Historie projektů

Výzkum vlivu okolního prostředí na vlastnosti rádiového kanálu a vývoj nových přístupů k hodnocení kvality služeb (QoS) multimedií v sítích 4G

SP2013/94

Přenosové prostředí významně ovlivňuje vlastnosti rádiového kanálu a s ním také kvalitu nabízené služby. Tento projekt je zaměřen na zkoumání vlivu vnějších podmínek na kvalitativní parametry konkrétních digitálních systémů se zaměřením na analýzu hovorových signálů. V současné době roste počet digitálních přenosových systémů masově využívaných mnoha uživateli. Jako příklady těchto systémů lze uvést radiokomunikační systémy druhé až třetí generace (GSM/UMTS), systémy digitálního televizního vysílání (DVB-T) či systémy WiMAX. Při provozu těchto systémů hraje významnou roli rádiový kanál, přes který se signál šíří k uživatelům. Vlastnosti tohoto rádiového kanálu nejsou ideální a jsou ovlivněny mnoha faktory, které degradují kvalitu signálu. S nárůstem počtu uživatelů a objemů přenášených dat se objevují nová, sofistikovanější digitální modulační schémata, která umožňují násobně zvýšit přenosovou rychlost oproti rychlosti modulační, která je fyzikálně limitovaná šířkou frekvenčního pásma a kvalitou kanálu vyjádřenou odstupem signálu od šumu. Typickou vlastností digitálního signálu je to, že je do určité míry imunní proti degradačním faktorům působícím v přenosové cestě, ovšem při překročení kritické meze působení těchto degradačních faktorů dochází ke kolapsu funkce celého systému. V boji proti těmto degradačním faktorům je v komunikačním systému používaná řada nástrojů – k nejúčinnějším patří kanálové kódování, které přidáním bitové redundance umožňuje do jisté míry lokalizovat a opravovat chybné bity. Dále je součástí systému schopnost vysílací strany přizpůsobit úroveň vysílacího výkonu poměrům v rádiovém kanálu. Přes všechna tato opatření však dochází k degradaci přenášené informace, která se projevuje výskytem chybných bitů vyhodnocovaných, jako BER (Bit Error Ratio). Pro provozovatele těchto systémů může být zajímavou informací model ovlivňování kvality přenosového signálu vnějšími podmínkami. Při znalosti tohoto modelu by bylo možné do systému implementovat funkci přizpůsobení systému aktuálním podmínkám. Základem pro vytvoření takovéhoto modelu by mohl být dlouhodobý sběr dvou typů dat: - Data charakterizující povětrnostní situaci – jako zdrojová data budou použita data meteostanice Institutu geoinformatiky a data meteostanice Katedry telekomunikační techniky, případně data ČHMÚ Ostrava–Poruba. - Data charakterizujících kvalitativní poměry v přenosovém systému – naměřená data rádiových systémů v rámci řešení tohoto projektu. Při použití vhodných metod dolování dat by pak mohl vzniknout model vyjadřující vztah mezi kvalitou signálů a povětrnostní situací. Uvažovanými použitelnými metodami v rámci dolování dat jsou: - Neuronové sítě - jedna z výpočetních metod IT. Umělá neuronová síť je struktura určená pro distribuované paralelní zpracování dat. - Coupled map Lattice - dynamický systém modelující chování nelineárního systému. Povětšinou je používán k modelování dynamického chaosu prostorově rozšířených systémů. - Bayesian Network - pravděpodobnostní grafický model reprezentující množinu hodnot a jejich podmínečné závislosti skrze orientovaný acyklický graf. V rámci řešení projektu SGS v roce 2012 jsme zajišťovali kontinuální měření a následnou analýzu signálu systému GSM. Měření probíhalo v městské části Ostrava-Poruba a nově bylo vybudováno měřící pracoviště v lokalitě obce Bukovec, které je představitelem venkovské lokality s menší hustotou okolních základnových stanic a řidší zástavbou. Rovněž jsme započali s měřením a analýzou signálu systému UMTS. Při návrhu metodiky měření signálů UMTS bylo potřeba vyřešit a odladit několik souvisejících technických problémů. Rovněž jsme v průběhu řešení projektu postupně metodiku optimalizovali, což vedlo k vylepšení celého procesu sběru, zpracování a analýzy dat. Vzhledem k délce trvání předcházejícího projektu však nebyl proměřen vliv atmosférických parametrů na šíření signálu UMTS a signálu GSM v lokalitě Bukovec v průběhu celého zimního a části jarního období. Pro uvedené metody dolování dat chceme zajistit více vstupních dat. V navazujícím projektu bychom proto rádi pokračovali v měření signálů GSM/UMTS a měření rozšířili o další rádiové signály jiných technologií jako např.: - O monitorování signálu digitálního televizního vysílání systému DVB-T. - O monitorování signálu digitálního rozhlasového vysílání systému T-DAB. - O monitorování signálu mikrovlnných spojů v pásmech 5 GHz a 10 GHz. Všechny výše uvedené systémy vykazují oproti dosavadním monitorovaným systémům GSM/UMTS následující odlišnosti: - tyto systémy nejsou určené pro mobilní komunikaci, - komunikace na jiných kmitočtech, - odlišná forma zpracování signálů, - měření a vyhodnocování dalších kvalitativních komunikačních parametrů typických pro daný rádiový systém. V projektu se dále budeme zabývat oblastí QoS multimediálních služeb v sítích 4G a konkrétně algoritmy objektivního hodnocení hlasu a videa. Očekáváme, že toto téma bude velmi žádané v přicházejících LTE sítích a vidíme potenciál uplatnění výsledků výzkumu pro mobilní operátory. V oblasti kvality hlasu je velmi zajímavý nedávno modifikovaný neitrusivní E-model, kde probíhá intenzivní výzkum a na našem pracovišti máme rovněž zkušenosti jak s úpravou algoritmů pro stanovení hovorové kvality, tak i s praktickou implementací. Zaměřili bychom se především na parametr zhoršení Idd, kde bychom simulovali vliv zpoždění na interaktivitu v hovoru v sítích 4G. Dále na parametr zhoršení Ie-efff, kde bychom hledali možnosti vylepšení stávajícího výpočtu v závislosti na ztrátovosti, typu kodeku a jeho odolnosti proti ztrátám s využitím maskování ztrát v řeči – PLC (packet loss concealment). V oblasti hodnocení kvality videa se budeme zabývat nejen referenčními metrikami jako PSNR (Peak SNR), SSIM (Structural Similarity Index) a VQM (Video Quality Metric), ale i nerefenčními přístupy založenými především na hodnocení vybraných artefaktů (blockiness, blurriness, noisiness). Právě druhý zmíněný přístup je vhodný pro real-time hodnocení kvality videa. Předpokládáme zapojení do aktivit ETSI, skupiny STQ (speech and Multimedia Transmission Quality), která se zaměřuje na kvalitu multimediálních služeb v sítích LTE.

2013

2013

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Skapa Jan Ing., Ph.D.