Datenfluss bei Voice-over-IP. Einflüsse auf Sprachqualität. Ende-zu-Ende-Verzögerungszeit (Delay) Schwankungen der Verzögerungszeit (Jitter) Sender

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1 Sender Quelle Datenfluss bei Voice-over-IP Kodieren Paketieren Verzögerungen verlorene Pakete begrenzte Datenrate Sende- Puffer Einflüsse auf Sprachqualität Verzögerungszeit Delay Schwankungen der Verzögerungszeit Jitter Echo Verzerrungen Distortion Paketverluste Packet-loss Empfänger Senke Dekodieren Entpacken Empfangs- Puffer Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (FH) VoIP: Folie 1 Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (FH) VoIP: Folie 2 Ende-zu-Ende-Verzögerungszeit (Delay) Einflüsse: Kodierung Kompression Paketierung Serialisierung Signallaufzeit Pufferzeit 5% Paketverluste akzeptabel ITU - Empfehlung inakzeptabel akzeptabel aber stark beeinträchtigt Schwankungen der Verzögerungszeit (Jitter) Abhilfe durch Pufferspeicher auf Empfängerseite 'Jitter-Buffer' Erhöhung der Laufzeit! bei zu geringem Puffer Aussetzer Anpassung der Größe des Pufferspeichers an Jitter notwendig Verzögerungszeit in ms Fragmentierung großer Pakete (insbesondere bei geringen Bandbreiten) Priorisierung, Bandbreitenreservierung für Voice-Pakete, MPLS Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (FH) VoIP: Folie 3 Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (FH) VoIP: Folie 4 1

2 Echo meist bedingt durch die analogen Komponenten ab einer Verzögerungszeit von 25ms störend Echokompensation (z.b. nach ITU G.165) Verzerrungen analoge Komponenten A/D-Wandlung Quantisierung, Abtastung Kodierung (speziell bei verlustbehafteter Kompression) Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (FH) VoIP: Folie 5 Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (FH) VoIP: Folie 6 Paketverluste Abhilfe durch Fehlervorwärtskorrektur über mehrere Pakete verursacht aber weitere Verzögerungen! deshalb ist Paketpriorisierung besser Router verwirft Pakete bei Überlast nicht Paketverlust nur durch Bitfehler Ethernet? Fehlervorwärtskorrektur bei 1GBit Voice Activity Detection (VAD) Verringerung der Datenrate auf ca. 30% aber häufig 'Verschlucken' der ersten Silbe Stille wird als 'tote' Leitung empfunden Comfort Noise Generation (CNG) Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (FH) VoIP: Folie 7 Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (FH) VoIP: Folie 8 2

3 Messung der Sprachqualität nach Mean Opinion Score (MOS) subjektives Verfahren ITU P.800 Sprechproben werden von mindestens 100 Probanden bewertet 5 Excellent 4 Good 3 Fair 2 Poor 1 Bad Signalisierung bei VoIP Übertragung erfolgt meist durch UDP Protokolle: SIP Session Initiation Protocol Verbindungsaufbau Verbindungsabbau RTCP Real Time Control Protocol Sicherung Dienstqualität Alternativen: Perceptual Speech Quality Measurement (PSQM) Perceptual Analysis Measurement System (PAMS) (basieren auf psychoakustischem Modell) G.107 'E-Modell' Berechnung auf Basis von Messgrößen (Rauschen, Signal-Rausch-Abstand, Delay, Jitter, Echo, Paketverluste) Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (FH) VoIP: Folie 9 Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (FH) VoIP: Folie 10 Signalisierung mit SIP evtl. Anfrage an andere Server weiterleiten! SIP: Response-Codes Endgerät Invite Trying Ringing OK ACK OK Server RTP, RTCP Invite Ringing OK Bye Endgerät Klingeln Abheben Gespräch Auflegen Adressauflösung Responsecode 1xx 2xx 3xx 4xx 5xx 6xx Request gescheitert Serverfehler Bedeutung Vorläufiger Response Request erfolgreich Umleitung zu anderem Server Global gescheitert 100 Trying 180 Ringing 200 OK Beispiel 301 Moved Permanently 401 Unauthorized 404 Not Found 503 Service Unavailable 603 Decline (Anruf abgelehnt) Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (FH) VoIP: Folie 11 Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (FH) VoIP: Folie 12 3

4 Session Description Protocol SDP wird in SIP als Payload übertragen Real Time Control Protocol RTCP Ziel: Qualitätssicherung Information über erreichte Dienstqualität Receiver Report RR Anpassung an wechselnde Eigenschaften des Kanals Adaptive Codecs Identifikation aller Sender Sender Report SR Telefonkonferenzen (BYE zur Abmeldung eines Teilnehmers) Übermittlung von Zusatzinformationen Source Description SDES z.b. Klartext-Namen der Teilnehmer Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (FH) VoIP: Folie 13 Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (FH) VoIP: Folie 14 Sprachübertragung bei VoIP Real Time Protocol RTP Übertragung erfolgt immer durch UDP Protokoll: RTP Real Time Protocol V P X CC M PT (7 Bit) Sequenz Number (16 Bit) Kodierung Codec Timestamp (32 Bit) Synchronisation Source (SSRC) Identifier (32 Bit) Contributing Source (CSRC) Identifier (32 Bit) (optional) Payload V: Version P: Padding X: Extension CC: CSRC Counter M: Marker (reserviert) PT: Payload Type (Codec) Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (FH) VoIP: Folie 15 Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (FH) VoIP: Folie 16 4

5 Sprachqualität (MOS) Exzellent Good Fair Poor Bad Kodierung Codec Hybrid- Codecs Vocoder Quellenkodierung Datenrate in kbps Waveform- Codecs Signalform- Kodierung www-mobile.ecs.soton.ac.uk/speech_codecs/index.html Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (FH) VoIP: Folie 17 Waveform-Codec G.711 Pulse Code Modulation PCM PCM-Enccoder PCM-Decoder Kanal A/D-Wandler Encoder Decoder TP PCM-Decoder Kennlinien nach µ-kennlinie (µ-law) oder A-Kennlinie Tiefpass zur Glättung Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (FH) VoIP: Folie 18 nichtlineare Quantisierung Bitrate eines digitalen Fernsprechkanals Quantisierungsfehler wirken sich bei kleinen Werten relativ stärker aus Puls-Code-Modulation PCM CCITT (ITU-T) G.711 Europa: nach A-Kennlinie (bestehend aus 13 linearen Segmenten) y = ln (1+x) für x 0 y = ln (1+x) für x < 0 für x 1 0 y 255 Ablauf (normalerweise): 13-Bit-Digitalisierung (linear) digitale Signalumsetzung auf 8 Bit Umsetzungstabelle Algorithmus Japan, USA: nach µ-kennlinie (bestehend aus 15 linearen Segmenten) ½ der Kennlinie f abt = 8 khz n = 8 Bit 64 kbps Abtasttheorem: höchste Frequenz 4 khz Verständlichkeit: Tiefpass mit f g =3,4 khz Amplitude 3,4 4 Frequenz / khz Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (FH) VoIP: Folie 19 Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (FH) VoIP: Folie 20 5

6 Adaptive Differential Pulse Code Modulation ADPCM Teilband-Kodierung (Subband Coding) Waveform-Codec G.721 G.723 G.726 G.727 Idee: Vorhersage des zu erwartenden Wertes Prediction Waveform-Codec G.722 G Adaptive Multi-Rate-Wideband-Kodierung Idee: Aufteilung in Frequenzbereiche Nutzung der physiologischen Eigenschaften des Ohres Unterschiedliche Bitraten der einzelnen Teilbänder Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (FH) VoIP: Folie 21 Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (FH) VoIP: Folie 22 Quellenkodierung Vocoder Hybride Varianten Idee: nicht das Signal selbst durch Abtastung kodieren sondern die Eigenschaften der Quelle analysieren psychoakustisches Modell ausgegebenes Signal ist dem ursprünglichen Signal nur ähnlich aber drastische Reduktionen der Bitrate möglich! Versuch, die Vorteile von Signalformkodierung und Quellenkodierung zu vereinen z.b. Code Excitation Linear Predictive Coding (CELP) Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (FH) VoIP: Folie 23 Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (FH) VoIP: Folie 24 6