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TitelblattErmittlung, Bewertung und Messungvon Kenngrößen zur Bestimmung der

Leistungsfähigkeit eines Mobilfunknetzesin Bezug auf Voice over IP

Diplomarbeit vonMarcus C. Gottwald

Freie Universität Berlin, Institut für Informatik,Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller

in Zusammenarbeit mit:Qosmotec Software Solutions GmbH, Aachen

Juli 2006

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Ziel der Arbeit

Titel-Idee: “Key performance indicators for Voice over IP in mobile networks”

Zu testen/messen war: „Qualität“/„Performance“ einer Nutzung von Voice over IP über ein Mobilfunknetz

Aufgabe: zuverlässige Grundlagen schaffen: Informationen zusammentragen Zusammenhänge verstehen (auch Kunden!) mögliche Vorgehensweisen testen Prototyp erstellen

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Warum das Ganze?

Integration in bestehendes System: Qosmotecs „Lab Test System“ (LTS), Ende-zu-Ende-Tests von Mobilfunknetz-Infrastruktur-Komponenten

Qosmotecs Kunden (= Hersteller und Käufer) fragen nach VoIP. Weshalb: Mobilfunknetz-Betreiber wollen/können/müssen

VoIP künftig nutzen (UMTS Release5: IMS, SIP, SDP, RTP (, IPv6))

“Push-to-Talk over Cellular” (SIP+RTP, aber halt halb-duplex)

Anwender nutzen VoIP bereits mobil: Verhinderung?

Tarifierung nach „Qualität“?

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VoIP-Technik

Vermittlung: SIP (IETF), H.323 (ITU) Sitzungseigenschaften: SDP, H.245

Sprachdatentransport: RTP (mit RTCP) Codecs: GSM, AMR, G.711a/µ, G.726, G.729a;

Unterstützung/Auswahl im Endgerät!

Zwar „Telefonie“, aber nicht „Voice“: Fax (nicht mehr analog) DTMF (x Lösungsansätze)

Sicherheit (verschlüsseln: geht, Rest: ...; H.235.x)

QoS (IP, GPRS: PDP Context)

Skype

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Typisches IP-Paket

IPv4

UDP

RTP

AMR 12.2(= GSM EFR)

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Die Übertragungsstrecke 1/2

Eigenschaften: Datenrate (data rate) Verzögerung/Laufzeit (delay/latency) Verlustrate (loss rate)

Anforderung: Messung ohne zusätzlichen Traffic

Konzept: auf beiden Seiten die IP-Pakete mitlesen und (kontinuierlich) die Paketströme vergleichen Identifikationsmerkmal: Identifikationsnummer

im IPv4-Header Uhrzeit: „gleich genug“ (NTP: im Labor <1ms),

v.a. aber gleich schnell

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Die Übertragungsstrecke 2/2

Übertragung der Paket-Information (ID-Nummer und Zeitstempel) von Sender und Empfänger an Zentrale: Datenmenge beachten!

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Weitere Vorgehensweise

Potentielle Kenngrößen ermitteln („Welche messbaren Größen könnten einen Schluss auf die Qualität einer Sprachübertragung zulassen?“)

Sprachübertragung automatisieren

Übertragungsstrecke emulieren

Qualität messen

Versuch der Verknüpfung von Werten der Kenngrößen mit der ermittelten Qualität

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Die Kenngrößen 1/2

Eigenschaften der Übertragungsstrecke: Datenrate: groß genug, weil angefordert Verzögerung:

wenn gleichbleibend: simplex: „egal“;duplex: <150ms, <400ms

Verlustrate

Potentiell relevante Merkmale der Übertragung: Laufzeit der Pakete Verlustrate Zustellung defekter Pakete (eigentlich Frames) Schwankung (jitter) der Laufzeit

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Die Kenngrößen 2/2

weitere messbare, potentiell relevante Merkmale (mobilfunktypisch): Leerlaufzeit vor Abbau von Ressourcen

(Energie sparen) größte Lücke zwischen Paketen in korrekter

Reihenfolge (Handover)

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Sprachübertragung automatisieren

automatisierte Übertragung von Sprache (vorhandene Samples)

Codec: AMR unterstützt? austauschbar?

Lösung: „GStreamer“-Framework (& Lib): WAV-Datei –> AMR-Encoder –> RTP –>

AMR-Decoder –> WAV-Datei

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Übertragungsstrecke emulieren

Emulieren der Netzwerkstrecke, weil: Tests mit echter Hardware (Basisstationen etc.)

im Labor sind teuer, aufwändig zu steuern. Tests im Feld sind noch teurer, praktisch nicht

steuerbar, und: die existierende Paketdaten-Infrastruktur unterstützt kein QoS!

Zusammenhang zwischen Eigenschaften der Strecke und Qualität zu ermitteln: Tausende von (wiederholbaren) Messläufen!

Lösung: „netem“: Linux 2.6 Kernelmodul, iproute2 einstellbare Verzögerung, Schwankung der

Verzögerung, Verlustrate, Defektrate, ...

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Sprachqualität bewerten

Qualität einer Sprachausgabe: “Mean Opinion Score” (MOS) (ITU-T P.800),

Werte von 1 bis 5 “Perceptual Evaluation of Speech Quality”

(PESQ) (ITU-T P.862), Werte von -0,5 bis 4,5: vergleicht zwischen Eingabe und Ausgabe aber: akzeptiert zeitliche Verschiebung!

Codec-Werte: Codec MOS PESQ-Score

AMR (UMTS) 3,4 bis 4,0 3,4 bis 3,9

GSM 06.10 (GSM) 3,5 3,5

G.711 (ISDN) 4,1 3,9

G.726 (DECT/VoIP) 4,2 4,0

G.729a (VoIP) 3,7 3,6

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Kenngröße – Qualität: Laufzeit

Codec: AMR 12.2 (max. PESQ-Score: ~4,0)

Alle Werte zur Paketübertragung aus dem beobachteten Paketdatenstrom gewonnen.

Aufbau scheint zu funktionieren. :-)

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Kenngröße – Qualität: Verlustrate

Unerwartet starker Einbruch:

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Kenngröße –Qualität: Laufzeitschw.

Wie erwartet, aber erneut starker Sprung:

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Kenngröße –Qualität: größte Lücke

Bei Puffergröße...

... über 70ms:

... bis 70ms:

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Kenngröße –Qualität: Fazit

Laufzeit: kein Zusammenhang (wie erwartet)

Verlustrate: klar erkennbarer Zusammenhang, unerwartet starker Einbruch

Laufzeitschwankungen: erkennbarer Zusammenhang, durch Puffer gut ausgleichbar, unerwarteter Sprung

Größte Lücke: kein Zusammenhang erkennbar (schade...)

Weitere Ideen: Anteil an Paketen innerhalb Zeitspanne x? Paketabstand? (nur Empfängerseite!)

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Einbau in Qosmotecs LTS

Zu bedenken gewesen: korrekte Synchronisation duplex-Fähigkeit

Herausforderungen: (gewollter) Abbruch auf Empfängerseite Dreiteilung des Paketmonitors: Beobachtung

beim Sender und Empfänger, Analyse aber an zentraler Stelle

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http://www.inf.fu-berlin.de/~gottwald/uni/dipl/

Dank an...

Qosmotec: Axel Voigt

Jürgen Nickelsen (Condat, Netzwert, Strato)

Waltraud Lucht (Heinlein-Support)

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„Next Generation Internet“ SS03, Folie 132:„Auch Optimisten geben Sprache-über-Internet keine große Chance als Alternative zum Telefonnetz“

„Heise Newsticker“ Oktober 2005: „[Das Marktforschungsunternehmen] Forrester rechnet damit, dass VoIP bis 2010 einen Anteil von etwa 30 Prozent im Bereich der privaten Festnetz-telefonie erobern wird.“

Und in Zukunft VoIP-over-Satellite...?