Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський національний університет радіоелектроніки

МЕТОДИ АНАЛІЗУ ПОКАЗНИКІВ ЯКОСТІ ПЕРЕДАЧІ МОВНОГО ТРАФІКУ В МЕРЕЖАХ З ПАКЕТНОЮ КОМУТАЦІЄЮ

05.12.02 - Телекомунікаційні системи та мережі

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

БОБРИЦЬКИЙ Сергій Михайлович

Харків 2011

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти і науки, молоді України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Саваневич Вадим Євгенович, Харківський національний університет радіоелектроніки, професор кафедри електронно-обчислювальних машин

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Поляков Петро Федорович, Центр сертифікаційних випробувань та експертиз в системі транспорту «Транссертек» Міністерства інфраструктури України, директор;

кандидат технічних наук, доцент Макаров Сергій Анатолійович, Харківський університет Повітряних Сил імені Івана Кожедуба, начальник науково-дослідного відділу проблем розвитку та науково-технічного супроводження засобів зв'язку і радіотехнічного забезпечення Наукового центру Повітряних Сил.

Захист відбудеться «____» грудня 2011 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.09 у Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: Україна, 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: Україна, 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат розісланий «____» листопада 2011 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Є.В. Дуравкін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Послуги, пов'язані з мовним нееластичним трафіком, в значній мірі визначають сучасні тенденції розвитку телекомунікаційних технологій. Відповідність зростаючим вимогам якості є необхідною умовою реалізації зазначених послуг. В даний час дана відповідність можлива виключно завдяки поетапному втіленню пакетної передачі даних в мережевих інфраструктурах різних сервіс-провайдерів.

Контроль, аналіз, оцінка показників якості, як ступені задоволення користувача послугою, є невід'ємною частиною таких важливих процесів в життєвому циклі телекомунікаційних систем як проектування, модернізація та експлуатація. Формування адекватних оцінок параметрів якості ускладнюється маскуванням різними кодеками втрат пакетів і джитера. Подолання протиріччя між високими вимогами до адекватності оцінки параметрів якості передачі мовного трафіку в ТКС і зазначеним маскуванням можливе виключно на основі спільного аналізу якості пакетної передачі мови на пакетному і контентному рівнях, що враховують основні особливості передачі мови в сучасних ТКС.

Додатковим доказом на користь актуальності теми дослідження є активний розвиток автоматизованих мовних технологій. До останніх, наприклад, можуть бути віднесені технології перевірки прав доступу до каналів зв'язку, обчислювальних систем, баз даних, банківським рахункам, службових приміщень, пристроїв і механізмів. Необхідність підвищення точності аналізу показників якості обслуговування стимулює також і криміналістична експертиза. Значний інтерес представляють аналізатори мови для контакт-центрів, які дозволяють швидко проникнути в суть розмови з клієнтом і зрозуміти основні причини проблем, які виникають.

У зв'язку з цим актуальною є наукова задача, яка полягає в удосконаленні методів спільного аналізу показників якості передачі фрагментів мовного трафіку на пакетному і контентному рівнях, що враховують основні особливості кодування, декодування і передачі мови в у мережах з пакетною комутацією.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота пов'язана з реалізацією основних положень «Концепції національної інформаційної політики», «Концепції Національної програми інформатизації», «Основних принципів розвитку інформаційного суспільства в Україні на 2007 - 2015 року» та «Концепції конвергенції телефонних мереж і мереж з пакетною комутацією в Україні». Результати роботи використані при виконанні науково-дослідної роботи «Дослідження інформації на цифрових носіях» (ДР 0108U000448), в якій автор виступав науковим керівником.

Мета роботи полягає у вдосконаленні методів і критеріїв спільного аналізу якості передачі мови на пакетному і контентному рівнях, які враховують основні особливості передачі мови.

Завданнями дослідження є:

- розробка методу виявлення інтервалів угрупування втрат мовних пакетів у мережах з пакетною комутацією з використанням кодеків із придушенням пауз мови і компенсацією втрат;

- розробка фонемного методу визначення спектрально-часових характеристик мовних фрагментів, переданих в мережах з пакетною комутацією;

- розробка методу визначення частот мовних формант, який враховує наявність декількох формант у мовних фрагментах і факт оцінки частот формант мовних сигналів по значеннях сукупності потенціалів кінцевої гребінки смугових фільтрів;

- розробка методу спільного аналізу показників якості передачі мовного трафіку на пакетному і контентному рівнях, що враховує спільний вплив групових втрат, угрупувань втрат і джитера мережевої затримки в періоди мовних активностей і пауз.

Об'єкт дослідження - процес кодування, передачі і декодування мовного трафіку в мережах з пакетною комутацією.

Предмет дослідження - методи аналізу показників якості передачі мовного трафіку в мережах з пакетною комутацією на пакетному і контентному рівнях.

Методи дослідження. Протягом розробки методів визначення характеристик та ідентифікації мовних фрагментів використовувалися Фур'є-аналіз, теорія ймовірності і математична статистика. Додатково при оцінці характеристик формант мовних фрагментів використовувалася теорія групування вибірок; при об'єднанні пофонемних спектральних ознак для ідентифікації мовних фрагментів використовувалася теорія перевірки багатоальтернативних гіпотез; при виявленні інтервалів часу, які відповідають загубленим пакетам, використовувалася теорія вейвлет-аналізу.

Наукова новизна отриманих результатів. Під час розв'язання поставленої наукової задачі автором було отримано такі нові наукові результати: мовний пакет пакетний комутація

- удосконалено фонемний метод визначення спектрально-часових характеристик мовних фрагментів, переданих в мережах з пакетною комутацією, що відрізняється виключенням тимчасових інтервалів, які відповідають загубленим пакетам, а також використанням удосконаленого методу визначення параметрів мовних формант. Метод дозволяє істотно підвищити точність оцінок зазначених характеристик;

- удосконалено метод визначення частот мовних формант, заснований на математичній моделі групованих вибірок, що відрізняється урахуванням наявності декількох формант у мовних фрагментах і урахуванням факту оцінки безперервних параметрів по дискретному простору спостережень (оцінюються континуальні частоти формант мовних сигналів за значеннями сукупності потенціалів гребінки смугових фільтрів). Метод дозволяє досягти потенційної точності оцінок частот формант за фрагментами мовних сигналів, переданих в мережах з пакетною комутацією;

- удосконалено метод VqMW спільного аналізу показників якості передачі мовного трафіку на пакетному і контентному рівнях, який вперше враховує спільний вплив групових втрат, угруповань втрат і джитера мережевої затримки в періоди мовних активностей і пауз, заснований на корекції показників якості шляхом аналізу мовного контенту з виявленням інтервалів активності мови при відключеній опції придушення пауз мови (VAD) і аналізі статистики заголовків стека RTP/RTCP, що забезпечує адекватну оцінку показників якості передачі мовного трафіку в мережах з пакетною комутацією;

- удосконалено метод виявлення інтервалів угруповання втрат мовних пакетів по пакетним мережам з використанням кодеків з придушенням пауз мови і компенсацією втрат, заснований на аналізі фрагментів мовного трафіку в вейвлет-базисі Мейера, що дозволяє визначити розташування і тривалості зазначених угруповань і виключити їх з аналізу мовного трафіку на контентному і пакетному рівнях.

Практичне значення дисертаційної роботи полягає в наступному. Розроблена в роботі сукупність методів спільного аналізу показників якості передачі мовного трафіку на пакетному і контентному рівнях забезпечує високий рівень адекватності. Розроблений метод VqMW особливо ефективний при угрупованню втрат, помилка VqMW, становить не більше 5%, в порівнянні з помилкою 10-15% при використанні NIMD методу VqMON, заснованого на обробці статистики на рівні заголовків пакетів RTP / RTCP. Можливе проведення аналізу показників якості передачі мовного трафіку, в режимах INMD і IMD. Метод оцінки формантних характеристик дозволяє оцінити частоти формант мовних сигналів з СКВ не перевищує десятка герц. Метод VqMW може бути реалізований на реальному обладнанні VoIP, не вимагає зміни програмно-апаратної структури обладнання, що робить його придатним в системах моніторингу якості VoIP провайдерів. Запропоновані методи аналізу показників якості передачі мовного трафіку в пакетних мережах використані в навчальному процесі кафедри телекомунікаційних систем Харківського національного університету радіоелектроніки, зокрема в дисципліні «Багатофункціональні системи абонентського доступу». Використання результатів дисертаційної роботи підтверджено відповідними актами впровадження.

Особистий внесок здобувача. У роботах, виконаних у співавторстві, особисто Бобрицькому С.М. належать такі наукові результати: в статті [1] автором проведено дослідження ефективності комп'ютерного комплексу для аналізу викривлень сигналів в каналах зв'язку; в статті [2] автором досліджено кореляційний метод виявлення інтервалів групових втрат мовного потоку в каналах зв'язку; в роботі [3] автору належить розробка фонемного методу визначення спектрально-часових характеристик мовних фрагментів, переданих в мережах з пакетною комутацією; в статті [4] автор розробив метод визначення частот мовних формант, що враховує наявність декількох формант в фрагментах мовних сигналів і факт оцінки континуальних частот формант мовних сигналів за значеннями кінцевої сукупності потенціалів гребінки смугових фільтрів); в статті [5] автор удосконалив метод VqMW спільного аналізу показників якості передачі мовного трафіку на пакетному і контентному рівнях; в роботі [6] автор удосконалив метод виявлення інтервалів угруповання втрат мовних пакетів по пакетним мереж з використанням кодеків з придушенням пауз мови і компенсацією втрат; в роботі [7] автором поставлено завдання дослідження.

Апробація результатів дисертації проводилась протягом 10 наукових конференцій (форумів), у тому числі на Міжнародній науково-практичній конференції «Современное состояние и перспективы развития новых направлений судебных экспертиз в России и за рубежом» (Калінінград, Калінінградська лабораторія судової експертизи, 2003), Міжнародній науково-практичній конференції «Сучасні судово-експертні технології в кримінальному і цивільному судочинстві» (Харків, НУВС, 2003), Науково-практичній конференції «Актуальні проблеми досудового слідства в умовах реформування СБ України» (Харків, Інститут підготовки слідчих СБ України, 2006), 3-му Міжнародному радіоелектронному форумі «Прикладна радіоелектроніка. Стан та перспективи розвитку» МРФ-2008 (Харків, АНПРЕ, ХНУРЕ, 2008), Міжнародній науково-практичній конференції «Криминалистика XXI столетия» (Харків, НЮАУ ім. Ярослава Мудрого, 2010), VIII Науково-практичній конференції «Информационные технологии и безопасность в управлении» (Луганськ, СНУ ім. Володимира Даля, 2011), Науково-практичній конференції «Нові можливості сучасних методів досліджень в судовій експертизі» (Луганськ, прокуратура Луганської області, 2011), Науково-практичній конференції «Сучасні апаратно-програмні засоби дослідження звуко-, відеозаписів у фоноскопічній експертизі» (Київ, Державний науково-дослідний криміналістичний центр, 2011), VI Міжнародній науково-практичній конференції «Наука и социальные проблемы общества: информация и информационные технологии» (Харків, ХНУРЕ, 2011).

Публікації. Основні положення дисертації висвітлено у 21 праці. Серед праць 6 статей в наукових фахових виданнях, що входять до переліків ВАК України на технічні науки[1-7]. Крім того, матеріали дисертації опубліковані в наукових статтях [8-14] та 6 тезах доповідей на науково-технічних конференціях і форумах [15-20].

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів та висновків. Загальний обсяг дисертаційної роботи становить 196 сторінок, із них 53 сторінок із рисунками та 5 з таблицями. Список використаних джерел містить 139 найменування на 14 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито стан дослідженої проблеми, обґрунтовано актуальність теми роботи, сформульовано наукову задачу та визначено мету досліджень.

Зазначено наукову новизну та практичне значення отриманих у роботі результатів. Наведено дані про публікації автора за темою дисертації.

У першому розділі наведено огляд методів оцінки якості передачі мовного трафіку. Розглянуто особливості реалізації методів оцінки якості рівнів протоколу перенесення і контенту. Проведено аналіз способів реалізації оцінки якості передачі мовного трафіку поверх IP. Проаналізовано перспективні методи оцінки рівня контенту, які розроблені ETSI і Telchemy і відомі під торговою маркою VqMon. Враховуючи, що до числа найбільш важливих факторів, які впливають на якість мови, входять групові втрати, був зроблений висновок про необхідність оцінки їх ефективного рівня при оцінці якості.

У другому розділі вдосконалено фонемний метод визначення спектрально-часових характеристик мовних фрагментів, переданих в мережах з пакетною комутацією; розроблено удосконалений метод визначення частот мовних формант, заснований на математичній моделі групуваних вибірок; розроблено метод виявлення інтервалів втрат мовних пакетів, переданих по пакетним мереж з використанням кодеків з придушенням пауз мови і компенсацією втрат.

Фонемний метод визначення спектрально-часових характеристик мовних фрагментів заснований на короткочасному перетворенні Фур'є, дискретизованому за часом і частотою. У розділі наведені вирази, які використовуються для визначення нормованих відносних середніх і відносних середніх значень енергії мовного сигналу в частотних каналах, відносного часу і нормованого часу перебування сигналу на частотах смугових фільтрів, відносних медіанних значень енергії мовних сигналів у частотних каналах, відносної потужності частотних компонент мови. Дані ознаки відбивають своєрідність форми спектра мовних імпульсів у різних осіб та особливості фільтруючих функцій їх мовних трактів. Також наведені вирази для оцінки ознак варіацій огинаючих спектра мови і нормованих варіацій огинаючих спектра мови. Останні характеризують особливості мовного потоку, пов'язані з динамікою перебудови артикуляційних органів мови диктора. Обумовлені коефіцієнти кроскореляції є інтегральними характеристиками мовного потоку, що відображають своєрідність взаємозв'язку або синхронності руху артикуляційних органів мови мовця. Значну увагу в роботі приділено групі інтегральних ознак основного тону, що характеризує індивідуальність статистичних розподілів значень тривалості періодів і частоти основного тону мови мовця.

Велика увага в розділі надана розробці удосконаленого методу визначення частот мовних формант, заснований на математичній моделі групувати вибірок. При розробці методу враховувалося таке. Індивідуальність диктора визначається співвідношенням рівнів сигналу в спектральних смугах. Форманти служать способом реалізації зазначених смугових співвідношень і можуть бути використані як стійкі ідентифікаційні ознаки. Спектрально-часовий аналіз реалізується набором цифрових смугових фільтрів. Передбачається, що спектр злитої людської мови в будь-який момент часу може бути представлена сукупністю гаусоїд, кожна з яких представляє собою окрему форманту. Для цілей дослідження достатньо, зазвичай, чотирьох () досліджуваних формант. Кожна гаусоїда представляється математичним очікуванням і СКО . Шуми мають рівномірний спектр в досліджуваному діапазоні. Отже, експериментальний спектр на будь-якому часовому зрізі представимо сумішшю розподілів:

, (1)

де , відносна вага шумовий складової сигналу та енергії мовного сигналу, що відповідає -ій форманті; математичне очікування; СКО.

При цьому спостереженні, реєстрації доступні значення енергій мовного сигналу на виходах смугових фільтрів (в частотних каналах) в заданому часовому вікні, які легко можна привести до відносних значень енергії мовного сигналу в -му частотному каналі -го тимчасового вікна . Тим самим має місце групувати вибірка. Теоретичним аналогом досвідчених відносних значень енергії мовного сигналу є ймовірності попадання мовного сигналу в аналізовані смугові фільтри з частотними кордонами , -го тимчасового вікна:

, (2)

де , - частотні кордони смугових фільтрів.

При вирішенні задачі оцінки параметрів формант методом максимальної правдоподібності з урахуванням положень теорії групування вибірок було встановлено, що шукана система рівнянь максимальної правдоподібності є трансцендентною. Для її вирішення був обраний метод послідовних наближень, при реалізації якого система рівнянь була представлена у вигляді пар рівнянь виду:

(3)

, (4)

де ; - теоретична ймовірность попадання мовного сигналу в аналізовані смугові фільтри.

Сутність даного методу оцінки частот і розкиду формант мовного сигналу на сукупності часових вікон, сформованих гребінкою смугових фільтрів полягає в наступному. При одержанні оцінок частот формант черзі виконуються дві операції. Перша - розщеплення статистик гребінки смугових фільтрів досліджуваної сукупності часових вікон на статистики -ї гребінки. У результаті даної операції відповідно з початковими наближеннями за значенням параметрів , отриманими на попередній ітерації (на першій ітерації - початкові наближення, що надійшли на вхід процедури), що складають енергії мовного сигналу, що потрапили в кожний смуговий фільтр гребінки, розподіляються на незалежних процедур оцінки частоти форманти . При цьому відокремлюються, відповідно до прийнятої моделі мовного сигналу і шумів, шумові складові, джерелом яких не є мовний сигнал, параметри якого підлягають оцінці. Результатом першої операції є сукупність коефіцієнтів розщеплення . Операція, наступна за розщепленням, - взаємно незалежна оцінка параметрів кожної з формант. При цьому використовується процедур оцінки, на кожну з яких надходить підвибірки - один з результатів розщеплення гребінки смугових фільтрів досліджуваної сукупності часових вікон, отриманих на ітерації. Кожна процедура оцінки на -й ітерації по детермінованому правилом формує оцінку параметрів відповідної форманти. . Сформовані оцінки надходять в якості початкового наближення на процедуру розщеплення і т.д. Ітераційний процес продовжується до тих пір, поки або всі коефіцієнти розщеплення на на -му та (-1)-му кроці не стануть практично попарно рівні, які оцінки і практично співпадуть попарно.

Таким чином, вирази (3) - (4) зводять задачу визначення параметрів формант до сукупності з незалежних задач визначення параметрів однієї форманти з попереднім розщепленням позначок шляхом обчислення коефіцієнтів (5).

Далі у 2 розділі розглянуті питання об'єднання пофонемних спектрально-часових ознак для багатоальтернативної ідентифікації мовних фрагментів. Необхідність вирішення зазначеного завдання викликана наявністю більше 500 спектрально-часових ознак і практичною неможливістю їх спільного аналізу без використання спеціальних методів автоматичного аналізу.

У роботі розглянуті різні відомі методи об'єднання ознак ідентифікації особистості (зниження розмірності ознакового простору) та обґрунтовано об'єднання всіх досліджуваних ознак у єдиний простір спостережень (сукупність всіх можливих значень ознак) і синтезі на ньому вирішального правила ідентифікації. Особливості розглянутих ознак дозволили зробити висновки про достатність використання як імовірнісних розподілів у введеному просторі спостережень багатовимірних нормальних розподілів. Так як параметри даних розподілів (вектора середніх, кореляційні матриці) не можуть бути виведені з теоретичних міркувань, то вони визначаються з експериментальних досліджень, даних для яких досить багато. У роботі синтезовані вирішальні правила ідентифікації особистості говорить по голосовому фрагменту за критеріями мінімуму середнього ризику, максимуму апостеріорної ймовірності та максимальної правдоподібності. Так, наприклад, максимально правдоподібне вирішальне правило має вигляд:

(6)

де матриця девіацій; матриця шуму.

Також у роботі введені такі характеристики розрізнення перевіряємих гіпотез як відстань по Кульбаку, кордон Чернова, відстані Бхатачарія і Махаланобіса.

Розроблений метод метод виявлення інтервалів втрат мовних пакетів, переданих по пакетним мереж з використанням кодеків з придушенням пауз мови (VAD) і компенсацією втрат (PLC), що дозволяє визначити розташування і тривалості вказаних інтервалів включає наступні операції: видалення постійної складових; декомпозиція мовного сигналу з допомогою вейвлета Мейєра; побудова автокореляційної функції деталізуючих коефіцієнтів; обчислення порогу виявлення втрачених сегментів; розбиття відліків автокореляційної функції на ділянки за розміром вікна аналізу; обчислення енергії відліків автокореляційної функції кожної ділянки сигналу; визначення місцеположення втрачених сегментів. Одним з перевах розробленого методу є можливість отримання оцінки в реальному масштабі часу, без використання передачі заздалегідь збереженого (тестового) мовного фрагмента. Для цього пропонується використовувати властивості характерного спотворення мовного сигналу при наявності одноразових чи групових втрат.

У третьому розділі виконаний аналіз факторів, що визначають адекватність і точність оцінок якості в терміналах VoIP, а також розроблено метод Voice Quality Monitoring with Wavelet (VqMW) спільного аналізу показників якості передачі мовного трафіку на пакетному і контентному рівнях.

Обґрунтовано існування проблеми адекватної оцінки впливу на якість передачі реалізацій таких компонент обробки мовних даних як джитер-буфер і метод компенсації втрат мовних блоків при декодуванні.



Рис. 1 Пояснення методів оцінки якості передачі мови

Показано, що для формування адекватної оцінки якості метод аналізу показників якості передачі мовного трафіку VqMW повинен забезпечити формування оцінки показників якості в реальному масштабі часу на двох рівнях аналізу: базове на рівні протоколу перенесення і додатковому на рівні контенту (мови). Для формування адекватної оцінки рівня втрат мовних пакетів запропоновано доповнити мережеву статистику оцінкою фактичних втрат на вході мовного декодера. Для цього пропонується використовувати властивості типового спотворення мовного сигналу при наявності одноразових чи групових втрат. При аналізі угруповання втрат в методі визначено критерій формування угруповання втрат; вибрані процедури виявлення групи; формування та аналізу статистики розподілу тривалості угруповань втрат; локалізації груп втрат і синхронізації в абсолютному часі з тимчасовими мітками RTP пакетів.

При реалізації VqMW оцінка ефективних втрат ведеться комплексно шляхом збору статистики стека протоколів RTP / RTCP і на основі аналізу мовного контенту з використанням оригінального методу на основі вейвлет-аналізу мовних сигналів, теоретично обґрунтованого у розділі 2. При цьому статистика накопичується протягом тривалості мовної активності, після закінчення якої визначаються показники якості. Послідовність операцій формування оцінки якості пропонованого методу VqMW наведена на рис. 2. В якості базового методу формування показників якості була вибрана E-model та її розширення VqMON.

У запропонованому методі VqMW розрахунок коефіцієнта проводиться окремо протягом періоду групових втрат і окремо протягом періоду між групами втрат :

(7)

де - коефіцієнт погіршення за рахунок ефективного рівня втрат в періоди gap і burst; - погіршення за рахунок кодування.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2 Порядок оцінки якості передачі мови за методом VqMW

Крім того в VqMW, розрахунок коефіцієнтів , які враховують вплив угруповання втрат, базується на доповненні статистики втрат рівня перенесення (RTP), вейвлет-аналізом мовного контенту.

Далі в розділі показано, що правильний вибір моделі угруповання втрат мовних пакетів і, відповідно, її параметризація забезпечують адекватну оцінку погіршення за рахунок втрат мовних пакетів.

Показано, що параметризація моделі групування втрат виконана згідно RFC 3611 і відповідає моделі оцінки групування втрат розширеного протоколу RTCP (RTCP-XR), що дозволяє адекватно оцінити рівень і вплив угруповань втрат на якість передачі мовного контенту при використанні моделі на основі діаграми переходів (рис. 3). Основними станами даної діаграми є: група втрат виявлено (BURST ON); поза групою втрат (BURST OFF); успішно прийняті пакети протягом інтервалу угруповання втрат (GOOD BURST).

Використовуваний в рамках VqMW метод виявлення інтервалів угруповання втрат мовних пакетів, заснований на аналізі фрагментів мовного трафіку в вейвлет-базисі Мейєра, дозволяє виявити інтервали втрачених пакетів незалежно від використання механізмів компенсації втрат мовних пакетів (Packet Loss Concealment, PLC) і режимів роботи джитер-буфера.

Зроблено висновок, що в рамках методики VqMW можливо зменшити похибку оцінки реального рівня втрат у випадку відключення механізму придушення пауз мови (VAD). У цьому випадку групові втрати можуть припадати на інтервали, в яких існують паузи мови співрозмовників, і ці втрати не впливають на узагальнену якість мови.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3 Схема переходів між станами при аналізі параметрів групових втрат

У четвертому розділі наведено опис методики дослідження ефективності запропонованих методів.

Для дослідження запропонованих методів було створено макет, що забезпечує емуляцію групових втрат, мережних затримок, джитера мережних затримок; реалізацію методів оцінок в режимах IMD і INMD; оцінку абсолютної затримки мовних пакетів шляхом аналізу мережної статистики; збір та обробку мережної статистики в транзитних вузлах; синхронізацію всіх елементів макету по NTP з точністю не нижче типового періоду передачі мовного пакета (20 мс). Як мережний емулятор, використовувався пакет netemCLG. Особливістю пакету є можливість управління мережними характеристиками, в тому числі реалізація різних моделей формування групових втрат. Маршрутизатори використовуються для збору мережної інформації у вигляді послідовності переданих мовних пакетів. Показано, що аналіз ефективності алгоритму оцінки якості повинен базуватися не тільки на адекватності узагальненої оцінки, що формується алгоритмом, а також на ймовірності виявлення групових втрат мовних пакетів; точності локалізації груп втрат; часі виявлення групи втрат.

Дослідження алгоритму VqMW було проведено в різних умовах, у тому числі при впливі джитера мережних затримок. Для дослідження було вибрано обладнання IP-УАТС IPECS-LIK50 виробництва LG-Ericsson і VoIP шлюзи ATA-186 виробництва Cisco. Були досліджені параметри якості передачі для основних кодеків VoIP при впливі втрат мовних пакетів. Як порівняльної методики для аналізу було обрано E-model, оцінка характеристик якої проводилася за допомогою пакета Trafficlyser. На рис. 5 наведено порівняння узагальнених оцінок якості мови, отриманих за допомогою алгоритмів VqMV і E-model. Окремо було проведено дослідження впливу джитера однопутевих затримок на параметри оцінки якості при різному рівні групування втрат (рис. 6).

Отримані результати показують, що усереднені оцінки при впливі угруповання втрат мовних пакетів пропонованого і опорного алгоритмів, практично збігаються, що пояснюється збігом вихідних статистичних даних при оцінці на рівні протоколу перенесення. При цьому спостерігається незначна розбіжність оцінок алгоритмів VqMW і E-model пов'язане з виникаючими при декодуванні додатковими втратами пакетів, які VqMW детектує за допомогою вейвлет-перетворення контенту.

Відзначено що істотно змінюється картина при аналізі впливу джитера мережевих затримок і угрупуванню (рис. 6). У цьому випадку, додаткові групи втрат формуються після проходження джитер-буфера пристрою і не виявляються аналізом на рівні протоколу перенесення.

Рис. 4 Схема макета з дослідження характеристик передачі мовних фрагментів обробки wav файлів

При цьому модель оцінки погіршення за рахунок джитера в алгоритмі E-model не дозволяє оцінити ефективний рівень групових втрат і, отже, реальну якість передачі мовного трафіку. За результатами експерименту зроблено висновок, що реалізація вейвлет-обробки на рівні контенту в алгоритмі VqMW дозволяє доповнити аналіз погіршення якості на основі моделі джитер-буфера і одержати більш точну оцінку якості передачі порівняно з відомими алгоритмами рівня протоколу перенесення.



Рис. 5 Залежність узагальненого якості R від рівня групових втрат при оцінці методом E-model (а) і VqMon (б)

Показано, що внаслідок специфіки алгоритму компенсації джитера, при отриманні пакетів зі значною дисперсією мережевий затримки більш ефективним є доповнення даних погіршення на основі моделі джитер-буфера оцінкою групових втрат на рівні контенту.

Рис. 6 Оцінка ефективності алгоритму VqMW при впливі джитера одно- шляхових затримок в умовах угруповання втрат

При дослідженні показників якості ідентифікації особистості по мовному сигналу, який пройшов через пакетну мережу, були виявлені закономірності, до основних з яких хотілося б віднести наступні: відношення сигнал/шум в тракті істотно змінюється зі збільшенням втрат і незначно змінюється при джитері і затримці; відхилення швидкості передачі істотні при затримці на 65%; збільшення втрат суттєво впливає на всі параметри мови, крім одного - групи ознак основного тону, яка змінюється не настільки неухильно (як би не рвали мовний потік, характеристики диктора залишаються практично незмінними); зі збільшенням втрат збільшується відсоток неправильного зарахування голосу на досліджуваній фонограмі до голосу «чужого» диктора, якого немає на навчальній фонограмі; зі збільшенням втрат зменшується відсоток правильного зарахування голосу на досліджуваній фонограмі до голосу «свого» диктора, який є на навчальною фонограмі; якщо втрати в своїй більшості потрапляють на мова, то проглядається яскрава залежність результату від втрат, якщо втрати більші проявилися між мовними паузами, то їх вплив не буде значно; затримки і джитер не роблять істотного впливу на зниження інформативності груп ознак мови, вони впливають на сприйняття мови людиною (для пристрою інформація фіксується, а людина в реальних умовах не в змозі чітко відтворити всі погрішності сприйняття пов'язані із затримками і джитером); при джитері в 350 мс втрачається здатність розпізнавання мовлення (рис. 7).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 7 Графік залежності показника інформативності від показника джитера

У процесі моделювання та експериментальних досліджень було встановлено наступні властивості оцінок, одержуваних розробленим в другому розділі роботи методом визначення частот формант мовного сигналу за даними гребінки смугових фільтрів. Було встановлено, що в міру збільшення кількості смугових фільтрів, яким відповідає форманта мовного сигналу, точність оцінок підвищується. При збільшенні смуги частот смугових фільтрів з якогось критичного значення важливу роль у величині помилки грає положення частоти формант мовного сигналу в смузі частот в «центральному» смуговому фільтрі форманти; в міру «наближення» частоти формант до кордону смуги частот смугового фільтра точність значно підвищується. При цьому зі збільшенням смуг частот смугових фільтрів залежність точності оцінок частот формант від енергії мовних сигналів слабшає. Особливо яскраво ефект поліпшення точності оцінок частот формант при зменшенні смуг частот смугових фільтрів проявляється при збільшенні тривалості аналізованого тимчасового інтервалу.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 8 Графік залежності дисперсії оцінки частот формант від відстані між формантами

На основі розроблених методів розроблені засобами програмно-апаратного забезпечення. В якості вхідних даних в програмі використовуються аудіофайли, які містять мовний потік даних, отриманий з мережі з комутацією пакетів. Робота з програмою здійснюється в кілька етапів: визначення параметрів файлу; вибір рівня декомпозиції сигналу; формантний аналіз спектрально-часових характеристик мовних фрагментів; вейвлет-декомпозиція сигналу; відображення вейвлет-коефіцієнтів; встановлення розміру вікна аналізу; пошук втрачених ділянок сигналу; висновок результатів. Загальний вид головного вікна програми зображений на рис. 9.

Впровадження результатів дисертаційної роботи проводилось зазначеними засобами за участю спеціалістів Харківського інституту судових експертиз ім. Засл. проф. М.С. Бокріуса Міністерства юстиції України, що виконують дослідження матеріалів та засобів відео, аудіо запису за спеціальностями: 7.1."Технічне дослідження матеріалів та засобів відео-, звукозапису", 7.2. "Дослідження диктора за фізичними параметрами усної мови, акустичних сигналів та середовищ". Одними з складних етапів у завданні ототожнення дикторів є попереднє оцінювання якості мовного матеріалу (придатності для подальшого інструментального дослідження) та відсутності/наявності монтування запису. Розроблені методи адаптовано для аналізу якісних спектрально-часових характеристик мовного контенту, що пройшов мережу з пакетною комутацією. Завдяки програмному продукту спеціаліст має можливість оцінити наявність та дію кодеків стискання контенту та дію джитеру затримок, шляхом візуалізації місць цих артефактів на спектрально-часових уявлень контенту. Окрім оцінки відомих якісних характеристик як: ширини спектрів контенту та пауз; співвідношення контент/шум, розбірливості контенту в цілому, метод VqMW дозволяє як на пакетному так і контентному рівнях діагностувати місця втрат мовних пакетів та групування у часі цих втрат, дію джитера мережевої затримки в періоди мовних активностей та пауз



Рис. 9 Головне вікно програми

ВИСНОВКИ ПО РОБОТІ

В дисертаційній роботі вирішена актуальна наукова задача удосконалення методів спільного аналізу показників якості передачі фрагментів мовного трафіку на пакетному і контентному рівнях, що враховують основні особливості кодування, декодування і передачі мови в мережах з пакетною комутацією.

В результаті досліджень були отримані наступні нові наукові результати.

1. Удосконалено фонемний метод визначення спектрально-часових характеристик мовних фрагментів, переданих в мережах з пакетною комутацією. Фонемний метод визначення спектрально-часових характеристик мовних фрагментів заснований на короткочасному перетворенні Фур'є, дискретизований за часом і частотою. Наведено вирази, які використовуються для визначення нормованих відносних середніх і відносних середніх значень енергії мовного сигналу в частотних каналах, відносного часу і нормованого часу перебування сигналу на частотах смугових фільтрів, відносних медіанних значень енергії мовних сигналів у частотних каналах, відносної потужності частотних компонент мови. Також наведені вирази для оцінки ознак варіацій огинаючих спектра мови і нормованих варіацій огинаючих спектра мови, коефіцієнтів кроскореляції та інтегральних ознак основного тону.

2. Розроблено удосконалений метод визначення частот мовних формант, заснований на математичній моделі групуваних вибірок. При розробці методу враховувалося таке. Індивідуальність мовця визначається співвідношенням рівнів сигналу в спектральних смугах. Форманти служать способом реалізації зазначених смугових співвідношень і можуть бути використані як стійкі ідентифікаційні ознаки. Спектрально-часовий аналіз реалізується набором цифрових смугових фільтрів.

3. Статистична задача, що лежить в основі формування оцінок частот близьких формант за даними гребінки смугових фільтрів, відповідає завданню оцінки параметрів суміші імовірнісних розподілів по групуваній вибірці. Роботи по групуваній вибірці і оцінці параметрів суміші імовірнісних розподілів відомі. Автору невідомі роботи, пов'язані з розробкою процедур оцінки параметрів суміші імовірнісних розподілів по групованій вибірці, принаймні, в додатках, пов'язаних з мовними технологіями. Тим самим для розробки методу оцінки частот близьких формант за даними гребінки смугових фільтрів була поставлена і вирішена нова (для мовних технологій) задача оцінки параметрів суміші імовірнісних розподілів по групованій вибірці при нормальних приватних розподілах імовірностей.

4. У роботі синтезовані вирішальні правила ідентифікації особистості мовця по голосовому фрагменту за критеріями мінімуму середнього ризику, максимуму апостеріорної ймовірності та максимальної правдоподібності. Для умов досліджень введені такі характеристики розрізнення гіпотез, що перевіряються, як відстань по Кульбаку, кордон Чернова, відстань Бхатачарія і Махаланобіса.

5. У роботі розроблено метод виявлення інтервалів втрат мовних пакетів, переданих по пакетним мереж з використанням кодеків з придушенням пауз мови (VAD) і компенсацією втрат (PLC), що дозволяє визначити розташування і тривалості вказаних інтервалів.

6. Удосконалено метод VqMW спільного аналізу показників якості передачі мовного трафіку на пакетному і контентному рівнях. Розроблений метод вперше враховує спільний вплив групових втрат, угруповань втрат і джитера мережевий затримки в періоди мовних активностей і пауз, заснований на корекції показників якості шляхом аналізу мовного контенту з виявленням інтервалів активності мови при відключеній опції придушення пауз мови (VAD) і аналізі статистики заголовків стека RTP / RTCP.

7. Основними перевагами розробленого методу є облік спотворень, що виникають протягом інтервалу групових втрат (burst) мовних сегментів; моделювання втрат на основі Марківського процесу з 4-ма станами; облік факторів тимчасового розташування інтервалу групових втрат (burst) і інтервалу між груповими втратами (gap); облік параметрів стійкості до втрат для кожного типу мовних кодеків.

8. Корекція оцінки рівня ефективних втрат мовних пакетів в результаті впливу підсистем компенсації джитера за рахунок аналізу на контентному рівні дозволяє локалізувати інтервали втрат і адекватно визначити коефіцієнт погіршення якості за рахунок втрат пакетів. Підтверджено можливість використання модифікованого алгоритму VqMW в умовах виникнення групових втрат. При порівнянні з відомим методом E-model спостерігається більш точна оцінка якості за рахунок алгоритму визначення ефективного рівня групових втрат.

9. Розроблені методи аналізу показників якості передачі мовного трафіку пакетного і контентного рівнів можуть бути корисні в Україні та світі операторам телекомунікаційних послуг та експертам при досліджненні обладнання відео, звукозапису; трактів запису; мови дикторів; оточуючих запис середовищ, зафіксованих у досліджуваних матеріалах, отриманих в мережах з пакетною передачею.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Лошаков В.А. Компьютерный комплекс для анализа искажений сигналов в каналах связи / В.А. Лошаков, С.М. Бобрицкий, В.В.Сидоров // Радиотехника. 2008. № 155. С. 246-251.

2. Лошаков В.А. Корреляционный метод оценки искажений речевого потока в каналах связи / В.А. Лошаков, С.М. Бобрицкий, В.В.Сидоров // Радиотехника. 2009. № 159. С. 187-191.

3. Саваневич В.Е.Оценка показателей пофонемного спектрального анализа речевых фрагментов в IP-сетях / В.Е. Саваневич, М.Ю. Ощепков, С.М. Бобрицкий // Восточно-европейcкий журнал передовых технологий. 2010. № 3/4 (45). C. 47-52.

4. Саваневич В.Е. Определение частот формант голосового сигнала на выходе гребенки полосовых фильтров / В.Е. Саваневич, В.В. Поповский, С.М. Бобрицкий, В.Н. Ткачёв // Системи обробки інформації: зб. наук. пр. 2010. Випуск 5 (86). С. 121-124.

5. Бобрицкий С.М. Алгоритм оценки качества передачи речи с анализом характеристик эффективных потерь пакетов на основе вейвлет- преобразования. [Электронный ресурс] / С.М. Бобрицкий // Проблеми телекомунікацій. 2010. №. 4 (4). С. 95-107. Режим доступа к журн.: http://pt.journal.kh.ua/2011/2/1/112_bobrickij_voice.pdf.

6. Бобрицкий С.М. Обнаружение интервалов группировки потерь речевых пакетов в пакетных сетях с использованием кодеков с подавлением пауз речи и компенсацией потерь / С.М. Бобрицкий, А.В. Колтыков, В.Н. Ткачёв // Системи озброєння та військова техніка. 2011. № 2(26). С. 109-113.

7. Шеметова Н.А. Определение исходящего номера телефона по звуковым сигналам, зафиксированным на фоне шумов. / Н.А. Шеметова, С.М. Бобрицкий, С.В. Перченко, А.Н. Шеметов // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. Володимира Даля. 2007. Ч.1. № 5 (111). С.115-122.

8. Бобрицкий С.М. О влиянии высокочастотных электромагнитных помех на тракт магнитной записи / С.М. Бобрицкий, В.М. Матюшенко // Теория и практика судебной экспертизы и криминалистики: сборник научн.-практ. материалов. 2002. Выпуск 2. С. 94-98.

9. Бобрицкий С.М. Проявляемые признаки технических средств связи в фоноскопических исследованиях / С.М. Бобрицкий // Теория и практика судебной экспертизы и криминалистики: сборник научн.-практ. материалов. 2003. Выпуск 3. С. 81-84.

10. Бобрицкий С.М. Диагностика индивидуально-психологических особенностей личности с помощью ЭВМ / С.М. Бобрицкий, В.М., А.В.Аврята, Н.Г. Иваненко // Теория и практика судебной экспертизы и криминалистики: сборник научн.-практ. материалов. 2003. Выпуск 3. С. 135-140.

11. Шеметова Н.А. Диагностические исследования звуковых сигналов телефонной линии связи / Шеметова Н.А., С.М. Бобрицкий, А.Н. Шеметов // Теория и практика судебной экспертизы и криминалистики: сборник научн.-практ. материалов. 2004. Выпуск 4. С. 162-167.

12. Бобрицький С. М. Современные направления проведения комплексных экспертных исследований с участием специалистов в области компьютерной техники / С.М. Бобрицкий // Криминалистика и судебная экспертиза: сборник научн.-практ. материалов. 2007. Выпуск 11. С. 101-106.

13. Бобрицкий С.М. К вопросу об исследовании признаков технических средств связи при проведении фоноскопических экспертиз / С.М. Бобрицкий // Теория и практика судебной экспертизы и криминалистики: сборник научн.-практ. материалов. 2007. Выпуск 7. С. 180-184.

14. Бобрицкий С.М. Методичні аспекти дослідження телекомунікаційних систем (обладнання) та засобів / С.М. Бобрицкий // Теория и практика судебной экспертизы и криминалистики: сборник научн.-практ. материалов. 2008. Выпуск 8. С. 153-159.

15. Бобрицкий С.М. Анализ качества передачи речевых сообщений в телекоммуникационных сетях / С.М. Бобрицкий// 3-й Международный радиоэлектронный форум «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития» МРФ-2008, 22-24 октября 2008 г.: Сборник научных трудов. Том II. Международная конференция «Телекоммуникационные системы и технологии». Харьков: АНПРЭ, ХНУРЭ, 2008. C. 139-141.

16. Бобрицкий С.М. Метод оценки качества устной речи переданной в сетях с пакетной передачей / С.М. Бобрицкий, А.В. Колтыков // VIII Науково-практична конференція «Информационные технологии и безопасность в управлении»: тези доповіді. Луганськ: СНУ ім. Володимира Даля, 2011. С. 110-115.

17. Бобрицкий С.М. Выявление монтажа в пакетной передаче данных телекоммуникационных сетей / С.М. Бобрицкий // Міжнародна конференція «Криміналістика XXI століття»: збірник наукових праць. Харків: НЮА ім. Ярослава Мудрого, 2010. С. 579.

18. Бобрицкий С.М. Особливості виконання ідентифікаційних досліджень за усною мовою дикторів, що фіксувалась в мережах з пакетною передачею даних / С.М. Бобрицкий // Науково-практична конф. «Нові можливості сучасних методів досліджень в судовій експертизі»: збірник наукових праць. Луганськ: прокуратура Луганської області, 2011. С. 37.

19. Бобрицький С.М. Застосування результатів дисертаційної роботи «Методика оценки качества передачи речевого трафика в сетях с пакетной передачей» у виконанні фоноскопічних досліджень/ С.М. Бобрицкий // Науково-практична конф. «Сучасні апаратно-програмні засоби дослідження звуко-, відеозаписів у фоноскопічній експертизі»: збірник наукових праць. Київ, Державний науково-дослідний криміналістичний центр, 2011. С. 3.

20. Бобрицкий С.М. Определение параметров формант дикторов при идентификации личности по речевым фрагментам, переданным по пакетным сетям с потерями / С.М. Бобрицкий, В.Е. Саваневич, М.Ю. Ощепков, А.В. Колтиков // VI Междунар. науч-практ. конф. «Наука и социальные проблемы общества: информация и информационные технологии»: тезисі доклада. Харьков: ХНУРЭ, 2011. С. 295-296.

21. Дослідження інформації на цифрових носіях звіт по НДР (заключн.) / ХНДІСЕ; рук. С.М. Бобрицкий. Номер держреєстрації 0108U000448.; МЮ УДК 343.98. Харків, 2009. 41 с.

АНОТАЦІЯ

Бобрицький С.М. Методи аналізу показників якості передачі мовного трафіку в мережах з пакетною комутацією. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.02 - Телекомунікаційні системи і мережі. - Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2011.

Дисертаційна робота присвячена розв'язанню наукової задачі удосконалення методів спільного аналізу показників якості передачі фрагментів мовного трафіку на пакетному і контентному рівнях, що враховують основні особливості кодування, декодування і передачі мови в у мережах з пакетною комутацією.

У роботі розроблено фонемний метод визначення спектрально-часових характеристик мовних фрагментів з виключенням тимчасових інтервалів, які відповідають загубленим пакетам в мережах з пакетною комутацією. При цьому особливу увагу приділено удосконаленню метода визначення частот мовних формант, що заснований на математичній моделі групованих вибірок.

Також в роботі удосконалено метод VqMW спільного аналізу показників якості передачі мовного трафіку на пакетному і контентному рівнях, який вперше разом враховує вплив групових втрат, угруповань втрат і джитера мережевої затримки в періоди мовних активностей і пауз та розроблено метод виявлення інтервалів угруповання втрат мовних пакетів по пакетним мереж з використанням кодеків з придушенням пауз мови і компенсацією втрат, заснований на аналізі фрагментів мовного трафіку в вейвлет-базисі Мейєра.

Зазначена сукупність розроблених методів дозволяє як отримати більш адекватну оцінку показників якості передачі мовного трафіку в мережах з пакетною комутацією в умовах значної кількості групових втрат так і підвищити ймовірність правильної ідентифікації особистості за мовними фрагментами, переданими в зазначених мережах.

АННОТАЦИЯ

Бобрицкий С.М. Методы анализа показателей качества передачи речевого трафика в сетях с пакетной комутацией. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.02 - Телекоммуникационные системы и сети. - Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2010.

Диссертационная работа посвящена решению научной задачи совершенствования методов совместного анализа показателей качества передачи фрагментов речевого трафика на пакетном и контентном уровнях, учитывающих основные особенности кодирования, декодирования и передачи речи в сетях с пакетной коммутацией.

В работе разработан фонемный метод определения спектрально-временных характеристик речевых фрагментов, переданных в сетях с пакетной коммутацией, с исключением временных интервалов, соответствующих утерянным пакетам. Особое внимание уделено разработке метода определения частот речевых формант, основанного на математической модели группированных выборок, учитывающий наличие нескольких формант в речевых фрагментах и основные особенности формирования данных на выходе гребенки полосовых фильтров.

Также в работе усовершенствован метод VqMW совместного анализа показателей качества передачи речевого трафика на пакетном и контентном уровнях, впервые учитывающий совместное воздействие групповых потерь, группировок потерь и джиттера сетевой задержки в периоды речевых активностей и пауз, корректирующий показателей качества путем анализа речевого контента с обнаружением интервалов активности речи при отключенной опции подавления пауз речи (VAD) и анализе статистики заголовков стека RTP/RTCP. Кроме того в работе усовершенствован метод обнаружения интервалов группировки потерь речевых пакетов по пакетным сетям с использованием кодеков с подавлением пауз речи и компенсацией потерь, основанный на анализе фрагментов речевого трафика в вейвлет-базисе Мейера.

Разработанная в работе совокупность методов анализа показателей качества передачи речевого трафика на пакетном и контентном уровнях обеспечивает высокий уровень адекватности. Разработанный метод VqMW особенно эффективен при группировке потерь, ошибка VqMW, составляет не более 5%, по сравнению с ошибкой 10-15% при использовании NIMD метода VqMON, основанного на обработке статистики на уровне заголовков пакетов RTP/RTCP. Разработанные методы позволяют существенно повысить точность оценок спектрально-временных характеристик речевых фрагментов, в том числе достигнуть потенциальной точности оценок частот формант по фрагментам речевых сигналов передаваемых в сетях с пакетной коммутацией.

...