunternehmen und Systemintegratoren auf die Vorteile des in den Nextragen-Produkten integrierten PESQ-Verfahren. Telefonnetze im Umbruch Das Übertragungssystem für die Sprache wird als Telefonnetz oder Festnetz bezeichnet. Das Telefonnetz wurde als Kommunikationssystem zur Abwicklung von Telefongesprächen entwickelt. Die Bezeichnung Telefonnetz wird deshalb verwendet, weil dieses Netz in der Hauptsache für die Übertragung von Telefongesprächen entwickelt wurde. Dem Begriff Festnetz fehlt jedoch die Eindeutigkeit, denn diese erklärt nicht, auf welche Funktion sich das "Fest"bezieht. Hier kann die fest zugeordnete Teilnehmerkennung (Telefonnummer) zum Anschluss bzw. zur Leitung gemeint sein. Spätestens mit der Entwicklung der massentauglichen Mobilfunknetze verlor der Begriff Festnetz seine Bedeutung. Aus diesem Grund bezeichnet man heute die der Telefonie zugrunde liegende Kommunikationsinfrastruktur als Telefonnetz oder nutzt den englischen Begriff Public ed Telephone Network (PSTN). In den Telefonnetzen werden mit Hilfe von Multiplexverfahren mehrere Signale gebündelt und simultan übertragen. Beim klassischen Telefonnetz wird die Technik des Zeitmultiplexens (Englisch: Time Division Multiplexing; TDM) zur Übermittlung der Sprachinformationen genutzt. Dieser Mechanismus sorgt dafür, dass in einem Übertragungskanal zwei oder mehrere Signalströme zeitlich verschachtelt übertragen werden. Hierzu erhält jeder Unterkanal einen definierten Zeitschlitz fester Länge. Da die Übertragungsressourcen zeitlich begrenzt sind, legt die TDM-Technik immer eine feste Anzahl von Unterkanälen (Subkanäle) fest. Jeder Subkanal erhält eine konstante Bandbreite pro Zeiteinheit. Dadurch ist die Verzögerung zwischen den Kommunikationspartnern innerhalb eines Übertragungskanals konstant. Der gesamte Übertragungskanal zwischen Sender und Empfänger bleibt so lange bestehen, bis die Teilnehmer die Ressourcen wieder freigeben. Werden über einen bestehenden Kanal zwischen zwei Teilnehmern keine Informationen übermittelt, bleibt der im Leerlauf befindliche Übertragungskanal erhalten; er kann nicht von anderen Teilnehmern genutzt werden. Der Vorteil des TDM-Verfahrens liegt in dem geringen Protokoll-Overhead und der optimalen Nutzung der verfügbaren Bandbreite. Das Problem ist jedoch die schlechte Ausnutzung 1

4 der Netzressourcen. Im Zuge der technischen Neuerungen wird versucht, das traditionelle Telefonnetz abzuschalten. Es soll künftig keine eigenständige Leitung für Telefongespräche mehr geben, sondern die Telefonate sollen über eine andere, bereits bestehende, gemeinsam genutzte Transportplattform aufgebaut werden. Hierfür wird die IP Plattform genutzt. Im Next Generation Network (NGN) werden die traditionellen leitungsvermittelnden Telekommunikationsnetze durch eine einheitliche paketvermittelnde Netzinfrastrukur ersetzt. Ein wichtiger Vorteil besteht darin, dass die IP-basierte Infrastruktur fast überall auf der Welt vorhanden ist und die in ihm verwendete Paketvermittlung eine gute Ausnutzung der Netzressourcen mit sich bringt. Bei paketvermittelnden Netzen nutzen alle aktiven Teilnehmer die verfügbaren Übertragungsressourcen. Die Datenpakete erhalten spezifische Adressinformationen und können dadurch von den Netzknotenpunkten individuell vermittelt werden. Aus diesem Grund können Pakete vom Absender über unterschiedliche Netzwege zum Empfänger gelangen. Früher wurden deshalb über Datennetze nur solche Daten übertragen, die keine Anforderungen an die Isochronität stellten. Entscheidend war, dass die Daten in einem konstanten Zeitraster verlustfrei, verzögerungsarm und so sicher wie möglich zwischen den beiden Endpunkten übertragen wurden. Ein weiteres Merkmal der Datentransfers in Datennetzen ist die große Varianz in Bezug auf ihr Datenaufkommen. Wenn Lastspitzen entstehen, kommt es zu sogenannten Daten-Bursts. Rechner kommunizieren in kurzen Paketbursts, die so schnell wie möglich übertragen werden müssen, um dann wieder für mehrere Minuten die Kommunikation völlig einzustellen. Rechnernetze sind auf dieses Verhalten entsprechend angepasst. Dies gilt sowohl für lokale Netzwerke als auch für typische Weitverkehrsnetze. VoIP erfordert eine unterbrechungsfreie, verlustarme und verzögerungsarme Übermittlung der Datenströme. Durch die Verwendung der Paketvermittlungstechnik kann es zu unvorhersehbaren Problemen kommen, die sich oft in der Verschlechterung der Dienstqualität äußern. Aus diesem Grund erfordert die Übertragung von Sprache in IP-Netzen eine garantierte Qualität, die mit der Qualität der bisher genutzten Telefonnetze vergleichbar ist. IP-basierte Netze garantieren grundsätzlich keine Übertragungsqualitäten. Die Garantien müssen in IP-Netzen durch zusätzliche Mechanismen zur Qualitätssicherung integriert werden. Eine Prüfung und die ständige Überwachung dieser Qualitätssicherungsmechanismen sind daher unabdingbar. Eine solche Qualitätsüberwachung erfolgt beispielsweise durch die Messintrumenten der Firma Nextragen GmbH. Netz und Systemparameter bei VoIP Bei der Übermittlung von Sprachanwendungen über IP-Netze beeinflussen unterschiedliche Faktoren die Dienstqualität. Zu den wichtigsten Faktoren gehören: Jitter: VoIP-Pakete müssen zu einer bestimmten Zeit und im Idealfall immer in gleichen Abständen beim Empfänger ankommen. Diese Abstände (Zwischenankunftszeiten) sind durch den Sprachcodec festgelegt. In einem IP-Netzwerk kann es jedoch zu Laufzeitschwankungen kommen bzw. verschiedene Pakete benötigen für die Übermittlung über das Netz unterschiedliche Übertragungszeiten. Als Jitter bezeichnet man die Zeit zwischen der Soll-Ankunftszeit und der Ist-Ankunftszeit. Diese Zeitdifferenz sollte im Idealfall 0 ms betragen. In den normalen IP-Netzwerken ist immer ein durch die Übertragungskomponenten bedingter Jitter vorhanden. Zur Kompensierung des Jitters nutzen VoIP-Geräte einen Jitterpuffer. Dieser gleicht die Laufzeitschwankungen durch eine Zwischenpufferung einer bestimmten Anzahl an Paketen aus. Der Jitterpuffer kann diese jedoch nur innerhalb definierter Grenzen ausgleichen. Überschreitet der Jitter diese Grenzen, kommt es zu Aussetzern im Sprachsignal. Verzögerung: Bei der Übertragung von VoIP über ein IP-Netzwerk kommt es zu einer Ende-zu- 2

5 Ende-Verzögerung der Signale. Die Verzögerung (Delay), auch als Latenzzeit oder Latenz bezeichnet, wird in Millisekunden gemessen. Sie ist das Zeitintervall zwischen dem Auftreten eines Ereignisses und dem Auftreten eines erwarteten Folgeereignisses, um das dieses verzögert wird. Beim Dienst VoIP bezeichnet die Verzögerungszeit den Zeitraum zwischen dem Sprechen und dem entfernten Hören der gesprochenen Nachricht. In Netzwerken wird die Verzögerung oft mit dem Begriff Round- Trip-Time (RTT) beschrieben. Der Round-Trip-Delay beschreibt die Gesamtverzögerung, also Hinund Rückweg zwischen zwei IP-Endpunkten. Bei VoIP-Anwendungen ist der so genannte One-Way- Delay, also die Verzögerung in einer Richtung von Endpunkt zu Endpunkt, von Bedeutung. Der One-Way-Delay ist relativ schwer zu berechnen, da der Empfänger keine Information über den Beginn der Paketübertragung hat. In den für die Übermittlung der Sprachdaten zuständigen RTP- Paketen befindet sich ein Zeitstempel. Dieser bezieht sich jedoch nur auf die interne Uhr des Senders. Zur Ermittlung der exakten Verzögerung müssten Sender und Empfänger über exakt gleich eingestellte Uhren verfügen. Ein solches Verfahren wurde bisher nicht in die Endgeräte implementiert. In der Praxis werden daher mit speziellen Messgeräten (beispielsweise dem Trafficlyser TraceSim VoIP von Nextragen) die Verzögerungen von Übertragungsstrecken bestimmt. Die Verzögerung ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem Gespräch ungewollte Sprachpausen oder Überschneidungen von Sender und Empfänger entstehen (Echoeffekte). Gemäß der ITU-Empfehlung G.114 sollte, die Ende-zu-Ende-Verzögerung nicht Länger als 150 ms andauern. Bei VoIP-Anwendungen wirkt sich in der Praxis eine zu hohe Verzögerung durch eine Verminderung des Quality of Service (QoS) aus. Paketverluste: Mit Hilfe einer VoIP-Anwendung werden unzählige Pakete vom Sender zum Empfänger über das Netzwerk übermittelt. Bei der Übertragung der Pakete kann es passieren, dass einige Pakete zerstört werden bzw. verloren gehen. Da VoIP-Gespräche auf Basis des ungesicherten User Datagram Protokolls (UDP) übermittelt werden, besteht keine Möglichkeit die aufgetretenen Paketverluste zu kompensieren. Paketverluste können durch Netzüberlastungen oder defekte Koppelkomponenten verursacht werden. Ein gut funktionierendes Netzwerk sollte möglichst keine oder nur geringe Paketverluste aufweisen. Die Paketverlustrate ist somit ein Maß für die Übertragungsqualität einer Datenverbindung. Sie definiert, wie viele Pakete eines Datenstroms zwischen einem Sender und einem oder mehreren Empfängern während der Übertragung verloren gegangen sind. Die Paketverlustrate berechnet sich aus dem Verhältnis der Anzahl verloren gegangener zur Anzahl gesendeter Datenpakete. Um eine gute Verbindung zu erreichen sollte/muss dieser Fehlerwert so klein wie möglich sein. Optimal ausgelegte und gut administrierte IP-Backbones weisen heute in der Regel eine Paketverlustrate von < 0,5 Prozent auf. Für die Übermittlung von VoIP-Datenströmen gilt gemäß der ITU G.114 Spezifikation eine Paketverlustrate bis zu 5 Prozent noch als akzeptable Qualität. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass Paketverluste in unterschiedlicher Form auftreten können. Folgende zwei Arten der Paketverluste sind zu unterscheiden: Der Paketverlust einzelner Datenpakete über einen bestimmten Zeitraum Der Paketverlust mehrerer aufeinander folgender Datenpakete über einen bestimmten Zeitraum Der Verlust von mehreren aufeinander folgenden Datenpaketen (Daten-Burst) ist vom Empfänger nicht mehr kompensierbar und wirkt sich als Übertragungsstörung aus. Vereinzelte Paketverluste werden vom Gehör/Gehirn interpoliert und fallen dem Zuhörer nicht auf. Paketverluste wirken sich umso stärker aus, je länger der so genannte Payload (Sprach/Videoanteil im Paket) ist. Codecs weisen eine gewisse Toleranz gegenüber Paketverlusten auf. In Abhängigkeit vom genutzten Codec der Anwendung bemerkt der Nutzer die aufgetretenen Paketverluste nicht. Bandbreite: Als effektive Bandbreite bezeichnet man die Bandbreite, die über den gesamten Netz- 3

6 werkpfad (Ende-zu-Ende) zu einem bestimmten Zeitpunkt für die betreffende Anwendung bzw. dem jeweiligen Datenfluss zur Verfügung steht. In einem Netzwerk bzw. bei Netzwerkverbindungen verändert sich die effektive Bandbreite permanent. Sie ist von der Anzahl gleichzeitiger Datenströme abhängig. In den meisten Fällen wird diese durch einige wenige überlastete Netzverbindungen oder Koppelelemente bestimmt. Die verfügbare Bandbreite wird in Bit/s gemessen und muss ausreichend sein, um die Daten erfolgreich vom Sender zum Empfänger zu transportieren. Steht nicht genügend Bandbreite zur Verfügung, kann es zu Jitter und Paketverlusten führen. Die benötigte Bandbreite ist abhängig von dem gewählten Sprachcodec. Sprachcodec Nettobandbreite [Kbit/s] Qualität [MOS] G ,4 G ,61 ilbc 15,2 3,8 G ,92 G ,3 3,65 Ein Sprachcodec kodiert die Sprache und verpackt sie in kleine Sprachpakete. Beim Verpacken der Sprachpakete werden zusätzliche Header mit Adressinformationen in das Paket eingefügt, so dass die für die Übermittlung benötigte Bandbreite ansteigt. Bei der Nutzung eines typischen G.711 Codec steigt die Nettobandbreite durch die Paketierung auf eine Bruttobandbreite von 85,6 Kbit/s an. Die Bruttobandbreite zur Übermittlung von codierten Sprachinformationen lässt sich wie folgt berechnen: Payload bei typsicher Codeceinstellung 20 ms: 160 Bytes Größe eines Sprachpakets: (Ethernet-Header) + (IP/UDP/RTP-Header) + Payload = 214 Bytes Nettorate des Codecs = 50 Pakete/s Kapazität einer Verbindung (Mediaströme): Größe des Sprachpakets x Sprachpakete pro Sekunde x 8 = 85,6 Kbit/s Die Sprachcodecs weisen differierte Eigenschaften auf. Der G.711 Codec ist der bekannteste Sprachcodec und wird im ISDN verwendet. Durch die Wahl des Sprachcodecs wird automatisch eine Wahl der Sprachqualität getroffen, da die Einsparung der notwendigen Bandbreite meist auch eine Verringerung der Sprachqualität zur Folge hat. In der Praxis sind jedoch VoIP-Systeme aufgrund von Bandbreitenengpässen auf der Übertragungsstrecke dazu gezwungen, einen schlechteren Sprachcodec zu wählen, um eine VoIP-Verbindung überhaupt realisieren zu können. Messmodelle zur Ermittlung des QoS bei VoIP Die ultimative Messgröße zur Beurteilung der Performance ist der Anwender. Bei der Sprachübermittlung hängt die Beurteilung der Güte der Sprachübermittlungen von subjektiven Kriterien ab. Es gibt viele Faktoren, die Einfluss darauf haben. Der offensichtlichste davon ist die Qualität der Mikrophone 4

7 und Lautsprecher auf beiden Seiten. Die Digitalisierung und Kodierung des Signals ist ein weiterer wichtiger Faktor. Vor allem die Wahl des Kodierungsschemas ist entscheidend für den Rauschabstand und die Verzerrung des Signals. Wenn das Kodierungsschema auf der Strecke zwischen Sender und Empfänger zusätzlich verändert wird, leidet darunter die Qualität. Wird Silence-Suppression eingesetzt, haben auch die Güte des Comfort-Noise und eventuelles Clipping Einfluss. Die von den Benutzern erwartete Sprachqualität variiert stark und hängt von vielen Faktoren ab. Hierzu gehören beispielsweise kulturelle Unterschiede, Anforderungen aus dem Geschäftsumfeld, Umgebungsbedingungen oder verfügbare Hardund Software. Telefonnutzer im ländlichen Umfeld sind wahrscheinlich eher gewillt, gewisse Störungen bzw. eine verminderte Sprachqualität zu akzeptieren, als ein Benutzer in modernen Städten. Die Toleranz gegenüber Störungen hängt auch stark vom jeweiligen Kommunikationsgerät ab. Die Toleranzschwellen von Handy-Nutzern sind wesentlich höher als von Nutzern klassischer Telefondienste. Die höchsten Anforderungen an die Sprachkommunikation stellt die Geschäftskommunikation. Aus diesem Grund werden die VoIP-Lösungen immer an den Merkmalen der klassischen ISDN-Telefonanlagen gemessen. Somit gehört die Sprachqualität zu den fundamentalen Kriterien jeder Sprachanwendung. Diese kann in Netzwerken sowohl im LAN als auch im WAN nicht problemlos garantiert werden und erfordert das reibungslose Zusammenspiel komplexer Technologien. Zur Ermittlung der objektiven Qualität von VoIP-Verbindungen stehen zwei Messmodellarten zur Verfügung: Einseitige Messmodelle: Diese Messmethoden sind in der Lage, aus den Netz- und Systemdaten den erforderlichen QoS Wert zu berechnen, ohne dabei eine Basisreferenz zu benötigen. Das bedeutet, dass die zugrunde liegende Berechnung sich auf keinerlei Referenzen bezieht. Ein Beispiel für ein solches Modell ist das von Opticom entwickelte 3SQM-Verfahren. Zweiseitige Messmodelle: Bei dieser Variante werden die aufgezeichneten Daten mit einem Referenzsignal verglichen und aus der Differenz der QoS-Wert berechnet. In der Regel muss für eine Messung anhand des zweiseitigen Modells ein Referenzsignal durch einen Prüfling geschickt werden. Am anderen Ende des Prüflings wird das empfangene Signal wieder auf den Prüfling gespiegelt und an den Sender zurück geschickt (full reference). In der Praxis wird hierfür der PESQ-Algorithmus genutzt. Eine weitere Variante des zweiseitigen Modells erfordert nicht die Übermittung eines Referenzsignals über einen Prüfling. Die Qualität wird anhand der im empfangenen Signal enthaltenen Parameter berechnet und als QoS-Wert dargestellt. In diesem Fall spricht man von einem parametrisierten zweiseitigen Modell. Dies setzt jedoch voraus, dass die Struktur des gesamten Datenpfades bekannt ist und die darin enthaltenen Komponenten im Labor bereits auf ihre QoS-Merkmale untersucht wurden. Ein Beispiel für eine solche Variante des zweiseitigen Modells ist das E-Modell. Bewertung der Sprachqualität Die Sprachqualität beschreibt, wie gut die Verständlichkeit einer menschlichen Stimme bei Aufzeichnung und Wiedergabe durch eine technische Einrichtung ist. Eine Beurteilung der Sprachqualität ist dabei subjektiv und hängt sowohl von den gegebenen technischen Mitteln, dem Umfeld der Aufnahme, dem Übertragungsweg und dem Umfeld der Wiedergabe ab. Die Bewertung dieser Sprachqualität ist durch Bewertungsmethoden der ITU mit dem Standard P.800 spezifiziert. 5

8 Mean Opinion Score Das bekannteste Verfahren zur Bewertung der Sprachqualität ist der Mean Opinion Score (MOS). Die ITU hat die Technik MOS im Jahre 1998 als Empfehlung P.800 veröffentlicht. Diese Methode beschreibt die subjektive Wahrnehmung der verschiedenen Prüflinge, z.b. Codecs mit Hilfe einer festgelegten Skala zur Beurteilung der QoS Empfindungswerte. Der MOS-Wert ist ein dimensionsloser Wert, ähnlich den Schulnoten zwischen eins und fünf. Dabei steht der Wert 1 für eine mangelhafte Sprachqualität, bei der keine Verständigung möglich ist. Der Wert 5 hingegen signalisiert eine exzellente Übertragungsqualität, die nicht von dem Original zu unterscheiden ist. Der MOS-Wert wird subjektiv ermittelt, indem Probanden Sprechproben vorgespielt, die einzelnen Bewertungen gewichtet und daraus die statistischen Ergebnisse ermittelt werden. Die einzelnen Schritte bei der MOS-Technik ergeben sich wie folgt: Es wurde ein Publikum von mindestens 100 Menschen befragt. Danach wurde eine Sprachprobe mit dem entsprechenden Sprachcodec kodiert und diese Sprachsequenz dem Publikum vorgespielt. Jeder Einzelne vergab danach für die verminderte Qualität der Sprachprobe eine Note. Diese musste zwischen 1 (schlecht) und 5 (ausgezeichnet) liegen. Aus den 100 Noten wurde der Durchschnitt berechnet und als MOS Wert für den Sprachcodec festgelegt. Die nachfolgende Tabelle zeigt die gängigsten Codecs und die ermittelten MOS Werte. Die abgebildeten MOS-Werte entsprechen der besten Qualität, die ein Sprachcodec erhalten kann. Codec MOS G.711 4,4 G.729 3,92 G.726 3,85 ilbc 3,8 G.729a 3,7 G ,65 G.728 3,61 MOS bedeutet in seiner Ursprungsform Mean Opinion Score, also durchschnittlicher Meinungswert. Er wird von vielen Verfahren und Algorithmen als Ausgabewert benutzt. Diese Werte lassen sich nicht immer genau vergleichen, da die unterschiedlichen Verfahren differierende Ansätze haben. Deshalb hat die ITU in der Veröffentlichung Rec. P beschrieben, dass dem Wort MOS noch Zeichen angehangen werden müssen, um eindeutig zu zeigen, welche Art von Verfahren dem berechneten MOS Wert zu Grunde liegt. In dieser Empfehlung werden folgende Zeichen erklärt, die an das Wort MOS anzuhängen sind: LQ Listen Quality (Gehörte Qualität) CQ Conversational Quality (Dialog Qualität) 6

9 S Subjective O Objective E Estimated (Geschätzt) Die nachfolgende Tabelle zeigt die daraus resultierenden Kombinationen: Listening-only Conversational Subjektive MOS LQS MOS CQS Objektive MOS LQO MOS CQO Geschätzte MOS LQE MOS CQE MOS LQS: Dieser Wert wurde in einem Labor erhoben. Das arithmetische Mittel wird aus gesammelten subjektiven Beurteilungen berechnet, welche wie in der Empfehlung P.800 beschrieben zwischen 1 und 5 liegen. Ergebnisse basierend auf der Empfehlung Rec. P.830, liefern MOS-LQS. MOS LQO: Dieser Wert soll einem Test entsprechen, der objektiv ist und einem gehörten Gespräch entspricht. Das Verfahren in der Empfehlung P.862 entspricht einem solchen Test. MOS LQE: Dieser Wert soll von einem Netzwerkplanungsmodell berechnet werden. Dieses Modell muss das Ziel haben, die Qualität einer zu hörenden Applikation wiederzugeben. MOS CQS: Dieser Wert wurde in einem Labor erhoben. Das arithmetische Mittel wird aus gesammelten subjektiven Beurteilungen berechnet, welche wie in der Empfehlung Rec. P.800 beschrieben zwischen 1 und 5 liegen. Subjektive Konversationstests, wie in der Empfehlung P.800, liefern MOS-CQS. MOS CQO: Dieser Wert soll verwendet werden, wenn das berechnende Modell das Ziel hat, eine objektive Qualitätsbeurteilung eines Gesprächs zu ermitteln. Ein Beispiel dafür ist die Empfehlung Rec. P.562. MOS CQE: Bei einem Netzwerkplanungsmodell, welches die Qualität für Applikationen zur Konversation berechnet, wird MOS CQE benutzt. Als Beispiel ist hier das Modell in der Empfehlung Rec. G.107, nach der Umrechnung des eigenen Ausgabewertes in MOS, zu nennen. Der Zusammenhang von MOS LQS, MOS LQO und MOS LQE ergibt sich wie folgt: Wird das zu testende Signal von einem Menschen subjektiv beurteilt, entspricht dies dem MOS LQS. Wenn das gleiche Signal einem objektiven Algorithmus zur Verfügung gestellt wird, berechnet dieser einen MOS LQO. Aus dem System, über das das Signal gesendet wird, können ermittelte Parameter an einen Algorithmus gegeben werden. Dieser hat eine Datenbank von differierenden Faktoren und kann daraus einen MOS LQE liefern. 7

10 E-Modell Das E-Modell ist in der ITU-Empfehlung G.107 spezifiziert. Es beschreibt ein Berechnungsmodell zur Planung und Bewertung der Übertragungsqualität von Kommunikationsnetzen. Anhand dieses Berechnungsmodells wird die dem Nutzer in einer Verbindung zur Verfügung stehende Sprachqualität ermittelt. Das Ergebnis ist eine objektive Bewertung der Übertragungsqualität unter Berücksichtigung aller, die Übertragungsqualität beeinflussender Faktoren. Die nachfolgende Tabelle listet die in das E-Modell einfließenden Parameter auf. Parameter Abkürzung Einheit Standardwert Gültiger Bereich Send Loudness Rating SLR db +8 0 bis +18 Receive Loudness Rating RLR db +2-5 bis +14 Sidetone Masking Rating STMR db bis 20 Listener Sidetone Rating LSTR db bis 23 D-Value of Telephone, Send Side Ds bis +3 D-Value of Telephone, Receive Side Dr bis +3 Talker Echo Loudness Rating TELR db 65 5 bis 65 Weighted Echo Path Loss WEPL db bis 110 Mean One-Way Delay of the Echo Path T ms 0 0 bis 500 Round Trip Delay in a 4-Wire Loop Tr ms 0 0 bis 1000 Absolute Delay in Echo-Free Connections Ta ms 0 0 bis 500 Number of Quantization Distortion Units qdu bis 14 Equipment Impairment Factor Ie bis 40 Packetloss Robustness Factor Bpl bis 40 Random Packetloss Probability Ppl Percent 0 0 bis 20 Burst Ratio BurstR bis 2 Circuit Noise referred to 0 dbr-point Nc dbm0p bis -40 Noise Floor at the Receive Side Nfor dbmp Room Noise at the Send Side Ps db(a) bis 85 Room Noise at the Receive Side Pr db(a) bis 85 Advantage Factor A bis 20 Das E-Modell verwendet für die Bestimmung der Sprachqualität ein passives Modell. Das Messsystem berechnet aus einem übermittelten VoIP-Strom die für das E-Modell notwendigen Parameter. Nach der Übergabe der Parameter an das E-Modell gibt das Messsystem einen Übertragungsfaktor (R-Faktor) aus. Aus diesen Werten wird eine Vorhersage der Sprachqualität im Bereich 0 bis 100 getroffen, die auf der MOS-Skala abbildbar ist. 8

11 R-Faktor Qualität MOS 100 ausgezeichnet: Es ist keine Anstrengung nötig, um die Sprache zu verstehen 80 gut: Durch aufmerksames Hören kann die Sprache ohne Anstrengung wahrgenommen werden 60 ordentlich: Die Sprache kann mit leichter Anstrengung wahrgenommen werden 50 mäßig: Es bedarf großer Konzentration und Anstrengung, um die übermittelte Sprache zu verstehen 49 bis 0 mangelhaft: Trotz großer Anstrengung kann man sich nicht verständigen ,6 bis 1 Das E-Model wurde ursprünglich als Planungsmodell für Telefonetzbetreiber entwickelt. Inzwischen hat es sich als Quasi-Standard zur objektiven Beurteilung der Sprachqualität (im Gegensatz zur subjektiven Meßmethode des MOS) durchgesetzt. Da sich der R-Faktor direkt auf den aus den Tests generierten Messwerten abbilden lässt, entspricht dieser Wert den realen Verkehrsparametern. Trotzdem ist eine Korrelation mit den MOS-Werten möglich. Der beste zu erreichende theoretische R-Faktor beträgt 100. Dieser Wert berücksichtigt jedoch nicht die genutzten Codecs. Nutzt man beispielsweise einen typischen G.711- Codec in einer Referenzumgebung, kann ein maximaler R-Faktor von ungefähr 93,2 erreicht werden. Die folgenden Ursachen tragen zu einer Verschlechterung des R-Faktors bei: Codec-Typ: Codecs mit höheren Kompressionsraten weisen normalerweise einen schlechteren R- Faktor auf. Verfügbare Bandbreite: Einschränkungen der Übertragungsbandbreite werden durch das gesamte Übermittlungssystem im Übertragungspfad bestimmt. Verzögerungen und Jitter entstehen im Netzwerk und den Endgeräten aufgrund mangelnder Bandbreite und fehlender Übertragungskapazitäten. Paketverluste entstehen durch Netzüberlastungen und defekte Koppelkomponenten. Die Vorteile dieses Modells liegen in seiner Einfachheit. Es muss lediglich der Datenstrom aufgezeichnet werden und die Parameter ausgelesen werden. Aufgrund der geringen Voraussetzungen arbeitet der dem Messmodell zugrunde liegende Algorithmus recht Ressourcen schonend. Es können in der Praxis mehrere tausend parallele Verbindungen mit einem Standard-PC beurteilt werden. Diese Meßmethode ist darüber hinaus in der Lage, aktuell ablaufende Gespräche zu beurteilen. Für die Messungen müssen keine Gespräche im Netzwerk simuliert werden. Da sich das E-Modell auf die Paketparameter bezieht, können auch nur paketbezogene Fehler ausgewertet werden. Die Paketparameter repräsentieren jedoch nicht alle möglichen Fehlerquellen in der gesamten Ende-zu-Ende-Beziehung eines Telefonats. Die beurteilte Qualität verkörpert nur den QoS-Wert des lokalen Netzabschnitts. Somit scheidet der vom E-Modell ermittelte MOS-Wert für die abschließende Qualitätsbeurteilung auf einer Ende-zu-Ende Basis aus. 9

12 Perceptual Evaluation of Speach Quality Perceptual Evaluation of Speech Quality (PESQ) ist eine Methode zur objektiven Bewertung der Sprachqualität in der Telefonie, im Frequenzbereich von 300 bis 3400 Hz. PESQ ist in der ITU-Empfehlung P.862 beschrieben und basiert auf den realen Bedingungen für eine Ende-zu-Ende-Sprachkommunikation. Das Verfahren berücksichtigt unter anderem Paketverluste, Rauschen und den verwendeten Audio-Codec. PESQ liefert eine Bewertung der Sprachqualität im Bereich von -0,5 bis 4,5. Werte nahe -0,5 bedeuten eine sehr schlechte Sprachqualität, während Werte nahe bei 4,5 eine sehr gute Sprachqualität signalisieren. Abb. 1.1: Schematische Darstellung von PESQ In den meisten Fällen liegen die Ausgabewerte zwischen 1 und 4,5. Dies ist auf den ersten Blick überraschend, da der ITU-Skalenbereich für MOS bis 5 geht. Die Erklärung dafür ist einfach. PESQ simuliert einen Hörtest und wurde dafür entwickelt, das durchschnittliche Ergebnis aller subjektiven Höreindrücke zu ermitteln. Statistiken beweisen, dass das beste durchschnittliche Ergebnis, das man im Allgemeinen von einem Hörtest erwarten kann, nicht 5 ist. Es ist stattdessen rund 4,5. Es scheint, dass die Testpersonen recht vorsichtig sind, für eine Probe eine 5 zu geben, selbst wenn es keine Verschlechterung gibt. Wie die oben stehende Abbildung zeigt, wird bei der PESQ-Analyse ein Referenzsignal und das geminderte Signal in das System eingegeben. Hierzu werden VoIP-Gespräche simuliert und dabei auf Basis der VoIP-Verbindungen definierte Referenzgespräche übermittelt. Durch die Übermittlung von aktiven VoIP-Gesprächen über das zu testende Netzwerk, werden sämtliche Auswirkungen auf das übermittelte Sprachsignal dokumentiert. Das gesendete Gespräch wird an einem bestimmt Messpunkt im Netzwerk wieder aufgezeichnet und dieses vermindertes Signal dem PESQ-Berechnungsalgorithmus zur Verfügung gestellt. Im PESQ-System finden umfangreiche Vergleiche und Berechnungen statt, die einige Zeit in Anspruch nehmen. Als Ergebnis erhält man neben dem oben beschriebenen PESQ-Wert eine Vielzahl von weiteren Parametern, die die Sprachqualität ausführlich beschreiben. Der große Vorteil dieses Messverfahren besteht darin, dass echte Ende-zu-Ende-Qualitätsmerkmale ermittelt werden. Da die Messungen auf Basis realer Signale vorgenommen werden, können alle die Sprache verändernde Fehler sichtbar gemacht werden. Bereits kleinste Fehler, die die Sprachsignale nur leicht verändern, werden deutlich sichtbar. Bei der Umsetzung bzw. Wandlung der Codecs in Gateways können Transformationsfehler entstehen, welche die Sprachsignale zerstören, aber keinerlei Auswirkungen auf die Paketparameter haben. Würde man in einem solchen Fall nur eine MOS Berechnung auf Basis des E-Modells vornehmen, erhielte man ein tadelloses Messergebnis. Erst eine PESQ-Messung deckt die Fehler im Gateway auf. PESQ-Messungen haben den Nachteil, dass dabei immer simulierte Gespräche über das zu testende Netzwerk übermittelt werden müssen, wodurch das Netzwerk zusätzlich belastet wird. Außerdem ist der PESQ-Messalgorithmus durch 10

13 den Vergleich zweier Sprachsignale sehr prozesslastig, so dass mehr Rechnerressourcen für die Auswertung notwendig werden. Wieso ist eine Ende-zu-Ende-Betrachtung des QoS wichtig? Beim Messen/Ermitteln der QoS (Quality of Service) wird zwischen passiven und aktiven Messmethoden unterschieden. Bei passiven Methoden, wie z.b. der Ermittlung eines R-Faktors und daraus resultierendem MOS-Wert (Mean Opinion Score) nach dem E-Modell (ITU-T Rec. G.107), wird die so genannte IP- Netzqualität an einem Messknoten erfasst. Netzübergänge und Sprachcodecumsetzungen werden nicht mit erfasst. Um eine vernünftige Aussage über die Ende-zu-Ende Sprachqualität einer VoIP-Verbindung machen zu können, müssen aktive Messmethoden angewendet werden wie z.b. nach PESQ (Perceptual Evaluation of Speech Quality, ITU-T Rec. P.862). Bei solchen Verfahren werden Sprachreferenz-Dateien gesendet. Die auf der anderen Seite empfangenen Sprachsignale werden dann mit den Referenzen verglichen. Auf diese Weise wird eine Aussage über die komplette Strecke inklusive der dazwischen liegenden Netze (z.b. ISDN, SDH, ATM usw.) und Codecumsetzungen möglich, was bei einer Aussage nach dem E-Modell (MOS-Wert) nicht möglich ist. IP IP Trafficlyser Gateway Gateway VoIP-Tester??? MOS-Wert Netzqualität?? PESQ-Wert Sprachqualität End-to-End Abb. 1.2: MOS vs. PESQ Fehlerlokalisierungen mit aktiver Messtechnik Geprüfte VoIP-Qualität, vor dem VoIP Rollout, erhält man trotz optimaler Konfiguration der Komponenten nur durch ein aktives Testen der Infrastruktur mit synthetischen VoIP-Gesprächen zwischen verschiedenen Messpunkten. Dabei muss sowohl die Anzahl der gleichzeitigen Gespräche variiert als auch zu unterschiedlichen Tages- und Wochenzeiten gemessen werden. Um in konvergenten Netzen die Sprachqualität richtig messen zu können, ist es notwendig alle Netzsegmente in der Messung zu erfassen. Nur so ist eine durchgängige Qualitätsaussage von Ende-zu-Ende möglich. Die Software Trafficlyser TraceSim VoIP von Nextragen GmbH wurde speziell für das richtige Messen innerhalb von VoIP-Systemen entwickelt 11

14 und verfügt über zahlreiche Zusatzfunktionen, wie Verbindungslisten, Erfassung von Qualitätsmerkmalen usw. TraceSim VoIP ist ein Softwaretool zur Simulation von VoIP-Gesprächen. Diese können an einem beliebigen Netzknoten eingespeist werden und an einem anderen vom TraceSim VoIP bearbeitet werden. Die TraceSim VoIP s sind in unbegrenzter Anzahl kostenlos verfügbar. Dabei handelt es sich um eine Testsoftware, die auf einem Windows- bzw. Linux-PC einsetzbar ist, und als Gegenstelle zur aktiven Lokalisierung von Fehlern/Problemen in einzelnen Netzwerksegmenten genutzt wird. Mit Trafficlyser TraceSim VoIP lassen sich die Netze mit folgenden Messmethoden beurteilen: G.107 (E Modell) P.862 (PESQ) Bei der ressourcensparenden Messmethode (gemäß G.107) werden bis zu 300 parallele Verbindungen simuliert und die Qualität des Netzverkehrs begutachtet. Der Einsatz von PESQ dient der Simulation von realen Telefonverbindungen, um die Sprachqualität auf einer Ende-zu-Ende-Basis zu ermitteln. Eigenschaften Trafficlyser TraceSim VoIP Trafficlyser TraceSim VoIP ist ein leistungsstarkes Tool, das zur Simulation von VoIP- Verbindungen in IP-Netzen verwendet wird. Dieses wurde speziell für Messungen innerhalb von VoIP-Systemen optimiert und führt die Sprachqualitätsmessungen nach PESQ aus. Die folgende Liste zeigt die grundlegenden Eigenschaften von TraceSim VoIP: Durchführung von Qualitätsmessungen zu VoIP-, ISDN- oder Analog-Endgeräten TE-Mode zur Simulation eines einzelnen Endgerätes Call-Generator-Mode zum Aufbau bzw. Empfang von bis zu 300 parallelen Verbindungen VQ-Mode zur Bestimmung der Sprachqualität nach PESQ (ITU-T Rec. P.862) von bis zu 50 parallelen oder seriellen Verbindungen Betrieb im Peer-to-Peer und Proxy-Mode SIP- und H.323-Protokoll für den Verbindungsaufbau Unterstützung des STUN-Protokolls Priorisierung: VLAN-Tagging, DiffServ, TOS Umfangreiche Verbindungsliste mit zusätzlichen Verbindungsdetails Log-Fenster zur Protokollierung der Verbindungsabläufe Umfangreiche Statistikfunktionen Export aller wichtigen Messdaten in eine XML-Datei zur Weiterverarbeitung Durch die Simulation ermöglicht der Trafficlyser TraceSim VoIP eine schnelle Aussage über die Sprachqualität der RTP-Sessions nach PESQ (ITU-T P.862) innerhalb von VoIP-Verbindungen. Mithilfe des inte- 12

15 grierten Job-Planers lassen sich die Messabläufe auch automatisieren, um eine ständige Überwachung und Kontrolle des Netzwerkes zu gewährleisten. Ein umfangreiches Reportingtool sorgt dabei für die notwendige Dokumentation der Messergebnisse. Bei der Darstellung der Protokolldaten wurde auf Übersichtlichkeit und leichte Bedienbarkeit geachtet, so dass der Anwender schnell den Umgang mit den Messwerkzeugen erlernt. Zur Ermittlung von Problemen in einer Ende-zu-Ende-Kommunikation müssen an den verschiedenen Netzübergabepunkten die kostenlosen TraceSim VoIP s platziert werden. Trafficlyser MMS Geplante Messung 1 Geplante Messung 2 Geplante Messung 3 Geplante Messung 4 Geplante Messung 5 Trafficlyser TraceSim Netzabschnitt 1 Netzabschnitt 2 Netzabschnitt 3 Netzabschnitt 4 Abb. 1.3: Messanordnung in einem größeren Netzwerk Durch gezielte aktive Messungen vom VoIP-Simulator TraceSim VoIP zu den einzelnen VoIP-s, bei denen ein Sprachreferenzfile gesendet wird, können fehlerhafte Netzsegmente lokalisiert werden. Trafficlyser MMS Geplante Messung 1 Geplante Messung 2 Geplante Messung 3 Geplante Messung 4 Geplante Messung 5 Trafficlyser TraceSim Netzabschnitt 1 Netzabschnitt 2 Netzabschnitt 3 Netzabschnitt 4 Ergebnisse: Messung 1: Messung 2: Messung 3: Schlechtes Ergebnis, da die Messung über den gestörten Netzabschnitt 3 läuft Messung 2 starten Schlechtes Ergebnis, da die Messung über den gestörten Netzabschnitt 3 läuft Messung 3 starten Gutes Ergebnis, da die Messung nicht über den gestörten Netzabschnitt 3 läuft Abb. 1.4: Messanordnung in einem größeren Netzwerk mit Fehler Mit dieser Messkonfiguration kann nur festgestellt werden, ab welchem Netzsegment die Störung auftritt, es kann aber keine Aussage darüber getroffen werden, welches Netzsegment genau für die Störung verantwortlich ist. 13

16 Trafficlyser MMS Trafficlyser TraceSim Trafficlyser TraceSim Trafficlyser TraceSim Messung des gewünschten Netzsegmentes Messung des gewünschten Netzsegmentes Zusatzmessung zur Überprüfung nicht gewünschter Netzsegmente Zusatzmessung zur Überprüfung nicht gewünschter Netzsegmente Abb. 1.5: Messungen für die Bewertung eines einzelnen Netzsegmentes Mit Hilfe mehrere VoIP-Simulatoren lässt sich das problembehaftete Netzsegment (Netzabschnitt 3) eindeutig lokalisieren. Fazit Die unterschiedlichen Messmethoden zur Beurteilung der Sprachqualität weisen in der Praxis deutliche Unterschiede auf. Trotz der bekannten Fehlerquellen ist das E-Modell eines der meist verwendeten Verfahren, um die Sprachqualität passiv zu bestimmen. Erst durch eine aktive PESQ-Messung lässt sich die gesamte Strecke und alle darin enthaltenen Router, es, Gateways und weitere Netztechnologien beurteilen. Der Trafficlyser TraceSim VoIP unterstützt beide Messverfahren zur Simulation von VoIP- Verbindungen und stellt dem Netzadministrator bzw. dem Servicetechniker ein optimiertes Messwerkzeug für alle notwendigen Sprachqualitätstest zur Verfügung. Messtechnik von Nextragen Die Nextragen GmbH ist ein führender Anbieter von Lösungen für Protokolle und Zugangsnetze zur Realisierung von TriplePlay-Installationen, -Überwachungen und -Troubleshooting in konvergenten IP- Anwendungen. Die erfolgreichen Tools des Trafficlyser-Messsystems erleichtern die sichere und komfortable Inbetriebnahme und Fehlersuche an TriplePlay-Anschlüssen. Die Werkzeuge sind auf die Bedürfnisse der Anwender im Praxiseinsatz ausgerichtet und zeichnen sich durch ihre ausgesprochen unkomplizierte Bedienung aus. Das Portfolio des Trafficlyser-Messsystems wird kontinuierlich weiterentwickelt und deckt stets die aktuellen ITK-Standards ab. Spezialisiert hat sich Nextragen auf die Sicherstellung der Dienstequalität (QoS, QoE) für Next Generation Networks (NGN) und den zugehörigen TriplePlay-Diensten. Die Nextragen GmbH bietet neben den Trafficlyser-Produkten auch Dienstleistungen in Form von Schulungen, 14

17 Workshops, VoIP Readiness Checks (VoIP-Vormessung) und technischer Unterstützung bei Problemen mit Realtime-Anwendungen wie VoIP, IPTV usw. in Netzwerken. Zahlreiche Telekommunikationsunternehmen europaweit wissen diese Vorteile zu schätzen. Weitere Informationen erhalten Sie auf der Firmenwebsite unter: 15

18 Nextragen GmbH Lise-Meitner-Str Flensburg Telefon: Fax: Änderungen und Irrtümer vorbehalten

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