Elektrotehniški vestnik 74(3): 159-165, 2007 Electrotechnical Review, Ljubljana, Slovenija
Nadgradnja E-modela za objektivno ocenjevanje vpliva potresavanja na zaznano kakovost govora v paketnih omreZjih
Iztok Humar, Primož Lamovsek, Uros Bogataj, Brane Meglic in Janez Bester
Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko, Tržaška c. 25, 1000 Ljubljana, Slovenija E-mail: iztok.humar@fe.uni-lj.si
Povzetek. Razcvet govorne komunikacije v omrežjih z internetnim protokolom spodbuja narašča nje potreb po analizi zaznane kakovosti govora v paketnih omrežjih. V prispevku predstavimo motnje, ki jih občutijo prenasani podatki v paketnih omrezjih. Predstavimo metode, ki so razvite in standardizirane za vrednotenje prejete kakovosti govora. Osredotočimo se na E-model, ki se pogosto uporablja za objektivno vrednotenje kakovosti govora in poudarimo njegovo pomanjkljivost: ne omogoča vrednotenja vpliva potresavanja na izmerjeno oceno. Za odpravo navedene pomanjkljivosti smo E-model nadgradili glede zmoznosti vrednotenja vpliva potresavanja v t.i. nadgrajeni E-model in ga v praksi implementirali v telefonskem vozlisču. Evalvacija je bila izvedena v sintetičnem okolju po primerjalni metodi z referenčno merilno opremo za objektivno ocenjevanje kakovosti govora. Rezultati kazejo na dobro ujemanje izračunanih ocen po nadgrajenem E-modelu z izmerjenimi ocenami referenčne merilne opreme.
Ključne besede: prenos govora po internetnem protokolu, vpliv omrezja na kakovost, ocenjevanje zaznane kakovosti, vpliv potresavanja na kakovost, E-model, srednja ocena mnenja (MOS)
Extention of the E-model for Objective Assessment of the Jitter Impact on the Perceived Voice Quality in Packet Networks
Povzetek. Popularisation of voice communication in packet 1 Uvod networks has induced the need for assessing the perceived
voice quality. In the paper, we first focus on the possi- Prenos govora po paketnih omrežijih z internetnim pro-ble disturbances to which the packet networks are exposed. , , , ,,T TT, ,r .	TT,s .	,
We then introduce methods for assessing the perceived voice tok°l°m (VoIP - Vmœ otct Ip) je m°zn°st za konver-quality that have been developed and standardised. Our im- genco klasičnih telefonskih storitev s storitvami sodob-
plementation is based °n the E-model frequently used for ob-	nih omrež ij IP, ki omogoč a uporabo številnih aplikacij iz jective assessments of the perceived voice quality. The model TT, . . ,	, . .
major disadvantage is its inability to correctly assess the ji-	sveta IP v okviru koncepta omrezij naslednje generacije
tter impact. In order to avoid this deficiency, we extended	(NGN - Next Generation Networks). Omre žja IP imajo
the E-model functionality by assesment of the jitter impact.	v primerjavi s klasi cnimi telefonskimi omre žji izrazito Our extended E-model was implemented in a communication
node. The evaluation was made in a synthetic environment	pomanjkljivost: prenas anim podatkom sama po sebi ne by using a comparative approach with a reference measure-	zagotavljajo kakovosti storitev (QoS - Quality of Serran equipment for objective voice quality assessment The	vice). Zaradi te pomanjkljivosti prena sani podatki pri results show high agreement of the estimated scores with the
scores provided by the reference equipment.	prehajanju skozi omrezje obcutijo razlicne vplive, ki se
kazejo kot motnje pri reproduciranju govora na strani
Ključne besede: Voice over Internet Protocol, Impact of	uporabnikov.
Packet Netwofl on ^jed QnaQty Perceptual QMity	Za upravljavca	omre zja je torej nujno, da ima
Assessment, Influence of Jitter on Quality, E-model, Mean	^	j j	j j j
Opinion Score (MOS)	moz nost nadzirati	kakovost prejete govorne storitve
_ uporabnikov, še posebno pa je dobrodošlo, če je tovrstni
nadzor kakovosti izveden v telefonskem vozli s cu, ker to omogoca avtomatsko in dosledno zbiranje in shranjevanje podatkov za vse vzpostavljene zveze. Zbrani podatki o kakovosti omogoc ajo alarmiranje upravljavcev in posledi cno izvedbo ustreznih akcij za izbolj sanje Prejet 20. januar, 2007	kakovosti ter so osnova za analizo, nacrtovanje in vo-
Odobren 8. maj, 2007	denje telekomunikacijskega omrezja.
Potrebno je, da sistem za nadzor kakovosti upošteva cim širši spekter vplivov paketnih omrežij na kakovost govora. V tej luci v drugem poglavju najprej predstavimo vplive paketnih omrežij na prenasane podatke. V tretjem poglavju predstavimo metode, ki so bile razvite in standardizirane za vrednotenje prejete kakovosti govora. V cetrtem poglavju se osre-dotocimo na E-model, ki se pogosto uporablja za merjenje kakovosti in je za izvedbo v telefonskem vozli s cu izbran zato, ker omogo ca najpreprostej so implementacijo. Njegova pomanjkljivost je, da ne omogoča vrednotenje vpliva potresavanja na oceno kakovosti. Zato ga v tem pogledu nadgradimo v model z raz s irjeno funkcionalnostjo, ki ga v prispevku poimenujemo nadgrajeni E-model. Ta model je v praksi implementiran v telefonsko vozlisce. Evalvacija, predstavljena v petem poglavju, je bila izvedena v sinteti cnem okolju po primerjalni metodi z referen cno merilno opremo za merjenje kakovosti govora v paketnem omrezju. V sestem poglavju predstavimo rezultate evalvacije; sledi sklep.
2 Vplivi omrežja na prenasane podatke
Na postopek prenosa govornih podatkov v paketnih omre zjih med izvorom in ponorom vplivajo razli cni dejavniki: kodiranje, nacin zlaganja zajetih govornih podatkov v okvire in vpliv omre zja na prenos samih paketov. Prva dva vpliva sta stalna in za konkretne kodeke oziroma vrste uokvirjanj tudi vnaprej doloc ljiva; podrobneje pa opi simo vplive, ki jih vna sajo paketna omrezja in ki neposredno vplivajo na zaznano kakovost govornega signala, torej zakasnitev, potresavanje zakasnitve, izgubljanje paketov in podvajanje paketov.
Zaradi nacina delovanja omrez ij IP se paketi, ki potujejo skoznje, zakasnijo (slika 1). Zakasnitev je sestavljena iz prispevka algoritemske zakasnitve, procesne zakasnitve in zakasnitve prenosa po omrezju. Algoritem-ska zakasnitev je vsota zakasnitve samega okvira in zakasnitve predvpogleda v naslednji okvir, torej prispevek v skupni velikosti 10 — 30 ms. Procesna zakasnitev je cas, potreben za izvedbo kodiranja in zdru zevanja vzorcev v paket. Odvisna je od zmogljivosti procesorja in od tipa paketizacije (10 ms, 20 ms, 30 ms). Zakasnitev prenosa je odvisna od uporabljenih fizicnih medijev, protokolov za prenos podatkov in uporabljenih predpomnilnikov za izlo canje potresavanja zakasnitve.
Zakasnitve povzrocajo dve neprijetnosti: odmev in prekrivanje govora. Za sogovornika so nemotece zakasnitve velikosti 0 — 15 ms, zakasnitve do 150 ms zahtevajo nadzor odmeva, pri zakasnitvah v obmocju 200 — 400 ms je prekrivanje opazno, a nemotece, zakas-
nitve, vecje od 400 ms, pa otezujejo interaktivni pogovor in zahtevajo uporabo pogovornih pravil.
Zakasnitev ponavadi ni za vse pakete enaka (slika 2). To pomeni, da zaporedno oddani paketi k ponoru ne pridejo z enakimi casovnimi razmiki, kot jih je oddal izvor. Se vec , paketi v c asih prispejo celo v drugac nem vrstnem redu. Spremenljiva zakasnitev se imenuje potresavanje zakasnitve (ang. jitter). Vzrok za potre-savanje zakasnitve so spreminjajoce se dolzine cakalnih vrst v stikalih in usmerjevalnikih, razli cne poti, po katerih potujejo posamezni paketi, in okvare v omrezju zaradi nasicenosti ali izpada povezav.
Interaktivne govorne storitve v nasprotju z zgoraj predstavljenimi zmoznosti paketnih omrezij zahtevajo konstantno (in cim manj so) zakasnitev, saj govorni predvajalniki za kontinuirano predvajanje potrebujejo konstanten tok glasovnih okvirov. Ce v trenutku predvajanja kateri izmed paketov ( se) ni bil dostavljen, pride do napake, ki se odra za v slab si kakovosti govora. Prepozno dostavljen paket povzro ci povsem enak rezultat kot izgubljen paket.
Vpliv potresavanja zakasnitve se odpravlja s predpomnilnikom, v katerem se paketi zberejo, razporedijo v pravilno c asovno zaporedje in c akajo na dostavo pred-vajalniku v obdelavo. Pristop omogo ca enakomerno in kontinuirano predvajanje govora, ima pa slabo stran, ker za odpravo potresavanja vna sa se dodatno zakasnitev.
Omenili smo ze, da izgubljeni paketi (slika 3) vplivajo na kakovost sintetiziranega govora. Problematiko izgubljanja paketov na splo sno sicer odpravlja transportni nivo (npr. TCP - Transport Control Protocol), vendar pa je ta - zaradi zahteve govorne komunikacije za delovanje v realnem c asu - nemocen in neuporaben, saj ponovno poslani paketi navadno k sprejemniku prispejo prepozno za reprodukcijo.
Na splosno velja ocena [11], da je izguba govornih paketov nad 10 % nedopustna, za uporabnike pa je lahko neprijetna ze 5-odstotna izguba paketov. Podatek o povpre cnem odstotku izgubljenih paketov pa sam po sebi ni dovolj zgovoren, ker je pomembnej sa kot odstotek tudi porazdelitev izgubljenih paketov: govor je namre c veliko bolj ob cutljiv na izgube v izbruhih kot pa na enakomerno porazdeljene izgube.
Aplikacije se na izgubljene pakete odzivajo na različne načine: (a) izgubljen paket se preprosto ne predvaja, temveč se v primeru njegove odsotnosti predvaja tisina; (b) izgubljen paket nadomesti njemu predhodni paket, torej se isti del govora predvaja dvakrat. Ta metoda je preprosta, učinkovita in deluje, dokler ni izgubljenih paketov veliko in se ti ne pojavljajo zaporedoma.
Kot zadnji vpliv predstavimo se podvajanje paketov (slika 4), do č esar lahko pride ob uporabi protokolov za zagotavljanje zanesljivega prenosa podatkov s potrjevanjem (npr. protokol TCP). Lahko se zgodi, da se potrditev, s katero sprejemnik oddajniku potrdi sprejem paketa, med prenosom izgubi; zato oddajnik ponovno po slje z e poslani paket. Sprejemnik, ki sprejme dva enaka paketa, nastali problem iden-tifičira tako, da primerja zaporedni stevilki prispelih paketov s pri čakovano zaporedno stevilko in podvojen paket zavr ze. Ker se pri prenosu govora v paketnih omrezjih navadno ne uporabljajo protokoli za zagotavljanje zanesljivega prenosa podatkov, se podvojeni paketi ne pojavljajo.
Predstavili smo osnovne vplive na pretok podatkov, ki jih vnese omrezje IP, niso pa znane neposredne fun-kčijske odvisnosti prejete kakovosti govornega signala od opisanih motenj. Za potrebo vrednotenja teh odvisnosti se razvijajo pristopi vrednotenja zaznane kakovosti govornega signala, ki so temelj za pridobivanje podatkov, gradnjo modelov, podporo pri na črtovanju, upravljanju in vodenju omre z ij ter alarmiranju ob identifikačiji napak v omrezjih. Predstavimo pristope vrednotenj a zaznane kakovosti za govorni signal, prenasan po omrezju IP.
3 Vrednotenje zaznane kakovosti VoIP
Definičija pojma subjektivne ocene zaznane kakovosti govora dolo ča, da je subjektivna očena zaznane kakovosti govorne storitve tista vrednost, ki jo na lestviči od 1 do 5 očeni statisti čno povpre č en udele z eneč v telefonskem pogovoru [7]. Ceprav ta definičija zbuja stevilne pomisleke, saj z njo kakovost govora ni ekzaktno dolo čena, je subjektivna izvedba najbolj verodostojen pristop k vrednotenju.
Ker je vrednotenje po tej metodi zamudno in potratno, se i s čejo in razvijajo ekvivalentne metode očenje-vanja subjektivno zaznane kakovosti govora prek merjenja fizi č nih parametrov - t.j. objektivno ocenjevanje kakovosti.
3.1	Subjektivna ocena zaznane kakovosti
Subjektivna ocena zaznane kakovosti je sestavljena iz vec parametrov in vključuje tako kakovost terminala kot lastnosti omreZja. Načeloma ločimo dve metodi pridobivanja te ocene.
a)	Vrednotenje mnenja posameznikov v skladu s priporo čilom ITU-T P.800 [1], ki dolo ca, da je zmogljivost testiranega sistema lahko vrednotena neposredno - po kategoriji absolutnih ocen (ACR - Absolute Category Rating) ali prek vrednotenja degradacije glede na referencni sistem (DCR - Degradation Category Rating). Pri prvem, pogosteje uporabljanem pristopu, zaznano kakovost ocenjujemo z oceno MOS (Mean Opinion Score) [2] na lestvici: (1) zelo slabo, (2) slabo, (3) dobro, (4) zelo dobro in (5) odlicno. Glede na nacin komunikacije, ki se uporablja pri testiranju, se vrednotenje subjektivne kakovosti deli na slušno kakovost in pogovorno kakovost. Medtem ko drugo vrednotenje temelji na dvosmerni komunikaciji, zaradi cesar daje zgovornej so oceno, prvo vkljucuje zgolj poslus anje vnaprej posnetega govornega gradiva, kar se vedno zadostuje za vrednotenje nekaterih znacilnosti, npr. vpliva izgubljenih paketov pri predvajanju govora.
b)	Metoda ekvivalentnega mnenja nadgrajuje prej predstavljeno metodo, katere glavna pomanjkljivost je od pogojev in kraja testiranja odvisna izmerjena ocena. Od tod izvira zelja po izlo citvi vpliva zunanjih pogojev na merjeno oceno MOS, kar zagotavlja metoda ekvivalentnega mnenja (Opinion Equivalent-Q Method) [8]. Pri tej metodi se kakovost testiranega signala primerja s signalom, popa cenim s sumom Q-decibelov in i sce ekvivalentno ob cutenje zaznane kakovosti. Rezultati so navadno bolj ponovljivi kot pri metodi vrednotenja mnenja.
3.2	Objektivna ocena zaznane kakovosti
Vrednotenje s subjektivnimi metodami je zamudno in potratno, zato se razvijajo alternativne metode ocenjevanja zaznane kakovosti prek merjenja znacilnosti termi-nalske opreme in omrezja, imenovane objektivne metode. Razvrstiti jih je mogoc e v tri glavne skupine: (a) mnenj-ski modeli omogo cajo dolo citev ocene za pogovorni MOS iz parametrov terminala in omre zja, (b) objektivni modeli govornega nivoja izvedejo oceno na podlagi govornega signala, uporabljenega za izvedbo meritev in (c) objektivni modeli paketnega nivoja, ki izvedejo meritev ocene na podlagi izmerjenih lastnosti paketnega omrezja. Zadnja dva modela ocenjujeta zgolj slusno kakovost.
Oglejmo si zna cilnosti na stetih metod nekoliko podrobneje in se podrobneje posvetimo E-modelu, katerega nadgradnjo in prakti cno implementacijo bomo predstavili v nadaljevanju.
a)	Mnenjski modeli so bili prvic predlagani v stan-dardizacijske postopke ITU-T že leta 1980. Njihov osrednji predstavnik - E-model, standardiziran v devedesetih letih, je sestavljen iz vsote dvajsetih parametrov, kot so zakasnitev, odmev, glasnost, napake, ki izvirajo iz kodiranja govora, bitnih napak ali izgube paketov in so odgovorni za degradacijo kakovosti, skupaj zbranih v faktorju poslabsanja opreme. Ta faktor se odsteje od referenčne vrednosti. Dobljeni rezultat se imenuje R-vrednost in je v korelaciji z oceno pogovornega MOS in je uporaben parameter za nadzor kakovosti v omrezju v skladu s priporocilom G.107, z al pa ni nujno dobra ocena za subjektivno zaznano kakovost VoIP.
b)	Objektivni modeli govornega nivoja delujejo tako, da v testiran sistem injicirajo referen cni govorni signal, prejet rezultat pa primerjajo z referenco. Prve standardizirane verzije (P.861, Perceptual Speech Quality Measure) so bile sposobne vrednotiti samo neprekinitvene motnje in so odpovedale v primeru izgube paketov, zato se je pozneje razvil standard P.862 (Perceptual Evaluation of Speech Quality), ki odpravlja navedeno pomanjkljivost in omogo ca testiranje pri uporabi specificne terminalne opreme ali pri izra cunih upo steva standardno terminalno opremo.
c)	Objektivni modeli paketnega nivoja ponujajo moznost vrednotenja kakovosti, temeljec izkljucno na (objektivno izmerjenih) podatkih omre znega nivoja; pri tem pa ni potrebno, da analizirani paketi prenas ajo govorne podatke. Pristop objektivnega ocenjevanja na podlagi podatkov paketnega nivoja se imenuje PVTQ, konkretna predstavnika pa sta PsyVolP [5] in VQmon [6]. Postopek ocenjevanja kakovosti temelji na zbiranju podatkov o stevilu izgubljenih paketov, vzorcu porazdelitve izgubljenih paketov, zakasnitvi in potresavanju, pridobljenih od protokolov RTP in RTCP, ki se uporabljajo za dolo citev ocene MOS. Nekatere podatke je mogo ce pridobiti tudi iz raz sirjenega poro cila RTCP-XR (Extended Report) [12], c e je ta storitev vklju cena v analiziranem sistemu VoIP. Problem pristopa objektivnih modelov paketnega nivoja je v tem, da ne morejo predvideti, kako bo terminalska oprema upostevala pakete razlicnih zakasnitev, ker ne poznajo velikosti predpomnilnika potresavanja. Nekateri pristopi upo stevajo speci-fike terminalske opreme prek vnaprej pripravljenih kalibracijskih datotek, ki se superponirajo h koncni oceni.
4 E-model
Glede na to, da je osnovni cilj implementirati pristop
za celovito vrednotenje vplivov paketnih omrezij na
zaznano kakovost za konkretno telefonsko vozli s ce z
vnaprej določenim procesorjem in programsko opremo, pri praktični implementaciji ni smiselno dopolnjevati ali spremeniti funkcijskih lastnosti celotnega sistema, pač pa izbrati taksen pristop, da bo omogocil cim lažjo in ucinkovito implementacijo. Zato smo se med pregledanimi resitvami odlocili za E-model, ki je bil v danem trenutku po vlož ku najcenej s a izbira in ni zahteval dodatnih strojnih predelav, temvec samo programske dopolnitve sistema, zavedajo c se njegove pomanjkljivosti pri merjenju vpliva potresavanja.
Glede na izbiro bomo v tem poglavju E-model opisali nekoliko podrobneje in predstavili njegovo raz siritev za merjenja vpliva potresavanja na oceno zaznane kakovosti govora.
4.1 Predstavitev E-modela
E-model je ra cunski model, ki se relativno pogosto uporablja pri nacrtovanju omrez ij za prenos govornega signala oziroma kot pomo c pri vrednotenju rezultatov meritev. Standardiziran je v ITU-T G.107 [7]. E-model temelji na domnevi, da se lahko anomalije pri prenosu pretvorijo v t.i. psiholo ske faktorje, ki se na t.i. psi-holo ski lestvici se stevajo. Zato na podlagi karakteristik prenosnega medija in lastnosti signala, ki se po njem prena sa, ra cunsko oceni stopnjo zadovoljstva uporabnikov govornih storitev na stevilski lestvici od 0 do 100, kar pomeni R vrednost:
R = Ro - Is - Id - Ieeff + A,	(1)
kjer je parameter Ro osnovna vrednost kakovosti, dolocena z razmerjem signal/ sum (vkljucujoc sume na liniji in v okolici), Is pomeni anomalije, povezane s prenosom govora: slabljenje signala med usti govorca in u sesi poslu salca, lokalen presluh in kvantizacijsko popa cenje, Id pomeni anomalije zaradi prevelikih zakasnitev: pojava odmeva, idealno izlocanje odmeva, Ieeff je merilo popacenja zaradi zgoscevanja signala, izgub paketov in ni odvisen le od parametrov omrezja, temvec tudi od clovekovega zaznavanja govora; dolocen na podlagi ocen MOS. Parametra Ro in Is opisujeta popacenje prenesenega signala, Id in Ieeff pa lastnosti prenosnega medija. Parameter A pomeni stopnjo uporabnikove strpnosti do navedenih anomalij, upo stevajo c druge (ne-tehni cne) ugodnosti, ki jih je dele zen pri uporabi dolo cene aplikacije (npr.: toleranco uporabnika mobilne telefonije, ki je udobje mobilnosti pripravljen pla cati s slab so kakovostjo govorne storitve).
Ti osnovni parametri so sestavljeni iz pod-parametrov, od katerih bomo poudarili samo parameter T, ker ga bomo uporabili pri raz siritvi E-modela za vrednotenje vpliva potresavanj a na zaznano kakovost. Parameter T pomeni povprecno zakasnitev pri prenosu v eno smer. Kot smo povedali ze v drugem poglavju, signal na poti skozi omrezje potuje skozi razlicne naprave, kjer se zadrzuje v cakalnih vrstah, te pa v prenasani govor vnas ajo ra-zlicne zakasnitve. Prav tako imajo vgrajene raz-
li cne predpomnilnike za odpravljanje vplivov potre-savanja, ki v prenasani govor vnasajo se dodatne zakasnitve. Ker ne poznamo vplivov posameznih zunanjih dejavnikov na prena sani signal, je najbolj smiselno zdru zeno upo stevati vpliv zakasnitve in potresavanja, kot to predlagamo v nadgrajenem E-modelu.
kodirnem postopku. Z zgoraj navedenim ciljem smo za najpogosteje uporabljene kodirne postopke, izra cune za ta parameter, izvedli vnaprej. Parameter A je bil v skladu s predpostavkami E-modela nastavljen na 0. Zaradi vecje zgovornosti rezultata izracunano vrednost R pretvorimo v oceno MOS po enacbi:
4.2 Nadgrajen E-model
MOS = 1 + 0, 035 R+7 ■ 10-7R -(R - 60)-(100 - R). (3)
Z zeljo po nadgraditvi osnovnega E-modela s funkcionalnostjo vrednotenja vpliva potresavanja smo v nadgrajenem E-modelu [10] raz sirili pomen parametra T, ki je naprej vkljuc en v izrac un parametra Id (slika 5).
Zakasnitev
Potresavanje zakasnitve
Izgubljanje			G.723
paketov			
G.711 —
> G.729 —1
Slika 5. Izračun parametra r po nadgrajenem E-modelu
Nadgrajeni E-model izhaja iz predpostavk, da zakasnitvam (med 0 ms in 150 ms) in potresavanjem (med 0 ms in 40 ms) priredimo parameter T med 0 ms in 244 ms (tabela 1). Preostale vrednosti so izra cunane in preverjene na podlagi testiranj [10].
Kakovost	Vrednost R	Zakasnitev	Potresavanje	T
dobra	80-93,21	0 ms-150 ms	0 ms-40 ms	0
srednja	70-80	150 ms-250 ms	40 ms-75 ms	244
slaba	<70	>250 ms	>75 ms	322
Tabela 1. Predpostavke za nadgrajeni E-model
Parametra T, ki ju dobimo z izracunom vpliva zakasnitve in potresavanja, med seboj se stejemo, kot je razvidno iz slike 5, njuno vsoto pa uporabimo za izra cun Id, po splos ni ena cbi E-modela [7]. Ena cba za izra cun parametra R je sestavljena se iz ve c podparametrov, ki so med seboj povezani. Ker so ena cbe zahtevne in z zeljo, da bi cim manj obremenjevali procesor, so vrednosti nekaterih parametrov (Ro in Is) v prakti cni implementaciji nadgrajenega E-modela na telefonskem vozli scu prera cunane vnaprej in tabelirane v programski kodi [9], [10]. Ostane samo s e parameter Ieeff, ki ga izracunamo s pomocjo naslednje enacbe:
Ieeff = le + (95 - Ie)
PPI
Ppi + Bp
(2)
Za izrac un parametra Ieeff (slika 5) potrebujemo stevilo izgubljenih paketov in podatek o uporabljenem
5 Analiza sistema in rezultati
Natančnost delovanja implementiranega sistema za določanje kakovosti je bila ovrednotena v emulacijskem okolju po primerjalni metodi z (referenčno) merilno opremo za merjenje kakovosti govora - Malden DSLA II (Digital Speech Level Analyzer). Ta omogo ca merjenje kakovosti govora v paketnih omre zjih po metodi z objektivnim modeliranjem na govornem nivoju: v omrežje posilja referenčne govorne vzorce, rezultančne signale pa primerja z referenčnimi in tako izmeri kakovost govora. Za primerjanje sta bila uporabljena algoritma PESQ [3] in P.862.1 [4]. Metoda objektivnih modelov govornega nivoja je za primerjavo ustrezna zato, ker omogoča tako meritev vplivov sumov, zakasnitev, izgub, kot tudi potresavanja zakasnitve, ki je za vrednotenje nadgrajenega E-modela se posebno zanimiva.
5.1 Metoda
Sčenarij emulačije je prikazan na sliki 6. Povezava vsake izmed central s paketnim omrezjem je speljana prek spojnika, stikala in usmerjevalnika. Pri testiranju zveze je uporabljena paketizačija 30 ms in kodni algoritem ITU-T G.711. Preostalo zakasnitev doda procesiranje in usmerjanje na telefonskem vozlisču, v stikalih in na usmerjevalniku.
Testiranje izvaja programska oprema, ki avtomati čno kli če čiljno stevilko in tako vzpostavlja povezave med telefonskima centralama. Pri testiranju so bili uporabljeni zenski in mo ski govorni vzorči v raz-li čnih jezikih (angle s ki, nemski, italijanski ipd.), različnih dolzin in amplitud. Po vsaki vzpostavljeni zvezi se na čentrali izra čuna očena MOS, hkrati pa se prenese podatek o kakovosti, izmerjeni na referenčnem in strumentu. Oba podatka se shranita v datoteko in se pozneje primerjata med seboj z namenom, da se preveri ujemanje izra čunanega parametra zaznane kakovosti po nadgrajenem E-modelu.
Rezultati so analizirani ločeno za različne vplive.
a) Vpliv zakasnitve. Za verifikacijo smo najprej preverili pravilnost izra čuna očene MOS, tako da v omrezje nismo vnasali dodatne zakasnitve, torej so na kakovost govora vplivali samo tisti dejavniki, ki so bili prisotni v samem omrezju IP. V ta namen smo na emulatorju vse vrednosti nastavili na nič; referenčna merilna oprema je izmerila zakasnitev 99 ms, nadgrajeni E-model, implementiran v
Slika 6. Vrednotenje delovanja sistema
telefonskem vozlišču pa 89 ms. Nato smo korakoma pove čevali dodano zakasnitev od 0 ms do 400 ms ter beležili izmerjeno (PESQ, P.862.1) in izračunano oceno MOS pri vseh zakasnitvah; rezultati so zbrani v grafu 1. O č itno je, da vse tri vrednosti dobro sovpadajo.
Slika 7. Graf 1: Primerjava odvisnosti MOS od zakasnitve
b) Vpliv izgubljanja paketov. Na emulacijskem sistemu smo nastavili naklju čno izgubljanje paketov, za čensi z enim odstotkom in korakoma do deset odstotkov. Rezultati za izračunano oceno MOS in izmerjeni očeni PESQ in P.862.1 so zbrani v grafu 2. Opazimo lahko, da se krivulje gibljejo vzporedno, izračunani MOS pa je po vrednosti nizji od referenčnih vrednosti, ker smo v nadgrajeni E-model vgradili strozji kriterij glede izgubljanja paketov.
č) Vpliv potresavanja zakasnitve Le-tega ni mogoče meriti samostojno, ampak ob hkrati nastavljeni zakasnitvi. Predstavili bomo tri primerjave, izračunane (E-model) in izmerjene (PESQ, P.862.1) očene MOS pri naslednjih vrednostih:
—	zakasnitev 100 ms, potresavanje 10 — 30 ms, graf 3;
—	zakasnitev 200 ms, potresavanje 10 — 40 ms, graf 4;
—	zakasnitev 300 ms, potresavanje 10 — 50 ms, graf 5.
Slika 9. Graf 3: Primerjava odvisnosti MOS od potresavanja (pri zakasnitvi 100 ms)
Slika 8. Graf 2: Primerjava odvisnosti MOS od odstotka izgubljenih paketov
Slika 10. Graf 4: Primerjava odvisnosti MOS od potresavanja (pri zakasnitvi 200 ms)
Vsem trem grafom je skupno to, da ocena, izmerjena po metodi P.862.1 (razen pri niZjih vrednostih potresavanja), odstopa navzdol, zaradi stroZjega upostevanja potresavanja v algoritmih izračuna, kot pri drugih dveh metodah. Ocena, izmerjena po metodi PESQ in izračunana z nadgrajenim E-modelom, povečini sovpadata. Odstopanja opazimo predvsem pri velikih zakasnitvah, kjer pridejo do izraza različnosti algoritmov za izračun ocene MOS.
6 Sklep
Trendi narekujejo prehajanje govornih komunikačij na paketna omre zja, kar omogoč a razvoj novih storitev
Slika 11. Graf 5: Primerjava odvisnosti MOS od potresa-vanja (pri zakasnitvi 300 ms)
(Next Generation Networks, IP Multimedia Subsystem). Paketna omrežja niso pisana na ko ž o tovrstni komunikaciji: zaradi obdelave podatkov vnasajo dodatne zakasnitve, potresavanje ter izgube in podvajanje paketov, kar povzroc a probleme pri zagotavljanju kakovosti govornim storitvam. Meritve kakovosti govora v paketnih omrezjih so razmeroma nova, a nujna veja ugotavljanja kakovosti govornih storitev. Razvijajoče se metode imajo se marsikatero pomanjkljivost, saj postopki standardizacije se niso konč ani.
V prispevku smo napravili pregled pristopov k ocenjevanju kakovosti. Zaradi ustreznosti smo se osredotočili na E-model, njegovo nadgradnjo in implementacijo v realno vozli s ce.
S pomocjo metod PESQ [22] in P.862.1 [33], ki sta najbolj primerni za objektivno ocenjevanje kakovosti govora, smo preverili pravilnost izrac unavanja ocene MOS z nadgrajenim E-modelom. Z rezultati meritev smo dokazali dokaj tocen izracun ocene MOS z nadgrajenim E-modelom, ki je bil prvi c preizku sen v praksi. Rezultati meritev bodo pripomogli k nadaljnjemu razvoju algoritma, cilj pa je natan cnej se izra cunavanje ocene MOS.
7 Literatura
[1]	Rec. ITU-T P.800: Methods for Subjective Determination of Transmission quality, Geneva, 1996.
[2]	Rec. ITU-T P.800.1: Mean Opinion Score (MOS) Terminology, 2003.
[3]	Rec. ITU-T P.862: Perceptual Evaluation of Speech Quality (PESQ), an Objective Method for End-to-end Speech Quality Assessment of Narrowband Telephone Networks and Speech Codecs, 2001.
[4]	Rec. ITU-T P.862.1: Mapping Function for Transforming P.862 Raw Result Scores to MOS-LQO, 2003.
[5]	S. Broom, M. Hollier, Speech Quality Measurement Tools for Dynamic Network Management. MESAQIN, 2003.
[6]	A. Clark, Modeling the Effects of Purst Packet Loss and Recency on Subjective Voice Quality. IP Telephony Workshop, 2001.
[7]	Rec. ITU-T G.107: The E-model, a Computational Model for Use in Transmission Planning, 2003.
[8]	A. Takahashi, H. Yoshino, Perceptual QoS Assessment Technologies for VoIP. IEEE Communications Magazine, July, 2004.
[9]	P. Lamovsek, Objektivno ocenjevanje kakovosti govora v paketnih omreZijih z uporabo E-modela. Diplomsko delo, FE, Ljubljana, 2006.
[10]	P. Lamovsek, B. Meglic, RTCP - Nadzor kakovosti RTP prometa, Funkcijska specifikacija, Iskratel, Kranj, 2005
[11]	D. Ursic, Internetna telefonija, Diplomsko delo, FE, Ljubljana, 2001.
[12]	RFC 3611: RTCP XR - RTP Control Protocol Extended Reports, November, 2003.
Iztok Humar je diplomiral leta 2000 in magistriral leta 2003 na Fakulteti za elektrotehniko Univerze v Ljubljani. Od leta 2000 je tam tudi zaposlen kot asistent pri predmetih Na crtovanje, vodenje in modeliranje telekomunikacijskih omrezij in Osnove elektrotehnike. Njegovo raziskovalno podrocje obsega merjenje in analizo prometa in protokolov sirokopasovnih hrbteni cnih in dostopovnih telekomunikacijskih omrezij, nacrtovanje, razvoj, nadzor, upravljanje in vodenje le-teh in razvoj globalnih telekomunikacijskih sistemov, novih storitev in aplikacij. Ukvarja se tudi s podro cjem zagotavljanja kakovosti storitev ter njihovo evalvacijo. Je clan IEEE in IEICE.
PrimoZ Lamovsek je diplomiral leta 2006 na Fakulteti za elektrotehniko Univerze v Ljubljani. Od leta 2004 je v podjetju Iskratel, d.o.o., opravljal prakticno izo-bra zevanje in studentsko delo. Ukvarjal se je z razvojem in implementacijo prilagojenega E-modela v sisteme nove generacije. Od leta 2006 je zaposlen v podjetju Landis+Gyr, d.o.o. Ukvarja se s sistemi za odcitavanje elektricnih stevcev prek PLC, GSM/GPRS, Ethernet, M-Bus omre zij. Posebej ga zanimajo AMR (Automatic Meter Reading) in AMI (Advanced Metering Infrastructure) sistemi.
Uros Bogataj je diplomiral leta 1982, magistriral leta 1987 in doktoriral leta 1994 na Fakulteti za elektrotehniko v Ljubljani. Od leta 1982 je bil zaposlen na Institutu Jozef Stefan v Ljubljani, kjer se je ukvarjal z raziskavami na podrocju biomedicinske tehnike in medicinske rehabilitacije s pomocjo elektricne stimulacije. Na tem podrocju je izdal vec odmevnih clankov v mednarodnih strokovnih revijah. Od leta 1997 je zaposlen v Iskratelu, d.o.o. Ukvarja se predvsem s problematiko in razvojem diagnostike na telekomunikacijskih sistemih. Posebej ga zanimata odkrivanje in odpravljanje napak v sirokopasovnih omrezjih nove generacije na prenosni ravni in na ravni kakovosti storitev. Brane Meglic se je po solanju, leta 1979, zaposlil v tedanji Iskri Telematiki in v telekomunikacijski branz i ostal vse do danes. Trenutno je zaposlen v razvojnem oddelku podjetja Iskratel, d.o.o. Zadnjih nekaj let se ukvarja z razvojem programske opreme za nadzor omrez ij in spremljanje pravilnosti delovanja razlicnih sklopov materialne opreme. Njegovo podrocje je tudi razvoj
programske opreme analogne in digitalne PLL zanke za podporo sinhronizaciji telekomunikacijskih sistemov. Janez BeSter je doktoriral leta 1995 in je zaposlen na Fakulteti za elektrotehniko v Ljubljani kot profesor in predstojnik Laboratorija za telekomunikacije. Njegovo raziskovalno, razvojno in pedago sko delo je povezano s podrocjem nacrtovanja, realizacije in vodenja telekomunikacijskih sistemov in storitev ter uporabo informacijskih tehnologij in telekomunikacij na podrocju e-izobrazevanja. Kot predsednik projektnega sveta Tehnoloske mreze ICT aktivno deluje pri povezovanju raziskovalnih institucij z gospodarstvom. Je clan IEEE, ACM, IEICE ter stevilnih drugih strokovnih organizacij s podro cja elektronskih komunikacij.