Half rate (HR)
Система сотовой связи представляет собой распределенную сеть, элементы которой могут находиться на расстоянии до нескольких десятков или даже сотен километров. Для связи удаленных элементов применяются различные транспортные системы: РРЛ, проводные, оптоволоконные. Из-за большой протяженности таких систем необходимо как можно более эффективно их использовать. Одним из возможных способов рационализации использования транспортных каналов является сжатие передаваемых по них данных. Главным видом передаваемых данных, т.е. то ради чего системы сотовой связи создавались, является услуга «Телефония». Речь может быть сжата двумя основными способами, наиболее простым из которых является уменьшение скорости речевого потока за счет снижения сжатия. Однако такой способ не подходит для коммерческих систем, где борьба идет за каждого абонента. Другим способом является удаление избыточности из передаваемых данных. Речь, как и любой другой естественный источник информации, обладает некоторой избыточностью. Это означает, что речь может быть сжата без ущерба информационной содержательности или снижения качественных характеристик. Набор правил, который содержит инструкции: как обрабатывать речь для ее сжатия называют речевыми кодеками. В настоящее время существует достаточно много различных кодеков, применяемых практически во всех системах телефонии. В сотовой связи одним из первых появившихся речевых кодеков является FR (Full Rate). FR позволяет сжимать исходный речевой поток от скорости 64 кбит/сек до 13,2 кбит/сек. После добавления некоторой служебной информации сжатая речь может быть передана по каналу с пропускной способность 16 кбит/сек. Практически одновременно с этим кодеком организация ETSI (European Telecommunications Standards Institute) разработала спецификации для другого кодека Half Rate. В отличие от Full Rate этот кодек позволял сжимать данные до скорости 5,6 кбит/с. После добавления служебной информации для результирующего сжатого потока необходима полоса пропускания 8 кбит/сек. Это удваивает пропускную способность транспортных каналов и радио ресурсов на интерфейсе между мобильной станцией (MS) и базовой (BTS).
В основе работы кодека Half Rate лежит алгоритм VSELP (Vector-Sum Excited Linear Prediction), который относится к семейству кодеков CELP (Code Excited Linear Prediction). Принцип его работы основан на том, что передаваемые в данный момент данные имеют некоторую зависимость от данных, которые передавались перед настоящим временем. Таким образом, можно предугадать какие данные будут переданы в следующий момент по предыдущим отсчетам. Чтобы уменьшить погрешность передают ряд параметров о предстоящем отрезке сигнала, однако их объем гораздо меньше, чем объем всего отрезка сигнала.
Общий алгоритм работы кодека Half Rate выглядит следующим образом: передаваемый сигнал нарезается на сегменты размером 20 мс. После этого, для каждого сегмента вычисляются 18 параметров речи. Они основаны на информации содержащейся не только в текущем сегменте, но и в предыдущих. Все параметры можно разделить на 3 группы: энергетические, спектральные и параметры возбуждения фильтра, т.е. инициализации синтезирующего устройства. Именно эти параметры, а не сам сегмент передаются к приемной стороне. Приемник сигнала содержит речевой декодер, который подготавливает параметры возбуждения фильтра и энергетические параметры и формирует входящую последовательность для фильтра, который с использованием спектральных параметров восстанавливает исходный сегмент.
Преимущества кодека Half rate
Для реализации кодека HR на сети стандарта GSM не требуется аппаратной модернизации, необходимо только обновление программного обеспечения: TC, BSC, BTS и MS. При этом на радио интерфейсе между MS и BTS используется лишь половина стандартного таймслота. Другая половина может быть занята другим соединением с такой же кодировкой.
Кодек Half Rate позволяет сжимать стандартный цифровой речевой поток до скорости 5,6 кбит/сек. Это более чем в 10 раз ниже пропускной способности основного цифрового канала (ОЦК) равной 64 кбит/сек. Однако HR обеспечивает более низкое качество, нежели Full Rate. Поэтому он обычно используется вместе с Full Rate в режиме Dual Rate (DR). По умолчанию, при низкой загрузке, используется кодек Half Rate. После достижения определенного порога загрузки каналов на радио соединении контроллер для новых соединений выделяет каналы Half Rate, в случае если мобильный телефон поддерживает этот кодек. Таким образом, в системе обеспечивается баланс между загрузкой системы и качеством предоставляемых услуг.
