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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK
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IP-Telefonie. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

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Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Telefonie

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Der Artikel bietet technische Informationen zu den allgemeinen Prinzipien der Sprachkommunikation über das Internet und zu Methoden zur Bereitstellung von Telefondiensten.

Die IP-Telefonie-Technologie (Voice over Internet Protocol – VoIP) bietet die Möglichkeit, Telefongespräche über das Internet zu übertragen, d. h. es handelt sich um eine Technologie zur Bereitstellung von Sprachverkehr in Echtzeit. Dies geschieht über Datennetzwerke mithilfe von Transportmechanismen, die auf Paketen basieren. Der Hauptvorteil der Technologie ist dass seine Anwendung nicht nur eine Kostensenkung ermöglicht, sondern auch die Kombination von Sprach- und Datenübertragung in einem Netzwerk ermöglicht. Die dabei verwendeten Algorithmen zur Informationskomprimierung reduzieren das Volumen deutlich und somit wird die Bandbreite effizienter genutzt.

In der IP-Telefonie werden zwei grundlegende Kommunikationsschemata verwendet. Die erste davon sieht vor, dass alle notwendigen Software- und Hardware-Tools, die ein Audiosignal digitalisieren, komprimieren, verpacken und wiedergeben, auf Personalcomputern installiert sein müssen. In diesem Fall werden für die Kommunikation der Teilnehmer keine Telefonapparate, sondern Kopfhörer mit Mikrofon benötigt. Für den Verbindungsaufbau werden lediglich die IP-Adressen der Rechner der Teilnehmer benötigt.

Beim zweiten Kommunikationsschema ruft der Benutzer mit einem herkömmlichen Telefonapparat an, und für die Verbindung des PSTN mit dem Internet wird eine spezielle Ausrüstung verwendet – ein Telefon-Gateway (Internet Telephony Gateway). Dieses Gerät wandelt die analoge Informationsform in eine digitale Form um, organisiert eine Folge von Paketen daraus im Internetformat, überträgt sie an das Netzwerk und empfängt auch umgekehrte Pakete, um sie in eine analoge Form umzuwandeln. Darüber hinaus sorgt das Telefon-Gateway für die Implementierung der Schnittstelle zum PSTN, die Erzeugung von Teilnehmersignalisierungssignalen sowie die Verbindung und Trennung von Teilnehmern.

Bei der IP-Telefonie ist eine äußerst zuverlässige Verbindung, die Sprachübertragung in Echtzeit unterstützt, unerlässlich. Dies bedeutet, dass die Übertragung von Teilnehmer zu Teilnehmer mit minimalen Verzögerungen erfolgen sollte.

Moderne Telefonsysteme nutzen digitale Übertragung und Vermittlung. Mittlerweile ist bekannt, dass Teilnehmeranschlüsse in der Regel analog sind. Daher ist hier eine entsprechende Signalumwandlung notwendig. Dies wird in der Regel bei der örtlichen Telefonzentrale durchgeführt, es kann jedoch auch ein Dienst in der Nähe des Benutzers diese Funktion übernehmen, beispielsweise wenn die digitale Übertragung in einem lokalen Zugangsnetz verwendet wird.

Die Telefonleitungsübertragung basiert auf der einfachen Sprachdigitalisierung unter Verwendung von in den 60er Jahren entwickelten Standards. Das Sprachsignal im Band von 300 Hz bis 3,1 kHz wird mit einer Rate von 8000 Samples pro Sekunde und einer 8-Bit-Codierung jedes Samples abgetastet. Somit benötigt jeder Sprachkanal 64 kbps. Dreißig dieser Sprachkanäle werden mit Framing- und Signalisierungskanälen kombiniert, um einen standardmäßigen digitalen 2048-kbit/s-Stream zu bilden, der üblicherweise als 2-Mbps-Stream oder E1 bezeichnet wird.

Übertragungsverzögerungen im bestehenden PSTN sind sehr gering und entstehen hauptsächlich durch Sprachkomprimierung und die Verwendung von Satellitenverbindungen. Wenn die Verzögerungen 400 ms überschreiten, verschlechtert sich die Klangqualität spürbar.

Die Entwicklung leistungsstarker Sprachkomprimierungstechniken reduziert die erforderliche Bandbreite. Dies ist für Systeme von entscheidender Bedeutung, bei denen die Bandbreitenkosten sehr hoch sind, beispielsweise bei der Mobilfunkkommunikation. Darüber hinaus ist es nicht erforderlich, in Sprechpausen, wenn ein Teilnehmer einem anderen zuhört, ein Signal zu senden. Die Übertragungsrate von 5 Kbit/s bietet die gleiche Sprachqualität wie herkömmliche digitale Leitungen bei einer Gesamtrate von etwa 2,5 Kbit/s, einschließlich Ruhepausen. Die angewandten Komprimierungsalgorithmen basieren auf der Abtastung und dem Vergleich benachbarter Sprachproben, sodass eine gewisse Verzögerung entsteht. Eine bessere Spracherkennung erfordert auch eine wirksame Echounterdrückung. Für die Übertragung von Sprache in dieser Form eignet sich die Verwendung der Paketübertragung, beispielsweise der IP-Übertragung, ideal, sofern eine Reihe von Funktionen in die Verarbeitung einbezogen werden.

Die gesamte Übertragungsverzögerung zwischen Teilnehmern sollte innerhalb bestimmter Grenzen gehalten werden. Außerdem ist es notwendig, Verzögerungsschwankungen zu minimieren, da sich sonst die Qualität der rekonstruierten Sprache verschlechtert. Die Verarbeitungsverzögerung der Sprachkomprimierung muss in die Gesamtübertragungsverzögerung einbezogen werden. Bei Sprachband-Datendiensten wie Modem- oder Faxverkehr ist besondere Vorsicht geboten, da Sprachkomprimierungsalgorithmen für die Verarbeitung dieser Signale schlecht geeignet sind. Jeder noch so kleine Verstoß bei der Übertragung macht sich unweigerlich auf der Empfängerseite bemerkbar und führt zu einer Verzerrung der übertragenen Informationen.

Da es sich jedoch um ein Datenübertragungssystem handelt, können die Signale der oben genannten Dienste auf geeignetere Weise übertragen werden. Auch hier sind besondere Maßnahmen erforderlich, um eine qualitativ hochwertige Übertragung eventuell benötigter Festfrequenzsignale sicherzustellen. Dabei handelt es sich hauptsächlich um DTMF-Tonwahlsignale vom Telefon des Teilnehmers. Auch wenn diese Töne derzeit nicht beim Wählen verwendet werden, können sie im Laufe der Zeit häufig verwendet werden, wenn automatische Anrufverarbeitungssysteme beteiligt sind.

Das Internet wurde mit der Erwartung einer Paketdatenübertragung zwischen Computern geschaffen, bei der Übertragungsverzögerungen und relative Verzögerungen zwischen Paketen keine so große Rolle spielen. Da Computer auf interne Verarbeitung gemäß Warteschlangenmechanismen angewiesen sind, können sie Pakete sofort verarbeiten, wenn sie ankommen. Auch die Routing-Mechanismen im PSTN und im Internet unterscheiden sich. Daher gibt es Unterschiede in der Art und Weise, wie Pakete übertragen und weitergeleitet werden. Diese Umstände müssen bei der Überlegung, wie das Internet für Sprachdienste genutzt werden soll, berücksichtigt werden. Denken Sie daran, dass das Netzwerk für Datensysteme konzipiert ist. Wenn beispielsweise eine E-Mail mehrere Stunden braucht, um Informationen zu übermitteln, dann ist das für den Empfänger durchaus akzeptabel.

Beim Umgang mit sprachbezogenen Problemen hat das Internet eine „Grade of Service“-Strategie übernommen, bei der bestimmte Pakete (in diesem Fall diejenigen, die mit der Sprachübertragung verbunden sind) in der Reihenfolge ihrer Priorität verarbeitet werden. Dafür müssen Internetnutzer natürlich eine zusätzliche Gebühr zahlen.

Das Internet stellt eine unbestimmte Masse an genutzter Ausrüstung dar und wird weiter wachsen. Für die Verbreitung neuer Dienste werden bereits Standards entwickelt, Fortschritte werden jedoch weiterhin mit der Modernisierung der Ausrüstung durch die Anbieter verbunden sein. Spezifikationen für Kabelmodems enthalten beispielsweise detaillierte Anforderungen an die Quality of Service (QoS)-Stufen. Darüber hinaus werden Tools entwickelt, die es Betreibern ermöglichen, tatsächliche Serviceniveaus zu messen. Dabei ist zu beachten, dass mit der Weiterentwicklung des Internets auch die Anforderungen an eine Verbesserung seiner Qualität verbunden sind. Mit dem Aufkommen spezieller Geräte zur Überwachung der Kommunikationsqualität werden sie auch immer anspruchsvoller. Es wurde bereits ein Monitor entwickelt, mit dem Sie die Nutzung von Netzwerkressourcen überwachen können (falls dies mehrere Anbieter tun). Auf dem Gerätemarkt sind auch Netzwerkmanagement-Tools aufgetaucht, mit denen der Datenverkehr ausgerichtet und zwischen Glasfaserpfaden umverteilt werden kann.

Die meisten Nutzer der IP-Telefonie kennen beispielsweise eine Anwendung wie die Bereitstellung von Fern- und internationalen Telefongesprächen. Es wird erwartet, dass die Beliebtheit anderer Anwendungen in Zukunft zunehmen wird, insbesondere einer Anwendung, die es Abonnenten ermöglicht, Anrufe zu empfangen, während sie im Internet surfen. Wenn ein Anruf bei einer besetzten Nummer eintrifft, leitet die PBX ihn an das IP-Telefonie-Gateway weiter, das den Anruf über das IP-Netzwerk zum Teilnehmer weiterleitet und ihn über eine spezielle Software darüber informiert. Der Teilnehmer entscheidet in diesem Fall selbst, ob er den Anruf entgegennimmt oder nicht. Für die flächendeckende Nutzung eines solchen Dienstes in Russland muss ein Problem gelöst werden, das jedoch recht gravierend ist: Alle Endstationen müssen die Anrufweiterleitungsfunktion unterstützen.

Autor: K. Senwick, London, UK

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