ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG THOẠI TRONG MẠNG VoIP BẰNG MÔ HÌNH E

ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG THOẠI TRONG MẠNG VoIP BẰNG MÔ HÌNH E 4.1 Giới thiệu mô hình E Mô hình E là một mô hình đánh giá chất lượng truyền dẫn cho điện thoại cầm tay băng tần hẹp (300Hz đến 3400Hz). Mô hình được hình thành và phát triển từ những năm 1993-1996 bởi một nhóm nghiên cứu của tổ chức ETSI khi nghiên cứu về "chất lượng truyền thông thoại từ miệng đến tai qua mạng đối với máy điện thoại cầm tay, băng tần 3,1kHz". Mô hình E được đưa ra lần đầu tiên trong báo cáo ETR 250 [1] của ETSI vào năm 1996. Nhóm Study Group 12 (SG12) của ITU-T đã nghiên cứu và mở rộng mô hình, đến tháng 12/1998 ITU-T phê chuẩn mô hình E thành khuyến nghị G.107 mang tên: mô hình E, một mô hình tính toán sử dụng trong việc lập kế hoạch truyền dẫn. Trước khi xuất hiện mô hình E đã có 4 mô hình tính toán khác nhau để dự đoán chất lượng truyền dẫn từ các phép đo khách quan. Các mô hình đó là [4]: • Mô hình "Transmission Rating " xuất phát từ Mỹ và Canada • Mô hình "CATNAP83" của Bristish Telecom • Mô hình "Information Index" của Pháp • Mô hình "OPINE" của nhóm NTT, Nhật Bản Bốn mô hình này đã được tổng hợp thành cơ chế :"Transmission Quality Index" . Các mô hình đều mang tính đơn giản hoá và chỉ có một số tham số giới hạn. Trong đó, suy hao và nhiễu là những yếu tố quan trọng, ngoài ra không chú ý tới ảnh hưởng của bộ mã hoá tốc độ thấp. Do ra đời trước khi xuất hiện thị trường viễn thông không theo quy tắc cũ, khi mà các nhà quản trị viễn thông có thể điều khiển mạng của họ trong từng chi tiết mang tính kĩ thuật lớn, nên các mô hình này không phù hợp với các mạng hiện đại. Mô hình E được phát triển hoàn thiện hơn. Cũng sử dụng những thuật toán và khái niệm trong các mô hình trước, song mô hình E quan tâm nhiều tới trễ, tiếng vọng, quá trình xử lý tín hiệu số thay vì suy hao và nhiễu như các mô hình trước đây, do đó rất phù hợp với mạng viễn thông hiện đại. Mô hình E đánh giá chất lượng truyền dẫn thoại theo tham số truyền dẫn đầu ra R. Tham số R được tính toán dựa vào tất cả các yếu tố gây suy hao trên đường truyền. Từ giá trị R có thể dự đoán mức độ hài lòng của người sử dụng dịch vụ trong mạng hoặc chuyển đổi sang một số giá trị tương đương khác đã được sử dụng trước đó như MOS, GoB, POW. Với thuật toán tính toán dựa trên các suy hao trên toàn bộ kết nối, mô hình E đã đánh giá được một cách toàn diện hiệu năng của mạng, tổng hợp tất cả các yếu tố có thể ảnh hưởng đến chất lượng thoại mà không chỉ chú ý tới một tham số riêng lẻ nào. Do đó mô hình E đặc biệt thích hợp cho công việc lập kế hoạch truyền dẫn. Công việc này được tiến hành bởi các nhà thiết kế mạng để lập ra một mô hình mạng mới hoặc nâng cấp các mạng cũ. Khi đó mô hình E được sử dụng để dự đoán mức độ hài lòng của người dùng đối với các dịch vụ do mạng cung cấp trước khi triển khai dịch vụ đó trên thị trường. Từ đó có thể điều chỉnh thiết bị để cho chất lượng truyền dẫn tốt nhất. Cùng với sự ra đời của mô hình E trong khuyến nghị ITU-T G.107 là một loạt các khuyến nghị khác có liên quan như G.108: hướng dẫn về mô hình E và việc lập kế hoạch mạng, G.109: Định nghĩa chất lượng truyền dẫn thoại, G.113: Chi tiết về các tham số truyền dẫn… Việc sử dụng mô hình E là cần thiết để thiết kế lập kế hoạch mạng. Các phương pháp đánh giá chất lượng truyền dẫn thoại truyền thống như phương pháp đánh giá chủ quan theo MOS không xét đến ảnh hưởng của các yếu tố gây suy hao chính trong mạng như trễ, tổn hao gói… Mô hình E được đánh giá là một công cụ phù hợp nhất trong việc tính toán tham số truyền dẫn để đánh giá chất lượng truyền dẫn thoại. Mô hình E ngày càng được sử dụng rộng rãi hơn trên thế giới, đồng thời việc nghiên cứu và phát triển mô hình vẫn đang được tiến hành. Các phiên bản mới của nó đã được đưa ra để khắc phục một số nhược điểm như phiên bản vào tháng 5/2000, phiên bản mới nhất vào năm 2001. Hiện nay, mô hình E vẫn đang được nghiên cứu sâu hơn để có thể áp dụng phổ biến trong mạng. 4.2 Cấu trúc và thuật toán mô hình E Nguyên tắc cơ bản của mô hình E dựa trên một cấu hình tham khảo về kết nối điện thoại từ đầu cuối đến đầu cuối (end-to-end), trong đó xuất hiện tất cả các tham số truyền dẫn ảnh hưởng đến chất lượng thoại thu được. Hình 4.1 Cấu hình tham khảo của mô hình E. Cấu hình tham khảo của mô hình E như trong hình 4.1, trong đó chia kết nối end-to- end thành phía gửi và phía nhận bằng một trung tâm ảo gọi là điểm 0dBr. Mô hình sẽ đánh giá chất lượng thoại thu được tại phía nhận, tức là phía người nghe trong một cuộc gọi. Đây cũng là phía phải chịu ảnh hưởng của các loại suy hao trong khi nói như sidetone, nhiễu phòng, tiếng vọng. Cấu hình tham khảo này gồm một mạch vòng 4 dây để có thể nhận biết được các suy hao do tiếng vọng bộ nói, tiếng vọng bộ nghe. Tham số của mạch vòng gồm có WEPL, Tr. Các tham số SLR, RLR, và Nc được xác định tại điểm 0dBr. Nhiễu phòng P và hệ số D được phân biệt ở phía gửi và phía nhận. Do chất lượng thoại được đánh giá tại phía nhận nên để tính đến ảnh hưởng của các loại suy hao đến phía nhận, một số tham số liên quan được xem xét tại phía nhận như STMR, LSTR và TELR. Tất cả các tham số đầu vào khác được xác định giá trị cho toàn bộ kết nối. Hình 3.7 chỉ rõ các tham số đầu vào này. Phần dưới đây sẽ giải thích ý nghĩa của từng tham số. Các thuật ngữ và tham số sử dụng trong mô hình E đã được định nghĩa trong một số khuyến nghị loại P và loại G có liên quan đến truyền dẫn của ITU-T. Trong đó [4]: • OLR (Overall Loudness Rating): Trong việc lập kế hoạch truyền dẫn, Loudness Rating là một phép đo để xác định suy hao cường độ, hay còn gọi là suy hao điện-âm (electro-acoustic loss) giữa hai giao diện nào đó trong mạng (được tính bằng đơn vị dB). Nếu kênh truyền dẫn chia thành nhiều đoạn thì LR của toàn mạch sẽ bằng tổng các LR thành phần. Trong mô hình E, OLR là suy hao cường độ giữa miệng thuê bao nói và tai thuê bao nghe trong kết nối. • SLR (Send Loudness Rating): Là suy hao cường độ giữa miệng thuê bao nói và điểm 0dBr. • RLR (Receive Loudness Rating): Là suy hao cường độ giữa điểm 0dBr và tai của thuê bao nghe. • TELR (Talker Echo Loudness Rating): Là suy hao tín hiệu thoại vọng của người nói đến chính tai họ sau khi bị trễ qua mạng. • STMR (Talker’s Sidetone, Sidetone Masking Rating): Là suy hao cường độ tín hiệu từ miệng người nói đến chính tai họ qua đường sidetone điện. • LSTR (Listener’s Sidetone Rating): Là suy hao cường độ của nhiễu phòng đến tại thuê bao thông qua đường sidetone điện. • Factor (D ): Hệ số D là sự chênh lệch độ nhạy (dB) của microphone giữa âm thanh thoại và các nguồn nhiễu khác (nhiễu phòng), D = STMR - LSTR. Trong mô hình hệ số D gồm Ds và Dr: là hệ số cho phía gửi và phía nhận. • WEPL (Weighted Echo Pass Loss): Sự chênh lệch tổn hao cường độ âm lượng giữa tín hiệu âm thanh thoại trực tiếp của người nói và tín hiệu thoại vọng mà người nghe nhận được. • qdu (Quantizing Distortion Unit): Là đơn vị nhiễu lượng tử, nhiễu này sinh ra do quá trình mã hoá và giải mã PCM và ngược lại. Mỗi lần mã hoá đầy đủ từ tương tự sang số và ngược lại được coi là một qdu. • Ie (Impairment equipment): Là tham số suy hao thiết bị, tham số đặc trưng cho suy hao do quá trình xử lý số gây ra, như các bộ mã hoá tốc độ thấp. • A (Advantage factor): Là hệ số tích cực • T (Mean one-way delay): Là trễ một chiều giữa phía nhận và một điểm trong kết nối mà tại đó xảy ra ghép tín hiệu gây ra tiếng vọng (như tại bộ hybrid). • Tr (Round-Trip Delay): Là trễ vòng tròn chỉ xuất hiện trong mạch vòng 4 dây, tại đó xảy ra sự "phản xạ kép" gây ra các suy hao do tiếng vọng bộ nói. • Ta (Absolute delay): Là trễ tuyệt đối, biểu thị tổng trễ một chiều giữa phía gửi và phía nhận. • Ps, Pr (Room Noise) : Là nhiễu phòng tại phía gửi và phía nhận. • Nc (Circuit Noise): Là nhiễu mạch được tính tại điểm 0dBr. Một số khái niệm khác có liên quan: + dBm: Là cường độ, hay mức của tín hiệu điện được tính theo 20lgP (dBm) với R U P = , trong đó U là giá trị hiệu dụng của điện thế tín hiệu [đơn vị là V], R là trở kháng đầu cuối [kOhm]. + dBmp: Là giá trị dBm được tính để phù hợp với đặc tính tai nghe của con người cũng như độ nhạy thu của handset (được gọi là yếu tố “psophometrically”-gọi là yếu tố p). + dBr, “0 dBr point”(điểm 0dBr): Điểm 0dBr là điểm mà tại đó mức tín hiệu được coi là chuẩn và có giá trị là 0 dBm. Tại các điểm khác trong mạng, mức tín hiệu được coi là có giá trị tương đối, tính bằng dBr (chữ r là relative). Trong các mạng hỗn hợp, điểm 0 dBr được xác định tại giao diện giữa hai mạng. Như vậy, với SLR và RLR được tính cho điểm 0 dBr thì OLR là tổng của hai giá trị: OLR = SLR + RLR + dBm0, dBm0p: Là mức tín hiệu thực tế có tính đến và không tính đến yếu tố p khi đi qua điểm 0dBr. 4.2.1 Tính toán giá trị truyền dẫn R Nguyên tắc cơ bản của mô hình E dựa trên khái niệm được thiết lập hơn 20 năm trước đây của J.Allnatt và đã được sử dụng trong mô hình OPINE của NTT, đó là [2]: “Các yếu tố tâm lý trên cán cân tâm lý mang tính cộng ” Mô hình E là một mở rộng của mô hình "Transmission Rating" của Mỹ và Canada. Nó cũng đánh giá chất lượng truyền dẫn bằng tham số R, song có sự khác biệt trong cấu trúc toán học và bao gồm các đặc tính từ nhiều mô hình khác nhau. Kết quả đầu ra của quá trình tính toán là hệ số đánh giá truyền dẫn R. Đây là tham số kết hợp ảnh hưởng của tất cả các tham số truyền dẫn liên quan trong kết nối. Giá trị R được tính theo công thức sau: AIeIdIsRoR +−−−= (4.1) Trong đó: • R 0 là tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu, nhiễu bao gồm các nguồn nhiễu mạch và nhiễu phòng. • Is (synchronous): bao gồm tất cả các suy hao xuất hiện gần như đồng thời với tín hiệu thoại. • Id (delay): là suy hao gây ra bởi trễ. • Ie (equipment): là hệ số suy hao thiết bị, chính là các suy hao do codec tốc độ thấp gây ra. • A (advantage): là hệ số tích cực để bù vào các suy hao khác khi có những tiến bộ của thiết bị truy nhập của người sử dụng. Các giá trị R 0 , Is, Id trong mô hình E được chia nhỏ thành nhiều giá trị suy hao khác nhau, được trình bày trong các phần dưới đây: 4.2.2 Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu R 0 Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu R 0 được xác định theo công thức sau: )(5.115 00 NSLRR +−= (4.2) + SLR được tính tại điểm 0dBr trên đường truyền dẫn. + N 0 [dBmop] thể hiện tổng các nguồn nhiễu khác nhau, được tính theo công thức sau:       +++= 10101010 10101010lg10 NfoNorNosNc No (4.3) Trong đó: + Nc [dBm0p]: là tổng của tất cả các nguồn nhiễu mạch khác nhau được xét tại điểm 0dBm. + Nos [dBm0p]: là nhiễu mạch tương đương ở điểm 0 dBr, gây ra bởi nhiễu phòng Ps ở phía gửi và được tính toán như sau: 2 )14(004,0100 −−−+−−−= DsOLRPsDsSLRPsNos (4.4) Với: OLR = SLR + RLR. + Nor: là nhiễu mạch tương đương ở điểm 0 dBr, gây ra bởi nhiễu phòng Pt ở phía thu: 2 )35(Pr008.0Pr121 −++−= eeRLRNor (4.5) Với Pre là nhiễu phòng hiệu dụng gây ra bởi vịêc nâng cấp Pr trong đường sidetone người nói.       ++= 10 )–10( 101lg10 LSTR PrPre (4.6) + Nfo [dBm0p] là nhiễu nền ở phía nhận: RLRNforNfo += (4.7) Với Nfor được đặt bằng: − 64 dBmp. 4.2.3 Tham số suy hao Is Tham số Is là tổng tất cả các suy hao xuất hiện gần như đồng thời với quá trình truyền dẫn tín hiệu thoại như sidetone hoặc nhiễu lượng tử trong quá trình điều chế xung mã. Tham số này được chia nhỏ thành 3 tham số suy hao theo công thức: IqIstIolrIs ++= (4.8) Trong đó Iolr thể hiện sự giảm chất lượng do giá trị OLR quá thấp và được tính theo công thức sau:                           += 8 – 8 120 8 1 8 XX Iolr (4.9) Với X OLR No RLR= + + −0 2 64. ( ) (4.10) Tham số Ist thể hiện suy hao do sidetone không tối ưu: Ist STMRo STMRo = +               +               +10 1 12 5 46 1 23 36 6 1 6 10 1 10 – – (4.11) Với:       +−= − − − 10 4 10 1010lg10 TELRTSTMR eSTMRo (4.12) Tham số Iq thể hiện những suy hao do méo lượng tử gây ra: [ ] Y Iq 101lg15 += (4.13) Trong đó 10 46 15 100 G R Y o − + − = (4.14) 2 0602.0258.007.1 QQG ++= (4.15) )qdulg(1537 −= Q (4.16) Trong công thức này qdu là số lượng qdu trong toàn bộ kết nối giữa phía gửi và phía nhận. 4.2.4 Tham số suy hao liên quan đến trễ Id Hệ số Id thể hiện toàn bộ suy hao do trễ của tín hiệu thoại, như tiếng vọng người nói, tiếng vọng người nghe hay trễ quá lớn. Id được tạo thành từ 3 tham số là Idte, Idle, Idd: Id Idte Idle Idd = + + (4.17) Tham số Idte là suy hao do tiếng vọng bộ nói (Talker Echo) gây ra: ( ) T ReRoeReRoe Idte – 2 e–11–100 4 )–( 2 –         ++= (4.18) Với: )(5.1 RLRNoRoe −−= (4.19) )14(5.280Re −+= TERV (4.20) 2 3.0 6 150 1 10 1 lg40 T e T T TELRTERV − + + + −= (4.21) Khi T < 1 ms, tiếng vọng bộ nói nên được coi như sidetone, tức là Idte = 0. Ngoài ra thuật toán tính toán này cũng xét ảnh hưởng của STMR đến tiếng vọng bộ nói. Nếu như giá trị STMR thấp thì có thể có một số ảnh hưởng không rõ ràng (bị che khuất) đến tiếng vọng người nói, còn đối với STMR quá cao thì tiếng vọng bộ nói có thể đáng chú ý hơn. Các giá trị TERV và Idte được điều chỉnh như sau: Khi STMR < 9 dB: trong phương trình (2.21), TERV được thay bằng TERVs theo công thức: 2 Ist TERVTERVs += (4.22) Khi 9 dB ≤ STMR ≤ 15 dB sử dụng các công thức từ (2.18) đến (2.21) Khi STMR > 15 dB, Idte được thay thế bởi Idtes, với: 22 IstIdteIdtes += (4.23) Tham số Idle thể hiện các suy hao do tiếng vọng bộ nghe tạo ra, công thức tính như sau: 169 4 )( 2 2 + − + − = RleRoRleRo Idle (4.24) Với: Rle WEPL Tr= + +105 7 1 25 . ( )( ) –0. (4.25) Tham số Idd thể hiện suy hao do trễ tuyệt đối Ta quá dài gây ra, tồn tại ngay cả khi có điều khiển tiếng vọng hoàn hảo. Với Ta < 100 ms: 0=Idd [...]... OGWTGW Reservation Initiated PATH OGWTGW Reservation Initiated PATH OGWTGW Reservation Initiated PATH RESV RESV OGW Originating Gateway OGWTGW RESV CONFIRMATION TGW Terminating Gateway H.323 Call Setup Signating RSVP Reservation initiated by TGW Reservation Teardown RSVP Reservation initiated by OGW Initiated RESV TEAR Call Disconnect initiated RELEASE COMPLETE OGWTGW Reservation Teardown initiated... 110 msec 0 0 500 msec 0 0 1000 msec 0 0 500 – 1 1 14 – 0 0 40 Circuit Noise referred to 0 dBr- Nc dBm0 −70 −80 −40 point p L Mean one-way Delay of the T Echo Path Round Trip Delay in a 4-wire Tr Loop Absolute Delay in echo-free Ta Connections Number of Quantization qdu Distortion Units Equipment Impairment Factor Ie Noise Floor at the Receive Side Nfor dBmp −64 – Room Noise at the Send Side Ps... ALERTING H.323 Call Setup Signating RSVP Reservation initiated by TGW RSVP Reservation initiated by OGW CONNECT Call Connected Normal Call Disconnect initiated OGWTGW Reservation Teardown Initiated RELEASE COMPLETE PATHTEAR OGWTGW PATHTEAR PATHTEAR Reservation Teardown initiated PATHTEAR Hình 4.5 Thiết lập cuộc gọi cho phép RSVP Một phương pháp thường được sử dụng trong các sơ đồ VoIP để bảo đảm chất. .. phép định Sending Loudness Rating SLR dB +8 0 +18 Chú ý 1 Receiving Loudness Rating RLR dB +2 −5 +14 Chú ý 1 Sidetone Masking Rating STM dB 15 10 20 Chú ý 2 LSTR dB 18 13 23 Chú ý 2 – 3 –3 +3 Chú ý 2 – 3 −3 +3 Chú ý 2 R Listener Sidetone Rating D-Value of Telephone, Send Ds Side D-Value of Telephone Receive Dr Side Talker Echo Loudness Rating TELR dB 65 5 65 Weighted Echo Path Loss WEP dB 110... Room Noise at the Receive Side Pr dB(A) 35 35 85 Expectation Factor – 0 0 20 A Chú ý 1: Giá trị tổng giữa microphone hoặc máy thu và điểm 0 dBr Chú ý 2: Biểu thức liên hệ : LSTR = STMR + D Chú ý 3: Hiện đang được nghiên cứu Chú ý 3 4.3 Kết quả đánh giá chất lượng truyền dẫn theo mô hình E Tham số đầu ra mô hình E là tham số R Theo kết quả tính toán, giá trị R nằm trong dải từ 0 đến 100 Trong đó R... ITU-T Recommendation, G.107- The E- Model, a computational model for use in transmission planning, 12/1998, 5/2000 [3] ITU-T Recommendation, G.109 - Definition of categories of speech transmission quality, 1999 [4] IEEE Communication Magazine (1/1997) [5] Tạp chí bưu chính viễn thông, Chất lượng cuộc gọi trên mạng VoIP, Liên kết mạng IP và mạng PSTN, 8/2001, 9/2001 [6] Ts Lê Ngọc Giao, Điện thoại IP,... ITU-T, "Recommendation H.323: Packet-based multimedia communications system" [8] Prentice Hall, "Voice over IP", 2002 [9] TS Lê Ngọc Giao, "Cơ sở thoại Internet", 2002 [10] Ks Đào Nguyên Trung, Ks Lê Quốc Hùng, "Chất lượng cuộc gọi trên mạng VoIP Những vấn đề cần quan tâm", "Nâng cao chất lượng dịch vụ VoIP" , Tạp chí bưu chính viễn thông, 8/2001 [11] Ths Đàm Thuận Trinh, "Nâng cao chất lượng dịch vụ VoIP" ,... cho chất lượng truyền dẫn thoại Hình 4.4 Mối quan hệ giữa tham số đầu ra của mô hình E và các loại chất lượng truyền dẫn thoại 4.4 Một số phưong pháp cải thiện QoS trong mạng VoIP Do đặc điểm của loại hình dịch vụ lưu lượng thoại IP cần được hỗ trợ các biện pháp tăng cường mức QoS để đảm bảo việc thoả mãn cho các yêu cầu từ phía người sử dụng Có nhiều phương pháp hỗ ttrợ chất lượng dịch vụ trong mạng. .. theo nào Mỗi phương pháp đều có những ưu khuyết điểm riêng và đang tiếp tục được hoàn thiện Phần tiếp theo đây mô tả chi tiết giao thức dành sẵn tài nguyên RSVP là một phương pháp đang được sử dụng rộng rãi OGW TGW Call Setup Initiated SETUP CALL PROCEEDING OGWTGW Reservation Initiated PATH OGWTGW Reservation Initiated PATH RESV RESV OGW Originating Gateway RESV CONFIRMATION TGW Terminating Gateway... MOS Excellent 5 Good 4 Fair 3 Poor 2 T1207880-96 Bad 1 0 20 40 60 80 100 R Hình 4.3 MOS là một hàm số của R Trong một số trường hợp, người lập kế hoạch truyền dẫn có thể không quen sử dụng tham số R để đánh giá chất lượng truyền dẫn Khi đó họ có thể sử dụng một trong các tham số trên dựa vào hình 4.4 Hình 4.4 nêu ra các mức tương ứng của các tham số đầu ra mô hình E và các loại chất lượng thoại được . ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG THOẠI TRONG MẠNG VoIP BẰNG MÔ HÌNH E 4.1 Giới thiệu mô hình E Mô hình E là một mô hình đánh giá chất lượng truyền dẫn cho điện thoại. D-Value of Telephone, Send Side Ds – 3 –3 . +3 Chú ý 2 D-Value of Telephone Receive Side Dr – 3 −3 . +3 Chú ý 2 Talker Echo Loudness Rating TELR dB