Jakości usług telekomunikacyjnych

Transkrypt

1 Jakości usług telekomunikacyjnych SŁAWOMIR KULA Instytut Telekomunikacji Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechnika Warszawska Warszawa, 11 maja 2015 r.

2 Zawartość tematyczna Wprowadzenie Definicja usługi Co rozumiemy pod pojęciem jakości Czynniki wpływające na jakość Rodzaje sieci telekomunikacyjnych Parametry opisujące sieć związane z jakością usług Badanie jakości usług percepcyjnych Badanie jakości sygnału mowy Własności sygnału mowy Percepcja sygnałów akustycznych Techniki kodowania sygnału mowy Wymagania nakładane na kanał telefoniczny Metody badania jakości mowy Metody subiektywne Metody obiektywne 4

3 Usługi telekomunikacyjne Usługa telekomunikacyjna termin prawniczy, którego definicja jest zawarta w ustawie z dnia 16 lipca 2004 r. (Prawo telekomunikacyjne). Zgodnie z tą definicją usługa telekomunikacyjna to usługa polegająca głównie na przekazywaniu sygnałów w sieci telekomunikacyjnej. 5

4 Jakość? GSAR - gwarantowana stopa dostępności usługi GTTD - gwarantowany czas dostarczenia usługi GTTR - gwarantowany czas naprawy SLA - umowa określająca wymagania dotyczące usługi SQA - umowa określająca jakość usługi QoS - jakość usługi QoE - postrzegana jakość usługi 6

5 Jakość usługi punkty widzenia - Jakość wymagana przez klienta - Jakość oferowana (planowana, deklarowana) przez dostawcę - Jakość faktycznie osiągana - Jakość w ocenie klienta 7

6 QoS? QoS - zbiór mechanizmów, które mają zapewnić dostarczenie przewidywalnego poziomu jakości usług sieciowych poprzez zagwarantowanie określonych parametrów transmisji, w celu osiągnięcia satysfakcji użytkownika. 8

7 Wtórne parametry sieci Opóźnienie (D) Wariancja opóźnienia (DV) Stopa utraty pakietów (PLR) Stopa pakietów z błędami (PER) Bitowa stopa błędów (BER) 9

8 Wymagania - aplikacje audio Aplikacja Liczba kierunków Typowy rozmiar Parametr D DV PLR Telefonia 2 Wiadomości 1 Streaming kb/s 4-32 kb/s kb/s <150 ms <400 ms < 1 ms 3 % 1-2 s < 1 ms 3 %, 10 s << 1 ms 1 % 10

9 Wymagania - aplikacje wideo Aplikacja Liczba kierunków Szybkość transmisji Parametr D DV PLR Wideotelefonia kb/s <150 ms (<400 ms) < 80 ms (synch. ust) < 1 % Streaming kb/s < 10 s - < 1 % 11

10 Wymagania - aplikacje dane Aplikacja Liczba kierunków Typowy rozmiar Parametr D DV PLR Web-HTML 1 Obraz 1 10 kb < 100 kb 2-4 s s < 10 kb Kilka minut - 0 Fax 1 10 kb < 30 s/strona - <

11 Klasy sieci IP Aplikacja 0 1 Klasa D 100 ms 400 ms 100 ms 400 ms 1 s DV 50 ms 50 ms Nie zdefiniowano Nie zdefiniowano Nie zdefiniowano PER PLR

12 Kategoryzacja usług Cecha Klasa A Klasa B Klasa C Klasa D Przesyłanie zegara Wymagane Nie wymagane Szybkość transmisji Stała Zmienna Tryb połączenia Połączeniowy Bezpołączeniowy 14

13 Wybrane usługi głosowe telefonia głosowe bazy danych systemy alarmowania i informowania poczta głosowa odczyt poczty elektronicznej 15

14 Techniki stosowane w usługach głosowych Kodowanie mowy Synteza tekstowa mowy Rozpoznawanie mowy Rozpoznawanie głosu (mówcy) 16

15 Typy połączeń telefonicznych mobile PSTN VoIP 17

16 Usługi związane z sygnałem mowy JAKIE PARAMETRY TECHNICZNE DECYDUJĄ O JAKOŚCI MOWY? typ kodera mowy opóźnienie zniekształcenia i zakłócenia wnoszone w torze transmisyjnym 18

17 Kodowanie sygnału mowy SYGNAŁ MOWY transjet mowa dźwięczna transjet mowa bezdźwięczna T0 19

18 Kodowanie sygnału mowy SYGNAŁ MOWY I JEGO WIDMO mowa dźwięczna widmo T0 F1 F2 F3 t f F0 20

19 Kodowanie sygnału mowy SYGNAŁ MOWY I JEGO WIDMO widmo mowa bezdźwięczna F1 F2 F3 t f 21

20 częstość występowania Częstość występowania fonemów 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0, numer fonemu wg tablicy 1 w języku polskim w badaniach połączeń telefonicznych w badaniach TTS 22

21 Kodowanie sygnału mowy CYFROWA REPREZENTACJA SYGNAŁU MOWY próbkowanie kwantowanie 23

22 Kodowanie sygnału mowy KWANTYZER ADAPTACYJNY kwantyzer Q koder Δ(n) Δ(n) Δ(n) 24

23 Kodowanie sygnału mowy KODER DPCM DEKODER DPCM x (n) + e(n) kwantyzer r(n) Q r(n) + + predyktor + xˆ ( n) x(n) x ˆ( n) ~ predyktor x ( n ) 25

24 Kodowanie sygnału mowy KODER ADPCM DEKODER ADPCM adaptacja Δ Δ(n) x (n) + e(n) kwantyzer r(n) Q koder c(n) dekoder + + predyktor + xˆ ( n) x(n) x ˆ( n) predyktor ~ x ( n ) P 26

25 Kodowanie sygnału mowy F0 MODEL GENEROWANIA SYGNAŁU MOWY Generator syg. okres. Generator szumu > FILTR mowa v/uv G F1, F2, F3,... 27

26 Kodowanie sygnału mowy SYGNAŁ MOWY SŁOWNIK WZORCÓW

27 Kodowanie sygnału mowy STOPIEŃ KOMPRESJI PASMO STANDARD PRZEPŁYWNOŚĆ [kb/s] 1:1 3,4 G.711 (PCM) 64 2:1 3,4 G.726 (ADPCM) 32 4:1 3,4 G.728 (LD-CELP) 16 8:1 3,4 G.729/729A (CS ACELP) 8 4,9:1 3,4 GSM FR (RPE LTP) 13 9,8:1 3,4 GSM HR (RPE LTP) 6,5 10,1:1 3,4 G.723 (MP MQL) 6,3 12:1 3,4 G (ACELP) 5,4 29

28 Połączenia telefoniczne ŹRÓDŁA OPÓŹNIEŃ kodowanie i dekodowanie sygnału mowy pakietyzacja skończona szybkość przesyłania sygnałów rozwiązania systemowe transmisji 30

29 Błędy transmisyjne w sieciach optycznych % 99,64 0,2 0,04 0,12 Liczba błędnych bitów/s

30 prawdopodobieństwo Błędy transmisyjne w sieciach pakietowych 0,4 0,3 0,2 0, Serie błędów 32

31 Przykład opóźnienia w sieci IP Wyniki dla pojedynczej domeny Długość pakietu [bajt] Min. RTT [ms] Śr. RTT [ms] Maks. RTT [ms] PLR [%] , , ,

32 Przykład opóźnienia w sieci IP Wyniki dla połączeń pomiędzy różnymi domenami Długość Pakietu [bajt] Min. RTT [ms] Śr. RTT [ms] Maks. RTT [ms] PLR [%] , , , , , , ,3 89 2, ,8 71 1, ,6 61 1, , , , ,99 34

33 Połączenia telefoniczne ECHO Echo mówcy Echo słuchacza 35

34 Usługi telefoniczne CO DECYDUJE O OCENIE JAKOŚCI MOWY PRZEZ CZŁOWIEKA? zrozumiałość mowy identyfikowalność mówcy naturalność brzmienia echo (pogłos) opóźnienie zakłócenia i szumy 36

35 Percepcja jakości mowy Maskowanie w dziedzinie częstotliwości widmo częstotliwość f 1 f 2 37

36 Percepcja jakości mowy Maskowanie w dziedzinie czasu w przód wstecz Δt 1 Δt 2 czas czas 38

37 Połączenia telefoniczne SZACOWANIE JAKOŚCI MOWY TRANSMITOWANEJ W ŁĄCZU TELEKOMUNIKACYJNYM Model amerykański : Transmission Rating Model francuski: Information index Model japoński: OPINE Model angielski: CATNAP 83 Model europejski: E-model (ETSI ETR 250) 39

38 Połączenia telefoniczne E - model R R 0 I s I d I e A R - współczynnik oceny transmisji 40

39 Połączenia telefoniczne E - model R 0 - podstawowy stosunek mocy sygnału do mocy szumu, zależy on zarówno od poziomu mocy sygnału, jak i mocy szumu I S - zniekształcenia pojawiające się równocześnie z sygnałem mowy, takie jak szum kwantyzacji, czy sygnał wybierania tonowego albo impulsowania 41

40 Połączenia telefoniczne E - model I d - zniekształcenia wynikające z opóźnień I e - zniekształcenia transmisyjne wnoszone przez takie urządzenia, jak kodery mowy, systemy DSI itp., dodatkowo uwzględnia się parametry sieci pakietowych. A - składnik korekcyjny wynikający z dostępu do pewnych systemów, np. GSM, DECT 42

41 Zależność MOS od parametru R 5 4 MOS R 43

42 Jakość mowy a parametr R R Jakość mowy <50 Bardzo dobra Dobra Odpowie- dnia Niska Zła Bardzo zła 44

43 Wartości parametru K STANDARD G.711 (PCM) G.726 (ADPCM) G.728 (LD-CELP) G.729/729A (CS ACELP) GSM FR (RPE LTP) GSM HR (RPE LTP) G.723 (MP MQL) G (ACELP) PRZEPŁYWNOŚĆ [kb/s] ,5 6,3 5,3 K

44 Wartości parametru A System łączności A Tradycyjna telefonia przewodowa DECT GSM Telefonia satelitarna

45 MOS vs. standardy kodowania mowy 5 MOS 4 3 GSM-HR G G.729 GSMEFR G.728 GSM-FR G.726 G [kb/s] 47

46 Połączenia telefoniczne Wpływ opóźnienia na jakość mowy 100 R db db 41 db 51 db db 21 db opóźnienie [ms] 48

47 Graniczna akceptowalne opóźnienie Bez utraty pakietów STANDARD PRZEPŁYWNOŚĆ [kb/s] OPÓŹNIENIE [ms] G G G G G ,3 221 G ,3 253 GSM- FR GSM- HR 5,6 180 GSM- EF 12,

48 Jakość mowy Wartość składnika I e w funkcji utraty pakietów I e 60 G.711 G (6,3 kb/s) 40 G GSM EFR G.711 (PLC) PLR [%] 50

49 Wpływ utraty ramek na parametr R 100 R GSM EFR G.711+PLC G.729A+VAD 40 G.711 G.723.1(6,3)+VAD 20 FER [%]

50 Graniczna akceptowalna utrata pakietów STANDARD PRZEPŁYWNOŚĆ [kb/s] UTRATA PAKIETÓW [%] G Bez interpolacji G Z interpolacją G ,4 z VAD G ,3 2,1 Opóźnienie w torze usta-ucho poniżej 150 ms GSM EF 12,2 2,7 52

51 Wpływ liczby koderów G.711 na parametr R 100 R qdu

52 Połączenie tandemowe koderów KODER 1 DEKODER 1 KODER 2 DEKODER 2 KODER 2 DEKODER 2 KODER 1 DEKODER 1 54

53 Wartości parametru R w przypadku połączenia tandemowego koderów G.711 G.726 G728 GSM GSM G.729 G GSM G kb/s 16 kb/s FR EFR 8 kb/s 6,3 kb/s HR 5,3 kb/s G ,3 87,3 87,3 74,3 v 89,3 84,3 79,3 71,3 75,3 G kb/s G kb/s GSM FR GSM EFR G kb/s G ,3 kb/s GSM HR G ,3 kb/s 87,3 80,3 80,3 67,3 82,3 77,3 72,3 64,3 68,3 87,3 80,3 80,3 24,3 82,3 77,3 72,3 64,3 68,3 74,3 67,3 24,3 54,3 69,3 69,3 59,3 51,3 55,3 89,3 82,3 82,3 v 69,3 84,3 79,3 74,3 66,3 70,3 84,3 77,3 77,3 v 69,3 79,3 74,3 69,3 61,3 65,3 79,3 72,3 72,3 v 59,3 74,3 69,3 64,3 56,3 60,3 71,3 64,3 64,3 51,3 66,3 61,3 56,3 48,3 52,3 75,3 68,3 68,3 55,3 70,3 v 65,3 60,3 52,3 56,3 55

54 Metody badania jakości mowy OCENA JAKOŚCI MOWY METODY SUBIEKTYWNE Wyniki kalibracji METODY OBIEKTYWNE MODEL PARAMETRYCZNY PARAMETRY SYGNAŁU MODELE TRANSMISYJNE OCENA PORÓWNAWCZA OCENA BEZWZGLĘDNA 56

55 Subiektywne metody badania jakości mowy kategoryzacja testy konwersacyjne testy odsłuchowe badanie wyrazistości 57

56 Subiektywne metody badania jakości mowy STRUKTURA DO TESTÓW SUBIEKTYWNYCH osoba A aparat A SIEĆ aparat B B osoba Otoczenie A Otoczenie B 58

57 Badanie wyrazistości logatomowej LOGATOM TO WYRAZ NIEMAJĄCY ŻADNEGO ZNACZENIA W DANYM JĘZYKU Przykłady logatomów gryn mrak kof iltur zawe niud 59

58 Badanie wyrazistości logatomowej Średnia wyrazistość 1 W NK W n, k N n 1 P 100 T 1 s [ NK 1 n, k k N K k 1 W K n 1 k 1 n, k Stopa poprawnie odebranych logatomów Odchylenie średniokwadratowe wyrazistości ( W n, k W ) 2 ] 1/ 2 N - liczba słuchaczy K - liczba odczytanych list P n,k - liczba prawidłowo odebranych logatomów z k-tej listy przez n-tego słuchacza T k - liczba odczytanych logatomó z k-tej listy 60

59 Badanie wyrazistości logatomowej Rodzaj połączenia POTS Połączenie bezpośrednie Telefonia komórkowa KODERi Telefon analogowyi Wokoder LPC 2,4 kb/si Koder CELP 4,8 kb/s Koder ACELP 8 kb/s Koder GSM FR 13 kb/s W [%] 82,7 50,5 61,3 63,5 66,8 61

60 Badanie wyrazistości logatomowej Rodzaj połączenia VocalTec VocalTec CUSeeMe NetMeeting IVisit KODERi G.711 VSC G G W [%] 82,7 50,5 61,3 63,5 66,8 62

61 Subiektywne metody badania jakości mowy SKALA PUNKTACJI DLA RÓŻNYCH TYPÓW KATEGORYZACJI Punktacja Kategoryzacja Bezwzględna Porównawcza Degradacyjna Jakość Porównanie jakości Pogorszenie jakości 5 Doskonała - Niesłyszalne 4 Dobra - Słyszalne, nie przeszkadzające 3 Zadowalająca Dużo lepsza Lekko przeszkadzające 2 Słaba Lepsza Przeszkadzające 1 Zła Nieznacznie lepsza Bardzo przeszkadzające 0 - Jednakowa Nieznacznie gorsza Gorsza Dużo gorsza - 63

62 Obiektywne metody badania jakości mowy STRUKTURA DO TESTÓW OBIEKTYWNYCH Sygnał odniesienia Testowany Model Porównanie Ocena system Preprocessing psycho- parametrów jakości mowy mowa akustyczny wynik Test audytoryjny 64

63 Obiektywne metody badania jakości mowy METODA PSQM mowa Testowany Model Reprezentacja System Percepcyjny Wewnętrzna Odwzorowanie Obliczenie skali wynik odleg łości obiektywna subiektywna Model Percepcyjny Reprezentacja Wewn ętrzna 65