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Im
Bereich der Computernetzwerke ist ICMP Echo, besser bekannt als
PING, ein Hilfsmittel zum Messen der Verzögerung einer Internet-Verbindung
zwischen einem Client und einem Ziel-Host (ICMP = Internet Control
Message Protocol; PING = Packet Internet Groper). Die Qualität der Datenkommunikation
wird ferner durch Test-Nachrichten überprüft, die dem tatsächlichen
Datenstrom ähneln,
und durch Beurteilung der Verzögerung
individueller Nachrichten, von Übertragungsfehlern,
Neuübertragungen
und von nicht korrigierten Fehlern.
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Mit
der steigenden Verwendung von auf Paketen basierenden Telekommunikationskanälen für stark verzögerungsempfindliche
Anwendungen, wie Fernsprechen oder Videokonferenzen, besteht auch
der Bedarf, die Qualität
der paketierten Echtzeitverbindung zu überwachen. Im Gegensatz zur
Datenübertragung können verloren
gegangene oder fehlerhafte Pakete wegen der Zeitbeschränkungen
nicht erneut übertragen werden,
sondern werden einfach weggelassen. Somit muss die Verschlechterung
des Inhaltes, z. B. Ton oder Bild, ausgewertet werden.
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Verfügbare Bewertungs-Werkzeuge überwachen
und analysieren typischerweise die VoIP-Performance auf Netzwerkebene
bezüglich
der Dienstgüte
(Quality of Service, QoS) oder der Einhaltung von Dienstgüte-Vereinbarungen
(Service Level Agreements, SLAs), wozu auf Paketen basierende Messungen
verwendet werden, wie Jitter, Dämpfung
und Verzögerung
(VoIP = Voice over Internet Protocol).
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US 2004/0062204 A1 gibt
einen kurzen Überblick über herkömmliche Überwachungssysteme,
die für Ende-zu-Ende-Messungen benutzt
werden, d. h. von einem Endgerät
zu einem anderen Endgerät.
Manche am Markt bekannten Qualitätsüberwachungs-Systeme
verwenden so genannte "synthetische" IP-Telefone, andere
nutzen eine so genannte "passive" Lösung (IP
= Internet Protocol). Alle Systeme nach dem Stand der Technik haben
beträchtliche
Nachteile, die es schwierig machen, den Beitrag eines Paket-Netzwerks
zur Qualitätsverschlechterung
eines Medien-Datenstroms effizient zu messen.
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US 2004071084 beschreibt
ein Verfahren zur Bestimmung eines Qualitätsgrades eines auf Paketen basierenden
Netzwerks, das in einer mit einem Datennetzwerk gekoppelten Überwachungseinrichtung
Pakete empfängt,
die einen Datenstrom enthalten. Basierend auf einem beobachteten
Qualitätsgrad
eines Datennetzwerks kann eine Vermittlung Anrufe über andere
Pfade weg von einem blockierten Datennetzwerk umleiten (Echtzeitkommunikation).
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WO0182022 offenbart ein
Verfahren zum Testen eines Kommunikationsnetzwerks, zum Senden einer Sequenz
von Datenpaketen über
das Netzwerk über
einen ersten zu einem zweiten Agenten und zum Vergleichen der Ankunfts-Charakteristiken
verschiedener Pakete (die verschiedenen Anwendungen zugeordnet sind),
um die Übertragungsqualität des Netzwerks
zu bestimmen.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Überwachung
der Qualität
einer Echtzeitkommunikation in Paket-Netzwerken vorzusehen.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung wird durch ein Verfahren erreicht,
die Qualität
einer Echtzeitkommunikation in einem Paket-Netzwerk zu überwachen,
das mindestens zwei Testpunkte enthält, wobei das Verfahren die
Schritte des Zugriffs auf ein Paketstrom-Muster, das Einspeisen
des Paketstrom-Musters an einem ersten Testpunkt der mindestens
zwei Testpunkte, nach dem Senden des Paketstrom-Musters über das
Paket-Netzwerk das Empfangen eines verschlechterten Paketstrom-Musters
an einem zweiten Testpunkt der mindestens zwei Testpunkte, das Bestimmen
von Charakteristiken des verschlechterten Paketstrom-Musters, das
Vergleichen der Charakteristiken des verschlechterten Paketstrom-Musters
mit entsprechenden Charakteristiken des am ersten Testpunkt eingespeisten
Paketstrom-Musters und auf der Grundlage des Vergleichsergebnisses
das Bewerten der Daten, welche die durch die Übertragung über das Paket-Netzwerk verursachte Qualitätsverschlechterung
betreffen. Weiterhin wird das Ziel der vorliegenden Erfindung auch
durch ein Netzwerkelement eines Paket-Netzwerks zur Überwachung
der Qualität
einer Echtzeitkommunikation im Paket-Netzwerk erreicht, wobei das
Paket-Netzwerk mindestens zwei Testpunkte enthält und wobei das Netzwerkelement
eine Steuerungseinheit enthält,
die angepasst ist, den Zugriff eines Paket-Datenstrom-Musters auszulösen, das
Einspeisen eines Paket-Datenstrom-Musters an einem ersten Testpunkt
der mindestens zwei Testpunkte auszulösen, nach der Übertragung
des Paket-Datenstrom-Musters über
das Paket-Netzwerk den Empfang eines verschlechterten Paket-Datenstrom-Musters
an einem zweiten Testpunkt der mindesten zwei Testpunkte und die
Bestimmung von Charakteristiken des verschlechterten Paket-Datenstrom-Musters
auszulösen,
den Vergleich der Charakteristiken des verschlechterten Paket-Datenstrom-Musters
mit entsprechenden Charakteristiken des am ersten Testpunkt eingespeisten
Paket-Datenstrom-Musters
auf der Basis des Vergleichsergebnisses von Daten bezüglich der
durch die Übertragung über das
Paket-Netzwerk verursachten Qualitätsverschlechterung
zu steuern. Das Ziel der vorliegenden Erfindung wird ferner durch
ein Computer-Programm-Produkt zur Überwachung der Qualität einer
Echtzeitkommunikation in einem Paket-Netzwerk erreicht, das mindestens
zwei Testpunkte enthält,
wobei das Computer-Programm-Produkt,
wenn es von einem Netzwerkelement des Paket- Netzwerks ausgeführt wird, die Schritte des
Auslösens
des Zugriffs auf ein Paketstrom-Muster, des Auslösens des Einspeisens des Paketstrom-Musters
an einem ersten Testpunkt der mindestens zwei Testpunkte, nach dem
Senden des Paketstrom-Musters über
das Paket-Netzwerk des Auslösens
des Empfangens eines verschlechterten Paketstrom-Musters an einem
zweiten Testpunkt der mindestens zwei Testpunkte und des Bestimmens
von Charakteristiken des verschlechterten Paketstrom-Musters, des
Vergleichens der Charakteristiken des verschlechterten Paketstrom-Musters
mit entsprechenden Charakteristiken des am ersten Testpunkt eingespeisten
Paketstrom-Musters und auf der Grundlage des Vergleichsergebnisses
des Bewertens der Daten, welche die durch die Übertragung über das Paket-Netzwerk verursachte
Qualitätsverschlechterung
betreffen.
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Die
Erfindung erlaubt eine einfache und leichte Quantifizierung des
Einflusses des Paket-Netzwerks auf die Qualität der Kommunikation, z. B.
für die Überprüfung von
SLAs.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass die für die Qualitätsüberwachung
benötigte
Bandbreite verringert wird. Referenzsignale einer Echtzeitkommunikation
müssen
nicht von einem Sender durch das Netzwerk zu einem Empfänger und
die empfangenen Pakete müssen
nicht zurück
zu einer Bewertungs-Instanz übertragen
werden. Stattdessen reicht es aus, dass die Charakteristiken eines
empfangenen Paket-Musters, z. B. die Reihenfolge und die Ankunftszeit
der Pakete, und nicht der Inhalt, an die Bewertungs-Instanz übertragen
werden.
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Das
erfundene Verfahren wird in Elementen des Paket-Netzwerks implementiert,
und es kann mit anderen Messungs-Prozeduren kombiniert werden, z.
B. um die Datenübertragung
zu überprüfen. Es
werden nur in Paket-Netzwerken übliche
Komponenten benutzt. Alle Einrichtungen, die auf die Verarbeitung
von Kommunikationen spezialisiert sind, wie Sprach- oder Video-Codecs, werden vermieden,
so dass das Verfahren von einem Netzwerk-Betreiber angewendet werden
kann, der seinen Kunden eine Paket-Übertragung anbietet, ohne Einrichtungen
zu benutzen, die für
eine Anwendung spezifisch sind.
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Die
Erfindung liefert eine Erweiterung zu reinen Datenmessungen durch
die Simulation der Übertragungscharakteristik
von Sprache und anderen Medien. Die Erfindung kann in einem Paket-Netzwerk
mittels einer reinen Software-Erweiterung implementiert werden;
es sind keine Hardware-Änderungen
erforderlich.
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Weitere
Vorteile werden durch die Ausführungen
der Erfindung erzielt, die in den abhängigen Ansprüchen angegeben
sind.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführung
der Erfindung wird die Ankunftszeit jedes einzelnen Paketes des
verschlechterten Paketstrom-Musters, die eines nach dem anderen
am zweiten Testpunkt eintreffen, und/oder die Sequenz der Ankunft
der Pakete des verschlechterten Paketstrom-Musters, die eines nach
dem anderen am zweiten Testpunkt eintreffen, gemessen. Die gemessenen
Ankunftszeiten der Pakete und/oder die gemessene Ankunfts-Sequenz
der Pakete kann als Charakteristik des verschlechterten Paketstrom-Musters benutzt
werden. Diese Werte können
alle benutzten Charakteristiken repräsentieren, alternativ können auch andere
zusätzliche
Werte und Parameter der Pakete als Charakteristik des verschlechterten
Paketstrom-Musters
benutzt werden.
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Wegen
der Vielzahl unterschiedlicher in einem Paket-Netzwerk benutzter
Paket-Übertragungs-Pfade kann
die Fehlanordnung eines Paketstrom-Musters, das am zweiten Testpunkt
eintrifft, für
jede Übertragung des
Paketmusters durch das Netzwerk unterschiedlich sein. Zum Beispiel
wurde bei einem ersten Übertragungstest
die Mehrzahl der Pakete des Paketmusters über denselben Pfad übertragen.
Bei einem zweiten Übertragungstest
wurde jedoch jedes Paket über
einen anderen Pfad vermittelt. Um eine relativ zuverlässige Bewertung
der Übertragungsqualität eines
Paket-Netzwerks zu machen, müssen
Statistiken erstellt werden. Normalerweise tritt es nur auf, nachdem
ein Paketstrom-Muster sehr häufig über dasselbe
Netzwerk gesendet wurde, dass die gemittelten charakteristischen
Werte des verschlechterten Paketstrom-Musters konvergieren.
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Daher
werden in einer bevorzugten Ausführung
die Schritte des Einspeisens des Paketstrom-Musters, des Empfangens
des verschlechterten Paketstrom-Musters und des Bestimmens der Charakteristiken
des verschlechterten Paketstrom-Musters wiederholt oder regelmäßig durchgeführt. Die
im ersten Testlauf und in den nachfolgenden Neu-Iterationen gesammelten
Charakteristiken werden mit entsprechenden Charakteristiken des
ursprünglichen
Paketstrom-Musters verglichen. Aus den Ergebnissen des Vergleichs
können
Statistiken erstellt werden. Die Statistiken können dabei helfen, z. B. temporäre Trends,
Spitzenwerte, Mittelwerte oder andere statistische Werte zu finden,
die dazu verwendet werden können,
die Qualität
einer Echtzeitkommunikation vorherzusagen.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführung
der Erfindung wird das Ergebnis des Vergleichs auf Medien-Ströme einer
Echtzeit-Anwendung
angewendet. Auf diese Weise können
die Besonderheiten einer Echtzeit-Anwendung, wie z. B. Echtzeit-Audio oder Video
berücksichtigt
werden, wenn eine Verschlechterung der Signalqualität bewertet
wird. Zum Beispiel kann es sein, dass ein Benutzer sich unterschiedlich
stark durch Paket-Jitter gestört
fühlt,
der seinen Ursprung im Paket-Netzwerk hat, abhängig davon, ob der Benutzer
ein Telefongespräch
führt oder
einen Video-Clip sieht. Während
bei einem bestimmten Paket-Jitter ein Telefongespräch nur eine
etwas schlechtere Qualität
hat, aber noch verständlich
ist, kann es sein, dass ein Video unverständlich wird.
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In
einer bevorzugten Ausführung
werden die bei der Qualitätsüberwachung
benutzten Testpunkte alle zeitlich synchronisiert. Dann wird das
Paketstrom-Muster zu festgelegten Zeiten in den ersten Testpunkt
eingespeist, vorzugsweise nach einem vorher festgelegten Plan. Die
Ankunftszeit der einzelnen Pakete des verschlechterten Paketstrom-Musters,
das am zweiten Testpunkt eintrifft, wird gemessen. Wegen der engen
Synchronisation der Testpunkte kann die Verzögerung der Pakete sehr genau
bestimmt werden. Daher kann die Verschlechterung der Signalqualität, insbesondere
die Verschlechterung der Signalqualität, die durch temporäre Effekte
verursacht wird, wie Paket-Verzögerung
oder Jitter, sehr gut beurteilt werden.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführung
der Erfindung wird das ursprüngliche
Paketstrom-Muster entweder in einer Richtung, d. h. immer von einem
ersten Testpunkt zu einem zweiten Testpunkt, oder in zwei Richtungen,
d. h. von einem ersten Testpunkt zu einem zweiten Testpunkt und
wieder zurück
vom zweiten Testpunkt zum ersten Testpunkt, übertragen.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführung
der Erfindung sind der erste Testpunkt und der zweite Testpunkt
des Paket-Netzwerks
vordefinierte Messungs-Punkte an bestimmten Netzwerkelementen. Zum
Beispiel können
die Testpunkte in Vermittlungseinheiten, POPs, Gateways, usw. des
Netzwerks implementiert sein. Somit wurde die gemessene Signal-Verschlechterung
nur vom Paket-Netzwerk und den zugehörigen Netzwerkelementen verursacht.
Der Effekt des Netzwerks und/oder spezieller Teile des Netzwerks
auf die Qualitätsverschlechterung
kann bewertet werden.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführung
der Erfindung wird die Qualitätsüberwachung
von Ende zu Ende zwischen Endgeräten
einer Echtzeitkommunikation durchgeführt. Das Paketstrom-Muster wird an einem
ersten Endgerät
eingespeist, durch Vermittlungselemente des Paket-Netzwerks an ein
zweites Endgerät übertragen,
wo ein verschlechtertes Paketstrom-Muster empfangen wird. Die Pakete
durchlaufen beide Endgeräte,
die Vermittlungselemente, Netzwerk-Segment, wie HFC-Netzwerke und
das Paket-Netzwerk selbst (HFC = Hybrid Coaxial Cable). Daher enthält die Ende-zu-Ende-Messung
alle Quellen der Signal-Verschlechterung.
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Diese,
sowie weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden besser
verstanden, wenn man die folgende detaillierte Beschreibung von
zurzeit bevorzugten Ausführungen
in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen liest, in denen:
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1 ein
Blockdiagramm eines Systems zur Bereitstellung einer Qualitätsüberwachung
in einem Paketvermittlungs-Netzwerk ist.
-
2 eine
schematische Darstellung ist, die die Verarbeitung von Echtzeit-Medien-Signalen,
soweit sie relevant für
die Qualitätsüberwachung
sind, beschreibt.
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3 eine
detaillierte Ansicht einer Steuerung für die Qualitätsüberwachung
ist.
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4 ein
vereinfachtes Flussdiagramm einer Implementation einer Ausführung der
Qualitätsüberwachung
zeigt.
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5 ein
Blockdiagramm eines Systems zur Bereitstellung einer Qualitätsüberwachung
in einem Paketvermittlungs-Netzwerk gemäß einer anderen Ausführung ist.
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1 zeigt
ein Paketvermittlungs-Netzwerk 1, das mit einem Paket-Übertragungs-Protokoll,
wie IP, UDP oder RTP arbeitet (UDP = User Datagram Protocol; RTP
= Real Time Protocol). Das Netzwerk 1 enthält Router
und Switches 51, 52 zur Durchschaltung von Paketen,
die über
das Netzwerk 1 übertragen
werden, eine Anzahl von Testpunkten 3, 4, die
sich an relevanten Stellen des Paket-Netzwerks 1 befinden,
wie z. B. an POPs, Vermittlungsanlagen, oder Switches 51, 52,
und eine Steuerung 10 (POP = Point of Presence). In dieser Beschreibung
bezeichnen die Begriffe "Messfühler" und "Testpunkt" dasselbe und werden
synonym gebraucht. Jeder der Messfühler 3, 4,
der sich in den Netzwerk-Switches 51, 52 befindet,
ist mit einem Gateway 5, 6 verbunden, der eine
Schnittstelle zwischen dem Paket-Netzwerk 1 und einer lokalen
Vermittlungseinheit 7, 8 bereitstellt, z. B. zur
Vermittlung von Telefongesprächen
oder Multimedia-Daten. Die Benutzer-Endgeräte 71 bis 73, 81 bis 83 sind
mit den lokalen Vermittlungseinheiten 7, 8 verbunden
die auch zu einem getrennten Netzwerk gehören können.
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Die
Steuerung 10 enthält
mindestens ein Schnittstellen-Modul 101 zur Kommunikation
mit dem Sender-Messfühler 3 und
dem Empfänger-Messfühler 4,
eine Steuerungseinheit 102 zur Steuerung der Qualitätsüberwachung
und eine Speichereinheit 103 zur Speicherung von Daten.
Aus Gründen
einer einfachen Erklärung
werden die Messfühler
als Sender und Empfänger
bezeichnet, aber die Messfühler
können
für bidirektionale
Tests beide Rollen gleichzeitig übernehmen.
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Das
Verfahren stellt eine "aktive" Lösung dar,
die den Vergleich eines ursprünglichen
Referenzsignals mit dem verschlechterten Signal nach der Übertragung
durch das Paket-Netzwerk
nutzt, beides in einer für
die Anwendung spezifischen Paket-Repräsentation. Auf diese Weise
ist es möglich,
die Übertragung
der Echtzeitkommunikations-Pakete zu charakterisieren. Die Echtzeitkommunikation
kann Multimedia oder Sprache sein, wie z. B. VoIP.
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Grundsätzlich umfasst
die Qualitätsüberwachung
zwei Schritte. In einem ersten Schritt wird ein Referenzsignal in
Paketen vom ersten Messfühler 3 des
Netzwerks 1 über
das Netzwerk 1 an den zweiten Messfühler 4 des Netzwerks 1 gesendet.
Die Charakteristiken, d. h. Zeit und Reihenfolge des Eintreffens
der am zweiten Messfühler 4 empfangenen
Signal-Pakete werden registriert. In einem zweiten Schritt erlaubt
ein Vergleich der gesendeten und empfangenen Pakete die Bereitstellung
einer einfachen Quantifizierung der Verschlechterung der paketierten
Echtzeit-Kommunikation im Paket-Netzwerk 1. Somit kann
die Qualität
der Paketübertragung
z. B. für
VoIP leicht überwacht
werden, um SLAs zu überprüfen.
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In
dem Vergleich werden Charakteristiken, z. B. die Paket-Reihenfolge und die
Paket-Ankunftszeiten, der am zweiten Messfühler 4 empfangenen
verschlechterten Signal-Pakete den entsprechenden Charakteristiken
der ursprünglichen
Signal-Pakete, die
in dem ersten Messfühler
eingespeist werden, z. B. der Paket-Sequenz und den Paket-Lieferungs-Zeiten,
gegenübergestellt.
Die Übertragung
durch das Paket-Netzwerk 1 kann z. B. eine beträchtliche
Umordnung und einen Verlust von Paketen verursachen.
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Dieses
Vergleichsergebnis kann vorzugsweise offline auf eine oder mehrere
weitere Anwendungen angewendet werden, die Datenpakete über das
Paket-Netzwerk 1 übertragen.
Derselbe Umordnungs-Grad und dieselbe Verlustrate, die durch den
Vergleich bestimmt wurden, können
auf die Pakete der Echtzeit-Anwendung
angewendet werden. Dann kann das verschlechterte Anwendungs-Signal
auf ein Verfahren angewendet werden, die Qualität einer verschlechterten Echtzeit-Übertragung,
die ein Benutzer erfährt,
zu bewerten. Somit ist es möglich,
einen schnellen Überblick über die Übertragungsqualität eines
Paket-Netzwerks
bezüglich
verschiedener Anwendungen zu erhalten, ohne dass für jede spezielle
Anwendung eine mühsame Neuübertragung
erforderlich ist, die umfangreiche Bandbreiten-Ressourcen erfordert.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung, die die Verarbeitung von Echtzeit-Medien-Signalen
für die Qualitätsüberwachung
in dem System entsprechend 1 beschreibt.
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Zuerst
muss auf ein Paket-Datenstrom-Muster 22 zugegriffen und
es eingespeist werden. Nehmen wir an, dass die Qualität einer
Echtzeit-Sprachkommunikation, wie z. B. eines VoIP-Telefonates im
Paket-Netzwerk 1 überwacht
werden muss. Das Paket-Datenstrom-Muster 22 ist
eine Paket-Repräsentation
des Medien-Datenstrom-Musters 20.
Das Paket-Datenstrom-Muster 22 wird erzeugt, indem das
Medien-Datenstrom-Muster 20 in eine digitale Darstellung 21 des
Medien-Datenstrom-Musters 20 ungewandelt und die digitale
Darstellung 21 entsprechend dem benutzten Paket-Übertragungs-Protokoll
codiert, paketiert und komprimiert wird.
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Das
Muster der Pakete 22 entspricht den Charakteristiken der
Echtzeitkommunikation, deren Qualität überwacht werden muss. Die Paket-Darstellung
des Medien-Datenstrom-Musters 20 hat dieselben Eigenschaften
wie die Paket-Darstellung eines tatsächlichen Anwendungs-Signals
bezüglich
Protokoll-Kopf, Paketgröße und Übertragungsrate.
Diese Eigenschaften hängen
von der Anwendung, sowie von der angewendeten Codierung, Paketierung
und vom Komprimierungsverfahren ab. Im Fall der Qualitätsüberwachung
einer Telefon-Kommunikation wird zum Beispiel alle 20 ms ein Referenz-Paket
mit einer Nutzinformations-Größe von 160
Byte gesendet.
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Das
Paket-Datenstrom-Muster 22 muss vor dem Test nur einmal
vordefiniert werden. d. h. bevor die Qualitätsüberwachung beginnt und das
Paket-Datenstrom-Muster 22 das erste Mal übertragen
wird. Vorzugsweise wird die Bestimmung des Medien-Datenstrom-Musters 20 und
die Erzeugung des Paket-Datenstrom-Musters 22 von der Steuerung 10 verarbeitet.
Alternativ können
diese Schritte auch von jedem anderen geeigneten Netzwerkelement
durchgeführt
werden, das die erforderliche Funktionalität enthält, oder durch ein spezielles
Element außerhalb
des Netzwerks, wie z. B. ein zentralisierter Steuerungs-Server,
der die Qualitätsüberwachung
in einem oder mehreren Netzwerken steuert und/oder unterstützt. Dann
greift das Netzwerkelement, das die Qualitätsüberwachung steuert, d. h. die
Steuerung 10 auf das Paket-Datenstrom-Muster 22 zu und
bereitet die Einspeisung des Paket-Datenstrom-Musters 22 in
das Netzwerk 1 vor.
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Das
bestimmte Paket-Datenstrom-Muster 22 wird von der Steuerung 10 als
Referenz-Datei an die Testpunkte 3, 4 verteilt.
Alternativ werden nur die Charakteristiken des Paket-Datenstrom-Musters 22 an
die richtigen Netzwerkelemente verteilt, welche die Testpunkte 3, 4 enthalten,
der Inhalt wird nicht benötigt.
Diese Charakteristiken können
die Sequenz der Pakete und/oder die Lieferungs-Zeit der Pakete enthalten.
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Die
Testpunkte 3, 4 speichern das empfangene ursprüngliche
Paket-Datenstrom-Muster in einem Speicher und greifen darauf in
dem Speicher zu, wenn sie es später
zur Übertragung
oder zu Vergleichszwecken benötigen.
Normalerweise findet der Test mehrmals statt, vorzugsweise regelmäßig, um
die Qualität über eine
längere
Zeit zu überwachen.
Bei allen Testpaket-Übertragungen
wird dasselbe Paket-Datenstrom-Muster 22 eingespeist.
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Die
Steuerung 10 kann durch ein spezielles Element des Netzwerks 1 oder
eine getrennte autonome Einheit, die nicht zum Netzwerk 1 gehört, repräsentiert
werden, oder kann in ein allgemeines Netzwerkelement integriert
sein. In dieser bevorzugten Ausführung
steuert die Steuerung 10 die Qualitätsüberwachung und löst die zur Überwachung
gehörenden
Schritte aus. Es ist aber auch möglich,
dass die Qualitätsüberwachung
ohne eine spezielle Steuerungseinheit 10 durchgeführt wird.
Zum Beispiel kann ein Netzwerkelement, wie z. B. ein POP, das einem
Testpunkt oder Messfühler
zugeordnet ist, alle Fähigkeiten
und Funktionalitäten
haben, die Qualitätsüberwachung
zu steuern. Alternativ dazu ist es auch möglich, dass ein Netzwerkelement,
wie eine Vermittlungseinheit oder Vermittlungsanlage des Netzwerks 1,
die keinem Testpunkt einer zurzeit durchgeführten Qualitätsüberwachung
zugeordnet ist, die Qualitätsüberwachung
steuert.
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Eine
Kommunikationsverbindung 9 wird zwischen den Messfühlern 3, 4 aufgebaut,
wobei der Messfühler 3 als
Sender und der Messfühler 4 als
Empfänger
dient. Das aus dem Paket-Datenstrom-Muster 22 bestehende
Referenz-Signal wird über
die Verbindung 9 vom Sender 3 über das Netzwerk 1 zum
Empfänger 4 übertragen.
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In
dem Paket-Netzwerk 1 kann ein Paket des Paket-Datenstrom-Musters 22 durch
die Verbindung 9 über
eine Vielzahl unterschiedlicher Pfade 9a, 9b, 9c übertragen
werden. Es ist möglich,
dass einige Pakete des ursprünglichen
Paket-Datenstrom-Musters 22,
die am ersten Testpunkt 3 eingespeist werden, über das Paket-Netzwerk 1 über einen
ersten Pfad 9a übertragen
werden, einige über
einen zweiten Pfad 9b übertragen werden
und die restlichen Pakete über
noch einen anderen Pfad 9c übertragen werden. Somit kann
sich die Reihenfolge der Pakete, die am zweiten Testpunkt 4 eintreffen, von
der Reihenfolge der Pakete unterscheiden, mit der sie am ersten
Testpunkt 3 eingespeist wurden.
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Auf ähnliche
Weise können,
obwohl die Pakete des Paket-Datenstrom-Musters 22 am
Testpunkt 3 zu regelmäßigen Zeiten
eingespeist wurden, z. B. alle 20 ms ein Paket, die Zeitabstände zwischen
den Paketen, die am zweiten Testpunkt 4 eintreffen, sich
beträchtlich
unterscheiden. Zum Beispiel können
die Pakete des ersten Pfades 9a zuerst eintreffen, dann
die Pakete des dritten Pfades 9c, verschachtelt mit einigen
Paketen des zweiten Pfades 9b, und schließlich der
Großteil
der Pakete des zweiten Pfades 9b. Somit wurde das ursprüngliche
Paket-Datenstrom-Muster 22 zu einem anderen Paket-Datenstrom-Muster 23 geändert, was
im Fall von verzögerungs-empfindlichen
Echtzeit-Anwendungen zu einer Verschlechterung des Signals führt.
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Während die
mit den Referenz-Paketen 22 übertragene Nutzinformation
relativ irrelevant ist, da sie in der Bewertungs-Einrichtung immer
offline durch anderen Inhalt ersetzt werden kann, sind die Protokoll-Köpfe der
Referenz-Pakete 22 wichtig,
da sie Konsequenzen für
die Paket-Vermittlung
und die allgemeine Paket-Behandlung haben. Zum Beispiel entsprechen
die Protokoll-Köpfe
dem Standard IP, UDP oder RTP.
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Beim
Empfänger 4 wird
das verschlechterte Signal vom Netzwerk 1 empfangen. Die
Sequenz der empfangenen Referenz-Pakete 23, die so genannten
Test-Pakete, wird von Empfänger 4 registriert,
und die Test-Pakete 23 werden mit einem Zeitstempel versehen.
Der Kopf der Test-Pakete 23 enthält normalerweise Teile von
Informationen, die es erlauben festzustellen, ob Pakete des Referenz-Paket-Musters
ausgetauscht wurden, verloren gegangen sind, oder ob das Paket anderen
Veränderungen
unterzogen wurde.
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Die
Testpakete 23, in denen Bitfehler aufgetreten sind, werden
durch Prüfsummen
erkannt. Wenn sie nicht repariert werden können, werden sie verworfen.
Im Gegensatz zu unter TCP gesendeten Paketen, wo beschädigte Pakete
neu angefordert werden, werden unter UDP gesendete fehlerhafte Pakete
einfach verworfen. Auch die unterschiedliche Behandlung von fehlerhaften
Paketen, die spezifisch für
ein in einem Netzwerk benutzten Protokoll ist, trägt zur resultierenden
Charakteristik eines verschlechterten Paket-Datenstrom-Musters bei.
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Ein
Protokoll zwischen dem Paar von Übertragungspunkten,
dem Sender 3 und dem Empfänger 4, steuert Start,
Ende und Parameter des Tests. Der Test kann kontinuierlich, regelmäßig oder
auf Anfrage durchgeführt
werden. Ferner kann der Test bidirektional oder unidirektional durchgeführt werden.
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In
einer bevorzugten Ausführung
werden die Referenz-Pakete 22 vom Sender 3 entsprechend
einem Zeitplan mit hoher Genauigkeit gesendet, und sie werden am
Empfänger 4 empfangen,
wo die zusammen mit der exakten Empfangszeit aufgezeichnet werden.
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In
einem nächsten
Schritt ist es möglich,
eine Übertragungsqualität einer
Echtzeitkommunikation zu simulieren.
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Die
Auswertung des Tests, d. h. die Analyse des Referenz- und des empfangenen
Signals kann entweder in den Messfühlern 3, 4 oder
in der Steuerung 10 stattfinden. Da das Referenz-Signal 22 ein
vordefiniertes Signal ist, steht es in jedem Messfühler 3, 4 zur
Verfügung
und muss nicht durch das Netzwerk 1 gesendet werden. Sogar
das empfangene Signal 23 muss nicht vom Empfänger 4 an
die Auswertungs-Instanz, wie z. B. die Steuerung 10, übertragen
werden, da das empfangene Signal 23 aus dem Referenz-Signal 22 rekonstruiert
werden kann, indem das Muster von Zeitstempeln und Reihenfolge-Nummern
der empfangenen Pakete 23, das im Empfänger 4 gespeichert
ist, angewendet wird.
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Um Übertragungs-Kapazität zu sparen,
wird es vorgezogen, nur die Information über die aufgezeichnete Charakteristik
des verschlechterten Paket-Datenstroms 23 an die Auswertungs-Instanz zu übertragen, statt
das verschlechterte Testsignal zu übertragen, das eine größere Bandbreite
benötigen
würde.
Dies ist ausreichend, da das ursprüngliche Testsignal 23 aus
dem Referenzsignal 22 und der Charakteristik des verschlechterten
Paket-Datenstroms 23 rekonstruiert werden kann.
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Vorzugsweise
wird die Rekonstruktion durchgeführt,
indem Parameter angewendet werden, welche die Betriebsart oder die
Implementation einer speziellen Einrichtung, wie z. B. eines VoIP-Endgerätes, charakterisieren.
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Die
Test-Pakete 23 werden offline mit Medien-Inhalten gefüllt. Zum
Beispiel werden die Pakete einer digitalisierten und paketierten
Telefon-Kommunikation in dasselbe Muster gebracht, wie die Test-Pakete 23, die
vom Empfänger 4 empfangen
werden, d. h. die Pakete einer Echtzeit-Telefon-Kommunikation werden
in dieselbe Reihenfolge gebracht, wie die Test-Pakete 23,
die am Empfänger 4 empfangen
werden, und dieselben Pakete der Telefon-Kommunikation werden gelöscht, wie
die Test-Pakete 23, die verloren gegangen sind.
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Die
Charakteristik des ursprünglich
eingespeisten Paket-Datenstrom-Musters 22 und
die Charakteristiken des verschlechterten empfangenen Paket-Datenstrom-Musters 23 werden
miteinander verglichen. Die Vergleichsergebnisse werden dann an
einen anwendungsspezifischen Qualitätsanalyse-Prozess weitergegeben,
der zu einigen einfach zu interpretierenden Qualitäts-Werten
führt.
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Es
gibt eine Anzahl standardisierter Verfahren zur Bewertung der Qualität einer
verschlechterten Echtzeit-Übertragung,
die ein Benutzer erfährt.
Für Fernsprechen
kann ein Wahrnehmungs-Modell,
wie PESQ (PESQ = Perceptual Evaluation of Speech Quality) verwendet
werden. PESQ misst die Ende-zu-Ende-Sprachqualität durch Vergleich eines eingegebenen
Testsignals mit dem Signal-Ausgang und ist in einem Bereich von Typen
von Fernsprechnetzen wirksam, einschließlich PSTN, Mobiltelefon und
VoIP (PSTN = Public Switched Telephone Network). Es misst den Effekt
von Störungen,
wie Rauschen, Unterbrechungen und Front-End-Clipping, um die wahrgenommene
Sprachqualität
zu modellieren und vorherzusagen,
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Das
bedeutendste Ergebnis von PESQ ist der MOS-Wert (MOS = Mean Opinion
Score). MOS ist ein Maß für die Qualität des Tones,
den ein Zuhörer
an einem Telefon hört.
Er drückt
die Sprachqualität
direkt aus. Die meisten Punktzahlen fallen in die folgenden Kategorien:
1 = schlecht; 2 = schwach; 3 = ausreichend; 4 = gut; 5 = ausgezeichnet.
Ton mit „Toll
Quality" (Qualität auf dem
Niveau einer herkömmlichen
Telefonverbindung) wird im Allgemeinen einem Punktwert von mindestens
4 zugeordnet. G.711 startet mit einem intrinsischen MOS-Wert von
4,4, während
G.729, wodurch eine beträchtliche
Komprimierung durchgeführt
wird, einen intrinsischen MOS-Wert von 4,1 hat. Natürlich wird
der MOS-Wert auf einem VoIP-Netzwerk
weiter verringert, wenn ein Paket verloren geht, bei sehr großen Verzögerungen,
usw.
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3 zeigt
eine detaillierte Ansicht einer speziellen Steuerung 30.
Die Steuerung 30 enthält
ein Schnittstellen-Modul 301 zum
Empfang von Daten von den Testpunkten 3, 4, die
den Netzwerkelementen zugeordnet sind und zum Senden von Daten von
der Steuerung 30 an die Testpunkte 3, 4.
Zum Beispiel sendet die Steuerung 30 das vordefinierte
Medien-Datenstrom-Muster 22 an
den Sender-Messfühler 3,
empfängt
Informationen über
die Charakteristik des verschlechterten Medien-Datenstrom-Musters 23 vom Empfänger-Messfühler 4,
verarbeitet die Vergleichs- und Auswertungs-Schritte und sendet
Informationen über
die Ergebnisse des Auswertungs-Prozesses an ein anderes Netzwerkelement,
wie z. B. an eine Bediener-Workstation,
zur weiteren Verarbeitung. Ferner enthält die Steuerung 30 eine
Steuerungseinheit 302 zur Steuerung der Qualitätsüberwachung,
wobei die Steuerungseinheit 302 ein Vergleichsmodul 304 und
ein Auswertungsmodul 305 enthält. Außerdem enthält die Steuerung 30 einen
Speicher 303 zur Speicherung von Daten und Software.
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Die
Steuerungseinheit 302 steuert den Informationsfluss zwischen
der Steuerung 30 und den Testpunkten 3, 4,
den Informationsfluss unter den verschiedenen Einheiten 301 bis 305 in
der Steuerung oder der Steuerung 30 zugeordnet, und führt allgemeine
Verarbeitungs- und Berechnungsaufgaben aus. Die Steuerungseinheit 302 enthält mindestens
eine Verarbeitungseinheit, die vorzugsweise die Schritte eines Computer-Programm-Produktes
zur Qualitätsüberwachung
ausführt,
wobei das Computer-Programm-Produkt im Speicher 303 gespeichert
wird. Somit steuert die Steuerungseinheit 302 den Betrieb
des Vergleichs-Moduls 304 und eines Auswertungs-Moduls 305.
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Das
Vergleichs-Modul 304 analysiert das verschlechterte Medien-Datenstrom-Muster 23 und
das ursprüngliche
Medien-Datenstrom-Muster 22.
Es vergleicht die Charakteristiken beider Muster und bestimmt die Änderungen
des ursprünglichen
Medien-Datenstrom-Musters 22, die durch die Übertragung über das
Paket-Netzwerk 1 verursacht wurden.
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Zum
Beispiel enthält
ein Referenzsignal drei Pakete A, B, C, die in der Reihenfolge A,
B, C am ersten Testpunkt 3 in das Netzwerk 1 eingespeist
werden. Das Paket B wird 20 ms später als das Paket A gesendet, und
das Paket C wird 20 ms später
als das Paket B gesendet. Durch Übertragungsfehler
des Kommunikations-Netzwerks 1 empfängt der Empfänger 4 nur
die Pakete A und C in der Reihenfolge C, A. Wenn es die Charakteristiken
des Musters C, A des verschlechterten Paket-Datenstrom-Musters mit den Charakteristiken von
Muster A, B, C des ursprünglichen
Paket-Datenstrom-Musters vergleicht, stellt das Vergleichsmodul 304 fest,
dass das Paket B verloren gegangen ist und dass das erste und das
letzte Paket vertauscht wurden. Zusätzlich dazu stellt das Vergleichsmodul 304 fest,
dass das empfangene Paket A eine Verzögerung von 60 ms bezüglich des
Paketes C hat.
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Das
Vergleichsmodul 304 kann das Vergleichsergebnis behalten.
Vorzugsweise werden mehrere Testläufe durchgeführt, und
das Vergleichsmodul 304 führt den Vergleich für alle Tests
durch. Schließlich
kann es statistische Werte berechnen. In einem nächsten Schritt sendet das Vergleichsmodul 304 die
Vergleichsergebnisse an das Auswertungs-Modul 305.
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Das
Auswertungs-Modul 305 wendet die Vergleichsergebnisse auf
ein anwendungsspezifisches Echtzeit-Medien-Datenstrom-Muster an,
d. h. ein Echtzeit-Medien-Datenstrom-Muster wird so geändert, dass
es mit den analysierten Vergleichsergebnissen übereinstimmt. Bezüglich des
oben erwähnten
Beispiels wird das charakteristische Muster C, A auf ein Echtzeit-Medien-Datenstrom-Muster
angewendet, wie z. B. auf ein Telefonat mit der paketierten Form
A, B, C. Nur das erste und dritte Paket des Telefonates werden behalten
und vermittelt, während
das zweite Paket gelöscht
wird. Dann kann das verschlechterte Telefonat decodiert und digitalisiert
und schließlich
mittels eines Qualitäts-Bewertungs-Werkzeuges,
wie z. B. PESQ, analysiert werden.
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Die
Fähigkeiten
des Auswertungs-Moduls 305 sind sehr leistungsfähig: Es
ist möglich,
beliebig viele Anwendungs-Signale,
die verschiedenen Protokollen entsprechen, zu simulieren, wie z.
B. Audiosignale (z. B. VoIP, MPEG 1, Audio Layer 3), Videosignale
(z. B. MPEG 4, AVI), usw. (MPEG = Moving Picture Experts Group;
AVI = Audio Video Interleave). Ferner können verschiedene Empfänger-Verhaltensweisen
simuliert werden, z. B. ein PSTN-Telefon, ein VoIP-Softphone oder
ein VoIP-Hardphone. Die für
die verschiedenen Simulationen benötigten Daten können im
Speicher 303 der Steuerung 30 abgelegt und aus
ihm gelesen werden.
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4 zeigt
ein vereinfachtes Flussdiagramm einer Implementation einer Ausführung der
Qualitätsüberwachung.
In Schritt 401 wird ein Medien-Datenstrom-Muster festgelegt.
Im folgenden Schritt 402 wird das festgelegte Medien-Datenstrom-Muster entsprechen
dem benutzten Paket-Übertragungs-Protokoll
digitalisiert, codiert und paketiert und somit in Schritt 403 ein
Paket-Datenstrom-Muster abgeleitet. Das Paket-Datenstrom-Muster wird in Schritt 404 an
einem ersten Testpunkt eines Paket-Netzwerks eingespeist.
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Im
folgenden Schritt 405 wird das eingespeiste Paket-Datenstrom-Muster
in verschlechterter Form an einem zweiten Testpunkt des Netzwerks
empfangen. In Schritt 406 wird das verschlechterte Paket-Datenstrom-Muster
erfasst, und in Schritt 407 werden die Charakteristiken
des verschlechterten Paket-Datenstrom-Musters, d. h. die Zeit des
Empfangs und die Reihenfolge der empfangenen Pakete, registriert.
Die Charakteristiken des verschlechterten Paket-Datenstrom-Musters
werden mit den entsprechenden Charakteristiken des ursprünglich eingespeisten
Paket-Datenstrom-Musters verglichen. Die Schritte 404 bis 407 können N mal
wiederholt werden 408, bis die Statistiken 409 der
Signal-Verschlechterung
eine gewünschte
Feinheit erreicht haben.
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Die
berechneten Statistiken 409 werden auf eine Echtzeit-Anwendung angewendet,
so dass ein tatsächliches
verschlechtertes anwendungsspezifisches Paket-Datenstrom-Muster 410 simuliert
wird. Dann kann das verschlechterte anwendungsspezifische Paket-Datenstrom-Muster
decodiert und digitalisiert werden 411. Somit wird aus
dem verschlechterten Paket-Datenstrom-Muster ein Medien-Datenstrom-Muster,
wie von einem Benutzer wahrgenommen, rekonstruiert 412.
Schließlich
wird die Qualitätsverschlechterung,
wie von einem Benutzer wahrgenommen, eines anwendungsspezifischen
Echtzeit-Signals, das durch das Paket-Netzwerk gesendet wird, in
Schritt 413 beurteilt. Die Qualitätsverschlechterung wird mittels
eines Qualitätsbewertungs-Werkzeugs,
wie z. B. PESQ, analysiert.
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Der
gewählte
Qualitätsanalyse-Algorithmus
ist von der Anwendung abhängig,
auf die das Netzwerk qualitätsüberwacht
werden soll. Zum Beispiel erfordern Audiosignale einen anderen Analyse-Algorithmus
als Videosignale. Das Ergebnis dieser Analyse kann dazu benutzt
werden, ein SLA zwischen einem Netzbetreiber und einem Teilnehmer
am Netz zu überprüfen.
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5 ist
eine andere Ausführung
der Erfindung. Das Verfahren gemäß der in 1 gezeigten
Erfindung liefert eine Qualitätsbewertung,
die auf das Paket-Netzwerk begrenzt ist. Es berücksichtigt die durch Jitter,
falsche Reihenfolge und Verlust von Paketen verursachte Qualitätsverschlechterung.
Weitere Einflüsse
in den Endgeräten
oder anderen Netzwerken und anderen Einrichtungen müssen getrennt
gemessen werden. Dies kann durch Ende-zu-Ende- oder durch schrittweise
Messungen erfolgen. Das Prinzip einer Ende-zu-Ende-Messung ist in 5 gezeigt.
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Entsprechend 5 ist
der Sender-Messfühler 3 in
ein Endgerät 71 integriert
und/oder durch es repräsentiert,
und der Empfänger-Messfühler 4 ist
in ein anderes Endgerät 82 integriert
und/oder durch es repräsentiert.
Vorzugsweise sind die Endgeräte 71, 82 VoIP-Endgeräte, die
in der Lage sind, Pakete zu verarbeiten. Die Referenz-Pakete werden
vom Sender-Messfühler 3 im
Endgerät 71 über das
Paket-Netzwerk 1 an den Empfänger-Messfühler im Endgerät 82 gesendet.
Somit sind die Signal-Verschlechterung – und die Qualitätsmessung – nicht
auf das Paket-Netzwerk beschränkt,
sondern auch der Einfluss von zum Netzwerk 1 gehörenden Elementen,
wie z. B. der Gateways 5, 6, der lokalen Vermittlungseinheiten 7, 8,
der Paketvermittlungs-Einheiten 51 bis 52 und
der Endgeräte 71, 82 selbst,
die als Testpunkte dienen, auf die Qualitätsverschlechterung einer Echtzeitkommunikation
kann untersucht werden.
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Es
gibt viele Arten, wie diese Kommunikationselemente die Paketsignal-Qualität beeinflussen
können. Zum
Beispiel benutzen VoIP-Endgeräte
normalerweise einen digitalen Puffer, in dem die Pakete gespeichert werden,
bis eine bestimmte Anzahl von Paketen angesammelt wurde. Oder manche
VoIP-Telefone weisen
zu viele Pakete des eintreffenden Paket-Datenstromes zurück.
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In
einer bevorzugten Ausführung
kann es nützlich
sein, das Paket-Datenstrom-Muster nicht nur in Richtung vom ersten
Testpunkt 3 zum zweiten Testpunkt 4, sondern gleichfalls
auch in entgegengesetzter Richtung vom zweiten Testpunkt 4 zum
ersten Testpunkt 3 zu übertragen.
Eine bidirektionale Echtzeit-Anwendung, wie z. B. ein VoIP-Telefonat
zwischen Alice, die das Telefon-Endgerät 71 benutzt, und
Bob, der das Telefon-Endgerät 82 benutzt,
kann durch Paket-Übertragungs- Effekte beeinflusst
werden, die von der Richtung der Paket-Übertragung
abhängt.
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Zum
Beispiel können
die von Alice kommenden Pakete zuerst an der Paketvermittlungs-Einheit 51 eines
ersten Herstellers ankommen und von ihr vermittelt werden, und die
von Bob kommenden Pakete können zuerst
an der Paketvermittlungs-Einheit 52 eines
zweiten Herstellers ankommen und von ihr vermittelt werden. Es kann
sein, dass jeder Hersteller einen Vermittlungs-Entscheidungs-Prozess
implementiert hat, der von einem herstellerspezifischen Algorithmus
gesteuert wird. Wegen der verschiedenen Algorithmen können die
Pakete unterschiedlich vermittelt werden. Dann können die Pakete von Alice auf
Pfad 509a über
das Netzwerk 1 übertragen
werden, während
die Pakete von Bob auf Pfad 509b übertragen werden, was zu unterschiedlichen Ankunftszeiten
und Ankunfts-Reihenfolge-Charakteristiken
führen
kann.
| 401 | Festlegen
eines Medien-Datenstrom-Musters |
| 402 | Digitalisieren,
Codieren und Paketieren des Medien-Datenstrom-Musters |
| 403 | Aufbau
eines Paket-Datenstrom-Musters (= PSP) |
| 404 | Einspeisen
des Paket-Datenstrom-Musters |
| 405 | Empfangen
des verschlechterten PSP |
| 406 | Messen
des verschlechterten PSP |
| 407 | Aufzeichnen
der Charakteristiken des verschlechterten PSP und Vergleichen mit
entsprechenden Charakteristiken des ursprünglichen PSP |
| 408 | Wiederhole
n mal |
| 409 | Berechnen
von Statistiken der Signal-Verschlechterung |
| 410 | Anwenden
der Statistiken auf die Echtzeit-Anwendung |
| 411 | Decodieren,
Digitalisieren des Echtzeit-Anwendungs-Signals |
| 412 | Rekonstruktion
eines Medien-Datenstrom-Musters, wie vom Benutzer wahrgenommen |
| 413 | Bewerten
der Qualitätsverschlechterung,
z. B. durch PESQ |