VOIP-TERMINALS UND SPRACHQUALITÄT - BERICHTE AUS DER FACHARBEIT UNTERSUCHUNGEN ZUM VERHALTEN BEI PAKETVERLUST STUDIENLEITER: PROF. DR. GERD SIEGMUND
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Berichte aus der Facharbeit
VoIP-Terminals und
Sprachqualität
Untersuchungen zum Verhalten bei Paketverlust
Studienleiter: Prof. Dr. Gerd Siegmund
Impressum Titel: Berichte aus der Facharbeit VoIP-Terminals und Sprachqualität – Untersuchungen zum Verhalten bei Paketverlust Studienleiter und Autor: Prof. Dr. Gerd Siegmund Redaktion: Martin Bürstenbinder (verantwortlich), Mathias Hein (Fachredaktion), Andrea Siebel (Redaktionsassistenz) Gestaltung: Uwe Klenner, www.layout-und-gestaltung.de Lektorat: Stephanie Esser, www.textschliff.de Bildnachweise: VAF, G. Siegmund, Nextragen Herausgeber: VAF Bundesverband Telekommunikation e.V. Otto-Hahn-Straße 16 40721 Hilden www.vaf-ev.de 1. Vorsitzender Hans A. Becker, Mainz Vereinsregisternummer: 30491, Düsseldorf Copyright: VAF 2014 Alle Rechte, auch das der auszugsweisen und das der elektronischen Vervielfältigung, liegen beim VAF Bundesverband Telekommunikation e.V.
VoIP-Terminals und Sprachqualität – Untersuchungen zum Verhalten bei Paketverlust 3
Inhalt
1 Motivation und Projektübersicht ����������������������������������������������������� 4
2 VoIP-Sprachqualität ��������������������������������������������������������������������������� 5
2.1 VoIP-Übertragungsnetze ���������������������������������������������������������������� 5
2.2 VoIP-Terminals �������������������������������������������������������������������������������� 6
2.2.1 Fehlerverschleierung ������������������������������������������������������������� 6
2.2.2 Mehrfachsenden der Pakete �������������������������������������������������� 6
2.2.3 Jitterbuffer ���������������������������������������������������������������������������� 7
2.2.4 Codec ������������������������������������������������������������������������������������� 7
2.2.5 Länge der RTP-Pakete ����������������������������������������������������������� 8
3 Grundschema des Testaufbaus �������������������������������������������������������� 9
4 Typische Effekte durch VoIP-Terminals
bei Paketverlust ���������������������������������������������������������������������������������� 9
5 Untersuchungen an Tischtelefonen ���������������������������������������������� 11
5.1 Testaufbau ������������������������������������������������������������������������������������ 11
5.2 Zusammenfassung der Messungen ���������������������������������������������� 11
6 Untersuchungen an WLAN-Clients ������������������������������������������������ 13
6.1 Testaufbau ������������������������������������������������������������������������������������ 13
6.2 Zusammenfassung der Messungen ���������������������������������������������� 13
7 Schlussfolgerungen ������������������������������������������������������������������������� 15
7.1 Welche Erkenntnisse erlauben die bisherigen Tests? ������������������ 15
7.2 Randbedingungen und Grenzen der bisherigen Tests ����������������� 15
7.3 Praktische Schlussfolgerungen ���������������������������������������������������� 15
8 Entwicklung eines kompakten Testgeräts ���������������������������������� 16
9 Anhang ����������������������������������������������������������������������������������������������� 18
9.1 Messergebnisse zu den Tischtelefonen ���������������������������������������� 18
9.1.1 Telefon A ������������������������������������������������������������������������������ 18
9.1.2 Telefon B ������������������������������������������������������������������������������ 18
9.1.3 Telefon C ������������������������������������������������������������������������������ 18
9.1.4 Telefon D ������������������������������������������������������������������������������ 19
9.1.5 Telefon E ������������������������������������������������������������������������������ 19
9.1.6 Telefon F ������������������������������������������������������������������������������ 19
9.1.7 Telefon G ������������������������������������������������������������������������������ 20
9.1.8 Telefon H ������������������������������������������������������������������������������ 20
9.2 Die Messergebnisse zu den WLAN-Clients ������������������������������������ 21
9.2.1 Client 1a ������������������������������������������������������������������������������ 21
9.2.2 Client 1b ������������������������������������������������������������������������������ 22
9.2.3 Client 2 �������������������������������������������������������������������������������� 23
9.2.4 Client 3 �������������������������������������������������������������������������������� 24
10 Literatur ��������������������������������������������������������������������������������������������� 25
4 VoIP-Terminals und Sprachqualität – Untersuchungen zum Verhalten bei Paketverlust
1 Motivation und Projektübersicht
Die Fachdiskussion zur Sicherung von Sprachqualität im Voice-over-IP-(VoIP)-Umfeld
wird von der Betrachtung der Übertragungsnetze dominiert. Zweifelsohne ist es er-
forderlich, besonderes Augenmerk auf die Einhaltung von Mindestanforderungen für
Dimensionierung, Design und Betrieb von IP-Netzen zu legen, wenn Echtzeitanwen-
dungen wie Telefonie zum Einsatz kommen.
Jedoch stellt sich auch die Frage, welchen Einfluss die angeschlossenen Endpunk-
te bzw. VoIP-Terminals selbst auf die resultierende Sprachqualität haben. Die prakti-
sche Relevanz der Frage wurde durch exemplarische Untersuchungen von Professor
Dr. Gerd Siegmund mit unterschiedlichen VoIP-Tischtelefonen im Jahr 2012 unterstri-
chen. Die Labormessungen legten nahe, dass von starken Unterschieden zwischen
im Markt befindlichen Geräten auszugehen ist. Während manche Geräte auch bei
höheren Paketverlustraten noch als sehr gut wahrgenommene Sprachqualität liefer-
ten, so stellte sich dies bei anderen Geräten auf verschiedene Art deutlich schlechter
dar. Die damit verbundenen typischen Effekte werden hier dargestellt und erläutert.
Im Sommer 2013 wurde vom VAF eine zweite Untersuchung beauftragt, die von
Prof. Dr. Gerd Siegmund als Studienleiter übernommen wurde. Das Ziel der Untersu-
chungsreihe bestand darin, das Verhalten verschiedener WLAN-VoIP-Clients bezüglich
Paketverlust, Delay und Jitter zu untersuchen. Ein weiteres Ziel bestand darin, die
ersten Erkenntnisse der zuvor an den Tischtelefonen erfolgten Laboruntersuchungen
auf eine breitere Basis zu stellen. Die Finanzierung der Untersuchung erfolgte aus-
schließlich aus Mitteln des VAF. Vor-Ort-Unterstützung erbrachten die VAF-Mitglieder
COMNET Communikationssysteme & Netzservice GmbH (Isernhagen), SEC-COM
Sicherheits- und Kommunikationstechnik GmbH (Recklinghausen) und Telenetwork
AG (Trier) durch Bereitstellung der notwendigen VoIP-Clients, der zugehörigen TK-An-
lagen und durch technischen Support. Die Messungen wurden von Alexander Technau
und Maximilian Weiland, beide Studenten der Hochschule Hannover, durchgeführt.
Die Auswertung der Testreihen erfolgte durch Prof. Dr. Gerd Siegmund.
Technische Grundlagen und Einflussfaktoren werden in dieser Veröffentlichung
lediglich als kurze, einführende Verständnishinweise vorangestellt. Hinzu kommt: Die
hier behandelten Fragen der Terminaleigenschaften lassen sich für den konkreten
Anwendungsfall nicht abschließend aus dem Grundlagenwissen und anschließender
Lektüre technischer Datenblätter herleiten. Der interessierte Anwender bzw. Fachbe-
rater ist für den Erkenntnisgewinn fallweise auf eine Prüfung durch Messung und
Hörprobe angewiesen. Von November 2012 bis März 2013 wurde darum im Fachkreis
Technik des VAF ein Anforderungskatalog für ein feldtaugliches Testsystem entwickelt.
Die Realisierung eines dafür erforderlichen, handlichen Testgeräts erfolgte durch den
Flensburger Analysespezialisten Nextragen, der das Ergebnis mit der Produktbezeich-
nung PacketRaptor vertreibt.
Hilden, im Juli 2014
VAF Bundesverband Telekommunikation e.V.
Hans A. Becker Martin Bürstenbinder
1. Vorsitzender Geschäftsführer
VoIP-Terminals und Sprachqualität – Untersuchungen zum Verhalten bei Paketverlust 5 2 VoIP-Sprachqualität Welche Sprachqualität in einem VoIP-Gespräch für den einzelnen Teilnehmer realisiert wird, hängt sowohl von den technischen Eigenschaften der an einer Sitzung beteilig- ten Übertragungsnetze ab als auch von denen der angeschlossenen VoIP-Terminals. Es gibt verschiedene mehr oder weniger aufwendige Techniken, mit denen man in IP-basierten Netzen die Echtzeitkommunikation unterstützen kann. Am selben Netz mit den selben Bedingungen verhalten sich die verschiedenen Terminals sehr unter- schiedlich. Dies bedeutet, dass zwei Benutzer am selben Netz die Verbindungseigen- schaften mit unterschiedlichen Terminals völlig anders einordnen können. Was für den einen eine sehr gute Verbindung ist, stellt sich für den anderen Benutzer als eine Zumutung dar. Für den zweiten sind Verbindungen mit häufigen Unterbrechungen und einer nur schwer verständlichen Kommunikation gekennzeichnet, während der erste Benutzer davon nichts bemerkt. Probleme mit der Verständigung werden häu- fig pauschal auf das Übertragungsnetz geschoben, dies ist aber nach den vorliegen- den Untersuchungen nicht immer zutreffend. 2.1 VoIP-Übertragungsnetze Die Übermittlung von Sprache über das Internetprotokoll (VoIP) gehört zu den Echt- Jitter zeitanwendungen, und die korrekte Übermittlung dieser Datentypen stellt für das Delay Netzwerk im Vergleich zu klassischem Datenverkehr eine erhebliche Herausforderung Packet Loss dar. VoIP reagiert sensibel auf Fehler im Übertragungsnetz, was sich insbesondere durch negative Auswirkungen auf die Sprachqualität äußert. Sprachqualität beschreibt die subjektive Wahrnehmung von Sprachinformationen. Die objektiven Parameter, die die Sprachqualität beeinflussen, sind die Paketlaufzeiten (Delay), die Varianz dieser Laufzeiten (Jitter) und der Paketverlust (Packet Loss) bei der Übertragung. Jedes VoIP-Paket muss in Konkurrenz zu anderen IP-Paketen transportiert werden. An vielen Stellen sind Wartespeicher vorhanden, deren Füllstand von der augenblick- lichen Netzbelastung abhängt. Dies bedeutet, dass die Paketdurchlaufzeit von Paket zu Paket schwankt. Ist ein Paket zu lange unterwegs, erreicht es den Empfänger für die Echtzeitanwendung zu spät und geht verloren, daneben können Pakete durch Bitfehler oder vollständig gefüllte Wartespeicher verloren gehen. In der Praxis gibt es keine vollständig oder dauerhaft fehlerfreie Datenübertragung. Dies ist in den Netzwerken und in den jeweiligen Standards auch nicht vorgesehen. Durch Belastungen im Netz kommt es immer wieder und unter Umständen nur kurz- zeitig zu großen Paketlaufzeiten, hohem Jitter und hohen Paketverlustraten. Auch in guten, leistungsfähigen Zeiten kann sporadisch ein Paketverlust von 3 bis 5 % gemes- sen werden. Die Laufzeiten variieren sehr stark, oftmals wird eine Paketlaufzeit von bis zu 150 ms als eine gute Übertragung eingeordnet. Kurzzeitig können diese Werte deutlich überschritten werden. Der ermittelte Jitter ist ein berechneter Mittelwert, der über die Laufzeitvarianzen mehrerer RTP-Pakete gebildet wird. Zur Kompensation von Paketverlusten stehen auf den höheren Protokollschichten Fehlerkompensati- onsmechanismen (beispielsweise bei TCP die Sendewiederholung) zur Verfügung. Problematisch wird jedoch eine Fehlerkompensation bei Echtzeitanwendungen. Hier besteht für Korrekturen entweder nicht genügend Zeit für ein erneutes Senden oder bei bestimmten Verfahren führt ein Wechsel auf mehrfaches Versenden zu einer Selbst- verstärkung der Netzbelastung. Bei VoIP kommt statt TCP das Protokoll UDP zum
6 VoIP-Terminals und Sprachqualität – Untersuchungen zum Verhalten bei Paketverlust
Einsatz, und wiederholtes Senden von verlorenen Paketen ist im Standard nicht vor-
gesehen. Dies wäre auch nicht sinnvoll, weil die wiederholt gesendeten Pakete einfach
zu spät das Ziel erreichen.
2.2 VoIP-Terminals
Dennoch ist es möglich, auch in diesem Umfeld etwas gegen den Paketverlust zu
unternehmen. In den Terminals können Korrekturmaßnahmen ergriffen werden, die
verspätete oder fehlende IP-Pakete beim Empfänger ausgleichen. Hierzu gibt es ver-
schiedene Verfahren, die versuchen, den Paketverlust im Vorfeld, während oder nach
der Übertragung der Nutzinformationen auszugleichen.
2.2.1 Fehlerverschleierung
Eine häufig verwendete Klasse von Verfahren ist die sogenannte Fehlerverschleierung
(engl. Error Concealment oder Packet Loss Concealment, PLC). Bei diesen Verfahren
wird das fehlende Paket im Terminal auf der Seite des Empfängers durch ein Ersatz-
signal ersetzt. Die Erzeugung eines Ersatzsignals kann auf verschiedene Arten erfolgen:
Zero Insertion. Wenn die Informationen für das Sprachsignal aus dem fehlenden
Paket benötigt werden, legt der Empfänger das Signal auf Masse (do nothing). Diese
Maßnahme macht sich beim Benutzer als eine klar erkennbare Unterbrechung be-
merkbar.
Background Noise Insertion, d. h. Geräuscheinblendung. In diesem Fall wird beim
Empfänger beispielsweise ein Rauschsignal angelegt (do almost nothing). In der
Praxis wirkt das Verfahren viel besser, als es der Begriff vermuten lässt, weil das Gehirn
des Hörers nun aktiv wird und versucht, die fehlenden Informationen zu ersetzen.
Dieses Verfahren wird häufig auch in den Terminals der Mobilfunknetze eingesetzt.
Der Effekt ist deutlich besser als eine klar erkennbare Unterbrechung.
Packet Repetition beim Empfänger. Das fehlende Paket wird durch das letzte,
noch richtig empfangene Paket ersetzt. Optional kann das Signal noch mit einer
Hüllkurve gedämpft, beispielsweise ein- oder ausgeblendet, werden. In manchen
Fällen wird auch noch das bereits empfangene, nachfolgende Paket nach dem feh-
lenden Paket zur Signalermittlung verwendet. Der Empfänger versucht zwischen dem
letzten und dem übernächsten Paket zu interpolieren, das heißt Zwischenwerte zu
bilden. Hierzu muss das Paket nach dem fehlenden Paket frühzeitig bereits empfan-
gen werden oder ein großer Jitterbuffer sorgt beim Empfänger für eine Paketverzö-
gerung. Der Effekt für den Benutzer ist oftmals verblüffend gut.
Ob beziehungsweise welche Verfahren der Fehlerverschleierung zum Einsatz kom-
men, hängt von der herstellerseitigen Ausstattung des jeweiligen VoIP-Terminals ab.
2.2.2 Mehrfachsenden der Pakete
Bei diesem einfachen Verfahren werden die Nutzpakete vom Sender vorsorglich zwei-
mal hintereinander oder noch häufiger gesendet, je nach Einstellung beispielsweise
auch fünfmal. Tritt nun ein Paketverlust auf, folgt direkt das zusätzlich gesendete
Paket und es entsteht kein Paketverlust. Da hier beim Empfänger nichts berechnet
werden muss, arbeitet das Verfahren praktisch ohne Zeitverzug. Durch die Numme-
rierung der RTP-Pakete sind doppelt empfangene Pakete für den Empfänger leicht zuVoIP-Terminals und Sprachqualität – Untersuchungen zum Verhalten bei Paketverlust 7
erkennen und werden verworfen. Bei diesem Verfahren gibt es Varianten, bei denen
der Aktivierung sowie Deaktivierung der Mehrfachsendung die dynamische Erkennung
der Übertragungsqualität vorangeschaltet ist. Durch die Mehrfachsendung sinkt die
Verlustwahrscheinlichkeit beträchtlich, allerdings vervielfacht sich dementsprechend
auch die benötigte Bandbreite. Für das Netz stellt dieses Verfahren, auch in der
dynamischen Variante, eine große Belastung dar. Angewendet wird es beispielsweise
bei dem Fax-over-IP-Standard T.38 oder dem Codec RTAudio, der dieses Verfahren
als »Forward Error Correction« (FEC) bezeichnet.
2.2.3 Jitterbuffer
Lange Paketlaufzeiten und deren Schwankungen können durch einen Zwischenspei-
cher (Buffer) auf der Empfängerseite ausgeglichen werden. Ein großer Jitterbuffer
kann große Laufzeitunterschiede ausgleichen, verzögert aber alle eintreffenden Pa-
kete quasi standardmäßig. In guten Netzen mit geringen Laufzeiten und kleinen
Schwankungen wäre nur eine kleine Zwischenspeicherung notwendig. Wird der Buffer
eher klein ausgelegt, werden die Pakete in guten Netzen nicht so stark ausgebremst.
Treten dann aber doch kurzzeitig längere Laufzeiten und große Schwankungen auf,
ist der Buffer nicht groß genug, um diese aufzufangen. In vielen Terminals wird daher
ein dynamischer, lernender Jitterbuffer verwendet. Im Betrieb beginnt das Terminal
zunächst mit einem relativ kleinen Buffer, beobachtet den Paketverlust und vergrößert
den Buffer dann stufenweise. Dabei wird der Buffer so lange angepasst, wie eine
Verbesserung messbar ist. Können weitere Vergrößerungen den Paketverlust nicht
weiter verbessern, ist die optimale Größe des Buffers in dieser Anwendung gefunden
(Bild 1).
BILD 1:
Lernender Jitterbuffer,
Sinuston
2.2.4 Codec
Die Auswirkung unterschiedlicher Parameterkonstellationen von Paketverlust, Jitter
und Delay auf die Sprachqualität ist auch vom eingesetzten Codec abhängig. Dies
kann durch den Vergleich der Codecs G.729 und G.711 exemplarisch verdeutlicht
werden.
Bei G.729 halten die Störungen beim Empfänger länger an. Das adaptive und band-
breitesparende Verfahren von G.729 verwendet die augenblicklichen Sprachproben,
um einen Vorausschauwert für die nächste Sprachprobe zu ermitteln. Bei Paketverlust
fehlen jedoch die Daten für die Berechnung der Vorausschauwerte, die dann folgend
übertragenen Werte sind nur Korrekturwerte zu den Vorausschauwerten. Damit wer-
den die folgenden Werte beim Empfänger durch die fehlende Basis für die Berechnung
falsch berechnet. Dieser Fehler korrigiert sich mit der Zeit, benötigt dann aber einige8 VoIP-Terminals und Sprachqualität – Untersuchungen zum Verhalten bei Paketverlust
korrekt empfangene RTP-Pakete, um völlig zu verschwinden. In Untersuchungen
konnte das Fehlen eines RTP-Paketes mit 10 ms Sprache eine Störung über einen
Zeitraum von fast 100 ms ausmachen (Bild 2).
BILD 2:
Telefon H, Sinuston mit
Codec G.729
Die gleiche Störung von 10 ms bei Verwendung desselben Telefons (»Telefon H«)
verursacht mit dem Codec G.711 eine Verfälschung des Signals über einen Zeitraum
von nur 10 ms. Der Codec G.711 überträgt immer die Sprachproben ohne einen Bezug
zu den vorherigen Werten. Die Fehler klingen damit viel schneller ab, weil jedes RTP-
Paket die direkt verwendbaren Sprachproben (ohne weitere Berechnung) enthält
(Bild 3).
BILD 3:
Telefon H, Sinuston mit
Codec G.711
Bei allen Messungen wurde zur besseren Vergleichbarkeit der Ergebnisse durch-
gängig der Standard-Codec G.711 gewählt.
2.2.5 Länge der RTP-Pakete
Die digitalisierte Sprache wird in Gruppen von mehreren sogenannten Sprachproben
mit RTP-Paketen transportiert. Bei G.711 sind es 8 bit, die alle 125 µs aus dem Ur-
sprungssignal ermittelt werden. Wie viele Sprachproben mit einem Paket transportiert
werden, ist im Standard nicht festgelegt. Paketgröße und Takt der Versendung sind
wesentliche Einflussfaktoren, da die Ergebnisse der Fehlerverschleierung von der
Länge des Zeitraums abhängen, der zu überbrücken ist.VoIP-Terminals und Sprachqualität – Untersuchungen zum Verhalten bei Paketverlust 9
3 Grundschema des Testaufbaus
Die Probleme bei der Übertragung in IP-basierten Netzen hängen mit der augenblick-
lichen Netzbelastung zusammen. In der Praxis treten sie oft nur sporadisch auf. Nach-
vollziehbare Messungen an realen Systemen sind damit kaum möglich. Um den
Problemen systematisch und reproduzierbar auf den Grund zu gehen, wurde ein
Messaufbau gewählt, bei dem zwischen dem Terminal und dem Kommunikations-
system ein Fehlergenerator geschaltet wird. Mit dem Fehlergenerator können die
wichtigen Parameter für die Paketübertragung frei eingestellt werden. Netzzustände,
die in der Praxis nur selten auftreten, können so nachvollziehbar eingestellt werden
und das Verhalten des VoIP-Terminals beobachtet, gemessen und dokumentiert
werden. Der Messaufbau für die Messungen von VoIP-Tischgeräten und WLAN-Clients
wird in den jeweiligen Abschnitten genauer beschrieben. Das verwendete Gerät zur
Einstellung der Übertragungsparameter wird in einem eigenen Abschnitt beschrieben.
4 Typische Effekte durch VoIP-Terminals
bei Paketverlust
Grundsätzlich gibt es zwei Kategorien von Terminals: diejenigen, die nichts tun (dann
fehlt ein RTP-Paket mit z. B. 20 ms), und diejenigen, die versuchen, das fehlende Paket
zu ersetzen. Im Folgenden werden anhand des Sinustons einige Beispiele zur Veran-
schaulichung typischer Effekte dargestellt.
Bei Terminals, die nichts machen, sind die Lücken durch die fehlenden Pakete
deutlich zu hören. Im Signalverlauf sieht man das fehlende Paket durch eine erkenn-
bare Lücke (Bild 4).
BILD 4:
Die Lücke in der
Audioübertragung ist
klar erkennbar und
auch hörbar.
Bei Terminals, die ein fehlendes RTP-Paket ersetzen, liegt im Signalverlauf keine
klare Unterbrechung wie im ersten Beispiel vor. Die Korrektur im Signalverlauf fällt
im folgenden Beispiel grafisch als gute Näherung an das Ausgangssignal aus. Die10 VoIP-Terminals und Sprachqualität – Untersuchungen zum Verhalten bei Paketverlust
grafisch immer noch erkennbare Abweichung zum Originalton kann in der Hörprobe
nicht wahrnehmbar sein (Bild 5).
BILD 5:
Hier wird ein fehlendes
RTP-Paket unhörbar durch
ein gut nachgebildetes
Signal ersetzt.
In dem folgenden Bild ist das Ersatzsignal allerdings weniger gut gelungen. Im
Signalverlauf sind zusätzliche Oberwellen erkennbar. Für den Benutzer ergeben sich
in diesem Fall vermehrt Zischgeräusche im empfangenen Audiosignal (Bild 6).
BILD 6:
Nachgebildete
Signale mit zusätzlichen
Oberwellen
In der folgenden Signaldarstellung sind sowohl Frequenzänderungen als auch
zusätzliche Peaks auf dem Signal erkennbar. Besonders die veränderte Frequenz des
Ursprungssignals wirkt sich störend in der Kommunikation aus und beeinträchtigt
die Verständlichkeit (Bild 7).
BILD 7:
Frequenzbeeinflussung im
EmpfangssignalVoIP-Terminals und Sprachqualität – Untersuchungen zum Verhalten bei Paketverlust 11
5 Untersuchungen an Tischtelefonen
5.1 Testaufbau
Um zu prüfen, wie ein bestimmter VoIP-Terminal auf Packet Loss, Jitter und Delay
reagiert, wird für die VoIP-Tischgeräte ein Testaufbau nach folgendem Schema ver-
wendet.
Ein VoIP-Tischtelefon wird über eine Ethernetschnittstelle an eine IP-TK-Anlage
angeschlossen und ein Generator wird zugeschaltet, der einen kontinuierlichen Si-
nuston abgibt. Durch ein zwischengeschaltetes Störsystem können die IP-Pakete in
beide Richtungen beeinflusst werden, d. h. Delay, Jitter und Packet Loss werden
vorgegeben. Das mit dem System verbundene Telefon erhält nun in der Echtzeitüber-
tragung nicht alle Pakete (z. B. 0–25 % Paketverlust). Am Telefon wird die Verbindungs-
schnur zu einem Adapter für ein Messsystem geführt. Mit einem Oszilloskop können
die Signale dargestellt werden, die normalerweise zum Hörer des Telefons gelangen.
Neben der grafischen Darstellung kann der Signaloutput auch akustisch aufgezeich-
net und mit dem Sinuston als Referenz durch Hörprobe verglichen werden. Ebenso
können Sprachproben in das Testsystem eingespeist und der Output für den akusti-
schen Vergleich aufgezeichnet werden (Bild 8).
Testaufbau 1 Testaufbau 2 Testaufbau 1
Aufzeichnung
Wiedergabe Wiedergabe Sprache und Sinus
Sprache und Sinus Sinus
Telefon Telefon Adapter
(Kopfhörer/Mikro)
Ethernet Ethernet
Adapter Oszilloskop
TK-Anlage
(Kopfhörer/
Mikro)
Adapter Adapter
Testaufbau 2
Testsystem
Paketverlust
Delay/Jitter
Testaufbau 1:
Konfiguration für Wiedergabe und Aufzeichnung von Sprachproben und Sinussignalen BILD 8:
Testaufbau 2: Darstellung des
Konfiguration für Wiedergabe von Sinussignalen und Darstellung auf dem Oszilloskop
Testaufbau 1 Testaufbau 2 Testsystems
Testaufbau 1
Aufzeichnung
Wiedergabe Wiedergabe Sprache und Sinus
Sprache und Sinus Sinus
Telefon Adapter
(Kopfhörer/Mikro)
Ethernet Ethernet
5.2 Zusammenfassung der Messungen
WLAN Adapter Oszilloskop
TK-Anlage
(Kopfhörer/
Die ersten Tests der Tischtelefone erfolgten ohne Einspielung von Laufzeiten und Jitter
WLAN-Terminal
Mikro)
sowie ohne
Adapter Paketverlust
Adapter und erbrachten bei allen Terminals sehr gute Resultate. oder
Smartphone
mit WLAN Testaufbau 2
Schon bei den ersten kleinen Beeinflussungen mit einer Paketlaufzeit von 150 ms Testsystem
Paketverlust
und einem Jitter von 50 ms, aber ohne Paketverlust, zeigten einige Terminals merk- Delay/Jitter
liche Beeinflussungen. Die ermittelten Störungen reichten von Auslassungen (fehlen-
de Pakete durch zu lange Laufzeiten) bis hin zu mangelhaft implementierten PLC, was
zusätzliche Störgeräusche, Oberwellen oder sehr störende Modulationen der Sprache12 VoIP-Terminals und Sprachqualität – Untersuchungen zum Verhalten bei Paketverlust
verursachte. Die Beobachtung von Störungen ergab sich also schon ohne provozier-
ten Paketverlust und mit Werten für Laufzeiten und Jitter, die in der Standardisierung
als »gute Bedingungen« eingestuft werden.
Mit einem Paketverlust von 5 %, der in der Praxis in jedem LAN jeder Zeit vorkom-
men kann, verschärften sich diese Effekte. Von den Benutzern wurden diese Effekte
als störend in der Kommunikation eingestuft. Ein Paketverlust von 15 % kommt in
der Praxis in lokalen Netzen selten vor, kann aber bei größeren Netzbelastungen
durchaus auftreten. Bei den Terminals, die bereits ohne Paketverlust Probleme hatten,
zeigten sich diese nun verschärft, was von Benutzern als nicht akzeptabel eingeordnet
wurde. Auf der anderen Seite gab es aber auch Telefone, die mit 15 % Paketverlust,
150 ms Delay und 50 ms Jitter ohne Probleme zurechtkamen. In den empfangenen
Signalen waren teilweise die Korrekturen durch das aktive PLC erkennbar, aber nicht
hörbar. Für die Benutzer wurde die Kommunikation als absolut störungsfrei empfun-
den. Bei diesen Terminals konnte sogar ein Paketverlust von 25 % die laufende Kom-
munikation kaum stören. Zwar waren nun leichte Störungen bemerkbar, aber für die
Teilnehmer war immer noch eine Kommunikation mit guter Verständigung möglich.
Ein Paketverlust von 25 % wird von Benutzern der Datenkommunikation, z. B. beim
Surfen im Web, als ein stark verzögertes Netz und als sehr störend empfunden
(Tabelle 1).
VoIP-Tischtelefone Loss: 0 % Loss: 0 % Loss: 5 % Loss: 15 %
(schnurgebunden) Delay: 0 ms Delay: 150 ms Delay: 150 ms Delay: 150 ms
Jitter: 0 ms Jitter: 50 ms Jitter: 50 ms Jitter: 50 ms
Telefon A (RTP: 10 ms) ++ – –– –––
Telefon B (RTP: 10 ms) ++ ++ ++ ++
Telefon C (RTP: 10 ms) ++ ++ ++ ++
Telefon D (RTP: 30 ms) ++ ++ ++ +
Telefon E (RTP: 20 ms) ++ ++ ++ +
Telefon F (RTP: 10 ms) ++ ++ + 0
Telefon G (RTP: 10 ms) ++ –– ––– –––
Telefon H (RTP: 10 ms) ++ – –– –––
TABELLE 1:
Subjektive Bewertung
der Hörproben, dargestellt
in einem
qualitativen SpektrumVoIP-Terminals und Sprachqualität – Untersuchungen zum Verhalten bei Paketverlust 13
6 Untersuchungen an WLAN-Clients
Neben den zuvor betrachteten VoIP-Tischtelefonen existieren VoIP-Clients für WLAN-In-
stallationen. Diese werden als lokale IP-Lösung für die mobile Kommunikation im
Unternehmen eingesetzt. In einer zweiten Untersuchung im Sommer 2013 wurden
mehrere VoIP-Clients für WLAN von verschiedenen Herstellern untersucht. Wie bei
den Tischtelefonen konnten auch hier sehr unterschiedliche Verhaltensweisen fest-
gestellt werden.
6.1 Testaufbau
Das zuvor schon skizzierte Grundschema des Testaufbaus wurde für den Untersu-
Testaufbau 1 Testaufbau 2 Testaufbau 1
chungszweck angepasst und wie nachfolgend beschrieben realisiert. Als Testsignale
wurden sowohl
Wiedergabe Sinussignale
Wiedergabe als auch standardisierte Sprachproben übertragen. Im Aufzeichnung
Sprache und Sinus
Übertragungskanal wurde der Datentransport bezüglich Paketverlust, Laufzeit und
Sprache und Sinus Sinus
Adapter
Jitter durch ein eingeschleiftes Testsystem beeinflusst und die Übertragung mit einem
Telefon Telefon
(Kopfhörer/Mikro)
Ethernet Ethernet
Oszilloskop und einer Audioaufzeichnung dokumentiert. Die Sinussignale liefern
nachvollziehbare Messkurven auf dem Oszilloskop. Dabei besteht die Möglichkeit,
Adapter
dass die Messkurven des Oszilloskops die Paketverluste deutlich erkennen lassen,
Oszilloskop
TK-Anlage
(Kopfhörer/
während diese Fehler bei der Sprachübertragung weniger klar erkennbar werden. Die Mikro)
Sprachproben
Adapter
und die aufgezeichneten Sinustöne wurden zu einer Datei zusammen-
Adapter
gestellt, dann im Testverlauf als Eingangssignal von einem MP3-Player wiedergegeben Testaufbau 2
Testsystem
und elektrisch über einen Adapter eingespeist. Aufgezeichnet wurden die Ausgangs-
Paketverlust
Delay/Jitter
signale mit einem MP3-Player, der über eine elektrische Kopplung mit dem VoIP-Cli-
ent verbunden war (Bild 9).
Testaufbau 1 Testaufbau 2 Testaufbau 1
Aufzeichnung
Wiedergabe Wiedergabe Sprache und Sinus
Sprache und Sinus Sinus
Telefon Adapter
(Kopfhörer/Mikro)
Ethernet Ethernet
WLAN Adapter Oszilloskop
TK-Anlage
(Kopfhörer/
Mikro)
WLAN-Terminal
Adapter Adapter oder
Smartphone
mit WLAN Testaufbau 2
Testsystem
Paketverlust
Delay/Jitter
Testaufbau 1:
Konfiguration für Wiedergabe und Aufzeichnung von Sprachproben und Sinussignalen BILD 9:
Testaufbau 2: Darstellung des
Konfiguration für Wiedergabe von Sinussignalen und Darstellung auf dem Oszilloskop
Testsystems
6.2 Zusammenfassung der Messungen
Bei den Messungen handelt es sich um Stichproben mit Clients verschiedener Her-
steller. Zu den jeweiligen Clients wurden nach einem Messplan die Parameter Delay,
Jitter und Paketverlust feinstufig variiert. So wurden mehrere Hundert Einzelmessun-14 VoIP-Terminals und Sprachqualität – Untersuchungen zum Verhalten bei Paketverlust
gen generiert, deren vollständige Darstellung hier jedoch nicht sinnvoll wäre. An
dieser Stelle wird eine aussagefähige Auswahl dargestellt und erläutert.
Die Messungen wurden an einer kleinen Stichprobe von Endgeräten durchgeführt:
• WLAN-Terminal des Herstellers 1 (Client 1a in der Tabelle)
• Softphone des Herstellers 1 (Client 1b in der Tabelle)
• VoIP-Client des Herstellers 2 auf einem Samsung Smartphone
• VoIP-Client des Herstellers 3 auf einem iPhone
Die Messungen zeigen kein einheitliches Bild. Der Client eines Herstellers, dessen
Tischtelefon in den vorangegangenen Untersuchungen sehr gut abgeschnitten hatte,
wies bei den Messungen seines WLAN-Clients überraschend schlechte Ergebnisse auf
(Tabelle 2).
Client 1 Die beiden VoIP-Clients des Herstellers 1 (WLAN-Telefon, Softphone auf
einem Laptop) haben jeweils sehr gute Ergebnisse geliefert. Die Sprachverständlich-
keit war für beide Terminals bis zu einem Paketverlust von 10 % recht gut. Bei 15 %
Paketverlust machten sich die Übertragungsfehler bemerkbar, aber störten die Sprach-
verständlichkeit nur gering.
Bei Client 2 handelte es sich um eine spezielle Applikation für ein Android-Smart-
phone (Samsung-Handy). Die Sprachverständlichkeit war bereits ohne Paketverlust
beeinträchtigt und nahm mit steigenden Paketverlusten weiter ab.
Bei Client 3 handelte es sich um eine spezielle Applikation für das iPhone. Die
Sprachverständlichkeit war ohne Paktverluste hervorragend. Bei 5 % Paketverlusten
wurde die Sprachverständlichkeit eingeschränkt und bei einer Fehlerrate von 15 %
sehr problematisch.
TABELLE 2: Loss: 0 % Loss: 5 % Loss: 15 %
Subjektive Bewertung Delay: 150 ms Delay: 150 ms Delay: 150 ms
der Hörproben, Jitter: 50 ms Jitter: 50 ms Jitter: 50 ms
dargestellt in einem
Client 1a (RTP: 30 ms):
qualitativen Spektrum ++ ++ 0
spez. WLAN-Handy
Client 1b (RTP: 30 ms):
++ ++ 0
Softphone (Win-PC)
Client 2 (RTP: 20 ms):
– –– –––
Client auf Samsung (Android)
Client 3 (RTP: 30 ms):
++ 0 ––
Client auf iPhoneVoIP-Terminals und Sprachqualität – Untersuchungen zum Verhalten bei Paketverlust 15 7 Schlussfolgerungen 7.1 Welche Erkenntnisse erlauben die bisherigen Tests? Die hier vorgestellten Untersuchungen und deren Ergebnisse erbringen den Nachweis der Variabilität, mit der verschiedene VoIP-Terminals auf Paketverlust, Delay sowie Jitter reagieren, und zeigen die unterschiedlichen beobachteten Ausprägungen. Es gibt standardkonforme Telefone (d. h. diese verhalten sich entsprechend den in den Standards festgeschriebenen Grenzen), die den Benutzer jeden Paketverlust durch entsprechende Übertragungslücken hören lassen. Andere Terminals lassen sich etwas Spezielles einfallen und überdecken so fehlende Pakete. Welche Verfahren bzw. Mechanismen eingesetzt werden, ist dabei keine Frage internationaler Standards, sondern hersteller- bzw. produktspezifischer Ausstattung und Softwareimplemen- tierung. Im günstigen Fall sind dann die fehlenden Pakete für den Benutzer – mehr oder minder – nicht wahrnehmbar. In ungünstigen Fall führen die vorgesehenen Mechanismen zu mangelhaften Effekten: Die Fehlerüberdeckung ist entweder unzu- reichend oder erzeugt ungewollte und störende Effekte. 7.2 Randbedingungen und Grenzen der bisherigen Tests Die Randbedingungen der Testszenarien erlauben keine über die formulierten Ergeb- nisse hinausgehenden Aussagen im Sinne einer »Stiftung Warentest«. Darum wurde auf die Nennung der Produktbezeichnungen sowie Hersteller verzichtet. Die Hörproben der empfangenen Signale wurden einer subjektiven Beurteilung unterzogen. Die hier gezeigte Dokumentation der Messungen mit Sinustönen besitzt den Vorteil, dass sich die Maßnahmen der Terminals an den Signalen sehr gut erken- nen lassen. Im praktischen Einsatz werden allerdings Sprachsignale übertragen und die Algorithmen der Terminals für die Korrektur von Sprachsignalen optimiert. Die Signalnachbildungen wurden im Test mit Sprache als besser wahrgenommen als im Test mit Sinustönen. Des Weiteren ist zu berücksichtigen, dass herstellerspezifische Terminals (Systemtelefone) nur an den Kommunikationssystemen des Herstellers getestet werden können. In diesen sind systemspezifische Basisparameter hinterlegt, welche wesentlichen Einfluss auf die Ergebnisse ausüben, beispielsweise die Größe und damit der Abstand von RTP-Paketen. Als Codec wurde in den Tests durchgehend G.711 verwendet, bei der Verwendung anderer Codecs können andere Testergebnis- se auftreten. 7.3 Praktische Schlussfolgerungen Es gibt VoIP-Terminals, die Paketverlust nur sehr schlecht vertragen, und andere, die selbst bei großen Paketverlusten im Übertragungsnetz den Benutzern sehr gute Sprachqualitäten bieten. Ein und dasselbe Netz mit identischen Netzeigenschaften und gleichem Paketverlust kann sich also für zwei Benutzer mit unterschiedlichen Endgeräten völlig unterschiedlich darstellen. Während ein Teilnehmer die Übertra- gungsqualität als sehr schlecht einordnet, kann ein anderer dasselbe Netz als völlig in Ordnung einstufen. Paketverlust kommt in den Netzen immer wieder vor, es kommt auch darauf an, was man bzw. das VoIP-Endgerät daraus macht.
16 VoIP-Terminals und Sprachqualität – Untersuchungen zum Verhalten bei Paketverlust
Auch schlechte Netze mit großen Paketverlusten und langen Laufzeiten können
sich also mit guten Terminals als Netze mit durchaus brauchbaren Übertragungsqua-
litäten darstellen. Überlegungen zur Qualitätssicherung einer VoIP-Lösung sollten
somit nicht allein auf das Design des Übertragungsnetzes (LAN/WAN) ausgerichtet
werden.
Die Tests von VoIP-Telefonen zeigen, dass der Einsatz leistungsfähiger Endgeräte
einen nicht zu unterschätzenden, positiven Einfluss auf die Gesamtqualität der VoIP-In-
stallation darstellt.
8 Entwicklung eines kompakten Testgeräts
Die Anforderungen für ein Testgerät, mit dem die hier vorgestellten Untersuchungen
durchgeführt werden können, wurden im Fachkreis Netzwerktechnik des VAF formu-
liert und in einem Pflichtenheft fixiert. Die Realisierung erfolgte durch den in Flensburg
ansässigen Hersteller für Mess- und Analysetechnik Nextragen GmbH. Die Überein-
stimmung mit dem Pflichtenheft wurde vom VAF geprüft und durch ein Zertifikat
bestätigt. Das Gerät wird von Nextragen unter dem Produktnamen »PacketRaptor«
vertrieben. Kontakt zum Hersteller und technische Daten auf: www.nextragen.de
Kurzbeschreibung
Der PacketRaptor ist ein eigenes, unabhängiges Testgerät, mit dem Paketlaufzeiten,
Jitter und Paketverlust simuliert werden können. Damit können definierte Betriebs-
bedingungen künstlich erzeugt und für vergleichende Testzwecke reproduziert werden.
Das Gerät verfügt über zwei separate Ethernetschnittstellen mit 10/100/1.000 Mbit/s
(Eth0 und Eth1). Damit werden alle IP-Pakete, die über diese Schnittstellen laufen,
beeinflusst. Das Testgerät ist dabei völlig transparent und überträgt unabhängig vom
jeweiligen Protokoll alle Arten von IP-Paketen. Die Konfiguration erfolgt über eine
webbasierte Anwendung, die per WLAN-Schnittstelle erreicht werden kann. Das Test-
gerät stellt hierfür einen eigenen WLAN-Hotspot zur Verfügung. Zur Konfiguration des
Testgeräts ist keine spezielle Software notwendig, man verbindet ein beliebiges
WLAN-fähiges Gerät (Notebook, Tablet, Smartphone o. ä.) und startet einen gängigen
Browser, danach startet sofort die Konfigurationsanwendung im Browser (Bild 10).
BILD 10:
BedienoberflächeVoIP-Terminals und Sprachqualität – Untersuchungen zum Verhalten bei Paketverlust 17
Nach der Einstellung werden alle Pakete von der einen Ethernetschnittstelle (Eth0)
mit den vorgegebenen Verzögerungen, Schwankungen der Verzögerungszeit und dem
Paketverlust zur anderen Ethernetschnittelle (Eth1) transparent weitergeleitet. Die
Verzögerungen und der Paketverlust sind in beiden Richtungen wirksam. Des Weite-
ren ist es möglich, im Trace-Betriebsmodus alle Ethernetpakete der Schnittstellen
Eth0 und Eth1 zu einem Trace zusammenzufassen und diesen dann über das Web
interface des Testsystems herunterzuladen.
BILD 11:
VoIP-Telefon
Einsatzbeispiel:
Netzwerkemulation und
Vergleich von zwei
VoIP-Terminals
PBX
VoIP-Telefon
PacketRaptor
Netzwerkemulation
Netzwerkemulation ermöglicht die Emulation eines Netzwerks, um zu testen bzw.
vorzuführen, wie gut oder schlecht sich Netzwerkkomponenten (z. B. VoIP-Terminals)
verhalten, wenn sich das Netzwerk unter Last befindet. Folgende Merkmale am Netz-
werk können verändert werden (Bild 11):
• Packet Loss (0–30 %)
• Jitter (0– 250 ms)
• Delay (0–400 ms)
Trace (Aufzeichnen)
Trace ermöglicht die Erzeugung von Traces (.pcap-Datei) oder auch Mittschnitt des
Netzwerkverkehrs. Hierzu wird kein TAP (Test Access Point) oder Mirror-Port eines
Switches benötigt. Das Gerät speichert die Daten auf einem internen oder externen
Speicher (SD-Card) zur späteren Verarbeitung mit einem Netzwerkanalysator.
BILD 12:
Geräteansicht18 VoIP-Terminals und Sprachqualität – Untersuchungen zum Verhalten bei Paketverlust
9 Anhang
9.1 Messergebnisse zu den Tischtelefonen
9.1.1 Telefon A
Telefon A unternimmt bei Paketverlust nichts, d. h. die Lücken sind immer direkt
hörbar. Große Jitterwerte werden allerdings durch einen dynamischen Jitterbuffer
ausgeglichen. Die Unterbrechungen sind genau 10 ms lang, was dem Inhalt eines
RTP-Paketes entspricht. Mit zunehmendem Fehleraufkommen treten diese Unterbre-
chungen häufiger auf (Bild 13).
BILD 13:
Lücken aufgrund
von Paketverlust klar
erkennbar
9.1.2 Telefon B
Bei Telefon B konnten keine Beeinflussungen durch fehlende RTP-Pakete in den Hör-
proben festgestellt werden. Das PLC-Verfahren arbeitet bei diesem Terminal einwand-
frei. In erweiterten Versuchen war sogar mit 20 % Paketverlust eine verständliche
Kommunikation möglich. Bei bis zu 15 % Paketverlust ist keine Beeinträchtigung für
den Benutzer hörbar. Ein übertragenes Sinussignal zeigt bei 15 % Paketverlust auf der
Seite des Empfängers geringe Beeinflussungen, die für die Benutzer jedoch nicht
hörbar waren (Bild 14).
BILD 14:
Das PLC-Verfahren verschlei-
ert den Paketverlust sehr
erfolgreich.
9.1.3 Telefon C
Während das zuvor betrachtete Telefon B auch bei starken Störungen sehr gute Hör
ergebnisse brachte, war beim Telefon C nicht einmal die Beeinflussung des übertra-
genen Sinussignals auf dem Oszilloskop erkennbar. Alle Beeinflussungen waren für
den Teilnehmer nicht hörbar. Auch große Paketverluste blieben bei diesem Gerät
unmerklich für den Benutzer (Bild 15).VoIP-Terminals und Sprachqualität – Untersuchungen zum Verhalten bei Paketverlust 19
BILD 15:
Keine Beeinflussung, auch
bei großen Störungen
9.1.4 Telefon D
Untersuchungen an diesem Terminal zeigten deutlich Beeinflussung an Sinussigna-
len; bei der Übertragung von Sprachinformationen kann der Benutzer allerdings
keine Störungen feststellen. Der PLC-Mechanismus des Telefons ist also offensichtlich
auf Sprachsignale mit ihren typischen Eigenschaften eingestellt, was in der Praxis
absolut richtig ist (Bild 16).
BILD 16:
Deutliche Beeinflussung
von Sinussignalen, übertra-
gene Sprachsignale sind
einwandfrei
9.1.5 Telefon E
Auch beim Telefon E gibt es einen großen Unterschied zwischen der Darstellung bei
den Sinussignalen und dem Höreindruck in laufenden Gesprächen. Bis zu einem
Paketverlust von 10 % ist die Verständigung sehr gut, mit 15 % Verlust immer noch
als gut zu bewerten (Bild 17).
BILD 17:
Der Höreindruck der Sprach-
probe fällt besser aus, als es
die Darstellung des gestör-
ten Sinussignals vermuten
lässt.
9.1.6 Telefon F
Fehlende RTP-Pakete werden beim Telefon F ersetzt, allerdings sind damit zusätzliche,
im Ursprungssignal nicht enthaltene Oberwellen verbunden. Im Sinussignal sind
diese als klare Spitzen zu erkennen, die mit dem Sinussignal auftauchen. Der Hörtest
bestätigt diesen Eindruck durch zusätzliche Zischgeräusche in der Kommunikation.
Diese Geräusche treten nur bei Paketverlust auf (Bild 18).20 VoIP-Terminals und Sprachqualität – Untersuchungen zum Verhalten bei Paketverlust
BILD 18:
Die zusätzlichen Oberwellen
sind hier in der Bildmitte
klar erkennbar.
9.1.7 Telefon G
Bereits kleinere Laufzeiten (150 ms) und ein geringer Jitter (30 ms) bereiten Telefon G
große Probleme. Die Probleme sind deutlich hörbar und stören in der Kommunika-
tion sehr stark. Die Verständigung wird mit größerem Paketverlust immer schwerer,
hörbar ist eine Art Modulation der Sprache. Diese Modulation ist auch mit den Sinus-
signalen in der Aufzeichnung erkennbar. Deutlich sind Änderungen im Frequenzbereich
sichtbar. Die Modulation zeigt eine eindeutige Abhängigkeit von der Sprachwechsel-
spannung (Bild 19).
BILD 19:
Erkennbare Frequenz
modulation im
Empfangssignal
9.1.8 Telefon H
Auch das Telefon H zeigt bei Paketverlust deutliche Probleme. Bereits mit geringen
Paketverlusten ist die Verständigung beeinträchtigt. Im Sinussignal sind Asymmetrien
(Bildmitte in der folgenden Darstellung) erkennbar (Bild 20).
BILD 20:
Fehlerhaft rekonstruierte
Signale beim Telefon HVoIP-Terminals und Sprachqualität – Untersuchungen zum Verhalten bei Paketverlust 21
9.2 Die Messergebnisse zu den WLAN-Clients
9.2.1 Client 1a
(WLAN-Terminal des Herstellers 1)
Beim Client 1 handelt es sich um ein spezielles WLAN-Telefon. Die durchweg gute
Verständlichkeit ist auch aus den Messkurven zu den Sinustönen ersichtlich (Bild 21).
BILD 21:
Sinussignale mit
Delay: 150 ms
Jitter: 50 ms
Paketverlust: 0%
Werden künstliche Paketverluste von 5 % im Übertragungskanal erzeugt, zeigen
sich deutliche Auswirkungen auf die Sinuskurve. Diese Fehler sind allerdings in den
übermittelten Sprachproben nicht hörbar. Dieser scheinbare Widerspruch hat wahr-
scheinlich seine Ursache darin, dass der im Endgerät integrierte Verschleierungsal-
gorithmus für den Ersatz fehlender Pakete für Sprachsignale, aber nicht für reine Si-
nussignale optimiert wurde (Bild 22).
BILD 22:
Sinussignale mit
Delay: 150 ms
Jitter: 50 ms
Paketverlust: 5%
Bei Paketverlusten von 15 % erhöhen sich die Fehler im Übertragungskanal. Diese
wirken sich jedoch nicht gravierend auf die Sprachqualität aus. Die Sinussignale
zeigen öfter Einbrüche der Amplitude. Die Hörproben (Übermittlung der Sprachsig-
nale) waren zwar noch immer verständlich, aber es traten hörbare Beeinträchtigungen
der übermittelten Sprachinformationen auf (Bild 23).
BILD 23:
Sinussignale mit
Delay: 200 ms
Jitter: 80 ms
Paketverlust: 15 %22 VoIP-Terminals und Sprachqualität – Untersuchungen zum Verhalten bei Paketverlust
9.2.2 Client 1b
(Softphone des Herstellers 1)
Der Client 1b (selber Hersteller wie Client 1a) basierte auf einem Softphone, das auf
einem Windows-Laptop installiert wurde. Ohne Paketverlust im Übertragungskanal
war eine sehr gute Verständigung möglich. Die Sinussignale zeigten nur kleine Beein-
trächtigungen, die jedoch nicht hörbar waren (Bild 24).
BILD 24:
Sinussignale mit
Delay: 150 ms
Jitter: 50 ms
Paketverlust: 0%
Werden 5 % Paketverluste auf dem Übertragungskanal erzeugt, machen sich die-
se noch weniger als beim Client 1a bemerkbar. Die Messkurven der Sinustöne lassen
sich daher kaum von den Messkurven ohne Paketverlust unterscheiden. Dies entspricht
auch dem subjektiven Eindruck bei den Sprachproben, denn hier wurde eine sehr
gute Verständigung festgestellt (Bild 25).
BILD 25:
Sinussignale mit
Delay: 150 ms
Jitter: 50 ms
Paketverlust: 5%
Auch bei 15 % Paketverlusten war mit diesem VoIP-Client immer noch eine gute
Verständigung möglich, auch wenn sich hier kleine Störungen bemerkbar machten.
Die Bilder zu den Sinustönen zeigen ähnliche Effekte wie Client 1a mit den gleichen
Störungen (Bild 26).
BILD 26:
Sinussignale mit
Delay: 200 ms
Jitter: 80 ms
Paketverlust: 15 %VoIP-Terminals und Sprachqualität – Untersuchungen zum Verhalten bei Paketverlust 23
9.2.3 Client 2
(VoIP-Client des Herstellers 2 auf einem Samsung-Smartphone)
Beim VoIP-Client 2 handelte es sich um einen VoIP-User-Agent für Android-Smart
phones. Dieser VoIP-Client zeigte bereits ohne Paketverlust deutliche Beeinflussungen
der Sprachverständlichkeit.
In Bild 27 sind bereits bei den Sinussignalen verschiedene Störungen erkennbar.
Neben der geringfügigeren Amplitudenmodulation sind Phasensprünge im Signal
sichtbar. Die Verzögerungszeit von 150 ms plus einem Jitter von 50 ms führt hier bereits
zu Paketverlusten. Diese werden jedoch vom Client aufgrund seines Veschleierungs-
algorithmus wieder ausgeglichen (Bild 27).
BILD 27:
Sinussignale mit
Delay: 150 ms
Jitter: 50 ms
Paketverlust: 0%
Bei einer Paketverlustrate von 5 % zeigen sich die gleichen Beeinträchtigungsmus-
ter, und die Sprachverständlichkeit ist merklich beeinträchtigt (Bild 28).
BILD 28:
Sinussignale mit
Delay: 150 ms
Jitter: 50 ms
Paketverlust: 5%
Die Störungen treten bei 15 % Paketverlust verstärkt auf und resultieren in einer
nicht mehr akzeptablen Verständigung (Bild 29 und 30).
BILD 29:
Sinussignale mit
Delay: 200 ms
Jitter: 80 ms
Paketverlust: 15 % (1)
BILD 30:
Sinussignale mit
Delay: 200 ms
Jitter: 80 ms
Paketverlust: 15 % (2)24 VoIP-Terminals und Sprachqualität – Untersuchungen zum Verhalten bei Paketverlust
9.2.4 Client 3
(VoIP-Client des Herstellers 3 auf einem iPhone)
Der Client 3 ist eine Applikation für das iOS-Betriebssystem. Ohne Paketverluste zeig-
te der Client 3 eine sehr gute Sprachübertragung (Bild 31). Die Messkurven der Sinus-
signale zeigen nur eine sehr geringe Amplitudenmodulation (vergleichbar mit Client
1a und 1b).
BILD 31:
Sinussignale mit
Delay: 150 ms
Jitter: 50 ms
Paketverlust: 0%
Bei 5 % Paketverlust zeigen die Messkurven der Sinussignale, dass der Client 3
keine Maßnahmen zur Verschleierung der Paketverluste zur Verfügung stellt. Die durch
die Paketverluste verloren gegangenen RTP-Pakete fehlen logischerweise auch beim
Empfänger. Dies macht sich auch bei den Sprachproben bemerkbar. Trotz der Fehler
auf dem Übertragungskanal war eine Verständigung noch möglich (Bild 32).
BILD 32:
Sinussignale mit
Delay: 150 ms
Jitter: 50 ms
Paketverlust: 5%
Bei höheren Paketverlusten fehlen immer häufiger Teile des Signals, die durch den
Client 3 nicht ersetzt werden. Aus diesem Grund werden auch die Lücken bei den
Sprachproben deutlich hörbar und wirken sehr störend (Bild 33).
BILD 33:
Sinussignale mit
Delay: 200 ms
Jitter: 80 ms
Paketverlust: 15 %VoIP-Terminals und Sprachqualität – Untersuchungen zum Verhalten bei Paketverlust 25 10 Literatur Hein, M.; Siegmund, G.: VoIP-Anwendungen überraschen durch nicht dokumentierte Schummel-Features. Funkschau, www.funkschau.de/telekommunikation/artikel/103197, Nov. 2013. Siegmund, G.: Technik der Netze, Band 2. SIP in NGN und IMS. 7., neu bearbeitete und erweiterte Auflage. VDE-Verlag Berlin, Offenbach, 2014. ISBN: 978-8007-3474-0. Siegmund, G.: VoIP-Telefone, Paketverlust und Sprachqualität, VAF-Report 1/2013, 36. Jahrgang, VAF Bundesverband Telekommunikation e.V., 2013, Hilden. Siegmund, G.: Sprach-Codecs: Es muss nicht immer G.711 sein, VAF-Report 2/2013, 36. Jahrgang, VAF Bundesverband Telekommunikation e.V., 2013, Hilden.
VAF Bundesverband Telekommunikation e.V. Otto-Hahn-Str. 16, 40721 Hilden www.vaf-ev.de
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