Разработка и исследование метода комбинированного эхоподавления для сетей мобильной связи тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат технических наук Рогацкая, Мария Александровна

• Рогацкая, Мария Александровна
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Рогацкая, Мария Александровна

Содержание.

Сокращения.

Введение.

1. Эффект электрического эха на сетях мобильной связи, методы и средства борьбы с его мешающим воздействием.

1.1. Эффект электрического эха и методы борьбы с его мешающим воздействием.

1.1.1. Эффект электрического эха и его влияние на качество телефонной передачи.

1.1.2. Методы и средства борьбы с мешающим воздействием эффекта электрического эха.

1.1.3. Анализ характеристик телефонного соединения, влияющих на качество телефонной передачи по эхозащшценному каналу.

1.2. Эффект электрического эха в сетях мобильной связи.

1.2.1. Анализ архитектуры типовой сети мобильной связи и характеристик оборудования, используемого на ВСС РФ, в аспекте формирования и подавления эффекта электрического эха.

1.2.1.2. Взаимодействие федеральной сети GSM с сетями общего пользования.

1.2.2. Анализ свойств основных источников эхосигналов и задержки, вносимой в сигнал функциональными узлами канала мобильной связи.

1.3. Анализ алгоритмов управления эхоподавляющими устройствами на сетях мобильной связи и их влияние на обеспечиваемое качество телефонной передачи .41 Выводы по главе 1.

2. Исследование свойств различных алгоритмов адаптации ЭК в условиях функционирования в составе МТ и их взаимодействия при совместном использовании.

2.1. Разработка модели исследований.

2.1.1. Разработка математической и машинной моделей эхокомпенсатора, функционирующего по алгоритму адаптации НМНСК.

2.1.2. Разработка математической и машинной моделей ЭК, функционирующего по корреляционному алгоритму адаптации.

2.1.3. Разработка математической и машинной моделей эхотракта.

2.1.4. Разработка модели радиоканала.

2.2. Исследование влияния характеристик сигналов и канала на свойства сходимости основных алгоритмов ЭК.

2.2.1. Исследование динамики подавления эхосигналов ЭК, функционирующего по алгоритму НМНСК, в «чистом» канале.

2.2.2. Исследование влияния характеристик речевого сигнала на сходимость алгоритма НМНСК.

2.2.3.Исследование влияния характеристик эхотрактов на динамику подавления эхосигналов.

2.2.4. Исследование влияния параметрических явлений в эхотракте на динамику подавления эхосигналов ЭК, функционирующим по алгоритму НМНСК.

2.2.5. Исследование возможности использования и оптимизации характеристик алгоритма НМНСК для измерения времени концевой задержки.

2.2.6. Исследование динамики подавления эхосигналов, возникающих в уплотнённых эхотрактах, эхокомпенсатором, функционирующим по алгоритму НМНСК.

2.2.7. Исследование влияния шума на характеристики сходимости корреляционного алгоритма адаптации ЭК.

2.2.8. Исследование и оптимизация влияния параметра р на сходимость корреляционного алгоритма адаптации ЭК в различных шумовых условиях.

2.2.9. Исследование сходимости корреляционного алгоритма адаптации ЭК в отсутствии эхосигнала.

2.2.10. Исследование влияния интерполяционной обработки на характеристики сходимости корреляционного алгоритма адаптации ЭК.

2.2.11. Исследование влияния параметрических воздействий на динамику сходимости корреляционного алгоритма адаптации.

Выводы по главе 2.

Общий вывод по главе 2.

3. Разработка архитектуры и концепции работы комбинированного эхоподавителя для систем мобильной связи.

3.1. Разработка архитектуры комбинированного ЭК.

3.2. Разработка математической модели комбинированного эхоподавителя.

3.3. Разработка алгоритма взаимодействия функциональных узлов комбинированного эхокомпенсатора.

3.4. Разработка программной модели комбинированного эхокомпенсатора.

Выводы по главе 3.

4. Исследование влияния характеристик каналов связи мобильных соединений на сходимость комбинированного ЭК и оптимизация его параметров.

4.1. Разработка методики исследования влияния характеристик мобильных соединений на сходимость комбинированного ЭК.

Выводы по главе 4.

5. Разработка принципов управления эхоподавляющими устройствами на сетях связи.

Выводы по главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование метода комбинированного эхоподавления для сетей мобильной связи»

Актуальность работы

Последнее десятилетие в Российской Федерации характеризуется высокими темпами развития мобильной связи. Она обеспечивает потребности современного образа жизни: оперативность, коммуникабельность, доступность, мобильность. В связи с ростом спроса на услуги связи среди различных операторов возникает конкуренция, предполагающая борьбу за рынок. Чем выше качество предоставляемых оператором услуг связи, тем крепче его положение на телекоммуникационном рынке.

Одним из факторов, влияющим на качество мобильной связи, является эффект электрического эха (ЭЭЭ), ставший, к сожалению, привычным явлением для абонентов сетей подвижной связи. Проблемам исследования мешающего воздействия ЭЭЭ и разработки средств его снижения посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных авторов. Среди отечественных авторов можно выделить работы М.К. Цыбулина, А.Д. Снегова, М.А. Жаркова, П.Н. Муравчика, В.И. Иванова, C.B. Кунегина, С.С. Шаврина и др. Среди зарубежных авторов следует отметить исследования M.M.Sondhi, D.A.Barkley, D.G.Messerschmitt, S.L.Gay, S.Tsujii, T.Petillon и др. Следует отметить, что исследования, проведенные в указанных работах, практически не учитывали специфики подавления эхосигналов на сетях мобильной связи.

Использование для борьбы с ЭЭЭ эхоподавляющих устройств (ЭПУ) классического компенсационного типа, встроенных в оборудование мобильных терминалов и центров коммутации, далеко не всегда обеспечивает его эффективное подавление. В связи с вышеизложенным, актуальной является задача построения ЭПУ с характеристиками, удовлетворяющими психологическому восприятию абонентом и возможности технической реализации ЭПУ. Создание подобного ЭПУ позволит повысить комфортность ведения разговора абонентами сетей подвижной связи.

Ранее вводимые ограничения:

- не учитывалось ограниченное и не чрезмерно высокое значение времени распространения эхосигнала, не требующее применения специальных мер по подавлению эхосигналов, обусловленных наличием неустранимой нелинейности цифрового канала, вносимой кодеком А87.6/13;

- не учитывалось отсутствие этой нелинейности в тракте акустической связи телефон - микрофон мобильного терминала;

- не учитывалось влияние сгруппированного размножения ошибок передачи, вносимого кодеком GSM 06.10, на работу нелинейного процессора эхокомпенсатора (ЭК);

- задача изменения архитектуры ЭК в работах не ставилась.

Цель и основные задачи работы

Основной целью работы является разработка принципов и средств подавления эхосигналов, ориентированных на использование в каналах мобильной связи и обеспечивающих компенсационное подавление эхосигналов, при котором достигается приемлемое с точки зрения абонентов качество связи.

Реализация поставленной цели требует решения следующего круга задач:

- анализ эффективности используемых на сетях мобильной связи технических решений по борьбе с мешающим воздействием эффекта электрического эха и современного состояния оснащённости сетей средствами эхоподавления;

- исследование свойств основных известных методов компенсационного подавления эхосигналов в условиях эксплуатации, характерных для каналов мобильной связи; разработка принципов построения эхоподавляющего устройства, ориентированного на устранение эффекта электрического эха и клиппирования речевых сигналов и шумов канала;

- исследование ключевых характерных свойств разработанной концепции и исследование влияния основной группы мешающих факторов, характерных для сетей мобильной связи, на обеспечиваемые характеристики подавления эхосигналов;

- разработка рекомендаций по реализации эхокомпенсаторов в соответствии с предложенной концепцией построения, а также по их использованию на сетях мобильной связи.

Научная новизна

1. Разработан комплекс моделей, описывающих канал мобильной связи, эхокомпенсаторы, эхотракты. Отличительной особенностью разработанного комплекса моделей является его построение на основе реальной современной статистики характеристик каналов и эхотрактов сети связи Российской Федерации, включая условия формирования эхосигналов в мобильных терминалах и уплотнённых эхотрактах фиксированной сети.

2. Предложен принцип построения комбинированного эхокомпенсатора для сетей мобильной связи, состоящего из двух звеньев, адаптирующихся по нормализованному алгоритму наименьших средних квадратов (начальное быстрое подавления эхосигнала и локализация значимой части импульсной характеристики эхотракта) и корреляционному (подавление эхосигнала на значимой части импульсной характеристики эхотракта до уровня ниже мешающего воздействия шума, действующего в канале).

3. Проведен цикл экспериментальных исследований по оценке влияния основной группы мешающих факторов на сходимость эхокомпенсатора, построенного по предлагаемому принципу, с целью оптимизации его характеристик.

4. Предложена система принципов управления эхоподавляющими устройствами на сетях мобильной связи во взаимодействии с фиксированной сетью и разработаны рекомендации по реализации предложенных принципов как в рамках полной версии системы сигнализации ОКС № 7, так и в условиях ограниченных возможностей, предоставляемых используемой в настоящее время подсистемой пользователя КиР-Я.

Практическая ценность

1. Реализация эхокомпенсаторов в соответствии с предложенной концепцией обеспечивает возможность исключения заграждающей функции нелинейного процессора для мобильных и подавляющего большинства местных соединений, устраняя клиппирование речевых сигналов и шумов канала и повышая тем самым общее качество телефонной передачи.

2. Анализ результатов исследования границ эффективности функционирования компенсационного механизма подавления эхосигналов на сетях мобильной связи явился основой для рекомендаций по обеспечению двустороннего подавления эхосигналов в каналах мобильной связи, использованных ЗАО «Связьпром» на сети ОАО «Вымпелком».

3. Результаты исследований взаимодействия сетевого оборудования и эхоподавляющих устройств, проведённых в рамках научно-исследовательской работы по заказу Ассоциации российских операторов сетей GSM, вошли в итоговый отчёт в виде рекомендаций по управлению эхоподавляющими устройствами на сетях подвижной связи.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Повышенный уровень шума, попадающего в микрофон мобильного терминала, может явиться причиной проникновения в обратное направление передачи эхосигналов даже при отсутствии акустической связи между телефоном и микрофоном.

2. Подавление эхосигналов, обеспечиваемое эхокомпенсатором, адаптирующимся по алгоритму нормализованных наименьших средних квадратов, не зависит ни от затухания, ни от формы импульсной характеристики эхотракта в пределах допустимого по условиям эксплуатации разброса. Средняя мощность остаточного эхосигнала на выходе тракта передачи эхокомпенсатора в этих условиях весьма близка к средней мощности шума, действующего на его входе.

3. При проникновении шума в микрофон мобильного терминала адаптивная настройка трансверсального фильтра эхокомпенсатора должна осуществляться только на активном одностороннем разговоре со стороны дальнего (по отношению к эхокомпенсатору) абонента, и прекращаться на всё время пауз в речи, длительность которых превышает 2 мс.

4. Мешающее воздействие остаточного эхосигнала, обусловленного влиянием неустранимой нелинейности компандера А87.6/13 при местных соединениях на сетях мобильной связи, имеет допустимый уровень и не требует использования функции нелинейного процессора.

5. Использование корреляционного алгоритма адаптации эхокомпенсатора обеспечивает возможность снижения мешающего воздействия остаточного эхосигнала в каналах мобильной связи до незначимого уровня по отношению к уровню шума, действующего в тракте передачи, при усреднении корреляционной функции не менее, чем по 512 отсчётам при значении параметра адаптации р = 5 . 10.

Заключение диссертации по теме «Системы, сети и устройства телекоммуникаций», Рогацкая, Мария Александровна

Результаты исследования архитектуры сетей связи и сложившихся принципов взаимодействия мобильных и фиксированной сетей обеспечили возможность разработки принципов размещения ЭПУ на сетях связи и управления их работой в рамках полной версии системы сигнализации ОКС № 7, а также оптимизировать процессы управления ЭПУ в условиях ограниченных возможностей, предоставляемых подсистемой пользователя КиР-Я.

Заключение

Анализ современного состояния проблемы электрического эха на сетях мобильной связи выявил основной круг причин некачественного подавления эхосигналов в каналах, имеющих как техническую, так и организационную подоплёки.

Технические проблемы вызваны неспособностью используемых алгоритмов компенсационного механизма эхоподавления обеспечить устойчивое подавление эхосигналов во многих ситуациях, характерных для каналов мобильной связи, например, при повышенном уровне шума, попадающего в микрофон мобильного терминала вне помещения.

Активизация заграждающей функции нелинейного процессора в этих условиях, устраняя остаточный эхосигнал, вносит в канал заметное клиппирование речевых сигналов и шумов канала.

Организационные проблемы связаны с отсутствием адекватной требованиям времени нормативной базы, регламентирующей вопросы размещения эхоподавляющих устройств на сети и управления их работой, и усугубляются ограниченностью возможностей подсистемы 18иР-Я в части обеспечения корректной защиты каналов мобильной связи от мешающего воздействия эффекта электрического эха.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Рогацкая, Мария Александровна, 2008 год

1. Цыбулин М.К. Подавление электрического эха в телефонных каналах. -М.: Радио и связь, 1988. -113 с.

2. ITU-T Recommendation G.164. Echo suppressors. November 1988.

3. ITU-T Recommendation G.165. Echo cancellers. March 1993.

4. Рекомендация МСЭ-Т G.168 «Цифровые эхокомпенсаторы», апрель 1997.

5. ITU-T Recommendation V.90. A digital modem and analogue modem pair for use on the Public Switched Telephone Network (PSTN) at data signalling rates of up to 56 000 bit/s downstream and up to 33 600 bit/s upstream. September 1998.

6. Вайксельбаум III., Шаврин C.C. Современные методы и тенденции развития средств цифровой эхокомпенсации. Цифровая обработка и передача сигналов / Московский электротехнический институт связи. М., 1991. -17 с. -Деп. в ЦНТИ «Информсвязь» 17.10.91 № 1967.

7. МККТТ. Рекомендация G.131. Устойчивость и эхо. Красная Книга, Том III, Выпуск III.1, Малага Торремолинос, октябрь 1984.

8. ITU-T Recommendation G. 131. Control of talker echo. August 1996.

9. ITU-T Recommendation G. 131. Talker echo and its control. November 2003.

10. ITU-T Recommendation G.107. The E-Model, a computational model for use in transmission planning. December 1998.

11. ITU-T Recommendation G.109. International telephone connections and circuits General definitions. Definition of categories of speech transmission quality. September 1999.

12. ITU-T Recommendation. G.114. One-way transmission time. February 1996.

13. ITU-T Recommendation. G.729, General aspects of digital transmissionsystems. Coding of speech at 8 kbit/s using conjugate-structure algebraic-code-excited linear-prediction (CS-ACELP). Annex A. March 1996.

14. ETSI. Recommendation GSM 3.50.15.ETSI EN 300 961 V6.0.1.

15. ITU-T Recommendation G. 110.

16. Руководящий документ по общегосударственной системе автоматизированной телефонной связи (ОГСТфС). «Требования по установке эхоподавляющих устройств», М:, 1997

17. Шаврин Д.С. Результаты исследования линейных и нелинейных характеристик эхотрактов на сети связи РФ. Электросвязь. 2006. - № 9. -с.47-50.

18. Шаврин Д.С. Подавление нелинейных составляющих эхосигналов. Вестник связи. 2006. - № 9. -С. 81-83.

19. Шаврин С.С. Электрическое эхо: заграждать или компенсировать? Вестник связи 2005. - №1.

20. Shavrin S.S. Effective echo elimination on CIS networks. Abstracts. The International Workshop. Perspectives for Implementation of VSAT Technologies. February 2000, p.p. 36-37.

21. Бялик Ю.И., Шаврин С.С. Подавление эхосигналов в статистических системах передачи. Десятая межрегиональная конференция НТОРЭС им. А.С. Попова «Обработка сигналов в системах двусторонней телефонной связи». М., МТУСИ, 2000. Тезисы докладов - с. 169-172.

22. Федеральный закон от 30.03.1995 № 37-Ф3 «О ратификации Устава и Конвенции Международного союза электросвязи».

23. ЗО.Рогацкая М.А., Шаврин С.С. Основные алгоритмы адаптации, используемые для компенсации эхосигналов. Депонирована в ЦНТИ "Информсвязь" 14.06.03. 2227св2003 с. 88 - 92.

24. Федеральный закон «О безопасности» от 15.03.1992 № 2446-1.

25. Рогацкая М.А., Шаврин С.С. Основные алгоритмы адаптации, используемые для компенсации эхосигналов в системах связи. "Перспективные технологии в средствах передачи информации" ПТСПИ'2003.- Владимир, ВлГУ, 2003. Тезисы докладов с. 135 - 136.

26. Генеральная схема создания и развития федеральной сети подвижной радиотелефонной связи общего пользования России стандарта GSM (Одобрено решением ГКЭС от 25.12.2002 № 50), М:, 2003.

27. Рогацкая М.А., Шаврин С.С. Особенности подавления эхосигналов для систем мобильной связи. Депонирована в ЦНТИ "Информсвязь" 14.06.03. №2227св2003- с. 93 98.

28. Schneier В. Applied Cryptography: protocols, algorithms, and source code in C. J Wilier & Sons, inc. New York, 1994.

29. Рогацкая M.A., Шаврин С.С. Особенности подавления эхосигналов в системах мобильной связи . 5-я Международная НТК «Перспективные технологии в средствах передачи информации» ПТСПИ'2003.- Владимир, ВлГУ, 2003. Тезисы докладов с. 109.

30. Аппаратура эхозаграждения и эхокомпенсации для линий свя: 45.97-97.

31. Рогацкая М.А. Исследование динамических характеристик быстросходящегося комбинированного эхоподавителя. НТК ППС и И МТУСИ, 2003. -Тезисы докладов, с. 188.

32. Мусатова О.Ю., Рогацкая М.А., Шаврин С.С. Результаты опта характеристик корреляционного эхокомпенсатора. 13-я межрегис конференция «Обработка сигналов в системах телефонной связи и Bei Пушкинские горы Москва, 2004,- Тезисы доклада - с. 126.

33. Рогацкая М.А. Исследование динамических характеристик компенсации быстрой сходимости комбинированного эхопод; Депонирована в ЦНТИ «Информсвязь» 04.07.04. №2244св.2004, с. 26-38.

34. Аладин В.М., Рогацкая М.А., Шаврин Д.С. Измерение з эхосигналов без перерыва связи. «Фундаментальные проблемы радиоэлеки приборостроения». Международная научно-техническая конференция. -2006. Тезисы докладов - с. 248-251.

35. Рогацкая М.А., Шаврин С.С. Подавление электрического мобильных сетях. Вестник связи, № 1 2007 г. М., с. 39 - 42.

36. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М., Наука, 1964.

37. ITU-T. Recommendation Q.727.

38. ITU-T. Recommendation G.161.

39. ITU-T. Recommendation Q. 115.

40. Вентцель E.C., Овчаров JI.А. Теория вероятностей и ее инж приложения. -М., Академия, 2003. 464 с.

41. Вентцель Е. С., Овчаров Л. А. Прикладные задачи теории вероять М.: Радио и связь, 1983. 416 с.

42. Вентцель Е.С. Исследование операций: задачи, принципы, методе М., Наука, 1980.-208 с.

43. Виленкин С. Я. Статистическая обработка результатов иссл< случайных функций. М., Энергия, 1979. - 320 с.

44. Корн Г, Корн Т. Справочник по математике для научных рабо инженеров. М., Наука, 1977.- 832 с.

45. Теория выбора и принятия решений: Учебное пособие. М., Наука, 1982. - 328 с.

46. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М., Радио и связь, 1982.624 с.

47. Тихонов В.И., Харисов В.Н. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем. М., Радио и связь, 2004. - 608 с.55.3юко А.Г., Кловский Д.Д., Назаров М.В., Финк JI.M. Теория передачи сигналов. М., Радио и связь, 1988. - 304 с.

48. Тихонов В.И., Бакаев Ю.Н. Статистическая теория радиотехнических устройств. М., ВВИА, 1978.

49. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. М., Радио и связь, 1989. - 653 с.

50. Справочник по прикладной статистике. В двух томах. Том 1. Перевод с англ. Под ред. Э.Ллойда, У. Лидермана, С.А. Айвазяна, Ю.Н. Тюрина. М., Финансы и статистика, 1989. - 510 с.

51. Справочник по прикладной статистике. В двух томах. Том 2. Перевод с англ. Под ред. Э.Ллойда, У. Лидермана, С.А. Айвазяна, Ю.Н. Тюрина. М., Финансы икг статистика, 1990. - 526 с.

52. Справочник по специальным функциям. Перевод с англ. Под ред. М. Абрамовича, И. Стиган. М., Наука, 1979. - 832 с.

53. Теория телетрафика. Лившиц Б.С., Пшеничников А.П., Харкевич А.Д. Учебное пособие. М., Наука, 1979. - 224 с.

54. Зингеренко А.М., Баева H.H., Тверецкий М.С. Системы многоканальной связи. М., Связь, 1980. -439 с.