Тема магистерской работы:
Реферат
Введение
1. Обзор технологий передачи данных в GSM сетях
2. Речевое кодирование в сетях GSM второго поколения
3. Результаты исследования
Заключение
Перечень ссылок
Развитие современных систем коммерческого учета электроэнергии направлено на устранение необходимости участия потребителей и контролирующих служб энергосети в регистрации показаний потребленной электроэнергии . Это позволяет упростить процедуры расчетов за предоставленные услуги, а также дает возможность существенно усилить контроль их использования.
Наиболее перспективным для большинства подобных современных систем является передача информации о потребленной электроэнергии, базирующаяся на использовании сетей мобильной сотовой связи. GSM сеть на сегодняшний день являются одной из наиболее глобальных и динамически развивающихся коммуникационных сетей, ее применение в качестве основного канала передачи данных обеспечивает достаточную гибкость и универсальность создаваемых на ее базе решений.
Актуальность и научная новизна темы.
Существующие на сегодняшний день коммерческие системы удаленного учета электроэнергии базируются на специализированных технологиях передачи данных сетей GSM, как то CSD, GPRS, реже SMS. Каждая из этих технологий имеет определенные недостатки, ограничивающие их применение: неопределенные временные задержки (SMS), низкий приоритет по сравнению с речевыми пакетами (GPRS) - как следствие нестабильность соединения при загрузке базовых станций, стоимость и доступность у операторов мобильной связи (CSD).
Наиболее доступной и стабильной в сети GSM является передача речи, однако, этот канал максимально оптимизирован только для передачи голоса - используются сложные речевые кодеры, - поэтому основным направлением выбранной работы является разработка метода генерации и распознавания речеподобного сигнала, способного нести в себе определенную информационную нагрузку.
Цель работы
Разработать метод передачи цифровой информации по каналу, оптимизированному для передачи разговорной речи. Рассматривается голосовой канал мобильных сотовых сетей второго поколения (GSM).
Задачи работы
Разработать метод синтеза и распознавания речеподобного сигнала, модулированного набором цифровых данных, для передачи информации по голосовому каналу GSM сети. Синтез должен производиться с учетом полного процесса речевого кодирования в GSM терминалах для исключения потерь информации при сжатии речевым кодером.
Общая идея работы
Любой сигнал, обладающий избыточностью, способен переносить информацию; модулируя определенным образом этот сигнал, можно с его помощью передавать цифровые данные. Для передачи сигнала по каналу связи, он должен удовлетворять условиям пропускной способности канала.
В нашем случае модулированным сигналом является синтезированная речь с заложенной в нее полезной информацией, а средой передачи выступает голосовой канал GSM сети.
Обзор технологий передачи данных в GSM сетях
На сегодняшний день система GSM является наиболее популярной и распространенной системой цифровой мобильной связи второго поколения (2G).
Среди специализированных технологий передачи информации в системе GSM можно выделить:
- CSD (Circuit Switched Data) – передача данных с коммутацией каналов (используется большинством систем дистанционной регистрации потребленной электроэнергии)
-HCSD (High Speed Circuit Switched Data ) – высокоскоростная передача данных с коммутацией каналов, обеспечивает абоненту более высокую скорость передачи данных посредством назначения увеличенного числа временных интервалов(каналов) для соединения
-GPRS (General Packet Radio Service) – технология беспроводной пакетной передачи данных
-EDGE (Enhanced Data rates for Global Evolution) – усовершенствованный высокоскоростной протокол передачи данных
Технологии GPRS и EDGE, как показывает практика, неудобны для применения в системах, требующих стабильного соединения: в GSM сети приоритет всегда отдается голосовому трафику, следовательно, в зависимости от загруженности базовой станции, количество интервалов времени, используемых для передачи данных, может изменяться, таким образом, сталкиваемся со значительными изменениями скорости и сложностью установления соединения в часы максимальной загрузки станции голосовыми вызовами.
В отличие от GPRS/EDGE, CSD/HCSD запрос очень похож на обычный голосовой вызов – используется конкретное число временных интервалов для передачи данных, что обеспечивает высокую стабильность соединения. Главным ограничением использования передачи данных посредством CSD является стоимость данной услуги у операторов мобильной связи.
Использование голосового канала GSM сети для передачи информации не может конкурировать в скорости со специализированными технологиями передачи данных, однако позволит использовать ряд преимуществ: низкую стоимость вызовов, а также высокую стабильность и надежность передачи.
Речевое кодирование в сетях GSM второго поколения
Гибридный кодер стандарта GSM 06.10
В настоящее время существует множество различных речевых кодеров. Некоторые кодеры являются высококачественными с большей скоростью кодирования (waveform coders – кодирование формы сигнала), другие обладают низким качеством, но обеспечивают меньшую скорость кодирования (vocoders). В системе GSM используются гибридные кодеры (Hybrid Coders), которые обеспечивают удовлетворительное качество речи при относительно малой скорости кодирования (рисунок 1).
Рисунок 1 – Зависимость качества речи от скорости кодирования
Преобразование речи, в соответствии со стандартом GSM 06.10, проходит в несколько этапов:
- импульсно-кодовая модуляция
- речевое кодирование
- помехоустойчивое кодирование
Импульсно-кодовая модуляция
Процесс преобразования речи в цифровое представление (импульсно-кодовая модуляция) включает в себя два этапа:
1.дискретизация – производится с частотой 8кГц – для передачи речи достаточно обеспечить диапазон частот от 300 до 3400 Гц
2.квантование и кодирование – производится посредством 13-разрядного АЦП (8192 уровней квантования)
Речевое кодирование
В GSM системе передается не сама закодированная речь, а информация о ней: частота тона, его длительность, высота звука. Речевые органы человека, работающие как фильтры, изменяющие параметры тона, довольно инерционны и остаются постоянными в течение как минимум 20мс. В связи с этим, при речевом кодировании в системе GSM используется блочное кодирование с длительностью каждого блока в 20 мс. На вход речевого кодека каждые 20 мс от АЦП поступают 160 выборок по 13 бит каждая, которые преобразуются в 260 бит информации о параметрах звукового сигнала за этот промежуток времени.
GSM звуковой кодек использует алгоритм RPE-LTP (Regular Pulse Excitation – Long-Term Prediction – Linear Predictive Coder), который принадлежит к семейству гибридных звуковых кодеков. Процесс кодирования звука по алгоритму RPE-LTP представлен на рисунке 2.
Рисунок 2 – Структурная схема речевого кодирования системы GSM
(анимация: 36К, 8 кадров, 5 циклов; для запуска обновите страницу)
LPC(Linear Predictive Coder) – линейно-предсказывающее кодирование
LPT(Long Time Prediction) – долговременное предсказание
RPE(Regular Pulse Excitation) – регулярное импульсное возбуждение
Помехоустойчивое кодирование
Для защиты речи от искажения и ошибок передачи применяется канальное кодирование (рисунок 3) и интерливинг (рисунок 4).
Канальное кодирование в системе GSM использует 260 бит, получаемых после речевого кодирования, как входную величину, и преобразует в последовательность, состоящую из 456 бит.
Рисунок 3 – Схема канального кодирования
Рисунок 4 – Принцип интерливинга
260 бит информации распределяются согласно их относительной важности:
Блок 1: 50 бит – очень важные биты
Блок 2: 132 бит - важные биты
Блок 3: 78 бит – не очень важные биты
Первый блок, состоящий из 50 бит, передаётся через кодер (устройство блочного кодирования), который добавляет ещё 3 бита для проверки четности, следовательно, получается последовательность из 53 битов. Эти 3 бита предназначаются для обнаружения ошибок в принимаемом сообщении.
После блочного кодирования 53 бита первого блока и 132 бита второго блока плюс 4 хвостовых бита (в общем 189 бит) передаются в свёрточный кодер 1:2, на выходе которого получается 378 бит информации. Добавленные биты при свёрточном кодировании позволяют исправлять ошибки при приёме сообщений.
Остальные же биты третьего блока не защищены. Следует отметить, что канальный кодер осуществляет кодирование последовательностью из 456 битов для каждых 20 мсек. речи. После этого осуществляется интерливинг, в результате чего формируется 8 блоков по 57 бит каждый. Система, при потере всего пакета (burst), теряет только 12.5% бит каждого временного кадра, последнее хорошо исправляется канальным кодером.
Процесс кодирования речи в сетях GSM жестко стандартизирован и выполняется на уровне программного кода микроконтроллера мобильного терминала; таким образом, вмешательство в процесс преобразования входного аналогового сигнала недопустимо из соображений гибкости и универсальности конечной системы.
Следовательно, единственно возможным является преобразование передаваемой цифровой информации в аналоговую форму так, чтобы речевой кодер мобильного терминала с наименьшими искажениями произвел его кодирование на передающей стороне и декодирование на принимающей. Дальнейшее обратное преобразование аналоговой информации в цифровую форму восстановит передаваемую информацию.
Упрощенная структурная схема разрабатываемой системы коммерческого учета электроэнергии с передачей данных посредством голосового канала GSM сети представлена на рисунке 5.
Рисунок 5 – Структурная схема системы коммерческого учета электроэнергии с передачей данных посредством голосового канала GSM сети
На данном этапе выполнено моделирование речевого кодера в соответствии со стандартом GSM06.10. Следующим шагом является разработка синтезатора модулированного квазиречевого сигнала.
Процесс преобразования звукового сигнала согласно стандарта GSM 06.10 определяет дальнейшее направление исследований метода передачи информационного цифрового сигнала по голосовому каналу GSM сети. Модель речевого кодирования и канального сжатия определяет наиболее информативные параметры речевого сигнала, передача которых происходит максимально точно и защищенно. На данный момент разрабатываются методы модуляции параметров синтезированного речевого сигнала информационным цифровым сигналом и исследуются скоростные свойства полученного канала передачи данных.
С учетом возможных искажений и потерь в канале связи, в дальнейшем необходимо будет оценить вероятности появления ошибок в восстановленном цифровом сигнале, на основании чего выбрать оптимальный метод помехоустойчивого кодирования исходных данных.
На данном этапе работа находится в разработке. Окончание работы планируется в декабре 2008 г.
© ДонНТУ, Снисарь Николай Александрович, 2008
