Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta

Katedra telekomunikácií a multimédií

Kvalita hlasového prenosu v prípade použitia VoWLAN aplikácií vo vnútri budov

Michal UHRIN

2009

KVALITA HLASOVÉHO PRENOSU V PRÍPADE POUŽITIA VOWLAN APLIKÁCIÍ VO VNÚTRI BUDOV

BAKALÁRSKA PRÁCA

MICHAL UHRIN

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA

KATEDRA TELEKOMUNIKÁCIÍ A MULTIMÉDIÍ

Študijný odbor: TELEKOMUNIKÁCIE Študijný program: Telekomunikácie

Vedúci bakalárskej práce: Ing. Peter Počta PhD.

Stupeň odbornej kvalifikácie: bakalár (Bc.) Dátum odovzdania bakalárskej práce: 12. júna 2009

Žilina 2009

Žilinská univerzita V ŽILINE

KATEDRA TELEKOMUNIKÁCIÍ

Elektrotechnická fakulta Veľký diel

010 26 ŽILINA

ZÁVEREČNÁ PRÁCA BAKALÁRSKEHO ŠTÚDIA

Meno a priezvisko: Michal Uhrin

Názov témy: Kvalita hlasového prenosu v prípade použitia VoWLAN aplikácií vo vnútri

budov Zadanie práce - podrobné pokyny pre vypracovanie záverečnej úlohy (v prípade nedostatku

miesta pokračujte na druhej strane):

Predpokladaný rozsah práce - počet strán textu: 30

počet strán grafických príloh: 10

Vedúci záv. práce -priezvisko, meno, titul: Počta Peter, Ing. , PhD.

Názov a adresa pracoviska, telef. číslo: KT, EF ŽU v Žiline

Recenzent záv. práce - priezvisko, meno, titul:

Názov a adresa pracoviska, telef. číslo:

Podpis navrhovateľa záverečnej práce:

Pozn. : - recenzenta s konečnou platnosťou určí vedúci KT, EF ŽU v Žiline - návrh témy zašlite na uvedenú adresu, resp. e-mail: jozefa.imriskova@fel.utc.sk , Fax:

041/513 1520 - bližšie informácie na telef. čísle 041/513 22 08

Vykonajte: 1. Analýzu problematiky kvality hlasového prenosu a jej merania, 2. Analýzu vplyvov pôsobiacich na kvalitu hlasového prenosu v telekomunikačných

sieťach, 3. Analýzu problematiky sietí typu IEEE 802.11 a VoWLAN implementácie 4. Realizáciu meraní kvality hlasového prenosu v prípade VoWLAN implementácie

v priestoroch KTaM.

I

Abstrakt Práca bola koncipovaná na testovanie vplyvov šírenia elektromagnetických vĺn na

kvalitu hlasového prenosu prenášaného cez bezdrôtové IP siete. V mojej práci som sa

primárne zameral na šírenie vĺn v budovách a zastavanom prostredí. Merania som robil

pre miesta z rôznymi silami signálu aby tam bol prvoradý vplyv tohto parametra a ďalej

som chcel zistiť aký vplyv budú mať iný pripojený účastníci. Tieto merania som nerobil

v laboratórnych podmienkach ale skôr som sa snažil simulovať čo najreálnejšie

podmienky. Pri svojich meraniach som sa zameral na parametre, ktoré sú dôležite pre

hlasový prenos v reálnom čase. Medzi tieto parametre patria Packet lost, Jitter, Jitter

delay.

II

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA

KATEDRA TELEKOMUNIKÁCIÍ A MULTIMÉDIÍ

ANOTAČNÝ ZÁZNAM – BAKALÁRSKA PRÁCA 

 Meno a priezvisko: Michal UHRIN Akademický rok: 2008/2009

Názov práce: Kvalita hlasového prenosu v prípade použitia VoWLAN aplikácií vo

vnútri budov

Počet strán: 42 Počet obrázkov: 22 Počet tabuliek: 6

Počet grafov:7 Počet príloh: 6 Počet použ. lit.: 19 Anotácia v slovenskom jazyku: V nasledujúcom texte som postupne teoreticky spracoval najskôr tému technológie WIFI. Následne som spracoval tému VoIP ako prenosovej technológie, ktorú skúmam. Ďalej som spracoval šírenie elektromagnetických vĺn v zastavanom prostredí. Záver teoretickej časti som venoval hodnoteniu a meraniu kvality hlasových prenosov ktoré sa používajú v súčasnosti. Ako praktické meranie som realizoval hodnotenie kvality VoWLAN hovoru a na hodnotenie som využíval algoritmus PESQ. Anotácia v anglickom (nemeckom) jazyku: In the following text, I gradually theoretically processed first topic WIFI technology. Consequently, I processed the topic of VoIP as a technology transfer to examine. Another topic I processed the spread of electromagnetic waves in the built environment. In Conclusion of the theoretical part, I paid the assessment and measurement of voice transmissions quality, which are currently in use. As a practical measurement, I made VoWLAN call quality assessment, for the evaluation an PESQ algorithm was used. Kľúčové slová: WIFI, VoWLAN, VoIP, PESQ, Vedúci bakalárskej práce: Ing. Peter Počta PhD. Recenzent: Ing. Daniel Kubík

Dátum odovzdania práce: 12. júna 2009

III

Obsah ÚVOD ........................................................................................................................................ 1 

1.  Bezdrôtové siete WIFI ........................................................................................................ 2 

1.1  Princípy a využitie WIFI ............................................................................................ 2 

1.2  Technológia WIFI ...................................................................................................... 2 

1.3  Bezpečnosť vo WIFI .................................................................................................. 4 

2.  Prenos hlasu cez IP siete VoIP ........................................................................................... 5 

2.1  Základy VoIP .............................................................................................................. 5 

2.2  VoIP a iné siete na prenos hlasu ................................................................................. 5 

2.3  Princípy VoIP ............................................................................................................. 6 

2.4  VoWLAN ................................................................................................................... 7 

3.  Šírenie signálov v atmosfére a zastavanom prostredí ......................................................... 8 

3.1  Budovy a zastavané územie: ....................................................................................... 8 

3.1.1  Mobilný spoj ........................................................................................................... 10 

3.1.2  Šírenie v polopriestore ............................................................................................ 12 

3.1.3  Mechanizmy šírenia v zástavbe. ............................................................................. 12 

3.1.4  Klasifikácia modelov šírenia vĺn v zástavbe .......................................................... 15 

4.  Základy merania kvality prenosu hlasu ............................................................................ 17 

4.1  Kvalita služieb (Quality of Service – QoS): ............................................................. 17 

4.1.1  QoS parametre: ....................................................................................................... 17 

4.2  Metódy merania ........................................................................................................ 19 

4.2.1  Subjektívne meracie metódy: ................................................................................. 19 

4.2.2  Objektívne meracie metódy: ................................................................................... 23 

4.3  Algoritmy merania kvality hlasového prenosu ......................................................... 24 

4.3.1  Algoritmy pre intruzívne merania .......................................................................... 25 

4.3.2  Algoritmy pre neintruzívne merania ....................................................................... 29 

5.  Praktická časť Bakalárskej Práce ..................................................................................... 32 

5.1  Princíp merania ......................................................................................................... 32 

5.2  Výsledky meraní ....................................................................................................... 34 

6.  Záver ................................................................................................................................. 36 

IV

Zoznam obrázkov Obrázok 1: Štruktúra WIFI siete .................................................................................... 3 Obrázok 2: Štruktúra VoIP siete .................................................................................... 7 Obrázok 3: Geometria mobilného spoja ...................................................................... 10 Obrázok 4: Mechanizmus modelovania výkonovej bilancie rádiového prenosu v zástavbe ...................................................................................................................................... 10 Obrázok 5: Šírenie nad rovinnou zemou - dvojpaprskový model ............................... 13 Obrázok 6: Šírenie v mestskej makrobunke, keď je anténa nad úrovňou okolitých striech ...................................................................................................................................... 13 Obrázok 7: Šírenie vĺn v mikrobuňke pomocou odrazov ............................................ 14 Obrázok 8: Alternatívne cesty šírenia signálu v pikobuňke; A - cez okná a odraz od susednej budovy; B - priechod cez poschodie a výťahovou šachtou ........................... 15 Obrázok 9: Všeobecná štruktúra objektívnych metód merania kvality ....................... 24 Obrázok 10: Schéma algoritmu MNB ......................................................................... 26 Obrázok 11: Schéma algoritmu PSQM ........................................................................ 27 Obrázok 12: Schéma algoritmu PAMS ........................................................................ 27 Obrázok 13: Schéma algoritmu PSQM+ a PESQ ........................................................ 28 Obrázok 14: Schéma algoritmu NIQA ........................................................................ 31 Obrázok 15: Principiálna schéma merania zadania ..................................................... 33 Obrázok 16: Graf závislosti hodnôt MOS od kvality WIFI signálu ............................ 34 Obrázok 17: Graf závislosti Stratených paketov od kvality WIFI ............................... 34 Obrázok 18: 3D graf závislosti hodnôt MOS od kvality WIFI signálu. ......................... i Obrázok 19: 3D graf závislosti stratených paketov od kvality WIFI ............................. i Obrázok 20: 3D graf závislosti zahodených paketov jitterom od kvality WIFI ............. i Obrázok 21: 3D graf závislosti zmeškaných paketov od kvality WIFI ......................... ii Obrázok 22: Rozloženie meracích miest ....................................................................... ii 

Zoznam tabuliek Tabuľka 1: Štandardy WIFI Tabuľka 2: Počúvacie kvalitatívne hodnotenie Tabuľka 3: Počúvacie hodnotenie úsilia Tabuľka 4: Preferovaná miera hlasitosti Tabuľka 5: Degradačná kategorická stupnica Tabuľka 6: porovnávacia kategorická stupnica

V

Zoznam skratiek Skratka Anglický význam Slovenský význam

ACR Absolute Category Rating Absolútny kategorický odhad AP Access Point Prístupový bod do siete CCI Call Clarity Index Volací index zreteľnosti určený

pre neintruzívne merania CCR Comparison Category Rating Porovnávací kategorický odhad CSMA/CA Carrier Sense Multiple

Access/Collision Avoidance Viacnásobný prístup na médium / Predchádzanie kolíziám

DCR Degradation Category Rating Kategorický odhad zhoršenia D-ITG Distributed Internet Traffic

Generator Distribuovaný generátor internetovej prevádzky

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

Inštitút elektrotechnického a elektronického inžinierstva

IETF Internet Engineering Task Force Internetová inžinierska pracovná skupina

INMD In-service Non-intrusive Measuring Device

Zariadenie určené na neintruzívne meranie rečovej kvality

IP Internet protocol Internetový protokol, základný nespojovo orientovaný protokol, pracujúci v 3. vrstve RM OSI

IRS Intermediate Reference Systems Medzinárodný referenčný systémISO International Organization for

Standardization Medzinárodná organizácia pre štandardizáciu

ITU International Telecommunication Union

Medzinárodná telekomunikačná únia

ITU-T ITU - Telecommunication Standardization Sector

ITU – sektor normalizácie v telekomunikáciách

LAN Local Area Network Lokálna sieť MAC Media Access Control Kontrola prístupu na médium MIMO Multiple input Multiple Output Viacnásobný vstup viacnásobný

výstup MNB Measuring Normalizing Blocks Merané normalizované bloky

pre intruzívne merania MOS Mean Opinion Score Stredné bodové ohodnotenie

názoru MOVs Model Output Variables Model výstupných zmien NMR Prvý algoritmus

implementovaný do reálnych meraní

VI

PAMS Perceptual Analysis Measurement System

Merací systém pre vnemovú analýzu

PAQM Perceptual Audio Quality Measure Meranie vnemovej zvukovej kvality

PDA Personal Data Asistent Vreckový počítač PESQ Perceptual Evaluation of Speech

Quality Vnemové hodnotenie rečovej kvality

PLC Packet Loss Concealment Maskovanie straty paketov PSQM Perceptual Speech Quality

Measurement Vnemové meranie rečovej kvality

PSQM+ Perceptual Speech Quality Measurement+

Modifikovaná verzia algoritmu PSQM

PSTN Public Switched Telephone Network

Verejná telefónna sieť

PsyVoIP Algoritmus pre neintruzívne merania

QoS Quality of Service Kvalita služby, ktorú vníma používateľ

RTCP Real Time Transport Control Protocol

Riadiaci transportný protokol v reálnom čase

RTP Real-Time Transport Protocol Transportný protokol pre prenos multimédií

SIP Session Initiation Protocol Protokol inicializácie spojenia SNR Signal to Noise Ratio Odstup signál - šum SSID Service Set Identifier Identifikátor bezdrôtovej siete TKIP Temporal Key Integrity Protocol Časový kľúč integrity protokol UDP User Datagram Protocol Nespojovo orientovaný protokol,

pracujúci RM OSI ISO UHF Ultra high Frequency Ultra vysoké frekvencie VoIP Voice over Internet Protokol Prenos hlaso cez IP protokol VoWLAN Voice over Wireless Local Area

Network Prenos hlaso cez bezdrôtové siete

VPN Virtual Private Network Virtuálna súkromná sieť WEP Wired Equivalent Privacy Súkromie ekvivalentné drôtovým

sieťam WIFI Wireless fidelity Bezdrôtové siete WiMAX Worldwide Interoperability for

Microwave Access Celosvetová prevádzkyschopnosť pre mikrovlnný prístup

WPA Wi-Fi Protected Access Wi-Fi chránení prístup ŽU Žilinská univerzita

VII

Zoznam symbolov Symbol Jednotka Význam symbolu

B [Hz] šírka prenášaného pásma

d [m] vzdialenosť vysielacej antény od bodu príjmu

F [-] šumové číslo prijímača

GP [-] zisk prijímacej antény

GV [-] zisk vysielacej antény

k [J/K] Boltzmannová konštanta

L [dB] straty šírením v danom prostredí

L(p) [dB] stredná hodnota strát daná pozíciou antény p

PV [W] výkon na vstupe vysielacej antény

T [K] teplota v Kelvinoch

X(t) [dB] Náhodná časovo premenlivá zložka strát s nulovou

strednou hodnotou daná štatistickým rozložením

pomalých a rýchlych únikov v čase.

VIII

Poďakovanie Touto cestou si dovoľujem poďakovať vedúcemu bakalárskej práce Ing. Petrovi

Počtovi, PhD. za pomoc, informácie a cenné rady pri spracovávaní bakalárskej práce, ako

i za poskytnutú literatúru.

A tiež by som rád poďakoval spolužiačke Veronike Špulerovej za pomoc pri meraní

zadania mojej bakalárskej práce.

Táto práca bola riešená v rámci výskumnej úlohy VEGA 1/0313/08 „Výskum

metód detekcie kritických stavov v telekomunikačných sieťach z pohľadu kvality

hlasového prenosu“.

1

ÚVOD V mojej práci budem pracovať na prenose hlasu technológiou VoIP (Voice over IP)

cez bezdrôtovú sieť WIFI ( Wireless Fidelity ). Spojenie týchto dvoch technológii sa

začalo častejšie spomínať až v nedávnej minulosti nástupom lacných zariadení na

pripojenie sa k WIFI a masívnejším rozšírením voľne prístupných WIFI sieti ktoré začali

zriaďovať samotné mestské samosprávy. Toto spojenie by mohlo v budúcnosti nahradiť

klasické pevné telefónne siete a v spojení so štandardami 3G mobilných sieti aj klasické

hlasové hovory.

Avšak technológia VoIP má kvalitatívne horšie parametre ako siete PSTN alebo

mobilné siete. Preto treba sa pri jej ďalšom vývoji zamerať na zlepšovanie týchto

parametrov aby sa aspoň priblížili ku klasickým telekomunikačným sieťam. Treba prísť

na kompenzáciu oneskorenia a jitteru ktoré sú najväčšími rušiacimi parametrami vo VoIP

prenose.

Cieľom tejto práce bolo zdokumentovať vplyv kvality WIFI signálu na VoIP prenos

hlasu v vnútorných priestoroch Žilinskej Univerzity. V prvej kapitole som sa zameral na

popis bezdrôtových sieti a ich základných parametrov . V druhej kapitole som sa zameral

na popis VoIP prenosu a jeho výhod a nevýhod. V tretej kapitole sa venujem šíreniu

rádiových vĺn v prostredí budov. V štvrtej kapitole preberám základy merania

a hodnotenia kvality hlasového prenosu. V piatej časti opisujem samostatný experiment

a výsledky mojich meraní.

VOWLAN PRENOS HLASU 

2

1. BEZDRÔTOVÉ SIETE WIFI 1.1 PRINCÍPY A VYUŽITIE WIFI

Siete WIFI ( Wireless Fidelity ) sa používajú na prepojenie počítačov v lokálnych

sieťach, pripadne sa môžu použiť na prepojenie viacerých LAN sieti pri ktorých by bolo

použitie káblových rozvodov nepraktické alebo veľmi cenovo alebo technicky náročné.

Dajú sa použiť aj vo stavbách kde nie je možné realizovať klasickú káblovú štruktúru

v historických budovách pripadne v podnikoch kde je potrebná mobilita technikov ktorý

sa potrebujú pripájať do podnikovej siete z rôznych miest podniku. V súčasnej dobe sa

rozmáha použitie bezdrôtových sieti či už v súkromných sieťach alebo komerčných

sieťach. Táto technológia sa používa aj v mestách kde sa takto realizuje verejný prístup do

internetu na námestiach, letiskách, školách, kaviarňach prípadne iných verejných

miestach. Najväčší rozmach technológie začal keď sa začali implementovať WIFI moduly

do lacných notebookov, PDA a mobilných telefónoch ktorý takýmto spôsobom získali

možnosť pripojenia sa do širokopásmových sieti s pripojením na internet. Technológia

WIFI je založená na rádiovom prenose v pásme mikrovĺn ktoré bolo vyhradené pre

použitie v počítačových sieťach a medicíne.

1.2 TECHNOLÓGIA WIFI Tato technológia bola štandardizovaná v Institute of Electrical and Electronics

Engineers čo je inštitút pre štandardizáciu počítačových a sieťových štandardov.

Postupom času sa vyvíjal aj štandard WIFI pod označením 802.11. Po dvoch rokoch

skúmania tohto štandardu odborníkmi vznikli dve revízie 802.11a a 802.11b. Prvý

štandard pracuje v pásme 5GHz ktoré je u nás platené ale voľné v USA a má prenosovú

rýchlosť 54Mb/s. Druhý štandard 802.11b ponúka prenosovú rýchlosť 11Mb/s na

frekvencii 2,4GHz ktoré je v Európe voľné prístupné. Preto v roku 2003 odborníci

vyvinuli štandard 802.11g ktorý kombinuje prenosové pásmo zo štandardu 802.11b

2,4GHz a dosahuje prenosovú rýchlosť 54Mb/s. V súčasnosti väčšina sieťových prvkov

podporuje oba štandardy 802.11b,g. V súčasnosti sa vyvíja najnovšia verzia tohto

štandardu pod označením 802.11n kde je pridaná technológia MIMO, ktorá umožňuje

rozšírenie dátovej priepustnosti a predlženia dosahu.

VOWLAN PRENOS HLASU 

3

Tabuľka 2: Štandardy WIFI

Štandard IEEE Vysielacia

frekvencia

Prenosová

rýchlosť

Dosah v budove

802.11a 5GHz 54Mb/s 35m

802.11b 2,4GHz 11Mb/s 38m

802.11g 2,4GHz 54Mb/s 100m

802.11n 2,4 alebo 5GHz 600Mb/s 300m

Prenosové pásmo 2,4GHz sa delí v Európe na zväčša 13 kanálov. Aby sa vzájomne

nerušili zvyknú sa v okolí používať kanály z rozstupom troch kanálov. V sieťach WIFI sa

používa metóda CSMA/CA, lebo ako prenosové médium sa používa vzduch ktorý

spoločný pre všetky WIFI relácie. Metóda CSMA/CA je založená na princípe

predchádzania kolízii na spoločnom prenosovom médiu. Princípom pri tejto metóde je že

skôr ako klient začne vysielať tak počúva určitú náhodne určenú dobu či je prenosové

médium voľne na prenos, ak je médium voľné tak začne vysielať a čaká na úspešné

potvrdenie prenesenia paketu.

Ak je však obsadené tak čaká kým skončí práve prebiehajúca relácia. Ak je prenos

neúspešný, to znamená nepríde potvrdenie z prijímacej strany, tak sa náhodne

vygenerovaný čas zdvojnásobí a potom sa opakuje vysielanie. Každým ďalším

neúspešným pokusom sa náhodný čas zvyšuje exponenciálne. Siete WIFI bežne obsahujú

Obrázok 1: Štruktúra WIFI siete

VOWLAN PRENOS HLASU 

4

dva základné sieťové prvky WIFI klient a prístupový bod AP. Prístupový bod AP vysiela

do okolia svoje sieťové meno SSID prostredníctvom paketov nazývaných „beacon“

s konfigurovateľnou dobou opakovania. Pomocou SSID sa WIFI klient môže rozhodnúť

ku ktorému AP sa pripojí.

1.3 BEZPEČNOSŤ VO WIFI Aby sa nedalo ľahko pripojiť do súkromných WIFI sieti používa sa viacej spôsobov

ochrany prístupu do siete. Základným ochranným prvkom je potlačenie vysielania SSID

aby pri bežnom prehľadávaní sietí nebolo možné ju nájsť a pripojiť sa. Aby sa užívateľ

dokázal pripojiť musí poznať SSID AP na ktorý sa chce pripojiť. Druhým bezpečnostným

prvkom vo WIFI sieťach je šifrovanie dát bol na to vyvinutý protokol WEP ktorý

používal 64-bitový neskôr 124-bitový prístupový kľúč. Avšak v dnešnej dobe sa dá tento

algoritmus ľahko prelomiť ale napriek tomu sa využíva v domácich sieťach ako

prostriedok proti náhodnému prístupu do siete cudzím užívateľom. Neskôr bol tento

algoritmus nahradený algoritmom WPA ktorý mal byť prechodným riešením zlepšenia

bezpečnosti bezdrôtových sieti, pokiaľ nevyšiel štandard WPA2 ktorý vyriešil nedostatky

WEP. Hlavným zlepšením WPA2 oproti WEP bolo zavedenie protokolu TKIP, ktorý

dynamicky mení prístupové kľúče čo sa využívalo pri nabúraní sa do sieti chránených

WEP. Na zabaranenie prístupu sa používa aj filtrovanie na základe MAC adries pripadne

je možnosť použiť statické IP adresovanie kde povolíme iba tie IP adresy ktoré majú

pridelené užívatelia v sieti. Pre zabezpečenie čo najväčšej miery zabezpečenia WIFI siete

sa používajú aj iné bezpečnostné štandardy ako VPN alebo RADIUS a kombinácie týchto

technológií.

VOWLAN PRENOS HLASU 

5

2. PRENOS HLASU CEZ IP SIETE VOIP

2.1 ZÁKLADY VOIP VoIP je technológia na prenos hlasu cez siete využívajúce protokol IP na prenos dát.

Protokol IP je založený na prenose paketov cez nehomogénne siete pozostávajúce

z viacerých prenosových technológií. Táto technológia tvorí najväčšiu sieť na svete

Internet. Táto sieť spája všetky počítače a dnes už aj veľa prenosných zariadení

a mobilov. Preto bolo len otázkou času kedy vznikne požiadavka na prenos hlasu

v reálnom čase cez túto sieť. Na vyriešenie tohto problému bol vyvinutý štandard VoIP

ktorý bol založený na základoch siete hlasového protokolu navrhnutého pre Americkú

armádnu sieť ARPANET. Táto technológia je zväčša prevádzkovaná na voľne šíriteľných

štandardoch. Štandard VoIP funguje na princípe prenosu paketov v reálnom čas. Avšak

štandardné IP siete fungovali na nespojovo orientovanom potvrdzovanom prenose po

náhodnej ceste v sieti čo mu zabezpečovalo flexibilitu siete

a prakticky úplnú dostupnosť v každom čase. V prípade že sa v sieti zablokovala jedna

cesta smerovače našli náhradnú trasu a komunikácia pokračovala ďalej. IP protokol

dovoľoval taktiež napojenie na hoci akú inú sieť či už spojovo alebo nespojovo

orientovanú, čiže akoby ju včlenil do svojej siete. Tieto možnosti mali však veľa

parametrov a vlastností ktoré pri prenose dát síce veľmi nevadili ale na prenos dát

v reálnom čase sú nepostačujúce priam neprípustné. Týmito parametrami a vlastnosťami

boli oneskorenie a chvenie tzv. „jitter“ čo je rozstup paketov na konci vedenia a ešte

k tomu prípadná strata paketov. Tieto problémy sa pri prenose dát riešili zásobníkmi

a opakovaním stratených paketov. Tieto postupy však zväčšovali oneskorenie a to je pre

prenos v reálnom čase neprípustné.

2.2 VOIP A INÉ SIETE NA PRENOS HLASU Keďže VoIP malo nahradiť klasické telefónne siete muselo sa priblížiť parametrom

ktoré dosahovali PSTN siete, ktoré boli spojovo orientované. Ich výhodou v tomto smere

bola metóda rezervácie prenosových kapacít. Spočiatku to boli priamo fyzické prenosové

VOWLAN PRENOS HLASU 

6

cesty a neskôr virtuálne prenosové kanály. Tento princíp spravovania sieťových

prostriedkov bol však neekonomický lebo jeden prenosový kanál bol vyhradený jednému

hovoru bez ohľadu na to či sa prenášali informácie alebo bolo ticho a s postupným

nárastom klientov bolo treba pridávať nové vedenia a aj tak sa nedali takéto siete

dimenzovať na špičkové zaťaženie siete. Tento problém riešili siete typu IP avšak mali

iné problémy spôsobené prenosom v reálnom čase. Tieto odborníci začali riešiť pomocou

UDP štandardu. Štandard UDP ktorý uskutočňoval prenos paketov bez potvrdzovania

a tak skrátil dobu výsledného prenosu. Avšak IP protokol nemal vyriešenú možnosť

kvalitu nepotvrdzovaného prenosu. Preto vznikol štandard RTP- protokol prenosu

v reálnom čase ako nadstavba UDP. Tento protokol zabezpečuje prenos multimediálnych

dát v reálnom čase a spolupracuje s protokolom RSVP ktorý zabezpečuje rezerváciu

sieťových prostriedkov. Pomocou týchto protokolov sa snažíme znížiť oneskorenie

a chvenie na čo najmenšiu úroveň. VoIP používa dva základne signalizačné protokoly:

SIP a H.323. Protokol SIP bol vyvinutí skupinou IETF a je to otvorený protokol ktorý má

definované len najzákladnejšie pravidla pre nadviazanie spojenia a zvyšok si definuje sám

výrobca zariadenia preto sa často stáva že zariadenia od rôznych výrobcov podporujúce

tento štandard sú nekompatibilné a ťažko sa nadväzuje ich spolupráca v jednej sieti.

Protokol H.323 bol vyvinutý skupinou ITU-T a na rozdiel od SIP má pevne stanovené

pravidlá pre jednotlivé funkcie a algoritmy ktoré sa používajú na kódovanie obrazu

a zvuku. Toto však zabezpečuje kompatibilitu medzi zariadeniami od rôznych výrobcov.

2.3 PRINCÍPY VOIP Ako je jasne z názvu tak VoIP sa prenáša pomocou IP paketov ktoré tvorí hlavička

a užitočné údaje. Aby bolo čo najlepšie využitie prenášaných paketov tak sa používa

kódovanie podľa určitých algoritmov na kódovanie zvuku a obrazu. Na kódovanie zvuku

sa používajú kodeky rady G (G.711, G.722, G.723, G.726, G.729, …) a na kódovanie

videa sa používajú kodeky rady H (H.263, H.263+, H.264, ...). Základnú štruktúru VoIP

siete tvoria dve koncové zariadenia a prenosové médium. Avšak v praxi sa používajú

ďalšie zariadenia na zabezpečenie rozširujúcich funkcií VoIP hovoru (Proxy server).

VOWLAN PRENOS HLASU 

7

Obrázok 2: Štruktúra VoIP siete

2.4 VOWLAN V súčasnosti sa začalo rozširovať používanie mobilných telefónov vo veľkom počte.

Lenže tieto technológie sú finančne náročné a ľudia sa snažia prispôsobovať možnosti

počítačových technológií aby ich mohli používať na mobilnú komunikáciu. Technológia

IP sieti má veľký potenciál aj v súčasnej dobe a postupne sa budú tieto siete viac a viac

používať na hlasovú komunikáciu. Lebo v súčasnej dobe sa ľudia snažia telefonovať čo

najlacnejšie v čom im internet ako najrozľahlejšia sieť na svete poskytuje najväčšie

možnosti a s pomocou bezdrôtových technológií sa táto sieť dá použiť na mobilnú

komunikáciu pomocou hlasu aj obrazu súčasne. Avšak spojenie IP sieti a bezdrôtových

sieti ma v súčasnej technologickej úrovni WIFI technológií je komplikované veľkými

hodnotami oneskorenia ktoré je nepriaznivým parametrom pri prenose hlasu v reálnom

čase. Ďalším nevhodným parametrom pri použití WIFI na VoIP prenos je malý dosah

antén AP pri ktorom je potrebné časté prechody medzi vysielačmi, avšak tento parameter

by sa dal zlepšiť použitím výkonnejších antén prípadne použitím technológie 802.16 s

názvom WiMAX (World Interoprability For Microwave Access) ktorá má dosah do

50KM na priamu viditeľnosť. Pričom by sa odstránil problém s častým prechodom medzi

vysielačmi. Avšak tento štandard je v súčasnosti prevádzaný v licencovanom pásme

3,5GHz. Čo sa týka parametru oneskorenia tam je situácia zložitejšia a najvhodnejšie

riešenie sa v súčasnej dobe hľadá.

VOWLAN PRENOS HLASU 

8

3. ŠÍRENIE SIGNÁLOV V ATMOSFÉRE

A ZASTAVANOM PROSTREDÍ 3.1 BUDOVY A ZASTAVANÉ ÚZEMIE:

Šírenie tu bude zabezpečovať najmä prízemná priestorová vlna v pásme decimetrových

vĺn UHF. Dôvodom sú veľmi vhodné vlastnosti elektromagnetických vĺn pre daný typ

týchto frekvencií:

• Relatívne malé straty

• Dobrá schopnosť odrážať sa, ohýbať sa a prenikať prekážkami v zástavbe

• Vlnové dĺžky umožňujú konštruovanie relatívne malých antén vhodných pre

mobilné terminály.

Prízemná priestorová vlna sa môže šíriť buď priamo pri priamej optickej viditeľnosti

medzi dvoma anténami alebo s odrazom, ohybom a rozptylom na prekážkach. Tieto

jednotlivé mechanizmy šírenia sa uplatňujú predovšetkým podľa typu prostredia,

v ktorom sa prízemná priestorová vlna nachádza. Podľa tohto kritéria môžeme hovoriť

o vlne šíriacej sa vo voľnom priestore, polopriestore nad rovinnou zemou, nad členitým

terénom, nad terénom s rastlinami a vlne šíriacej sa v mestskej zástavbe, kde odrazy,

ohyby a rozptyl vlny spôsobujú prekážky vytvorené ľudskou rukou. Avšak v reálnom

svete sú vplyvy jednotlivých prostredí neoddeliteľné a vzájomne sa kombinujú ( napríklad

šírenie v zástavbe postavenej na nerovnom teréne s rastlinami), otázka modelovania

šírenia sa viac menej rieši samostatne. V tejto práci sa budeme zaoberať malými

vzdialenosťami spojov rádovo maximálne desiatky metrov je možné zanedbať ďalšie javy

pri šírení vĺn v prízemných vrstvách atmosféry, ako sú troposférická refrakcia, útlm

hydrometeromi, útlm atmosférických plynov.

Predmetom nášho skúmania je tá časť rádiokomunikačného reťazca medzi vysielačom

a prijímačom, ktorá predstavuje premenu elektromagnetickej energie vedenej (napájacím

káblom) na energiu vyžiarenú pomocou antény, jej prenos vo forme elektromagnetickej

vlny daným prenosovým prostredím a tiež spätnou transformáciou vlny vyžiarenej na

VOWLAN PRENOS HLASU 

9

vlnu vedenú. Pre modelovanie bezdrôtového prenosu sú určené nielen druhy spojov

a vlastnosti prenosového prostredia ale aj typ a umiestnenie antén. Pre popis takzvaného

pokrytia, to je v základnom pojatí úroveň signálu generovaného základnou (vysielacou)

anténou v danom bode pozorovania, existujú dve možnosti. Úroveň signálu popíšeme ako

intenzitu elektrického poľa v danom mieste alebo ako výkonovú úroveň prijatú

referenčnou anténou. Ako referenčnú anténa sa typicky volí ideálne všesmerová

(izotropická) anténa s jednotkovým ziskom (0dB). Pre zobrazenie pokrytia sa výkonová

úroveň signálu používa veľmi často, a to bez toho aby sa údaje o referenčnej prijímacej

anténe explicitne opakovali.

Niekoľko základných vzťahov pre šírenie vlny v ideálnych podmienkach voľného

priestoru:

Efektívna hodnota intenzity elektrického poľa v bode pozorovania:

30

Výkon prijatý prijímacou anténou:

Odstup signál šum:

1

Straty voľným priestorom

32,44 20 log log PV – výkon na vstupe vysielacej antény

GV – zisk vysielacej antény

d – vzdialenosť vysielacej antény od bodu príjmu

GP – zisk prijímacej antény

L – straty šírením v danom prostredí

k – Boltzmannová konštanta

T – teplota v Kelvinoch

B – šírka prenášaného pásma

VOWLAN PRENOS HLASU 

10

F – šumové číslo prijímača

3.1.1 Mobilný spoj Predpokladáme pozemný spoj kde je anténa základňovej stanice pevne umiestnená,

zatiaľ čo je anténa prenosného zariadenia je pohyblivá.

Obrázok 3: Geometria mobilného spoja

Signál šíriaci sa medzi pevnou a prenosnou anténou v mestskom prostredí je tlmený

a mení sa pôsobením rôznych fyzikálnych mechanizmov.

Na oboch koncoch sa uplatňuje zisk antén, ktorým je nutné vynásobiť výkonovú

úroveň prijímaného signálu. Na prijímacej strane nastupuje aditívny šum, spôsobený

interferenciami a šumom prijímača. Vlastný útlm šírenia daným prostredím je

predstavovaný tromi multiplikativními zložkami:

Straty šírením (path lost) – útlm závislý hlavne na dĺžke spoja a type prostredia. Táto

časovo nepremenná zložka predstavuje strednú hodnotu signálu v danom bode

pozorovania a jeho okolí. Hodnota je daná priemerom veľkého počtu meraní okamžitej

Obrázok 4: Mechanizmus modelovania výkonovej bilancie rádiového prenosu v zástavbe

VOWLAN PRENOS HLASU 

11

hodnoty úrovne signálu uskutočnených v dostatočne dlhom časovom intervale na ploche

o priemere rádovo niekoľko vlnových dĺžok.

Pomalé úniky (shadowing) – útlm spôsobený zatienením spoja (terén, stavby, rastliny,

ľudia atď.) pri pohybe prenosnej antény. Ku kolísaniu úrovne signálu dochádza z hľadiska

vlnovej dĺžky „pomaly“ to znamená pri zmene polohy o rádovo minimálne desiatky

vlnových dĺžok. Hĺbka týchto únikov to znamená pokles úrovne signálu voči základnému

priebehu, môže byť veľmi veľká napríklad až desiatky decibelov, podľa konkrétnej

situácie. Pomalé úniky vykazujú logaritmicko-normálne rozloženie v čase s nulovou

strednou hodnotou.

Rýchle úniky (Rayleigh fading) – spôsobujú veľmi rýchle a hlboké kolísanie úrovne

signálu. Sú spôsobené predovšetkým viaccestným šírením signálu a doplerovským

posuvom, ktorý vzniká v dôsledku pohybu mobilnej antény a okolitých objektov.

Elektromagnetická energia sa medzi pevnou a pohyblivou anténou šíri tiež pomocou

odrazu po veľa rôznych dráhach. Vďaka všesmerovej mobilnej anténe dochádza pri

viaccestnom šírení k fázovému sčítaniu veľkého množstva rôzne odrazených lúčov

z rôznych smerov od rôznych objektov. Tým je vytvorené v priestore akési stojaté vlnenie

s minimami vzdialenými asi polovicu vlnovej dĺžky. Oneskorenie odrazených lúčov môže

byť veľké. (desiatky ms) podľa vzdialenosti objektov, od ktorých sa odráža. Dôležitou

vlastnosťou rýchlych únikov je taktiež skutočnosť, že sú silne premenné v čase, čo je

spôsobené ako pohybom užívateľa tak stálou zmenou prenosovým prostredím. Svojou

povahou sú v širokopásmových prenosoch rýchle úniky frekvenčne selektívne, to

znamená hĺbka úniku v danom okamihu a miest nie je z hľadiska prenosového pásma

konštantná. Rýchle úniky vykazujú reyleighovo rozloženie v čase s nulovou strednou

hodnotou. Pri priamej viditeľnosti medzi pevnou a mobilnou anténou, keď je priamy lúč

dominantný, potom ide o zvláštni prípad Reyleighoveho rozloženia – Riceovho

rozloženia.

Priebehy odpovedajú narastajúcej vzdialenosti mobilnej antény od pevnej v prostredí

mestskej makrobunky, kedy je pevná anténa na úrovni okolitej zástavby.

Na základe vyššie popísaných fyzikálnych princípov môžeme celkový útlm (straty)

šírením po istej idealizácií uvažovať ako súčet dvoch zložiek:

Celkové straty šírením pre mobilnú anténu v mieste p a čase t:

,

L(p) – stredná hodnota strát daná pozíciou antény p

VOWLAN PRENOS HLASU 

12

X(t) – Náhodná časovo premenlivá zložka strát s nulovou strednou hodnotou daná

štatistickým rozložením pomalých a rýchlych únikov v čase.

Pre model prenosového kanálu ako náhodný časový priebeh úrovne signálu je

ťažiskovo časovo premenná zložka X(t), ktorú tvoria rýchle a pomalé úniky. Pre ich

predpovede nie je potrebné poznať konkrétnu situáciu a geometriu daného spoja. Pre

stochastické modely úniku stačí len rámcová klasifikácia prostredia a usporiadania spoja,

ktorá určuje príslušné štatistické rozloženie úniku v čase. Zložka L(p) je plne určená

vzájomným umiestnením pevnej a mobilnej antény. Predikciou tu teda nie je mienené

modelovanie prenosového kanálu ako stochastickej časovej závislosti, ale fyzikálne

modelovanie šírenia vlny (signálu) v priestore v danom prenosovom prostredí.

Pri popise mobilného spoja hrajú kľúčovú úlohu taktiež použité antény. U mobilných

antén je významná nielen ich účinnosť ale aj zmena parametrov s ohľadom na spôsob

držania antény užívateľom. Zmena umiestnenia antény vzhľadom k telu užívateľa môže

znamenať zmenu výkonovej bilancie spoja o veľa dB.

3.1.2 Šírenie v polopriestore U mobilného spoja sa vždy jedná o šírenie nad zemou, ktorú vzhľadom k uvažovaným

rozmerom buniek považujeme za rovinnú. Odmyslíme si zástavbu či terénne nerovnosti,

ide o klasické šírenie v polopriestore, kde je možné použiť ako východisko pre ďalšie

modely.

Výpočet šírenia vlny v polopriestore pomocou dvojlúčového modelu, kde je metódou

geometrickej optiky pričítaný príspevok lúča priameho a lúča odrazeného od zeme.

3.1.3 Mechanizmy šírenia v zástavbe. Ako už bolo uvedené vyššie, vlna šíriaca sa v zástavbe vytvára interakcie

s prekážkami, to je predovšetkým samotnou zástavbou. Hovoríme o odraze, prípadne

rozptyle vlny, difrakcií vlny na hranách či prechode cez prekážku.

VOWLAN PRENOS HLASU 

13

Jednotlivé mechanizmy šírenia sa uplatňuje najmä podľa typu okolitého prostredia

a umiestenia oboch antén mobilného rádiového spoja. Zanedbáme tu prípad nerovného

terénu a uvedieme základné zákonitosti pri šírení vlny v zástavbe.

Ak je pevná anténa základňovej stanice umiestnená nad úroveň okolitých prekážok to

je nad úrovňou striech zástavby a mobilná anténa užívateľa je na úrovni ulice je pri

neexistencie priamej optickej viditeľnosti medzi anténami (čo je v praxi stáli prípad)

dominujúcim mechanizmom difrakcie na hranách striech a odrazov od objektov

v blízkosti mobilnej antény. Hovoríme o makrobuňke

Ak je zástavba pravidelná (homogénna ), je spádová krivka (pokles úrovne signálu zo

vzdialenosťou ) podobná do všetkých smerov od pevnej antény. Makrobunka má potom

viac menej kruhový tvar a to má a to taktiež vďaka tomu, že vplyv miestnych

nepravidelností zástavby sa vzhľadom k veľkým rozmerom makrobunky nemusia príliš

uplatniť. Pre túto úvahu samozrejme predpokladáme pevnú anténu so vše smerovou

Obrázok 5: Šírenie nad rovinnou zemou - dvojpaprskový model

Obrázok 6: Šírenie v mestskej makrobunke, keď je anténa nad úrovňou okolitých striech

VOWLAN PRENOS HLASU 

14

vyžarovacou charakteristikou. Pravidelný tvar bunky veľmi prispieva k zjednodušeniu

predikcie.

Úplne rozdielna situácia nastane v prípade, keď je pevná anténa základňovej stanice

umiestnená hlboko pod úrovňou striech. To je prípad tzv. mikrobunky, kde je rozhodujúce

šírenie signálu na priamu viditeľnosť a odrazy od stien budov(obr. 2.9). Uplatňuje sa

najmä vlnovodový efekt ulíc, kedy sa vlna šíri odrazom pozdĺž ulice podobne ako v silne

nadkritickom vlnovode. Tvar mikrobunky ani v pravidelnej zástavbe nie je kruhový, ale

sleduje konkrétnu geometriu zástavby.

Obrázok 7: Šírenie vĺn v mikrobuňke pomocou odrazov

Vplyvom veľkej členitosti interiérov predstavuje z hľadiska šírenia vĺn

najkomplikovanejší prípad umiestenia oboch antén mobilného spoja vo vnútri budov

v takzvanej pikobunke. Energia sa medzi pevnou a mobilnou anténou šíri priamo,

prechodom stenami, odrazy, ohyby atď. Do hry vstupuje nielen interiér so svojím

vybavením ale aj okolité budovy. Signál sa medzi poschodiami môže šíriť cez okná

odrazom od vedľajšieho objektu alebo vo vnútri výťahovej šachty ako vlnovodu. Taktiež

je potrebné si uvedomiť, že komplexnosť interiérov, ktoré sa môžu významne meniť napr.

otvorením dverí apod. je veľmi ťažké opisovať. Z hľadiska predikcie šírenie predstavujú

veľmi náročné scenáre najrôznejšie šachty, schodiská a iné nepravidelnosti konštrukcie

budov. Ak je pevná anténa umiestnená na chodbe, často sa uplatňuje veľmi silne

vlnovodový efekt chodby, kedy takmer nedochádza k poklesu úrovne signálu zo

vzdialenosťou. Vždy ide o trojrozmernú priestorovú záležitosť.

VOWLAN PRENOS HLASU 

15

Obrázok 8: Alternatívne cesty šírenia signálu v pikobuňke; A - cez okná a odraz od susednej budovy; B - priechod cez poschodie a výťahovou šachtou

Keďže elektromagnetická vlna väčšinou veľmi dobe preniká bežnými prekážkami

v interiéri, má pikobunka oproti mikrobuňke pravidelnejší tvar. Preto je možné s výhodou

použiť aj najjednoduchší empirický model s jedným spádovým koeficientom podobne ako

v makrobunke. Zásadným rozdielom je to, že v pikobunke sa pohybujeme pred

fresnelovým zlomom ale v makrobunke uvažujeme len vzdialenosti za zlomom.

3.1.4 Klasifikácia modelov šírenia vĺn v zástavbe

3.1.4.1 Klasifikácia podľa typu prostredia:

Charakter šírenia signálu mobilného spoja TJ. prístup k jeho modelovaniu, je určený

predovšetkým okolitým prostredím a umiestnením pevnej základňovej antény. Tieto dva

parametre určujú najmä tieto typy buniek:

o Makrobunka („macrocell“) – Pevná anténa je umiestnená nad úrovňou striech

zástavby, polomer bunky sa pohybuje od 1 do 30 km.

o Mikrobunka („microcell“) – Pevná anténa pod úrovňou striech zástavby,

polomer mikrobunky je typicky 100m až 1km.

o Pikobunka („picocell“) – pevná anténa je umiestnená vo viac či menej

uzavretom interiéry TJ. napr. vo vnútri kancelárskej budovy, v nákupnej hale

alebo v polootvorenom nástupišti autobusovej stanici, rozmery pikobunky

dosahujú rádovo desiatky metrov.

VOWLAN PRENOS HLASU 

16

3.1.4.2 Klasifikácia podľa charakteru výpočtu:

Empirické – väčšinou jednoduché aproximované vzťahy pre daný typ

prostredia, kde sú parametre založené na štatistickej analýze veľkého objemu

nameraných dát

Deterministické – teoretické modelovanie na fyzikálnom základe šírenia vlny

pre idealizovaný alebo viac menej zjednodušený popis daného prostredia

(terén, geometria a materiál zástavby a podobne)

Semi-deterministické (semi-empirické) – kombinácie dvoch predchádzajúcich

prístupov

Stochastické – na základe vstupných parametrov je náhodne vygenerovaný

priebeh signálu pre simuláciu prenosového kanála, kde zvyčajne nie je priama

väzba na geometriu prenosového prostredia a umiestnenie pevnej a mobilnej

antény.

Obyčajne je možné konštatovať že vypočítané najjednoduchšie empirické modely

patria v praxi k najpoužívanejším vďaka svojej nenáročnosti na výpočetné prostriedky

a čas, ale predovšetkým na vstupné dáta. Dobré výsledky predikcie útlmu podáva extra

v makrobunkách a v istej miere i pikobunkách. Nie sú schopný predikovať širokopásmové

parametre ako napr. impulznú odozvu a uhol dopadu. Na druhej strane stoja

deterministické modely väčšinou predstavujú výpočetné zložité a sofistikované algoritmy,

ktoré dokážu modelovať ako útlm šírenia, tak širokopásmové parametre s veľkou

presnosťou bez ohľadu na geometrickú členitosť konkrétnej situácie. Presné výsledky

však priamo závisia na kvalite vstupných dát, ich získanie môže byť veľmi náročné a

drahé. Preto v praxi nastupujú až v poslednej dobe, kedy je z vývojom počítačov

prestavajú byť matematické a pamäťové nároky problém a databázy zástavby začínajú

byť bežne dostupné. Ide predovšetkým o aplikácie pre mikrobunky. Pre predikciu

prieniku signálu z vonkajších základňových staníc do budov (to je výpočet pokrytia

v interiéry budovy z vonkajšej základňovej stanice makro alebo mikrobunky) je potrebné

použiť k tomu predurčené modely či rozdeliť úlohu na dve časti. Najskôr spočítať úroveň

na plášti budovy podľa vhodného modelu pre makro alebo mikrobunky a túto hodnotu

zobrať po započítaní útlmu plášťa budovy ako fiktívny zdroj pre vnútorné pokrytie

s využitím modelov pre pikobunky.

VOWLAN PRENOS HLASU 

17

4. ZÁKLADY MERANIA KVALITY PRENOSU HLASU

4.1 KVALITA SLUŽIEB (QUALITY OF SERVICE –

QOS): Podmienky QoS stanovujú kapacitu siete ponúkanej nejakou službou, garantuje

charakteristické potreby pre získanie optimálnych služieb. Jedným z veľmi dôležitých

VoIP problémov je ponuka aplikácií ktoré porovnáme z klasickými telekomunikačnými

službami. Na rozdiel od PSTN kde sa pri vytáčaní používa spojenie koniec – koniec,

paketové siete používajú štatistický multiplex sieťových zdrojov. Aj keď zdieľanie

sieťových zdrojov medzi veľa užívateľmi obmedzuje ale aj znižuje náklady, to je hlavná

výhoda VoIP prevádzky, ale značne to ovplyvňuje parametre QoS.

4.1.1 QoS parametre: Rozdielne parametre sa používajú na popísanie služieb klasických systémov ako

oneskorenie, chvenie, stratovosť paketov, ozveny, oneskorenie manažmentom siete.

Nasleduje popis charakterov jednotlivých parametrov pre lepšie pochopenie ich významu

pri QoS.

4.1.1.1 Oneskorenie:

Je základným parametrom pri projektoch VoIP sieti, je spracované v ITU-T G.114. Je

užitočné vedieť čo ho spôsobuje aby sme vedeli správne pochopiť efekty ním spôsobené.

Algoritmické oneskorenie: Je spôsobené algoritmickým kódovaním v prípadoch

algoritmických audio kodekoch.

Rámcové oneskorenie: RTP štandardne ma paketovací čas 20ms, tak G.711 kodek

môže naplniť 160 hlasových vzoriek do každého rámca., kým G.723.1 kodeku je jeden

rámec generovaný každých 30ms. Toto oneskorenie je dané vo všeobecnosti čakaním na

vygenerovanie ďalšieho rečového rámca, ktorý má byť vysielaný v príslušnom pakete.

Serializačné oneskorenie: Je čas potrebný na prenos paketov IP. Toto oneskorenie môže

VOWLAN PRENOS HLASU 

18

byť ovplyvnené počtom smerovačov a prepínačov ktoré ma na ceste cez sieť prekonať

a tiež aj rýchlosťou linky na ktorú vysielame.

Oneskorenie šírením: Je to čas potrebný na prejdenie sieťou na veľké vzdialenosti.

Prevádzka cez satelity pre výšku 14 000km je oneskorenie 100ms a pre výšku 36 000km

je to 260ms.

Oneskorenie komponentov: Je to oneskorenie ktoré vzniká na jednotlivých prvkoch

v sieti, pri prechode od vstupu po výstup. Je zanedbateľné voči predchádzajúcim.

4.1.1.2 Chvenie (Jitter):

IP paket prenášaný sieťou sa môže rôzne dlho zdržať v jednotlivých prvkoch siete, čo

spôsobuje rôzne oneskorenie na cieľovej strane prenosovej cesty paketu. Príchod

v nesprávny časový interval by mohol spôsobiť problém zo správnym spracovaním

paketu. Je viacej metód používaných na zníženie hodnôt tohto oneskorenia, ako je

používanie vyrovnávacích zásobníkov, ktoré dovolia správne usporiadanie

prichádzajúcich paketov.

4.1.1.3 Strata paketov:

Hlasové pakety sa môžu stratiť v sieti z dôvodu vysokého zaťaženia. V prenose

v reálnom čase nie je znovu posielanie paketov prípustné lebo by to zvyšovalo

oneskorenie. Dôsledky stratených paketov na kvalitu služby závisia od spôsobu správania

sa koncových zariadení, resp. implementácií v nich. Tie môžu ponechať prázdne medzery

namiesto stratených paketov. Je taktiež možné použiť metódu kedy sa z predchádzajúcich

správne prenesených vzoriek predikujú stratené vzorky(táto metóda je známa ako ukrytie

stratených paketov PLC)

4.1.1.4 Ozvena:

Je to jav ktorý sa prejavuje vypočutím oneskoreného opakovaného hlasového signálu

a môže nastať ak je oneskorenie väčšie ako 50ms na jednu slučku. Aby sa zabránilo

tomuto javu musia niektoré terminály vykonať korekciu ozveny, ktorá umožní zachovať

na chvíľu zvukový signál, ktorý bude následne odrátaný od odozvy signálu.

VOWLAN PRENOS HLASU 

19

4.2 METÓDY MERANIA

4.2.1 Subjektívne meracie metódy: Subjektívne merania kvality hlasového prenosu sa vykonávajú skupinou ľudí. Testové

frázy sú zaznamenané a potom testovaný subjekt ich počúva v rôznych podmienkach.

Tieto testy sa musia vykonávať v špeciálnych miestnostiach s presne definovanými

parametrami, ktoré sú kontrolované počas celého testu. Poznáme napr.: Konverzačný

názorový test, Posluchový názorový test, medzi nevýhody týchto testov patria napríklad

vlastnosti ako skúsenosti s týmito testami, humor a kultúra ktoré má každý človek iné.

Tieto testy sú aj finančne náročné a v praxi menej využívané, lebo na ne treba veľký počet

ľudí a opakovaní aby boli výsledky vierohodné.

4.2.1.1 Posluchový test:

Je využívaný pre nesmerové prenosy a je založený na prenose testov vykonávaných

konverzáciou alebo nahratými frázami. Cieľom je hodnotenie parametra terminálov alebo

algoritmov v rôznych podmienkach, niektoré z najznámejších testov sú ACR, DCR, CCR.

4.2.1.1.1 ACR- absolútne kategorické hodnotenie: Vykonáva sa priamym hodnotením vzoriek bez vypočutia referenčných vzoriek,

výsledky reprezentujú číselné hodnoty, na základe subjektívneho hodnotenia MOS

(Priemerná názorová hodnota). MOS nadobúda hodnoty 1-5 a udáva priemerný výsledok

dojmov testovacej osoby. Na teste sa musí zúčastniť veľa osôb. Ako má byť MOS skúška

vykonávaná popisuje ITU-T Rec. P.800:

Zdrojové nahrávky:

• Testovacia miestnosť musí mať objem od 30m3 do 120m3 a trvanie ozveny

menej než 500ms (200-300 doporučene) a hluk pozadia menší než 30 dB

• Všetky prijímacie systémy, telefóny a IRS musia byť kalibrované na ITU-T

Rec. P.64 a test citlivosti systémov sa musí vykonať pred začiatkom a po

skončení meraní.

• Nahrávacie systémy musia byť vysoko kvalitné (2-cestne pásky, 2-kanalové

procesory alebo počítačovo riadený počítačový systém)

VOWLAN PRENOS HLASU 

20

• Nahrané hlasové vzorky musia obsahovať pár krátkych fráz, prevzatých z novín

alebo netechnických prednášok, zvyčajné usporiadané (3-6 sekundové frázy

počas 2-5 minútových rozhovorov)

• Všetky použité materiály musia byť nahraté s mikrofónom vo vzdialenosti 140-

200mm od úst.

Posúvacia fáza testu:

• Testovacia miestnosť musí spĺňať rovnaké podmienky ako nahrávacia

miestnosť, okrem hluku pozadia, ten musí byť menší ako 50dB; tiež v tomto

prípade, hlukové spektrum musí byť hodnotene dvakrát

• Všetky reprodukčné systémy, telefóny, IRS alebo reproduktory musia byť

kalibrované podľa ITU-T Rec. P.64.

• Osoba ktorá počúva nemôže mať nič spoločné s telekomunikačnou prácou a oni

by nemali ešte počuť frázy použité v teste.

Kvalita musí byť hodnotená cez rôzne názorové škály ( ako v tabuľke 1-2-3)

Tabuľka 2: Počúvacie kvalitatívne hodnotenie

Kvalita reči Skóre

Excelentná 5

Dobrá 4

Priemerná 3

Slabá 2

Zlá 1

Tabuľka 3: Počúvacie hodnotenie úsilia

Úsilie potrebné na porozumenie významu tvrdenia Skóre

Možná relaxácia: žiadne úsilie netreba 5

Pozornosť potrebná: žiadne značné úsilie netreba 4

Mierne úsilie treba 3

Značné úsilie treba 2

Žiadny zmysel s nejakým prijateľným úsilím 1

VOWLAN PRENOS HLASU 

21

Tabuľka 4: Preferovaná miera hlasitosti

Hlasitosť Skóre

Oveľa hlasitejšie ako treba 5

Hlasitejšie ako treba 4

Normálne 3

Tichšie ako treba 2

Oveľa tichšie ako treba 1

4.2.1.1.2 DCR – Degradované kategorické hodnotenie: Sa používa ak hodnotíme vysoko kvalitné hlasové vzorky a výsledky ACR nie sú

vhodné pre vyhodnocovanie kvalitatívnych parametrov. Používajú sa dve vzorky A a B.

Vzorka A predstavuje referenčnú vzorku a B je degradovaná vzorka. Vzorka B je

porovnávaná pomocou degradačnej stupnice a výsledky sú zhrnuté v degradovanom MOS

(D-MOS). ITU-T P.800 príloha D, predstavuje ako sa vykonáva DCR skúška. 4

rozprávači hodnotia každú zostavu. Vzorky musia byť zložené z dvoch častí, oddelených

0,5 sekundovou tichou medzerou. DCR a ACR sa líšia použitím typmi vzoriek.

Poslucháči používajú päť stupňov degradačného rozsahu, ktoré vyjadrujú poškodenie

vzorky B ku vzorke A. (Tabuľka 4).

Tabuľka 5: Degradačná kategorická stupnica Degradácia nepočuteľná 5

Počuteľná degradácia nie však nepríjemná 4

Degradácia jemne nepríjemná 3

Degradácia nepríjemná 2

Degradácia veľmi nepríjemná 1

4.2.1.1.3 CCR – Porovnávacie kategorické hodnotenie: Je popísané v ITU-T P.800 príloha D. Tento test je podobný DCR okrem typu použitej

vzorky. Pri tomto teste je poradie vzoriek náhodné, pričom pri DCR je prvá prezentovaná

referenčná vzorka a potom degradovaná vzorka. Poslucháči nevedia ktorá vzorka je ktorá,

čiže musia dať stanovisko ku kvalite druhej vzorky ku prvej. Stupnica CCR je v tabuľke

6.

VOWLAN PRENOS HLASU 

22

Tabuľka 6: Porovnávacia kategorická stupnica

Veľmi lepšia 3

Lepšia 2

Jemne lepšia 1

Rovnaká 0

Jemne horšia -1

Horšia -2

Veľmi horšia -3

4.2.1.2 Konverzačný názorový test:

Sú to laboratórne testy, ktoré sa snažia napodobňovať reálne podmienky zákazníkov.

Je potrebné aby boli všetky podmienky pri teste presne dodržané a merané pred a po teste.

Test je popísaný v ITU-T P.800 príloha A.

Dva subjekty, ktoré vykonávajúce skúšky, sú umiestnené v samostatných a

izolovaných miestnostiach objemom väčším ako 20 m3 a echo nižším ako 500 ms (medzi

200 a 300 ms). Stavba miestnosti by mala byť taká, aby umožnila upraviť vhodný zvuk

tak, aby simulovali vonkajšie prostredie, s úrovňou šumu (ak tam nie sú zvuky zavedené

úmyselne), aby bola schopná udržať čo najmenšiu úroveň (štandard ISO 9996, TJ

nemocnice a knižnice);

Výber subjektov je prevádzkovaný náhodný spôsobom, a to za podmienky, že:

nesmú byť priamo zapojený do prace na telekomunikáciách hlasovom

kódovaní.

sa nikdy nepodieľa na ďalších subjektívnych experimentoch v

predchádzajúcich šiestich mesiacoch a konverzačnou experimentovaní v za

posledný rok.

Tieto subjekty majú hlásiť svoje stanovisko k názorovému stupnici vybraný medzi

týmito odporúčanými ITU-T a aritmetický priemer výsledkov sa nazýva priemer

konverzačné názorové hodnotenie (MOS).

4.2.1.3 Detekovateľné testy mechanickej odpovede:

Sú definované v ITU-T P.800 príloha C. Najlepšia metóda na získavanie informácií

o vlastnostiach analógového zvuku. Tieto parametre ovplyvňujú QoS. Hodnoty sa

VOWLAN PRENOS HLASU 

23

vyjadrujú pomocou stupňov na stupnici nazývanej: Detekovateľná stupnica vnímania.

Stupnica podľa ITU-T ponúka tieto stupne:

• Nepríjemný

• Detekovateľný

• Nedetekovateľný

Táto stupnica môže byť použitá pre rôzne typy týchto testov, napríklad pre hodnotenie

echa, pre interferenciu tónov, hlasovo spínané poškodenia a miestnu väzbu. V niektorých

situáciách môže byť toto vyjadrenie považované ako bodové ohodnotenie názoru, v

poradí 2, 1 a 0 pre združenie bodového ohodnotenia názoru posluchových a

konverzačných testov.

Tento združený typ nie je vždy možný, pretože testy mechanickej odpovede používajú

zmenšenú stupnicu vzhľadom ku klasickému bodovému ohodnoteniu názoru, ktorý je

formovaný 5 bodmi. Kvôli tomu, je možné využiť inú stupnicu, ktorá dovolí využiť

• viacej bodových ohodnotení

• nepočuteľný

• slabo počuteľný

• jemný

• mierny

• trochu hlučný

• hlučný

• neznesiteľný

4.2.2 Objektívne meracie metódy: Počas plánovania sieti sú subjektívne metódy nepraktické, drahé a obmedzené. Novo

vyvinuté metódy mali pomôcť vyhnúť problémom so subjektívnymi metódami. Nové

metódy umožňujú výpočet hodnôt poškodenia a ich kombinácie vo vyvíjanej sieti. Odhad

kvality, poskytujú čo najpresnejšie hodnotám MOS.

ITU-T navrhla objektívne, automatické a reprodukčné testovacie metódy, ktoré

udávajú vnemovú QoS. Objektívne meracie metódy využívajú postup keď, hlasová

vzorka tvorí vstupný signál na tvorbu hodnotenia, a degradovaná vzorka je tvorená pri

prenose sieťou. Rozlišujeme tri objektívne metódy hodnotenia: porovnávacie metódy,

ktoré porovnávajú degradovaný signál s originálom, absolútne metódy, ktoré sú založené

VOWLAN PRENOS HLASU 

24

na odhade absolútnej kvality a prenosové metódy, ktoré získavajú hodnoty cez sieťovú

štúdiu a analýzu, aby sme dopredu poznali kvalitu prenosu. Ďalšie delenie môže byť na

Intruzívne a neintruzívne metódy.

Intruzívne metódy: Základom týchto metód je hodnotenie parametrov kvality

porovnávaním dvoch vzoriek, referenčnej a degradovanej ktorú dostaneme

prenesením cez testovaný prenosový systém. Výsledky týchto metód sú presnejšie.

Neintruzívne metódy: Neintruzívne meracie metódy sa od intruzivných líšia v tom

že nemajú k dispozícii referenčnú vzorku čiže sa ťažšie určujú niektoré typy

skreslenia vyskytujúce sa v telekomunikačných sieťach. Tieto meracie metódy je

možné používať priamo v uzloch siete v monitorovacích alebo dohľadových

systémoch v reálnej prevádzke. Kde sa využívajú na meranie kvality na veľa

spojeniach súčasne.

4.3 ALGORITMY MERANIA KVALITY HLASOVÉHO

PRENOSU Vývoj objektívnych metód začal v 80-tých rokoch a prvým implementovým

algoritmom bol algoritmus NMR v roku 1989. Prvé testy ktoré boli vyvinuté na

hodnotenie kvality hlasou boli navrhnute pre rozhlasové a televízne vysielanie a nie pre

hodnotenie telekomunikačných prenosov. Objektívne metódy možno popísať všeobecnou

schémou zobrazenou na obr. 9.:

Obrázok 9: Všeobecná štruktúra objektívnych metód merania kvality

Základným rozdielom medzi jednotlivými algoritmami je vo vnímavostnom modeli.

Ale podoba je v základnej štruktúre dvoch vstupov kde na jeden vstupuje referenčná

vzorka a na druhy degradovaná vzorka ktorá je výstupom testovaného prenosového

kanála. Prvým krokom je modelovanie vonkajšieho ucha tzv. vnemový model. V ďalšom

VOWLAN PRENOS HLASU 

25

kroku algoritmus modeluje v testovanom kanáli akustické skreslenie a následne ho

porovnáva s výstupom z vnemového modelu. Tieto informácie sa dajú použiť na

detailnejšiu analýzu signálu a volajú sa MOVs (Model Output Variables). Simuláciu

kognitívnej časti ľudského vnímania reči ako ďalším krokom dostaneme akustické

skreslenie testovaného signálu. Algoritmus PSQM bol štandardizovaný ako odporúčanie

ITU-T P.861 pre meranie kvality prenosu hlasu. Postupným vývojov rečového kódovania,

sa museli vyvíjať aj nové algoritmy testovania kvality hlasového prenosu, pre použitie

v IP sieťach keďže PSQM nepokrýval celú oblasť rušenia. PSQM+ doplnený

o kompenzáciu oneskorenia z PAMS bol v roku 2000 štandardizovaný ako algoritmus

ITU-T P.862 pod názvom PESQ (Perceptual Estimation ofSpeech Quality).

4.3.1 Algoritmy pre intruzívne merania Tieto systémy využívajú dva signály na vstupe. Prvým signálom je referenčná vzorka

a druhým býva degradovaná vzorka, ktorú dostaneme po prenose cez testované prenosové

vedenie. Pre potrebu dvoch signálov nie sú tieto algoritmy vhodné na monitorovanie

reálnej prevádzky.

4.3.1.1 MNB (Measuring Normalizing Blocks)

Bol vyvinutí ako alternatíva ku PSQM v roku 1997. Je vhodný pre impulzné

hodnotenie parametrov alebo ak je bitová rýchlosť nižšia ako 4kb/s. MNB má dve

základné techniky:

• Normalizačné bloky založené na časovom meraní

• Normalizačné bloky založené na frekvenčnom meraní

MNB môže byť štruktúrovaný nasledovným spôsobom:

• Časovo synchronizovaný originál a testovaný originál sú vložené do modelu. Sú

zarovnané vo frekvenčnej oblasti vo vnútri modelu, tiché rámce sa vyradia;

• Signály sú prenášané ako vstup do Normalizačného bloku založenom na

frekvenčnom meraní a tiež do druhého Normalizačného bloku založenom na

časovom meraní. Úlohou je poskytnúť sadu parametrov pre potreby ďalších

meraní;

• Algoritmus, v tomto bode, zlúči dva MNB signály z výstupu do jedinej hodnoty

nazývanej Auditory Distance (AD) - sluchový rozdiel, ktorá reprezentuje meranie

VOWLAN PRENOS HLASU 

26

kvality na dvoch signáloch na báze porovnaní ich základu. Táto hodnota je

mapovaná do kvalitatívnej stupnice, za účelom získania subjektívnej predikčnej

kvality .

Obrázok 10: Schéma algoritmu MNB

4.3.1.2 PSQM (Perceptual Speech Quality Measurement)

Je to upravená verzia PAQM čo je všeobecnejšia verzia algoritmu pre meranie audio

kvality. PSQM slúži na výpočet kvality hlasového prenosu. Je to matematický algoritmus

hodnotiaci rozdiel medzi referenčnou vzorkou a degradovanou vzorkou. Toto číslo sa

používa na výpočet šumu v sieti.

Matematický algoritmus môže byť rozdelený do troch blokov:

• Predbežné spracovanie – táto fáza je vykonaná pred samotným meraním. Overí, či

vstupné a výstupné signály sú dočasne zarovnané a zmenu veľkosti, za účelom

vyrovnania sieťovej hodnoty;

• Vnímavostné modelovanie - transformuje hodnoty v oblasti vnímania, z iného

pohľadu matematický model získa fyzickú signálovú reprezentáciu, ktorá sa

konvertuje za účelom realizácie reálneho ľudského vnímania signálu;

• Kognitívne modelovanie - je využité na porovnanie vstupného signálu s

výstupným signálom, na hodnotenie vnímanej chyby a na vypočítanie rušenia.

Hodnotenia PSQM sa pohybujú od 0 vyššie. Hodnota nula je dokonalé zarovnanie

originálu a degradovanej vzorky. Čím je hodnota PSQM vyššia tým je skreslenie väčšie

čo má za následok menšiu zrozumiteľnosť hovoru. Skutočná horná hranica hodnôt PSQM

sa pohybuje na hodnote 15-20.

VOWLAN PRENOS HLASU 

27

Obrázok 11: Schéma algoritmu PSQM

4.3.1.3 PAMS (Perceptual Analysis Measurement Systém)

Bol navrhnutý pre British Telecom. Cieľom je meranie parametrov ako: časové

prerušenie, strata paketov, oneskorenie a skreslenie. PAMS používa model založený na

ľudských faktoroch vnímania. PAMS má lepší spôsob časového zarovnania ako PSQM.

Tento princíp pracuje na odstránení účinkov oneskorenia.

Model môže byť rozdelený nasledovne:

• Predbežné spracovanie – v tomto bloku sú dva signály časovo zarovnané v

osobitnom časovom úseku, za účelom kompenzácie oneskorenia;

• Sluchová transformácia – v tomto bode sú signály modelované na zahrnutie

ľudských výrazov;

• Chybová parametrizácia - rozdiel medzi dvoma signálmi je hodnotený za účelom

detekcie prítomnosti chýb. Vnímané chyby sú mapované do stupnice subjektívnej

kvality. Poskytuje dva typy stupníc: LQS (Listening Quality Score) a LES

(Listening Effort Score), ktoré korešpondujú so stupnicou ACR. Výsledky PAMS

porovnania sú hodnoty v rozmedzí 0– 5.

Obrázok 12: Schéma algoritmu PAMS

VOWLAN PRENOS HLASU 

28

4.3.1.4 PSQM+

Je založený na metóde PSQM a zlepšuje spôsob, akým je PSQM technika aplikovaná

do systému, ktorý zahŕňa kritické skreslenia spôsobené napríklad stratou paketov. Pre

systémy, ktoré zahŕňajú len kódovanie reči, metódy PSQM a PSQM+ udávajú rovnaké

hodnoty.

4.3.1.5 PESQ (Perceptual Estimation of Speech Quality)

Tento algoritmus vznikol spojením algoritmu PSQM a bloku časového zarovnávania

z PAMS. Je tiež určený na objektívne hodnotenie hlasových signálov, prenášaných cez

telefónnu sieť. Prvým krokom modelu PESQ sú vzorky časovo zarovnané a určia sa

odpovedajúce si časti s oboch signáloch. Potom nasleduje spracovanie signálov

vnímavostným modelom, ktorým sa porovnávajú časti ktoré si boli priradené

v predchádzajúcom kroku. Z týchto hodnôt sa vypočíta PESQMOS, ktorá je z intervalu od

-0,5 do 4,5.

Model PESQ sa s výhodou používa v paketových sieťach a taktiež v mobilných. Kvôli

nevhodnosti kodeku PESQ na prenosy v reálnom čase a kodekou s dátovým tokom nižším

ako 4kb/s sa v týchto prípadoch používa starší algoritmus PSQM+. Spolu tieto dva

algoritmy predstavujú riešenie pre kompletné meranie kvality prenosu hlasu.

Obrázok 13: Schéma algoritmu PSQM+ a PESQ

VOWLAN PRENOS HLASU 

29

Postup spracovania signálu v PESQ:

Referenčná a degradovaná rečová vzorka sú individuálne úrovňovo

zarovnávané a filtrované.

Tieto signály vstupujú do bloku časového zarovnávania, kde sa kompenzujú

malé časové posuny, zapríčinené oneskorením a časovou nestabilitou v

systémoch VoIP.

Časové reprezentácie oboch vstupných signálov sú transformované do

frekvenčnej oblasti.

Ďalej sú rečové vzorky rozdelené do blokov, ktoré sú vstupom do FFT

použitím Hannového okna.

Ďalej sa (lineárna) frekvenčná stupnica prevedie na frekvenčnú stupnicu

uvádzanú v barkoch, založenú na kritických frekvenčných pásmach, ktoré

korešpondujú so šírkami pásiem, tzv. kochleárnej banky filtrov.

Oba signály, referenčný a degradovaný, sú potom filtrované s prenosovými

charakteristikami prijímacieho zariadenia (telefónu).

Následne je pridaný Hothov šum (Hoth noise) na simulovanie šumu pozadia

typického pre kancelárie s cieľom vyjadriť maskovací efekt v reálnom

šumovom prostredí a určenie maskovacieho prahu.

Potom nasleduje úprava intenzity, ktorá vedie k vyjadreniu komprimovanej

hlasitosti ako funkcie výšky tónu a času, a pomocou tejto funkcie sa odvodí

odhad počuteľných chýb.

Následné sa vykoná prevod na hodnotenie PESQ ktoré sa prepočíta na hodnoty

stupnice MOS.

4.3.2 Algoritmy pre neintruzívne merania V reálnej prevádzke je treba merať kvalitu hlasového prenosu aj v reálnom čase

v jednotlivých uzloch siete, kde sa však nedajú použiť algoritmy pre intruzívne merania

lebo nemáme k dispozícií referenčnú vzorku na porovnanie s degradovanou vzorkou. Pre

takéto účely boli vyvinuté neintruzívne metódy meraní parametrov kvality hlasu. Pôvodné

neintruzívne metódy vykonávajú predikciu kvality hlasového prenosu priamo zo

sieťových výkonnostných parametrov: jitter, oneskorenie, strata paketov.

VOWLAN PRENOS HLASU 

30

4.3.2.1 INMD (Inservice Non-intrusive Measurement Device)

Obsahuje zoznam parametrov potrebných na meranie. Pôvodne bol vyvinutý na

meranie parametrov ako sú hlas, hluk, echo a strata úrovne v obvodovo prepojovanej sieti.

Neskôr bol vylepšený aj pre podporu paketovo prepojovaných sieti. Štandardizácia tohto

algoritmu prebehlo v roku 2000 v ITU-T v odporúčaní P.562 na lokalizáciu a analýzu

poškodenia hlasu. INMD sa najčastejšie používa v sieťach s jednoduchým skreslením.

4.3.2.2 CCI (Call Clarity Index)

Uvádza parametre, ktoré je potrebné vyhodnocovať na prenesenej verzii hlasovej vzorky

kombinovať a určiť tak celkovú kvalitu prenosu reči. Bol vyvinutý na začlenenie INMD

firmou British Telecom. Metóda využíva model ľudského vnímania, pomocou ktorého

získava výsledok subjektívneho hodnotenia kvality volaného index zreteľnosti.

Algoritmus výpočtu výsledného bodového hodnotenia môže byť prevádzkovaný priamo v

testovacom systéme alebo môže byť umiestnený v sieťovom zariadený ako je smerovač

alebo prepínač.

4.3.2.3 NIQA (Non-intrusive Quality Assessment)

Bol vyvinutý ako nadstavba modelu CCI aby pokryl všetky druhy skreslení

(oneskorenie, nízka prenosová rýchlosť,...). Vyvinula ho spoločnosť Psytechnics. NIQA

môže byť prevádzkovaný vnútri brány, prepínača, testovacej architektúry alebo

architektúry pre zlepšenie kvality. Obrovský rozsah skreslenia povolí tomuto algoritmu

vytvoriť bodové hodnotenie pre každý typ kodeku používaný v moderných digitálnych

sieťach.

NIQA algoritmus:

Signál, ktorý nie je produkovaný ľudským hlasom, je identifikovateľný;

Obrázok 14: Schéma algoritmu INMD

VOWLAN PRENOS HLASU 

31

Dopad poškodenia (podobne pre PESQ) na kvalitu je predpovedaný cez poznávací

model;

Skreslenie hlasového signálu je zhromaždené a bodové ohodnotenie kvality je

vypočítané z identifikačného bloku rušenie/skreslenie za účelom možnej korelácie

cez zobrazenie kvality so subjektívnym MOS ohodnotením.

Obrázok 15: Schéma algoritmu NIQA

VOWLAN PRENOS HLASU 

32

5. PRAKTICKÁ ČASŤ BAKALÁRSKEJ PRÁCE

V praktickej častí mojej bakalárskej práce som sa zameral na hodnotenie kvality hlasu

prenášaného cez bezdrôtovú sieť WIFI ktorú sme zrealizovali na Elektrotechnickej

fakulte Žilinskej Univerzity. Ďalej som mal v úmysle zistiť vplyv sily WIFI signálu

a prevádzkového zaťaženia na kvalitu prenášaných hlasových vzoriek. Generovanie

dodatočného zaťaženia malo za cieľ simulovať iných účastníkov pripojených na ten

istý AP. Moje meranie bolo zamerane na priestory výhradne vo vnútri budovy aby

som zistil vplyv pevných prekážok, ako stien a schodov, na šírenie sa signálu a ich

následný vplyv na kvalitu hlasového prenosu.

5.1 PRINCÍP MERANIA Meranie som robil v podmienkach ktoré mali simulovať telefonovanie pomocou VoIP

klienta z notebooku ktorý bol pripojený cez AP do testovacej siete a druhý VoIP klient

bol k AP pripojený klasickým drôteným vedením typu STP. Ďalším prvkom testovacej

siete v ktorej sme merali boli D-ITG vysielač a D-ITG prijímač, pričom bol D-ITG

prijímač pripojený pomocou WIFI a D-ITG vysielač pomocou klasického drôteného

vedenia typu STP. Ako AP som použil všestranný prístupový bod, switch, router pre

bezdrôtové WiFi siete štandardov 802.11b/g s rýchlosťou prenosu až 54 Mb/s

a obsahujúci 4 konektory typu RJ-45. V prípade meraní som však využíval verziu

802.11b, čo znamená použitie prenosovej rýchlosti 11 Mb/s. VoIP vysielač bežal na

bežnom notebooku, kvôli lepšej pohyblivosti a priblíženiu sa výkonom skutočnej situácii

ktorý bol kvôli nemennosti kvality signálu počas meraní pripojený na elektrickú sieť. Ako

ďalšie počítače boli použité klasické stolové ktoré zastávali funkcie VoIP prijímača, D-

ITG vysielača a D-ITG prijímača. Pripojenie D-ITG prijímača cez WIFI sieť sme

realizovali externým WIFI USB kľúčom napojeným na prístupový bod priamou

viditeľnosťou so 100% silou signálu.

VOWLAN PRENOS HLASU 

33

Obrázok 16: Principiálna schéma merania zadania

Zvyšné dva počítače boli priamo pripojené do siete cez rozhranie STP ktoré bežalo

rýchlosťou 100 Mb/s (Ethernet) čo dostačovalo na to aby nám to negatívne neovplyvnilo

výsledky merania a prenosové parametre. VoIP hovor sme uskutočňovali pomocou VoIP

klienta Eyebeam, ktorý používal na prenos hlasu kodek G.729. Vo VoIP vysielacom

počítači ešte bežal zvukový program, ktorým sme do vytvoreného spojenia prehrávali

prenášané vzorky, ďalej tam bol spustený program na meranie kvality prijímaného

signálu. Na VoIP prijímacom počítači bol spustený nahrávací program ktorý zachytával

a nahrával prenesenú vzorku a taktiež tam bežal program HAMMER ktorým som

nahrával prenesené pakety na následnú analýzu. Na počítači pracujúcom ako D-ITG

vysielač bol spustený program D-ITG pomocou ktorého sme vysielali simulované

dodatočné zaťaženie na prístupovom bode v hodnotách 0, 3, 5 Mb/s a bol ešte tam bežalo

sledovanie prenosu dát v sieti. Na poslednom počítači ktorý mal funkciu D-ITG prijímača

bežal program D-ITG ktorý zabezpečoval prijímanie dodatočného zaťaženia

a samozrejme program. Na začiatku každého opakovania merania som spustil pomocné

prevádzkové zaťaženie následne som spustil nahrávanie vzorky a súčasne aj nahrávanie

Hammera a nakoniec som spustil samotnú vzorku ktorú som prenášal. Takto sa to

opakovalo desať krát, následne som zmenil vzorku prípadne hodnotu prevádzkového

zaťaženia. Po skompletizovaní merania na jednej úrovni signálu prešiel som na ďalšiu

VOWLAN PRENOS HLASU 

34

a všetko sa zopakovalo. Umiestnenie jednotlivých meracích miest možno vidieť v prílohe

E (obr. 22) Takto som pokračoval až do namerania všetkých meraní.

5.2 VÝSLEDKY MERANÍ Po dokončení meraní som musel ešte zhodnotiť nahrané vzorky na čo mi poslúžil

algoritmus PESQ. Následne som spracoval dáta zaznamenané programom Hammer kde

som určoval Packet lost, Out of sequence packet, Jitter, Jitter delay a Jitter buffer packet

drop. Výsledky najlepšie reprezentuje

Obrázok 17: Graf závislosti hodnôt MOS od kvality WIFI signálu

Obrázok 18: Graf závislosti Stratených paketov od kvality WIFI

grafické znázornenie na obrázkoch 15 a 16. Na obrázku 15 vidíme závislosť

vypočítaného hodnotenia v stupnici MOS od kvality WIFI signálu v meranom mieste a od

generovaného pomocného zaťaženia. Pri 100% hodnote signálu vidíme že má pomocné

zaťaženie najväčší vplyv kým pri menších hodnotách signálu sa tento vplyv stráca čo

znamená že samotnú kvalitu prenosu viac ovplyvňuje sila prijímaného signálu. Výraznú

odchýlku vidíme len v bode s hodnotou signálu 91% a pomocnom zaťažení s hodnotou 0

Mb/s. Čo mohlo byť spôsobené umiestnením meraného bodu v tesnej blízkosti

8,00

9,00

10,00

11,00

12,00

100% 91% 80% 70% 50%

Packet lost[%

]

Kvalita WIFI signálu

0 Mb/s 3 Mb/s 5 Mb/s

3,4

3,5

3,6

3,7

3,8

3,9

100% 91% 80% 70% 50%

MOS‐LQ

O 

Kvalita WIFI signálu

0 Mb/s 3 Mb/s 5 Mb/s

VOWLAN PRENOS HLASU 

35

prístupového bodu a umiestnením tesne za stenu kde bol vytvorený tieň z prístupového

bodu. Ďalšie výsledky meranie je možné nájsť v prílohovej časti tejto práce.

36

6. ZÁVER Zmyslom vytvorenia tejto bakalárskej práce bolo zistenie vplyvov rušenia

bezdrôtových sieti na kvalitu prenosu hlasu pri VoIP prenosoch. Zameral som sa skôr na

rušenia spôsobené prostredím v budovách a tiež na porovnanie pri rôzne silných signálov

v rámci WI-FI siete. V teoretickej časti mojej práce som sa zameral na popis použitých

technológií, následné som opísal metódy merania a spôsoby hodnotenia hlasových

prenosov v IP sieťach. Ďalšej som opísal základy šírenia elektromagnetických vĺn

v zastavanom prostredí. V praktickej časti mojej práce som zrealizoval meranie na

zostavenej WI-FI sieti. Ako z názvu práce vyplýva, moje merania som realizoval

v budove, konkrétne sa tieto merania prevádzali v budove Elektrotechnickej fakulty.

37

Zoznam použitej literatúry 1. Pechač, P., Zvánovec, S.: Základy šíření vln pro plánovaní pozemních

rádiových spojů, 2007, ISBN 978-80-7300-223-7

2. Pechač, P.: Šíření vln v zástavbě modely pro plánování mobilních

rádiových systémů, 2005, ISBN 80-7300-186-1

3. KOLEKTÍV AUTOROV.: State of the art voice quality testing, White

Paper by OPTICOM GmbH, Germany [online], [cit. 2009-04-19],

Dostupné na Internete:

http://www.opticom.de/download/STATEO1.PDF .

4. ITU-T Recommendation P.862 “Perceptual evaluation of speech quality

(PESQ): An objective method for end-to-end speech quality

assessment of narrow-band telephonenetworks and speech codecs“,

International Telecommunications Union, Ženeva, február 2001.

5. POČTA, P., VACULÍK, M.: Impact of duration of speech sequences on

speech quality, V Journal of Telecommunications and Information

Technology, vol. 7, no. 4, pp.72-76, ISSN 1509-4553.

6. ANTONY W. RIX, JOHN G. BEERENDS, DOH-SUK KIM, SENIOR

MEMBER, IEEE, PETER KROON, FELLOW, IEEE, AND ODED

GHITZA.: Objective Assessment of Speech and Audio Quality—

Technology and Applications, V IEEE Transactions on audio, speech,

and language processing, VOL. 14, NO. 6, november 2006.

7. Floriano De Rango, Mauro Tropea, Peppino Fazio, Salvatore Marano.:

Overview on VoIP: Subjective and Objective Measurement Methods, V

IJCSNS International Journal of Computer Science and Network

Security, VOL.6 No.1B, január 2006.

8. PSQM [online], [cit. 2009-04-20], Dostupné na Internete:

http://www.opticom.de/technology/psqm.html

9. PESQ [online], [cit. 2005-11-18], Dostupné na Internete:

http://www.opticom.de/technology/pesq.html

10. “Non Intrusive Quality Assessment”, Psytechnics, január 2003.

11. J. Anderson, “Addressing VoIP Speech Quality with Non-Intrusive

Measurement”, White Paper, Agilent Technologies.

ÚVOD 

12. Takahashi, A.: Objective quality evaluation based on ITU-T

Recommendation P.862 by using long reference speech (NTT),

COM12-D008, Jan. 2005.

13. Varela, M., Marsh, I., Gronvall, B.: A systematic study of PESQ’s

behaviour, V zborníku konferencie MESAQIN 2006, Praha, 2006, ISBN

80-01-03503-4.

14. Rix, A. W.: Comparison between subjective listening quality and P.862

PESQ score, V zborníku konferencie MESAQIN 2003, Praha 2003,

ISBN 80-01- 02822-4.

15. Antony W. Rix, John G. Beerends, Doh-Suk Kim,Peter Kroon, Oded

Ghitza.: Objective Assessment of Speech and Audio Quality—

Technology and Applications, V IEEE Transactions on audio, speech,

and language processing, VOL. 14, NO. 6, november 2006.

16. P Hollier M. P., Barrett P. A.: Non-intrusive perceptual quality

measurement for quality assurance in NGN and 3G networks,

Psytechnics Limited, UK, 2003.

17. Kolektív autorov.: Diagnosing Voice Quality Impairments and Designing

Solutions for Voice over IP Systems, Intel Leap ahead White Paper

Telecom, marec 2006.

18. ITU-T Recommendation P.562, “Analysis and Interpretation of INMD

Voice service Measurements”, Ženeva, máj 2000.

19. ITU-T Recommendation P.861, “Objective quality measurement of

telephoneband (300-3400 Hz) speech codecs“, Ženeva, február 1998.

ČESTNÉ VYHLÁSENIE

Vyhlasujem, že som zadanú bakalársku prácu vypracoval samostatne, pod

odborným vedením vedúceho bakalárskej práce Ing. Peter Počta PhD. a používal som len

literatúru uvedenú v práci.

Súhlasím so zapožičiavaním bakalárskej práce.

V Žiline dňa 12. 6. 2009

____________________

podpis

Prílohová časť

PRÍLOHOVÁ ČASŤ 

i

Príloha A)

Obrázok 19: 3D graf závislosti hodnôt MOS od kvality WIFI signálu.

Príloha B)

Obrázok 20: 3D graf závislosti stratených paketov od kvality WIFI

Príloha C)

Obrázok 21: 3D graf závislosti zahodených paketov jitterom od kvality WIFI

3,4

3,5

3,6

3,7

3,8

100% 91% 80% 70% 50%

Prevád

zkové zaťaženie

MOS

Sila signálu

0 Mb/s

3 Mb/s

5 Mb/s

0 Mb/s

5 Mb/s

8,50

9,00

9,50

10,00

10,50

11,00

11,50

100% 91% 80% 70% 50%Prevád

zkové zaťaženie

Packet lost[%

]

Kvalita WIFI signálu

0 Mb/s 3 Mb/s 5 Mb/s

0 Mb/s

3 Mb/s

5 Mb/s

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

100% 91% 80% 70% 50%

Prevád

zkové zaťaženie

Jitter buffer pa

cket dropp

ed[%

]

Kvalita WIFI signálu

0 Mb/s 3 Mb/s 5 Mb/s

PRÍLOHOVÁ ČASŤ 

ii

Príloha D)

Príloha E)

0 Mb/s

3 Mb/s5 Mb/s

0

50

100

100% 91%80%

70%50%

Prevád

zkové zaťaženie

Jitter [m

s]

Kvalita WIFI signálu

0 Mb/s 3 Mb/s 5 Mb/s

Obrázok 22: 3D graf závislosti zmeškaných paketov od kvality WIFI

Obrázok 23: Rozloženie meracích miest

PRÍLOHOVÁ ČASŤ 

iii

Príloha F)