Анализ факторов, влияющих на качество передачи речи

В пакетных сетях

При расчете R-фактора одна из составляющих - I_s , уменьшающая значение R-фактора, определяется иска­жениями, возникающими в ко­деке при пакетизации речевого сигнала.

Качество передачи речи в сетях с коммутацией пакетов в последние время значитель­но улучшено путем создания эф­фективных кодеков, обеспечи­вающих хорошую разборчивость речевого сигнала на приемном конце.

В состав этих методов входят:

- методы эффективного кодиро­вания речи;

- механизмы подавления пауз (механизм кодирования речи при прерывистой передаче, извест­ный как Voice Activity Detection, VAD);

- механизмы эхоподавления и эхо-компенсации;

- механизмы маскирования ошибок (packet loss concealment), обеспечивающие компенса­цию пробелов в речевом потоке,вызванных потерей отдельных пакетов.

В табл. 4.3 представлены характеристики кодеков, реализующих перечисленные выше механизмы повышения качества передачи речи в сетях с коммутацией пакетов.

Кодек G.711 представленных версий имеет скорость вы­ходного сигнала 64 кбит/с, преобразует аналоговый сигнал в цифровой с очень высоким качес­твом без применения операции сжатия. Однако, при этом требу­ется значительная пропускная способность по сравнению с ко­деками, в которых осуществляет­ся сжатие информации.

Низкоскоростные кодеки тре­буют существенно меньших зна­чений пропускных способностей, однако оказывают значительно большее влияние на качество речевого сигнала по сравнению с высокоскоростными кодеками.

Таблица 4.3

Типы и характеристики кодеков

Меньшая пропускная способ­ность означает, что можно орга­низовать большее число телефон­ных соединений по одному и тому же тракту, но при этом уменьша­ется разборчивость речи, возрас­тают задержки и качество речи становится более чувствитель­ным к потере пакетов.

Задержка доставки пакета оп­ределяется временем переноса пакета от источника до получа­теля. Время задержки меняется в зависимости от трафика в сети и доступных сетевых ресурсов, в частности, пропускной способ­ности, во время доставки.

Речь представляет собой трафик, чувствительный к задержке, тог­да как большинство приложений данных относительно устойчиво к задержке.

Если задержка доставки пакета превышает оп­ределенное значение, пакет от­брасывается. Поэтому, при большом числе отброшенных па­кетов качество речи ухудшается, что и отражено в формуле (4.6), где влияние задержки учтено через составляющую I_d. Необходимо определить, какая задержка допустима при пакетной передаче речи.

В результате исследований качес­тва речевого сигнала было установлено, что человек начинает чувствовать задержки речевого сигнала, превышающие 150 мс, и ощущает заметный дискомфорт, если задержка превышает 250 мс.

Позднее были проведены масштабные ис­следования влияния сетевой за­держки на качество телефонного разговора, в соответствии с которыми, рекомендуемый порог задержки при передаче речи по пакетной сети равен 150 мс. При задержке 300 мс разговор распадается на фрагменты, кото­рые невозможно связать в слит­ную речь.

Сквозная задержка доставки пакета D_d («из конца в конец») определяет­ся как сумма четырех составля­ющих:

D_d =D_p + D_nk+ D_nn + D_bd , (4.7)

где D_p - задержка распростране­ния: время прохождения электри­ческого сигнала в металлическом или волоконно-оптическом кабе­ле или в беспроводной среде. Это время зависит от физического расстояния между точкой входа и точкой выхода из сети;

D_nk - задержка пакетизации: время, которое необходимо за­тратить в кодеке для преобра­зования аналогового сигнала в цифровой и формирования па­кета.

Как видно из табл. 4.3, чем ниже скорость сигнала на выходе кодека, тем выше задержка пакетизации, поскольку кодек тра­тит больше времени на процес­сы компрессии и декомпрессии сигнала;

D_nn - задержка переноса па­кета: время прохождения пакета через все устройства сети, рас­положенные вдоль пути переда­чи пакета, включая маршрутиза­торы, шлюзы, сетевые экраны, обработчики трафика, сегменты сети с относительно малой про­пускной способностью в условиях перегрузки и т. д.

Для некоторых устройств, например, синхронных мультиплексоров, эта величина постоянна, для других, таких, как маршрутизаторы, задержка пе­реноса меняется с изменением нагрузки в сети;

D_bd - задержка на приемной стороне в буфере джиттера: бу­фер джиттера используется для уменьшения вариаций между моментами поступления пакетов на вход приемного устройства. Буфер может накапливать от од­ной до нескольких датаграмм.

В соответствии с данными табл. 4. 3 типичный буфер джиттера накап­ливает две датаграммы и задерж­ка D_bd составляет от 20 до 30 мс в зависимости от типа кодека.

Можно сделать вывод, что задержка рас­пространения, задержки в коде­ке и буфере джиттера являются постоянными величинами для выбранного пути передачи паке­та, тогда как задержка переноса - случайная величина, завися­щая от условий в сети в конкрет­ный момент времени.

На рис. 4.8 показано, как задержки влияют на R-фактор и показатели МОS.

Рис. 4.8 - Влияние суммарной задержки на оценки МОS

и величину R-фактора

Для описания случайных изменений между моментами поступления после­довательных пакетов речи в приемник используется термин «джиттер» (вариация задержки).

Если моменты прибытия речевых пакетов в пункт назначе­ния становятся нерегулярными, то это ведет к искажению звукового сигнала, и при больших значени­ях джиттера, превышающих не­сколько десятков мс, речь стано­вится неразборчивой.

Потери пакетов определяются как процент пакетов, не достав­ленных к месту назначения. При передаче пакетов по сети возможны следующие причины потери пакета:

- при перегрузке сети очереди в коммутаторах и маршрутиза­торах быстро растут. Если пе­регрузка сохраняется в течение длительного времени, то происхо­дит переполнение буферов и па­кеты теряются;

- при наличии ошибок в пакета данных они могут быть пере­даны повторно в соответствии с запросом приемной стороны, а повторная передача па­кетов речи увеличивает задержку пакетов сети. Поэтому при пакетной передаче речи пакеты с ошибка­ми сбрасываются.

Потери речевых пакетов не должны превышать 1% в среднем на достаточно большом временном интервале. При больших значениях коэффи­циента потерь в восстановленной на приемной стороне речи возни­кают разрывы.

Таким образом, можно сделать вывод, что метод, основанный на субъ­ективных оценках, ис­пользуемый в телефонных сетях, не учитывает влияние вероятностно-временных характеристик сетей на качество передачи речи в пакетных сетях.

Главной особенностью Е-модели является то, что этот метод учитывает большой набор факторов, отражающих воздействие оконечных устройств и транспортной среды на качестве обслуживания в пакетной сети. Поэтому метод определения R-факто­ра, основанный на использовании Е-модели, мо­жет рассматриваться, как общая модель для объективной оценки качества передачи речи.

Показанная связь между субъективными оценками, основанными на модели MOS и R-фактором, может быть полезна как проектировщикам транспортных сетей, так и поставщикам телекоммуникационных услуг.