ýESKÉ VYSOKÉ UýENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická
BAKALÁěSKÁ PRÁCE
2007
OldĜich Slavata
ýESKÉ VYSOKÉ UýENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická Katedra mČĜení
MČĜení kvality pĜenosu hlasu pro sítČ typu VoIP
Vedoucí práce Doc. Ing. Jan HOLUB Ph.D.
Autor OldĜich Slavata
Praha 2007
Prohlášení Prohlašuji, že jsem svou bakaláĜskou práci vypracoval samostatnČ a použil jsem pouze podklady (literaturu, projekty, SW atd.) uvedené v pĜiloženém seznamu. Nemám závažný dĤvod proti užití tohoto školního díla ve smyslu § 60 Zákona þ.121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o zmČnČ nČkterých zákonĤ (autorský zákon).
V Praze dne ………………………. ……………………………………. podpis
---VLOŽIT ZADÁNÍ BAKALÁěSKÉ PRÁCE--(originál nebo kopie)
Anotace BakaláĜská práce se zabývá testováním dostupných programĤ pro IP telefonii s ohledem na možnosti vnitĜního nastavení parametrĤ pĜenosu a vliv tČchto zmČn na kvalitu pĜenosu hlasu. MČĜítkem kvality pĜenosu je parametr MOS zjištČný algoritmem ITU-T P.563 pomocí programu Mosquito. Testované programy jsou: OpenPhone, Linphone, SJphone, AGE Phone a Tivi.
Annotation This Bachelor Project deals with testing of several programs available for IP telephony. Tests have been focused to available settings of transmission parameters and effect of these settings to a voice transmission quality. Criterion of transmission quality is a parametr MOS investigated with an algorithm ITU-T P.563 in program Mosquito. The following programs have been tested: OpenPhone, Linphone, SJphone, AGE Phone and Tivi.
ýVUT /FEL
Katedra MČĜení
Obsah 1. Zkratky
2
2. Úvodní rozbor
3
2.1 Standard P.563 (3SQM)
3
2.2 Protokoly pro pĜenos hlasu v IP síti
4
2.2.1 H.323
4
2.2.2 SIP
5
3. Popis Ĝešení
6
3.1 MČĜící soustava
6
3.2 Program Mosquito
8
3.3 Testované programy
9
3.3.1 OpenPhone
9
3.3.2 Linphone
12
3.3.3 SJphone
14
3.3.4 AGE Phone
16
3.3.5 Tivi
18
4. ZávČr
19
5. Reference
20
6. PĜílohy
21
1
ýVUT /FEL
Katedra MČĜení
1 Zkratky V textu jsou použity následující zkratky a anglické termíny
IETF
Internet Engineering Task Force
ITU – T
International Telecommunications Union – Telecommunications Standartization Sector
MOS
Mean Opinion Score
PCM
pulse-code modulation
SNR
Signal to Noise Ratio (odstup signál - šum)
TCP
Transfer Communication Protocol
VoIP
Voice over Internet Protocol (pĜenos hlasu v síti s protokolem IP)
account
uživatelský úþet
jitter buffer
vyrovnávací pamČĢ
mute length
délka ztlumení zvuku
Speech Interruptions
pĜerušení Ĝeþi
2
ýVUT /FEL
Katedra MČĜení
2 Úvodní rozbor 2.1 Standard P.563 (3SQM) ITU-T norma P.563 je metoda pro jednostranné mČĜení kvality pĜenosu hlasu. Je použitelná pro odhad kvality pĜenosu v aplikacích, kde není k dispozici referenþní signál. Jako je monitorování sítČ nebo telefonní hovory na dlouhou vzdálenost s neznámým zdrojem hlasu.
Po pĜedzpracování je signál analyzován nČkolika oddČlenými testy, které detekují sadu charakteristických parametrĤ. P.563 má tĜi hlavní skupiny parametrĤ, rozdČlené do nezávislých blokĤ (obr. 1): •
Analýza polohy hlasu a nepĜirozená Ĝeþ Mužský hlas Ženský hlas Silná „robotizace“
•
Analýza šumu Nízký statický SNR Nízký segmentový SNR (šum související s obálkou signálu)
•
PĜerušení, ztlumení, þasové oĜíznutí
3
ýVUT /FEL
Katedra MČĜení
Obr. 1 þásti P.563 a jejich propojení do blokĤ
Výstupem mČĜení je parametr MOS - odhad kvality a srozumitelnosti Ĝeþi pro posluchaþe. Hodnota MOS se mĤže pohybovat mezi 1 (nejhorší) a 5 (nejlepší). Tabulka tab.1 ukazuje interpretaci hodnoty MOS pĜi hodnocení kvality pĜenosu.
MOS
Kvalita pĜenosu
4,4 – 4,0 žádoucí 4,0 – 3,6 akceptovatelná 3,6 – 2,6 dosažitelná 2,6 - 1
nedoporuþená
Tab. 1 význam hodnoty parametru MOS
2.2 Protokoly pro pĜenos hlasu v IP síti V souþasné dobČ se pro pĜenos hlasu v IP sítích nejþastČji používají dva protokoly. Starší standard H.323 od ITU-T a novČjší SIP vytvoĜený v IETF.
2.2.1 H.323 Protokol H.323 je komplexní protokol, který pokrývá všechny služby potĜebné pro pĜenos hlasu v IP síti. Pro pĜenos informací využívá služeb protokolu TCP, 4
ýVUT /FEL
Katedra MČĜení
což zajišĢuje velkou spolehlivost pĜenosu, ale na druhou stranu mĤže zpĤsobit velké zpoždČní reakcí. Protokol definuje v síti nČkolik center, na jejichž funkþnosti závisí funkþnost celého systému. To s sebou nese riziko selhání celku z dĤvodu poruchy jedné þásti. Logická struktura sítČ pro pĜenos hlasu pomocí H.323 je definována pomocí nČkolika pojmĤ: •
Entita – každá komponenta H.323.
•
Endpoint – koncový bod, jakýkoliv koncový terminál, brána nebo podobná entita.
•
Gateway – brána, rozhraní sítČ H.323 s jinými sítČmi
•
Gatekeeper – zajišĢuje a Ĝídí spojení pro všechny koncové body sítČ.
•
Multipoint Controler – Ĝídí v reálném þase konferenci více uživatelĤ.
2.2.2 SIP Na rozdíl od H.323 se standard SIP skládá z celé Ĝady protokolĤ realizujících pouze konkrétní þást služeb potĜebných pro pĜenos hlasu. To umožĖuje v pĜípadČ potĜeby snadnou úpravu celého systému. Cílem tvĤrcĤ protokolu byla decentralizace Ĝízení, protokol nedefinuje žádné uzlové body sítČ a komunikace probíhá výluþnČ mezi koncovými body. Tento pĜístup podstatnČ zvyšuje odolnost systému proti výpadkĤm. Doporuþení IETF pro protokol SIP definuje þtyĜi základní prvky sítČ: •
User Agent – uživatelská aplikace umožĖující obousmČrnou komunikaci
•
SIP Proxi Server – provádí funkce jako: hledání úþastníka, smČrování hovoru, zprostĜedkování komunikace s jinou sítí.
•
SIP Redirect Server – smČruje volání jiným serverĤm v síti.
•
SIP Registra – slouží k registraci koncových uživatelĤ.
Standard H.323 je v souþasnosti již na ústupu. Vývoj v oblasti poþítaþových sítí smČĜuje k maximální decentralizaci Ĝízení, a proto se postupnČ pĜechází na modernČjší a jednodušší protokol SIP.
5
ýVUT /FEL
Katedra MČĜení
3 Popis Ĝešení ěešení této práce se dá rozdČlit na tĜi oddČlené okruhy. 1. Vytipování
programĤ
–
Pomocí
internetových
vyhledávaþĤ
a
specializovaných stránek bylo tĜeba najít vhodné programy, otestovat jejich funkþnost a zpĤsob ovládání. Vzhledem ke zvolenému zpĤsobu testování bylo nutné, aby programy fungovaly v uzavĜené síti bez pĜístupu k internetu, to vyĜadilo z testĤ nČkteré rozšíĜené programy jako napĜíklad Skype. Další þasté dĤvody vyĜazení programu z testu byly: zpoplatnČní samotného programu nebo volání, požadavek na registraci nebo vytvoĜení SIP account (nutný pĜístup do internetu), složité ovládání programu – nepodaĜilo se zjistit zpĤsob vytáþení hovoru. Do testu bylo nakonec zaĜazeno pČt programĤ z cca osmdesáti nalezených.
2. Získání vzorkĤ hlasu – S pomocí níže popsané mČĜící soustavy (obr. 2) byly promČĜeny všechny programy v rĤzných kombinacích nastavení.
3. Testování jednotlivých vzorkĤ – Nejprve bylo nutno všechny vzorky pomocí programu Adobe Audition 2.0 (obr. 4) upravit podle standardu P.563 (16bit, 8kSa/s, délka < 13s, >3,6s aktivní Ĝeþi). Poté všechny vzorky otestovat algoritmem P.563 pomocí níže popsaného programu Mosquito.
3.1 MČĜící soustava Zdrojem zvuku byl CD pĜehrávaþ. Z nČj byl zvuk veden do audio vstupu (mikrofon) PC 1 a do levého kanálu externí zvukové karty ( Sound Blaster Creative Labs Model No. SB0490, 24 bit ) jako referenþní signál pro pĜípadné testování pomocí algoritmĤ série P.8xx. PĜes kĜížený síĢový kabel byl pomocí testovaného programu uskuteþnČn telefonní hovor na PC 2. Z audio výstupu (sluchátka) PC 2 byl signál veden do pravého kanálu zvukové karty. V PC 3 se vzorky ukládaly v programu Creative Smart Recorder (obr. 3).
6
ýVUT /FEL
Katedra MČĜení
kĜížený UTP kabel
PC 1
PC 2
IN
OUT
L
EXT. AUDIO
R
CD
USB
PC 3
Obr. 2 schéma mČĜicí soustavy
Obr. 3 Creative Smart Recorder
7
ýVUT /FEL
Katedra MČĜení
Obr. 4 Adobe Audition 2.0
3.2 Program Mosquito Mosquito je implementací standardu P.563 pro PC. Poskytuje pĜehledné uživatelské rozhraní pro usnadnČní testování algoritmem P.563. UmožĖuje testovat jednotlivé soubory nebo celé složky. Výsledky ukládá do textových souborĤ. Program vytvoĜil ing. Ivan Vondrka v rámci své diplomové práce na katedĜe mČĜení FEL v roce 2005.
8
ýVUT /FEL
Katedra MČĜení
Obr. 5 Program Mosquito
3.3 Testované programy 3.3.1 OpenPhone OpenPhone je GUI klient projektu OpenH323. Uživatelské rozhraní je velmi jednoduché s možností mČnit velikost a font písma. Ovládání je intuitivní, vytáþí se pĜímo ip adresa cílového poþítaþe. Z testovaných programĤ nabízí nejširší možnosti nastavení parametrĤ pĜenosu. protokol: H.323 domovská stránka: www.openh323.org možnosti nastavení: jitter buffer , kodeky: G.726, G.729, G.711, GSM-06.10, LCP-10 dostupnost: freeware velikost: 2809 kB
9
ýVUT /FEL
Katedra MČĜení
Obr. 6 Program OpenPhone
Obr. 7 Nastavení programu OpenPhone
10
ýVUT /FEL þ. Codek
Katedra MČĜení Nastavení
jiter buffer MOS Speech Interruptions Mute length
01 MS - GSM
10ms
2,68
3,27
112
02 MS - GSM
50ms
2,98
0
47
03 MS - GSM
100ms
3,12
0
0
04 G.726-32K
10ms
1,31
3,36
250
05 G.726-32K
50ms
1,37
3,15
250
06 G.726-32K
100ms
1,38
2,75
250
07 G.729A
50ms
1,37
3,62
250
08 G.729A
50ms
1,58
3,99
250
09 G.711-Ulaw-64K 30 Frames
50ms
4,08
0,28
24
10 G.711-Ulaw-64K 50 Frames
50ms
3,56
0,45
169
11 G.711-Ulaw-64K 100 Frames 50ms
3,36
1,82
250
12 G.711-Alaw-64K 30 Frames
50ms
3,7
0,27
188
13 G.711-Alaw-64K 50 Frames
50ms
3,48
0
250
14 G.711-Alaw-64K 100 Frames 50ms
4,09
0
48
15 GSM-06.10
4 Frames
50ms
2,52
0,18
187
16 GSM-06.10
7 Frames
50ms
3,04
0
11
17 LCP-10
4 Frames
10ms
3,3
0
178
18 LCP-10
4 Frames
50ms
3,08
0
250
19 LCP-10
4 Frames
100ms
3,17
0,2
250
20 LCP-10
8 Frames
50ms
3,67
0
16
21 LCP-10
16 Frames
50ms
3,48
0,42
166
Tab. 2 výsledky programu Open Phone
Nejlepších výsledkĤ bylo dosaženo s použitím kodeku G.711. RovnČž lze Ĝíci, že vČtší jitter buffer vČtšinou zvyšuje kvalitu pĜenosu. Vliv nastavení rámcĤ (Frames) je diskutabilní, a zĜejmČ závisí na použitém kodeku.
11
ýVUT /FEL
Katedra MČĜení
3.3.2 Linphone Linphone
je
softwarový
telefon
stejnojmenné
francouzské
spoleþnosti.
Uživatelské rozhraní je jednoduché bez možnosti zmČny vzhledu. Ovládání je jednoduché a intuitivní. Program podporuje i videohovory. Parametry pĜenosu zle mČnit nastavením kodeku. protokol: SIP domovská stránka: www.linphone.org možnosti nastavení: kodeky: SPEEX, PCMU, GSM, PCMA dostupnost: freeware velikost: 6357 Kb
Obr. 8 program Linphone
12
ýVUT /FEL
Katedra MČĜení
Obr. 9 nastavení programu Linphone
þ. Codek
MOS Speech Interruptions Mute length
01 SPEEX 16000
3,48
0
0
02 SPEEX 8000
3,33
0,36
4
03 PCMU
4,01
0
4
04 GSM
2,97
0,16
2
3,9
0,13
14
05 PCMA
Tab. 3 výsledky programu Linphone
Nejlepších výsledkĤ dosáhl kodek PCMU (jiný název pro G.711). PomČrnČ dobrý je rovnČž kodek SPEEX vyvinutý speciálnČ pro aplikace VoIP jako open source.
13
ýVUT /FEL
Katedra MČĜení
3.3.3. SJphone SJ phone je softwarový telefon americko-ruské spoleþnosti SJ Labs. Uživatelské rozhraní je propracované a umožĖuje i mČnit skin. Program nabízí široké možnosti uživatelského nastavení, ale parametry pĜenosu nastavit nelze. Jako jediný z testovaných programĤ podporuje oba protokoly a umožĖuje zvolit, který bude použit pro volání. protokol: H.323, SIP domovská stránka: www.sjlabs.com možnosti nastavení: volba protokolu H.323 nebo SIP dostupnost: freeware velikost: 3798 kB
Obr. 10 Program SJphone – možnosti vzhledu
14
ýVUT /FEL
Katedra MČĜení
Obr. 11 nastavení programu SJphone
þ. protokol
MOS Speech Interruptions Mute length
01 SIP
3,21
0
17
02 H.323
2,96
0,37
34
Tab. 4 výsledky programu SJphone
Protokol SIP umožĖuje kvalitnČjší pĜenos, ale výsledek není pĜíliš dobrý ani u jednoho.
15
ýVUT /FEL
Katedra MČĜení
3.3.4. AGE phone AGE Phone je softwarový telefon japonské spoleþnosti Ageet, pĤvodnČ urþený pro PDA. Uživatelské rozhraní je pokroþilé a propracované, podporuje skiny. Program obsahuje nČkteré pokroþilé uživatelské funkce, napĜ. import kontaktĤ z Outlooku. Ovládání není úplnČ jednoduché, pro navázání spojení je tĜeba vytáþet ip adresu + þíslo portu, napĜ. 10.0.0.14:36400. protokol: SIP domovská stránka: www.ageet.com možnosti nastavení: jitter buffer dostupnost: free tryal, 40$ velikost: 3631 kB
Obr. 12 Program AGE phone
16
ýVUT /FEL
Katedra MČĜení
Obr. 13 nastavení programu AGE phone
þ. jitter buffer
MOS Speech Interruptions Mute length
01 MIN
2,41
0
0
02 +1
2,54
0
0
03 +2
2,26
0
0
04 +3
2,67
0
0
05 +4
2,62
0
0
06 +5
2,72
0
0
07 +6
2,76
0
0
08 MAX
2,81
0
0
Tab. 5 výsledky programu AGE phone
OpČt platí, že vČtší jitter buffer znamená lepší kvalitu pĜenosu, ale i tak jsou výsledky programu velmi špatné. Zajímavé jsou nulové hodnoty pĜerušení a utlumení dané zĜejmČ použitým kodekem a zpĤsobem rekonstrukce signálu.
17
ýVUT /FEL
Katedra MČĜení
3.3.5. Tivi Tivi je velmi jednoduchý softwarový telefon lotyšského výrobce. Uživatelské rozhraní je jednoduché bez možnosti nastavení. Ovládání je intuitivní, vytáþí se pĜímo ip adresa. Parametry pĜenosu nelze nijak nastavit. Program nepotĜebuje instalaci, staþí spustit exe soubor. protokol: SIP domovská stránka: www.tivi.com možnosti nastavení: dostupnost: freeware velikost: 348 kB
Obr. 14 program Tivi
þ. MOS Speech Interruptions Mute length 01
2,84
0
0
Tab. 6 výsledek programu Tivi
18
ýVUT /FEL
Katedra MČĜení
4 ZávČr Nejlepší kvality pĜenosu dosáhly programy OpenPhone (MOS = 4,09) a Linphone (MOS = 4,01). Jediné tyto dva dosáhly kvality oznaþené jako žádoucí (MOS > 4) . Naopak výsledky ostatních (SJphone – 3,21, AGE phone – 2,81, Tivi -
2,84) jsou pomČrnČ špatné a nedosahují ani úrovnČ oznaþené jako
akceptovatelná (MOS > 3,6).
Z namČĜených hodnot vyplývá, že nejvČtší vliv na kvalitu pĜenosu má použitý kodek. JednoznaþnČ nejlepší je kodek ITU-T G.711 nČkdy oznaþovaný jako PCM. PČt nejlepších výsledkĤ bylo dosaženo tímto kodekem. Akceptovatelné kvality pĜenosu dosahují ještČ kodeky SPEEX (Linphone) a LCP-10 (OpenPhone).
Další parametr, který ovlivĖuje kvalitu pĜenosu, je Jitter buffer. VČtšinou platí, že vyšší hodnota jitter buffer znamená lepší kvalitu pĜenosu.
Naopak žádný vliv na kvalitu pĜenosu nemá použitý protokol. Nejlepší kvalitu sice zaznamenal OpenPhone (H.323), ale výsledek Linphone (SIP) je srovnatelný. U programu SJphone, který umožĖuje nastavit používaný protokol, naopak dosáhl lepšího výsledku SIP.
19
ýVUT /FEL
Katedra MČĜení
5 Reference [1]
ITU-T P.563: Single-ended Metod for objektive speech quality assessment in narrow-band telephony applications,May 2004
[2]
Vondrka, I.: Implementation of the P.563 (3SQM) standard in PC’s using Lab/Windows CVI, Diploma Thesis, CTU FEE, May 2005
[3]
Bazala, D.: Telekomunikace a VoIP telefonie. BEN – technická literatura, 2006, ISBN 80-7300-201-9
[4]
Saidl, M.: Telefonie v prostĜedí sítí TCP/IP, odborná doktorská studie, CVUT FEL, Únor 2002
[5]
http://en.wikipedia.org/wiki/
[6]
http://www.voip-info.org
[7]
http://www.ten.cz/iptelefonie/
[8]
http://www.itu.ch
20
ýVUT /FEL
Katedra MČĜení
6 PĜílohy PĜílohou práce je CD-ROM, který obsahuje archiv namČĜených vzorkĤ.
21
