автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Разработка и исследование метода комбинированного эхоподавления для сетей мобильной связи

На правах рукописи

ии3459763

Рогацкая Мария Александровна

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА КОМБИНИРОВАННОГО ЭХОПОДАВЛЕНИЯ ДЛЯ СЕТЕЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ

Специальность 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

п ~ ГЧ'<

I О 11 11

^

Москва 2008

003459763

Работа выполнена на кафедре многоканальной электросвязи Государственног образовательного учреждения Московский технический университет связи и информатики (ГОУ ВПО МТУ СИ)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент,

Шаврин Сергей Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Венедиктов Михаил Дмитриевич кандидат технических наук, Кунегин Сергей Владимирович

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное

предприятие научно-исследовательский институт радио (ФГУП НИИР)

Защита диссертации состоится « /2~у>_2__2009 г. в часов на

заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 219.001.03 при МТУ СИ по адресу: 111024, Москва, ул. Авиамоторная, д. 8а, ауд. А-455

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МТУСИ.

Автореферат разослан <а.2^у> 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Сосичкина Т. П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА 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 устойчивее 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 цосвящено 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 возможности технической реализации ЭПУ и психологическому восприятию абонентом. Создание подобного ЭПУ позволит повысить комфортность ведения разговора абонентами сетей подвижной связи.

Цель ы 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 анализ 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 рекомендации по их использованию на сетях мобильной связи.

Методы исследования.

Исследования, проведенные в настоящей работе, основаны на методах статистической радиотехники, теории цифровой обработки сигналов и математической статистики. Для подтверждения теоретических результатов проведено имитационное моделирование.

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 (ЭК), состоящего из двух звеньев, адаптирующихся по нормализованному алгоритму наименьших средних квадратов (начальное быстрое подавление эхосигаала и локализация значимой части импульсной характеристики эхотракта) и корреляционному (подавление эхосишала 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 БЦР-Я

Личный вклад. Все основные теоретические и практические исследования, расчеты, выводы и рекомендации, изложенные в диссертации, получены автором лично.

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

эхосигаалов в каналах мобильной связи, исцользованных ЗАО «Связьпром» на сети ОАО «Вымпелком».

-3. —Егеяеясвеняё—взццпдлатзхп—ттт""г?-

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.

Внедрение результатов работы.

Результаты внедрения подтверждены соответствующими актами (от ФГУП МНИРТИ и др.).

Апробация работы.

Основные положения и результаты исследований докладывались и опубликованы в ввде тезисов докладов 11-й Межрегиональной научно-технической конференции «Обработка сигналов в системах двусторонней телефонной связи» (Пушкинские горы), пятой НТК «Перспективные технологии в средствах передачи информации» (Владимир), 13-й межрегиональной конференции «Обработка сигналов в системах телефонной связи и вещания». (Москва - Пушкинские горы), международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (Москва), научно-технической конференции профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУСИ (Москва, 2003).

Публикации.

Основное содержание диссертации изложено в 12 печатных работах, из них: 4 научные статьи, в том числе 1 опубликованная в одном из ведущих рецензируемых научных изданиях и журналах, определённых Высшей аттестационной комиссией; 1 патент; 7 тезисов докладов на НТК МТУСИ и других конференциях; без соавторов опубликовано 3 работы.

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.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа изложена на 201 странице машинописного текста и состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и библиографического списка, включающего 62 наименования. В работу включены 73 рисунка, 6 таблиц и список сокращений, приложение занимает 23 страницы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи работы, перечислены основные научные результаты диссертации, определена их практическая ценность и области применения, приведены основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1 посвящена аналитическому обзору эффекта электрического эха на сетях мобильной связи, методам и средствам борьбы с его мешающим воздействием.

Для каналов мобильной связи, являющихся логически четырехпроводными, основная мощность эхосигнала распространяется по цепи акустической связи телефон - микрофон микротелефонной трубки.

Для борьбы с эффектом электрического эха используются ЭПУ различных типов, функционирующие по различным принципам. Наиболее широкое распространение на сетях связи получили заграждающий и компенсационный принципы.

Заграждающий принцип подавления эхосигналов заключается во внесении дополнительного затухания в обратное направление передачи.

Компенсационный принцип подавления эхосигналов заключается в формировании копии эхосигнала по сигналу прямого направления передачи и вычитании её из сигнала обратного направления передачи.

В настоящее время выделяют два принципиально различных класса алгоритмов, применяемых для целей эхокомпенсации: алгоритмы, опирающиеся на априорно известные свойства сигналов (корреляционный и знакокорреляционный методы) и общие алгоритмы, которые не предъявляют специальных требований к характеристикам используемых сигналов (метод наименьших квадратов (МНК), метод наименьших средних квадратов (МНСК), метод нормализованных средних квадратов (НМНСК)).

Основными факторами, влияющими на качество телефонной передачи, является время распространения сигналов, шумы канала связи, существенная нелинейность, параметрические явления в эхотракте (ЭТ), избыточный уровень сигналов, перегружающий входные цепи кодеров, а также работа нелинейного процессора (НП).

Ограничение времени распространения сигнала при местных соединениях по каналам мобильной связи значением 100 мс открывает возможность обеспечения подавления эхосигналов чисто компенсационным механизмом, оез использования функции нелинейного процессора.

Рассмотрены функциональные схемы каналов связи при реализации различных соединений, на основе проведённого анализа определены источники эхосигналов и задержки, вносимой в сигнал функциональными узлами канала мобильной связи.

В главе 2 проведено исследование свойств и взаимодействия алгоритмов адаптации эхокомпенсаторов, используемых в рамках предлагаемого принципа, в условиях функционирования в составе мобильного терминала (МТ).

Для решения поставленных задач модели исследований должны включать объединенные общей концепцией математические и машинные модели следующих процессов и узлов:

- эхокомпенсатора, функционирующего по принципу НМНСК, поскольку этот алгоритм адаптации обеспечивает наиболее высокую, по сравнению с другими, начальную скорость сходимости;

- эхокомпенсатора, функционирующего по корреляционному алгоритму адаптации, поскольку только этот алгоретм обеспечивает возможность подавления эхосигналов до уровня ниже уровня шума в канале;

- эхотракта (ЭТ), включающего акустический и электрический тракты формирования эхосигналов с возможностью имитации медленных параметрических воздействий, а также кодеры и декодеры А87.6/13, и системы передачи, использующие предиктивные алгоритмы сжатия речевых сигналов;

- радиотракта, включающего кодер и декодер GSM, а также функцию управляемого внесения ошибок передачи в уплотненный поток;

- сигналов и шумов, образующих реальную статистику сигналов, ошибок и шумов в канале мобильной связи.

Функциональная схема модели исследований ЭК приведена на рисунке 1.

XI

ЭК

ЭТ

I

e¡

Рисунок 1 - Функциональная схема модели исследований ЭК

Действующие в пределах модели сигналы (дня /-го отсчёта): - принимаемый отсчет сигнала прямого направления; e^ - сигнал прямого направления с эхосигналом; у/ - сигнал обратного направления.

Математическая модель эхокомпенсатора, функционирующего по алгоригму адаптации НМНСК, в соответствии со схемой на рисунке 1 определяется совокупностью нижеследующих формул (1-5).

Адаптация коэффициентов в отводах трансверсального фильтра ЭК производилась по рекуррентной формуле. Дляу'-го отвода фильтра на /+1 отсчёте:

е(-хч-р

л у (Д+ш)' ^

где р - параметр адаптации, изменяемый в процессе эксперимента;

16

т = —— - константа, используемая для предотвращения деления на 32768

ноль; Б1 - дисперсия сигнала на входе тракта приема ЭК, определяемая по формуле:

(2)

Копия эхосигаала, формируемая эхокомпенсатором, определяется формулой:

Е255 '

/=о ХН'">. (3)

При этом остаточное эхо (копия эхосигнала вычитается из сигнала обратного направления):

2,=У1+е1-ё,. (4)

Для определения степени подавления эха вычисляется разностный сигнал:

(5)

Математические модели эхокомпенсаторов, основанных на корреляционном методе и методе НМНСК, отличаются только способом адаптации коэффициентов в отводах. Дисперсия сигнала и действующие в пределах модели сигналы аналогичны описанным для алгоритма НМНСК. Для корреляционного алгоритма коэффициенты адаптации вычисляются по формуле:

й(1+1) = й(|) + ——- (6)

где р - параметр адаптации, изменяемый в процессе эксперимента;

_ V-'255 ( * V253 ^ и* - . (7)

где М- интервал усреднения.

Математическая модель эхотракта разработана с учётом действующих норм на допустимое значение времени концевой задержки для ЭК, предназначенных для использования в составе сетей мобильной связи. Предложено представление

эхотракта в виде матрицы (таблицы) значений отсчётов импульсной характеристики (ИХ):

--' П_EJJ_

&J > J -----" >

что соответствует регламентированному значению времени концевой задержки, равному 64 мс.

Вычисление значения отсчета эхосигнала (с учетом влияния параметрических воздействий), прошедшего через эхотракт, в предлагаемой модели осуществляется в соответствии с выражением:

ei=Z^ox'-J*g;*kv, (8)

где N=512 - порядок фильтра, имитирующего эхотракт; gj - отсчёты ИХ ЭТ; xj -отсчеты сигнала на входе ЭТ; kji , j = 0...ЛЧ - матрица коэффициентов, учитывающих изменениеу'-того отсчёта ИХ ЭТ в момент времени i (при вычислении /-того отсчёта эхосигнала).

Предложенная модель ЭТ обеспечивает возможность имитации трёх наиболее типичных видов параметрических воздействий: общее изменение затухания сигналов в ЭТ, параметрическое изменение условий распространения или отражения эха одной точки (неоднородности), параметрическое изменение формы ИХ ЭТ при сохранении значения общего затухания эхосигналов, представлено в модели как «перетекание» точки отражения на другую позицию по шкале времени.

При моделировании влияния характеристик радиоканала на работу ЭК радиоканал возможно представить в виде совокупности кодера и декодера GSM, разделенной цепью, имитирующей ошибки передачи.

Ошибки передачи моделируются линейным конгруэнтным генератором псевдослучайной последовательности (ПСП) функционирующим в соответствии с выражением:

Xi = (A%--v+B) mod С,

где А= 1664525, В= 32767, С= 4294967296.

Период повторения ПСП, формируемый используемым генератором, составляет 232 отсчёта. Генерация ПСП обеспечивает равномерное распределение величины х в диапазоне 0 ... 65535.

Формирование сигнала ошибки //,- с заданной вероятностью р осуществляется сравнением каждого очередного отсчётах/ с порогом А (Д = 65535-р) по следующему принципу. Если Xi > Д, то 7/ = 0; если*; < Д, то щ = 1.

При этом единичное значение тц интерпретируется как ошибка.

В экспериментальных исследованиях используется шум, не имеющий корреляционной связи с ПСП, аппаратно генерируемый с помощью генератора Г2-47.

Проведено исследование влияния характеристик сигналов и канала на свойства сходимости основных алгоритмов ЭК.

Ряд проведенных исследований для алгоритма НМНСК включал в себя исследование динамики подавления эхосигналов ЭК в «чистом» канале. Выявлено, что в отсутствие внешних дестабилизирующих факторов алгоритм НМНСК уверенно сходится на речевом сигнале с тем большей скоростью, чем выше значение р - в

принятых в работе пределах. Если затухание эхосигнала аэ > 12 дБ, то влияние вида ИХ ЭТ не прослеживается на уровне погрешности эксперимента.

Проведено исследование влияния характеристик речевого сигнала на сходимость алгоритма НМНСК. Анализируются три вида мощности:

- Рср - уровень средней мощности, дБмО на всем интервале анализа;

- Рщомс ■ уровень мощности, усреднённый на интервале 50 мс, что соответствует внятному (разборчивому) характеру речи;

- Рпих2мс " пиковый уровень мощности, усреднённый на интервале 2 мс, что удовлетворяет условию разборчивости слогов.

Зависимости среднего и пикового уровней мощности остаточного эхосигнала от уровней мощности шума в тракте передачи ЭК по результатам проведенного эксперимента приведены на рисунке 2. (Рср соответствует график 1, Ргвомс - график 2, Рпих2мс - график 3).

Рисунок 2 - Зависимости среднего и пикового уровней мощности остаточного эхосигнала от уровней мощности шума в тракте передачи ЭК а - на интервале 0... 2 с, б - на интервале свыше 2 с

Установлено, что алгоритм НМНСК чрезвычайно чувствителен к наличию пауз в сигнале тракта приёма при воздействии шума в тракте передачи. В связи с этим ЭК, эксплуатирующийся в условиях МТ систем мобильной связи, должен оснащаться детектором речи тракта приёма, и процесс адаптации должен останавливаться на всё время пауз в речевом сигнале тракта приёма.

Также для алгоритма НМНСК проведены исследования: влияния характеристик эхотрактов на динамику подавления эхосигналов; совместного влияния затухания и вида импульсной . характеристики эхотракта в присутствии шума; динамики сходимости при затухании эхосигнала ад = со; влияния параметрических явлений в эхотракте на динамику подавления эхосигналов; динамики подавления эхосигналов, возникающих в уплотнённых эхотрактах. Проведена оптимизация параметра (5 с целью максимализации скорости (минимализации времени сходимости) алгоритма.

Установлено, что.

1. Затухание эхосигналов, обеспечиваемое ЭК, функционирующим по алгоритму НМНСК, не зависит ни от значения затухания, ни от формы импульсной характеристики эхотракта (при условии принадлежности этих параметров

допустимым на сети пределам). При этом средний уровень остаточного эхосигнала на выходе тракта передачи ЭК, функционирующего по алгоритму НМНСК, с точностью до погрешности эксперимент равен среднему уровню шума, действующего на входе тракта передачи ЭК.

2. Обеспечение такого подавления эхосигнала, при котором в качестве главной причины претензий абонентов к качеству телефонной передачи будет указываться шум, а не эхо, требует дополнительного подавления эхосигаалов на 14 дБ.

3. Включение в канал ЭК, значение времени концевой задержки которого превышает допустимое, может явиться источником эхосигаалов, оказывающих значимое мешающее воздействие.

4. Повышенный уровень шума, попадающего в микрофон МТ, может явиться причиной проникновения в обратное направление передачи эхосигналов даже при отсутствии акустической связи телефон - микрофон. Мешающее воздействие этого эхосигнала будет превышать мешающее воздействие шума, обусловившего его появление.

5. Эхокомпенсатор, функционирующий по алгоритму адаптации НМНСК, не обеспечивает высокой степени подавления эхосигналов в случае наличия в эхотракте оборудования систем передачи, использующих предиктивные алгоритмы сжатия речи. Дополнительное затухание, вносимое в эхосигнал со стороны ЭК, не превышает в этом случае 10 дБ, причём пиковые уровни эхосигнала подавляются хуже, чем средний.

6. Остаточный эхосигнал в условиях включения в наземный эхотракт систем передачи, использующих предиктивные алгоритмы сжатия речи, может оказывать значительное мешающее воздействие на мобильного абонента, усугубляемое возможностью регулировки громкости звука в МТ в широких пределах.

Доказано, что задача полноценного подавления эхосигналов, возникающих в МТ, с помощью алгоритма НМНСК решена быть не может. Для обеспечения подавления эхосигнала ниже уровня шума может быть использован корреляционный алгоритм ЭК, однако сложность и низкая скорость сходимости этого алгоритма требуют существенного снижения порядка фильтра, используемого в ЭК в качестве исполнительного элемента.

Проведены исследования корреляционного алгоритма адаптации в условиях функционирования на сетях мобильной связи. Исследовалось: влияние шума, действующего в тракте передачи ЭК, на характеристики сходимости; сходимость алгоритма адаптации ЭК в отсутствии эхосигнала; также проведено исследование и оптимизация влияния параметра р на сходимость алгоритма адаптации ЭК в различных шумовых условиях; сходимость в отсутствии эхосигнала.

Зависимости среднего и пикового уровней мощности эхосигнала от уровней мощности шума в тракте передачи ЭК по результатам исследования сходимости алгоритма корреляционного адаптации ЭК в отсутствии эхосигнала приведены на рисунке 3. (Pep соответствует график 1, Рп50ыс - график 2, Рпшймс - график 3).

Рср, Втик

да

Рср, Рпик

да

0-

3 2

0-

-60-

"70 -69 -53 -4а -43 -38 43 -28

а

-50-

Рш. ДВ

2

Рш, Дб

"^65 35 35 Зз 35 Зз За"

б

Рисунок 3 - Зависимости среднего и пикового уровней мощности эхосигнала от уровней мощности шума в тракте передачи ЭК а - на интервале 0... 3 с, б - на интервале свыше 3 с

Установлено, • что использование корреляционного алгоритма адаптации ЭК обеспечивает возможность снижения мешающего воздействия остаточного эхосигнала до незначимого уровня по отношению к уровню шума, действующего в тракте передачи. В отсутствии реального эхосигнала при наличии шума в тракте передачи ЭК, функционирующий по корреляционному алгоритму адаптации, не создаёт эхосигнала с уровнем, заметным на фоне шума, при N = 512. Средний уровень эхосигнала, создаваемого ЭК при N = 256 шике среднего уровня шума, действующего в тракте передачи, на 9 ... 11 дБ.

При этом выбор параметра р в диапазоне 5... 10 обеспечивает приемлемые, с точки зрения достижимого качества телефонной передачи, характеристики ЭК -скорость и динамику сходимости.

Проведено исследование влияния интерполяционной обработки на характеристики сходимости корреляционного алгоритма адаптации ЭК.

Выявлено, что разностный сигнал на выходе тракта передачи искажен относительно сигнала на входе тракта передачи, однако характер и степень искажений, вносимых при использовании корреляционного алгоритма адаптации, весьма близка к вносимым при использовании НМНСК.

Проведено исследование влияния параметрических воздействий на динамику сходимости корреляционного алгоритма адаптации.

Полученные результаты демонстрируют способность алгоритма адаптироваться к параметрическим воздействиям, имеющим' низкую скорость (время воздействия больше интервала сходимости).

Параметрическое воздействие в виде одиночных всплесков на интервалах воздействия приводит к отклику ЭК в виде эхосигнала с длительностью, соответствующей времени адаптации и, кроме того, ещё одним отрезком эхосигнала при восстановлении импульсной характеристики. При этом степень влияния прямо пропорционально зависит от интенсивности всплеска.

В результате проведенных исследований установлено, что совокупность гггоритмов НМНСК и корреляционного алгоритма достаточна для качественного подавления эхосигналов в каналах мобильной связи с помощью чисто компенсационного механизма без использования нелинейного процессора (заграждающего механизма).

При этом трансверсальный фильтр, адаптирующийся по алгоритму НМНСК, должен иметь полный объём - 512-й порядок и целевую функцию - максимально быструю сходимость без усиления эхосигнала. Параметр р, удовлетворяющий этому условию, лежит в пределах 0,01 ... 0,02 (это несколько выше, чем принято в ЭК).

Главная цель настройки фильтра, адаптирующегося по алгоритму НМНСК, -локализация значимой часта импульсной характеристики эхотракга.

Вторая функция адаптации по алгоритму НМНСК - предварительная быстрая начальная компенсация эхосигнала (предкоррекция) на энергичных начальных участках речи при настройке.

Трансверсальный фильтр, адаптирующийся по корреляционному алгоритму, осуществляет окончательное подавление эхосигнала, не подавленного фильтром, адаптирующимся по алгоритму НМНСК.

Качественное подавление эхосигнала на реальных эхотрактах обеспечивается при использовании 8-го порядка трансверсального фшгыра.

Главная цель трансверсального фильтра, адаптирующегося по корреляционному алгоритму, - подавление эхосигнала таким образом, чтобы его средний уровень был (как минимум) на 12 ... 14 дБ ниже среднего уровня шума, действующего в тракте передачи ЭК. Требуемая степень подавления может быть достигнута вычислением корреляции по 256 (512) произведениям.

Скорость сходимости, приемлемая для использования в практических комбинированных ЭК, обеспечивается для трансверсального фильтра 8-го порядка при значении параметра р = 8 ... 10; время настройки ЭК при этом не превышает 3 ... 4 с.

Глава 3 посвящена разработке архитектуры и принципа работы комбинированного эхоподавителя для систем мобильной связи.

Установлено, что прямое решение задачи разработай комбинированного ЭК объединением двух ЭК, функционирующих по разным алгоритмам, не обеспечивает требуемых и ожидаемых, в соответствии с полученными в рамках настоящей работы результатами, характеристик подавления эхосигналов.

Предлагаемый принцип состоит в том, что в процессе измерения импульсной характеристики эхотракга и локализации её значимой части должны быть задействованы все N звеньев трансверсального фильтра, адаптирующегося по алгоритму НМНСК, тогда как в процессе компенсации эхосигналов в канале -только М звеньев обоих трансверсальных фильтров, соответствующих значимому участку импульсной характеристики эхотракга.

Один из вариантов архитектуры комбинированного ЭК, не претендующий на оптимизацию ресурсов, представлен на рисунке 4.

Рисунок 4 - Архитектура комбинированного ЭК

На рисунке 4 обозначены:

Л31, Л32 - линии задержки с отводами (основа трансверсальных фильтров), АТФИ - измерительный адаптивный трансверсальный фильтр, АТФК - адаптивный трансверсальный фильтр узла корреляционного типа компенсации эхосигнала, АТФН - трансверсальный фильтр узла компенсации эхосигналов, адаптирующийся по алгоритму НМНСК, К1, К2 - ключи, II, 12 - блоки управляемого затухания (основа трансверсальных фильтров), 2 - сумматоры, КОР - коррелятор, УУИ -устройство управления измерительного узла, УУК - устройство управления корреляционного узла, ДОР - детектор одностороннего разговора.

Математическая модель комбинированного эхоподавителя представляется совокупностью формул 9-22.

В момент времени 1 на вход тракта приёма ЭП поступает отсчёт сигнала х(1). В отводах линии задержки в этот момент сохранены предшествующие отсчёты, начиная с х(1-1Ч-1) до х(Ы).

Сигнал на выходе трансверсального фильтра, реализующего процесс измерения импульсной характеристики эхотракта, описывается выражением дискретной свёртки по всем отводам:

ее{1)^.^Х(г-Л-КНи). (9)

Разностный сигнал, по которому осуществляется адаптивная настройка трансверсального фильтра, определяется выражением:

е1(г) = у(г)-ее(1). (10)

"Управляющий сигнал к(1) на выходе детектора одностороннего разговора определяется выражением:

5(0 = ¿/ЦV,(/) "

где

"¿ЕГ-о1^)2-^}, (11)

А (0 = --^Шо^)2 _ (12)

текущее значение сигнала х;;

М - интервал усреднения дисперсии;

у© - отсчёт сигнала на входе тракта передачи ЭП в момент I;

11о - порог регистрации наличия речи в тракте приёма;

• 7 \ А

Компенсирующий сигнал на выходе трансверсального фильтра, адаптирующегося по алгоритму НМНСК:

"(0 = - Л ■• • (14)

Компенсирующий сигнал на выходе трансверсального фильтра, адаптирующегося по корреляционному алгоритму:

КО = - Л • КК1 (0 •(0. (15)

Отсчёт сигнала на выходе тракта передачи ЭК в момент 1:

У(0 = з'(0-"(0-у(0. (16)

Управляющие сигналы БКщ® (т=0... N-1) формируются по результатам измерения импульсной характеристики эхотракта, как было отмечено ранее, порядок трансверсальных фильтров, формирующих компенсирующие сигналы, целесообразно ограничить 5... 7 с учётом имеющейся сетевой статистики вида (формы) импульсной характеристики реальных эхотрактов. Глобальный экстремум импульсной характеристики определяется по значениям адаптирующихся коэффициентов КН^

К)тах (0 = тах/=0(0|, (17)

где

Ушах (0->^7^(0 - номер отсчета импульснои характеристики эхотракта, соответствующий глобальному экстремуму.

Значимый участок импульсной характеристики эхотрактов обычно расположен по обе стороны от глобального экстремума. Количество учитываемых отводов до глобального экстремума обозначим как ЫЗ, а после глобального экстремума - как ЬР. Тогда, если, ¿¡ах 51Л5, то

[о, т > Ю + £Р. (18)

Если же jmax > ЬБ, ТО

о, 'И <7пшх(0-^Д

Жм(0 = 1, 7тх(/)-Ю <т<+ ЬР, (19)

о, т>^{г) + ЬР.

Адаптация коэффициентов в отводах КН трансверсального фильтра по алгоритму НМНСК осуществляется по сигналу el(i) в соответствии с выражением:

кнт = KH(i -1)+• 'M-^-frß т

л-> л w Dx(i)+B - (20)

где Р - параметр адаптации (в соответствии с проведенным исследованием оптимальное с точки зрения скорости адаптации значение (3=0,01) В - малая константа, используемая в целях предотвращения деления на ноль.

Функции текущей корреляции, определяющие адаптацию трансверсального фильтра по корреляционному алгоритму:

USK(i) = Y!M_MK+{y\i- j) ■ x(i-J-k)-SK(i-j-k)t (21)

где MK - интервал усреднения функции взаимной корреляции.

Адаптация коэффициентов в отводах трансверсального фильтра, адаптирующегося по корреляционному алгоритму осуществляется в соответствии с выражением:

ККп (i) = KK„{i -1) + Sil)---(22)

„w n\ j (Dx(i) + B)- p' {22)

где p - параметр адаптации.

Приведенная совокупность математических выражений является достаточным описанием функций узлов комбинированного ЭК и их взаимодействия, она составляет математическую модель комбинированного ЭК и может служить основой для алгоритмической модели.

Алгоритм функционирования комбинированного ЭК строится на основе разработанной математической модели.

В соответствии с предложенным алгоритмом функционирования комбинированного эхокомпенсатора разработана программа имитационного моделирования ЭК

Глава 4 посвящена исследованию влияния характеристик каналов связи мобильных соединений на сходимость комбинированного ЭК, а также оптимизации его параметров.

Исследования проводятся с помощью разработанных моделей, подробно представленных в главе 2.

Сущность заключается в том, что ЭК НМНСК настраивается по всем 512 отводам, но копия эхосигнала формируется только теми из них, по которым настраивается корреляционный алгоритм.

Проведены исследования: 1) сходимости комбинированного ЭК в отсутствии шума, 2) затухания эхосигнала сначала на холостом ходу, затем сходимости комбинированного ЭК при разных уровнях шума, 3) сходимости комбинированного ЭК при наличии трех точек отражения эхотракта, 4) сходимости комбинированного ЭК при параметрических воздействиях (при наличии одной точки отражения эхотракта, при «перетекании» точки отражения), 5) сходимости комбинированного ЭК при наличии систем уплотнения в эхотракте.

Также проведены исследования степени подавления эхосигналов с помощью сравнения двух алгоритмов - комбинированного и чисто корреляционного.

В результате проведенных исследовании выявлено, ------

1) при рассмотрении схемы определения степени подавления эхосигналов с помощью сравнения двух алгоритмов - комбинированного и чисто корреляционного - установлено, что корреляционный алгоритм хуже давит всплески эхосигналов, в комбинированном же данный недостаток устраняется за счет действия НМНСК;

2) вид импульсной характеристики эхотракта не оказывает существенного влияния на сходимость комбинированного ЭК.

При этом предельная степень подавления эхоскгаалов за счёт использования компенсационного механизма не превышает 11 ... 13 дБ.

Показано, что реализация предложенного принципа построения ЭПУ обеспечивает значительное повышение комфортности ведения разговора, субъективно отмечаемое абонентами (5 ... 6%).

При оптимизации параметров комбинированного ЭК установлено, что для максимально быстрой сходимости без усиления эхосигнала параметр Р, должен находиться в пределах 0,01 ... 0,02, а параметр р - в пределах р = 8 ... 10.

Результаты оптимизационных исследований, проведённых на модели эхокомпенсатора, выполненной согласно предложенному принципу, явились основанием для технических требований к характеристикам комбинированного эхокомпенсатора и к алгоритмам управления активностью таких ЭК на сетях связи.

В главе 5 разработаны принципы управления эхоподавляющимн устройствами на сетях связи.

Результаты, полученные при применении ЭПУ, реализованного в соответствии с предложенным принципом, на реальных сетях мобильной связи могут быть сведены на нет в силу ряда причин. Основными причинами являются неправильное включение ЭПУ в соединение и влияние факторов, нарушающих адекватную работу ЭПУ при правильном включении в соединение.

Анализ архитектуры типовой сети СПС (сотовой подвижной связи) стандарта GSM и характеристик используемых ЭПУ дает основание выделить следующие основные виды ошибок включения ЭПУ в соединение:

а) невключение стационарных ЭК в соединение, где его наличие необходимо, например, в местное соединение мобильного абонента на абонента наземной телефонной сети общего пользования;

б) включение транзитных ЭПУ в соединение, например, включение стационарного ЭПУ на ЦК СПС (центрах коммутации сотовой подвижной связи) в соединение одновременно с ЭК телефонной сети общего пользования при междугороднем или международном телефонном соединении;

в) превышение значения времени распространения эхосигналов в текущем соединении, для которого может быть обеспечено эффективное подавление средствами используемого ЭК.

Кроме того, применяемая в настоящее время на сетях мобильной связи подсистема пользователя ISUP-R систем сигнализации ОКС №7, не имеющая полей управления ЭПУ и использующая только индикаторы, не всегда в состоянии обеспечить оптимальное управление ЭПУ на различных типах соединений.

С точки зрения обеспечения корректного управления работой (активностью) ЭПУ на сетях СПС представляется целесообразным восстановления полей управления ЭПУ "в протоколах систем сигнализации; это может быть осуществлено,- например, переходом к ISUP.

По этой части протокола должна быть достигнута четкая и однозначная договоренность с операторами ТфОП, включая возможность предоставления ресурсов эхоподавляющих устройств ТфОП для соединений с мобильными абонентами.

При невозможности изменения протоколов систем сигнализации, а также в переходный период, повышение эффективности подавления эффекта электрического эха может быть достигнуто в рамках ISUP-R. В этом случае должна быть достигнута четкая и однозначная договоренность с операторами ТфОП, включая возможность предоставления ресурсов эхоподавляющих устройств ТфОП для соединений с мобильными абонентами.

Результаты проведенных в работе исследований могут быть использованы при формировании нормативной базы, адекватно отражающей системные и сетевые вопросы размещения эхоподавляющих устройств и принципы управления их работой.

В заключении подведены итоги работы и обсуждена полнота решения поставленных задач в рамках разработки комбинированного эхоподавляющего устройства, а также приведены основные результаты работы:

1) проанализировано современное состояние проблемы электрического эха на сетях мобильной связи, определен основной ряд причин некачественного подавления эхосигналов в каналах технического и организационного характера;

2) проведено исследование свойств компенсационного подавления эхосигналов по методу НМНСК и корреляционному методу в условиях эксплуатации, характерных для каналов мобильной связи;

3) разработаны принципы построения и алгоритм работы эхокомпенсатора, обеспечивающего в мобильных и подавляющем большинстве местных соединений неклиппирующую эффективную компенсационную защиту от мешающего воздействия эффекта электрического эха. При этом ЭПУ состоит из двух эхокомпенсаторов, трансверсальный фильтр первого ЭК адаптируется по алгоритму НМНСК и имеет 512 порядок, а трансверсальный фильтр второго ЭК адаптируется по корреляционному алгоритму и имеет 8 порядок;

4) показано, что реализация предложенного принципа построения ЭПУ обеспечивает значительное повышение комфортности ведения разговора, субъективно отмечаемое абонентами(5 ... 6%);

5) установлено, что качество подавления эхосигнала, обеспечиваемое комбинированным ЭК, зависит от уровня шумов эхотракта. При этом средний уровень эхосигнала, создаваемого ЭК, ниже среднего уровня шума, действующего в тракте передачи, на 15 ... 17 дБ. Требуемая степень подавления может быть достигнута вычислением корреляции по (256...) 512 произведениям. Скорость сходимости, приемлемая для использования в практических комбинированных ЭК, обеспечивается для трансверсального фильтра 8-го порядка при значении параметра р = 8 ... 10; время настройки ЭК при этом не превышает 3 ... 4 с;

6) проведены исследования влияния характеристик сигналов и шумов в каналах мобильной связи на показатели сходимости комбинированного ЭПУ. При

лп^^тпт-г^ттт'тт г-гапрщг ттп ntm ттртгстст ч упгигетя ттгт С. ТТОМОГПТ.Ю СрЯТЩеНИЯ 7TBVX

алгоритмов - комбинированного и чисто корреляционного - представляется возможным сделать вывод, что корреляционный алгоритм хуже давит всплески эхосигналов, в комбинированном же данный недостаток устраняется за счет действия ЭК, адаптирующегося по алгоритму НМНСК;

7) разработаны технические требования к характеристикам комбинированного эхокомпенсатора и к алгоритмам управления активностью таких ЭК на сетях связи;

8) рассмотрены системно-сетевые аспекты использования эхоподавляющих устройств на сетях связи и сформулированы рекомендации по созданию нормативной базы, адекватно отражающей структурные и системные вопросы размещения ЭПУ и управления их активностью на сетях мобильной связи.

Публикации по теме диссертации

1. Рогацкая М.А., Шаврин С.С. Основные алгоритмы адаптации, используемые для компенсации эхосигналов // Депонирована в ЦНТИ «Информсвязь» 14.06.03. 2227св2003 - С. 88-92.

2. Рогацкая М.А., Шаврин С.С. Особенности подавления эхосигналов для систем мобильной связи // Депонирована в ЦНТИ «Информсвязь» 14.06.03. №2227св2003 -С. 93-98.

3. Рогацкая М.А., Шаврин С.С. Основные алгоритмы адаптации, используемые для компенсации эхосигналов в системах связи И Пятая международная научно-техническая конференция. Перспективные технологии в средствах передачи информации - ПТСПИ'2003. - Владимир: ВлГУ, 2003. Материалы конференции -С. 135-136.

4. Рогацкая М.А., Шаврин С.С. Особенности подавления эхосигналов в системах мобильной связи // Пятая международная научно-техническая конференция. Перспективные технологии в средствах передачи информации - ПТСПИ'2003,-Владимир: ВлГУ, 2003. Материалы конференции - С. 109.

5. Рогацкая М.А. Исследование динамических характеристик быстросходящегося звена компенсации комбинированного эхоподавигеля // Научная конференции профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава -Тез. докл. - М.: МТУСИ, 2003. - Книга 1. - С. 188.

6. Рогацкая М.А. Исследование динамических характеристик звена компенсации быстрой сходимости комбинированного эхоподавителя //. Депонирована в ЦНТИ «Информсвязь» 04.07.04. №2244св.2004 - С. 26-38

7. Мусатова О.Ю., Рогацкая М.А., Шаврин С.С. Результаты оптимизации характеристик корреляционного эхокомпенсатора // Тринадцатая межрегиональная конференция. Обработка сигналов в системах телефонной связи и вещания: Материалы конференции. - Москва - Пушкинские горы: 2004. - С. 126.

8. Рогацкая М.А. Модель комбинированного эхоподавителя для мобильных сетей связи и ее программная реализация, эхокомпенсатора // Тринадцатая межрегиональная конференция. Обработка сигналов в системах телефонной связи и вещания: Материалы конференции. - М. - Пушкинские горы: 2004. - С. 132-133.

9. Рогацкая М.А., Шаврин С.С. Исследование вопросов подавления эхосигналов в уплотненных телефонных каналах. эхокомпенсатора // Тринадцатая межрегиональная конференция. Обработка сигналов в системах телефонной связи и вещания: Материалы конференции. - М. - Пушкинские горы: 2004. - С. 134.

10. Аладин В.М., Рогацкая М.А., Шаврин Д.С. Измерение задержки эхосигналов без перерыва связи // Международная научно-техническая конференция. Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения: Материалы конференции. - М.: 2006. Тезисы доклада - Часть 2. - С. 248-251.

11. Рогацкая М.А., Шаврин С.С. Подавление электрического эха в мобильных сетях // Вестник связи. - 2007. - №1. - С. 39 - 42.

12. Абрамов В. А., Попов О. Б., Рогацкая М.А. Способ передачи и приема сигналов, представленных параметрами спектрально-модуляционного разложения и устройство для его осуществления. // Патент № 2224359 Россия от 20.02.2004 г. Б.И. №5 от 20.02.2004.

Подписано в печать 22.12.08. Формат 60x84/16. Объем 1,3 усл..п.л. _Тираж 100 экз. Заказ 201._'

ООО «Инсвязьиздат». Москва, ул. Авиамоторная,8.

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.

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.

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.

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.