Netzwerklösungen
Datenübertragung mit Telefon-Modems im Internet
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Probleme bei einer Telefonverbindung im Internet
Die folgenden Fälle sind spezifische Verhalten bei der Paketvermittlung wie im Internet, die für Telefonverbindungen kritisch werden können. Hier werden auch die möglichen Auswirkungen auf eine darin enthaltene Modemübertragung betrachtet. Die Beschreibung von Maßnahmen zur Vermeidung dieser Störungen, kann aber nur sehr allgemein gehalten werden. Spezielle kritische Aspekte werden später noch genauer betrachtet.
Paket-Blockierung als Ursache für Paket-Jitter
Der Paket-Jitter, welcher beim Empfangen von Paketen mit PCM-Abtastwerten Unregelmäßigkeiten in der Periode ist, wird am häufigsten durch eine kurzzeitige Blockierung beim Senden dieser Pakete verursacht. Dies passiert, wenn im Augenblick der Bereitstellung zum Senden auf dieser Leitung gerade noch die Übertragung eines anderen Paketes läuft, das einen früheren Sendestart hatte. Damit verzögert sich noch die Übermittlung, bis das andere Paket vollständig übertragen wurde. Dies ist algemeingültig und kann normalerweise nicht mit einer Methode zur Priorisierung (zum Beispiel QoS-Markierung) übergangen werden. Eine solche Methode sorgt nur dafür, dass ein priosiertes Paket danach vorrangig als nächstes gesendet wird, auch wenn noch andere Pakete vorher zum Senden dran wären, was den Paket-Jitter nur klein hält. Diese zusätzlichen Verzögerungen beim Pakettransfer sind meistens nur geringfügig und generell nie erheblich. Nur bei einem sehr langsamen Breitband-Kundenanschluss in Richtung Netz kann das im ungünstigen Fall bis zu zwei Perioden betragen (bei 384 kBit/s braucht die Übertragung eines langen IP-Paketes bis zu 35ms). Darauf müssten jedoch alle Jitter-Puffer vorbereitet sein, sodass die Paketblockierung generell kein Problem darstellen sollte. Aber diese erforderliche Jitter-Puffer-Verzögerung lässt sich nie genau bestimmen, sodass meist noch ein Sicherheitszuschlag hinzugefügt wird, mehr oder weniger groß je nach Ermessen des Geräteherstellers. Damit kann sich jedoch die gesamte Signalverzögerung soweit erhöhen, dass dann folgendes andere Problem hervorgerufen werden kann.
Störungen durch eine hohe Signalverzögerung
Einige notwendige Funktionen im Modem und bei den Verfahren zur Datenübertragung benötigen Rückmeldungen von der Gegenseite, die mit Timern überwacht werden. Diese Timer wurden ursprünglich für Verbindungen im leitungsvermittelten Telefonnetz mit einer recht kleinen Signallaufzeit dimensioniert. Bei Verbindungen über Paketdatennetze wie das Internet ist diese Signallaufzeit jedoch um ein Vielfaches länger, welches eventuell zu lang für einen dieser Timer werden kann, sodass die damit verbundene Funktion empfindlich gestört wird. In der Konsequenz führt dies bisweilen zum Abbruch der Verbindung. Dies ist leider eine systematische Störung, die sich nur schwer beheben lässt. Die korrekte Behebung wäre eine Anpassung des betroffenen Timers. Doch oft ist nicht klar, welcher Timer eine solche Störung verursacht und für manche ist auch eine andere Einstellung im verwendeten Gerät gar nicht vorgesehen. Alternativ kann man versuchen, die Signallaufzeit zu verringern, denn ein wesentlicher Anteil darin ist die Verweildauer im Jitter-Puffer. Die anderen Anteile, die Zeit zum Sammeln der PCM-Abtastwerte in einem Paket und die Transferzeit durch das Paketdatennetz, sind faktisch vorgegeben und vom Nutzer nicht veränderbar. Aber meist ist auch die Größe des Jitter-Puffers nicht gezielt veränderbar, sodass dabei nur die Verwendung eines anderen Typs von Signalwandler oder auch Telefonmodem Abhilfe bringen kann.
Eine zu hohe Signalverzögerung kann auch noch eine andere Auswirkung haben, die aber bisher nie genau analysiert werden konnte. Was oft nur beobachtet wurde ist, dass bei modernen Modems mit Übertragungsverfahren für höhere Geschwindigkeiten (zum Beispiel V.34), bei Verbindungen über ein Paketdatennetz diese oft automatisch auf ein Verfahren mit einer deutlich niedrigeren umschalten. Es wird vermutet, dass dies von der im Modem enthaltenen Echo-Eliminierung verursacht wird. Diese muss für eine korrekte Funktion das gesendete Signal ausreichend lang speichern, was vermutlich bei einer hohen Geschwindigkeit und langer Signalverzögerung nicht mehr ausreichend sein könnte. Diese systematische Störung kann am Besten mit einem neuen Gerätetyp auf einer Seite der Verbindung, der noch näher vorgestellt wird, vermieden werden.
Störungen durch eine fehlende Synchronisierung der Schritttakte für die Signalwandlung
Damit eine digitale Signalübertragung mit PCM korrekt funktionieren kann, müssen die Schritttakte für Digitalisierung und Rückwandlung möglichst synchron sein. Im TDM ist dies kein Problem, denn auch diese Multiplex-Technologie benötigt für eine korrekte Funktion eine andauernde Taktsynchronisierung, welche für alle Netzknoten von hochgenauen, zentralen Taktquellen erfolgt. Am digitalen Kundenanschluss wird dieser Netzttakt mit dem Übertragungsverfahren der Anschlusstechnik bereitgestellt. Bei einem reinen analogen Telefonanschluss ist der Signalwandler in einem Netzknoten, der auch im Paketdatennetz mit einem zentralen Netztakt arbeitet.
Doch die Paketvermittlung arbeitet selbst asynchron, sodass die Übertragungsverfahren der digitalen Breitband-Kundenanschlüsse ohne eine andauernde Taktsynchronisierung auskommen. Da hier die Signalwandlung immer nur im Kunden-Router erfolgt, kann der Schritttakt nur noch von einer mehr oder weniger genauen Router-internen Taktquelle kommen. Doch durch eine erheblich größere Ungenauigkeit als beim Netztakt kann es häufiger vorkommen, dass bei länger andauernden Verbindungen der Taktschlupf schnell größer als ein Paket wird. Damit wird einer der beiden Jitter-Puffer immer voller, während der andere langsam leer läuft ,bis dieser nicht mehr ausreichend funktionieren kann. Meist wird zur Abhilfe der Jitter-Puffer dynamisiert, was einer sporadischen Korrektur des Füllstands gleichkommt, indem bei der Signalwandlung ein Paket ausgelassen oder verdoppelt wird. Dies ist bei übertragener Sprache kaum hörbar. Doch dieser dynamische Jitter-Puffer zerstört sporadisch die Kontinuität des Signals und verursacht damit bei der Modemübertragung Datenverfälschungen. Daher kann diese Methode für Modemverbindungen nicht eingesetzt werden, sodass auch dem Signalwandler bekannt sein muss, ob eine Telefonverbindung für Sprache oder technische Töne benutzt wird.
Für den statischen Jitter-Puffer, der bei der Modemübertragung zu verwenden ist, wird dann die Taktsynchronisierung der Signalwandler essentiell. Dabei ist nicht die Genauigkeit einer Taktquelle relevant, sondern die relative Abweichung zur jeweiligen Gegenstelle einer Verbindung, bei der sich die Abweichungen immer addieren. Deshalb bringt eine Taktquelle mit hoher Genauigkeit nur auf einer Seite der Verbindung keine Verbesserung. Eine wesentlich bessere Alternative ist ein adaptiver Signalwandler-Schritttakt, der aus dem Füllstand des Jitter-Puffer abgeleitet wird. Geräte mit dieser Funktion sind aber selten und werden von den Netzbetreibern meist nicht angeboten.
Störungen der Modemübertragung, die durch Paketverlust verursacht werden
Die Ursache für den Verlust von Paketen beim Transfer durch Paketdatennetze sind vielfältig. Dies können nicht nur Bitfehler bei der Übertragung von Paketen sein, sondern auch spezielle Prozesse in den Netzknoten zum Schutz des Netzes. Durch Prioisierungsverfahren können diese Prozesse zwar beeinflusst werden, aber nicht immer Paketverluste verhindern. Bei den Paketen mit PCM-Abtastwerten wird üblicherweise kein Verfahren zur Wiederherstellung verwendet, da dies eine Echtzeit-Anwendung ist, für die ein solches Verfahren erheblichen Zusatzaufwand bedeuten würde.
Schon beim Verlust eines einzelnen Paketes kann eine Lücke im Signal von 20 ms entstehen, welches bei der oft verwendeten Frequenz von 2,1 kHz den Ausfall von 42 Sinus-Perioden bedeutet. Damit dabei möglichst keine Signallücke entsteht, haben manche Signalwandler für diesen Fall eine Spezialfunktion zur Überbrückung eines Paketverlustes (engl.: Packet Loss Concealment, PLC). Trotzdem kann damit die Lücke im Signal nur notdürftig ausgefüllt werden, sodass trotzdem immer eine merkliche Datenverfälschung entsteht. Andernfalls wird durch die Lücke im Signal bei der bisher betrachteten Methode noch das Übertragungsverfahren selbst empfindlich gestört, welches eine erhebliche Unterbrechung oder sogar den Abbruch der Verbindung zur Folge haben kann.
Doch es können Paketverluste auch noch gehäuft auftreten, welches dann sogar die Verständlichkeit von übertragener Sprache massiv beeinträchtigen kann, sodass eine Modemübertragung fast immer abricht. Um dies zu verhindern, ist eine meist aufwendige Suche nach der Ursache erforderlich, die immer auf dem Verbindungsweg im Netz liegt. Dies kann möglicherweise ein Netzabschnitt sein, auf dem gelegentlich eine Überlast auftritt, aber dort die Paket-Priorisierung nicht funktioniert oder nicht existiert. Es kann aber auch ein unpassendes DSL-Anschluss-Profil sein, bei dem eine zu hohe Leitungsdämpfung eine sehr schlechte Bitfehlerrrate verursacht, wodurch es zu vielen Paketverlusten kommt. Dieses Problem lässt sich durch die Verwendung einer anderen Methode zur Datenübertragung kaum verbessern, denn Paketverluste beeinträchtigen mehr oder weniger alle Verfahren. Darum sollte eine sorgfältige Gestaltung der Netze, sodass gehäufte Paketverluste möglichst nicht auftreten können, immer ein Grundprinzip sein.
- Datenübertragung mit Telefon-Modems im Internet
- Die nächste Telefonnetz-Generation im Internet
- Probleme bei einer Telefonverbindung im Internet
- Die Standardisierung für Modems am Internet
- Auf die richtigen Geräte kommt es an
Lesen Sie mehr zum Thema
