AMR (Adaptive Multi-Rate)
При построении практически любой системы связи наиболее дорогую часть из ее стоимости занимает не каналообразующее оборудования, коммутаторы, оборудование обеспечения бесперебойности работы, а транспортные каналы, которые связывают распределенные элементы сети. Причем чем больше расстояние между элементами, тем выше стоимость реализации транспортной сети. Дополнительные затраты может создать сложный рельеф местности или высокие требования к надежности сети. В системах сотовой связи в силу необходимости обеспечения радио покрытия на большой территории элементы системы базовых станций (BSS) могут располагаться друг от друга на расстоянии до нескольких сотен километров. В связи с этим возникает потребность в рациональном использовании транспортных каналов. Наиболее очевидным способом экономии транспортных ресурсов является сжатие передаваемых по сети данных. Системы сотовой связи создавались в первую очередь для организации двусторонних голосовых соединений. Таким образом, основным видом передаваемых по ним данных является речь. Голосовые данные могут быть сжаты за счет снижения качества, но это может снизить конкурентоспособность компании, поэтому данный вариант может быть применен лишь в случае крайней необходимости. Другим вариантом уменьшения объемов голосовых данных является устранение избыточности. Речь, как и любой другой естественный источник информации, обладает некоторой избыточностью. Это означает, что тот же объем информации может быть передан в меньшем объеме данных. Главной задачей является поиск эффективного способа сжатия, который при минимальной потере качества сигнала и минимальных задержках в передаче сигнала будет обеспечивать максимальный коэффициент сжатия. Набор правил, и порядок их реализации для сжатия речевого сигнала получил название речевого кодека или вокодера.
В настоящее время существует целый набор различных кодеков применяемых во многих видах телефонной связи. Преимущественно в сотовой связи нашли широкое применение кодеки, основанные на алгоритме линейного предсказания речи – CELP (Code Excited Linear Prediction), суть которого будет рассмотрена ниже. Первым из таких кодеков в системах сотовой связи начали применять FR (Full Rate), который обеспечивает сжатие речи в 4 раз с 64 кбит/сек (основной цифровой канал) до 16 кбит/сек. Также широко применяются 2 других кодека: EFR (Enhanced Full Rate), который предлагает при той же скорости более высокое качество, а также HR (Half Rate), сжимающий сигнал до скорости 8 кбит/сек. Главным недостатком этих кодеков является невозможность настройки их параметров в соответствии со сложившейся в действительности обстановкой. В различные моменты времени система может испытывать перегрузки по числу абонентов, либо для некоторых абонентов может ухудшаться качество соединения. Для эффективной работы системы, а именно использования транспортных каналов, указанные выше факторы должны приниматься в расчет. Первым кодеком, который учитывает эти факторы стал AMR (Adaptive Multi-Rate), который был разработан ETSI (European Telecommunications Standards Institute) в 1999 году. В зависимости от факторов загрузки и качества соединения AMR работет на скоростях: 4.75, 5.15, 5.90, 6.70, 7.40, 7.95, 10.2 или 12.2 кбит/сек. Причем первые 6 скоростей позволяют задействовать на радио интерфейсе между базовой станцией (BTS) и мобильным телефоном (MS) лишь половину стандартного таймслота, так же как и для кодека Half Rate.
Кодек AMR основан на MR-ACELP (Multi-Rate Algebraic Code Excited Linear Prediction) – это кодек алгебраического линейного предсказания с несколькими скоростями. Принцип работы ACELP кодека основан на том, что речь сигнал имеет ненулевую функцию автокорреляции, т.е. данные передаваемые в данный момент имеют зависимость с данными, которые передавались до этого. С ростом удаленности по времени сегментов речи данные становятся менее зависимыми. На основании этого, можно вычислить с определенной погрешностью: какие данные будут передаваться в следующий момент времени по уже имеющимся данным. Для снижения погрешности, на передающей стороне вычисляют разницу между реальным и синтезированным сигналом и передают ее к приемной стороне. Общий принцип работы AMR кодека выглядит следующим образом: в начале, голосовой поток нарезается на сегменты равной длинны - 20 мс. После этого для каждого сегмента выделяются параметры речи в соответствии с CELP моделью. Именно они, а не речевой сегмент передаются к приемнику, который с помощью синтезирующего фильтра генерирует копию речевого потока. Благодаря множеству настроек сегмент оказывается очень похожим на исходный отрезок, поэтому речь остается узнаваемой, той же громкости и не теряет смысла. В зависимости от выбранной скорости AMR кодека могут применяется какие либо дополнительные процедуры, которые делают снижение качества речи практически незаметным и позволяют снизить опасность негативного воздействия на передаваемый сигнал из-за низкого качества соединения.
Пример изменения скорости кодирования кодека AMR в зависимости от качества соединения
Благодаря большому количеству скоростей, применяемых в кодеке AMR, каждое соединение может быть индивидуально подстроено под сложившуюся в системе ситуацию. Причем скорость может изменяться от сегмента к сегменту, т.е. каждые 20 мс. В случае если в системе не будет проблем с перегрузками, то будет использоваться скорость кодирования 12.2 кбит/сек, которая соответствует скорости кодека EFR и не уступает ему по качеству. В случае возникновения перегрузок на транспортных каналах скорость будет постепенно уменьшаться и чем выше будет загрузка, тем ниже скорость будет использоваться вплоть до 4.75 кбит/сек. Одновременно с этим контроллер базовых станций анализирует отчеты о качестве соединения. Наибольшая скорость кодирования обеспечивает наивысшую защиту в сложной шумовой обстановке. Таким образом, контроллер базовых станций постоянно анализирует целый набор параметров и подстраивает текущую скорость кодирования.
Кодек AMR требует для своего внедрения лишь upgrade программного обеспечения на всех элементах системы базовых станций и не требует аппаратных изменений. Практически все современные телефоны поддерживают этот кодек. AMR – это один из самых широко применяемых в настоящее время вокодеров. В системах сотовой связи третьего поколения, таких как UMTS, используется только этот кодек, а точнее его разновидность AMR-WB (Adaptive Multi-Rate Wideband). Благодаря возможности гибкой подстройки параметров он завоевал данный рынок по всему миру и успешно используется в американских, японских и западноевропейских телекоммуникационных, как стационарных, так и мобильных.
