Studentská grantová soutěž - předchozí roky

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

SP2013/94

Skapa Jan Ing., Ph.D.

01. 01. 2013 - 31. 12. 2013

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.

Ing. Petr Machník, Ph.D.
Ing. Libor Michalek, Ph.D.
Ing. Roman Šebesta, Ph.D.
Ing. Zdeněk Tesař
doc. Ing. Jan Žídek, CSc.
Dr. Ing. Libor Gajdošík
Ing. Radek Novák, Ph.D.
prof. Ing. Miroslav Vozňák, Ph.D.
Ing. Marek Dvorský, Ph.D.
Ing. Filip Řezáč, Ph.D.
Ing. Jan Skapa, Ph.D.
Ing. Jiří Vychodil
Ing. Karel Tomala
Ing. Lukáš Kapičák, Ph.D.
Ing. Petr Blaha
prof. Ing. Radek Martinek, Ph.D.
Ing. Jan Rozhon, Ph.D.
Ing. Martin Tomis, Ph.D.
Ing. Miroslav Bureš
Ing. Jakub Šafařík, Ph.D.
Ing. Martin Mikulec
Ing. Pavol Partila, Ph.D.
Ing. Jiří Šlachta
Ing. Jaroslav Frnda, Ph.D.
Bc. Pavel Podstawka

V naší práci budeme sledovat, jakým způsobem se projeví atmosférické podmínky, a také vlastnosti okolního prostředí na kvalitu poskytovaných služeb v systémech GSM/UMTS, DVB-T, T-DAB a mikrovlnných spojích. Z těchto měření metodami dolování dat zjistíme závislosti mezi vlastnostmi přenosového prostředí a kvalitou služby. Cílem je vytvoření komplexního analytického modelu, popisujícího vzájemný vztah mezi přenosovým prostředím a kvalitou služby vnímanou z pohledu koncového uživatele mobilního terminálu.

Časový harmonogram projektu:

Leden až březen 2013
- pokračování v měření a vyhodnocování dat pro systémy GSM/UMTS dle metodiky stanovené v rámci řešení předchozího projektu,
- návrh veličin, charakterizují sledované typy dat,
- návrh metodiky měření signálu DVB-T, T-DAB a mikrovlnných spojů,
- automatizace procesu dlouhodobého měření a archivace naměřených dat ve vhodném formátu,
- návrh a příprava metod pro vyhodnocení naměřených dat,
- volba optimální přístrojové techniky,
- pořízení potřebného vybavení.

Duben až září 2013
- sestavení měřících pracovišť pro DVB-T, T-DAB a mikrovlnných spojů,
- průběžné vyhodnocování naměřených dat,
- měření kvalitativních parametrů testovaných signálů,
- analýza hovorových signálů.

Říjen - prosinec 2013
- optimalizace modelu,
- vyhodnocení naměřených dat.


Výsledky projektu budou, stejně jako v roce 2012, prezentovány na významných konferencích s výstupy indexovanými v uznávaných databázích. Bude také prazentovám v indexovaném neimpaktovaném nebo impaktovaném časopise.