DE102010044727B4

DE102010044727B4 - EIP-Modell für den VoIP-Dienst

Info

Publication number: DE102010044727B4
Application number: DE201010044727
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Uhl Tadeus; Dipl.-Inf. Paulsen Stefan; Dipl.-Ing. Christiansen Dirk
Original assignee: Fachhochschule Flensburg
Current assignee: Nextragen Solutions De GmbH
Priority date: 2010-09-08
Filing date: 2010-09-08
Publication date: 2014-05-15
Anticipated expiration: 2030-09-09
Also published as: DE102010044727A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung der Dienstgüte (QoS) einer Internet-Telefonie-(VoIP)-Verbindung mittels des E-Modells, dadurch gekennzeichnet, dass die vom E-Modell verwendeten Parameter Packet Loss Robustness Factor (Bpl) und Equipment Impairment Factor (Ie) jeweils in Abhängigkeit von dem für die Verbindung verwendeten Sprachcodec und dem Produkt aus Burstgröße und Sprachprobenlänge definiert sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung und Qualitätskontrolle bei der Sprachübermittlung über IP-Netze [Internet-Protokoll-Telefonie] – einem modernen Schwerpunkt auf dem Gebiet der Informations- und Kommunikationstechnologie [IKT-Gebiet] – welche nach Internet-Standards aufgebaut sind. Dabei werden für Telefonie typische Informationen, d. h. Sprache und Steuerinformationen beispielsweise für den Verbindungsaufbau, über ein auch für Datenübertragung nutzbares Netz übertragen. Bei den Gesprächsteilnehmern können sowohl Computer, auf IP-Telefonie spezialisierte Telefonendgeräte, als auch über spezielle Adapter angeschlossene klassische Telefone die Verbindung herstellen.
IP-Telefonie ist eine Technologie, die es ermöglicht, den Telefondienst auf IP-Infrastruktur zu realisieren, sodass diese die herkömmliche Telefontechnologie einschließlich ISDN-Netz ersetzen kann. Zielsetzung dabei ist eine Reduzierung der Kosten durch ein einheitlich aufgebautes und zu betreibendes Netz. Aufgrund der notwendigen Neuinvestitionen für IP-Netze wird der Wechsel bei bestehenden Anbietern nur als gleitender Übergang realisierbar sein. Währenddessen existieren verschiedene Technologien parallel. Daraus ergibt sich ein deutlicher Bedarf an Lösungen zu erhöhter Verbesserung der IP-Netze gegenüber bestehender Verbindungssysteme.
In der Praxis wird dieser Kommunikationsdienst für IP-Netze als Voice over IP [VoIP] bezeichnet. VoIP gehört zu den zeittreuen Diensten und ist heute ein etablierter Dienst mit großen Zuwachsraten. Die heutigen Fernsprechnetze (PSTN) werden zurzeit schrittweise auf diese neue Technologie umgestellt. Die Abwicklung solcher Dienste in IP-basierten Netzen ist nicht unproblematisch. Die IP-Netze verwenden bei der Übermittlung das bekannte Prinzip ”best effort delivery”, welches zeittreue Dienste grundsätzlich nicht unterstützt. In der Praxis muss daher mit einem Rückgang der Dienstqualität gerechnet werden. Aus diesem Grund ist eine ständige Kontrolle der „Quality of Service” [QoS] im Netz erforderlich. Dazu sind entsprechende QoS-Messmethoden notwendig. Die Anforderungen an das Netz für Datenübertragung und IP-Telefonie unterscheiden sich erheblich. Neben der erforderlichen Übertragungskapazität (z. B. ca. 100–120 kbit/s für Sprachübertragungen – je nach Kodierungsart) haben insbesondere Qualitätsmerkmale wie mittlere Verzögerung, Schwankungen der Verzögerung [Jitter] und Paketverlustrate erheblichen Einfluss auf die resultierende Übertragungsqualität. Durch Priorisierung und geeignete Netzplanung ist es möglich, z. B. mit der herkömmlichen Telefonie vergleichbare Sprachqualität und Zuverlässigkeit des Telefondienstes über IP-Netze unabhängig von der Verkehrslast zu erreichen. Da das Internet in seiner Form (Stand etwa 2008) keine gesicherte Übertragungsqualität zwischen Teilnehmern garantiert, kann es durchaus zu Übertragungsstörungen, Echos, Aussetzern oder Verbindungsabbrüchen kommen, sodass z. B. die Sprachqualität nicht ganz der von herkömmlichen Telefonnetzen entspricht, aber meist noch besser als in Mobilfunk-Netzen ist. Eine Kennzeichnung und Priorisierung der Sprachpakete gegenüber anderen Datenpaketen im Internet ist sinnvoll. Heute im Internet verwendete Protokolle bieten zwar solche Möglichkeiten, jedoch werden sie von den Routern im Internet in der Regel nicht oder nicht durchgängig beachtet. Sorgfältig geplante und konfigurierte IP-Netze können jedoch eine ausgezeichnete „Quality of Service” [QoS] gewährleisten, auch bei Überlast im Datenbereich mit gewohnter Qualität ermöglichen. Um eine qualitativ hochwertige Kommunikation über Voice over IP führen zu können, müssen die für den Sprachtransport verwendeten Datenpakete, die als digitaler Datensatz vorliegen, so beim Gegenüber ankommen, dass sie zu einem getreuen Abbild des ursprünglichen, zeitlich zusammenhängenden Datenstroms zusammengesetzt werden können.
Bei der Feststellung der Qualität des Dienstes in einem Netz werden grundsätzlich zwei Modelle verwendet: das zweiseitige Modell und das einseitiges Modell. Das zweiseitige Modell arbeitet mit zwei Signalen, dem Referenzsignal und dem beeinträchtigtes Signal. Beide Signale sind in unkomprimierter Form verfügbar. Damit ist sowohl eine subjektive „Quality of Experience” [QoE] als auch eine objektive „Quality of Service-Messung” [QoS] der Dienstqualität möglich. Bei dem einseitigen Modell steht nur das beeinträchtigte und komprimierte Signal zur Verfügung. Hier ist nur die objektive Beurteilung [QoS] möglich. Messungen der Dienstqualität werden in dem zweiseitigen Modell als ”intrusive measurement” (offline) und in dem einseitigen Modell als ”nonintrusive measurement” (online) bezeichnet.
In beiden Modellen können zwei Messtechniken verwendet werden; die signalbasierte und die parameterbasierte Messung. In dem zweiseitigen Modell werden bei signalbasierten Messungen die Eingangs- und Ausgangssignale unter Verwendung von spezialisierten Algorithmen miteinander verglichen. Bei dem einseitigen Modell wird versucht, auf das Referenzsignal zu schließen, um dieses anschließend mit dem beeinträchtigten Signal zu vergleichen. In beiden Fällen wird das zu untersuchende System als eine ”black-box” betrachtet. Bei den parameterbasierten Messungen werden bezogen auf das zu untersuchende System die beiden Fälle „glass-box” und „black-box” unterschieden. Im ersten Fall sind der Aufbau des zu untersuchenden Systems und die Reaktionen der einzelnen Systemkomponenten auf das Referenzsignal bekannt und in einem geeigneten Modell berücksichtigt. Darüber hinaus werden noch die gemessenen Netzparameter in die Berechnung der QoS einbezogen. Im zweiten Fall sind nur sehr beschränkte Kenntnisse über das zu untersuchende System verfügbar. Hier wird vorwiegend mit den gemessenen Netzwerk- und Dienstparametern gearbeitet. Der PESQ-Algorithmus ist im Fall des Dienstes VoIP die Methode mit der besten Objektivität bei der Bestimmung seiner Qualität. Er ist jedoch sehr komplex, kostenintensiv, da er Lizenzen erfordert und rechen- und zeitaufwendig. In der Praxis wird daher nach Alternativen für ein standardisiertes Bewertungsmodell gesucht. Eines davon ist das E-Modell, welches in den Empfehlungen G.107 und G.113 der ITU-T beschrieben ist. Das E-Modell wurde ursprünglich für die PSTN Netze entwickelt. Es ist einfach im Aufbau, leicht zu implementieren, jedoch nicht direkt auf den modernen Dienst VoIP, der ja eine Paketvermittlung darstellt, übertragbar.
Zwei wichtige Faktoren in dem E-Modell bei der Bestimmung der QoS lauten: ”packet loss robustness factor” [Bpl] und ”equipment impairment factor” [Ie]. Da diese Faktoren von den verwendeten Sprachcodecs abhängen, gibt es in dem E-Modell für die in der Praxis relevanten Sprachcodecs voreingestellte Werte, die in der Tabelle 1 aufgelistet sind. Wird das E-Modell in einer IP-Umgebung mit den sog. ”default values” genutzt, so kann es sehr schnell zur Verfälschung der Messergebnisse (ihren. Hier sind Anpassungen – sie fehlen beim Technikstand bestehender Netze und bilden einen Nachteil in der ausgeführten Technik – im Ursprungsmodell unbedingt notwendig. Sie bilden das Kernstück der Erfindung und führen zu dem neuen E^IP-Modell.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein für Internet-Telefonie (VoIP) geeignetes Modell zur Bestimmung der QoS bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Hauptanspruch genannten Merkmalen gelöst.
Die Erfindung wird im Folgenden erläutert:
Hauptbestandteil der Erfindung stellt das neue E^IP-Modell dar, das durch entsprechende Anpassungen bei den Parametern Bpl und Ie aus dem bekannten E-Modell erstellt wurde. Für diese Parameter wurden Gleichungen entwickelt, das erfindungsgemäße E^IP-Modell, und in das Messsystem Trafficlyser implementiert. Dieses Messsystem besteht aus zwei Programmteilen: dem TraceView VoIP und dem TraceView IPTV. Beide sind Softwaretools zur Messung der Auslastung und zur QoS-Bestimmung in IP-Netzen. Erfindungsgemäß wurde das E^IP-Modell unter Verwendung der Programmiersprache C++ in dem TraceView VoIP Quellcode verankert. Dabei wurden für jeden Codec nach Tabelle 1 Gleichungen von der Art Bpl = a₁·BSLP + b₁ und Ie = a₂·BSLP + b₂ ermittelt und in das Programm TraceView_VoIP übertragen. Die Tabelle 2 zeigt die ermittelten Abhängigkeiten. Für die weiteren Codec-Gleichungen aus der Tabelle 1 wurden entsprechende Gleichungen für die Bpls und die Ies ermittelt und ebenfalls in das TraceView_VoIP übertragen. Die Gleichungen sind von dem Produkt BSLP [Burstgröße × Sprachprobenlänge] abhängig. Dieses Produkt ist praxisnahe zu gestaltet. Es beinhaltet sowohl den Charakter der Paketverluste in der realen Umgebung (Blockbildung), als auch die in der Praxis konkret verwendete Sprachprobenlänge für den benutzten Sprachcodec. Die beiden Größen sind durch Messungen in der Praxis zu bestimmen.

Die Funktionalität des so entwickelten E^IP-Modells wurde in einer realen VoIP-Umgebung getestet und vermessen und bestätigt eindeutig die numerisch ermittelten Resultate. Sowohl numerische als auch praktische Studien zeigen, dass das neue E^IP-Modell sehr gut für die Praxis in der VoIP-Umgebung geeignet ist. Tabelle 1: Werte der „default values” für Bpl und Ie im E-Modell nach dem Stand der Technik

Codec	Bpl	Ie
G.711 a-Law	4,3 (PSTN)/8,8 (VoIP)	0,0
G.711 μ-Law	4,3 (PSTN)/8,8 (VoIP)	0,0
G.721	1,0	7,0
G.723.1	16,1	15,0
G.726 (16 kbit/s)	1,0	7,0
G.726 (24 kbit/s)	1,0	7,0
G.726 (32 kbit/s)	1,0	7,0
G.726 (40 kbit/s)	1,0	7,0
G.729a	19,0	11,0
GSM	10,0	5,0
iLBC (20 ms)	32,0	11,0
iLBC (30 ms)	32,0	11,0

Tabelle 2: Gleichungen des E^IP-Modells nach der Erfindung für Bpl und Ie

Codec	Gleichung für Bpl	Gleichung für Ie
G.711 a-Law	0,0400 × BSLP + 17,830	–0,0155 × BSLP + 10,153
G.711 μ-Law	0,0305 × BSLP + 18,155	–0,0210 × BSLP + 10,132
G.721	0,0651 × BSLP + 20,738	–0,0100 × BSLP + 18,031
G.723.1	0,0533 × BSLP + 20,261	–0,0069 × BSLP + 12,656
G.726 (16 kbit/s)	0,0459 × BSLP + 32,344	–0,0070 × BSLP + 32,712
G.726 (24 kbit/s)	0,0830 × BSLP + 23,046	–0,0037 × BSLP + 23,751
G.726 (32 kbit/s)	0,0634 × BSLP + 20,815	–0,0095 × BSLP + 17,759
G.726 (40 kbit/s)	0,0544 × BSLP + 16,916	–0,0156 × BSLP + 13,319
G.729a	0,0305 × BSLP + 26,696	–0,0058 × BSLP + 21,032
GSM	0,0280 × BSLP + 33,680	–0,0075 × BSLP + 24,004
iLBC (20 ms)	0,0275 × BSLP + 29,675	–0,0079 × BSLP + 18,872
iLBC (30 ms)	0,0250 × BSLP + 31,732	–0,0036 × BSLP + 21,566

Bezugzeichenliste

Bpl:

Packet loss robustness factor

BSLP:

Produkt aus Burstgröße und Sprachprobenlänge

E-Modell:

standardisiertes Bewertungsmodell

E^IP-Modell:

erfindungsmäßig angepasstes Bewertungsmodell

Ie:

Equipment impairment factor

IKT:

Informations- und Kommunikationstechnologie

IP-Netz:

Internet-Protokoll-Telefonie

ISDN:

Integrated Services Digital Network

PESQ:

Perceptual Evolution of Speech Quality

PSTN:

Public Switched Telephone Network

QoE:

Quality of Experience

QoS:

Quality of Service

VoIP:

Voice over IP

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Dienstgüte (QoS) einer Internet-Telefonie-(VoIP)-Verbindung mittels des E-Modells, dadurch gekennzeichnet, dass die vom E-Modell verwendeten Parameter Packet Loss Robustness Factor (Bpl) und Equipment Impairment Factor (Ie) jeweils in Abhängigkeit von dem für die Verbindung verwendeten Sprachcodec und dem Produkt aus Burstgröße und Sprachprobenlänge definiert sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abhängigkeit der Parameter Packet Loss Robustness Factor (Bpl) und Equipment Impairment Factor (Ie) von dem Produkt aus Burstgröße und Sprachprobenlänge jeweils durch Regressionsanalyse ermittelt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abhängigkeit des Packet Loss Robustness Factor (Bpl) und Equipment Impairment Factor (Ie) von dem Produkt aus Burstgröße und Sprachprobenlänge mittels linearer Regression ermittelt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sprachcodec ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus G.711 a-Law, G.711 μ-Law, G.721, G.723.1, G.726 (16 kbit/s), G.726 (24 kbit/s), G.726 (32 kbit/s), G.726 (40 kbit/s), G.729a, GSM, iLBC (20 ms) und iLBC (30 ms).
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter Packet Loss Robustness Factor (Bpl) und Equipment Impairment Factor (Ie) für den jeweiligen Sprachcodec wie folgt definiert sind: Codec Bpl Ie G.711 a-Law 0,0400 × BSLP + 17,830 –0,0155 × BSLP + 10,153 G.711 μ-Law 0,0305 × BSLP + 18,155 –0,0210 × BSLP + 10,132 G.721 0,0651 × BSLP + 20,738 –0,0100 × BSLP + 18,031 G.723.1 0,0533 × BSLP + 20,261 –0,0069 × BSLP + 12,656 G.726 (16 kbit/s) 0,0459 × BSLP + 32,344 –0,0070 × BSLP + 32,712 G.726 (24 kbit/s) 0,0830 × BSLP + 23,046 –0,0037 × BSLP + 23,751 G.726 (32 kbit/s) 0,0634 × BSLP + 20,815 –0,0095 × BSLP + 17,759 G.726 (40 kbit/s) 0,0544 × BSLP + 16,916 –0,0156 × BSLP + 13,319 G.729a 0,0305 × BSLP + 26,696 –0,0058 × BSLP + 21,032 GSM 0,0280 × BSLP + 33,680 –0,0075 × BSLP + 24,004 iLBC (20 ms) 0,0275 × BSLP + 29,675 –0,0079 × BSLP + 18,872 iLBC (30 ms) 0,0250 × BSLP + 31,732 –0,0036 × BSLP + 21,566

wobei BSLP das Produkt aus Burstgröße und Sprachprobenlänge ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Auftreten einer Abweichung von einer vorbestimmten Dienstgüte (QoS) eine Mitteilung ausgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitteilung ein optisches und/oder akustisches Warnsignal ist.