Titelblatt Ermittlung, Bewertung und Messung von Kenngrößen zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit eines Mobilfunknetzes in Bezug auf Voice over IP Diplomarbeit von Marcus C. Gottwald Freie Universität Berlin, Institut für Informatik, Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller in Zusammenarbeit mit: Qosmotec Software Solutions GmbH, Aachen Juli 2006

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

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“?

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

Typisches IP-Paket IPv4 UDP RTP AMR 12.2 (= GSM EFR)

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

Die Übertragungsstrecke 2/2 Übertragung der Paket-Information (ID-Nummer und Zeitstempel) von Sender und Empfänger an Zentrale: Datenmenge beachten!

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

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 Zustellung defekter Pakete (eigentlich Frames) Schwankung (jitter) der Laufzeit

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)

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

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, ...

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:

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. :-)

Kenngröße –> Qualität: Verlustrate Unerwartet starker Einbruch:

Kenngröße –> Qualität: Laufzeitschw. Wie erwartet, aber erneut starker Sprung:

Kenngröße –> Qualität: größte Lücke Bei Puffergröße... ... über 70ms: ... bis 70ms:

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!)

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

Dank an... Qosmotec: Axel Voigt Jürgen Nickelsen (Condat, Netzwert, Strato) Waltraud Lucht (Heinlein-Support) http://www.inf.fu-berlin.de/~gottwald/uni/dipl/

„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...?