Исследование и разработка современных объективных методов оценки качества передачи речевой информации при мобильной связи

Актуальность темы

.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

— анализ существующих методов оценки качества передачи РС по КМС;

— исследования спектральных и вероятностных характеристик РС;

— разработка численного метода определения интегрального критерия оценки качества;

— разработка основных составляющих интегрального критерия объективного метода оценки;

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

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

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

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

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

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

Научная новизна настоящей работы заключается в следующем:

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

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

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

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

— получить достоверный результат измерения;

— автоматизировать процесс контроля качества без прерывания связи;

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

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

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

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

Основные положения, выносимые на защиту:

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

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

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

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

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

4.7. Выводы по разделу 4.

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

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

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

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

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В заключении сформулированы основные результаты выполненной работы:

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

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

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

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

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

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

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

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

— УОКМС способно оценить влияние мешающих факторов в виде шума;

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

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