CN101409609A - 一种无线系统中高效可靠传输语音的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种无线系统中高效可靠传输语音的方法。在发送端对原始语音编码包标识发送序号并进行信道编码，动态地分配信道以同时满足新到达语音会话包，延迟语音会话包及重传语音会话包的需求，在接收端对语音会话包进行检错，如检测到丢失的语音会话包则触发基于NACK消息的重传机制，同时在终端中加入延迟抖动缓冲器以平滑语音播放质量。本发明可在满足语音等实时业务QoS及合理利用空口资源的基础上，为实时与分组型业务混合传输的无线系统，提供更为可靠、有效的语音传输通道。

Description

一种无线系统中高效可靠传输语音的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种无线通信系统中高效语音的传输方法及装置，尤其涉及一种采用了动态信道分配和延迟抖动缓冲的语音包的传输方法及装置。
背景技术
在基于IP的多业务混合传输的无线通信系统中，为了合理利用无线资源，一个终端与基站间的资源可能会由该终端的多种业务共享，基站根据业务的QoS及链路质量等情况采用调度的方式动态地为各种业务分配共享资源。由于现有的VOIP大多采用基于UDP传输协议的RTP/RTCP语音封装，以提供端到端的实时语音传输。这种传输方式对于低码率语音编码如G.729系列来说将导致很低的传输效率，而对于无线系统而言这种低频谱效率是对空中资源的极大浪费。因而，对于语音包的特殊封装及空中资源的合理分配变得十分重要。在这种情况下，语音业务的资源有可能会被优先级更高的空口链路控制消息(如资源配置改变消息)占用，导致当前帧的语音包无法及时被发送。这样对于实时性要求较高的语音业务将产生影响。此外，由于无线信道的不可靠性，会导致接收端语音包的错误接收或丢失。为了解决影响语音业务实时传输的问题，并增加语音传输的可靠性，本发明提出了一种语音包的传输及相应的动态信道分配和延迟抖动缓冲方法。
发明内容
本发明所要解决的问题是在多业务传输的无线通信系统中，如何保证语音业务传输的实时性及可靠性。针对特殊封装的语音包，引入重传及相应的动态信道分配和延迟抖动缓冲机制，可在满足实时性业务QoS要求的基础上，达到提高频谱效率和可靠性的要求。
一种无线系统中高效可靠传输语音的方法。该方法包括以下步骤：
1.发送端对需发送的原始语音编码包进行封装构成语音会话包，该封装至少包括如下过程：标识序号以表征其播放顺序，并对标识序号后的语音编码包进行信道编码；
2.终端与基站建立语音会话或语音数据混合会话，基站为该会话动态分配信道，会话建立成功后，至少在终端维护一个延迟抖动缓冲器；
3.发送端对新到达语音会话包、延迟语音会话包、重传语音会话包、数据会话包及控制命令包进行调度后发送；
4.接收端接收语音会话包并检测，对于确认丢失的语音会话包，向发送端发送包含丢失的语音会话包序号的NACK消息以指示发送端重传这些语音会话包；对于正确接收到的语音会话包进行进一步的处理。
优选的，步骤1中所述原始语音编码包是如下标准声码器输出的语音编码包之一：G.723、G.729、G.729A、G.729B、G.729D、G.729E；原始语音编码包长度与语音会话包的长度比不小于0.70。
优选的，步骤2中所述终端与基站在建立语音会话时，在会话建立请求消息中携带起始语音会话包的序号，以使双方统一第一个语音会话包的序号。
优选的，步骤2中所述动态分配信道包括：基站根据当前帧需发送的语音会话包及可能的数据会话包和当前信道条件来动态分配信道数目、信道位置及会话包所占用的每一信道对应的调制编码方式，其中需发送的语音会话包可以包括新到达的、被延迟的或要重传的语音会话包；基站向终端发送带宽重配命令包以增加上行或下行带宽，该带宽增加在重传包发送后自动解除，无需基站向终端额外发送控制命令包；基站在检测到上行语音会话包丢失后向终端发送带宽重配命令，该命令不迟于相应的NACK消息到达终端。
优选的，步骤3中所述发送端进行调度，发送优先级由高到低依次为：控制命令包、重传语音会话包、延迟语音会话包、新到达语音会话包、数据会话包。
优选的，步骤4所述确认包括：利用接收信噪比或检错码校验来确认丢失的语音包；所述进一步的处理包括：终端检测语音会话包后，将正确收到的语音会话包送入延迟抖动缓冲器，延迟抖动缓冲器按顺序匀速输出正确收到的语音会话包及可能插入的合成语音包到应用层。
此外，本发明还提出一种无线系统中高效可靠传输语音的装置，该装置包括：
包封装单元，安装于基站和终端，对需发送的原始语音编码包进行封装构成语音会话包，该封装至少包括如下过程：标识序号以表征其播放顺序，并对标识序号的语音编码包进行信道编码；
重发语音会话包产生器，安装于基站和终端，生成需要重传的语音会话包；
信道分配单元，仅安装于基站，动态分配用于包传输的信道个数，与终端交互语音会话建立请求消息，还生成发送给终端的重配命令；
发送包调度单元，安装于基站和终端，用于对新到达语音会话包，延迟语音会话包、重传语音会话包、数据会话包及控制命令包进行调度后发送；
语音包检测单元，安装于基站和终端，接收语音会话包并检测，将确认丢失的语音会话包通知给NACK包产生器；安装于终端时，还需要将正确收到的语音会话包送入延迟抖动缓冲器；
NACK包产生器，安装于基站和终端，根据语音包检测单元的结果生成NACK包，并向发送端发送NACK包以指示发送端重传语音会话包；
延迟抖动缓冲器，至少安装于终端，按顺序匀速输出来自语音包检测单元的正确收到的语音会话包及可能插入的合成语音包到应用层。
优选的，包封装单元中的原始语音编码包是如下标准声码器输出的语音编码包之一：G.723，G.729，G.729A，G.729B，G.729D，G.729E；其中原始语音编码包长度与语音会话包的长度比不小于0.70。
优选的，信道分配单元，根据终端与基站交互的语音会话建立请求消息中携带的起始语音包的编号，来确定第一个语音包的序号。
优选的，基站侧信道分配单元根据当前帧需发送的语音会话和当前信道条件来动态分配信道及语音会话包所占用的每一信道对应的调制编码方式，其中需发送的语音会话包可以包括新到达的，被延迟的或要重传的语音会话包；基站向终端发送带宽重配命令以增加上行或下行带宽，该带宽增加在重传包发送后自动解除，无需基站向终端额外发送命令；基站在检测到上行语音会话包丢失后向终端发送带宽重配命令，该命令不迟于相应的NACK消息到达终端。
优选的，发送包调度单元在对各种会话包进行调度时，发送优先级由高到低依次为：控制命令包、重传语音会话包、延迟语音会话包、新到达语音会话包、数据会话包。
优选的，语音包检测单元利用接收信噪比或检错码校验来确认丢失的语音包。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过采用对特殊封装的语音包的重传机制，提高了实时性语音业务的频谱效率和可靠性要求。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为传统无线通信系统语音传输模型示意图；
图2为典型的全IP业务无线通信系统语音传输模型示意图；
图3为改进的全IP业务无线通信系统语音传输模型示意图；
图4为改进的语音会话包传输格式和传输过程示意图；
图5为改进的语音会话包传输和相应的动态信道分配示意图；
图6为改进的语音会话包传输装置框图；
图7为改进的语音会话包传输总体处理流程图；
图8为会话建立信令流程图；
图9为发送端发送语音会话包流程图；
图10为接收端接收语音会话包流程图；
图11为延迟抖动缓冲器中语音会话包发送示意图；
图12为重传指示信令流程图。
具体实施方式
在无线通信系统中，每个信息比特流编码块被转换为信号波形并放入一个帧中进行传输。由于语音业务固有的实时性和带宽恒定性，在传统无线通信系统的语音传输方式中，使用固定的信道来传输语音编码包。该信道还可能采用固定的编码调制方式，通过控制发射功率的方式来适应信道的变化。在传统无线系统中，每帧有一个语音包周期性地到达发送端。每帧通过空中信道严格传送一个语音包，包的传输顺序和播放顺序必须相同。图1显示的是一个传统无线系统中的下行语音传输的例子。通过无线网络控制器并利用T1链路将来自声码器的包传递到基站。包到达的时间和顺序是固定不变的。然而，无线信道可能引起包错误。图1中，检测出号码为2的包发生了比特错误，于是该包被丢弃。如果频繁的丢弃语音包，语音质量将会下降。
对于一个典型的全IP无线系统，核心网中的每个语音包被打包成一个IP包。由于现有的VOIP系统大多采用基于UDP传输协议的RTP/RTCP语音封装，以提供端到端的实时语音传输。这种传输方式带来的额外开销对于低码率语音编码如G.729系列来说将导致很低的传输效率。每个IP语音包在网络中传输时可能会引入额外的时延抖动。无线接入网中，IP语音包作为数据业务通过空中接口传输。对于空中丢包，基于无线数据传输系统采用的自动重传请求机制(ARQ)和IP语音包播放时采用的抖动缓冲控制，可以获得较高的语音质量，但是由于IP语音包头引起的开销，较高的语音质量是以较高的无线资源损耗为代价的。图2表示的就是这样的一个IP语音包传输系统。
本发明的一个优选实施例中，仍然为一个全IP无线系统，一旦IP语音包进入无线接入系统，将IP语音包的IP头去掉，通过空口只传输对原始语音编码包经过再次特殊封装而成的语音会话包。此时，可以用最小无线资源传输语音包。图3显示的是一个这样的改进的IP语音包传输系统。为了保证在衰落信道条件下的语音质量，给每个原始语音编码包加上一个ID序号。利用这样的ID序号实现重传。之后再对每个加长后的语音包进行信道编码从而构成语音会话包。接收端将检测是否正确接收语音会话包。如果语音会话包由于衰落而丢失，该包的ID序号将被反馈给发送端以请求重传。可能检测到多个语音会话包丢失，此时，所有对应的ID序号将被反馈给发送端以请求重传多个语音会话包。图4表示的是语音会话包格式和包传输过程。给每个G.729语音编码包在传输前加上一个ID序号和CRC校验。在接收端，检测到第2个语音会话包丢失了，对应含有该语音会话包ID的NACK消息被发送回发送端。一接收到NACK消息，发送端将自动同时发送第2个和第4个包，这样就不会引入永久时延。接收端还包括一个抖动缓冲控制器，主要控制每个语音包的播放时延并对接收到的包进行必要的重新排序，这样输出的语音编码包就能以正确的顺序和正常语速播放了。为了保持正常播放语速，在输出语音编码包缺失时需要插入一个或多个合成语音编码包，在输出语音编码包拥塞时需要丢弃一个或多个语音编码包。
全IP无线系统将支持数据和语音混合传输。因此在每一帧，都可能需要传输语音和数据包。本发明的一个优选实施方式中，如果没有足够的带宽来发送所有数据，可用带宽总是优先用来发送语音会话包。
为了使发送端和接收端之间的语音传输同步，在语音会话或混合语音/数据会话开始时，需要将第一个语音包的ID序号发送给另一端，使得另一端能够正确检测接收到的语音会话包，一旦确认包丢失就初始化重传。
由于在实际的信道中，每一信道所受到的干扰和传播特性会发生变化，优化的作法是实时调整分配的信道数，信道位置及其相应的调制和编码方式使得通信信道处于最佳条件。为了达到这个目的，基站需要向终端发送带宽重配命令。本发明的一个优选实施例中，基站利用分配给业务包的信道将重配命令发送给终端，称为带内信令。如果业务包仅包括语音会话包，则必须延迟一个或多个语音会话包以及时传输信令消息。由于重配命令需要周期地发送，在接收端语音会话包到达时间会出现波动。当语音会话包传输被中断用来传输NACK消息时，被中断的语音会话包将被延迟，并且和新到达的语音会话包一起传输。在以上的情形中，为了避免插入控制命令而引入永久时延，在重配发送该帧中的延迟语音会话包和新到达语音会话包时，需要将所需的额外带宽计算在内以补偿。如果会话既涉及到语音会话包又涉及到数据会话包，当需要传输重配命令或NACK消息时，将中断数据包以释放带宽用于传输命令。图5显示的是TDD无线通信系统中的包传输过程和对应的动态信道重配。基站和终端分别利用下行帧和上行帧来传输语音会话包。给每个上行或下行包标识一个序号。第2个下行语音会话包丢失，一个NACK包在随后的上行帧中被发送给基站。一旦基站接收到NACK包，发送一个BWR命令给终端用于重配信道，这样下一个上行帧就能够发送U2和U3两个语音会话包了，下一个下行帧能够发送三个语音会话包D2、D3和D4。另外，重配仅对一帧有效，在重配后信道将自动返回前一个带宽状态。当第四个上行语音会话包U4丢失，基站将立即发送NACK包给终端，并触发终端重传U4。在下一个下行帧中，基站也将发送命令给终端以初始化重配，这样D5，D6和D7将在一个下行帧中发送；U5和U6将在一个上行帧中发送。另外，重配仅对一个帧有效。显然的，上述传输方案引入了语音会话包的到达时间抖动。终端的抖动缓冲控制可以优化播放时延的调整，语音编码包将以与声码器一致的正常速度播放。
图6是一个上下行语音传输装置的框图。在基站侧，包封装单元将原始语音编码包标识序号以表征其播放顺序，并对标识序号的语音编码包进行信道编码转换为语音会话包。重发语音会话包产生器生成将要重传的语音会话包。信道分配单元根据传输缓存中等待的包的情况分配用于包传输的信道个数，并与终端交互语音会话建立请求信息，还生成发送给终端的重配命令。新到达的语音会话包、延迟语音会话包、重配命令包、NACK包和重传语音会话包都被发送到发送包调度单元，该单元将根据预定的优先级和可用带宽情况来选择一个或更多的包进行发送，优先级顺序为控制包、重传语音会话包、延迟语音会话包、新到达语音会话包、数据包。语音包检测单元接收语音会话包并检测，将确认丢失的语音会话包通知给NACK包产生器。NACK包产生器根据语音包检测单元的结果生成NACK包。在终端侧，语音控制子系统由包封装单元、重发语音会话包产生器、NACK包产生器、语音包检测单元和发送包调度单元组成，各单元功能与基站侧类似。
上述方法提出了一种以延迟和延迟抖动为代价的可靠的语音会话包传输机制，因此在终端侧至少要配置一个延迟抖动缓冲器。延迟抖动缓冲器从语音包检测单元接收正确的语音会话包，并为每个语音会话包调整播放延迟。然后，输出的语音会话包被发送到语音编码包提取单元进行去封装，为语音编码器生成原始语音编码包。
下面参照图7，说明改进的语音会话包传输方法的一般处理过程：
步骤100，应用层接收语音编码包并按顺序加入序号而封装成语音会话包。
步骤101，语音会话建立过程中，在会话建立请求消息中携带语音会话包起始序号，语音会话建立过程如图8所示。
步骤102，语音会话建立成功后，发送端逐帧向接收端发送步骤100生成的语音会话包，发送端操作如图9所示。
步骤301，发送端将语音会话包存入发送包调度单元中。
步骤302，发送包调度单元判断是否有比语音会话包优先级高的数据包发送，若没有高优先级数据包时，执行步骤303；若有高优先级数据包时，则执行步骤304。
步骤303，发送包调度单元发送当前语音会话包到接收端。发送端完成语音会话包的正常发送流程。
步骤304，发送包调度单元缓存语音会话包，先发送高优先级数据包，再根据带宽发送当前语音会话包到接收端。
步骤103，接收端接收语音会话包，对没有收到的及错误接收的语音会话包进行标识，生成并反馈NACK包给发端。接收端具体操作如图10所示。
步骤401，接收端语音包检测单元判断当前帧是否正确接收到语音会话包，如果正确接收到语音会话包，执行步骤402；否则，执行步骤403。
步骤402，接收端语音包检测单元接收到当前帧语音会话包，将其放入图11所示的延迟抖动缓冲器中，具体放置规则为：根据到达语音会话包序号，执行重排序功能，计算出该序号对应的缓冲器位置Buf_In_p(范围为0～Max_Buf_Size-1)，将语音会话包放入该Buf_In_p指示的缓冲器位置中。并执行步骤404。
步骤403，语音会话检测单元如在当前帧没有正确接收到语音会话包，标识当前Buf_In_p指示的缓冲器位置中的语音会话包为丢失。
步骤404，Buf_In_p自增，如Buf_In_p＝Max_Buf_Size，则Buf_In_p＝0。
步骤104，接收端延迟抖动缓冲器计算每一语音会话包播放时间与到达时间之间的最佳时延Nd，如检测到Buf_In_p与Buf_Out_p之间对应的时延达到Nd帧时，延迟抖动缓冲器启动发送操作，按照Buf_Out_p指示的序号，向语音编码包提取单元提交语音会话包，每提交一个语音会话包，Buf_Out_p自增，其范围为0～Max_Buf_Size-1，如Buf_Out_p＝Max_Buf_Size，则Buf_Out_p＝0。
步骤105，接收端语音编码包提取单元接收语音会话包，剥离封装并生成语音编码包。语音编码包提取单元根据指定的语音编码速率均匀输出语音编码包到应用层播放。语音编码包提取单元还可根据序号连续性插入合成的语音编码包或删除相应的语音编码包。
步骤106，发送端语音包检测单元收到NACK消息后，判断当前带宽资源是否足够传输所有重传语音会话包及当前帧语音会话包，如果满足，则发送所有重传语音会话包及当前帧语音会话包；否则，请求媒体接入层，执行资源重配置过程，配置成功后，再发送重传语音会话包及新到达的语音会话包。

Claims (19)

1、一种无线系统中高效可靠传输语音的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.发送端对需发送的原始语音编码包进行封装构成语音会话包，该封装至少包括如下过程：标识序号以表征其播放顺序，并对标识序号后的语音编码包进行信道编码；
b.终端与基站建立语音会话或语音数据混合会话，基站为该会话动态分配信道，会话建立成功后，至少在终端维护一个延迟抖动缓冲器；
c.发送端对新到达语音会话包、延迟语音会话包、重传语音会话包，数据会话包及控制命令包进行调度后发送；
d.接收端接收语音会话包并检测，对于确认丢失的语音会话包，向发送端发送包含丢失的语音会话包序号的NACK消息以指示发送端重传这些语音会话包；对于正确接收到的语音会话包进行进一步的处理。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤a，所述原始语音编码包是如下标准声码器输出的语音编码包之一：G.723，G.729，G.729A，G.729B，G.729D，G.729E。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤a，所述原始语音编码包长度与语音会话包的长度比不小于0.70。
4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤b，所述终端与基站在建立语音会话时，在会话建立请求消息中携带起始语音会话包的序号，以使双方统一第一个语音会话包的序号。
5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤b，所述动态分配信道包括：基站根据当前帧需发送的语音会话包及可能的数据会话包和当前信道条件来动态分配信道数目、信道位置及会话包所占用的每一信道对应的调制编码方式，其中需发送的语音会话包可以包括新到达的、被延迟的或要重传的语音会话包。
6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤b，所述动态分配信道包括：基站向终端发送带宽重配命令包以增加上行或下行带宽，该带宽增加在重传包发送后自动解除，无需基站向终端额外发送控制命令包。
7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤b，所述动态分配信道包括：基站在检测到上行语音会话包丢失后向终端发送带宽重配命令，该命令不迟于相应的NACK消息到达终端。
8、根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤c，所述发送端进行调度，发送优先级由高到低依次为：控制命令包、重传语音会话包、延迟语音会话包、新到达语音会话包、数据会话包。
9、根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤d，所述确认包括：利用接收信噪比或检错码校验来确认丢失的语音包。
10、根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤d，所述进一步的处理包括：终端检测语音会话包后，将正确收到的语音会话包送入延迟抖动缓冲器，延迟抖动缓冲器按顺序匀速输出正确收到的语音会话包及可能插入的合成语音包到应用层。
11、一种无线系统中高效可靠传输语音的装置，该装置包括：
包封装单元，安装于基站和终端，对需发送的原始语音编码包进行封装构成语音会话包，该封装至少包括如下过程：标识序号以表征其播放顺序，并对标识序号的语音编码包进行信道编码；
重发语音会话包产生器，安装于基站和终端，生成需要重传的语音会话包；
信道分配单元，仅安装于基站，动态分配用于包传输的信道个数，与终端交互语音会话建立请求消息，还生成发送给终端的重配命令；
发送包调度单元，安装于基站和终端，用于对新到达语音会话包、延迟语音会话包、重传语音会话包、数据会话包及控制命令包进行调度后发送；
语音包检测单元，安装于基站和终端，接收语音会话包并检测，将确认丢失的语音会话包通知给NACK包产生器；安装于终端时，还需要将正确收到的语音会话包送入延迟抖动缓冲器；
NACK包产生器，安装于基站和终端，根据语音包检测单元的结果生成NACK包，并向发送端发送NACK包以指示发送端重传语音会话包；
延迟抖动缓冲器，至少安装于终端，按顺序匀速输出来自语音包检测单元的正确收到的语音会话包及可能插入的合成语音包到应用层。
12、根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述包封装单元中的原始语音编码包是如下标准声码器输出的语音编码包之一：G.723、G.729、G.729A、G.729B、G.729D、G.729E。
13、根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述包封装单元中的原始语音编码包长度与语音会话包的长度比不小于0.70。
14、根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述信道分配单元根据终端与基站交互的语音会话建立请求消息中携带的起始语音包的编号，来确定第一个语音包的序号。
15、根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述信道分配单元包括：基站根据当前帧需发送的语音会话和当前信道条件来动态分配信道及语音会话包所占用的每一信道对应的调制编码方式，其中需发送的语音会话包可以包括新到达的、被延迟的或要重传的语音会话包。
16、根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述信道分配单元包括：基站向终端发送带宽重配命令以增加上行或下行带宽，该带宽增加在重传包发送后自动解除，无需基站向终端额外发送命令。
17、根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述信道分配单元包括：基站在检测到上行语音会话包丢失后向终端发送带宽重配命令，该命令不迟于相应的NACK消息到达终端。
18、根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述发送包调度单元对各种会话包进行调度，发送优先级由高到低依次为：控制命令包、重传语音会话包、延迟语音会话包、新到达语音会话包、数据会话包。
19、根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述语音包检测单元，利用接收信噪比或检错码校验来确认丢失的语音包。
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