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Messtechnik für konvergente Netze aus Voice, Video und Daten

Fehlersuche und Analyse in VoIP-Netzen

9. Juni 2010, 16:56 Uhr | Ralf Ladner

Fortsetzung des Artikels von Teil 6

Paketverluste

Paketverluste kommen in jedem Netzwerk vor und stellen die Norm dar. Die Paketverlustrate gibt den prozentualen Anteil an verloren gegangenen Datenpaketen auf einer Übertragungsstrecke wieder. Die Paketverluste sind in der Regel auf Verstopfungen im Netz (hoher Füllgrad der Warteschlangen in Routern/L3 Switches) zurückzuführen. Zur Vermeidung von Paketverlusten sind Priorisierungsmechanismen im Netz zu implementieren. Paketverlustraten bis zu 5 Prozent sind bei äquidistanten Paketverlusten und nicht komprimierenden Codecs kaum störend wahrzunehmen. Übersteigen die Verluste 5 - 10 Prozent der übermittelten Pakete, verschlechtert sich die Sprachqualität signifikant.

Die heute genutzten Netzwerkprotokolle kompensieren in der Regel auftretende Paketverluste. Beim TCP-Protokoll wird beispielsweise ein verloren gegangenes Paket nach einer gewissen Verzögerung erneut übertragen. In den VoIP-Mechanismen und den darunter liegenden RTP/UDP-Protokollen sind Sendewiederholungen nicht vorgesehen.

Die Paketverluste müssen somit bei VoIP (in gewissen Maß) auf andere Art und Weise kompensiert werden.

Voice over IP-Anwendungen nutzen die so genannte Packet Loss Concealment (PLC) Technik zur Unterdrückung der Auswirkung von Paketverlusten. Kurzfristige Aussetzer im digitalen Datenstrom werden dadurch überbrückt. Die Aufgabe der PLC-Technik im Empfänger besteht darin, eine möglichst gute Schätzung des fehlenden Signalabschnitts zu generieren und somit die hörbare Störung möglichst gering zu halten. Die dabei erzielbare Qualität hängt von mehreren Faktoren ab, insbesondere von der Länge des verlorenen Segments, der Stationarität des Sprachsignals zum Zeitpunkt des Verlustes, sowie der Menge verfügbarer Information von den umliegenden Sprachrahmen. Die Ersetzung verlorener Sprachrahmen wird im Falle stark komprimierender Sprachcodecs noch dadurch erschwert, dass es aufgrund der Abhängigkeiten zwischen aufeinander folgenden Rahmen zu Fehlerfortpflanzung über die verlorenen Rahmen hinaus kommt.

Das einfachste PLC-Verfahren ersetzt die verlorenen Daten durch Stille. Aufwändigere Verfahren halten den letzten übertragenen Ton oder versuchen den Ton zu interpolieren.

Ältere Systeme nutzen die so genannte Waveform Substitution, wodurch die verloren gegangenen Signale durch künstlich erzeugte Ersatzsignale aufgefüllt werden. Dieses Verfahren führt bei hohen Paketverlusten jedoch oft zu einer unnatürlichen Roboterstimme.

Neuere Algorithmen interpolieren die entstandenen Signallücken und erzielen eine bessere Klangqualität. Diese geht jedoch auf Kosten der hierfür notwendigen Rechenkapazitäten. Im Allgemeinen können Aussetzer mit einer Länge von bis zu 30 ms bzw. mit einer Verlustrate von bis zu 20 Prozent überbrückt werden, ohne dass dies der Empfänger wahrnimmt.

Mit Hilfe eines VoIP-Analysators wird die Anzahl der verlorenen gegangener Pakete angezeigt und diese in Echtzeit visualisiert. Durch eine genaue Ursachenforschung können auf Basis der aufgezeichneten VoIP-Pakete die notwendigen Maßnahmen eingeleitet werden, um die Paketverluste im Netzwerk zu reduzieren.

Der VoIP Analysator TraceView 3Q der Firma Nextragen GmbH wertet die aufgetretenen Paketverluste aus. Dabei werden die aufgetretenen Paketverluste grafisch hervorgehoben. Man erkennt dadurch auf einen Blick, in welchen VoIP-Verbindungen Pakete verloren gegangen sind. Auch wird die Verteilung der Paketverluste analysiert, denn zusammenhängende Paketverluste haben einen hohen Einfluss auf die Sprachqualität.