автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Влияние дальности радиосвязи на качество пакетной передачи речи при использовании на канальном уровне технологии стандарта IEEE 802.11

На правах рукописи

Житнов Алексей Анатольевич

ВЛИЯНИЕ ДАЛЬНОСТИ РАДИОСВЯЗИ НА КАЧЕСТВО ПАКЕТНОЙ ПЕРЕДАЧИ РЕЧИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ НА КАНАЛЬНОМ УРОВНЕ ТЕХНОЛОГИИ СТАНДАРТА IEEE 802.11

Специальность: 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации иа соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 ЯН8 2012

Владимир 2011

005007240

Работа выполнена на кафедре «Радиотехника и электросвязь» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» (МИИТ).

Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Горелов Георгий Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Галкин Александр Павлович кандидат технических наук, Шатковский Олег Юрьевич

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский технический университет связи и информатики (МТУСИ)

Защита диссертации состоится «22» февраля 2012 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.025.04 при Владимирском государственном университете имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, д. 87, ауд. 301-3.

Отзывы, заверенные печатью, просим направлять по адресу:

600000, Г. Владимир, ул. Горького, д. 87, ВлГУ, ФРЭМТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых.

Автореферат разослан «15» декабря 2011 года. Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор А.Г. Самойлов

Общая характеристика работы Актуальность темы. Технологии беспроводного широкополосного доступа являются самой быстрорастущей и видоизменяющейся областью телекоммуникационных технологий, в том числе и на железнодорожном транспорте. Расширятся применение на железнодорожном транспорте стандартов IEEE 802.11 - «Radio Ethernet» и IEEE 802.16 - технологий беспроводных сетей в диапазоне 2,4 ГГц и других высокочастотных диапазонах.

В основе диссертации лежат теоретические и прикладные исследования по цифровой обработке и передаче непрерывных, в том числе, речевых сообщений Дж. Беллами, А.И. Величкина, Г.В. Вемяна, М.Д. Бенедиктова, В.Н. Гор-диенко, Г.В. Горелова, А.Г. Зюко, И.П. Кнышева, И.А. Лозового, А.П. Манов-цева, М.В. Назарова, Н.И. Пилипчук, JI. Рабинера, О.Н. Ромашковой, П.Н.

Толмачева, А.Ф. Фомина и др.

Цель работы. В диссертационной работе поставлена цель определения влияния дальности беспроводной связи с использованием технологии стандарта Radio Ethernet на качество воспроизведения речи.

Для выполнения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. Обзор существующих аналитических моделей речевого сообщения, его вероятностных характеристик с позиций их использования при определении влияния дальности беспроводной связи с использованием технологии стандарта Radio Ethernet на качество воспроизведения речи.

2. Экспериментальное определение характеристик сообщения устной английской речи, его аналитическое моделирование, сопоставление аналитических моделей сообщения английской речи с моделями сообщений на других языках.

3. Учет специфики речевого сообщения речи при оценке при определении влияния дальности беспроводной связи с использованием технологии стан-

3

дарта Radio Ethernet на качество воспроизведения речи.

Объектом исследования являются системы широкополосного беспроводного доступа.

Предметом исследования являются методы функционирования систем пакетной передачи речевых сообщений.

Методы исследования. В работе использованы методы теории вероятностей, математического анализа, теории массового обслуживания. Научная новизна

1. Разработана методика экспериментального определения СПМ сообщения устной английской речи.

2. Предложена аппроксимация нормированной СПМ сообщения устной английской речи.

3. Предложена методика экспериментального определения качества воспроизведения речи при ее пакетной передаче с использованием технологии стандарта IEEE 802.11.

Достоверность и обоснованность результатов подтверждается использованием апробированного математического аппарата, логической обоснованностью разработанных вопросов, результатами модельных экспериментов.

Практическая значимость результатов диссертации

1. По предложенной методике экспериментального определения качества воспроизведения речи при ее пакетной передаче с использованием технологии стандарта ШЕЕ 802. впервые получены результаты показывающие, что при дальности связи L=5 м ОСШ=23,6 дБ и L=10 м ОСШ=18,8 дБ соответственно.

2. Получены оценки уменьшения слоговой разборчивости при увеличении дальности связи при пакетной передаче речи с использованием на канальном уровне технологии стандарта IEEE 802.11. Ухудшение качества пакетной передачи речи при увеличении дальности характеризуется пересечением грани-

цы «высшего» класса качества и класса качества «I» при значении дальности связи L= 10 м. При дальности связи L= 10 - 60 м качество пакетной передачи речи принадлежит классу «I».

3. Полученные уточнения значения максимума английской речи позволяющие на 2-3 дБ определять качество воспроизведения сообщения устной английской речи.

На защиту выносятся - результаты экспериментального определения СПМ сообщения устной английской речи (для естественного голоса),

-результаты исследования влияния дальности на качество воспроизведения речи при пакетной передаче с использованием технологии стандарта IEEE 802.11.

Публикации и личный вклад автора. По материалам диссертации опубликовано 11 работ, включая три статьи в журналах, рекомендованных списком Е5АК. Личный вклад автора определяется предложением, обоснованием и исследованием основных теоретических положений работы, а также разработкой экспериментальной методики определения СПМ сообщения устной английской речи и методики проведения эксперимента по определению качества воспроизведения речи при ее пакетной передаче с использованием технологии стандарта IEEE 802.11.

Результаты работы внедрены на действующей сети IP компании ООО «ГАРСТЕЛЕКОМ-УТ», а также использованы в учебном процессе на кафедре «Радиотехника и электросвязь» МИИТа и в НИР «Перспективные технологии средств передачи информации железнодорожного транспорта» (2010,2011).

Апробация работы выполнена на следующих конференциях: - Научно-практическая конференция Неделя науки-2009 «Наука транспорту» (Неделя науки-2009. МИИТ).;

- Международная научно-практическая конференция ПТСПИ-2009, Владимир-Суздаль, 2009;

- Научно-практическая конференция «Безопасность движения поездов», МИ-ИТ, Москва 2009 г.;

- Научно-практическая конференция Неделя науки-2010 «Наука транспорту» (Неделя науки-2010. МИИТ).;

- 23-я международная школа-семинар «Перспективные системы управления на железнодорожном, промышленном и городском транспорте». Украина. Алушта. 2010 г.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 95 наименований и приложений. Основная часть диссертации изложена на 92 страницах машинописного текста, содержит 19 рисунков, 16 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, приводится краткий анализ современного состояния исследуемых вопросов, формулируются цель и задачи исследования, дан алгоритм их решения и анонсированы основные положения диссертации.

Первая глава содержит обзор беспроводных технологий пакетной передачи речевой информации.

Рассмотрены технологии беспроводного доступа при помощи системы VSAT, при помощи системы IRLP (Internet Radio Link Project), при помощи системы e-QSO, при помощи системы I-Link, при помощи системы Echolink.

Показано, что наиболее стремительно развивающейся технологией беспроводного доступа является технология стандарта IEEE 802.11 (WI-FI), так называемого, «Radio Ethernet» в диапазоне 2,4 ГГц и других высокочастотных диапазонах.

Во второй главе приводятся результаты экспериментального определения усредненного по времени энергетического спектра (спектральной плотности мощности (СПМ» сообщения устной речи.

Выполнено экспериментальное определение СИМ сообщения устной

английской речи.

Известны сведения о СПМ сообщения устной английской речи, полученные А В. Пчелинцевым на основании данных, приведенных в рекомендациях Р.51 ITU-T для спектральной плотности звукового давления в случае искусственного голоса.

В главе решена задача уточнения этих сведений путем экспериментального определения СПМ сообщения устной английской речи для естественного голоса, при использовании весьма продолжшельных реализаций сообщения устной английской речи и при использовании аналоге - цифрового преобразования высокой точности

1П

Для экспериментального определения характеристик сообщения устной английской речи в качестве реализации используем записи (дикторы, женский и мужской голоса, канал mono, wav формат) с частотой дискретизации 44100 Гц продолжительностью 1,28 ч (203 742 000 отсчетов) и 0,61 ч (96049800 отсчетов), и разрешением 16 бит. При вычислении экспериментальных характеристик динамический диапазон разбивается на 216=65536 уровней. Для определения СПМ используем программу Adobe Audition.

Пример усредненной СПМ сообщения устной английской речи (женский

голос, полоса 0- 16000 Гц) представлен в [1].

Графики оценок нормированной СПМ сообщения и телефонного сигнала устной английской речи (женский голос) представлены на рисунке 1 и

рисунке 3 соответственно [1].

Значения полученных оценок нормированной СПМ для телефонного сигнала представлены в таблице 1 для полос Aj*=l/3 октавы с центральными

7

частотами f„ (для сравнения в таблице приведены данные, полученные A.B. Пчелинцевым и Е.А. Бахтияровой).

Для аппроксимации, например, нормированной СПМ, представленной данными столбца 3 таблицы 2 можно предложить формулу

Sx(f)= -463,80 - 65,61g(f) + 93,651g2 + l,411g3(f) (1) Установлено, что СПМ сообщения устной английской речи имеет максимальное значение при частоте 220 Гц в отличие от СПМ сообщения, например, устной русской и казахской речи, пик которых наблюдаются на частотах 390 и 300 Гц соответственно (по данным, полученным Е.А.Бахтияровой).

СПМ телефонного сигнала на английском языке не имеет максимального значения.

/, «Гц

Рисунок 1

/»кГц

Рисунок 2

В третьей главе исследуются искажения спектральной плотности мощности (СПМ) речевого сообщения при его пакетной передаче с использованием на канальном уровне технологии стандарта IEEE 802.11 [2-4].

При проведении эксперимента использована схема, представленная на рисунке 3 [2-4] (ПК 1 и ПК 2 - персональные компьютеры с адаптерами беспроводных сетей 802.11 Ь). Персональные компьютеры ПК 1 и ПК 2 объединены в локальную сеть. Адаптер беспроводной сети ПК 2 работает режиме Server (служба работы локальной сети). Адаптер беспроводной сети ПК 1 работает в режиме User (пользователь). Использована программа Audiograbber.

Таблица 1

Центральная частота полосы Ар=1/3 октавы, Гц Значения нормированной СПМ в полосе Af, дБ

Английская речь нскусственый голос (данные A.B. Пчелннцева) Английская речь женский голос Английская речь мужской голос Английская речь (усреднение по столбцам 3 и 4) Русская речь (данные Е.А.Бахтияровой)

1 2 3 4 5 6

315 -24,96 -24,77 -19,10 -21,94 -25,01

(390) - - - - -23,05

400 -26,31 -26,10 -26,65 -26,37 -23,06

500 -28,10 -28,15 -30,71 -29,43 -26,54

630 -30,41 -30,56 -42,85 -36,70 -33,66

800 -33,15 -30,54 -42,74 -36,64 -41,98

1000 -35,95 -34,73 -40,81 -38,27 -42,84

1250 -38,90 -39,08 -39,65 -39,36 -41,99

1600 -42,20 -42,92 -47,25 -45,08 -42,57

2000 -45,13 -45,56 -50,71 -48,14 -45,79

2500 -47,92 -47,27 -47,27 -46,27 -47,01

3150 -50,55 -45,91 -46,79 -46,35 -46,35

При увеличении расстояния Ь,м (дальности связи в условиях прямой видимости) между ПК 1 и ПК 2 (см. рисунок 3) начинают проявляться искажения СПМ передаваемого речевого сообщения.

Анализирована деформация СПМ телефонного сигнала (полоса 300 -3400 Гц) при значениях дальности связи Ь=0 м (отсутствие искажений), Ь= 100 м (пороговая дальность связи, при которой еще возможна передача) и промежуточных значениях Ь=10, 60 м.

Доли мощности в полосах 4/* для неискаженной СПМ (при Ь-0 м) и искаженной СПМ (при фиксированном значении Ь) представлены в таблице 2.

Таблица 2

Центральная частота f4 полосы Af*=l/3 октавы, Гц Доля мощности в полосе А/*, раз при дальности связи Ь,м

0 10 60

315 0,157656 0,102987 0.099149

400 0,439081 0,468696 0.442903

500 0,246210 0,262837 0.276464

630 0,060293 0,064364 0.076234

800 0,011280 0,012042 0.011763

1000 0,011550 0,012330 0.013416

1250 0,017571 0,018758 0.019958

1600 0,019662 0,020990 0.022042

2000 0,011730 0,012522 0.013069

2500 0,011051 0,011797 0.011735

3150 0,013914 0,012676 0,013268

Итого 0,999998 0,999999 1,000001

Зададимся абсолютным отклонением Д (разность значений искаженной и неискаженной СПМ), а так же относительным отклонением (отношение А к значению неискаженной СПМ).

Значения относительного 5 искажения СПМ на центральных частотах полос А/*=1/3 октавы представлены в таблице 3.

На рисунке 4 приведены зависимости от дальности относительного искажения СПМ на центральных частотах полос Л!*=1/3 октавы с центральными частотами ^ Гц.

Таблица 3

Центральная частота fM полосы Af=l/3 октавы, Гц Величина относительного искажения в полосе 4/*, % при дальности связи Ь,м

0 10 60

315 0 -34,676130 -37,110

400 0 6,744769 0,870

500 0 6,753178 12,288

630 0 6,7520276 3,395

800 0 6,755319 4,282

1000 0 6,753247 16,156

1250 0 6,755449 13,585

1600 0 6,754145 12,105

2000 0 6,751918 11,415

2500 0 6,7505203 6,189

3150 0 -8,897513 -4,643

Оценки нормированной неискаженной СПМ речевого сообщения на русском языке и искаженной СПМ (при L = 60 м) представлены на рисунке 6 сплошной и штрих пунктирной линиями соответственно.

Искажения (при всех значениях дальности связи) проявляются в увеличении доли спектральных составляющих в полосах Af=l/3 октавы с центральными частотами 315 и 3150 Гц и уменьшении доли спектральных составляющих в полосах Af*~l/3 октавы с центральными частотами 400 - 2500 Гц.

Деформация при увеличении дальности связи СПМ сообщения устной русской речи сопровождается смещением положения максимума СПМ (который при нулевой дальности достигается на частоте 390 Гц) в сторону нижних частот.

В четвертой главе приведены результаты определения по критерию отношения сигнал/шум качества пакетной передачи речевого сообщения с использованием на канальном уровне технологии стандарта IEEE 802.11.

f„= 500 Гц—, 1000 Гц ••••, 1250 Гц-----, 2000 Гц----

i

L, м

Рисунок 4

0,005

0,0045

0,004

0,0035

я 0,00.1

■g 0.0025 е.

0,002 <% 0,0015 0,001 0,0005 О

I 1 ?Л —- 1 t

\— !

х

1

1 1 !

1 |

!»

i 1 ! « 1 1 1 1

1 1 -N 1 ■■Т" -

О 0,2 0.4 0,6 0,8 1 1,2 1.4 1,6 1.8 2 2.2 2,4 2,6 2,8 3 3,2 3.4 /> кГц

Рисунок 5

Для определения качества пакетной передачи речевого сообщения сравниваем реализации на входе и выходе схемы рисунок 3. В качестве исходной используем реализацию речевого сообщения устной речи на русском языке в формате wav (wave), с частотой дискретизации 44100 Гц и равномерным квантованием на 216 =65536 уровней). Значения отсчетов задаются в долях от динамического диапазона сообщения.

Для получения оценок качества пакетной передачи речевого сообщения используем разработанную (в оболочке Mat Lab) программу вычислений, выполняющую, в частности, следующие функции

- преобразование оцифрованного сообщения в последовательность отсчетов;

- вычисление значений математического ожидания тх и дисперсии (мощности) D, для исходной реализации речевого сообщения (реализации на входе схемы рисунка 3).

Последовательность действий по вычислению отношения сигнал/шум (OCÍI1) пакетной передачи речевого сообщения с использованием на канальном уровне технологии стандарта 1ЕЕЕ 802.11 определяем следующим обра-

1. Вычисление уровня шума передачи - разности между величинами отсчетов (с одинаковыми номерами I в массивах) реализаций речевого сообщения на входе и выходе схемы рисунка 1

зом.

(2)

2. Вычисление математического ожидания шума передачи

л

п

3. Вычисление мощности шума передачи

D£=^---• (4)

п-1

4. Вычисление мощности сигнала

-. (5)

77-1

5. Вычисление отношения сигнал / шум по мощности ОСШ, дБ

ОСШ = 101g^ . (6)

D

Л

Алгоритм работы программы представлен на рисунке 6.

Определена зависимость от дальности связи отношения сигнал/шум пакетной передачи речевого сообщения с использованием на канальном уровне технологии стандарта IEEE 802.11.

В главе 3 отмечено, что при пакетной передаче речевого сообщения с использованием стандарта IEEE 802.11 увеличение дальности связи L, м (расстояния в условиях прямой видимости между ПК 1и ПК 2 (см. рисунок 3)) начинают проявляться искажения СПМ передаваемого речевого сообщения. Это приводит и к изменению отношения сигнал/шум пакетной передачи речевого сообщения.

Исследованы изменения ОСШ для телефонного сигнала (полоса 300 -3400 Гц) при различных значениях дальности связи, в том числе и для L = 0 м (отсутствие искажений).

Результаты вычислений, выполненных для различных значений дальности связи, представлены в таблице 4.

Возможен и иной метод вычисления ОСШ, с использованием результатов эксперимента, приведенных в главе 3.

Так, например, с использованием данных таблицы 2 можно получить зависимость от центральных частот полос Ар=1/3 октавы долей мощности шума (разности долей мощности искаженной и неискаженной СПМ).

С

с

I)

Ввод 3(2, п, х, у, а. Ь, с

Т"

1 доп

ь=в+уШ

I

Му=Ь/п

"7

/ а=0: Ь=0; с=0

| а=а*(х[1]-МхУ | I Ь'Ь*(у[11-Му)г | |С=С-Ц|ХР)-У('И-МЕЬ)'

с

3

I Ру=Ы|п-1) I

| РэЬ—с/(п-1) I

[ ЗНЧ=Рх/РзЬ |

I ЗН=1СЛд(ЗН1) I

/ Вывод Мх, Му, МзИ, 7 ¿__Рх. Ру. БН1. ЭН_/

Рисунок 6. Алгоритм работы программы В таблице 5 эта зависимость приведена для случая Ь=60 м. Используя итоговый результат, приведенный в таблице 5 можно получить значение ОСШ=9,27 дБ (при Ь=60 м).

На рисунке 7 приведена зависимость ОСШ, дБ от дальности связи Ь,м.

Таблица 4

Результаты вычислений Значения результатов вычисления при значениях дальности связи L,m

0 5 10

Шу -1.7776-Ю-4 -2.1721-Ю"4 4.5467-10"4

Dv 307.5986 584.7866 656.8102

м£ 0 700.3536 908.8664

De 0 29.1718 46.7794

ОСШ, дБ оо 23.5559 18.8335

Таблица 5

Центральная частота полосы áf=l/3 октавы, Гц Доля мощности шума в полосе 4/*> Раз

315 0,058507

400 0,003822

500 0,030254

630 0,015941

800 0,000483

1000 0,001866

1250 0,002387

1600 0,00238

2000 0,001339

2500 0,000684

3150 0,000646

Итого 0,118309

.В пятой главе приведены результаты определения по критерию разборчивости качества пакетной передачи речевого сообщения с использованием на канальном уровне технологии стандарта IEEE 802.11.

В работах А.В, Карпова показано, что при пакетной передаче речи

система критериев MOS - «R-фактор» существенно уступает в точности оценок системе «разборчивость - ОСШ, которая и использована в данной работе. Исследованы изменения слоговой разборчивости S,% и идентификатора класса качества для от дальности связи L,m. В таблице 6 приведена зависимость слоговой разборчивости и идентификатора класса качества от дальности связи L,m.

Рисунок 7

о 10 20 30 40 50 60

L.M

Таблица 6

Дальность связи L,m Слоговая разборчивость S,% Класс качества речи по ГОСТ 50840-95

0 100 высшии

5 80,11 высший

10 74,59 1

20 69,32 I

30 66,85 I

40 64,31 I

50 61,52 I

60 58,98 I

Заключение

На основании исследований, представленных в диссертации, получены следующие результаты.

1. Экспериментально определены значения оценок СПМ сообщения устной английской речи (для естественного голоса).

?.. Установлено, что СПМ сообщения устной английской речи имеет максимальное значение при частоте 220 Гц в отличие от СПМ сообщения, например, устной русской и казахской речи, пик которых наблюдаются на частотах 390 и 300 Гц соответственно.

3. Показано, что СПМ телефонного сигнала на английском языке имеет не явно выраженный максимум.

4. Определено, что искажения СПМ (при всех значениях дальности связи) проявляются в увеличении доли спектральных составляющих в полосах Af*=l/3 октавы с центральными частотами 315 и 3150 Гц и уменьшении доли спектральных составляющих в полосах Af*=l/3 октавы с центральными частотами 400 - 2500 Гц;

5. Показано, что деформация спектра при увеличении дальности связи СПМ сообщения устной русской речи сопровождается смещением положения максимума СПМ в сторону нижних частот.

6. Получены оценки уменьшения отношения сигнал/шум воспроизведения речевого сообщения при увеличении дальности связи при пакетной передаче речи с использованием на канальном уровне технологии стандарта IEEE 802.11. Уже при увеличении дальности связи с 5-ти до 10-ти метров отношение сигнал/шум уменьшается с 23,6 до 18,8 дБ.

7. Получены оценки уменьшения слоговой разборчивости при увеличении дальности связи при пакетной передаче речи с использованием на канальном уровне технологии стандарта IEEE 802.11. Ухудшение качества пакетной передачи речи при увеличении дальности характеризуется пересечением грани-

цы «высшего» класса качества и класса качества «I» при значении дальности связи L= 10 м. При дальности связи L= 10 - 60 м качество пакетной передачи речи принадлежит классу «1».

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Горелов Г. В., Житнов А. А., Ромашкова О. Н. Искажения энергетического спектра речевого сообщения при использовании технологии VOICE OVER WI FI. // Телекоммуникации, - №8, -2010, - C.8-11.

2. Горелов Г.В., Житнов A.A., Вин Хан Мощность речевого сопровождения: проверка расстоянием. // Мир транспорта. - №3, -2010, - С. 46 - 49.

3. Горелов Г. В., Житнов А. А., Вин Хан Сопоставление оценок энергетических спектров устной русской и мьянманской речи // Телекоммуникации. - №1, - 2011, - С. 10-12.

4. Житнов A.A. Система сжатия rio частоте речевого сигнала синтетическим способом. // Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи (НТТМ). Сборник трудов выставки. Москва, ВДНХ., - 2007, - С. 30 - 32.

5. Горелов Г.В., Житнов A.A., Вин Хан. Пакетная передача речи с использованием динамической беспроводной сети AD-НОС NETWORK стандарта 802.11. П Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте. Украина - Харьков. - №4. - 2010. - С. 64-68.

6. А. В. Воривошин, Г. В. Долганова, А. А. Житнов Канал радиоконтроля переездной автоматики. // Автоматика, связь, информатика. - № 1. - 2010. - С. 2830.

7. Житнов A.A. Оптимальный модем коротких радиокодограмм с ФМН на 180° используемых для радиоконтроля работоспособности автоматики неохраняемых переездов ППЖТ. // Научно-практическая конференция Неделя нау-ки-2009 «Наука транспорту», МИИТ, Труды конференции. - С. II-38. - 2009.

8. Житнов A.A., Змеева A.A. Оценка качества передачи сообщения устной речи на русском языке при помощи технологии Wi - Fi. // Научно-практическая

конференция Неделя науки-2010 «Наука транспорту», Москва, МИИТ, -2010, -С. 11-32.

9. Житнов A.A., Долганова Г.В. Повышение помехоустойчивости радиоконтроля автоматики неохраняемых переездов ППЖТ. // Научно-практическая конференция «Безопасность движения поездов», МИИТ, Москва - 2009.

10. Кузнецов С.Н., Долганова Г.В., Воривошин A.B., Житнов A.A. Альтернативный канал железнодорожной радиосвязи. // Четвертая отраслевая научная конференция-форум. Технологии информационного общества, Москва, 2010, -С. 50-52.

И. Воривошин A.B., Миронов К.В., Житнов A.A. Когерентные демодуляторы коротких радиокодограмм с абсолютной фазовой манипуляцией на 180°. // Международная научно-практическая конференция ПТСПИ-2009, Владимир-Суздаль, 2009.

Подписано в печать

Формат 60x84/16 Тираж 80 экз.

Издательство Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых 600000, Владимир, Горького, 87.

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение

высшего профессионального образования

Московский государственный университет

путей сообщения (МИИТ)

61 12-5/1808

на правах рукописи

Житнов Алексей Анатольевич

ВЛИЯНИЕ ДАЛЬНОСТИ РАДИОСВЯЗИ НА КАЧЕСТВО ПАКЕТНОЙ ПЕРЕДАЧИ РЕЧИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ НА КАНАЛЬНОМ УРОВНЕ ТЕХНОЛОГИИ СТАНДАРТА

ШЕЕ 802.11

05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки Российской Федерации, д.т.н., профессор Горелов Георгий Владимирович

Москва-2012

СОДЕРЖАНИЕ стр ВВЕДЕНИЕ........................................................................4

1. БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПАКЕТНОЙ ПЕРЕДАЧИ

РЕЧЕВОЙ ИНФОРМАЦИИ.....................................................8

1.1 . Беспроводный доступ к спутниковой сети VSAT........................8

1.2 . Беспроводный доступ при помощи системы IRLP.....................9

1.3 . Беспроводный доступ при помощи системы e-QSO...................9

1.4 . Беспроводный доступ при помощи системы I-Link..............11

1.5 . Беспроводный доступ при помощи системы Echolink...........11

1.6 . Беспроводный доступ с использованием технологий «Radio

Ethernet» IEEE.....................................................................12

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СПЕКТРАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ МОЩНОСТИ СООБЩЕНИЯ УСТНОЙ

РЕЧИ.................................................................................26

2.1. Спектральная плотность мощности речевого сообщения.........26

2.2. Корреляционная функция речевого сообщения.......................29

2.3. Выводы........................................................................43

3. ИСКАЖЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ МОЩНОСТИ

РЕЧЕВОГО СООБЩЕНИЯ ПРИ ЕГО ПАКЕТНОЙ ПЕРЕДАЧЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НА КАНАЛЬНОМ УРОВНЕ ТЕХНОЛОГИИ СТАНДАРТА IEEE 802.11.....................................................44

3.1. Условия проведения эксперимента................................44

3.2. Искажения СПМ речевого сообщения при его пакетной передаче с использованием стандарта IEEE 802.11...................46

3.3. Выводы..................................................................53

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПО КРИТЕРИЮ ОТНОШЕНИЯ СИГНАЛ/ШУМ КАЧЕСТВА ПАКЕТНОЙ ПЕРЕДАЧИ РЕЧЕВОГО СООБЩЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НА КАНАЛЬНОМ УРОВНЕ ТЕХНОЛОГИИ СТАНДАРТА IEEE 802Л1...............................54

4Л. Схема и условия проведения эксперимента. Выбор продолжительности исходной реализации речевого сообщения.. .54

4.2. Определение отношения сигнал/шум пакетной передачи речевого сообщения с использованием на канальном уровне технологии стандарта IEEE 802.11..........................................54

4.3. Зависимость от дальности связи отношения сигнал/шум пакетной передачи речевого сообщения с использованием на канальном уровне технологии стандарта IEEE 802.11.................57

4.4. Выводы....................................................................61

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПО КРИТЕРИЮ РАЗБОРЧИВОСТИ

КАЧЕСТВА ПАКЕТНОЙ ПЕРЕДАЧИ РЕЧЕВОГО СООБЩЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НА КАНАЛЬНОМ УРОВНЕ ТЕХНОЛОГИИ СТАНДАРТА IEEE 802.11.....................................................62

5.1. Постановка задачи....................................................62

5.2. Экспериментальные оценки отношения сигнал/шум..........63

5.3. Сопоставление объективных и субъективных оценок качества воспроизведения (по критерию разборчивости) звуковых файлов эталонных слоговых таблиц...................................................65

5.4. Выводы....................................................................67

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.........................70

ПРИЛОЖЕНИЯ...............................................................80

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Технологии беспроводного широкополосного доступа являются самой быстрорастущей и видоизменяющейся областью телекоммуникационных технологий, в том числе и на железнодорожном транспорте. Расширятся применение на железнодорожном транспорте стандартов IEEE 802.11(WI FI), так называемого, «Radio Ethernet» и IEEE 802.16 - технологий беспроводных сетей в диапазоне 2,4 ГГц и других высокочастотных диапазонах.

Цель работы. В диссертационной работе поставлена цель определения влияния дальности беспроводной связи с использованием технологии стандарта Radio Ethernet на качество воспроизведения речи.

Для выполнения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. Обзор существующих аналитических моделей речевого сообщения, его вероятностных характеристик с позиций их использования при определении влияния дальности беспроводной связи с использованием технологии стандарта Radio Ethernet на качество воспроизведения речи.

2. Экспериментальное определение характеристик сообщения устной английской речи, его аналитическое моделирование, сопоставление аналитических моделей сообщения английской речи с моделями сообщений на других языках.

3. Учет специфики речевого сообщения речи при оценке при определении влияния дальности беспроводной связи с использованием технологии стандарта Radio Ethernet на качество воспроизведения речи.

Исходная основа диссертации. В основе диссертации лежат: фундаментальные работы теории информации Н.Винера, В.А.Котельникова, К.Шеннона и др.

- теоретические и прикладные исследования по цифровой обработке и передаче непрерывных, в том числе, речевых сообщений Дж.Беллами, А.И.Величкина, Г.В.Вемяна, М. Д.Бенедиктова, В.Н.Гордиенко, Г.В.Горелова, А.Г.Зюко, И.П.Кнышева, И. А. Лозового, А.П.Мановцева, М.В.Назарова, Н.И.Пилипчук, Л.Рабинера, О.Н.Ромашковой, П.Н.Толмачева, А.Ф.Фомина и др.

Объектом исследования являются системы широкополосного беспроводного доступа.

Предметом исследования являются методы функционирования систем пакетной передачи речевых сообщений.

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

Научная новизна.

1. Разработана методика экспериментального определения СПМ сообщения устной английской речи.

2. Предложена аппроксимация нормированной СПМ сообщения устной английской речи.

3. Предложена методика экспериментального определения качества воспроизведения речи при ее пакетной передаче с использованием технологии стандарта IEEE 802.11.

Достоверность и обоснованность результатов подтверждается использованием апробированного математического аппарата, логической обоснованностью разработанных вопросов, результатами модельных экспериментов.

Практическая значимость результатов диссертации.

1. По предложенной методике экспериментального определения

5

качества воспроизведения речи при ее пакетной передаче с использованием технологии стандарта IEEE 802. впервые получены результаты показывающие, что при дальности связи L=5 м ОСШ=23,6 дБ и L=10 м ОСШ=18,8 дБ соответственно.

2. Получены оценки уменьшения слоговой разборчивости при увеличении дальности связи при пакетной передаче речи с использованием на канальном уровне технологии стандарта IEEE 802.11. Ухудшение качества пакетной передачи речи при увеличении дальности характеризуется пересечением границы «высшего» класса качества и класса качества «I» при значении дальности связи L = 10 м. При дальности связи L= 10 - 60 м качество пакетной передачи речи принадлежит классу «I».

3. Полученные уточнения значения максимума английской речи позволяющие на 2-3 дБ определять качество воспроизведения сообщения устной английской речи.

На защиту выносятся

- результаты экспериментального определения СПМ сообщения устной английской речи (для естественного голоса);

- результаты исследования влияния дальности на качество воспроизведения речи при пакетной передаче с использованием технологии стандарта IEEE 802.11.

Публикации и личный вклад автора. По материалам диссертации опубликовано 11 работ, включая три статьи в журналах, рекомендованных списком ВАК. Личный вклад автора определяется предложением, обоснованием и исследованием основных теоретических положений работы, а также разработкой экспериментальной методики определения СПМ сообщения устной английской речи и методики проведения эксперимента по определению качества воспроизведения речи при ее пакетной передаче с использованием технологии стандарта IEEE 802.11.

Результаты работы внедрены на действующей сети 1Р компании ООО «ГАРСТЕЛЕКОМ-УТ», а также использованы в учебном процессе на кафедре «Радиотехника и электросвязь» МИИТа и в НИР «Перспективные технологии средств передачи информации железнодорожного транспорта» (2010, 2011).

Апробация работы выполнена на следующих конференциях:

- Научно-практическая конференция Неделя науки-2009 «Наука транспорту» (Неделя науки-2009. МИИТ).;

- Международная научно-практическая конференция ПТСПИ-2009, Владимир-Суздаль, 2009;

Научно-практическая конференция «Безопасность движения поездов», МИИТ, Москва 2009 г.;

- Научно-практическая конференция Неделя науки-2010 «Наука транспорту» (Неделя науки-2010. МИИТ).;

- 23-я международная школа-семинар «Перспективные системы управления на железнодорожном, промышленном и городском транспорте». Украина. Алушта. 2010 г.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 95 наименований и приложений. Основная часть диссертации изложена на 92 страницах машинописного текста, содержит 19 рисунков, 16 таблиц.

1. БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПАКЕТНОЙ ПЕРЕДАЧИ РЕЧЕВОЙ ИНФОРМАЦИИ

1Л. Беспроводный доступ к спутниковой сети VSAT

Голосовая связь, организуемая в спутниковой сети, относится к виду IP-телефонии (VoIP), предоставляемой по каналам передачи данных с использованием типовой VSAT- станции. Для организации этой услуги к порту Ethernet VSAT-станции подключается телефонный адаптер, например CISCO ATA 186, который может иметь различные телефонные интерфейсы в зависимости от подключаемого оконечного оборудования (телефонного аппарата, УАТС) заказчика. IP - пакеты с признаком голосовой связи имеют автоматический приоритет перед пакетами передачи данных.

Любая VSAT - станция предоставляет услугу VOIP (IP-телефония), за счет соединения с телефонным сервером центральной станции, который в зависимости от задачи имеет возможность или обеспечить коммутацию соединения внутри сети или при необходимости обеспечить выход в московскую городскую телефонную сеть.

Максимальное число одновременно поддерживаемых соединений VOIP, организуемых на одной VSAT - станции достигает 6.

При соединении VSAT - VSAT общая задержка составляет примерно 0.6с и такая связь может рассматривать только в качестве технологической голосовой связи.

IP-телефония обеспечивает местную, междугороднюю, международную телефонную связь и передачу факсов по каналам Интернет. Для организации услуги устанавливается малогабаритный интерактивный спутниковый терминал класса VSAT. В состав терминала VSAT входит:

- антенный пост с антенной 1,2м (или 1,8м), который размещается на крыше, стене дома или на земле;

- спутниковый модем, который размещается в помещении непосредственно у сервера или персонального компьютера.

От 1 до 4 блоков телефонии с 4 телефонными портами типа FXS каждый, подключаемых к порту Ethernet модема через сетевой концентратор или напрямую.

Примечание в случае одновременного использования и телефонии и доступа в Интернет, либо подключении более 1 блока для телефонии необходимо установка сетевого концентратора либо подключение через локальную сеть Заказчика

Терминал VSAT связывается по спутниковому каналу с центром управления сетью оператора, где происходит подключение к телефонной сети общего пользования и всемирной сети Интернет.

Терминал постоянно включен в сеть. При ведении телефонных разговоров или пользовании только Интернет броузером нет необходимости иметь реальный IP адрес. Компьютеру назначается «частный» IP, для которого на время сессии делается динамическая трансляция на «реальный» IP адрес.

Адреса необходимо получать блоками по 8, 16. При этом из блока адресов, выделенных пользователю, 3 фиксируются за сервисами самого модема, еще 2 за каждым VoIP - модулем для телефонии, а оставшиеся могут быть присвоены компьютеру / серверу пользователя, и использоваться им.

При базовом подключении для проведения телефонных разговоров за Уо1Р-модулем не закрепляется телефонного номера. Звонки осуществляются в режиме «таксофона» владелец спутникового терминала звонит куда хочет, но ему позвонить невозможно.

Если необходима и входящая связь, то необходимо дополнительно заказать и оплатить услугу «выделение телефонного номера для входящей связи».

1.2. Беспроводный доступ при помощи системы IRLP

Система IRLP (Internet Radio Link Project) была создана в 1997 г. в Канаде Давидом Камероном (VE7LTD) и получила распространение в 2000 - 2001 гг. Программно, она реализована на платформе Linux и представляет собой объединенную сеть репитерных узлов в разных городах Мира. В отличие от других систем, доступ в которые возможен как через сетевой персональный компьютер, так и по радиоканалу, IRLP функционально ориентирована на работу только из эфира. Ее пользователи (как правило, члены местных IRLP-клубов) имеют специальный DTMF идентификатор входа, без которого вход в систему невозможен. По этой причине IRLP не получила широкого распространения.

1.3. Беспроводный доступ при помощи системы e-QSO

Система e-QSO была создана в Великобритании Паулом Девисом. Отличается простотой программного обеспечения, минимальными требованиями к компьютеру и операционной системе, не требует специальных настроек сетевой защиты (firewall). Монитор программы отображает перечень индивидуальных e-QSO серверов и конференций, подключенных в данный момент к системе. Они носят название комнат. Пользователь может по желанию подключаться к любой комнате и проводить QSO с имеющимися там корреспондентами.

1.4. Беспроводный доступ при помощи системы I-Link

Одним из первых VoIP технологий была система I-Link, созданная Гримом Барнесом. Структурно, она была упрощенным прототипом современной системы Echolink, но в отличие от последней, требовала схемотехнически более сложного специализированного ASCII-интерфейса на базе PIC-контроллера. Это обстоятельство значительно ограничивало возможности пользователей организовывать на базе I-Link радиочастотные шлюзы. С появлением Echolink система практически прекратила свое существование.

1.5. Беспроводный доступ при помощи системы Echolink

Программное обеспечение имеет очень много достоинств по сравнению с вышеупомянутыми системами. В первую очередь это усовершенствованный протокол передачи речи и наличие расширенных возможностей управления функциями программы через радиоканал. Если пользователь находится в зоне уверенного приема ретранслятора, ему не надо делать общий вызов на частоте. Благодаря встроенному синтезатору речи программа передает в эфир позывные всех подключающихся станций. Предусмотрена возможность активного запроса информации о перечне подсоединенных станций путем передачи пользователем DTMF кода 08. Можно также произвольно устанавливать соединение с желаемыми станциями или репитерами. Для этого необходимо знать номер узла и ввести его с DTMF клавиатуры. После завершения QSO для отсоединения от станции достаточно передать символ #. Наличие встроенного цифрового магнитофона, активируемого по VOX, дает возможность

вести голосовой журнал проводимых QSO, конференций или круглых

и

столов с фиксацией времени и позывных. Просматривать журнал подключений и управлять состоянием программы можно не только через радиоканал, но и по сети интернет с удаленного компьютера, через встроенный активный web-интерфейс.

1.6. Беспроводный доступ с использованием технологийъ«11ас1ю Ethernet» IEEE

Технология беспроводных сетей WLAN (Wireless LAN) развивается быстро. Эти сети удобны для подвижных средств , но находят применение и в других областях. Наиболее перспективным представляется проект IEEE 802.11.

Стандарт 802.11 предполагает работу на частоте 2.4-2.4835 ГГц при использовании 4FSK / 2FSK FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) и DSSS - модуляции (Direct Sequence Spread Spectrum), мощность передатчика 10мВт-1Вт. В данном частотном диапазоне определено 79 каналов. Максимальная пропускная способность сети составляет 2 Мбит / с (в условии малых шумов). Существует несколько модификаций стандарта и соответствующих регламентирующих документов. Здесь возможны две скорости передачи 1 и 2 Мбит/с. При скорости 1 Мбит/с используется схема кодирования с группированием четырех бит в 16-битовое кодовое слово, содержащее 15 нулей и одну 1 (код Грея).

В 802.11 используется DBPSK (Differential Binary Phase Shift Keying) для скорости 1 Мбит/с и DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying) для скорости 2 Мбит/с, а высокоскоростное DSSS (DSSS/HR применяемое в IEEE 802.11b) использует схему модуляции ССК (Complementary Code Keying), которая допускает скорости передачи 5,5 и 11 Мбит/с.

В случае DSSS каждый бит передается в виде 11 элементарных сигналов, образующих последовательность Баркера. В протоколе предусмотрена коррекция ошибок FEC. Стандарт IEEE 802.11а специфицирует систему кодирования OFDM для скорости передачи 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 и 54 Мбит/с. В последнее время широкое распространение получила модификации IEEE 802.11b (Wi-Fi -Wireless Fidelity), которая может обеспечить скорость 1, 2, 5,5 и 11 Мбит/с (модуляция DSSS). Применяется алгоритм доступа к сетевой среде CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance).

Для �