基于E扩展模型的Ad Hoc网络语音通信QoS性能评价

邱丙益，刘伯栋，张家伟，宋玉凤

(中国洛阳电子装备试验中心，河南 洛阳 471000)

0 引言

无论传统的有线网络、无线蜂窝移动网络，还是现今流行的无线Ad Hoc网络，语音通信仍发挥着重要作用。随着网络通信技术的飞速发展，语音通信技术也在不断地更新并与之融合，特别是基于各类Ad Hoc网络的自组网语音通信，如通用动力公司和泰利斯公司研制的AN/PRC-154电台[1]、中云沃达ZY-CW140自组网通信设备[2]和华讯方舟多维自组网系统[3]等。但由于Ad Hoc网络自身的特点，无线自组织网络在通信质量保证方面存在着网络带宽受限、自组织拓扑变化快和实时性业务支持较差等缺点，也使得其实现可靠语音技术并保证语音质量面临着很多问题。而要保证语音质量首先要找到一种评价Ad Hoc网络语音通信质量的方法。本文结合传统语音质量评价标准ITU-T P.800[4-5]，提供了一种基于E扩展模型的Ad Hoc网语音Qos评价方法，并以某型Ad Hoc电台为测试对象，进行了参数测量及计算方法探讨。

1 E扩展模型描述

E模型是ITU-T定义的G.107标准中语音质量评价量化模型[6]，其中的R因子方法可以将网络中对语音质量造成影响的因素进行量化，并最终将R因子映射为主观平均评分(MOS)值[7-8]。E扩展模型是在该模型基础上结合IETF工作组制定的网络性能Qos评价因素[9-10]，提出的一种Ad Hoc网语音质量评价方法，该评价模型基本框图如图1所示[11]。

图1 语音质量评价E扩展模型

如图1所示，E扩展模型的实现机制可以写为：

R=R0-Is-Id-Ie-Ij+A，

(1)

式中，R0为信噪比，与信号功率和背景底噪相关，其计算公式为R0=S/N=(P-L衰减)/N，L衰减为自由空间衰减；Is为所有语音质量物理因素损耗的整合；Id为由于时延带来的语音损伤；Ie为丢包产生的语音质量损耗；Ij为时延抖动产生的语音质量损耗；A为修正因子(无线通信情况下A=10)。

2 Ad Hoc网语音通信QoS性能评价方法

考虑到IETF工作组对Ad Hoc网络QoS性能参数的定义[12]，式(1)可以简化为：

R=R0-Id-Ie-Ij+10，

(2)

而R和MOS之间的关系，根据ITU-T.107的定义，其映射关系可表示为[3]：

(3)

通过式(3)即可将链路信噪比和时延、时延抖动和丢包率等IETF工作组确立的Ad Hoc网QoS性能参数转换为传统的MOS分，实现对语音质量的评价。

2.1 评价因子与网络性能参数的关系

Id与时延Ti的关系式为[13]：

Id= 0.024Ti+0.11×(Ti-177.3)×H(Ti-177.3)，

(4)

Ie是设备损耗因素、由于非线性编码以及丢包产生的语音质量损耗因子。根据文献[14]，Ie可以表述为：

Ie=Ie-p+C1×ln(1+C2×loss_rate)，

(5)

按照标准语音压缩编码算法G.729A协议规定[14]，这里Ie-p=1，C1=47.82，C2=0.8。

2.2 单向语音质量MOS分计算

单个语音包的时延为该包收发时间之差，对于N个语音包的平均时延的计算为：

(6)

式中，ti-r表示第i个包在源节点的发送时刻；ti-s表示第i个包在目的点的接收时刻。N表示连续统计的包个数。

时延抖动的计算方法为：

(7)

式中，Ti表示第i个包的时延，并设定T0=0。

丢包率的计算公式为：

loss_rate=1-Nr/Ns，

(8)

式中，Nr为在观测时间区间内收到的数据包个数；Ns为该时间段内发送的数据包个数。根据计算除了的时延、抖动和丢包率因素，代入式(2)进行计算，即可得出单向传输R因子值，再根据式(3)计算出平均主观评分MOS值。

3 自组网电台语音通信QoS参数测量与计算

结合上述评价模型，采用自组网电台进行场景布置，6个Ad Hoc节点单链组网，相邻节点的距离基本相等，且保证话音通信是一个节点挨着一个节点通过中继跳实现。

通过JERPERF软件对网络QoS参数进行测量，如图2所示。

图2 网络Qos参数测量

获得的结果如表1所示。

表1 网络QoS参数测量结果

表1中，电台发射功率为2 W，底噪为-110 dBm，典型单跳最大通信距离为800 m，通信频率225～470 MHz(取中间值275 MHz)，因此R0典型值取65 dB。计算结果如表2所示。

表2 不同跳数情况下语音质量评价结果

从表2可以看出，在多跳组网情况单跳最大通信距离下的话音质量都能保持较好的通信效果，经过多跳以后自组网电台仍然保持了良好的语音通信效果，评估结果与实际测试结果保持了一致，从而保证了多跳话音的可靠传输。其中，在测试过程中，发送速率的选取比较重要，随着跳数的增加发送速率必须成倍递减，否则测试会出现传输中断现象，导致收集的数据出现较大时延和时延抖动，造成最终结果出现奇异值。

4 结束语

无线Ad Hoc网络不需要固定设备支持，各节点即用户终端自行组网，通信时由其他用户节点进行数据的转发，这种网络形式突破了传统无线蜂窝网络的地理局限性，能够更加快速、便捷、高效地部署，适合于一些紧急场合的通信需要，如战场的单兵通信系统、自然灾害应急通信等[15-16]，使其在未来的应用前景会越来越广泛，因而对其网络通信性能的评估也会越来越受重视。

测试结果说明，针对无线Ad Hoc网络，提出的评价方法具有一定的实际应用价值，而除了网络语音效果评估应用方面，在网络内部链路评估、辅助路由计算和链路接入控制等方面，也有一定参考价值。