CN1116023A - 使数字无线电话系统适应增大用户业务量的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种数字无线电话系统，利用声码器将模拟声音变换成数字声音信号，以适合于经无线电波的传输。大多数情况下，选用最高数据率以求得优良的音频质量。在系统的固定站上检测出系统占用率超过一特定阈值时，指令某些或全部声码器切换到低数据率上，以提供出增多的通信信道数目。此外，便携式用户单元根据其电池电量的状态，能自动改变其声码器的数据率。
Description
本发明涉及无线电话系统，具体涉及能够适应高的用户业务量负载的数字无线电话系统。
实际上，每个无线电话系统中都有大量的用户，当用户需要信道时及用户从一处移动到另一处时，由一个固定站向用户提供通信信道用户提供服务。当然，任何这样的系统中可能发生用户数目会偶尔超过可供用的通信信道的数目的情况。对于这个问题，业已在很多方面提出建议，包括：向用户提供一个忙信号(也就是，简单地不提供服务)；建设蜂窝系统，它具有减小无线电覆盖区域(网孔)的大小的能力和设置更多网孔的能力，因而在一个地理区域内具有更多的通信信道。不用说，不提供服务是一种不能接受的解决办法，而网孔分割和重新布署的过程很慢，不能响应动态的无线电话系统。
现已提出数字无线电话服务作为增加可供用户应用的信道数目的另一种方法。两种最有希望的数字方法即时分(TD)和码分(CD)方法，利用用户之间共享物理资源，提供增多的信道的可利用性。简单地说，利用一种具有规定的取样频率和具体的数据压缩技术的转换格式，将模拟信号(诸如话音)变换(在声码器中)为数字信号。压缩的数据与时分或码分信号相组合，再通过无线电发送到接收机。接收机对时分或码分发送信号进行解调，对数据进行去压缩如解取样，其过程与发送之前的变换过程是互补的。这个过程在接收机中产生出一个再生的模拟信号。
无线电话业务是双向的，其中，固定站既发送也接收声码信号，而用户单元互易地发送和接收声码信号。发送单元与接收单元之间的兼容性要求变换率和压缩技术是相对又相等的。在模/数处理中采用怎样的转换率，必须与对应的数/模处理中的相匹配。请注意，通常，声码器的比特率愈低，可利用的通信信道数目就愈多，但话音质量下降。
业已建议，使声音编码率(Vocoding rate)可变，以根据待编码的话音的特性，以适当的率对话音信号编码。为发送最佳质量的话音，在通话期间应用最高数据率。而当说话者暂停或停止讲话时，可变率的声码器降低该数据率，由此可降低每个对话人的平均数据率，这允许系统提供更多的通信信道。请看例如1993年7月30日以Declerck的名义申请的美国专利申请，08/099881号，题为“Methodand Apparatus for Multiplexing Fixed Length Message Data andVariably Coded Speech(复接固定长度消息数据和可变编码话音的方法和装置)”，这个专利已转让给本发明的受让人。
然而，即使采用上述的技术，也不能得到以高效率的方式提供足够数目的通信信道以适应大量用户的无线电话系统。
图1示出可应用本发明的无线电话系统的简化图。
图2示出可在本发明中应用的一种CDMA发射机的方框图。
图3示出可在本发明中应用的一种CDMA接收机的方框图。
图4示出可在本发明以应用的一种固定站的方框图，表明一种设备的配置。
图5示出图4中固定站控制器使用的控制声码器数据率(Vocoder rate)减小过程流程图。
图6示出图4中固定站控制器使用的控制声码器数据率增大过程流程图。
图7示出图4中固定站控制器使用的控制声码器数据率减小过程的另一种流程图。
图8示出图4中固定站控制器使用的控制声码器数据率增大过程的另一种流程图。
采用数字技术来增加系统容量已使系统设计者有机会用数字方式压缩消息数据。然而，随着数据率减小，要综合考虑音频信号的质量。只当采用较高的数据率时，才有希望实现较好的音频质量，所以希望优选地应用这种较高的数据率。在某些时间例如忙时间，和在某些地方例如一些拥挤的都市区，用户的无线电话业务量会超过可用的通信信道数目。因降低的数据率占用较少的无线电频谱，故数据率减小时可以为更多的用户服务。用户对服务的要求要与降低数据率的音频质量的下降来均衡考虑。某些用户希望不改变音频质量，并付较高的使用费而被指定为一个优先权用户。
可以应用本发明的一种无线电话系统示于图1。一个无线电话系统具有无线电覆盖区域101示为一个六角形地理区域由固定站103提供服务。固定站103通常包括收发信机、控制器和电话接口装置，它们结合起来对用户单元105提供双向无线电通信。对于地理上的无线电覆盖区域101，大量的用户单元(未示出，它们包括移动单元和便携单元)由固定站103来服务。其它的无线电覆盖区域107和109可以安排在靠近或毗邻于无线电覆盖区域101，对于无线电覆盖区域107和109内的用户由固定站111和113分别提供无线电话服务。本发明的一个优选实施例使用码分多址(CDMA)数字调制技术，在诸如EIA/TIA/IS—95中“Mobile Sation—Base Sta-tion Compatibility Standard for Dual—Mode Wide Band SpreadSpectrum Cellular System(双模式宽带扩散频谱蜂窝系统的移动站—基站兼容标准)”中描述了。
图2是在本发明中可以应用的一个CDMA发射机的方框图。将诸如话音之类待发送的信号输入到声码器201，以便在发送之前进行数字变换和处理。从声码器201输出的信号输入到编码器203，该编码器203与混频器205耦合，在混频器205中，其输入信号与载频发生器207产生的一个射频载波频率进行混频。混频器205中一个选定频率的输出加到放大器209上，以便随后发送出去。声码器201和编码器203都在资源控制器211的控制下工作。资源控制器211可以是一个通用计算机，它具有有关的存储器213。时钟215提供时钟信号，输出给编码器203，并依赖于在资源控制器211指令下从存储器213向时钟215装入的时钟速度。码键217是一个个缓冲器，其内含有在资源控制器211指令下从存储器213装入的一个代码。按照常规，码键是一个伪随机号码，用以产生一个重复序列的数字号码，以对声码器201的输出进行编码。因此，编码器203连同码键217送来的一个输入一起提供一个伪随机号码，借助它，可以根据声码器201或资源控制器211来的一个输入，产生一个扩散频谱的信号。限定通信资源的一组频率列在存储器213中的频率表内。这个频率表是根据为发射机正在工作的系统而限定的频谱指配和带宽在系统开始运行时产生的。由于在同一频率无干扰的扩散频谱信号在不同的码键控制下以同一频率发送，故在同一频率上有许多通信信道可供应用，而互相间不干扰。
类似的CDMA发射机在固定站设备和用户设备中都能见到。在优选实施例中，用户设备可以包括一个参数检测器219，它典型地用来检测电池的电荷情况，并将这种情况向资源控制器211报告。
图3示出了本发明的用户设备中可以使用的一种码分多址(CDMA)接收机的方框图中。载波频率发生器301向混频器303提供一个射频信号，以使接收到的射频信号能变换为一个便于由解码器305处理的频率。在与图2发射机的信号处理相逆反的处理过程中，解码器305的伪随机号码发生器与时钟307和码键缓冲器309一起提取出由声码器201产生的数据，将此数据提供给声码器311。与编码伪随机号码相同步及特定载波频率的产生是按照常规方式由控制器313及其相关的存储器315来实现的。
类似的接收机在固定站103上可见到，图4示出该固定站的设备安排的简化方框图。其中，收发信机和声码器如方框401和403所示。这些收发信机与其它设备连接到天线系统405上，用以去/从无线电覆盖区域发送和接收信号。信号变换器407也连接到天线系统405上，它对在固定站上运行的所有收发信机所利用的无线电频率的整个带宽进行滤波和耦合。变换器407的输出端耦合到频谱占用检测器409，以确定当前服务的用户单元数目，并把信号发送给固定站。在优选实施例中，频谱占用检测器409是一个能量幅度检测器，提供输出信号与从固定站占用的带宽中组合的接收信号成正比。这个信号输出到固定站控制器411，控制器411执行的任备之一，是将占用检测器409来的输出信号与一个阈值相比较，该阈值对应于固定站满信道容量的系统话务员接通百分数中的一个已知用户数目。一旦这个阈值被越过，固定站控制器411便向收发信机401的声码器和/或收发信机403的声码器提供一个或多个用以指令所选择的声码器降低其取样速率的输出信号。一个相应的消息也发送给与该选定的声码器通信的用户单元中的控制器，用以指令用户单元的声码器互易地以在与固定站声码器的数据率相对应的数据率工作。
本发明的一个特点是固定站声码器及其有关的用户单元声码器的数据率根据从固定站的无线电覆盖区域内可得到服务的用户单元的数目来调节。这是依照图5的流程图中所示的过程来完成的。在步骤501，固定站控制器411测量占用检测器409的输出信号电平。在步骤503，判定该电平是否超过了为这个固定站设定的占用阈值。如果没超过阈值，则固定站控制器411回到其它工作任务，包括周期性地再测量占用检测器409的输出电平。如果超过阈值，则在步骤505检索固定站里保存的低优先权用户表，并识别出当前在得到服务的那些低优先权用户。在步骤507，判断当前得到服务的所有低优先权用户是否使它们的固定站和用户单元声码器设定到低数据率。如果有的低优先权用户其声码器数据率仍处在高数据率，则在步骤509所识别的低优先权用户、它的正在服务中的收发信机以及相关的声码器被标识出来。然后，在步骤511指令相关的声码器降低它们的数据率。如果在步骤507发现当前得到服务的所有低优先权用户是处于低数据率，则在步骤513指令在该固定站上运行的所有声码器处于低数据率。
图6示出使系统的声音编码数据率返回到其额定的高数据率的互补地重新设定过程。在步骤601，固定站控制器411接收从占用检测器409来的信号，并测量占用检测器409的输出电平。在步骤603，判断检测器409的输出电平是否低于回复占用阈值(该阈值，低于它时要求切换到高的取样速率以提供滞后)。检测器输出电平不低于回复占用阈值时，它使得固定站控制器程序返回到其它的步骤(任务)上。当检测器输出电平低于重新设定的占用阈值时，在步骤605使固定站控制器411检索当前得到服务的高优先权用户单元表。如果在步骤607判定并非所有高优先权用户单元已返回到高数据率，则在步骤609使优高先权用户单元与服务于它们的收发信机相关。然后在步骤611指令相关的声码器提高数据率。如果在步骤607判定所有高优先权用户都已返回到高数据率，则在步骤613指令所有声码器处于高数据率，固定站控制器411返回到其正常的活动进程中。
在另一个实施例中，可以指令用户逐级递变地到达低数据率。如图7所示，当在步骤507中判定并非所有低优先权用户处在低数据率上时，在步骤703中随机选择一个用户数目M(可以M＝1)。在步骤705使这些选定的低优先权用户与服务的收发信机相关，并在步骤511中指令相关的声码器到达低数据率。
如果步骤507中判定所有低优先权用户都处在低数据率，则在步骤707检索当前接收服务的那些高优先权用户的用户表。在步骤709判断是否所有高优先权用户都处在低数据率。如果并非都是这样，则在步骤711随机选择一个应用高数据率的高优先权的高优先权用户数目K(可以指明K＝1和/或M≠K)。在步骤713使这些选定的高优先权用户与服务于它们的收发信机相关，并在步骤715指令相关的声码器到达低数据率。
图8示出另一个实施例程序，表明当系统用户装载允许时逐级递变地返回到高数据率服务。如果在步骤607判定并非所有高优先权用户都已返回到高数据率，则在步骤803随机地选择一个应用低数据率的高优先权用户数目N(这里可以N＝1)。在步骤805，使这些选定的用户与服务于它们的收发信机相关，并在步骤611中指定相关的声码器到达高数据率。
如果所有高优先权用户都处在高数据率，则在步骤807检索当前由系统提供服务的低优先权用户作出用户表。在步骤809判断是否有某些低优先权用户保持在低数据率，如果“是”，则在步骤811随机选择一个此种用户的数目L。此用户数目可以是L＝1，也可能L≠M。在步骤813使选定的低优先权用户与服务于它们的固定收发信机相关，并在步骤815中指令相关的声码器到达高数据率。
在有用户优先权的那些系统中，可以这样地指配附加的优先权等级，即某些选定的用户声码器不能指令它们到达低数据率，与此同时，其它所选定的用户声码器不能指令它们到达高数据率。例如，应用无线电话系统用于与公众安全性有关的通信上的用户会始终要求最高的音频质量。另一方面，某些用户可能只要求最低的通信能力，愿意在一定程度上接受低些的音频质量，支付较低的用户费用。实现这些优先权分级的系统时，可免除图5至图8中示明的声码器数据率变化的指令。
在优选实施例中，该用户单元还具有根据用户单元的某些工作参数，选择一种声码器数据率的能力。这个特点对便携式用户单元特别有用，在那里，虽然其它的便携单元参数也可以用来触发声码器数据率的改变，而电池寿命这个参数是极重要的。根据检测出的电池类型修改装置工作特性已在美国专利5164652中说明，检测电池的电荷状态来修改装置工作特性已在美国专利5185566中说明，这两个专利都已转让给本发明的受让人。众所周知，较高的声码器数据率比较低数据率消耗较多的功率。为了延长电池寿命，利用一个电池参数检测器动态地确定电池的剩余电荷。当越过低电荷的阈值时，用户单元中的参数检测器219给资源控制器211提供一个信号。资源控制器211准备和传送出一个控制消息给固定站中相应的声码器，以降低其数据率，资源控制器211并指令用户单元的声码器201降低其数据率。使用此便携式用户单元的用户便得以延长电池寿命，代价是声码器编码的音频信号质量降低了。
在本发明中可以应用的可变率声码器在TIA(电信工业协会)TR—45.5委员会标准文件生产的IS—P6中说明。发送用的声码器取得话音样值，产生编码的声音分组发送到接收用的声码器。接收用的声码器将接收到的声音分组解码成为话音样值。本发明的声码器采用一种码激线性预测(CELP)编码算法。该技术应用一种随机的码书，在用综合法作分析期间对残余信号进行矢量量化。声码器根据系统信道的负载情况采用一种可变的输出数据率。运行中，从一个随机高期矢量码书中取出一个矢量(对于1/8数据率，产生出一个随机矢量)。该矢量与一个增益项相乘，然后，受到其特性由节距(pitch)参数控制的长时间节距滤波器的滤波。再由格式综合滤波器(也称为线性预测编码滤波器)对输出进行滤波，产生出一个声音信号。该声音信号还受到自适应后置滤波器的滤波。编码过程中以8KHz对输入话音进行取样。此取样后的话音分解成由160个样值组成的20毫秒的多个声码帧。不论数据率怎样选择，线性预测编码滤波器系数都是每帧更新一次。在对线性预测编码参数进行编码时所用的比特数目是所选定数据率的一个函数。在每一帧内，节距参数以可变的次数更新，这里，节距参数更新的次数也是选定的数据率的一个函数。类似地，码书参数以可变的次数更新，更新的次数是选定的数据率的一个函数。
表I示明对每种数据率采用的各种参数。表I中每LPC所更新的块比特的数目，是在那具体的数据率下对LPC系数编码时所用的比特数目。
表 I
参数 数据率 数据率 数据率 数据率
1 1/2 1/4 1/8每帧线性预测编码 1 1 1 1(LPC)更新数每LPC更新样值数 160 160 160 160
(20ms) (20ms) (20ms) (20ms)每LPC更新比特数 40 20 1 0每帧节距更新(子帧)数 4 2 1 0每节距子帧样值数 40 80 160
(5ms) (10ms) (20ms)每帧码书更新(子帧)数 8 4 2 1每码子帧样值数 20 40 80 160
(2.5ms) (2.5ms) (2.5ms) (2.5ms)每码书更新比特数 10 10 10 6伪随机每个节距块对应于每帧内的一个节距更新，而每个节距块内的数目对应于对更新的节距参数进行编码所用的比特数目。例如，在数据率1下，节距参数更新4次，每1/4声音信号帧1次，每次用10比特对新的节距参数编码。如表中所示，对于其它的数据率，这种更新有着不同的次数。每个码书更新块对应于每一帧内的一个码书更新，而每个码书块内的数目对应于对更新的码书参数进行编码所用的比特数目。例如，在数据率1时，码书参数更新8次，每1/8声音信号帧1次，每次用10比特对新的码书参数编码。当数据率减小时，更新次数减少。
Claims (10)
1.一种数字无线电话系统，包括一个固定站，该固定站具有一个无线电收发信机和以第一预定的数据率将第一模拟信号变换成数字信号的第一声码器，用以在一个无线电覆盖区域内进行发送和接收，为该无线电覆盖区域内的许多用户单元提供服务，每个用户单元利用一个第二声码器，以第一预定数据率将第二模拟信号变换成数字信号，其特征在于，该系统包括：
一个系统占用检测器，连接到所述无线电收发信机上，提供一个输出信号，该输出信号与该无线电覆盖区域内数字无线电话系统中有效地接收到服务的许多用户单元数目有关；
一个阈值检测器，监测所述输出信号，并产生一个指令加给第一和第二声码器之中的至少一个声码器，使之从第一预定数据率改变到第二预定数据率。
2.按照权利要求1的数字无线电话系统，其特征在于，还包含一个发射机，它将一个信号从所述阈值检测器经由所述固定站传送给第二声码器。
3.按照权利要求1的数字无线电话系统，其特征在于，所述阈值检测器还包含一个第一阈值，当所述输出信号超过该第一阈值时，产生出所述指令加给所述第一和第二声码器之中的至少一个声码器，以使所述第一预定的数据率降低到所述第二预定数据率。
4.一种用于数字无线电话系统的用户单元，该系统具有一个固定站，该固定站具有至少一个收发信机和一个以第一预定数据率将第一模拟信号变换成数字信号的第一声码器，用以为该固定站的一个无线电覆盖区域内的多个用户单元提供服务，多个用户单元之中的每一个用户单元利用一个第二声码器，以第一预定数据率将第二模拟信号变换成数字信号，其特征在于，该用户单元包括：
一个运行参数检测器，借以监测该用户单元的一种运行特性，当越过一个预定阈值时它产生出一个信号；
一个资源控制器，从所述运行参数检测器上接收所述信号，并产生一个指令加给第一和第二声码器中的至少一个声码器，使之从第一预定数据率改变到第二预定数据率。
5.按照权利要求4的用户单元，其特征在于，所述运行参数检测器中还包括一个电池电量状态检测器。
6.一个数字无线电话系统，该系统包括一个固定站，该固定站具有一个无线电收发信机和一个以第一预定数据率将第一模拟信号变换成数字信号的第一声码器，用以在一个无线电覆盖区域内进行发送和接收，为该无线电覆盖区域内的许多用户单元提供服务，每个用户单元利用一个第二声码器，以第一预定数据率将第二模拟信号变换成数字信号，其特征在于，该系统包括：
第一组用户单元，预定地指配以一种优先权等级；
一个系统占用检测器，连接到所述无线电收发信机上，提供一个输出信号，该信号与该无线电覆盖区域内数字无线电话系统中有效地接收到服务的多个用户单元的数目有关；
一个用户优先权表和优先权表扫描器，用以选择出所述第一组用户单元；
一个阈值检测器，监测所述输出信号，并产生一个指令加给选定好第一优选权的用户单元，使之从第一预定数据率改变到第二预定数据率。
7.一种触使数字无线电话系统适应于增加的用户业务量的方法，该数字无线电话系统包括一个固定站，该固定站具有一个无线电收发信机和一个以第一预定数据率将第一模拟信号变换成数字信号的第一声码器，用以在一个无线电覆盖区域内进行发送和接收，为该无线电覆盖区域内的许多用户单元提供服务，每个用户单元利用一个第二声码器，以第一预定数据率将第二模拟信号变换成数字信号，其特征在于，该方法包括以下步骤：
在所述无线电收发信机处检测频谱占用情况，提供一个输出信号，它与该无线电覆盖区域内数字无线电话系统中有效地接收到服务的多个用户单元数目有关；
根据所述输出信号产生出一个指令，加给第一和第二声码器中的至少一个声码器，使之从第一预定数据率改变到第二预定数据率。
8.按照权利要求7的方法，其特征在于，包括以下步骤，当所述输出信号超过第一阈值时，产生的所述指令加到所述第一和第二声码器中所述的至少一个声码器上，以使所述第一预定数据率减低到所述第二预定数据率。
9.按照权利要求8的方法，其特征在于，包括以下步骤，当所述输出信号越过第二阈值时，产生出一个指令加到所述第一和第二声码器中所述的至少一个声码器上，以便所述第二预定数据\率增高到所述第一预定数据率。
10.一种能使无线电话系统中的用户单元适应于业务量的方法，该系统包括一个固定站，该固定站具有一个无线电收发信机和一个以第一预定数据率将第一模拟信号变换成数字信号的第一声码器，该固定站对其无线电覆盖区域内的多个用户单元提供服务，多个用户单元之中的每一个用户单元利用一个第二声码器，以第一预定数据率将第二模拟信号变换成数字信号，其特征在于，该方法包括以下步骤：
检测出用户单元的一个运行参数，借以监测一种运行特性，并当越过一个预定的阈值时产生一个输出信号；
根据所述输出信号产生出一个指令，加到第一和第二声码器中的至少一个声码器上，使之从第一预定数据率改变到第二预定数据率。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C01 | Deemed withdrawal of patent application (patent law 1993) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |