ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG THOẠI TRONG MẠNG VoIP BẰNG MÔ HÌNH E

ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG THOẠI TRONG MẠNG VoIP BẰNG
MÔ HÌNH E
4.1 Giới thiệu mô hình E
Mô hình E là một mô hình đánh giá chất lượng truyền dẫn cho điện thoại cầm tay
băng tần hẹp (300Hz đến 3400Hz). Mô hình được hình thành và phát triển từ những năm
1993-1996 bởi một nhóm nghiên cứu của tổ chức ETSI khi nghiên cứu về "chất lượng
truyền thông thoại từ miệng đến tai qua mạng đối với máy điện thoại cầm tay, băng tần
3,1kHz". Mô hình E được đưa ra lần đầu tiên trong báo cáo ETR 250 [1] của ETSI vào
năm 1996. Nhóm Study Group 12 (SG12) của ITU-T đã nghiên cứu và mở rộng mô hình,
đến tháng 12/1998 ITU-T phê chuẩn mô hình E thành khuyến nghị G.107 mang tên: mô
hình E, một mô hình tính toán sử dụng trong việc lập kế hoạch truyền dẫn.
Trước khi xuất hiện mô hình E đã có 4 mô hình tính toán khác nhau để dự đoán chất
lượng truyền dẫn từ các phép đo khách quan. Các mô hình đó là [4]:
• Mô hình "Transmission Rating " xuất phát từ Mỹ và Canada
• Mô hình "CATNAP83" của Bristish Telecom
• Mô hình "Information Index" của Pháp
• Mô hình "OPINE" của nhóm NTT, Nhật Bản
Bốn mô hình này đã được tổng hợp thành cơ chế :"Transmission Quality Index" .
Các mô hình đều mang tính đơn giản hoá và chỉ có một số tham số giới hạn. Trong đó, suy
hao và nhiễu là những yếu tố quan trọng, ngoài ra không chú ý tới ảnh hưởng của bộ mã
hoá tốc độ thấp. Do ra đời trước khi xuất hiện thị trường viễn thông không theo quy tắc cũ,
khi mà các nhà quản trị viễn thông có thể điều khiển mạng của họ trong từng chi tiết mang
tính kĩ thuật lớn, nên các mô hình này không phù hợp với các mạng hiện đại. Mô hình E
được phát triển hoàn thiện hơn. Cũng sử dụng những thuật toán và khái niệm trong các mô
hình trước, song mô hình E quan tâm nhiều tới trễ, tiếng vọng, quá trình xử lý tín hiệu số
thay vì suy hao và nhiễu như các mô hình trước đây, do đó rất phù hợp với mạng viễn
thông hiện đại.
Mô hình E đánh giá chất lượng truyền dẫn thoại theo tham số truyền dẫn đầu ra R.
Tham số R được tính toán dựa vào tất cả các yếu tố gây suy hao trên đường truyền. Từ giá
trị R có thể dự đoán mức độ hài lòng của người sử dụng dịch vụ trong mạng hoặc chuyển
đổi sang một số giá trị tương đương khác đã được sử dụng trước đó như MOS, GoB, POW.

Với thuật toán tính toán dựa trên các suy hao trên toàn bộ kết nối, mô hình E đã
đánh giá được một cách toàn diện hiệu năng của mạng, tổng hợp tất cả các yếu tố có thể
ảnh hưởng đến chất lượng thoại mà không chỉ chú ý tới một tham số riêng lẻ nào. Do đó
mô hình E đặc biệt thích hợp cho công việc lập kế hoạch truyền dẫn. Công việc này được
tiến hành bởi các nhà thiết kế mạng để lập ra một mô hình mạng mới hoặc nâng cấp các
mạng cũ. Khi đó mô hình E được sử dụng để dự đoán mức độ hài lòng của người dùng đối
với các dịch vụ do mạng cung cấp trước khi triển khai dịch vụ đó trên thị trường. Từ đó có
thể điều chỉnh thiết bị để cho chất lượng truyền dẫn tốt nhất.
Cùng với sự ra đời của mô hình E trong khuyến nghị ITU-T G.107 là một loạt các
khuyến nghị khác có liên quan như G.108: hướng dẫn về mô hình E và việc lập kế hoạch
mạng, G.109: Định nghĩa chất lượng truyền dẫn thoại, G.113: Chi tiết về các tham số
truyền dẫn… Việc sử dụng mô hình E là cần thiết để thiết kế lập kế hoạch mạng. Các
phương pháp đánh giá chất lượng truyền dẫn thoại truyền thống như phương pháp đánh giá
chủ quan theo MOS không xét đến ảnh hưởng của các yếu tố gây suy hao chính trong
mạng như trễ, tổn hao gói… Mô hình E được đánh giá là một công cụ phù hợp nhất trong
việc tính toán tham số truyền dẫn để đánh giá chất lượng truyền dẫn thoại.
Mô hình E ngày càng được sử dụng rộng rãi hơn trên thế giới, đồng thời việc
nghiên cứu và phát triển mô hình vẫn đang được tiến hành. Các phiên bản mới của nó đã
được đưa ra để khắc phục một số nhược điểm như phiên bản vào tháng 5/2000, phiên bản
mới nhất vào năm 2001. Hiện nay, mô hình E vẫn đang được nghiên cứu sâu hơn để có thể
áp dụng phổ biến trong mạng.
4.2 Cấu trúc và thuật toán mô hình E
Nguyên tắc cơ bản của mô hình E dựa trên một cấu hình tham khảo về kết nối điện
thoại từ đầu cuối đến đầu cuối (end-to-end), trong đó xuất hiện tất cả các tham số truyền
dẫn ảnh hưởng đến chất lượng thoại thu được.

Hình 4.1 Cấu hình tham khảo của mô hình E.
Cấu hình tham khảo của mô hình E như trong hình 4.1, trong đó chia kết nối end-to-
end thành phía gửi và phía nhận bằng một trung tâm ảo gọi là điểm 0dBr. Mô hình sẽ đánh
giá chất lượng thoại thu được tại phía nhận, tức là phía người nghe trong một cuộc gọi.

Đây cũng là phía phải chịu ảnh hưởng của các loại suy hao trong khi nói như sidetone,
nhiễu phòng, tiếng vọng. Cấu hình tham khảo này gồm một mạch vòng 4 dây để có thể
nhận biết được các suy hao do tiếng vọng bộ nói, tiếng vọng bộ nghe. Tham số của mạch
vòng gồm có WEPL, Tr. Các tham số SLR, RLR, và Nc được xác định tại điểm 0dBr.
Nhiễu phòng P và hệ số D được phân biệt ở phía gửi và phía nhận. Do chất lượng thoại
được đánh giá tại phía nhận nên để tính đến ảnh hưởng của các loại suy hao đến phía nhận,
một số tham số liên quan được xem xét tại phía nhận như STMR, LSTR và TELR. Tất cả
các tham số đầu vào khác được xác định giá trị cho toàn bộ kết nối. Hình 3.7 chỉ rõ các
tham số đầu vào này. Phần dưới đây sẽ giải thích ý nghĩa của từng tham số.
Các thuật ngữ và tham số sử dụng trong mô hình E đã được định nghĩa trong một số
khuyến nghị loại P và loại G có liên quan đến truyền dẫn của ITU-T. Trong đó [4]:
• OLR (Overall Loudness Rating): Trong việc lập kế hoạch truyền dẫn,
Loudness Rating là một phép đo để xác định suy hao cường độ, hay còn gọi
là suy hao điện-âm (electro-acoustic loss) giữa hai giao diện nào đó trong
mạng (được tính bằng đơn vị dB). Nếu kênh truyền dẫn chia thành nhiều
đoạn thì LR của toàn mạch sẽ bằng tổng các LR thành phần. Trong mô hình
E, OLR là suy hao cường độ giữa miệng thuê bao nói và tai thuê bao nghe
trong kết nối.
• SLR (Send Loudness Rating): Là suy hao cường độ giữa miệng thuê bao nói
và điểm 0dBr.
• RLR (Receive Loudness Rating): Là suy hao cường độ giữa điểm 0dBr và tai
của thuê bao nghe.
• TELR (Talker Echo Loudness Rating): Là suy hao tín hiệu thoại vọng của
người nói đến chính tai họ sau khi bị trễ qua mạng.
• STMR (Talker’s Sidetone, Sidetone Masking Rating): Là suy hao cường độ
tín hiệu từ miệng người nói đến chính tai họ qua đường sidetone điện.
• LSTR (Listener’s Sidetone Rating): Là suy hao cường độ của nhiễu phòng
đến tại thuê bao thông qua đường sidetone điện.
• Factor (D ): Hệ số D là sự chênh lệch độ nhạy (dB) của microphone giữa âm
thanh thoại và các nguồn nhiễu khác (nhiễu phòng), D = STMR - LSTR.

Trong mô hình hệ số D gồm Ds và Dr: là hệ số cho phía gửi và phía nhận.
• WEPL (Weighted Echo Pass Loss): Sự chênh lệch tổn hao cường độ âm
lượng giữa tín hiệu âm thanh thoại trực tiếp của người nói và tín hiệu thoại
vọng mà người nghe nhận được.
• qdu (Quantizing Distortion Unit): Là đơn vị nhiễu lượng tử, nhiễu này sinh
ra do quá trình mã hoá và giải mã PCM và ngược lại. Mỗi lần mã hoá đầy đủ
từ tương tự sang số và ngược lại được coi là một qdu.
• Ie (Impairment equipment): Là tham số suy hao thiết bị, tham số đặc trưng
cho suy hao do quá trình xử lý số gây ra, như các bộ mã hoá tốc độ thấp.
• A (Advantage factor): Là hệ số tích cực
• T (Mean one-way delay): Là trễ một chiều giữa phía nhận và một điểm trong
kết nối mà tại đó xảy ra ghép tín hiệu gây ra tiếng vọng (như tại bộ hybrid).
• Tr (Round-Trip Delay): Là trễ vòng tròn chỉ xuất hiện trong mạch vòng 4
dây, tại đó xảy ra sự "phản xạ kép" gây ra các suy hao do tiếng vọng bộ nói.
• Ta (Absolute delay): Là trễ tuyệt đối, biểu thị tổng trễ một chiều giữa phía
gửi và phía nhận.
• Ps, Pr (Room Noise) : Là nhiễu phòng tại phía gửi và phía nhận.
• Nc (Circuit Noise): Là nhiễu mạch được tính tại điểm 0dBr.
Một số khái niệm khác có liên quan:
+ dBm: Là cường độ, hay mức của tín hiệu điện được tính theo 20lgP (dBm) với
R
U
P =
, trong đó U là giá trị hiệu dụng của điện thế tín hiệu [đơn vị là V], R là trở kháng
đầu cuối [kOhm].
+ dBmp: Là giá trị dBm được tính để phù hợp với đặc tính tai nghe của con người
cũng như độ nhạy thu của handset (được gọi là yếu tố “psophometrically”-gọi là yếu tố p).
+ dBr, “0 dBr point”(điểm 0dBr): Điểm 0dBr là điểm mà tại đó mức tín hiệu được
coi là chuẩn và có giá trị là 0 dBm. Tại các điểm khác trong mạng, mức tín hiệu được coi là
có giá trị tương đối, tính bằng dBr (chữ r là relative). Trong các mạng hỗn hợp, điểm 0 dBr

được xác định tại giao diện giữa hai mạng. Như vậy, với SLR và RLR được tính cho điểm
0 dBr thì OLR là tổng của hai giá trị: OLR = SLR + RLR
+ dBm0, dBm0p: Là mức tín hiệu thực tế có tính đến và không tính đến yếu tố p
khi đi qua điểm 0dBr.
4.2.1 Tính toán giá trị truyền dẫn R
Nguyên tắc cơ bản của mô hình E dựa trên khái niệm được thiết lập hơn 20 năm
trước đây của J.Allnatt và đã được sử dụng trong mô hình OPINE của NTT, đó là [2]:
“Các yếu tố tâm lý trên cán cân tâm lý mang tính cộng ”
Mô hình E là một mở rộng của mô hình "Transmission Rating" của Mỹ và Canada.
Nó cũng đánh giá chất lượng truyền dẫn bằng tham số R, song có sự khác biệt trong cấu
trúc toán học và bao gồm các đặc tính từ nhiều mô hình khác nhau.
Kết quả đầu ra của quá trình tính toán là hệ số đánh giá truyền dẫn R. Đây là tham
số kết hợp ảnh hưởng của tất cả các tham số truyền dẫn liên quan trong kết nối. Giá trị R
được tính theo công thức sau:

AIeIdIsRoR
+−−−=
(4.1)
Trong đó:
• R
0
là tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu, nhiễu bao gồm các nguồn nhiễu mạch và nhiễu
phòng.
• Is (synchronous): bao gồm tất cả các suy hao xuất hiện gần như đồng thời
với tín hiệu thoại.
• Id (delay): là suy hao gây ra bởi trễ.
• Ie (equipment): là hệ số suy hao thiết bị, chính là các suy hao do codec tốc
độ thấp gây ra.
• A (advantage): là hệ số tích cực để bù vào các suy hao khác khi có những
tiến bộ của thiết bị truy nhập của người sử dụng.

Các giá trị R
0
, Is, Id trong mô hình E được chia nhỏ thành nhiều giá trị suy hao khác
nhau, được trình bày trong các phần dưới đây:
4.2.2 Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu R
0
Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu R
0
được xác định theo công thức sau:

)(5.115
00
NSLRR +−=
(4.2)
+ SLR được tính tại điểm 0dBr trên đường truyền dẫn.
+ N
0
[dBmop] thể hiện tổng các nguồn nhiễu khác nhau, được tính theo công thức
sau:







+++=
10101010
10101010lg10
NfoNorNosNc

No
(4.3)
Trong đó:
+ Nc

[dBm0p]: là tổng của tất cả các nguồn nhiễu mạch khác nhau được xét tại
điểm 0dBm.
+ Nos [dBm0p]: là nhiễu mạch tương đương ở điểm 0 dBr, gây ra bởi nhiễu phòng
Ps ở phía gửi và được tính toán như sau:

2
)14(004,0100 −−−+−−−= DsOLRPsDsSLRPsNos
(4.4)
Với: OLR = SLR + RLR.
+ Nor: là nhiễu mạch tương đương ở điểm 0 dBr, gây ra bởi nhiễu phòng Pt ở phía
thu:

2
)35(Pr008.0Pr121 −++−= eeRLRNor
(4.5)
Với Pre là nhiễu phòng hiệu dụng gây ra bởi vịêc nâng cấp Pr trong đường sidetone
người nói.







++=

10
)–10(
101lg10
LSTR
PrPre
(4.6)
+ Nfo [dBm0p] là nhiễu nền ở phía nhận:

RLRNforNfo
+=
(4.7)
Với Nfor được đặt bằng: − 64 dBmp.
4.2.3 Tham số suy hao Is
Tham số Is là tổng tất cả các suy hao xuất hiện gần như đồng thời với quá trình
truyền dẫn tín hiệu thoại như sidetone hoặc nhiễu lượng tử trong quá trình điều chế xung
mã. Tham số này được chia nhỏ thành 3 tham số suy hao theo công thức:

IqIstIolrIs
++=
(4.8)
Trong đó Iolr thể hiện sự giảm chất lượng do giá trị OLR quá thấp và được tính theo
công thức sau:




























+=
8
–
8
120
8
1
8
XX
Iolr
(4.9)

Với
X OLR No RLR= + + −0 2 64. ( )
(4.10)
Tham số Ist thể hiện suy hao do sidetone không tối ưu:

Ist
STMRo STMRo
= +














+















+10 1
12
5
46 1
23
36
6
1
6
10
1
10
–
–
(4.11)
Với:








+−=
−
−
−
10
4
10
1010lg10
TELRTSTMR
eSTMRo
(4.12)
Tham số Iq thể hiện những suy hao do méo lượng tử gây ra:

[ ]
Y
Iq 101lg15 +=
(4.13)
Trong đó
10
46
15
100
G
R
Y
o
−
+
−
=

(4.14)

2
0602.0258.007.1 QQG ++=
(4.15)

)qdulg(1537
−=
Q
(4.16)
Trong công thức này qdu là số lượng qdu trong toàn bộ kết nối giữa phía gửi và phía
nhận.
4.2.4 Tham số suy hao liên quan đến trễ Id
Hệ số Id thể hiện toàn bộ suy hao do trễ của tín hiệu thoại, như tiếng vọng người
nói, tiếng vọng người nghe hay trễ quá lớn. Id được tạo thành từ 3 tham số là Idte, Idle,
Idd:

Id Idte Idle Idd
= + +
(4.17)
Tham số Idte là suy hao do tiếng vọng bộ nói (Talker Echo) gây ra:

( )
T
ReRoeReRoe
Idte
–
2
e–11–100
4

)–(
2
–








++=
(4.18)
Với:
)(5.1 RLRNoRoe
−−=
(4.19)

)14(5.280Re
−+=
TERV
(4.20)

2
3.0
6
150
1
10
1

lg40
T
e
T
T
TELRTERV
−
+
+
+
−=
(4.21)
Khi T < 1 ms, tiếng vọng bộ nói nên được coi như sidetone, tức là Idte = 0. Ngoài ra
thuật toán tính toán này cũng xét ảnh hưởng của STMR đến tiếng vọng bộ nói. Nếu như giá
trị STMR thấp thì có thể có một số ảnh hưởng không rõ ràng (bị che khuất) đến tiếng vọng
người nói, còn đối với STMR quá cao thì tiếng vọng bộ nói có thể đáng chú ý hơn. Các giá
trị TERV và Idte được điều chỉnh như sau:
Khi STMR < 9 dB: trong phương trình (2.21), TERV được thay bằng TERVs theo
công thức:

2
Ist
TERVTERVs
+=
(4.22)
Khi 9 dB ≤ STMR ≤ 15 dB sử dụng các công thức từ (2.18) đến (2.21)
Khi STMR > 15 dB, Idte được thay thế bởi Idtes, với:

22
IstIdteIdtes +=

(4.23)
Tham số Idle thể hiện các suy hao do tiếng vọng bộ nghe tạo ra, công thức tính như
sau:

169
4
)(
2
2
+
−
+
−
=
RleRoRleRo
Idle
(4.24)
Với:
Rle WEPL Tr= + +105 7 1
25
. ( )( )
–0.
(4.25)
Tham số Idd thể hiện suy hao do trễ tuyệt đối Ta quá dài gây ra, tồn tại ngay cả khi
có điều khiển tiếng vọng hoàn hảo.
Với Ta < 100 ms:
0=Idd
Với Ta > 100 ms:

( )











+














+−+= 2
3
13125
6
1

6
6
1
6
X
XIdd
(4.26)
Trong đó:
X
Ta
=






lg
lg
100
2
(4.27)
4.2.5 Tham số suy hao thiết bị Ie
Tham số suy hao thiết bị Ie thể hiện các suy hao truyền dẫn gây ra bởi các thiết bị
đặc biệt như bộ mã hoá tốc độ bit thấp, hay thiết bị ghép kênh số: DCME (Digital Circuit
Multiplication Equipment). Thông thường tham số này được tính dựa vào chất lượng của
các bộ mã hoá tốc độ thấp và không liên quan đến các tham số đầu vào khác. Chúng phụ
thuộc vào kết quả thử nghiệm chủ quan là điểm số ý kiến bình quân của khách hàng
(MOS) cũng như kinh nghiệm mạng lưới. Giá trị Ie được cho trong phụ lục I khuyến nghị
G.113.

4.2.6 Tham số tích cực A (Advantage factor)
Tham số A là một khái niệm hoàn toàn mới và chưa được sử dụng trong các mô
hình tính toán trước đây. Nó có một ý nghĩa đặc biệt không liên quan đến các tham số
truyền dẫn khác. Tham số đã thể hiện ưu điểm của việc truy nhập mà một hệ thống nào đó
có thể có được để truyền thông. Vì khái niệm "chất lượng cao" liên quan đến sự mong đợi
của khách hàng được đáp ứng như thế nào. Do đó, chất lượng truyền dẫn của toàn bộ kết
nối do người dùng nhận biết được còn chịu ảnh hưởng bởi việc thiết lập kết nối là dễ hay
khó. Trong một số hoàn cảnh cụ thể, hệ thống không dây có ưu điểm hơn so với hệ thống
có dây khi cần thiết lập kết nối. Và các ưu điểm này có thể đền bù được các ảnh hưởng chủ
quan của một số sai sót do truyền dẫn thoại. Ví dụ như các kết nối điện thoại di động hay
các kết nối qua vệ tinh tới các vùng xa mà con người khó có thể tới được, khi đó lắp đặt
bằng hệ thống có dây sẽ là rất khó khăn. Tham số A phản ánh các ưu điểm này và được