Studentská grantová soutěž - předchozí roky

Změny podmínek šíření rádiových signálů vlivem počasí

SP2012/180

Skapa Jan Ing., Ph.D.

01. 01. 2012 - 31. 12. 2012

Výzkum v oblasti vlivu počasí na šíření rádiových vln je ve větší míře zaměřen zkoumáním vlivu různých atmosférických parametrů na určité pásmo rádiových vln. Tento projekt je zaměřen na zkoumání vlivu povětrnostních 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 přenášeného signálu modulované nosné povětrnostními podmínkami. Při znalosti tohoto modelu by bylo možné do systému implementovat funkci přizpůsobení systému aktuálním povětrnostním 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 metodIT. 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 2011, který je možno v této oblasti z našeho pohledu charakterizovat jako projekt pilotní, jsme získali zkušenosti s kontinuálním měřením a následnou analýzou signálu systému GSM. Při návrhu metodiky měření signálů GSM 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 pilotního projektu však nebyl proměřen vliv atmosférických parametrů na šíření signálu GSM 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 signálu GSM a měření rozšířili zejména: • O monitorování signálu radiokomunikačních systémů 3. generace UMTS, který oproti systému GSM vykazuje následující odlišnosti:  komunikace na vyšších kmitočtech,  odlišná forma zpracování signálů,  měření a vyhodnocování jiných kvalitativních komunikačních parametrů. • O měření na místě, kde je možno očekávat horší podmínky pro příjem signálu – doposud měření probíhalo v městské oblasti v lokalitě Ostrava - Poruba, kde se vyskytuje vyšší počet základnových stanic a kde je zajištěn po většinu času kvalitní příjem signálu. S tím souvisí potřeba pořízení nové meteostanice a zařízení pro měření kvalitativních parametrů UMTS, která budou společně umístěna ve vytipované lokalitě s očekávanými horšími přijímacími podmínkami. Přenosové prostředí významně ovlivňuje kvalitu nabízené služby. Zatímco u datových služeb budeme sledovat ztrátovost paketů, tak u řeči a videa bude indikátorem kvality přenosu výstup vnímavostního modelu. Výsledná kvalita hlasového přenosu závisí na množství parametrů, které zahrnují okamžité fyzikální vlastnosti všech prvků, které tvoří komunikační řetězec. Z tohoto pohledu se nám jeví jako nejefektivnější cesta porovnání zdrojového a degradovaného signálu. Pro tento účel budeme používat metodu PESQ, (Peceptual Evaluation of Speech Quality) dle doporučení ITU-T. P.862. Technika výpočtu metody PESQ kombinuje robustní techniky časového zarovnání obou porovnávaných signálů a model smyslového vnímání. Samotný výpočet kvality řeči rozdělíme do následujících kroků: • V prvním kroku vytvořený model zarovná původní a degradovaný signál na stejnou konstantní výkonovou úroveň, která koresponduje s normální poslechovou úrovní používanou u testů subjektivních. • Ve druhém kroku oba signály projdou vstupním filtrem, který bude založen na FFT. • V krocích dalších budou signály časově zarovnány a „auditorně“ transformovány. Auditorní transformace u systému PESQ je založena na psychoakustickém modelu, který mapuje signály do přijímané hlasitosti v čase a frekvenci napodobováním určitých klíčových vlastností lidského ucha a odstraněním částí, které jsou nadbytečné a posluchačem neslyšitelné. Pro hodnocení kvality řeči vytvoříme pracoviště, které bude obsahovat vhodné mobilní koncové zařízení, ze kterého dokážeme jednak audio signál získat a jednak audio signál přes něj poslat. Kromě samotného modelu pro výpočet kvality řeči vytvoříme aplikaci, která vyšle audio signál přenosovým řetězcem a přijme degradovaný signál. Jelikož v metodě PESQ je nutná kalibrace modelu, tak použijeme již předpřipravené hlasové vzorky. V naší práci budeme sledovat, jakým způsobem se projeví povětrnostní podmínky na kvalitu poskytovaných služeb v mobilních sítích GSM/UMTS a vytvoříme komplexní analytický model popisující vzájemný vztah mezi přenosovým prostředím a kvalitou služby vnímanou z pohledu koncového uživatele mobilního terminálu.

Ing. Libor Michalek, Ph.D.
Ing. Michal Jahelka, Ph.D.
Ing. Roman Šebesta, Ph.D.
doc. Ing. Jan Žídek, CSc.
prof. Ing. Miroslav Vozňák, Ph.D.
Ing. Marek Dvorský, Ph.D.
Ing. Filip Řezáč, Ph.D.
Ing. Jan Skapa, Ph.D.
Ing. Petr Blaha
Ing. Jan Rozhon, Ph.D.
Ing. Jiří Vychodil
Ing. Karel Tomala
prof. Ing. Radek Martinek, Ph.D.
Ing. Martin Tomis, Ph.D.
Ing. Jakub Šafařík, Ph.D.
Ing. Pavol Partila, Ph.D.
Ing. Jiří Šlachta
Ing. Jaromír Továrek, Ph.D.
Bc. Petr Řepka

Hlavní cíle projektu:
• publikační činnosti typu SCOPUS a Web of Science (minimálně 3 výstupy)
• publikační činnost v impaktovaných časopisech (minimálně 1 výstup).

Projekt je plánován na 12 měsíců a jeho cíle jsou následující:
• zjištění korelace atmosférických parametrů s kvalitativními parametry rádiových signálů,
• zjištění vlivu stejných atmosférických parametrů na rádiové signály různých systémů,
• vyhodnocení míry degradace signálu v rádiových sítích vlivem zhoršených podmínek přenosu pro různé typy oblastí (městská, venkovská),
• vytvoření modelu popisující vzájemný vztah mezi přenosovým prostředím a kvalitou služby,
• navržení možného využití a implementace zjištěných skutečností do přenosových systémů.