Netzmodellierung und ISDN-NGN-Migration

IP-Netzmanagement, Netzplanung und OptimierungWorkshop am 18. und 19. Juli 2005 an der Universität Würzburg

Dipl.-Ing. Soulaimane El Bouarfati

Dipl.-Ing. Frank Weber

Prof. Dr.-Ing. Ulrich Trick

Forschungsgruppe für TelekommunikationsnetzeFachhochschule Frankfurt am Main

Kleiststr. 360318 Frankfurt,Tel. 06196/641127

E-Mail: trick@e-technik.orgWeb: www.e-technik.org

Das zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministerium für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 1711403 gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt liegt bei den Autoren.

Prof. Dr.-Ing. U. TrickFH FrankfurtFachgebiet Digitale Übertragungstechnik - Telekommunikationsnetze

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Übersicht

1 Einführung

2 Neues Netzmodell

3 Vorgehen beim Netzdesign

4 Interworking zwischen Netzen

5 ISDN-NGN-Migration

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1 Einführung

Veränderungen bei Telekommunikationsnetzen− NGN (Next Generation Networks), Voice/All over IP,

UMTS Release 5, Fixed/mobile-Konvergenz− Netzintegration: z.B. ISDN, GSM→ Komplexere Netze

Komplexitätsreduktion− Durch strukturiertes Netzmodell→ OSI-Referenzmodell mit 7 Schichten, ISDN-, generisches Protokoll-Referenzmodell

− Aber: Einschränkung auf bestimmte Schichten oder Strata− Aber: Wichtige Netzfunktionen wie „Dienste“, „Mobilität“, „Sicherheit“, „Quality of

Service“ verteilt über verschiedene Schichten und Planes → nicht modellierbar

→ Neues Netzmodell erforderlich!

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2 Neues Netzmodell

Charakteristika− Zur Modellierung beliebiger Telekommunikationsnetze

− 1. Grafisches Modell− 2. Rechnungsmodell für Variantenrechnung

− Strata: Schicht(en)− Planes− Funktionssäulen− Netzmanagement− Konkrete Merkmale wie Teilnehmerzahlen, Verkehrswerte

→ Beschränkungen des OSI-Referenzmodells u.a. überwunden

→ Modellierung netzübergreifender Funktionen wie Sicherheit oder Mobilität gelöst

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Business Stratum

ApplicationStratum

Service Stratum

Transport Stratum

PhysicalLayer

Management PlaneControl Plane

User Plane

Netzmanagement

Merkmale

Basisnetzfunktionen Sicherheit Quality of ServiceDienste Mobilität

Neues Netzmodell mit Strata und Funktionssäulen

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3 Vorgehen beim Netzdesign –1. Schritt: Definition der Anforderungen− Schrittweise Modellierung

1. Schritt: Definition der Anforderungen an− Basisnetzfunktionen− Dienste− Sicherheit− Mobilität− Quality of Service

− Netzmanagement− Merkmale

→ „Natürliche“ Vorgehensweise

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IP-basiertes Netzmanage-

ment

IP-basierteVerbindungs-

steuerung

IP-basierteNutzdaten-

übertragung

Persönliche Mobilität

Session-Mobilität

Dienste-mobilität

Endgeräte-mobilität

Einfache TK-Dienste

und Dienstmerk-

male

(z.B. Halten, Makeln,

Rufweiter-schaltung)

Dreier-konferenz

Erweiterte Dienste und Dienstmerk-

male

Ressourcen-reservierung

Aushandlung von QoS

Vertraulich-keit

Integrität

Authentifi-zierung

Zugriffs-kontrolle

Verbindlich-keit

Verfügbar-keit

Anonymität

Basisnetzfunktionen Sicherheit Quality of ServiceDienste Mobilität

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Definition der Anforderungen an ein Netz

Basisnetzfunktionen

Business Stratum

IP-basiertes Netzmanage-

ment

IP-basierteVerbindungs-

steuerung

IP-basierteNutzdaten-

übertragung

Application Stratum

UDP, ggf. TCP

IP

DL

PhyService Stratum

Transport Stratum

PhysicalLayer

RTP (z.B. mit G.723)

SIP

SNMP

Management PlaneControl Plane

User Plane

Basisnetzfunktionen

RTP (z.B. mit G.723)SIP

SNMP

DL, IP, UDPDL, IP, UDP, ggf. TCP

DL, IP, UDP

PhyPhy

Phy

2. Schritt: Aus Anforderungen Funktionen ableiten

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3. Schritt: Einsortieren der Netzfunktionen in Netzknoten

Netztyp, z.B. SIP/IP-basiert:→ SIP User Agent→ SIP Registrar Server→ SIP Proxy Server→ SIP Application Server→ Conference Server→ IP-Router→ Firewall→ Bandwidth Broker

− Separates Säulenmodell pro Netzelementtyp

− Netzelementmodell = Untermenge des Gesamtnetzmodells

− Überlagerung aller Netzelementmodelle = Gesamtnetzmodell

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4. Schritt: Erforderlichenfalls ergänzen von Funktionen in einem oder mehreren Netzknoten

− Zusätzliche Funktionen werden vom Modell automatisch für das Gesamtnetz übernommen

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5. Schritt: Exportieren der Merkmale aus dem grafischen Modell in das Rechnungsmodell− Automatisches Auslesen von in Zahlen vorliegenden Merkmalen (z.B.

Teilnehmeranzahl, Verkehrswerte, Kosten) von bis zu 4 grafischen Netzmodellen

6. Schritt: Rechnungsmodell anwenden− Zu importierten Merkmalen ggf. weitere Merkmalgrößen hinzufügen→ Netzberechnungen, Netzoptimierungen, Migrationsszenarien− Beliebig viele Einzelszenarien für Zeitbezug

7. Schritt: Exportieren von Ergebnissen aus dem Rechnungsmodell in das grafische Modell

Vorgehen beim Netzdesign - ÜbersichtDas zu modellierende

Netz

Anforderungen an das Netz

Funktionen für das Netz ableiten

Funktionen auf Netzknoten verteilen

Grafisches Modell

Exportieren der Merkmale

Rechnungsmodell

Ergebnisse aus dem Rechnungsmodell

Netzoptimierung Netzberechnungen Migrationsszenarien

4 Interworking zwischen Netzen

− Zukünftig: reine Paketnetze wie SIP/IP-Festnetze, UMTS Release 7

− Auf dem Weg: heterogene Netze mit Leitungs- und Paketvermittlung, verschiedensten Protokoll-Stacks

→ Interworking, Gateways für das Zusammenschalten von (2) Netzen

− 1. und 2. Schritt: Grafisches Modell für jedes der 2 Netze− 8. Schritt: Verschmelzen der beiden grafischen Modelle →

Abbildungsbeziehungen bzw. Gateway-Funktionalität (z.B. ISUP-SIP)− 9. Schritt: Aufteilen der Konvertierungsfunktionen auf Netzknoten

(z.B. Media Gateway Controller)

− Komplette Modellrealisierung mit EXCEL und VBA (Visual Basic for Applications)

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Interworking zweier verschiedener Netze

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IWF

X-Y-Interworking FunctionNetz X, z.B. ISDN-Netz Netz Y, z.B. SIP/IP-Netz

5 ISDN-NGN-Migration

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Netz 1

ISDN

Netz 2

SIP/IPTGW

AGW

RGW

PSTN-Endgerät PSTN-Endgerät PSTN-Endgerät IP-Phone IP-Phone

….

SIP: Session Initiation ProtocolISDN: Integrated Services Digital NetworkPSTN: Public Switched Telephone Network

TGW: Trunking GatewayAGW: Access GatewayRGW: Residential Gateway

ISDN-/SIP/IP-Migration

Teilnehmer-Verkehrswerte− 0,119 Erl pro PSTN-Teilnehmer (B-Kanal)− 0,4 Erl Verkehrswert pro SIP/IP-TeilnehmerTrunking Gateway (TGW)− Verkehrswert: 7.200 Erl (240 E1 a´ 30 Erl)− Kosten: 720 KE (Kosteneinheit)Access Gateway (AGW)− Verkehrswert: 2.380 Erl (20.000 ISDN-Tln a´ 0,119 Erl)− Kosten: 12.500 KEResidential Gateway (RGW)− Verkehrswert: 0,119 Erl− Kosten: 1,2 KEIP-Phone− Verkehrswert: 0,4 Erl− Kosten: 1 KE

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Teilnehmerentwicklung bei linearer Migration

53 Mio 53 Mio

Teilnehmerentwicklung

0

10.000.000

20.000.000

30.000.000

40.000.000

50.000.000

60.000.000

0 5 10 15 20 25 30

Zeitpunkt

Teiln

ehm

er

ISDN-Teilnehmer SIP-IP-Teilnehmer

53 Mio53 Mio

TGWs und ihre Kosten

050

100150200250300350400450500

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25Zeitpunkte

Stüc

k

030.00060.00090.000120.000150.000180.000210.000240.000270.000300.000

Kos

ten

in K

E

ISDN/SIP-IP-GWs Kosten

max. 264.240 KE

max. 367

Anzahl der Trunking Gateways und Kosten

KE

: Kos

tene

inhe

it

AGWs und ihre Kosten

0

500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

3.500

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25Zeitpunkt

Stüc

k

0

5.000.000

10.000.000

15.000.000

20.000.000

25.000.000

30.000.000

35.000.000

Kos

ten

in K

E

Anzahl der benötigten AGW Kosten

33 Mio

2.650

Anzahl der Access Gateways und Kosten

Anzahl der Residential Gateways und Kosten

RGWs und ihre Kosten

0

10

20

30

40

50

60

70

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25

Mill

ione

n

Zeitpunkt

Stüc

k

0

10

20

30

40

50

60

70

Mill

ione

n

Kos

ten

in K

E

Anzahl benötigter RGWs Kosten

63 Mio

53 Mio

Migrationskosten

010

2030

4050

6070

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25

Mill

ione

n

Zeitpunkt

Kos

ten

in K

E

010

2030

4050

6070

Mill

ione

n

Kos

ten

in K

E

TGWs-Kosten AGWs-KostenRGWs-Kosten IP-Phones-Kosten

Migrationskosten im Vergleich

63,6 Mio

53 Mio

33,1 Mio

264 240

ISDN-SIP/IP-Migration – IP Edge Router

IP Edge Router Performance− 10 Gbit/s− mit G.711-Sprach-Codec mit 64 kbit/s Nettobitrate →

200 Byte Pakete für VoIP (160 Byte G.711 + 12 Byte RTP + 8 Byte UDP + 20 Byte IP) →5.552.100 pps (packets per second)

− mit GSM-Sprach-Codec mit 13 kbit/s Nettobitrate →73 Byte Pakete für VoIP (33 Byte GSM + 12 Byte RTP + 8 Byte UDP + 20 Byte IP) →11.261.260 pps

− 427 Byte Pakete für Datenkommunikation ≠ VoIP → 2.688.170 pps

Internet− 33,9 Mio Nutzer → 53 Mio− 1 Mbit/s Zugang pro Nutzer− max. 20% der Internet-Nutzer gleichzeitig online

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Anzahl benötigter IP Edge Router

0

200

400

600

800

1.000

1.200

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30Zeitpunkt

Stüc

k

Gesamtzahl der IP-Router bei VoIP- und Datenkommunikation *Codec: G.711*Gesamtzahl der IP-Router bei VoIP- und Datenkommunikation *Codec: GSM*Gesamtzahl der IP-Router nur bei Datenkommunikation

Anzahl IP Edge Router bei VoIP

+ 15 %

+ 34 %

Resümee

− Einsatz des neuen Netzmodells empfehlenswert.

− Vorgehen entsprechend den Schritten 1 bis 9.

− Minimierung der ISDN-SIP/IP-Migrationskosten durch geschicktes Vorgehen möglich.

− Für Migration jeweils bestgeeigneten Gateway-Typ wählen.

− Migrationskosten können für Netzbetreiber (TGW, AGW, RGW) und/oder Nutzer (IP-Phone, RGW) entstehen.

− VoIP hat nennenswerten Einfluss auf IP Edge Router.

− Durch Einsatz komprimierender Codecs wie z.B. GSM kann Einfluss von VoIP auf IP Edge Router deutlich reduziert werden.

− Neue IP Edge Router sollten im Hinblick auf zukünftiges VoIP skalierbar sein.

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