Исследование и разработка современных объективных методов оценки качества передачи речевой информации при мобильной связи тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат технических наук Бокуняев, Кирилл Александрович

• Бокуняев, Кирилл Александрович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бокуняев, Кирилл Александрович

Введение.5

Глава 1. Анализ структуры речевого сигнала и качества услуг в мобильной связи.12

1.1. Особенности оценки качества передачи речевой информации по каналам мобильной связи.12

1.2. Структура речевого сигнала.15

1.3. Классификация помех, присутствующих в каналах мобильной связи.22

1.4. Качество услуг телефонной сети мобильной связи.23

1.4.1. Концепция качества услуг.23

1.4.2. Концепция характеристик сети.26

1.4.3. Перечень показателей качества услуг подвижной связи.28

1.4.4. Методы проведения испытаний качества услуг.30

1.4.4.1. Опрос клиентов.30

1.4.4.2. Анализ статистических данных.39

1.4.4.3. Анализ обращений клиентов.47

1.4.4.4. Контрольно-измерительная аппаратура.48

1.5. Выводы по разделу 1.51

Глава 2. Разработка математических основ современных методов оценки качества передачи речевой информации по каналам мобильной связи.53

2.1. Особенности контроля качества передачи речи.53

2.2. Субъективные методы контроля качества передачи.56

2.3. Численная оценка качества передачи информации по мобильным каналам связи при объективных методах контроля.70

2.4. Оценка качества передачи по критерию громкости.76

2.5. Оценка качества передачи по критерию разборчивости.78

2.6. Оценка качества передачи по критерию натуральности.82

2.7. Выводы по разделу 2.

ГлаваЗ. Разработка алгоритма работы устройства контроля качества передачи речи по каналам МТС и создание имитационной модели.88

3.1. Критерий эффективности объективной оценки качества передачи речи при различных методах контроля.88

3.2. Новая методика объективной оценки качества передачи речевой информации по каналам мобильной связи.90

3.3. Выбор места подключения устройства контроля качества передачи речевой информации по каналам мобильной связи.95

3.4. Функциональная схема устройства контроля качества передачи речи при мобильной связи.100

3.5. Алгоритм работы устройства объективной оценки качества передачи речевой информации.102

3.6. Имитационная модель эксперимента, определяющего работоспособность устройства объективной оценки качества передачи речевой информации по каналу мобильной связи.108

3.7. Выводы по разделу 3.114

Глава 4. Анализ результатов эксперимента исследования объективного метода оценки качества передачи речевой информации по каналам мобильной связи на базе имитационной модели.116

4.1. Необходимость анализа результатов имитационного моделирования.116

4.2. План проведения эксперимента исследования объективного метода оценки качества передачи речевой информации по каналам мобильной связи.

4.3. Разработка математической основы имитационной модели.117

4.4. Программная реализация метода объективной оценки качества передачи РС.126

4.5. Анализ результатов машинного модулирования.13 0

4.6. Предложения по усовершенствованию параметров мобильных телефонных аппаратов (по результатам оценки качества передачи речевой информации).

4.7. Выводы по разделу 4.142

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка современных объективных методов оценки качества передачи речевой информации при мобильной связи»

Актуальность темы.

Развитие телекоммуникационных систем является приоритетной задачей мирового сообщества на современном этапе. Приоритетность развития телекоммуникационных систем вытекает из роли, которую они играют сегодня в экономике и промышленности, науке и культуре, строительстве и т.д., образуя информационную инфраструктуру, объединяющую людей во всём мире.

Эта инфраструктура не только неограниченно расширяет сенсорные и речевые возможности людей, позволяя им общаться в любом месте, в любое время, но и усиливает их интеллектуальные возможности, а также создает новые виды услуг.

Современные телекоммуникационные системы и сети явились синтезом развития двух, исходно независимых сетей - сетей связи и вычислительных сетей. Все современные сети строятся на основе применения новых электронных систем уплотнения и коммутации, поэтому цифровизация является решающей в переходе к современной сети связи. Как известно, в понятие цифровизации сети электросвязи вкладывается создание возможностей передачи и распределения любых информационных потоков цифровыми методами. Отсюда, степень цифровизации сети может быть выражена через значения удельного веса информационных потоков, передаваемых цифровыми методами, в общем объёме этих потоков. От степени цифровизации зависит возможность развития полностью цифровых сетей, создающих для пользователей новые виды услуг.

Естественно, чем выше степень цифровизации, тем больше возможностей у пользователей для получения этих новых услуг, тем большими объёмами информации они могут обмениваться.

К настоящему времени цифровая передача речевых сигналов (РС) по каналам мобильной связи (КМС) получила широкое распространение. Построением аппаратуры передачи РС сигналов и организацией сетей цифровых КМС занимаются в большинстве стран. В настоящее время важным направлением является развитие сети мобильной связи, причём вместе с повышением качества передачи необходимо улучшать экономические показатели каналов и трактов мобильной связи. Передача РС в цифровой форме позволяет решить эти задачи. Цифровые системы передачи сигналов РС интенсивно внедряются на мобильных сетях большинства развитых стран.

Широкое и интенсивное развитие цифровой передачи РС связано с хорошо известными преимуществами цифровых методов передачи аналоговых сигналов. При передаче РС, в связи с высокими требованиями к качеству передачи, эти преимущества проявляются наиболее отчётливо.

Отметим основные из этих преимуществ. Высокая помехоустойчивость цифровой передачи позволяет организовать высококачественную передачу РС по направляющим средам, имеющим сравнительно низкие качественные показатели, например по открытому эфиру.

Отсутствие влияния протяжённости линейного тракта на качество передачи. Качество передачи РС определяется только оконечным каналообразующим оборудованием и практически не зависит от протяженности линейного тракта, числа цифровых транзитов, коммутации и обработки цифрового сигнала.

Высокая стабильность параметров каналов, вытекающая из предыдущих свойств, определяет простоту эксплуатации КМС, поскольку обычно не требуется настроек и регулировок в процессе эксплуатации.

Значительное увеличение гибкости при построении сети КМС, связанное с практически неограниченным числом цифровых транзитов, простотой цифрового выделения и ввода РС, простотой коммутации в интегральной цифровой сети связи. В перспективе открывается возможность создания полностью цифровых каналов, не имеющих НЧ транзитов.

Значительное увеличение возможностей обработки РС, представленных в цифровой форме. Цифровое представление сигнала позволяет осуществлять весьма сложные операции для различных преобразований сигнала, например для устранения избыточности.

Упрощение эксплуатации каналов, которое помимо указанной выше стабильности параметров связано с уменьшением числа контролируемых параметров. В пунктах цифрового транзита РС практически приходится контролировать только наличие сигнала и достоверность его передачи. При этом переключение трактов не требует проведения измерений и контроля параметров. Упрощается автоматизация процессов управления и контроля, а также ремонта аппаратуры.

Значительно упрощается процесс производства цифровой аппаратуры передачи и приёма РС по сравнению с производством аналоговой аппаратуры. Это особенно относится к высококачественному абонентскому оборудованию (телефонному аппарату - «мобильнику»), производство которого в настоящее время связано с большими трудозатратами. Использование цифровых микросхем позволяет удешевить изготовление, существенно уменьшить габариты, повысить надёжность аппаратуры. Открываются большие возможности усовершенствования аппаратуры в связи с появлением новых типов цифровых БИС, сигнальных микропроцессоров и т. п.

Так как передача сигналов РС происходит на различные расстояния, то появляется необходимость контроля качества передачи этой информации. Качество передачи речевой информации по каналам мобильной связи оценивается различными методами (субъективными, квазисубъективными и объективными).

Существующие субъективные методы оценки качества, с точки зрения автоматизации процесса контроля, обладают следующими недостатками: необходимость привлечения многочисленной тренированной артикуляционной бригады операторов и аудиторов; трудоемкость и длительность проведения измерений и обработки полученных результатов; необходимость в специально оборудованных помещениях с малым уровнем шума; необходимость прерывания связи на время проведения испытаний и др.

Квазисубъективные методы также имеют ряд недостатков, на которые следует обратить внимание: наличие объёмного парка измерительного оборудования; высокая стоимость измерительного оборудования, из-за его универсальности; необходимость прерывания связи на время проведения испытаний и др.

Поэтому, актуальным является совершенствование существующих субъективных и квазисубъективных методов оценки качества передачи речевой информации, а также разработка нового объективного метода оценки качества речевых сигналов звукового, имеющего повышенную точность оценки и возможность контроля без перерыва связи.

В данной работе сделана попытка изложить основные методы, используемые для оценки качества передаваемых PC по KMC и спроектировать устройство, которое на практике реализует данную задачу.

Цель и задача работы. Целью диссертационной работы является: - создание усовершенствованного объективного метода оценки качества передачи речевых сигналов по КМС и рассмотрение возможности его технической реализации; дать рекомендации по возможности изменения необходимых параметров абонентского аппарата (мобильника) в случае отклонения реальных показателей качества от нормативных значений. Задачами исследований являются:

- анализ существующих методов оценки качества передачи РС по КМС;

- исследования спектральных и вероятностных характеристик РС;

- разработка численного метода определения интегрального критерия оценки качества;

- разработка основных составляющих интегрального критерия объективного метода оценки;

- разработка метода определения основных составляющих интегрального коэффициента качества передачи РС;

- разработка математического аппарата для решения предлагаемого метода оценки качества, а также составление на его основе обобщённого алгоритма технической реализации;

- разработка математических основ и логической структуры алгоритма действия имитационной модели, реализующей предлагаемый метод оценки качества передачи РС по КМС;

- рассмотрение возможности практической реализации устройства объективной оценки качества передачи РС по КМС;

- разработка рекомендаций по воздействию на параметры абонентского аппарата мобильной связи.

Методы исследования. В работе используются методы численного анализа, теории спектрального анализа, теории дискретизации и цифровой обработки сигналов, а также имитационное моделирование на ЭВМ.

Научная новизна настоящей работы заключается в следующем:

- предложен новый метод объективной оценки качества передачи PC по КМС, который учитывает удельный вес всех показателей качества (громкости, разборчивости, натуральности) и позволяет автоматически контролировать и адекватно оценивать качество передачи PC;

- разработан алгоритм работы и функциональная схема устройства оценки качества передачи PC по КМС. Определено место его расположения;

- разработаны рекомендации воздействия на параметры абонентского аппарата мобильной связи по результатам определения реального интегрального коэффициента качества передачи PC по КМС.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанный метод объективной оценки качества передачи PC по КМС позволяет:

- получить достоверный результат измерения;

- автоматизировать процесс контроля качества без прерывания связи;

- использовать разработанные модели при создании устройства оценки качества при мобильной связи (УОКМС) и предоставить возможность предприятиям изготовителям модернизировать абонентский аппарат мобильной связи.

УОКМС, реализованное на основе системы мониторинга микропроцессоров, уже применяемых в разработанных абонентских аппаратах мобильной связи (А AMC), либо во вновь создаваемых А AMC.

Результаты диссертационной работы в виде алгоритма, математических и имитационных моделей УОКМС и его среды функционирования приняты для разработки опытного образца устройства контроля в НИИР, а также внедрены в учебный процесс МТУСИ, что подтверждается соответствующими актами о внедрении.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава МТУСИ и на научных сессиях, посвящённых дню радио (РНТОРЭС им. A.C. Попова) в 2003-2006 гг.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработка усовершенствованного объективного метода оценки качества вызвана появлением интеграционных услуг и необходимостью обеспечения автоматического контроля по основным прямым показателям без перерыва связи. Существующие субъективные, квазисубъективные и объективные методики не в полной мере удовлетворяют предъявляемым требованиям.

2. Оценку качества передачи PC по КМС целесообразно проводить по интегральному критерию, учитывающему удельный вес основных показателей качества (громкости, разборчивости, натуральности).

3. Составляющие интегрального коэффициента качества передачи PC по КМС целесообразно определять, используя комбинированную методику - сочетание статистического и спектрального методов.

4. Разработанная имитационная модель, для проведения оценки качества передачи PC, позволяет с достаточной степенью точности определить его конкретную величину.

5. Результаты, полученные при имитационном моделировании, подтверждают целесообразность создания усовершенствованного объективного метода оценки качества передачи PC по КМС.

Заключение диссертации по теме «Системы, сети и устройства телекоммуникаций», Бокуняев, Кирилл Александрович

4.7. Выводы по разделу 4.

1. Имитационное моделирование усовершенствованного метода объективной оценки с приемлемой степенью достоверности отражает реальный процесс контроля качества передачи РС по каналам мобильной связи без перерыва ведения переговора.

2. С использованием разработанного прикладного программного обеспечения проведён эксперимент объективной оценки влияния различного вида шумов, а также структур абонентских линий и каналов мобильной связи на качество передачи РС.

3. УОКМС позволяет обеспечить оценку качества с требуемой достоверностью при проведении переговоров со средней длительностью 3 минуты.

4. Использование предложенной методики оценки, получаемой с помощью УОКМС, может дать высокую точность измерения качества передачи, обеспечивающую величину относительной погрешности измерения не более 2,5%, при статистическом усреднении результатов измерений 30 тестовых программ.

5. Анализ результатов экспериментальных исследований доказывает работоспособность устройства и метода объективного контроля качества передачи речевой информации. УОКМС, технически реализованное на базе сигнального процессора А08Р2191, способно работать с группой цифровых каналов в потоке Е1 и др.

144

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В заключении сформулированы основные результаты выполненной работы:

1. Проведённый анализ существующих методов оценки качества передачи РС показал, что применяемые ранее субъективные и объективные методы в настоящее время менее эффективны по сравнению с предлагаемым объективным методом.

2. С целью совершенствования метода объективного контроля качества разработан интегральный критерий оценки, использующий цифровую пятибалльную шкалу. В состав интегрального критерия включены следующие основные критерии: громкость, разборчивость, натуральность.

3. Разработаны математические модели и обобщённый алгоритм метода объективного контроля качества. Результаты, полученные путём усреднения оценок более 30 трансляций, позволяют получить оценку с требуемой достоверностью.

4. Практическая реализация предлагаемого объективного метода возможна при использовании корреляционного принципа обнаружения РС на фоне шумов, позволяющего дифференцировать значимость каждой из составляющих в интегральную объективную оценку качества передачи с учётом степени субъективного мешающего воздействий этих факторов.

5. Разработана функциональная схема УОКМС и рассмотрен вариант подключения устройства объективного контроля к каналу, позволяющий без перерыва связи оценить качество передачи. Здесь УОКМС должен подключаться в точки входа - выхода канала связи.

6. Разработаны математические основы имитационной модели, реализующей предлагаемую методику, отвечающую требованиям руководящих документов и международной рекомендации МСЭ-Т.

7. Разработаны логический алгоритм и прикладное программное обеспечение имитационной модели метода объективного контроля качества, позволяющие оценить влияние структур абонентских линий и каналов, а также разновидности видов шума на качество передачи информации РС.

8. С помощью имитационного моделирования получен результат оценки качества передачи речевой информации при разных степенях воздействия мешающих факторов. Анализ результата показал, что:

- УОКМС способно оценить влияние мешающих факторов в виде шума;

- с использованием УОКМС может быть достигнута высокая точность измерения качества передачи, обеспечивающая величину относительной погрешности измерения не более 2,5%, при статистическом усреднении результатов измерений 30 тестовых программ.

10. Анализируя результаты экспериментальных исследований на имитационной модели, целесообразно рекомендовать применять УОКМС в процессе эксплуатации как эффективное средство автоматического контроля качества передачи РС по каналам мобильной связи.

146

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бокуняев, Кирилл Александрович, 2007 год

1. Цыбулин М.К., Бокуняев К.А. Особенности оценки качества передачи речевой информации по каналам мобильной связи. // Электросвязь.-2003- № 10-с. 18-20.

2. Цыбулин М.К., Бокуняев К.А. Численные методы оценки качества передачи речевой информации по каналам мобильной связи. // Электросвязь.-2004- № 3 -с. 20-22.

3. Цыбулин М.К., Бокуняев К.А. Интегральная оценка качества передачи речевой информации по каналам мобильной связи. // Вестник связи.-2003- № 9 -с. 83-85.

4. Бокуняев К.А. Цыбулин М.К. Методы оценки показателей качества передачи информации по каналам мобильной связи. Международный форум информатизации. Труды конференции «Телекоммуникационные и вычислительные системы». М.- 2006,- с. 139-141.

5. Бокуняев К.А. Цыбулин М.К. Концепция качества услуг телефонной сети мобильной связи. Международный форум информатизации. Труды конференции «Телекоммуникационные и вычислительные системы». М.- 2006.- с. 141-143.

6. Цыбулин М.К., Бокуняев К.А. Новая усовершенствованная методика объективной оценки качества передачи речевой информации. Международный форум информатизации. Труды конференции «Телекоммуникационные и вычислительные системы». М.-МТУСИ.-2003,-с. 183.

7. Бокуняев К.А. Обзор отечественной и зарубежной нормативной базы, регламентирующей качество предоставления услуг телефонной связи. Труды ЬУШ научной сессии, посвященной Дню Радио. М.- 2003. с. 150-152.

8. Бокуняев К.А. Анализ распределения междугородного и международного обмена по времени и направлениям связи операторов

9. Московского региона. Труды LVIII научной сессии, посвященной Дню Радио. М.- 2003. с. 152-155

10. Бокуняев К.А. Об оценке качества передачи информации по эхозащищенным каналам. Труды ЬУН научной сессии, посвященной Дню Радио. -М.- 2002. Том.1.

11. Разработка системно-технических решений развития сети связи ОАО МГТС на перспективу (Концепция развития ОАО МГТС): отчет НИР по техническому заданию Министерства связи и информатизации

12. Российской Федерации, ОАО МГТС, ОАО Связьинвест. Руководитель темы: Шуголь А.А. Исполнители: Бокуняев К.А., Варакин JI.E., Кучерявый А.В., Степанов С.Н. и др. М.- ОАО НТП «Интеллект Телеком»- 2003.-е. 471.

13. Тихвинский В.О., Володина Е.Е. Подвижная связь третьего поколения. Экономика и качество услуг. М.: Радио и связь, Горячая линия -Телеком, 2005 - 240 с.

14. Рынок сотовой связи в 2005 году, http://www.sotovik.ru/

15. Вемян Г.В. Передача речи по сетям электросвязи. М.: Радио и связь, 1985-272 с.

16. Руководящий документ Министерства РФ по связи и информатизации РД 45.254-2002 «Нормы на показатели качества услуг связи и методики проведения их оценочных испытаний»

17. ITU-T Recommendation Е.800 (08.1994) Terms and definitions, related to Quality of Services and network performance including dependability

18. Рихтер С.Г. Цифровое радиовещание. M.: Горячая линия Телеком, 2004-350 с.

19. Анализ структуры речевых сигналов, http://www.telcenter.ru/

20. Параметры первичных сигналов, http://www.kunegin.narod.ru/

21. Гордиенко В.Н., Тверецкий М.С. Многоканальные телекоммуникационные системы. М.: Горячая линия Телеком, 2005 -414 с.

22. Бабков В.Ю., Полынцев П.В., Устюжанин В.И. Качество услуг мобильной связи. Оценка, контроль и управление. М.: Горячая линия - Телеком, 2005 - 160 с.

23. Битнер В.И., Попов Г.Н. Нормирование качества телекоммуникационных услуг. М.: Горячая линия - Телеком, 2004. -312 с.

24. CCITT Recommendation E.432. Telephone network and ISDN quality of service, network management and traffic engineering. Connection quality. Geneva, 1992

25. ITU-T Recommendation P.82. Blue book, volume V. Telephone transmission quality. Subjective opinion tests. Method for evaluation of service from the standpoint of speech transmission quality, 1993

26. ЗЗ.Минашкин В.Г., Гусынин А.Б., Садовникова H.A., Шмойлова Р.А. Курс лекций по теории статистики. М.: ММИЭИФП, 2003 - 189 с.

27. ITU-T Recommendation Р.800 (08/96). Methods for subjective determination of transmission quality

28. Фаерберг О.И., Шварцман B.O. Качество услуг связи. М.: ИРИАС, 2005-152 с.

29. Шварцман B.O. QoS система гарантированного качества услуг. // Век качества, 2001. - № 6

30. Мишенков C.JL, Рихтер С.Г., Прилипко В.И. Сертификация услуг звукового вещания. Учебное пособие. М.: МТУСИ, 1997 - 63 с.

31. Федеральный закон «О связи». 3-е изд. - М.: Ось-89,2006 - 48 с.

32. Арцишевский В.В., Гольдштейн Б.С., Маршак М.А. Тестирование качества функционирования сети связи общего пользования

33. ITU-T Recommendation G.107. International telephone connections and circuits General definitions. The E-model, a computational model for use in transmission planning. 03/2003

34. Нгуен Фи Туен, Цыбулин М.К., Еншель Х.И. Новый объективный метод оценки разборчивости речевой информации, передаваемой по каналу связи // Электросвязь, 1999. № 8. - с. 31-32

35. Цыбулин М.К., Бочаров М.О., Горохов Г.Л. Оценка качества передачи речевой информации // Вестник связи, 2006. № 3. - с. 58-60

36. ГОСТ Р 51061-97 «Системы низкоскоростной передачи речи по цифровым каналам. Параметры качества речи и методы измерений»

37. Ратынский М.В. Основы сотовой связи / Под ред. Д.Б. Зимина. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 2000 - 248 с.

38. Цыбулин М.К., Нгуен Туен Фи. Модернизация объективных методов оценки качества передачи речевой информации по каналам связи // Тезисы докладов LII научной сессии, посвященной Дню Радио. М. -1997. - с.103-104

39. Руководящий документ Министерства РФ по связи и информатизации РД 45.151-2000 «Программа и методика технических испытаний системы сотовой радиотелефонной связи стандарта GSM при приемке и вводе в эксплуатацию законченного строительством объекта связи»

40. Нгуен Суан Зунг. Совершенствование современных методов оценки качества передачи речевой информации по каналам связи, оборудованным эхоподавителями. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., 2001

41. Цыбулин М.К., Нгуен Туен Фи. Новый теоретический метод оценки разборчивости // Тезисы докладов LUI научной сессии, посвященной Дню Радио. М., 1998. - с.103-104

42. Баева H.H., Гордиенко В.Н., Курицын С.А. и др. Многоканальные системы передачи: Учебник для ВУЗов. / Под ред. Баевой H.H., Гордиенко В.Н. М.: Радио и связь, 1997. - 560 с.

43. Сперанский B.C. Цифровые сигнальные процессоры и их применение в РТС. Учебное пособие. М: МТУСИ, 1997

44. Сперанский B.C., Косичкина Т.П. Изучение цифрового сигнального процессора ADSP2181. М.: МТУСИ, 2003 16 с.

45. Вербовецкий A.A. Основы компьютерных технологий и современные ПК. М.: Алекс, 2002 - 264 с.

46. Руководство пользователя по сигнальным микропроцессорам семейства ADSP-2100/ Перевод с англ. О.В. Луневой; под редакцией А.Д. Викторова. СПб.: СПГЭУ, 1997 - 520 с.

47. Соловьев А. Новые цифровые процессоры обработки сигналов фирмы Analog Devices // Компоненты и технологии, 2000 № 1059.http://www.analog.com/ сайт Analog devices, Inc.

48. ADSP-219x/2192 DSP. Hardware Reference. Analog Devices, Inc. Revision 1.1, April 2004