基于E擴(kuò)展模型的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)音通信QoS性能評(píng)價(jià)

邱丙益，劉伯棟，張家偉，宋玉鳳

(中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心，河南 洛陽(yáng) 471000)

0 引言

無(wú)論傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，還是現(xiàn)今流行的無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，語(yǔ)音通信仍發(fā)揮著重要作用。隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，語(yǔ)音通信技術(shù)也在不斷地更新并與之融合，特別是基于各類Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)語(yǔ)音通信，如通用動(dòng)力公司和泰利斯公司研制的AN/PRC-154電臺(tái)[1]、中云沃達(dá)ZY-CW140自組網(wǎng)通信設(shè)備[2]和華訊方舟多維自組網(wǎng)系統(tǒng)[3]等。但由于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)自身的特點(diǎn)，無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)在通信質(zhì)量保證方面存在著網(wǎng)絡(luò)帶寬受限、自組織拓?fù)渥兓旌蛯?shí)時(shí)性業(yè)務(wù)支持較差等缺點(diǎn)，也使得其實(shí)現(xiàn)可靠語(yǔ)音技術(shù)并保證語(yǔ)音質(zhì)量面臨著很多問(wèn)題。而要保證語(yǔ)音質(zhì)量首先要找到一種評(píng)價(jià)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)音通信質(zhì)量的方法。本文結(jié)合傳統(tǒng)語(yǔ)音質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)ITU-T P.800[4-5]，提供了一種基于E擴(kuò)展模型的Ad Hoc網(wǎng)語(yǔ)音Qos評(píng)價(jià)方法，并以某型Ad Hoc電臺(tái)為測(cè)試對(duì)象，進(jìn)行了參數(shù)測(cè)量及計(jì)算方法探討。

1 E擴(kuò)展模型描述

E模型是ITU-T定義的G.107標(biāo)準(zhǔn)中語(yǔ)音質(zhì)量評(píng)價(jià)量化模型[6]，其中的R因子方法可以將網(wǎng)絡(luò)中對(duì)語(yǔ)音質(zhì)量造成影響的因素進(jìn)行量化，并最終將R因子映射為主觀平均評(píng)分(MOS)值[7-8]。E擴(kuò)展模型是在該模型基礎(chǔ)上結(jié)合IETF工作組制定的網(wǎng)絡(luò)性能Qos評(píng)價(jià)因素[9-10]，提出的一種Ad Hoc網(wǎng)語(yǔ)音質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，該評(píng)價(jià)模型基本框圖如圖1所示[11]。

圖1 語(yǔ)音質(zhì)量評(píng)價(jià)E擴(kuò)展模型

如圖1所示，E擴(kuò)展模型的實(shí)現(xiàn)機(jī)制可以寫(xiě)為：

R=R0-Is-Id-Ie-Ij+A，

(1)

式中，R0為信噪比，與信號(hào)功率和背景底噪相關(guān)，其計(jì)算公式為R0=S/N=(P-L衰減)/N，L衰減為自由空間衰減；Is為所有語(yǔ)音質(zhì)量物理因素?fù)p耗的整合；Id為由于時(shí)延帶來(lái)的語(yǔ)音損傷；Ie為丟包產(chǎn)生的語(yǔ)音質(zhì)量損耗；Ij為時(shí)延抖動(dòng)產(chǎn)生的語(yǔ)音質(zhì)量損耗；A為修正因子(無(wú)線通信情況下A=10)。

2 Ad Hoc網(wǎng)語(yǔ)音通信QoS性能評(píng)價(jià)方法

考慮到IETF工作組對(duì)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)QoS性能參數(shù)的定義[12]，式(1)可以簡(jiǎn)化為：

R=R0-Id-Ie-Ij+10，

(2)

而R和MOS之間的關(guān)系，根據(jù)ITU-T.107的定義，其映射關(guān)系可表示為[3]：

(3)

通過(guò)式(3)即可將鏈路信噪比和時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)和丟包率等IETF工作組確立的Ad Hoc網(wǎng)QoS性能參數(shù)轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)的MOS分，實(shí)現(xiàn)對(duì)語(yǔ)音質(zhì)量的評(píng)價(jià)。

2.1 評(píng)價(jià)因子與網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)的關(guān)系

Id與時(shí)延Ti的關(guān)系式為[13]：

Id= 0.024Ti+0.11×(Ti-177.3)×H(Ti-177.3)，

(4)

Ie是設(shè)備損耗因素、由于非線性編碼以及丟包產(chǎn)生的語(yǔ)音質(zhì)量損耗因子。根據(jù)文獻(xiàn)[14]，Ie可以表述為：

Ie=Ie-p+C1×ln(1+C2×loss_rate)，

(5)

按照標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)音壓縮編碼算法G.729A協(xié)議規(guī)定[14]，這里Ie-p=1，C1=47.82，C2=0.8。

2.2 單向語(yǔ)音質(zhì)量MOS分計(jì)算

單個(gè)語(yǔ)音包的時(shí)延為該包收發(fā)時(shí)間之差，對(duì)于N個(gè)語(yǔ)音包的平均時(shí)延的計(jì)算為：

(6)

式中，ti-r表示第i個(gè)包在源節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時(shí)刻；ti-s表示第i個(gè)包在目的點(diǎn)的接收時(shí)刻。N表示連續(xù)統(tǒng)計(jì)的包個(gè)數(shù)。

時(shí)延抖動(dòng)的計(jì)算方法為：

(7)

式中，Ti表示第i個(gè)包的時(shí)延，并設(shè)定T0=0。

丟包率的計(jì)算公式為：

loss_rate=1-Nr/Ns，

(8)

式中，Nr為在觀測(cè)時(shí)間區(qū)間內(nèi)收到的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)；Ns為該時(shí)間段內(nèi)發(fā)送的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)。根據(jù)計(jì)算除了的時(shí)延、抖動(dòng)和丟包率因素，代入式(2)進(jìn)行計(jì)算，即可得出單向傳輸R因子值，再根據(jù)式(3)計(jì)算出平均主觀評(píng)分MOS值。

3 自組網(wǎng)電臺(tái)語(yǔ)音通信QoS參數(shù)測(cè)量與計(jì)算

結(jié)合上述評(píng)價(jià)模型，采用自組網(wǎng)電臺(tái)進(jìn)行場(chǎng)景布置，6個(gè)Ad Hoc節(jié)點(diǎn)單鏈組網(wǎng)，相鄰節(jié)點(diǎn)的距離基本相等，且保證話音通信是一個(gè)節(jié)點(diǎn)挨著一個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)中繼跳實(shí)現(xiàn)。

通過(guò)JERPERF軟件對(duì)網(wǎng)絡(luò)QoS參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)Qos參數(shù)測(cè)量

獲得的結(jié)果如表1所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)QoS參數(shù)測(cè)量結(jié)果

表1中，電臺(tái)發(fā)射功率為2 W，底噪為-110 dBm，典型單跳最大通信距離為800 m，通信頻率225～470 MHz(取中間值275 MHz)，因此R0典型值取65 dB。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 不同跳數(shù)情況下語(yǔ)音質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果

從表2可以看出，在多跳組網(wǎng)情況單跳最大通信距離下的話音質(zhì)量都能保持較好的通信效果，經(jīng)過(guò)多跳以后自組網(wǎng)電臺(tái)仍然保持了良好的語(yǔ)音通信效果，評(píng)估結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果保持了一致，從而保證了多跳話音的可靠傳輸。其中，在測(cè)試過(guò)程中，發(fā)送速率的選取比較重要，隨著跳數(shù)的增加發(fā)送速率必須成倍遞減，否則測(cè)試會(huì)出現(xiàn)傳輸中斷現(xiàn)象，導(dǎo)致收集的數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)，造成最終結(jié)果出現(xiàn)奇異值。

4 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)不需要固定設(shè)備支持，各節(jié)點(diǎn)即用戶終端自行組網(wǎng)，通信時(shí)由其他用戶節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，這種網(wǎng)絡(luò)形式突破了傳統(tǒng)無(wú)線蜂窩網(wǎng)絡(luò)的地理局限性，能夠更加快速、便捷、高效地部署，適合于一些緊急場(chǎng)合的通信需要，如戰(zhàn)場(chǎng)的單兵通信系統(tǒng)、自然災(zāi)害應(yīng)急通信等[15-16]，使其在未來(lái)的應(yīng)用前景會(huì)越來(lái)越廣泛，因而對(duì)其網(wǎng)絡(luò)通信性能的評(píng)估也會(huì)越來(lái)越受重視。

測(cè)試結(jié)果說(shuō)明，針對(duì)無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，提出的評(píng)價(jià)方法具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，而除了網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)音效果評(píng)估應(yīng)用方面，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部鏈路評(píng)估、輔助路由計(jì)算和鏈路接入控制等方面，也有一定參考價(jià)值。