Снісар Н
Передача даних за допомогою голосового каналу мережі GSM в системах комерційного обліку електроенергії.
Вступ
Розвиток сучасних систем комерційного обліку електроенергії спрямовано усунення необхідності участі споживачів та контролюючих служб енергомережі у реєстрації показань спожитої електроенергії. Це дозволяє спростити процедури розрахунків за надані послуги, а також дає можливість суттєво посилити контроль за їх використанням. Найперспективнішим для більшості подібних сучасних систем є передача інформації про спожиту електроенергію, що базується на використанні мереж мобільного стільникового зв'язку. GSM мережа на сьогоднішній день є однією з найбільш глобальних комунікаційних мереж, що динамічно розвиваються, її застосування в якості основного каналу передачі даних забезпечує достатню гнучкість і універсальність створюваних на її базі рішень.
Актуальність та наукова новизна теми. Існуючі на сьогоднішній день комерційні системи віддаленого обліку електроенергії базуються на спеціалізованих технологіях передачі даних мереж GSM, як CSD, GPRS, рідше SMS. Кожна з цих технологій має певні недоліки, що обмежують їхнє застосування: невизначені тимчасові затримки (SMS), низький пріоритет у порівнянні з мовними пакетами (GPRS) - як наслідок нестабільність з'єднання під час завантаження базових станцій, вартість та доступність у операторів мобільного зв'язку (CSD). Найбільш доступною та стабільною в мережі GSM є передача мови, однак цей канал максимально оптимізований тільки для передачі голосу - використовуються складні мовні кодери, - тому основним напрямком обраної роботи є розробка методу генерації тарозпізнавання мовного сигналу, здатного нести у собі певне інформаційне навантаження.
Мета роботи Розробити метод передачі цифрової інформації каналом, оптимізованим для передачі розмовної мови. Розглядається голосовий канал мобільних стільникових мереж другого покоління (GSM).
Завдання роботи Розробити метод синтезу та розпізнавання мовного сигналу, модульованого набором цифрових даних, для передачі інформації по голосовому каналу мережі GSM. Синтез повинен проводитися з урахуванням повного процесу мовного кодування в терміналах GSM для виключення втрат інформації при стисненні мовним кодером.
Загальна ідея роботи Будь-який сигнал, що має надмірність, здатний переносити інформацію; модулюючи певним чином цей сигнал, можна з його допомогою передавати цифрові дані. Для передачі сигналу каналом зв'язку, він повинен задовольняти умовам пропускної здатності каналу. У нашому випадку модульованим сигналом є синтезована мова із закладеною в неї корисною інформацією, а середовищем передачі виступає голосовий канал мережі GSM.
Огляд технологій передачі даних у мережах GSM
На сьогоднішній день система GSM є найбільш популярною та поширеною системою цифрового мобільного зв'язку другого покоління (2G). Серед спеціалізованих технологій передачі інформації в системі GSM можна виділити: - CSD (Circuit Switched Data) – передача даних з комутацією каналів (використовується більшістю систем дистанційної реєстрації спожитої електроенергії) -HCSD (High Speed Circuit Switched Data ) – високошвидкісна передача даних з комутацією каналів, що забезпечує абоненту вищу швидкість передачі даних за допомогою призначення збільшеної кількості тимчасовихінтервалів (каналів) для з'єднання -GPRS (General Packet Radio Service) – технологія бездротової пакетної передачі даних -EDGE (Enhanced Data rates for Global Evolution) – удосконалений високошвидкісний протокол передачі даних Технології GPRS та EDGE, як показує практика, незручні для застосування в системах, що вимагають стабільного з'єднання: у GSM мережі пріоритет завжди віддається голосовому трафіку, отже, залежно від завантаженості базової станції, кількість інтервалів часу, що використовуються для передачі даних, може змінюватися, таким чином стикаємося зі значними змінами швидкості та складністю встановлення з'єднання в години максимального завантаження станції голосовими дзвінками. На відміну від GPRS/EDGE, CSD/HCSD запит дуже схожий на звичайний голосовий виклик – використовується конкретна кількість часових інтервалів для передачі даних, що забезпечує високу стабільність з'єднання. Головним обмеженням використання передачі за допомогою CSD є вартість цієї послуги в операторів мобільного зв'язку. Використання голосового каналу мережі GSM для передачі інформації не може конкурувати у швидкості зі спеціалізованими технологіями передачі даних, проте дозволить використовувати ряд переваг: низьку вартість викликів, а також високу стабільність і надійність передачі.
Мовленнєве кодування в мережах GSM другого покоління
Гібридний кодер стандарту GSM 06.10 В даний час існує безліч різних мовних кодерів. Деякі кодери є високоякісними з більшою швидкістю кодування (waveform coders – кодування форми сигналу), інші мають низьку якість, але забезпечують меншу швидкість кодування (vocoders). У системі GSM використовуються гібридні кодери (Hybrid Coders),які забезпечують задовільну якість мови за відносно малої швидкості кодування (рисунок 1).
Перетворення мови, відповідно до стандарту GSM 06.10, проходить у кілька етапів: - імпульсно-кодова модуляція - мовленнєве кодування - завадостійке кодування
Імпульсно-кодова модуляція Процес перетворення мови в цифрове уявлення (імпульсно-кодова модуляція) включає два етапи: 1.дискретизація – проводиться з частотою 8кГц – для передачі мови достатньо забезпечити діапазон частот від 300 до 3400 Гц 2.квантування та кодування – проводиться за допомогою 13-розрядного АЦП (8192 рівнів квантування)
Мовленнєве кодування У GSM системі передається не сама закодована мова, а інформація про неї: частота тону, його тривалість, висота звуку. Мовні органи людини, які працюють як фільтри, що змінюють параметри тону, досить інерційні і залишаються постійними протягом щонайменше 20мс. У зв'язку з цим при мовному кодуванні в системі GSM використовується блокове кодування з тривалістю кожного блоку в 20 мс. На вхід мовного кодека кожні 20 мс від АЦП надходять 160 вибірок по 13 біт кожна, які перетворюються на 260 біт інформації про параметри звукового сигналу цей проміжок часу. GSM звуковий кодек використовує алгоритм RPE-LTP (Regular Pulse Excitation – Long-Term Prediction – Linear Predictive Coder), який належить до сімейства гібридних звукових кодеків. Процес кодування звуку за алгоритмом RPE-LTP представлений малюнку 2.
LPC(Linear Predictive Coder)- Лінійно-передбачуване кодування LPT(Long Time Prediction) - довготривале передбачення RPE(Regular Pulse Excitation) - регулярне імпульсне збудження
Перешкодостійке кодування Для захисту мови від спотворення та помилок передачі застосовується канальне кодування (рисунок 3) та інтерлівінг (рисунок 4). Канальне кодування в системі GSM використовує 260 біт, одержуваних після мовного кодування, як вхідну величину, і перетворює на послідовність, що складається з 456 біт.
260 біт інформації розподіляються відповідно до їх відносної важливості: Блок 1: 50 біт - дуже важливі біти Блок 2: 132 біт - важливі біти Блок 3: 78 біт - не дуже важливі біти
Перший блок, що складається з 50 біт, передається через кодер (пристрій блокового кодування), який додає ще 3 біти для перевірки парності, отже, виходить послідовність з 53 бітів. Ці 3 біти призначаються виявлення помилок в прийнятому повідомленні. Після блокового кодування 53 біти першого блоку і 132 біти другого блоку плюс 4 хвостові біти (загалом 189 біт) передаються в згортковий кодер 1:2, на виході якого виходить 378 біт інформації. Додані біти під час згорткового кодування дозволяють виправляти помилки при прийомі повідомлень. Інші ж біти третього блоку не захищені. Слід зазначити, що канальний кодер здійснює кодування послідовністю 456 бітів для кожних 20 мсек. промови. Після цього здійснюється інтерлівінг, у результаті формується 8 блоків по 57 біт кожен. Система, при втраті всього пакету (burst), втрачає лише 12.5% біт кожного тимчасового кадру, останнє добре виправляється канальним кодером.
Результати дослідження
Процес кодування мовлення у мережах GSM жорстко стандартизований і виконується лише на рівні програмного коду мікроконтролера мобільного термінала; таким чином, втручання у процес перетворення вхідного аналогового сигналу неприпустимо з міркувань гнучкості та універсальності кінцевої системи. Отже, єдино можливим є перетворення цифрової інформації, що передається, в аналогову форму так, щоб мовний кодер мобільного терміналу з найменшими спотвореннями зробив його кодування на передавальній стороні і декодування на приймаючій. Подальше зворотне перетворення аналогової інформації в цифрову форму відновить інформацію, що передається. Спрощена структурна схема системи комерційного обліку електроенергії, що розробляється, з передачею даних за допомогою голосового каналу GSM мережі представлена на малюнку 5.
На даному етапі виконано моделювання мовного кодера відповідно до стандарту GSM06.10. Наступним кроком є розробка синтезатора модульованого квазімового сигналу.
Висновок
Процес перетворення звукового сигналу згідно стандарту GSM 06.10 визначає подальший напрямок досліджень методу передачі інформаційного цифрового сигналу голосовим каналом GSM мережі. Модель мовного кодування та канального стиску визначає найбільш інформативні параметри мовного сигналу, передача яких відбувається максимально точно та захищено. На даний момент розробляються методи модуляції параметрів синтезованого мовного сигналу інформаційним цифровим сигналом та досліджуються швидкісні властивості отриманогоканалу передачі. З урахуванням можливих спотворень і втрат у каналі зв'язку, надалі необхідно буде оцінити ймовірність появи помилок у відновленому цифровому сигналі, на підставі чого вибрати оптимальний метод завадостійкого кодування вихідних даних.
Перелік посилань
- Стандарт GSM06.10 Спосіб доступу: URL: http://pda.etsi.org/pda/
- John Wiley GSM Switching Services and Protocols: ISBN 0-471-49903-X . –338 pages
- Gunnar Heine GSM мережі: protocols, terminology, and implementation : ISBN 0-89006-471-7 – 417 pages