Снисар Н
Предаване на данни по гласов канал на GSM мрежа в системи за търговско измерване на електроенергия.
Въведение
Разработването на съвременни системи за търговско отчитане на електроенергията е насочено към премахване на необходимостта от участие на потребителите и контролните служби на електрическата мрежа в записването на показанията на консумираната електроенергия. Това дава възможност за опростяване на процедурите за плащане на предоставените услуги, както и позволява значително засилване на контрола върху тяхното използване. Най-обещаващото за повечето от тези съвременни системи е предаването на информация за консумираната електроенергия, базирано на използването на мобилни клетъчни мрежи. Днес GSM мрежата е една от най-глобалните и динамично развиващи се комуникационни мрежи, използването й като основен канал за предаване на данни осигурява достатъчна гъвкавост и гъвкавост на решенията, създадени на нейна основа.
Уместност и научна новост на темата. Днешните търговски системи за дистанционно измерване на електроенергия се основават на специализирани технологии за предаване на данни на GSM мрежи, като CSD, GPRS, по-рядко SMS. Всяка от тези технологии има определени недостатъци, които ограничават използването им: неопределено забавяне във времето (SMS), нисък приоритет в сравнение с гласовите пакети (GPRS) - в резултат на това нестабилност на връзката при зареждане на базови станции, цена и достъпност от мобилните оператори (CSD). Най-достъпният и стабилен в GSM мрежата е предаването на глас, но този канал е максимално оптимизиран само за предаване на глас - използват се сложни речеви енкодери - следователно основната посока на избраната работа е разработването на метод за генериране иразпознаване на подобен на реч сигнал, способен да носи определен информационен товар.
Целта на работата Да се разработи метод за предаване на цифрова информация по канал, оптимизиран за предаване на разговорна реч. Разглежда се гласовият канал на мобилните клетъчни мрежи от второ поколение (GSM).
Задачи Да се разработи метод за синтезиране и разпознаване на говороподобен сигнал, модулиран от набор от цифрови данни за предаване на информация по гласов канал на GSM мрежа. Синтезът трябва да се извърши, като се вземе предвид пълният процес на кодиране на речта в GSM терминалите, за да се изключи загубата на информация по време на компресиране от речево кодиращо устройство.
Обща идея за работа Всеки сигнал, който има излишък, може да носи информация; модулирайки този сигнал по определен начин, можете да го използвате за предаване на цифрови данни. За да се предаде сигнал по комуникационен канал, той трябва да отговаря на условията за честотната лента на канала. В нашия случай модулираният сигнал е синтезирана реч с вложена в нея полезна информация, а предавателната среда е гласовият канал на GSM мрежата.
Преглед на технологиите за предаване на данни в GSM мрежите
Към днешна дата системата GSM е най-популярната и разпространена цифрова мобилна комуникационна система от второ поколение (2G). Сред специализираните технологии за предаване на информация в GSM системата можем да разграничим: -CSD (Circuit Switched Data) - предаване на данни с комутация на верига (използва се от повечето системи за дистанционно отчитане на консумираната електроенергия)интервали (канали) за връзка -GPRS (General Packet Radio Service) - технология за безжичен пакетен трансфер на данни -EDGE (Enhanced Data rates for Global Evolution) - усъвършенстван протокол за високоскоростен трансфер на данни GPRS и EDGE технологиите, както показва практиката, са неудобни за използване в системи, които изискват стабилна връзка: в GSM мрежа винаги се дава приоритет на гласовия трафик, следователно, в зависимост от натоварването на базовата станция, броят на интервалите от време, използвани за предаване на данни, може да се промени, поради което сме изправени пред значителни промени в скоростта и сложността на установяване на връзка по време на пиковите часове на станцията с гласови повиквания. За разлика от GPRS/EDGE, CSD/HCSD заявката е много подобна на нормално гласово повикване, използвайки определен брой времеви интервали за предаване на данни, което гарантира висока стабилност на връзката. Основното ограничение при използването на предаване на данни чрез CSD е цената на тази услуга от мобилните оператори. Използването на гласов канал на GSM мрежа за предаване на информация не може да се конкурира по скорост със специализирани технологии за предаване на данни, но ще позволи използването на редица предимства: ниска цена на разговорите, както и висока стабилност и надеждност на предаването.
Кодиране на говор във второ поколение GSM мрежи
GSM 06.10 хибриден енкодер В момента има много различни кодери за реч. Някои енкодери са с високо качество с по-висока скорост на кодиране (кодери за вълнови форми), други са с лошо качество, но осигуряват по-ниска скорост на кодиране (вокодери). GSM системата използва хибридни кодери,които осигуряват задоволително качество на речта при относително ниска скорост на кодиране (Фигура 1).
Преобразуването на реч, в съответствие със стандарта GSM 06.10, се извършва на няколко етапа: - импулсна кодова модулация - кодиране на реч - кодиране за коригиране на грешки
Импулсна кодова модулация Процесът на преобразуване на речта в цифрово представяне (импулсна кодова модулация) включва два етапа: 1. семплиране - извършва се при честота 8 kHz - за предаване на реч е достатъчно да се осигури честотен диапазон от 300 до 3400 Hz 2. квантуване и кодиране - извършва се с помощта на 13-битов ADC (8192 нива на квантуване)
Кодиране на речта В GSM системата се предава не самата кодирана реч, а информация за нея: честота на тона, неговата продължителност, височина на звука. Речевите органи на човека, работещи като филтри, които променят параметрите на тона, са по-скоро инерционни и остават постоянни поне 20 ms. В тази връзка при кодирането на речта в системата GSM се използва блоково кодиране с продължителност на всеки блок 20 ms. На входа на говорния кодек на всеки 20 ms от ADC постъпват 160 проби от по 13 бита, които се преобразуват в 260 бита информация за параметрите на аудиосигнала за този период от време. GSM аудио кодекът използва алгоритъма RPE-LTP (Редовно импулсно възбуждане - Дългосрочно прогнозиране - Линеен предсказуем кодер), който принадлежи към семейството хибридни аудио кодеци. Процесът на аудио кодиране на RPE-LTP е показан на Фигура 2.
LPC (линеен предсказващ кодер)– линейно предсказващо кодиране LPT (Long Time Prediction) – дългосрочно предсказване RPE (Regular Pulse Excitation) – редовно импулсно възбуждане
Кодиране с коригиране на шума За да се защити речта от изкривяване и грешки при предаване, се използват канално кодиране (Фигура 3) и разместване (Фигура 4). Каналното кодиране в системата GSM приема 260 бита, получени след кодиране на речта, като вход и се преобразува в последователност от 456 бита.
260-те бита информация се разпределят според тяхната относителна важност: Блок 1: 50 бита - много важни бита Блок 2: 132 бита - важни бита Блок 3: 78 бита - не много важни бита
Първият блок от 50 бита се предава през енкодера (блоков енкодер), който добавя още 3 бита за паритет, следователно резултатът е последователност от 53 бита. Тези 3 бита са за откриване на грешка в полученото съобщение. След блоково кодиране, 53 бита от първия блок и 132 бита от втория блок плюс 4 крайни бита (общо 189 бита) се прехвърлят към 1:2 конволюционен енкодер, който извежда 378 бита информация. Добавените битове в конволюционното кодиране ви позволяват да коригирате грешки при получаване на съобщения. Останалите битове от третия блок не са защитени. Трябва да се отбележи, че каналният енкодер кодира в последователност от 456 бита на всеки 20 ms. реч. След това се извършва преплитане, в резултат на което се формират 8 блока от по 57 бита. Системата, със загубата на целия пакет (взрив), губи само 12,5% от битовете на всяка времева рамка, като последният е добре коригиран от енкодера на канала.
Резултати от изследването
Процесът на кодиране на речта в GSM мрежите е строго стандартизиран и се извършва на ниво програмен код на микроконтролера на мобилния терминал; по този начин намесата в процеса на преобразуване на входния аналогов сигнал е неприемлива от съображения за гъвкавост и многофункционалност на крайната система. Следователно единствената възможност е предадената цифрова информация да се преобразува в аналогова форма, така че говорният енкодер на мобилния терминал с най-малко изкривяване да може да я кодира от предаващата страна и да я декодира от приемащата страна. По-нататъшното обратно преобразуване на аналогова информация в цифрова форма ще възстанови предадената информация. Опростена блокова схема на разработената търговска система за измерване на електроенергия с предаване на данни по гласовия канал на GSM мрежата е показана на Фигура 5.
На този етап енкодерът за реч се симулира в съответствие със стандарта GSM06.10. Следващата стъпка е да се разработи модулиран синтезатор на квазиречеви сигнали.
Заключение
Процесът на преобразуване на аудио сигнал съгласно стандарта GSM 06.10 определя по-нататъшната посока на изследване на метода за предаване на информационен цифров сигнал по гласовия канал на GSM мрежата. Моделът на кодиране на речта и компресиране на канала определя най-информативните параметри на речевия сигнал, чието предаване се извършва възможно най-точно и сигурно. В момента се разработват методи за модулиране на параметрите на синтезиран говорен сигнал с информационен цифров сигнал и скоростните свойства на полученияканал за данни. Като се вземат предвид възможните изкривявания и загуби в комуникационния канал, в бъдеще ще е необходимо да се оцени вероятността от грешки във възстановения цифров сигнал, въз основа на което да се избере оптималният метод за коригиране на грешки кодиране на оригиналните данни.
Списък с връзки
- Стандартен GSM06.10 Метод за достъп: URL: http://pda.etsi.org/pda/
- John Wiley GSM комутационни услуги и протоколи: ISBN 0-471-49903-X. – 338 страници
- Gunnar Heine GSM мрежи: протоколи, терминология и изпълнение : ISBN 0-89006-471-7 – 417 страници