邱丙益，劉伯棟，張家偉，宋玉鳳

(中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471000)

0 引言

無論傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)、無線蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)，還是現(xiàn)今流行的無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，語音通信仍發(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)語音通信，如通用動力公司和泰利斯公司研制的AN/PRC-154電臺[1]、中云沃達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，無線自組織網(wǎng)絡(luò)在通信質(zhì)量保證方面存在著網(wǎng)絡(luò)帶寬受限、自組織拓撲變化快和實時性業(yè)務(wù)支持較差等缺點，也使得其實現(xiàn)可靠語音技術(shù)并保證語音質(zhì)量面臨著很多問題。而要保證語音質(zhì)量首先要找到一種評價Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)語音通信質(zhì)量的方法。本文結(jié)合傳統(tǒng)語音質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)ITU-T P.800[4-5]，提供了一種基于E擴展模型的Ad Hoc網(wǎng)語音Qos評價方法，并以某型Ad Hoc電臺為測試對象，進行了參數(shù)測量及計算方法探討。

1 E擴展模型描述

E模型是ITU-T定義的G.107標(biāo)準(zhǔn)中語音質(zhì)量評價量化模型[6]，其中的R因子方法可以將網(wǎng)絡(luò)中對語音質(zhì)量造成影響的因素進行量化，并最終將R因子映射為主觀平均評分(MOS)值[7-8]。E擴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評價因素[9-10]，提出的一種Ad Hoc網(wǎng)語音質(zhì)量評價方法，該評價模型基本框圖如圖1所示[11]。

圖1 語音質(zhì)量評價E擴展模型

如圖1所示，E擴展模型的實現(xiàn)機制可以寫為：

R=R0-Is-Id-Ie-Ij+A，

(1)

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

2 Ad Hoc網(wǎng)語音通信QoS性能評價方法

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

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)

通過式(3)即可將鏈路信噪比和時延、時延抖動和丟包率等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，實現(xiàn)對語音質(zhì)量的評價。

2.1 評價因子與網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)的關(guān)系

Id與時延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)生的語音質(zhì)量損耗因子。根據(jù)文獻[14]，Ie可以表述為：

Ie=Ie-p+C1×ln(1+C2×loss_rate)，

(5)

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

2.2 單向語音質(zhì)量MOS分計算

單個語音包的時延為該包收發(fā)時間之差，對于N個語音包的平均時延的計算為：

(6)

式中，ti-r表示第i個包在源節(jié)點的發(fā)送時刻；ti-s表示第i個包在目的點的接收時刻。N表示連續(xù)統(tǒng)計的包個數(shù)。

時延抖動的計算方法為：

(7)

式中，Ti表示第i個包的時延，并設(shè)定T0=0。

丟包率的計算公式為：

loss_rate=1-Nr/Ns，

(8)

式中，Nr為在觀測時間區(qū)間內(nèi)收到的數(shù)據(jù)包個數(shù)；Ns為該時間段內(nèi)發(fā)送的數(shù)據(jù)包個數(shù)。根據(jù)計算除了的時延、抖動和丟包率因素，代入式(2)進行計算，即可得出單向傳輸R因子值，再根據(jù)式(3)計算出平均主觀評分MOS值。

3 自組網(wǎng)電臺語音通信QoS參數(shù)測量與計算

結(jié)合上述評價模型，采用自組網(wǎng)電臺進行場景布置，6個Ad Hoc節(jié)點單鏈組網(wǎng)，相鄰節(jié)點的距離基本相等，且保證話音通信是一個節(jié)點挨著一個節(jié)點通過中繼跳實現(xiàn)。

通過JERPERF軟件對網(wǎng)絡(luò)QoS參數(shù)進行測量，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)Qos參數(shù)測量

獲得的結(jié)果如表1所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)QoS參數(shù)測量結(jié)果

表1中，電臺發(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。計算結(jié)果如表2所示。

表2 不同跳數(shù)情況下語音質(zhì)量評價結(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)過多跳以后自組網(wǎng)電臺仍然保持了良好的語音通信效果，評估結(jié)果與實際測試結(jié)果保持了一致，從而保證了多跳話音的可靠傳輸。其中，在測試過程中，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，否則測試會出現(xiàn)傳輸中斷現(xiàn)象，導(dǎo)致收集的數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大時延和時延抖動，造成最終結(jié)果出現(xiàn)奇異值。

4 結(jié)束語

無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)不需要固定設(shè)備支持，各節(jié)點即用戶終端自行組網(wǎng)，通信時由其他用戶節(jié)點進行數(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，適合于一些緊急場合的通信需要，如戰(zhàn)場的單兵通信系統(tǒng)、自然災(zāi)害應(yīng)急通信等[15-16]，使其在未來的應(yīng)用前景會越來越廣泛，因而對其網(wǎng)絡(luò)通信性能的評估也會越來越受重視。

測試結(jié)果說明，針對無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，提出的評價方法具有一定的實際應(yīng)用價值，而除了網(wǎng)絡(luò)語音效果評估應(yīng)用方面，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部鏈路評估、輔助路由計算和鏈路接入控制等方面，也有一定參考價值。