CC BY
12A. В. Бобрусь
кандидат технических наук
B. А. Бобрусь
кандидат технических наук, доцент
Военно-воздушная академия им. профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина, г. Воронеж
ФРАЗОВАЯ РАЗБОРЧИВОСТЬ РЕЧИ В СЕТИ WIN-T ПРИ ЗАДЕРЖКЕ ПАКЕТОВ
В УСЛОВИЯХ КОНФЛИКТА СО СРЕДСТВАМИ РЭБ
АННОТАЦИЯ. Постановка проблемы: мобильная цифровая система радиосвязи WIN—Т представляет собой новую архитектуру информационной системы, обеспечивающую реализацию современной концепции ведения боевых действий в едином информационном пространстве, что приводит к существенному изменению радиоэлектронной обстановки и требует разработки новых моделей функционирования системы связи в интересах оценки ее помехоустойчивости. Предмет исследования: функционирование выполняющих функции маршрутизации пакетов элементов мобильной цифровой системы радиосвязи WIN—Т. Цель исследования: моделирование функционирования мобильной тактической информационной радиосети в условиях конфликта с существующими и перспективными средствами РЭБ на информационно-техническом уровне описания конфликта. Методология проведения исследования базируется на применении методов теории массового обслуживания, совпадений импульсных потоков, теории вероятностей и экспериментальной зависимости словесной разборчивости от коэффициента заполнения речевого сообщения пакетами. Результаты исследования и область их применения: для оценки разборчивости прерываемой речи в каналах цифровой сети WIN-T разработана основа аналитической модели сети связи. Модель построена по блочному типу, учитывает загрузку сети, потери пакетов и обеспечивает проведение исследований влияния на разборчивость речи временных и вероятностных характеристик подвергаемой помехам сети VoIP —телефонии и характеристик средств помех. Установлено, что потери до 10 % пакетов не приводят к заметному ухудшению качества связи; потери 50 % пакетов приводят к срыву телефонной связи. Показано, что при нормальной загрузке канала полный срыв речевой связи достигается при вероятности искажения пакетов, близкой к значению 0,4. При загрузке канала, близкой к перегрузке, полный срыв связи достигается при меньшей вероятности искажения пакетов, не превышающей значения 0,2. При максимально допустимой задержке пакетов, равной 400 мс, полный срыв телефонной связи в многоинтервальном маршруте возможен при вероятности ошибочного приема пакета, большей 0,13. Выводы: предложенные соотношения для оценки разборчивости прерываемой речи, передаваемой в сети IP-телефонии, позволяют дать оценку фразовой разборчивости при различных уровнях потерь пакетов и нормах разборчивости речи в линиях сети цифровой связи.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: разборчивость речи, IP-телефония, Тактический интернет, одноранговая сеть, маршрутизация пакетов, задержки пакетов, потеря пакетов, функция прерывания.
Мобильная цифровая система радиосвязи WIN—Т, разработанная для сухопутных войск США и стран блока НАТО и получившая название «тактический интернет», представляет собой новую архитектуру информационной системы и реализацию современной концепции ведения боевых действий в едином информационном пространстве. Технической базой для этого является цифровизация связи и переход в тактическом звене к мобильным адаптивным
радиосетям, не требующим для своего функционирования головных станций управления сетью и обеспечивающих передачу данных и сообщений преимущественно на основе Интернет технологий [1, 2, 3].
Управление сетью радиосвязи возможно на основе модифицированной коммерческой технологии самоорганизации одноранговой сети и управления ее конфигурацией «ad hoc». Для повышения помехоустойчивости и увеличения
МЕАА ОБ СОММИШСЛАОМ Iss. 3 (143). 2018
площади покрытия радиотерминалы сети могут использоваться в качестве ретрансляторов. Оценка качества каналов связи и их распределение между абонентами (радиотерминалами) осуществляется встроенным в радиотерминалы специальным программным обеспечением по протоколам, функции которых могут быть описаны эталонной моделью взаимодействия открытых систем ISO/OSI. Отмеченные особенности приводят к существенному изменению радиоэлектронной обстановки и требуют разработки новых моделей функционирования системы связи в интересах оценки ее помехоустойчивости [4].
Объектом исследования, в этом случае, является конфликт мобильной цифровой системы радиосвязи «тактический интернет» со средствами РЭБ, а предметом исследования — функционирование элементов транспортного, сетевого и канального уровней, выполняющих функции маршрутизации пакетов (см. рисунок 1).
Функции всех семи уровней достаточно детально изложены в литературе. Отметим, что вопросы радиоподавления цифровых каналов на физическом уровне в систематизированном виде приведены в [5]. На канальном уровне биты группируются в кадры и реализуются операции обнаружения и коррекции ошибок. В системах связи военного назначения между канальным и сетевым уровнем может быть дополнительный подуровень COMSEC, обеспечивающий шифрование кадров кодами AES128 или AES256. Сетевой уровень образует единую транспортную систему, позволяющую передавать пакеты между несколькими локальными сетями с различными принципами передачи информации меж-
ду конечными узлами. Сети соединяются между собой специальными устройствами — маршрутизаторами. Маршрут (путь) представляет собой последовательность маршрутизаторов, через которые проходит пакет. Главной задачей сетевого уровня является маршрутизация, т. е. выбор наилучшего пути. Для этого с помощью протоколов правил передачи пакетов и обмена маршрутной информацией маршрутизаторы собирают информацию о топологии межсетевых соединений. Все протоколы реализуются операционной системой и специальным программным обеспечением маршрутизаторов. Транспортный уровень обеспечивает верхним уровням передачу данных с требуемой надежностью за счет обнаружения и исправления ошибок передачи, таких как искажение, потеря и дублирование пакетов. Протоколы транспортного уровня и других верхних уровней реализуются программными средствами конечных узлов сети.
В рассматриваемой сети WIN-T организация двустороннего голосового общения между абонентами реализована на протоколах 1Р-телефонии. Для передачи сообщений речь в оцифрованном виде кодируется, разбивается на пакеты, которые нумеруются и поступают в каналы сети связи. На принимающей стороне происходит обратная процедура — пакеты собираются в соответствии с порядковыми номерами, декодируются и преобразуются в аналоговый сигнал. В процессе передачи некоторые пакеты могут быть не доведены до получателя вследствие влияния помех и переполнения буферов сетевого оборудования, что ухудшает качество речи.
Рис. 1. Уровни взаимодействия в модели открытых систем 180/081
Основной характеристикой качества речи является ее разборчивость, под которой понимают отношение числа правильно воспринятых слушателем элементов речи (звуков, слогов, слов, фраз) к числу переданных [6]. Одним из факторов, ухудшающих разборчивость речевого сообщения, является его прерывание из-за потерь пакетов. Разборчивость нелинейным образом зависит от потерь речевых пакетов, вызванных превышением времени их пребывания в сети связи сверх допустимой задержки равной = 100...400 мс [7]. Следует отметить, что указанные значения допустимой задержки для сетей связи военного назначения являются ориентировочными и требуют экспериментального подтверждения, а вопрос влияния параметров прерывания на разборчивость речи при передаче по сетям с коммутацией пакетов исследован недостаточно полно и его решение является актуальной задачей.
Целью статьи является моделирование функционирования мобильной тактической информационной радиосети в условиях конфликта с существующими и перспективными средствами РЭБ на информационно-техническом уровне описания конфликта.
Сеть цифровой связи при передаче пакетов речевых сообщений в направлении связи между выбранными абонентами (узлами связи) можно представить в виде совокупности М кратчайших и близких к ним маршрутов, каждый из которых образуется L последовательно соединенными линиями связи. Моделью линии связи маршрута при допущении простейшего потока заявок может служить ее представление в виде СМО с памятью на п мест (пакетов) и «с ошибками», в которой с вероятностью искажения пакета Рош заявка обслуживается повторно. Приведенная интенсивность обслуживания в этом случае будет равна Д = (1 - Рош) д , а нагрузка — р = X / Д, где X — интенсивность входного потока пакетов. В такой СМО в соответствии с формулой Литтла среднее время задержки заявки определяется временем нахождения ее в очереди ¿оч, зависящим от длины очереди г , по выражению
р2 [l -(n +1 - np)
tOT=(l-Pn+2)(1 -р) .
(1)
Если время пребывания заявки в очередях будет превышать значение допустимой задерж-
ки tz = 150..400 мс [7], то это приведет к потере пакетов.
Время задержки в направлении связи, образованном из М маршрутов, можно найти как среднее значение задержек в маршрутах направления
M L
M ЕЕ^.
M m=11=1
(2)
Полученное таким образом время задержки необходимо сравнить с нормативным (допустимым) значением ^, при достижении и превышении которого возможны потери пакетов и ухудшение разборчивости речи.
Для представления сигналов, переходящих в определенный момент из одного состояния в другое, наиболее подходящей является функция Хэвисайда— кусочно-постоянная функция 9 (/), равная нулю для отрицательных значений аргумента и единице — для положительных. Эту ступенчатую функцию, доопределенную в нуле, например 9 (0) = 0,5, с учетом нормативного времени задержки пакетов ^ можно представить в виде непрерывной функции для оценки потерь пакетов
1
Р = -
1 + e
-2k (t ~tz
(3)
где в — потери пакетов (в долях единицы) вследствие их «старения в очередях»; t — среднее время задержки пакетов в сети; значение коэффициента крутизны k для обеспечения расчета функции в интервале задержек речевых пакетов от 150 до 400 мс необходимо принять равным 20. Точное значение этого коэффициента требует проведения специально организованного эксперимента.
При преобразованиях речи Up (t), речевой сигнал прерывистой речи Unp (t) будет зависеть от функции прерывания fn (t).
В частном случае, рассмотренном в [8], функция прерывания fn (t) представлена в виде периодической последовательности импульсов:
от
fn (t) = d + X Am COS ®m (t) =
m=1
2
= d + X — sin (nmd )cos wm (t),
m=1
nm
(4)
где Am — амплитуда m-й гармоники; m = 2n + 1; n = 0, 1, 2, 3 ...; <bn — частота прерывания;
МЕАА ОБ СОММИШСАТЮМ ЕдШРМЕКТТ. Iss. 3 (143). 2018
d — постоянная составляющая в виде коэффициента заполнения передачи речевого сигнала.
Спектр прерываемой речи Спр (/р), вычисленный по Хинчину-Винеру, как показано в [8], существенно зависит от коэффициента заполнения передачи d и содержит спектр комбинационных частот вокруг нечетных гармоник частоты прерывания /. Эти «паразитные» составляющие комбинационных частот в зависимости от частоты прерывания совпадают с полезным спектром речи и ухудшают ее разборчивость. Чем меньше коэффициент заполнения передачи (чем больше потери), тем «засорение» полезного сигнала спектра составляющими комбинационных частот больше при равных частотах прерывания. По результатам артикуляционных испытаний в [8] получена зависимость разборчивости слов от частоты детерминированных (равномерных) прерываний при различных коэффициентах заполнения. Полученные результаты позволяют построить усредненную по частотам прерывания в полосе 0,1...3,4 кГц зависимость словесной разборчивости W от коэффициента заполнения передачи и аппроксимировать ее выражением:
W Ы ) = (1 - е "3>7М). (5)
Здесь коэффициент заполнения передачи d связан с потерями пакетов соотношением d = 1 — р. Для повышения разборчивости речи на приемной стороне могут использоваться различные алгоритмы замещения потерянных пакетов. В [9] опытным путем получены зависимости разборчивости речи, передаваемой в сети с пакетной коммутацией при замещении потерянных пакетов различными методами, от величины потерь. Сравнение полученных в [9] зависимостей разборчивости от потерь речевых пакетов и сравнение их с оценками разборчивости прерываемой речи, полученными в [8], позволяют найти выигрыш в разборчивости AW при замещении потерянных пакетов повторением предыдущего в виде:
потерь пакетов, является вероятность правильного приема фразы J
AW (р) = 13р2'5е "11р.
(6)
Следовательно, зависимость разборчивости слов Wот коэффициента потерь в будет иметь вид
AW (р) = (1 _ е-3,72(1-в)) + 13р2'5е-11р. (7)
Фонетической характеристикой речи, необходимой для оценки ее качества в условиях
J (в) = -
1
1 + h
(
IW (р)
-1
V
(8)
где g—число слов в фразе, по результатам артикуляционных испытаний g равно 5; h — относительное число комбинаций из g слов, для пятис-ловных фраз h = 0,1 [6].
Для принятия решения о влиянии потерь пакетов на качество телефонной связи К (I) необходимо сравнение фразовой разборчивости с нормами разборчивости, определенными в [5] опытным путем:
К (I) =
Недопустимое качество при I(р)< 90%; Слабое качество при 90% < I(р)< 95%; (9)
Удовлетворительное качество при 95% < I(р) < 97%; Хорошее качество при 97% < I(р)< 99%;
Отличное качество при 99% < I(р).
Таким образом, при значениях фразовой разборчивости менее 90 % возможен срыв связи по каналам 1Р-телефонии. Некоторые результаты расчетов, проведенные в среде Mathcad с использованием приведенных соотношений, представлены ниже. Зависимость словесной разборчивости W (в) от потерь р пакетов приведена на рисунке 2, а фразовой (смысловой) разборчивости I на рисунке 3.
Анализ полученных зависимостей позволяет сделать следующие выводы: потери до 10 % пакетов не приводят к заметному ухудшению качества связи; потери 50 % пакетов приводят к срыву телефонной связи. Результаты оценок разборчивости при различных нагрузках и вероятностях искажений пакетов в линиях связи маршрута приведены на рисунке 4.
Из проведенных исследований следует, что при нормальной загрузке канала пакетами (р = = 0,5) полный срыв речевой связи достигается при вероятности искажения пакетов, близкой к значению 0,4. При значениях загрузки канала, близкой к перегрузке (р = 0,7), полный срыв связи достигается при меньшей вероятности искажения пакетов, не превышающей значения 0,2. При допустимой задержке пакетов, равной 400 мс, полный срыв телефонной связи в многоинтервальном маршруте возможен при вероятности ошибочного приема пакета, большей 0,13.
V* (к )
2.1712211
0.9999935 0.9000159 0,8000382 0.7000606 0.6000829 0.5001053 0.4001277
0.30015 0.2001724 0.1001*548 х 10
- 4
0.4 0.6 Р
Рис. 2. Зависимость словесной разборчивости от потерь пакетов
Рис. 3. Зависимость фразовой разборчивости от вероятности искажения пакетов
Для оценки погрешности разработанной модели и исследования влияния на разборчивость речи параметров (периода и скважности) прерывания при различных законах их распределения необходимо проведение артикуляционного эксперимента по измерению разборчивости прерываемой речи.
Таким образом, предложенные соотношения для оценки разборчивости прерываемой речи,
Рис. 4. Зависимость фразовой разборчивости от вероятности искажения пакетов в маршруте при разных нагрузках
передаваемой в сети 1Р-телефонии, позволяют дать оценку фразовой разборчивости при различных уровнях потерь пакетов и нормах разборчивости речи в линиях сети цифровой связи. Для оценки погрешности модели представляется целесообразным проведение эксперимента в форме артикуляционных испытаний для определения оптимальных параметров функции прерывания.
ЛИТЕРАТУРА
1. Панов А. Организация управления и связи в боевых бригадах сухопутных войск США // Зарубежное военное обозрение, 2011. № 6. С. 33-43.
2. Панов А. Организация управления и связи в боевых бригадах сухопутных войск США // Зарубежное военное обозрение, 2011. № 7. С. 31-35.
3. Плавунов С., Носиков С. Системы и средства связи тактического звена управления сухопутных войск США // Зарубежное военное обозрение, 2012. № 4. С. 42-47.
4. Бобрусь В. А., Бобрусь А. В. Подход к моделированию функционирования Тактического интернета в условиях воздействия средств РЭБ. Вестник ВАИУ № 2 (18), 2013. с.
5. Владимиров В. И., Владимиров И. В., Наметкин В. В. Избранные вопросы радиоэлектронного подавления цифровых каналов систем радиосвязи. Монография. — Воронеж: ВАИУ, 2010. — 119 с.
6. Покровский Н. Б. Расчет и измерение разборчивости речи. «Связьиздат», 1962. 390 с.
7. Яновский Г. Г. Качество обслуживания в сетях 1Р. «Вестник связи», № 1, 2008. С. 65-74.
8. Лаврентьева Е. В. Спектр и разборчивость прерываемой речи. «Радиотехника», № 8, 2004. С. 23-25.
9. Шалимов И. А., Костенко А. Н. Методы повышения качества речи в сетях пакетной коммутации // специальная техника: № 5. — М. 2009, С. 47-53.
