CN101069221B

CN101069221B - 无线voip的编码解码器辅助的容量增强

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Publication number: CN101069221B
Application number: CN2004800412203A
Authority: CN
Inventors: 史蒂文·克雷格·格里尔
Original assignee: Nokia Oyj
Current assignee: Rock ND investments limited liability company
Priority date: 2003-12-19
Filing date: 2004-12-14
Publication date: 2010-05-05
Anticipated expiration: 2024-12-14
Also published as: WO2005060340A2; KR20060121938A; WO2005060340A3; TW200534612A; CN101069221A; EP1733331B1; US7546508B2; EP1733331A4; EP1733331A2; US20050137857A1; KR100950538B1; TWI326162B

Abstract

用于语音通信传送的蜂窝系统的包数据信道的使用是通过根据如下算法动态地控制(30)由接收器(350)错误接收的而且通报给发射器(305)的数据包的传输来增强的，该算法将帧的感知质量重要性的自生成确定纳入考虑之中而且由语音编码器为每个帧生成一次。帧重要性的计算与编码解码器相关，而且依赖于与每个特定帧相关联的多个属性，包括帧速率(对于可变速率的编码解码器)、信号分类、转变特性、背景噪声、先前帧消除等。对于发射和重发的有选择的减少在维持或者甚至改进所接收的话音信号的质量的同时增加了蜂窝系统的容量。

Description

无线VOIP的编码解码器辅助的容量增强

技术领域

本发明的领域涉及用于传送语音或其他实时通信的无线或其他系统的使用。

背景技术

在当今的蜂窝网络中，空中接口上的语音通信是通过为呼叫的持续时间而保留的电路交换链路或信道来运送的。将来，包括话音通信的所有数据转移将使用无连接的链路上传送的信息包来运送。对于话音通信的情况，这已知为互联网协议上的话音(VoIP)。

语音质量与系统容量之间的基本权衡存在于所有蜂窝网络中。在其他方面相等时，其中一个的增加造成另一个的减少。当使得语音编码解码器(codec)在压缩语音中更为高效，造成更高的系统容量和/或改进的话音质量时或者当改进空中接口本身，也造成更高的系统容量时实现了改进。

以往系统容量的增加和话音质量的改进已经通过独立地改进语音编码解码器和传送其编码帧的空中接口来实现。作为例子，在cdma

中，IS-127语音编码解码器标准已经为IS-893标准所取代。通过对空中接口的改进，cdma2000的修订0相对于IS-95及其修订而言显著地增加了系统的容量。这些标准修订反映了对cdma2000设备的主要升级。除这些途径之外而且对这些途径有所补充，本发明能够实现进一步改进。

除了在编码解码器与传送其输出的信道之间建立链路之外，从解码器到编码器的反馈的使用为蜂窝系统容量与话音质量之间的权衡的进一步优化开启了大门，该优化不影响语音编码解码器或承载其编码帧的信道的基本操作。话音通信从电路交换信道到包交换信道的转变为引入这些改进提供了契机。

cdma2000空中接口标准现在将包数据信道定义为用于在空中接口上传送数据包。此包数据信道是为了在必要时通过反复重发来以很低的错误概率传送对延迟不敏感的数据的高速突发而优化的。假设所有包同等地重要而且都是基本的。

反言之，代表语音的数据的属性包括低速度、非突发性、延迟敏感性和容错性。已知的是并非所有包在感知上是等效的。这些独特的语音属性并未通过包数据信道的设计而被纳入具体的考虑之中。这样，当前系统通过重发并非必需的包来利用了额外资源而且因此减少了吞吐量。

在cdma2000包数据信道能够如定义的那样用来传送语音信息的同时，除了将具体的应用(语音编码)链接到传送编码语音的信道之外，通过将具体的语音本性纳入考虑之中能够实现改进。

当前的蜂窝系统通过电路交换连接来运送语音。在语音编码解码器与传送该编码解码器的编码信息帧之间的位置没有中间层通信。此外也没有从语音解码器到语音编码器的反馈。

发明内容

本发明涉及一种以在有利的时候允许包被漏掉的方式在包网络上传输语音数据的系统.

本发明的特征是语音重要性单元，该单元向包数据控制器提供了对于语音数据帧的相对重要性的指示。

本发明的特征是向允许漏掉重要性较低的包的发射器提供反馈。

本发明的另一特征是通过语音编码器生成对于帧的感知质量重要性的指示。

本发明的又一特征是帧的感知质量重要性对于当前帧的速率和帧错误史的依赖性。

本发明的又一特征是量化到N个级的帧重要性指示符。

本发明的又一特征是依赖于至少两个输入量的帧重要性指示符，该至少两个输入量包括帧重要性、错误率和系统容量中的至少两个。

附图说明

图1图示了具体表现本发明的系统的一部分。

图2图示了各种优先级类别的映射。

图3图示了具体表现本发明的系统的整体图。

具体实施方式

图3示意性地图示了运用本发明而且包括移动电话手持机305的系统，该手持机连同通常麦克风、电池、扬声器、RF发射器等一起具有发射控制30和编码器10，这些常规元件示意性地包含于代表305中。箭头340代表了信号在手持机与用于手持机所在特定小区的基站350之间的RF传输。

如上面讨论的，根据本发明的系统有选择地抑制包的重发。

由于空中接口通常地是系统最具限制性的部分，所以这里的重发抑制在改进容量中将通常是最有效的。

本发明定义了语音帧重要性指示符，该指示符向包数据信道的调度器提供了对语音数据帧的相对重要性的指示。此指示符是对帧的感知质量重要性的自生成的确定，而且通过语音编码器来为每个帧生成一次。帧重要性的计算是与编码解码器相关的，而且能够依赖于与每个特定帧相关联的许多属性，包括帧速率(对于可变速率的编码解码器)、信号分类、转变特性、背景噪声等。

回到图3，基站350在常规的配置中与电话网络360连接，该电话网络连同许多其他可能性一起与可以是有线电器装置或者可以是另一移动手持机的对应客户手持机390连接。

分别标记为互联网和内联网的可选框370和380指示了呼叫可以在使用互联网协议的专用网(内联网)或互联网上传递。在说明性的实施例中，语音是使用VoIP系统在包中编码的，从而整个系统可以使用常规电话网络和/或互联网或内联网。

例如，基站350可以是常规配置的部分，其中用户对于移动服务提供商具有账户，该移动服务提供商供应基站以及基站与本地电话公司之间的连接。所讨论的呼叫可以在电话网络上寻路由到能够连接到电话网络的电器装置390的任何用户。在变形中，被叫用户可以是发送者的同事而且连接到由发送方和接收方的雇主维护的相同内联网。

在另一变形中，用户可以选择在互联网上为他的呼叫寻路由，在此情况下语音数据将在本地电话公司的设备上发送到一个接入号的发送方的互联网服务提供商、，然后在互联网上发送。手持机390可以连接到接收方的调制解调器或者连接到接收方位置中的本地电话公司。

上文说明了使用VoIP系统的有利特征在于为呼叫寻路由提供了额外的灵活性。

图1图示了图3系统的一部分，其示出了手持机305和基站350的多个部分。在图的左侧，麦克风12将代表用户语音的信号发送到语音编码器10。编码器10在线路15上将信号(常规信号)发出到包数据信道40。方框40是在图3中通过箭头340来代表的RF发射器/接收器等的代表。在图1的右侧，方框50代表了基站350的部分，该基站接收包(包括例如RF接收器、解调器、解码器等)而且在线路45上将ACK/NAK信号发回到方框30，如下所述。线路45上的信号可以附加地包括经处理的信号，该信号代表在适当的时间段上平均的对于此特定手持机的帧错误率，以给出对能够影响信号传输的各种因素的指示，比如信号路径中的障碍、环境中的噪声、其他手持机对系统容量的或重或轻的负载等。该处理可以在方便之处完成-在基站350中或者在移动服务提供商的其他装置中，只要能从其他基站更为容易地存取数据即可。优选地，该数据是与手持机305所用信道最相关的数据。

在图1的中央，方框30使用比如定时、功率控制等的常规功能，而且也有选择地对认为不值得重发的包的重发进行抑制，来控制沿着包信道的包传输。此特征代表了与常规包系统的设计的显著不同，这些常规包系统被建立为重发包直至它们被成功地接收或者已达到超时限制为止。

在图1中，方框50在接收器中，方框40代表信道，而其他单元则位于发射器中。在基站和移动手持机二者中将有对应的功能单元，因为它们都发射和接收。对应的单元不必雷同，因为手持机将一般由与供应基站的制造商不同的制造商制造，而且也因为手持机的功率和重量受到限制。

方框30具有来自接收器50的ACK/NAK信号作为输入。NAK信号充当对重发功能的控制；以及来自优先级确定单元20的在线路22上的输入，该优先级确定单元接收许多输入，在说明性的情况下接收三个输入，它们代表：a)特定帧的重要性，其由编码器10计算并且沿着线路14发送；b)来自接收器50的ACK/NAK信号和/或错误率信号；以及c)扇区容量状态，其沿着线路17来自于在基站350中未示出的装置，该装置保持对与系统容量相比的系统负载的连续记录。

当系统为轻负载时，重发包直至它们被成功地接收为止不会显著地影响操作。当系统为重负载时，对于其他用户的整体传输质量能够通过不发射较为不重要的包来加以改进，这些包并不显著地贡献于正在传输的语音的质量，因为解码器能够执行错误隐藏。

因此，通过丢弃低优先级的帧，所有用户的语音质量可以通过减少拥堵和允许重发最重要语音帧来加以增强。

用于语音的当前定义的cdma2000服务选项是电路交换的.语音帧经编码而且发射到接收器，而cdma2000系统控制发射功率，使得帧的约1％被错误地接收.发射端，具体地说是语音编码器，对于语音解码器错误接收的具体帧一无所知.此外，所有语音帧被传送它们的cdma2000空中接口认为是同等地重要.cdma2000包数据信道被设计用来通过(如有必要)包的反复传输以高的可靠性来递送数据包.这样的包重发减少了蜂窝系统的容量.尽管重发对于许多类型的数据(损失敏感的、延迟不敏感的)是必要的，但是这对于语音数据却未必如此.

与电路交换系统相对照，用于语音数据传输的包数据信道的使用允许语音信道的接收端具有以信号向发射端发送语音帧是否已正确接收的能力，例如与cdma2000包数据信道相关联的ACK/NAK反馈。

此反馈与来自语音编码器的帧重要性指示符相结合地使用来确定经编码的语音帧是否需要重发或者甚至确定是否有必要全部地发射语音帧。换句话说，如果允许编码解码器在一些限制之内选择可以损失的帧，则能够容许甚至更大的帧错误率。对于发射和重发的这一有选择的减少在维持或者甚至改进所接收的话音信号的质量的同时增加了蜂窝系统的容量。此外，ACK/NAK信号能够由语音编码器本身用于基于对解码器处的错误条件的了解来对如何进行语音编码做出决策。

简言之，本发明的重要概念在于对由语音编码器计算的帧重要性指示符的定义以及对此帧重要性指示符与来自该信道的反馈相结合的使用以对包的发射或重发做出决策以力求改进系统容量和/或语音质量。具体来说，该应用本身(语音编码解码器)向空中接口提供了与每个编码帧的相对感知重要性有关的信息。此概念包含了从语音解码器到编码器的反馈连同从该应用(语音编码解码器)到包数据信道的中间层通信一起的使用。

为cdma2000系统设计的当前语音编码解码器在本质上是可变速率的。每个语音(或静默)帧被编码到与最初设计它们时所针对的cdma2000电路交换速率集相对应的四个速率之一。作为例子，全速率帧比八速率帧运送更多信息，而且一般来说如果错误接收则造成更大的语音质量降级。八速率帧用来对在扬声器静默时背景噪声进行编码。这些帧的更高错误率通常是能够容许的。

另一因素在于，编码语音的帧从感知语音质量的意义上能够在重要性上不同，即使它们是相同速率的。多少与编码解码器有关的这一属性仅能够在语音编码器处加以量化。也就是，对于语音编码器存在有提供对创建的编码语音帧的相对重要性的量化度量的可能。在易出错的信道比如蜂窝系统中，接收的语音的质量不仅依赖于编码语音的内在质量而且依赖于接收帧的帧错误率以及帧错误的分布。帧错误的突发比随机错误要远远有害得多，但令人遗憾的是其在蜂窝系统中却更普遍。为易出错的环境而设计的语音解码器包括错误隐藏算法，这些算法设计用来处理错误的小型突发。较长的突发则更成问题。

因此，待发射的语音帧的感知重要性依赖于如下因素：A)对于编码语音的每个具体帧整体内在语音质量(为语音编码器所知)的重要性的编码解码器具体确定。注意的是，对于可变速率的编码解码器，此帧重要性也是当前帧的速率的函数。一般来说，帧速率越高，传输信息就越多而且帧就越有价值；以及

B)由cdma2000接收端错误声明的语音帧的帧错误史(速率、突发性、具体错误帧)(直至现在，仅为接收器所知)。

附加有用和可用的信息包括：C)蜂窝系统的特定扇区的负载。如果该扇区为轻负载，则减少包发射/重发就不那么紧迫。如果该扇区超载，则对于减少包的发射和重发就有更为紧迫的需要。如图1中所示，这三个输入被处理用来为每个编码的语音帧生成帧优先级。语音帧优先级确定模块执行此处理。

下为一例：对语音帧优先级确定模块的三个输入(A、B、C)中的每个输入被量化为五个级.关于帧质量重要性(A)，一般说来该设计对于每个编码解码器将是具体的.对该决策的输入将包括帧速率、信号的分类(语音的、非语音的等等)、与先前帧相比的当前帧的转变特性、背景噪声稳态等.

该输出将是量化到5个级的帧重要性指示符，1代表最小的重要性而5代表最大的重要性。ACK/NAK错误率反馈(B)能够处理如下：

错误率显著地处于设置点以下AND没有最近或目前错误突发。

错误率略微地处于设置点以下AND没有最近或目前错误突发。

错误率处于设置点AND没有目前错误突发。

错误率略微地处于设置点以上OR有最近错误突发但是没有目前错误突发。

错误率显著地处于设置点以上OR有最近或目前错误突发。

关于扇区容量(C)，当前扇区的负载被量化到5个级，1代表系统停机(即容量在某一低阈值以下)而5代表未负载的系统。

帧重要性然后能够计算为max(A，B，C)而且取五个值之一。帧重要性值然后输入到调度器以对帧区分优先级便于发射。五个值能够取作如下含义：

a)完全不发射帧；b)以低优先级(如调度器所确定的)发射帧，没有重发尝试；c)用于帧发射的正常优先级，具有有限的重发尝试；d)用于帧发射的正常优先级，具有直到超时的重发尝试；以及e)用于发射的高优先级，包括直到超时的重发尝试。

为了简洁，将图1描绘为示出非对称情形，其中接收器(在基站中)位于右侧，而发射和选择功能位于左侧(在手持机中)。本领域的技术人员将了解到，由手持机接收的失败包也是一个问题。基站具有可为它所用的大得多的功率，而手持机可能位于来自基站的信号弱的区域内，从而来自基站的帧包含错误。

因此，从某一观点看来图1应当解释为代表该情形，而且将本发明应用于从基站到手持机的传输也有益处。

另外，本发明不限于固有非对称的情形，比如手持机-基站，而且可以应用于具有反馈的任何易出错的信道。此外，本发明不限于语音，而且比如视频的其他实时通信可以从中受益。

如图2中所示的替选方式是形成输入A和B的编码解码器帧优先级函数而且是比对扇区容量(C)来描绘的。适当的象限定义了待由调度器采用的方式。

因此，y轴是优先级函数，比如在图1中的线路22上发送的，而x轴是图1中的线路17上发送的扇区容量。图2示出了为了在四个象限中的说明而分组的结果。在左侧，该系统为轻负载而且用于重发的阈值相对低。在UL象限中，当信道为轻负载而且帧是高优先级时，坏的帧被重发直至它成功穿过或达到系统超时为止。在较低级，即使所讨论的帧不是很重要，LL象限仍允许该系统通过重发来增强语音质量。

在右侧，该系统为相对地重负载而且用于重发的阈值将比左侧上更高。在UR象限中，该信道为重负载。因此，只有最高优先级的帧将被重发。即使包具有相对高的优先级，纵然NAK信号发送到发射器，它也不被重发。如前面讨论的，用于信道负载的标准将是某一有限的使用值(为稀有的传输时间资源而竞争的多个用户)而不是设备已经停机。

在LR象限中，该系统也很繁忙而且该帧不那么重要，从而通过降级所有用户的语音以便允许所有用户以至少合理地可接受的质量进行传输来增加整个系统容量。

可以漏掉的低优先级包与较高优先级包之间划分线的选择将依赖于系统设计者或操作者的判断调用。可以预期，漏掉的包与重发的包之间的包重要性划分线在图2的右侧与左侧之间将是不同的。该划分线无需固定而且可以随环境比如系统负载而改变。

最后，也如图1中所示，能够存在直接到语音编码器本身的包数据信道ACK/NAK的可选反馈线路(如虚线55所示)。此反馈将在语音编码解码器的算法设计中纳入考虑之中，以便考虑到对于具体错误帧的了解，从而进一步改进编码语音的鲁棒性和质量。

语音编码器能够设计为利用语音解码器处的已知帧消除。在这样的方式中，语音帧以这样的方式来编码，使得从解码器处的帧消除进行的恢复得以改进。当帧消除并未出现在解码器处时，即当传输条件良好时，语音帧能够以如下算法来编码，该算法提供更佳的话音质量而对于错误恢复关注较少。此反馈也能够由语音编码器用来提供依赖于接收器处FER条件的动态帧优先级列表。

以往，编码器没有反馈输入。在根据本发明的系统中，反馈信号(例如，正如前例中关于数个先前包刚才已经失败的信号)将对分配给当前包的重要性有影响。数个连续帧的失败称作为具有由系统设计者设置的阈值的错误突发。这可以称作为用户优先级改变，因为它可能是影响仅一个用户的随机效应。

同样，如果对于所有用户的平均帧错误率大于某值，则用于重发的阈值被改变为针对所有用户漏掉更多低优先级包。这可以称作为系统效应，因为它在相同程度上影响所有用户。

尽管本发明已经参照数目有限的实施例加以描述，但是本领域技术人员将理解到可以在所附权利要求的精神和范围之内构造其他实施例。

Claims

1.一种用于在通信信道上传输语音的设备，包括：

发射器单元，包括响应于语音数据输入以生成一连串编码语音帧的编码器；

其中所述编码器还用于为所述语音数据的编码数据帧生成感知质量重要性指示，其中所述感知质量重要性指示用于指示所述编码数据帧对于所述语音数据输入的感知的重要性；

其中所述发射器单元还用于将所述编码语音帧传输到接收器；

其中所述发射器单元还包括用于响应于来自接收器单元的确认信号来重新发送包的包控制装置；

其中所述包控制装置包括优先级模块，所述优先级模块至少响应于所述确认信号和所述感知质量重要性指示，生成优先级信号并将其发送到所述包控制装置；而且

所述包控制装置还包括响应于所述优先级信号以抑制重发的装置。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述包控制装置包括用于在所述优先级信号处于重发阈值以下时抑制错误接收的包的重发的装置。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述优先级模块的输出响应于所述确认信号和所述感知质量重要性指示的值。

4.根据权利要求2所述的设备，其中所述优先级模块的输出响应于所述确认信号和所述感知质量重要性指示的值。

5.根据权利要求1所述的设备，其中所述发射器单元将帧错误率信号发送到所述接收器单元以反映小区负载。

6.根据权利要求1所述的设备，其中所述优先级信号的值反映对于所有用户的平均帧错误率。

7.根据权利要求1所述的设备，其中发送到特定用户的所述优先级信号的值响应于针对所述用户的错误突发的目前或最近出现而增加。

8.根据权利要求6所述的设备，其中发送到特定用户的所述优先级信号的值响应于针对所述用户的错误突发的目前或最近出现而增加。

9.根据权利要求1所述的设备，其中所述编码器通过调整对语音数据进行编码的方法来响应于错误率信号。

10.根据权利要求9所述的设备，其中发送到特定用户的所述优先级信号的值响应于针对所述用户的错误突发的目前或最近出现而增加。

11.根据权利要求10所述的设备，其中所述包控制装置在所述错误率信号处于阈值以上时有选择地漏掉低优先级帧。

12.根据权利要求10所述的设备，其中所述包控制装置在所述错误率信号处于阈值以下时有选择地重发高优先级帧。

13.一种用于在通信信道上传输数据的方法，包括：

在编码器处接收数据输入；

基于所述接收的数据输入来生成至少一个编码帧；以及

生成感知质量重要性指示，所述感知质量重要性指示包括对于所述至少一个编码帧的感知质量重要性值，其中所述感知质量重要性值指示所述至少一个编码帧对于所述接收的数据输入的感知的重要性；

将所述至少一个编码帧传送到接收器单元；

接收来自所述接收器单元的确认信号；

至少部分地基于所述接收的确认信号和所述感知质量重要性指示来生成优先级信号；以及

基于所述优先级信号有选择地抑制所述至少一个编码帧的重发。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述优先级信号至少部分地基于所述接收的确认信号与所述感知质量重要性指示之间的关系。

15.根据权利要求13所述的方法，其中所述优先级信号至少部分地基于容量状态指示，其中所述容量状态指示包括这样的值，即所述值对应于与通信信道的容量相比的通信信道上的负载。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述优先级信号至少部分地基于所述接收的确认信号、所述感知质量重要性指示与所述容量状态指示之间的关系。

17.根据权利要求13所述的方法，其中所述感知质量重要性指示还至少部分地基于所述接收的确认信号。

18.根据权利要求13所述的方法，其中所述感知质量重要性指示至少部分地基于帧错误率。

19.根据权利要求13所述的方法，还包括基于在所述接收器单元的接收期间的多个帧错误来调整至少一个编码参数。

20.根据权利要求13所述的方法，其中所述优先级信号还至少部分地基于在所述接收器单元的接收期间的帧错误的分布。

21.根据权利要求13所述的方法，其中所述编码器实施于便携无线通信单元和基站的至少一个中。

22.一种电子设备，包括：

编码器，被配置用于基于接收的数据输入来生成至少一个编码帧以及生成感知质量重要性指示，其中所述感知质量重要性指示用于指示所述至少一个编码帧对于所述接收的数据输入的感知的重要性；

发射器，连接到所述编码器，被配置用于将所述至少一个编码帧传送到接收设备；

接收器，被配置用于接收来自所述接收设备的确认信号；

优先级模块，连接到所述编码器和所述接收器，而且被配置用于至少部分地基于所述接收的确认信号和所述感知质量重要性指示来生成优先级信号；以及

控制模块，连接到所述优先级模块和所述接收器，并且被配置用于从其接收输入，所述控制模块还配置用于基于所述接收的输入有选择地控制所述至少一个编码帧的重发。

23.根据权利要求22所述的电子设备，实施于便携无线通信设备中。

24.根据权利要求22所述的电子设备，实施于无线基站中。

25.一种电子设备，包括：

用于基于接收的数据输入对至少一个帧进行编码和用于生成感知质量重要性指示的装置，所述感知质量重要性指示用于指示所述至少一个编码帧对于所述接收的数据输入的感知的重要性；

用于将所述至少一个编码帧传送到接收设备的装置；

用于接收来自所述接收设备的编码数据接收确认信号的装置；

连接到所述编码装置和所述接收装置，用于至少部分地基于所述接收的确认信号和所述感知质量重要性指示来生成优先级信号的装置；以及

连接到所述生成装置和所述接收装置而且从其接收输入，用于基于所述接收的输入有选择地控制所述至少一个编码帧的重发的装置。

26.根据权利要求25所述的电子设备，实施于便携无线通信设备中。

27.根据权利要求25所述的电子设备，实施于无线基站中。