Качество IP-телефонии при мобильном доступе стандарта IEEE 802.11 Radio-Ethernet с использованием излучающего кабеля тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.17, кандидат технических наук Моторина, Екатерина Григорьевна

• Моторина, Екатерина Григорьевна
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Моторина, Екатерина Григорьевна

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПРИМЕРЫ МОБИЛЬНОГО ДОСТУПА СТАНДАРТА IEEE802.il RADIO-ETHERNET С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИЗЛУЧАЮЩЕГО КАБЕЛЯ.

1.1. Беспроводной абонентский доступ стандарта IEEE802.il

Radio - Ethernet.

1.2. Примеры реализации беспроводного абонентского доступа стандарта IEEE802.11 Radio - Ethernet.

1.3. Примеры реализации мобильного доступа стандарта

IEEE802.11 Radio-Ethernet.!.

2. СХЕМОТЕХНИКА МОБИЛЬНОГО ДОСТУПА СТАНДАРТА IEEE 802.11 RADIO-ETHERNET С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИЗЛУЧАЮЩЕГО КАБЕЛЯ

2.1. Общие сведения о стандарте IEEE802.il RadioEthernet.

2.2. Канальный уровень системы на основе стандарта 802.11.

2.3. Физический уровень системы на основе стандарта IEEE802.il Radio - Ethernet с использованием излучающего кабеля.

2.4. Выводы.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИОЛИНИИ ОГАНИЗОВАННОЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИЗЛУЧАЮЩЕГО КАБЕЛЯ ДЛЯ ЧАСТОТНЫХ ДИАПАЗОНОВ СТАНДАРТА IEEE 802.11 RADIO-ETHERNET.

3.1. Определение надежности связи для радиолинии организованной с использованием излучающего кабеля.

3.2. Определение вероятностных характеристик потока состояний радиолинии.

3.3. Выводы.

4. АНАЛИЗ КАЧЕСТВА IP-ТЕЛЕФОНИИ ПРИ МОБИЛЬНОМ ДОСТУПЕ СТАНДАРТА IEEE 802.11 RADIO-ETHERNET С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИЗЛУЧАЮЩЕГО КАБЕЛЯ.

4.1. Вероятностные характеристики речевого сообщения.

4.2. Методы и критерии оценки качества пакетной передачи речи.

4.3. Исследование зависимости вероятности потери пакета VoIP от надежности связи, обеспечиваемой радиолинией.

4.4. Исследование зависимости качества реконструкции речи от характеристик радиолинии при мобильном доступе стандарта IEEE 802.11 Radio-Ethernet с использованием излучающего кабеля.

4.5. Технико-экономическая эффективность предложенных решений.

4.6. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Качество IP-телефонии при мобильном доступе стандарта IEEE 802.11 Radio-Ethernet с использованием излучающего кабеля»

В настоящее время интегрированные телекоммуникационные сети, в которых сочетаются различные виды трафика и различные методы доступа являются достаточно эффективным решением для транспортных сетей мегаполиса (метрополитена, монорельсовой транспортной системы и т.д.), позволяя объединить различные виды и сети информационного обмена [1-3].

В них особенно рационально использование беспроводных сетей, обеспечивающих доступ мобильных абонентов к ресурсам сетей фиксированной связи.

С появлением стандарта Gigabit Ethernet широко распространенная технология локальных сетей Ethernet находит всё большее применение в построении магистральных сетей. С ней гармонично сочетается стремительно развивающаяся технология стандарта IEEE 802.11(802.16), так называемый, «Radio Ethernet»- технология беспроводных сетей в диапазоне 2,4 ГГц и других высокочастотных диапазонах.

Весьма эффективным становится совместное использование технологии Radio-Ethernet и технологии излучающих кабелей. Такой симбиоз технологий использован и в проекте Единой многофункциональной цифровой сети связи (ЕМЦСС) Бутовской линии Московского метрополитена, выполненном кафедрой "Радиотехника и электросвязь" МИИТа и ЗАО "Альпина текнолоджис"[4-7], а так же реализован ЗАО "Альпина текнолоджис"[8] в сетевой инфраструктуре информационного обмена и оперативно-технологической связи (СИИО и ОТС) Московской монорельсовой транспортной системы (ММТС).

В данной диссертационной работе рассматриваются вопросы аналитической оценки качества IP-телефонии при мобильном доступе стандарта IEEE 802.11 Radio Ethernet с использованием излучающего кабеля.

В условиях преимущественного использования в настоящее время субъективных методов оценивания качества восстановления речи актуальность оценки аналитической достаточно высока.

Цель работы состоит в разработке методов и математического аппарата аналитического оценивания качества речи, при ее пакетной передаче по недостаточно надежной радиолинии, их приложении к оцениванию качества IP-телефонии при мобильном доступе с использованием излучающего кабеля.

Реализуется следующая последовательность решения задач диссертационной работы:

1. Обзор примеров реализации и схемотехники мобильного доступа стандарта IEEE 802.11 Radio Ethernet в том числе с использованием излучающего кабеля.

2. Описание структурной схемы цифровой радиолинии стандарта 802.11b, использующей излучающий кабель. Систематизация исходных данных к расчету радиолинии, аппроксимация зависимости от доступной мощности системы надежности связи радиолинии, использующей триаксиальные излучающие кабели, для диапазонов 160,450 и 900 МГц.

3. Совершенствование методики определения надежности связи для радиолинии с использованием излучающего кабеля. Разработка методики определения вероятностных характеристик потока состояний радиолинии.

4. Разработка методики анализа качества IP-телефонии, в том числе при мобильном доступе стандарта IEEE 802.11 Radio Ethernet с использованием излучающего кабеля. Исследование зависимости вероятности потери пакета VoIP (Voice over IP - VoIP) от надежности связи, обеспечиваемой радиолинией для алгоритма передачи пакетов без адаптации к состоянию радиолинии и для предложенного в диссертации алгоритма передачи пакетов с адаптацией к состоянию радиолинии.

5. Исследование зависимости качества реконструкции речи от характеристик мобильного доступа стандарта IEEE 802.11 Radio Ethernet с использованием излучающего кабеля.

Диссертация основывается на результатах:

- фундаментальных работ теории информации В.А.Котельникова, Н. Винера, К. Шеннона и др.

- теоретических и прикладных исследований по обработке и передаче речи Дж.Беллами, А.И.Величкина, М. Д.Бенедиктова, Г.В.Вемяна, В.Н.Гордиенко, Г.В.Горелова, А.Г.Зюко, Г.В. Кузнецова, М.В. Назарова, О.Н.Ромашковой, А.Ф. Фомина и др.

- теоретических и прикладных исследований цифровых средств и систем передачи информации Л.А.Баранова, И.А.Лозового, А.П.Мановцева, Н.И.Пилипчук, В.П.Яковлева и др.

На защиту выносятся следующие основные положения и результаты исследования:

- методика определения надежности связи для радиолинии с использованием излучающего кабеля и определения вероятностных характеристик потока состояний радиолинии;

- методика анализа качества IP- телефонии, в том числе при мобильном доступе стандарта IEEE 802.11 Radio Ethernet с использованием излучающего кабеля. Зависимости вероятности потери пакета VoIP от надежности связи, обеспечиваемой радиолинией для алгоритма передачи пакетов без адаптации к состоянию радиолинии и для предложенного в диссертации алгоритма передачи пакетов с адаптацией к состоянию радиолинии;

- результаты оценивания качества реконструкции речи при мобильном доступе стандарта IEEE 802.11 Radio Ethernet с использованием излучающего кабеля.

В работе использованы методы теории вероятностей, математического анализа, теории массового обслуживания.

Научная новизна определяется разработкой методики и результатами аналитического оценивания качества передачи речи в сетях беспроводного доступа (в том числе мобильного доступа стандарта IEEE 802.11 Radio Ethernet с использованием излучающего кабеля) для алгоритма передачи пакетов IP-телефонии без адаптации к состоянию радиолинии и для предложенного в диссертации алгоритма передачи пакетов с адаптацией.

Практическое значение заключается в том, что разработанный аналитический аппарат предоставляет возможность получения объективных оценок (по критерию разборчивости) качества восстановления речи в современных сетях беспроводного доступа и может быть использован при анализе качества восстановления речевых сообщений и проектировании таких сетей.

Заключение диссертации по теме «Теоретические основы информатики», Моторина, Екатерина Григорьевна

5. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

На основании выполненных исследований можно сделать следующие выводы

1. Введены и систематизированы исходные данные к расчету радиолинии, использующей симбиоз технологии Radio-Ethernet и технологии триаксиальных излучающих кабелей. Устранены неточности в представлении зависимостей потерь на излучения от длины пути мобильного объекта вдоль излучающего кабеля. Введено понятие «идеализированная радиолиния ».

Предложена аппроксимация зависимости от доступной мощности системы надежности связи радиолинии, использующей триаксиальные излучающие кабели, для различных диапазонов рабочих частот.

2. Для таких радиолинии, разработана методика определения надежности связи, учитывающая затухания и усиления элементов пассивных и активных компонентов. Определены зависимости надежности от основных параметров радиолинии.

3. Определены вероятностные характеристики потока состояний радиолинии, в которых передача информации невозможна, - состояний блокирования. Для различных диапазонов рабочих частот получены распределения вероятностей длины участков блокирования, распределения вероятностей количества участков с различными временами блокирования (зависящими от скорости движения мобильного объекта), а также плотности распределения вероятностей времени блокирования.

4. Для использования в анализе качества IP-телефонии вычислены и аппроксимированы усредненные по времени корреляционные функции речевого сообщения для двух его моделей (в том числе - для модели, представленной в рекомендации Р.51 ITU-T). Приведено их сопоставление с другими известными аппроксимациями. Показано их практически полное совпадение в области значений аргумента, не превышающих интервал корреляции. Показано, что корреляционная функция речевого сообщения практически равна нулю при значениях аргумента, равных наиболее часто используемым длительностям пакета IP-телефонии (10 и 20 мс). При длительности пакета 20 мс значение нормированной корреляционной функции при различных ее аппроксимациях составляет от 2 • 10-9 до 5 • 10 "3.

5. Для пакетной передачи речи, допускающей потери одиночных и нескольких подряд пакетов, получено выражение мощности шума реконструкции (восстановления) речевого сообщения путем замены каждого потерянного фрагмента речи (протяженностью, равной длительности речевого пакета) предыдущим такой же длительности. Это выражение конкретизировано для частного случая наиболее часто используемых длительностей пакета IP-телефонии (с использованием вывода п.4 о свойствах корреляционной функции речевого сообщения).

6. Предложена методика определения вероятности потери речевого пакета на основании данных о надежности связи, других характеристик радиолинии. Методика приложена к исследованию используемого алгоритма передачи пакетов без адаптации к состоянию радиолинии и предложенного в работе алгоритма с адаптацией.

Показано, что в условиях, когда применение алгоритма без адаптации приводит к неудовлетворительному качеству пакетной передачи речи по радиолинии, предложенный алгоритм с адаптацией позволяет реализовать пакетную передачу речи по радиолинии с удовлетворительным и хорошими качеством (по критерию слоговой разборчивости) для различных комбинаций значений параметров алгоритма и скорости движения мобильного объекта.

На примере конкретной радиолинии показано, что, снижая качество воспроизведения речи от отличного до хорошего или удовлетворительного, можно увеличивать требуемую длину усилительного участка на 9,9 или 18,9% (при алгоритме без адаптации) и на 12,6 или 36,1% (при алгоритме с адаптацией) соответственно. При этом достигается экономия в капитальных затратах на оборудование СИИО и ОТС за счет уменьшения количества усилителей от 0,8 до 2,9%.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Моторина, Екатерина Григорьевна, 2006 год

1. Концепция создания цифровой сети связи МПС. Министерство путей сообщения РФ, 1997.

2. Сеть связи железнодорожного транспорта Российской федерации. Системный проект. Министерство путей сообщения РФ, 2000

3. Руководящий технический материал по построению первичной сети технологического сегмента (РТМ 32 ЦИС 10.12-2002). Утвержденный Департаментом информатизации и связи МПС РФ 18.11.2002 г. М.: ВНИИУП МПС России, 2002. - 115 с.

4. Горелов Г.В., Ромашкова О.Н. Оценка качества обслуживания в сетях с пакетной передачей речи и данных. Статья.//Вестник Российского университета дружбы народов. Серия Прикладная и компьютерная математика, Т.2.- 2003.-№1. -С.23-31

5. Горелов Г.В., Казанский Н.А., Ромашкова О.Н. и др. Многофункциональная цифровая сеть связи для транспортной системы в условиях мегаполиса//ВКСС Connect. 2003. - №4. - С.23-26.

6. Горелов Г.В., Ромашкова О.Н., Казанский Н.А. Единая многофункциональная сеть связи метрополитена // Научно-практическая конференция «Северный Рейн-Вестфалия в России». М., 2003

7. Проект Московской монорельсовой транспортной системы.

8. Горелов Г.В., Кудряшов В.А., Шмытинский В.В. и др. Телекоммуникационные технологии на железнодорожном транспорте; под ред. Г.В.Горелова. М.: УМК МПС России, 1999. -576с.

9. Ю.Решения для мобильных абонентов // Diamond communications// http://www.romb.net/topics/radio/?id=1711. http://www.nexter.ru/system/dev/orinocojpc.php

10. Карташевский В.Г., Семенов С.Н., ФирстоваТ.В. Сети подвижной связи. -М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 2001. 320с .

11. Излучающий кабель пи-Тгак//000"Юником трейдинг"// http://www.unicomm.ru

12. Горелов Г.В., Ромашкова О.Н., Чан Туан Ань. Качество управления речевым трафиком в телекоммуникационных сетях. М.: Радио и связь, 2001. -112с.

13. Пчелинцев А.В. Разработка методики оценки качества восстановления речи на фоне шумов, коррелированных с речевым сообщением: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., 2003.

14. Горелов Г.В., Ромашкова О.Н., Пчелинцев А.В. К оценке качества алгоритмов обработки речи в информационных сетях. // Телекоммуникации. -2001.-№8.

15. Горелов Г.В., Ромашкова О.Н., Пчелинцев А.В. Аналитическая оценка качества кодеков стандарта G.711 // Телекоммуникации. 2001г. - №5.

16. Горелов Г.В., Кочнов JI.JI., Пчелинцев А.В., Пчелинцева Н.М. К оценке качества полосного вокодера. Обработка сигналов в системах телефонной связи. 1998 С.71-74.

17. CCITT Volume V Section 4 Recommendation Р.51.-Р.85-93.

18. Величкин А.И. Теория дискретной передачи непрерывных сообщений. -М.: Сов.радио, 1970.-296 с.

19. Величкин А. М. Амплитудное ограничение речи.// "Акустический журнал". -1962.- вып.2.

20. Горелов Г.В., Казанский Н.А., Лукова О.Н. Методика оценки качества пакетной передачи речи в интегральных цифровых сетях. М.: Электросвязь.-1992.-№9 - С.31-32.

21. Баранов JI.A. Квантование по уровню и временная дискретизация в цифровых системах управления. М.: Энергоатомиздат, 1990.

22. Беллами Дж. Цифровая телефония. М.: Эко-Трендз, 2004. - 640 с.

23. Горелов Г.В., Кинтана М. Квантование по уровню при статистическом уплотнении цифровой системы передачи. //Радиотехника. -1992.- N3. С.3-4.

24. Вемян Г.В. Передача речи по сетям электросвязи. М.: Радио и связь, 1985.

25. CCITT Contribution Com.XII-N. Study period. vol.V, Q 1S/XII, Annex 3,4.

26. Фан Г. Акустическая теория речеобразования. -М.: Наука, 1964. -283с.

27. Сапожков М. А. Речевой сигнал в кибернетике и связи. М.: Связьиздат, 1963.

28. Римский-Корсаков А.В. Статистическое свойство радиовещательного канала.\\ Акустический журнал.- 1960.-№6.

29. ГОСТ Р 50840-95. Передача речи по трактам связи. Методы оценки качества, разборчивости и узнаваемости.

30. ITU-T Recommendation Р.861 (02/1998). Objective quality measurement of telephone-band (300-3 400 Hz) speech codecs.

31. ITU-T Recommendation P.862 (02/1998). Perceptual evaluation of speech quality(PESQ), an objective method for end-to-end speech quality assessment of narrowband telephone networks and speech codecs.

32. Жданов А.Г., Рассказов Д.А., Смирнов Д.А. и др. Передача речи по сетям с коммутацией пакетов (IP-телефония); под ред. Бабкова В.Ю., Вознюка М.А. СПб: СПбГУТ, 2001. - 148 с.

33. Гольдштейн Б.С., Пинчук А.В., Суховицкий A.JI. IP-телефония. М.: Радио и связь, 2001. - 336 с.

34. Вегешна Ш. Качество обслуживания в сетях IP. М.:«Вильямс», 2003. -368 с.

35. Гордиенко В.Н., Кунегин С.В., Шевелев С.В. Современные высокоскоростные цифровые телекоммуникационные системы. Ч. 5. Передачамультимедийного трафика по высокоскоростным IP-сетям: Учебное пособие / МТУСИ.-М., 2001.-35 с.

36. Фомин А.Ф. Оценка параметров сетей IP-телефонии // Информационные технологии. 2003. - №2. - С. 22-33.

37. Кульгин М.В. Коммутация и маршрутизация IP/IPX-трафика. М.:

38. КомпьютерПресс, 1998. 320 с.

39. Нейман В.И., Ромашкова О.Н. Современное состояние Интернет-телефонии // ВКСС. Connect. 2003. - № 1. - С. 90-107.

40. Лёвин В.А. Анализ качества обслуживания телефонного трафика в IP-сети с применением теории случайных процессов // ВКСС. Connect. 2002. - № 4.-С. 18-26.

41. Фомин А.Ф., Левин В.А. Мультисервисная сеть связи МПС // Автоматика, связь, информатика. 2001. - № 3. - С. 15-19.

42. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Новые технологии и оборудование 1Р-сетей.-СПб. :БВХ-Петербург, 2001. -512с.

43. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. СПб.: Питер, 2002. - 672 с.

44. Вентцель Е.С. Теория вероятностей: Учебник для вузов.-7-е изд. Стер. -М.: Высш.шк., 2001. -575 с.

45. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. -М.: "Советское радио", 1969 750 с.

46. Клейнрок Л. Теория массового обслуживания: Пер. с англ. И.И. Грушко/ Под ред. В.И. Неймана. М.: Машиностроение, 1979. - 432 с.

47. Клейнрок Л. Вычислительные системы с очередями: Пер. с англ. / Под ред. Б.С. Цыбакова. М.: «Мир», 1979. - 600 с.

48. Горелов Г.В. Нерегулярная дискретизация сигналов. -М.: Радио и связь, 1982. -256с.

49. Лившиц Б.С. Пшеничников А.П., Харкевич А.Д. Теория телетрафика. -М.: «Связь», 1979.-224 с.

50. Росляков А.В., Самсонов М.Ю., Шибаева И.В. IP-телефония. -М.: Эко-трендз, 2001. -272 с.

51. Горелов Г.В., Ромашкова O.K., Чан Туан Ань. Свойства энергетического спектра сообщения вьетнамской речи. // Тез. докл. Четвертая межрегиональная конференция МНТО РЭС им. А.С.Попова. М.,1995. - С. 100102.

52. Gorelov G., Romashkova О. Influence of russian, spanish and Vietnamese speech characteristics on digital information transmission quality. Proceedings of the IEEE Internatonal Symposium on Industrial Electronics. ISIE'96. Warsaw Vol 1. -P.311-313.

53. Горелов Г.В., Ромашкова O.H., Кинтана M. Моделирование спектральной плотности мощности испаноязычного речевого сообщения. Обработка сигналов в системе двусторонней телефонной связи. Тезисы докладов. Новосибирск, 1995. - С.30-32.

54. Величкин А.И. Передача аналоговых сообщений по цифровым каналам связи. М.: Радио и связь, 1983. - 240 с.

55. Фомин А.Ф. Помехоустойчивость систем передачи непрерывных сообщений. М.: Советское радио, 1975. - 352 с.

56. Каллер М.Я., Фомин А.Ф. Теоретические основы транспортной связи. -М.: Транспорт, 1989.

57. Мановцев А.П.Основы теории радиотелеметрии. М.: Энергия, 1973.

58. Слепов Н.Н. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи М.: «Радио и связь», 2000. - 468с.: ил.

59. Гольдштейн Б.С. Протоколы сети доступа. М.: «Эко-Трендз», 2005. -288 с.

60. Горелов Г.В., Ромашкова О.Н., Моторина Е.Г. Применение беспроводного доступа по стандарту Radio-Ethernet // Автоматика, связь, информатика. 2004. - №12.- С.5-7.

61. Горелов Г.В., Ромашкова О.Н., Моторина Е.Г, Ширинский Д.А. Радиолиния единой многофункциональной цифровой сети связи метрополитена // ВКСС Connect.- 2003.- №6. С.79-83.

62. Горелов Г.В., Моторина Е.Г., Подворный П.В. Расчет радиолинии диапазона 450 МГц // Труды научно-практической конференции Неделя науки-2004 «Наука транспорту».- М.:МИИТ, 2005. C.III-16 - III-17.

63. Горелов Г.В., Моторина Е.Г., Подворный П.В., Карпов А.В. Качество IP-телефонии по радиолинии с использованием излучающего кабеля. // Автоматика, связь, информатика.- 2005.-№7.- С. 15-16.

64. Моторина Е.Г., Кривошеина Е.А. Исследование зависимости качества реконструкции речи от характеристик радиолинии,http://www.miit.ru/institut /isute/ faculties/re/articlesl .htm

65. Моторина Е.Г. и др. Актуальные вопросы исследования телекоммуникационных систем и ceTefi.//Advances in Electrical and Electronic Engineering.GrioBaKmi Жилина.-2006.-№ 1(в печати)