Wie viel Bandbreite braucht der SIP-Trunk?

Durch die Nutzung von SIP-Trunks zur Anbindung der VoIP-Ressourcen an das öffentliche Telefonnetz kommt der Bandbreitenberechnung für den SIP-Trunk eine besondere Bedeutung zu. Werden zu viele Übertragungskapazitäten bestellt, verschwendet das Unternehmen unnötig Geld. Bei zu geringen Übertragungskapazitäten kommen unter Umständen nicht alle Anrufe durch, bleiben im Übertragungskanal stecken oder verschlechtern die Qualität bereits bestehender VoIP-Verbindungen.

Mathias Hein

Druckversion Wie viel Bandbreite braucht der SIP-Trunk?

Das weltweit offene Fernsprechnetz mit seinen etwa 4 Milliarden Festnetzteilnehmern ist das bedeutendste Netz in der Vermittlungstechnik. In erster Linie ist das Fernsprechnetz für die Sprachübertragung ausgelegt. Es stellt geschaltete Übertragungswege fester Bandweite (300 bis 3.400 Hz) zur Verfügung. Das Fernsprechnetz ist in vielen Ländern noch ein rein analoges Netz. Dieses wurde in der Vergangenheit zu einem diensteintegrierenden digitalen Nachrichtennetz (ISDN) umgebaut. Die Vermittlungsstellen des Fernsprechnetzes arbeiten nach dem Prinzip der Leitungsvermittlung. Die herkömmlichen Telefonnetze in Europa basieren auf dem leitungsvermittelten PCM30-Verfahren. PCM30 bezeichnet eine Anwendung des mit Puls Code Modulation (PCM) beschriebenen Verfahrens, bei dem ein analoges Signal binär codiert wird.

Das diensteintegrierende digitale Fernmeldenetz (Integrated Services Digital Network/ISDN) basiert auf der digitalen Vermittlungstechnik des Fernsprechnetzes. Das Ziel des ISDN ist die Zusammenfassung aller heutigen (und zukünftigen) Dienste in einem universellen Nachrichtennetz. Durch die Digitalisierung der Sprache ist eine gleichartige Behandlung von Text, Daten und Sprache möglich. Die Next Generation Networks (NGN) werden zukünftig die ISDN-Netze ersetzen und für die Telekommunikation ausschließlich Paketvermittlungsnetze verwenden. Ziel dabei ist, die Netzressourcen effizienter zu nutzen und eine gemeinsame Plattform für alle Dienste zu schaffen. 

Zur Anbindung eines Voice over IP-Systems an das klassische Telefonnetz erfolgt heute über:

• Gateways ins ISDN Telefonnetz
• Verbindungen zwischen Telefonanlagen
• SIP Trunks

Gateways ins ISDN Telefonnetz

Zur Verbindung von zwei oder mehr TK-Anlagen wurden interne Trunks geschaltet und zur Verbindung eines Unternehmens an das öffentliche Telefonnetz erfolgt über PSTN-Trunks. Beide Verbindungsvarianten wurden über eine S2M-Leitung oder Bündel von S2M-Leitungen realisiert. Bei der Einführung von Voice over IP in die Unternehmen auf Basis sogenannter hybrider Lösungen wurden im ersten Migrationsschritt die vorhandenen S2M-Leitungen auf PSTN-Gateways abgebildet.

Die Telefongespräche werden bei einer solchen Lösung über das IP-Netzwerk des Unternehmens bis an den Standort weitergeleitet, der dem angewählten PSTN Teilnehmer am nächsten bzw. tarifgünstigsten liegt. Über das PSTN-Gateway wird anschließend das Gespräch ins öffentliche Telefonnetz weitergeleitet.

VoIP Trunking

Über das IP-Netz (Voraussetzung ist genügend freie Bandbreite) kann die gesamte Telefonie unternehmensintern wie auch unternehmensextern über VoIP abgewickelt werden. Mit der Verbreitung von SIP-Lösungen sowohl im Provider- als auch im Enterprise-Umfeld lassen sich Ende-zu-Ende Verbindungen zwischen Providern und Unternehmen schalten. Dabei wird das öffentliche Telefonnetz nur noch über ein vom Provider zur Verfügung gestelltes Gateway angewählt. Die Enterprise und Provider-Seite werden im Regelfall als SIP Peers bezeichnet und das SIP Peering wird über einen Trunk-Dienst realisiert. Wird SIP Trunking zur Verbindung zweier Provider eingesetzt, so sind die beiden Provider die SIP Peers. SIP Trunking verbindet VoIP/SIP Enterprise-Lösungen mit VoIP/SIP Providern und hat die Zielsetzung, nicht nur IP-Verbindungen zu nutzen, sondern den PSTN-Dienst zur Verbindung aller Teilnehmer weltweit schrittweise auf SIP-Verbindungen umzustellen und die Q.931/SS7 Signalisierung durch SIP Signalisierung zu ersetzen.

An die Stelle von Amtsbündeln treten SIP Trunking Dienste auf der Basis von IP-Netzzugängen zu SIP Providern. Die Amtskopfnummern eines Unternehmens lassen sich mittels ENUM auf SIP-Domänen mappen oder durch SIP Domänen mit alphanumerischen Domänennamen (FQDN) ersetzen. Dies ermöglicht eine weltweite Bekanntgabe bzw. Erreichbarkeit von SIP-Teilnehmern über den DNS-Dienst. Schlägt das SIP Lookup fehl, weil ein gesuchter Teilnehmer nicht SIP-fähig ist, wird er unter Zuhilfenahme von SIP/PSTN-Gateways wie bisher über seine PSTN-Amtsnummer angewählt.

Der Einsatz von SIP-Lösungen bietet das Potenzial, sowohl unternehmensweit als auch bei der Verbindung über mehrere Provider hinweg dieselbe Signalisierung zu nutzen. Somit entfällt die aufwändige Konvertierung zwischen proprietärer Signalisierung und ISDN-/PSTN-Netzwerk, die sowohl Gateway-Ressourcen als auch Bearbeitungszeit und somit eine Erhöhung der Ende-zu-Ende Antwortzeit kostet. Zudem müssen Probleme in der Sicherheitstechnik wie NAT/FW-Traversal nur noch für ein einzelnes Protokoll gelöst werden.

Der Prozess der Bandbreitenbestimmung für den SIP-Trunk beginnt mit der Festlegung des gewünschten Erreichbarkeitsgrad (Grade of Service; GoS). Diese definiert die Wahrscheinlichkeit die ein potentieller Telefonnutzer bei seinem Anruf im Call-Center, in der jeweiligen Niederlassung oder der Unternehmenszentrale durch ein Besetztzeichen abgewiesen wird. In der ersten Näherung hilft die sogenannte Erlang-Formel bei der Ermittlung des Erreichbarkeitsgrads weiter. Im zweiten Schritt wird die für die gleichzeitig über den SIP-Trunk notwendige Bandbreite auf Basis des GoS-Werts errechnet.

Erlang Berechnung

Die Anzahl der gleichzeitigen Verbindungen bei einer vorgegebenen Verkehrslast lässt sich anhand der Erlang-Formeln errechnet. Diese wurden von Agner Krarup Erlang entwickelt und bereits seit fast 100 Jahren im Telefonnetz für die Kapazitätsplanung genutzt. Die Erlang B Formel wird hauptsächlich für die Call-Center-Planung genutzt. Die Formel setzt voraus, dass bei einem erfolglosen Anrufversuch (wenn der Anruf ein Besetztzeichen bekommt), dieser nicht in eine Warteschlange eingereiht wird und somit endgültig abgewiesen wird.

Da die Erlang B Formel davon ausgeht, dass abgewiesene Gespräche nicht wiederholt werden, wird die notwendige Anzahl an parallelen Kanälen zu niedrig angesetzt. Eine erweiterte Variante der Erlang-Formel geht davon aus, dass 10 bis 70 Prozent der Anrufer ihre abgewiesenen Anrufe sofort wiederholen. Daher berechnet die erweiterte Formel eine etwas höhere Anzahl an notwendigen Kanälen, und sorgt dafür dass  die zusätzliche Anruflast abgefangen wird.

Die Erlang B- und die erweiterte Erlang B-Formel wird zur Berechnung der folgenden drei Faktoren genutzt:

•  Busy Hour Traffic (BHT): die Anzahl der verkehrsreichsten Stunden
• Blockierung (Besetztzeichen): der Prozentsatz, der Anrufe, die abgewiesen werden, weil nicht genügend Kanäle zur Verfügung stehen.
• Kanäle: die Anzahl der notwendigen Kanäle in einem Trunk.

Die verkehrsreichste Zeit während eines Tages bestimmt die maximale Zahl an parallelen Anrufen. Wird dieser Wert zu niedrig angesetzt, dann erhalten unter Umständen viele Anrufer ein Besetztzeichen. Zu den anderen Stunden des Tages herrscht ein geringeres Verkehrsaufkommen vor und eingehende Anrufe werden weniger oft abgewiesen. Somit erhalten wir die schlechteste Performance (Grade of Service; GOS) während der verkehrsreichsten Stunden. 

Im Folgenden wird die Erlang B Formel zur Berechnung der notwendigen Bandbreite genutzt.  Zuerst muss festgelegt werden, wie oft ein Anrufer ein Besetztzeichen bekommen darf. Die meisten Berechnungen beginnen mit einem GOS von 0,01 (1 Prozent der Anrufe erhalten ein Besetztzeichen). Dies bedeutet, dass 99 Prozent der Anrufe durchkommen. Bei der Planung eines Interactive Voice Response (IVR)-Systems  sollte eine sehr hohe Wahrscheinlichkeit vorausgesetzt werden, dass ein Anruf nicht blockiert wird. In diesem Fall kalkuliert man mit einer Erfolgsrate von 99,9 Prozent oder besser.

Als nächstes müssen die Verkehrslasten entweder gemessen oder geschätzt werden. Der Wert wird als  Erlang/BHT angegeben. Ein Erlang entspricht somit einer Leitung, die während einer Stunde besetzt ist. Zur Berechnung der Erlang-Last muss die durchschnittliche Länge eines Gesprächs in Minuten festgelegt werden. Darüber hinaus geht noch die Anzahl der Anrufe während der verkehrsreichsten Stunde des Tages in die Formel ein. Diese lautet:

• Erlang Last (BHT) = CAR X H/60.

Die Call Arrival Rate (CAR) definiert die Anzahl der eingehenden Anrufe während der Spitzenzeiten des Tages

 H definiert die durchschnittliche Dauer oder Haltezeit eines Anrufs (in Minuten) 

Ein Rechenbeispiel:

CAR = 100 Anrufe und H = 3 Minuten. Die Erlang-Last beträgt in diesem Fall: 100 X 3/60 oder 5,0 Erlang (BHT)

Somit werden fünf Verbindungen/Kanäle benötigt, die zu 100 Prozent der Zeit ausgelastet sind. Dies führt jedoch dazu, dass eine hohe Anzahl an eingehenden Anrufen ein Besetztzeichen erhalten. Um einen besseren Grade of Service (GOS) zu garantieren, müssen somit mehr als fünf Kanäle/Verbindungen bereitgestellt werden.

VoIP-Bandbreiteberechnung

Die für die VoIP-Übertragung benötigte Bandbreite hängt von einigen Faktoren ab: der Kompressionstechnik, dem Paket-Overhead, dem Netzwerkprotokoll und ob die Stille-Unterdrückung (Silence Suppression) aktiviert bzw. deaktiviert ist. Die bereitzustellende Bandbreite für VoIP hängt von folgenden Faktoren ab:

• Der Größe der Sprachpakete (20 bis 320 Byte)
• Dem Codec/ der Kompression (G.711, G.729, G.723.1 ...)
• Der Header-Komprimierung (RTP + UDP + IP)
• Dem verwendet Layer-2-Protokoll (PPP, Ethernet ...)

·      Der Silence Suppression/ der Voice Activity Detection

Die Ergebnisse von drei G.711- und drei G.729-Berechnungen wird in der nachfolgenden Tabelle „Minimale Bandbreiteanforderungen“ dargestellt. Die Tabelle verdeutlicht folgende Aspekte:

• Der Bandbreitenbedarf lässt sich durch den Einsatz von Codecs mit einer höheren Kompression reduzieren
• Die notwendige Bandbreite wird ebenfalls reduziert, wenn größere Pakete (mit mehr Bytes pro Paket) übermittelt werden.
• Die Komprimieren der RTP-, UDP- und IP Header (cRTP) ist am effektivsten, wenn in den Paketen hoch komprimierte Sprachdaten (G.729) übermittelt werden.

Tabelle: Minimale Bandbreiteanforderungen

Die unterschiedlichen Paketgrößen, Die Wahl des genutzten Codecs und die Header-Komprimierung machen eine Kalkulation der notwendigen VoIP-Bandbreite schwierig. Viele Provider übermitteln im Payload des VoIP-Pakets 20 oder 30ms an Sprache. Daher sollte der SIP-Trunk-Anbieter die entsprechenden Informationen für eine vernünftige Bandbreitenbedarfsberechnung zur Verfügung stellen. Als praxistaugliche Faustregel gilt:

• mindestens 27 Kbit/s Bandbreite pro G.729-Anruf.
• mindestens 83 Kbit/s Bandbreite pro G.711-Anruf.

Bei der Stille-Unterdrückung (Silence Suppression) wird davon ausgegangen, dass die beiden Kommunikationspartner nicht zur gleichen Zeit sprechen. Im Durchschnitt enthält ein Anruf bis 70 Prozent an Stille. Laut einer Empfehlung von Cisco ist davon ausgehen, dass die Stille-Unterdrückung die benötigte Bandbreite um nur 30 Prozent reduziert. Cisco empfiehlt außerdem, dass die Stille-Unterdrückung nur für Trunks mit mehr als 24 Kanälen genutzt werden sollte.

Zunächst sollte in der Praxis erst einmal mit einer ausgeschalteten Stille-Unterdrückung getestet werden. Danach aktiviert man die Stille-Unterdrückung und beobachtet, ob sich dadurch die Sprachqualität negativ verändert. Wirkt sich die Stille-Unterdrückung auf die Sprachqualität über ein gewisses Maß aus, dann sollte dieser Parameter wieder deaktiviert werden. Wird Musik-on-Hold im VoIP-Netzwerk genutzt, dann arbeitet die Stille-Unterdrückung meist nicht zufriedenstellend. Wird darüber hinaus auch noch der SIP Trunk zur Übertragung von Faxdokumenten (Fax over IP; T.38) genutzt werden, dann führt die Stille-Unterdrückung zu erheblichen Übermittlungsfehlern. 

In der Tabelle „Anforderungen an den SIP-Trunk“ sind die Endergebnisse unserer Berechnungen dargestellt. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die Aufrufe 5 Minuten dauern, die RTP-Pakete ein 20 ms Sprach Sample enthalten und der Grade of Service (GoS) dem Wert = .01 entspricht. Dies bedeutet, dass nur 1 Prozent der möglichen Anrufe aufgrund nicht zur Verfügung stehenden Kanälen ein Besetztzeichen erhalten. Die Anzahl der Anrufe pro Stunde werden in der linken Spalte mit dem (BHT) dargestellt. Die zweite Spalte zeigt die Anzahl der für die Übermittlung der jeweiligen Last notwendigen SIP-Trunks an. Alle anderen Spalten stellen die Minimumbandbreite für die Übermittlung der Sprache entsprechend des Codecs oder der Kompression dar.