CN101009688B - 一种承载和传输分组语音的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种承载和传输分组语音的方法，发送方将分组语音的报文按照重要性的高低分成几类数据，并根据不同的情况选择传输格式组合集将分组语音所分成的各类数据分别用各自的传输信道进行传输，传输中应用不等错误保护策略对数据进行保护；接收方合并所接收到的各类数据，生成分组语音报文。该方法适用于3G无线通信网络中，在对分组语音重要性高的数据提供适当的保护，从而在提高无线传输信道的传输效率的同时，减少带宽的浪费。
Description
技术领域
本发明涉及语音通信和无线通信技术领域，特别涉及一种承载和传输分组语音的方法。
背景技术
分组语音(Voice over IP，VoIP)技术以压缩的语音分组包的传输来实现语音数据的传输，占用资源少，由此带来的突出优点是成本很低，价格便宜，因此被认为商业前景巨大，并被应用于许多领域，特别是第三代(3G)无线通信系统中，其中包括采用了通用无线分组业务(General Packet RadioService，GPRS)的宽带码分多址(Wideband Code Division Multiple Access，WCDMA)系统。
WCDMA系统的网络架构图如图1所示，由用户设备(User Equipment，UE)101、无线接入网(Radio Access Network，RAN)102、核心网(CoreNetwork，CN)103和外部网络104组成，其中RAN 102进一步包括基站105和无线网络控制器(Radio Network Controller，RNC)106，CN 103进一步包括GPRS业务支持节点(Service GPRS Support Node，SGSN)107和GPRS网关支持节点(Gateway GPRS Support Node，GGSN)108。
WCDMA系统提供广播(BC)域、电路交换(Circuit Switch，CS)域和分组业务(Packet Service，PS)域的接入和传输。目前BC域提供系统内广播，CS域提供电路交换的业务的接入和传输，PS域提供分组业务的接入和传输，其中主要是互联网协议(Internet Protocol，IP)报文的接入和传输。VoIP报文通过基于用户数据报协议(User Datagram Protocol，UDP)/IP承载的实时传输协议(Real-time Transport Protocol，RTP)进行传输，因此也是在PS域中进行接入和传输。UE和外部网络之间的VoIP报文的传输过程如下：
以从UE到外部网络的传输为例，VoIP报文由UE 101通过无线链路的空中接口Uu以及基站105传输给RNC 106，再由RNC 106通过Iu接口传给SGSN 107，SGSN 107再将VoIP报文传送给GGSN 108，并有GGSN 108将VoIP报文发送到外部网络103；从外部网络到UE的传输则是按照相反的顺序进行传输。
在上述传输过程中，SGSN根据不同的业务的服务质量(Quality ofService，QoS)建立无线接入承载(Radio Access Bearer，RAB)，并将RAB映射到Uu接口和Iu接口，而RNC建立无线承载(Radio Bearer，RB)上，并将RB映射到Uu接口。Uu接口的协议结构如图2所示。从纵向来看，Uu接口分为接入层(AS)和非接入层(NAS)，AS通过如下业务接入点(SAP)：通用控制(GC)、通告(Nt)、专用控制(DC)为NAS提供业务。NAS分为三个协议层，从下到上依次为：
L1无线物理层，通过传输信道(Transport Channel)提供Uu口的数据传输服务；
L2数据链路层，又分为三个子层：媒体接入控制层(MAC)、无线链路控制层(RLC)、广播控制层(BMC)和分组数据聚合协议层(PDCP)；其中MAC利用L1无线物理层提供的数据传递业务向高层提供数据传递、无线资源和MAC参数的重新分配、测量报告等业务；RLC通过报文的分片、重组、确认重传、排序、流控等提供报文在RB上的传输；BMC提供广播服务；PDCP提供报文在RB上的分流、压缩等服务；MAC层通过与RLC层间的SAP向RLC层提供逻辑信道，逻辑信道分为两类：控制信道和业务信道，其中控制信道用来传送控制平面信息，包括广播控制信道(BCCH)、寻呼控制信道(PCCH)、专用控制信道(DCCH)、公共控制信道(CCCH)和共享信道控制信道(SHCCH)；业务信道用来传送用户平面信息，包括专用业务信道(DTCH)和公共业务信道(CTCH)；
L3网络层，包括无线资源控制层(RRC)，RRC处理UE和UTRAN间L3的控制平面信令，RRC主要完成下述功能：来自NAS和AS信息的广播，UE和UTRAN间RRC连接的建立、重建、维护和释放，用户平面无线承载的建立、重配和释放，RRC连接的无线资源的指配、重配置和释放等。
WCDMA系统中承载VoIP的RTP报文结构如图3所示。承载VoIP的RTP报文，以下简称为VoIP报文，包括头部和净荷两部分，其中头部又分为IP头部、UDP头部、RTP头部和AMR头部；净荷为采用自适应多速率(Adaptive Multiple Rate，AMR)编码后的语音数据。为了节约有限的空中借口Uu的带宽，在传输前，要将IP/UDP/RTP/AMR报文的头部进行压缩，压缩方式通常采用因特网工程任务组织(Internet Engineering Task Force，IETF)的鲁棒性头部压缩(ROHC)方法或实时协议头部压缩(Compressingof IP/UDP/RTP header，CRTP)方法。
在CS域中只需传输AMR语音数据，而不需要传输头部，为了提供对语音数据的不等错误保护，将AMR语音数据按照重要性从高到低分为三类：CLASS A、CLASS B和CLASS C，将每一类用不同的传输信道承载，并采用不等错误保护(Unequal Error Protection，UEP)的方式进行传输，即对重要程度高的AMR语音数据采用带宽需求量高的高级纠错方法，对重要程度低的AMR语音数据采用带宽需求量低的低级纠错方法，这样在节省带宽的同时又尽可能的保证通话质量。
但对于PS域来说，由于在传输AMR语音数据的同时还要传输头部，目前的做法是将压缩后的头部和AMR语音数据用同一个传输信道承载，这样就会带来如下问题：
如果对报文头部采用和AMR语音数据相同的错误保护策略，则会增加无效传输的比率，而使传输效率降低；这是因为报文头部的重要程度比AMR语音数据高，这体现在如果报文头部在传输中出现错误，则该报文头部所对应的报文即为无效报文，对该报文的传输为无效传输；而AMR语音数据在传输中发生错误，只要出错的AMR语音数据占报文中总的AMR语音数据的比重在一定范围以下，就不影响语音质量，对该报文的传输仍为有效传输；所以应当对报文头部采用更高级的错误保护策略以提高其正确率；
重要性最高的头部不能占用重要程度低的语音数据的带宽，造成了带宽的浪费。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于，提出一种在WCDMA系统中承载和传输分组语音的方法，在PS域中将承载了VoIP的IP报文的头部和语音数据分别采用相应的错误保护策略，并使用各自的传输信道进行传输，能够提高传输效率并减少带宽的浪费。
本发明方法包括如下步骤：
发送方对分组语音报文的报文头部进行压缩，将压缩后的报文头部和所述分组语音报文的承载语音数据的净荷中最重要的部分划分为A类数据，将净荷的其余部分按照重要性从高到低划分为B类和C类数据；
发送方根据不同的情况选择不同的传输格式组合集，将分组语音报文所分成的各类数据根据其重要性采用相应等级的错误保护策略，并用各自的传输信道按照所选择的传输格式组合集进行传输；所述各类数据用于在接收方侧被合并，并对其中的报文头部进行解压缩，生成分组语音报文。
所述分组语音报文头部为IP/UDP/RTP/AMR头部，所述压缩分组语音的报文头部为：采用鲁棒性头部压缩方法或实时协议头部压缩方法压缩分组语音的报文头部。
较佳地，所述发送方对分组语音报文的报文头部进行压缩之前，进一步包括：
分组语音报文的发送方和接收方协商并确定分组语音报文的划分方式和包括了传输格式组合集的无线承载配置参数；
所述用各自的传输信道按照所选择的传输格式组合集进行传输的传输方式为：依据协商确定的无线承载配置参数传输由分组语音报文划分成的各类数据；
所述各类数据用于在接收方侧被合并的合并方式为：接收方按照协商确定的传输格式组合集合并所接收到的各类数据。
以上所述的方法中，所述发送方为宽带码分多址WCDMA系统中的无线网络控制器，所述接收方为用户设备，所述将压缩后的报文头部和所述分组语音报文的承载语音数据的净荷中最重要的部分划分为A类数据，将净荷的其余部分按照重要性从高到低划分为B类和C类数据为：
无线网络控制器在分组数据聚合协议层将压缩后的报文头部和所述分组语音报文的承载语音数据的净荷中最重要的部分划分为A类数据，将净荷的其余部分按照重要性从高到低划分为B类和C类数据。
或者，所述发送方为用户设备，所述接收方为宽带码分多址WCDMA系统中的无线网络控制器，所述将压缩后的报文头部和所述分组语音报文的承载语音数据的净荷中最重要的部分划分为A类数据，将净荷的其余部分按照重要性从高到低划分为B类和C类数据为：
用户设备在分组数据聚合协议层将压缩后的报文头部和所述分组语音报文的承载语音数据的净荷中最重要的部分划分为A类数据，将净荷的其余部分按照重要性从高到低划分为B类和C类数据。
从以上技术方案可以看出，VoIP报文的发送方将VoIP报文的头部和语音数据划分为不同类的数据，其中对报文头部进一步采用压缩处理，并根据实际情况选择不同的传输格式组合集，对每一类数据分别采用相应等级的错误保护策略，并使用各自的传输信道进行传输。这样，就对报文头部实现了合理的保护，减小无效传输的比率，因而提高VoIP报文的传输效率；并且，可以根据实际情况灵活选择传输格式组合集，在报文头部所需带宽较大的情况下，报文头部可以占用重要程度低的语音数据的带宽，从而提高带宽的利用率。
附图说明
图1为WCDMA系统网络框架及VoIP报文的传输示意图；
图2为Uu接口的分层结构示意图；
图3为承载VoIP的RTP报文的格式图；
图4为本发明中RNC数据平面的处理过程示意图；
图5为本发明承载和传输VoIP报文的工作流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细阐述。
本发明的核心思想为：将PS域中包含IP/UDP/RTP/AMR头部的VoIP报文分为4类数据包，头部为1类数据包，语音数据分为3类数据包，并将其中的IP/UDP/RTP/AMR头部类采用头部压缩算法进行压缩以后，再与其余3类语音数据一起使用UEP方法进行传输。
在使用UEP方式传输数据时，通常在MAC和物理层会对传输信道的传输格式(Translate Format，TF)，传输格式集(Translate Format Set，TFS)以及它们之间的组合，即传输格式组合集(Translate Format Combine Set，TFCS)进行配置，然后发送方通过控制信道发送传输格式组合指示(Transport Format Combine Indicate，TFCI)给接收方，接收方通过解码TFCI即可获知发送方采用了怎样的TFC，从而接收方能够正确地解码发送方发来的数据。通过这些配置来对一些给定的传输格式组合的数据流进行传输，来实现对不同数据类的不同传输方式，对重要程度很低的数据甚至可以不传。
实施例一：工作流程可以简述为：从SGSN传来的VoIP数据流到达RNC后，RNC将报文分解为Class A，Class B，Class C和Class Header四类，其中Class Header为IP/UDP/RTP/AMR头部类，并将其进行头部压缩，RNC根据来自SGSN的RAB分配(Assignment)消息或其他消息携带的配置信息将语音数据分为Class A/B/C三类；然后将这四类采用UEP方法传送给UE。UE接收到各类的数据后，对Class Header进行了解压缩，再将四类合并为一个IP语音分组，并发送到上层协议栈。
RNC中数据平面的处理过程如图4所示，在该方案中RNC的PDCP层增加了一个分解器(Decomposer)，用于将配置好使用UEP的分组语音数据流分解为Class A，Class B，Class C和Class Header四类，并在对ClassHeader类数据流采用了头部压缩。由于压缩后的头部大小会随着压缩方法而改变，甚至在使用同一种压缩方法的情况下，也会随着不同效率而改变，因此，在考虑对IP/UDP/RTP/AMR头部采用压缩的同时，还需考虑压缩后数据传输的方式，即配置适当的TFCS。在本发明定义的TFCS中，如果ClassHeader压缩后的长度小于等于定义给该类的传输块(Transport Block，TB)的长度，就直接利用TB进行传输；如果Class Header压缩后的长度大于定义给该Class的TB长度，可以利用Class C、Class B甚至Class A的TB传输Class Header。
实施例一的具体实现方法如图5所示，包括如下步骤：
步骤501：对于各种编码类型的AMR语音数据，配置Class Header、Class A、Class B和Class C的划分方法，具体为：Class A/B/C的划分方式和现有技术保持一致，定义Class Header的长度为IP/UDP/RTP/AMR头部的长度，即40×8+10＝330比特，其中10为通常AMR头部长度，这里假设为IPv4，下同。具体划分方式如表1：
| 数据帧类型 | AMR 编码类型 | 总长度 (比特) | ClassA (比特) | ClassB (比特) | ClassC (比特) | Class Header (比特) |
| 0 | 4,75 | 425 | 42 | 53 | 0 | 330 |
| 1 | 5,15 | 433 | 49 | 54 | 0 | 330 |
| 2 | 5,90 | 448 | 55 | 63 | 0 | 330 |
| 3 | 6,70 | 464 | 58 | 76 | 0 | 330 |
| 4 | 7,40 | 478 | 61 | 87 | 0 | 330 |
| 5 | 7,95 | 489 | 75 | 84 | 0 | 330 |
| 6 | 10,2 | 534 | 65 | 99 | 40 | 330 |
| 7 | 12,2 | 574 | 81 | 103 | 60 | 330 |
表1.实施例一中VoIP报文的划分方式
步骤502：UE与RNC按照一定的信令流程协商所划分的Class A，ClassB，Class C和Class Header RB配置参数，该RB配置参数不仅包括通常需要协商的内容，比如采用的信道码、业务数据单元(Service Data Unit，SDU)错误率和冗余比特错误率等，还包括使用头部压缩后的头部流和Class A，Class B，Class C三种类型数据流一起采用UEP传输时需要定义的TF和TFCS等。具体协商过程可参照现有技术中的信令流程，本发明对此不作限制。
以表1中数据帧类型7为例，其中对Class Header类中的IP/UDP/RTP头部采用ROHC R模式进行头部压缩。压缩方发送的头部分组长度随不同情况发生变化，具体如下：
在上下文(Context)初始化和更新(Initial and Refresh，IR)状态时，IP/UDP/RTP头部压缩后的分组长度小于或等于40字节(假设IR分组不带净荷)，即320比特，加上AMR头部大小10比特后压缩方发送的头部分组长度最大为330比特；
在稳定状态时，若不考虑UDP校验和，IP/UDP/RTP头部压缩后的分组长度为1--2个字节，即8-16比特，加上AMR头部大小10比特后压缩方发送的头部分组长度为18-26比特；
在上下文更新状态时，IP/UDP/RTP头部压缩后的分组大小在2--40字节之间，加上AMR头部大小后压缩方发送的头部分组长度在26-330比特之间。
若采用0比特PDCP头部，RLC透明模式，以及专用信道(DedicatedChannel，DCH)传输时，则不需要再加任何头部开销。
因此定义Class Header的TFS为：TF0，TF1，和TF2。其中TF0为0x320，TF1为1x16，TF2为1x320，单位都是比特，而数据帧类型7的TFCS如表2所示：
表2.实施例一的RB配置参数
按照如表2所示的RB配置参数，对Class Header和Class A采用1/3Turbo码和16位循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check，CRC)，而对Class B和Class C采用1/2Turbo码并且不使用CRC，因此Class Header和Class A的重要性要高于Class B和Class C。发送完全压缩的头部，即ClassHeader采用TF1时，需要发送Class Header，Class A，Class B和Class C类型数据流，TFC选择为(TF0，TF1，TF1，TF1，TF1)；在发送未完全压缩的头部，即Class Header采用TF2时，只发送Class Header和Class A类型数据流，TFC选择为(TF0，TF1，TF0，TF0，TF1)。从这里可以看出，当传输的头部长度较长时，可以不传重要性较低的Class B/C的数据，将它们占用的带宽暂时让给重要性最高的Class Header使用。
步骤503：RNC接收来自SGSN的包括了IP/UDP/RTP/AMR头部和AMR语音数据的VoIP报文，并将所收到的报文按照步骤501定义的规则在PDCP层的分解器中划分为Class A，Class B，Class C和Class Header四类，并将这四类数据用步骤502所配置好的RB参数分别进行传输。
步骤504：在RNC的PDCP层对Class Header类数据流进行头部压缩，本实施例采用ROHC方式。
步骤505：在RNC的MAC层根据Class Header类所在的DTCH中数据包的大小决定所采用的TF，并将该传输格式指示(TFI)信息传输给物理层；并在物理层将TFI组合成TFC，并将编码TFC后得到的TFCI通过专用物理控制信道(DPCCH)发送给UE。
其中，组合出TFC的方式如下：对Class Header的长度进行判断，若Class Header的压缩后的长度小于等于2字节，则采用的TFC为(TF0，TF1，TF1，TF1，TF1)；反之，则采用的TFC为(TF0，TF1，TF0，TF0，TF2)。
步骤506：在RNC的物理层按照协商好的错误保护参数，对各个数据流采用不同的错误保护，再根据已决定的TFC选择相应的复用方式，最后通过无线传输信道发送给UE。
步骤507：UE收到数据流后，按照收到的TFCI解码得到TFC，根据TFC将数据解复用，将Class Header类的数据进行ROHC解压缩，并将ClassHeader、Class A，Class B，Class C合并还原成VoIP报文。
若传输中丢弃了部分AMR语音数据，则在将这四类数据合并之前，需要进一步修改还原后的VoIP净荷长度的标识字段。以数据帧类型7的VoIP报文为例，净荷总长度为244比特，如果丢弃了Class C，则净荷总长度减少Class C的长度60比特，即为184比特，因此将净荷长度的标识字段由244比特改为184比特。
实施例二：本实施例与实施例一的区别在于，RNC将来自SGSN的VoIP数据流分成三类：Class A，Class B，Class C，其中Class A为经过了头部压缩操作的头部和重要性最高的语音数据，Class B/C为重要性较低的语音数据，具体定义方式为：Class B/C和实施例一以及现有技术的定义保持一致，Class A为实施例一中Class A和Class Header的长度之和，如表3所示：
| 数据帧类型 | AMR 编码类型 | 总长度 (比特) | ClassA (比特) | ClassB (比特) | ClassC (比特) |
| 0 | 4,75 | 425 | 372 | 53 | 0 |
| 1 | 5,15 | 433 | 379 | 54 | 0 |
| 2 | 5,90 | 448 | 385 | 63 | 0 |
| 3 | 6,70 | 464 | 388 | 76 | 0 |
| 4 | 7,40 | 478 | 391 | 87 | 0 |
| 5 | 7,95 | 489 | 405 | 84 | 0 |
| 6 | 10,2 | 534 | 395 | 99 | 40 |
| 7 | 12,2 | 574 | 411 | 103 | 60 |
表3.实施例二中VoIP报文的划分方式
根据这样的数据划分方式，配置相应的RB参数，即TFC和TFCS，同样以数据帧类型7为例，其RB配置参数如表4所示：
表2.实施例二的RB配置参数
按照上述的数据划分方式和RB参数配置方式，按照与实施例一相同的流程即可完成实施例二的VoIP报文的承载和传输。
在上述两个实施例中，步骤504的头部压缩方式和步骤507的头部解压缩方式也可采用CRTP方式。
以上所述实施例的IP/UDP/RTP/AMR头部中的IP是IPv4，而实际上该方法也可应用于IPv6，只需将头部长度由40×8+10＝330比特改为60×8+10＝490比特，并且在TFC中对Class Header的TF进行相应的修改。
以上所述的实施例都是以RNC设备向用户设备发送VoIP报文为例，但本领域技术人员应当认识到，只要是传输带有报文头部的VoIP报文的场合，特别是采用无线方式传输带有报文头部的VoIP报文的场合都可以应用本发明的方法，其中至少应当包括从用户设备向RNC设备发送VoIP报文的情况。
本发明方法除了应用于WCDMA系统，也可应用于其它的3G系统中，如TD-SCDMA、CDMA2000等
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种承载和传输分组语音的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
发送方对分组语音报文的报文头部进行压缩，将压缩后的报文头部和所述分组语音报文的承载语音数据的净荷中最重要的部分划分为A类数据，将净荷的其余部分按照重要性从高到低划分为B类和C类数据；
发送方根据不同的情况选择不同的传输格式组合集，将分组语音报文所分成的各类数据根据其重要性采用相应等级的错误保护策略，并用各自的传输信道按照所选择的传输格式组合集进行传输；所述各类数据用于在接收方侧被合并，并对其中的报文头部进行解压缩，生成分组语音报文。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分组语音报文的报文头部为IP/UDP/RTP/AMR头部，所述压缩分组语音的报文头部为：
采用鲁棒性头部压缩方法或实时协议头部压缩方法压缩分组语音的报文头部。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述发送方对分组语音报文的报文头部进行压缩之前，进一步包括：
分组语音报文的发送方和接收方协商并确定分组语音报文的划分方式和包括了传输格式组合集的无线承载配置参数；
所述用各自的传输信道按照所选择的传输格式组合集进行传输的传输方式为：依据协商确定的无线承载配置参数传输由分组语音报文划分成的各类数据；
所述各类数据用于在接收方侧被合并的合并方式为：接收方按照协商确定的传输格式组合集合并所接收到的各类数据。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发送方为宽带码分多址WCDMA系统中的无线网络控制器，所述接收方为用户设备，所述将压缩后的报文头部和所述分组语音报文的承载语音数据的净荷中最重要的部分划分为A类数据，将净荷的其余部分按照重要性从高到低划分为B类和C类数据为：
无线网络控制器在分组数据聚合协议层将压缩后的报文头部和所述分组语音报文的承载语音数据的净荷中最重要的部分划分为A类数据，将净荷的其余部分按照重要性从高到低划分为B类和C类数据。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发送方为用户设备，所述接收方为宽带码分多址WCDMA系统中的无线网络控制器，所述将压缩后的报文头部和所述分组语音报文的承载语音数据的净荷中最重要的部分划分为A类数据，将净荷的其余部分按照重要性从高到低划分为B类和C类数据为：
用户设备在分组数据聚合协议层将压缩后的报文头部和所述分组语音报文的承载语音数据的净荷中最重要的部分划分为A类数据，将净荷的其余部分按照重要性从高到低划分为B类和C类数据。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的方法，其特征在于，所述选择传输格式组合集的方式为：
判断最重要的一类数据的长度是否超过该类的传输块的长度，如果超过，则选择丢弃非重要数据的传输格式组合集；如果未超过，则选择保留非重要数据的传输格式组合集。
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