CN1232056C - 在采用可变比特率的系统中健壮的帧类型保护方法与系统 - Google Patents

Abstract

描述了标识传送帧的编码率的技术和系统。在速率适配的帧中未使用比特被用于承载帧类型指示符模式。最大速率帧(即有最高编码率)不需要包括帧类型指示符。

Description

在采用可变比特率的系统中健壮的帧类型保护方法与系统

                        背景

本发明总地涉及通信系统领域的可变比特率信号，更具体地涉及可变比特率信号的解码，该信号使用多种不同编码率中的一种进行传送。

商用通信系统的发展，尤其是蜂窝无线电话系统的飞速发展，促使系统设计师们寻求各种途径，在用户容忍的限度内扩大系统容量而又不会降低通信质量。为达到这些目的，一种技术涉及从使用模拟调制将数据加到载波上的系统改变为使用数字调制将数据加到载波上的系统。

在无线数字通信系统中，标准化的空中接口规定了包括调制类型，脉冲格式，通信协议等在内的大部分系统参数。例如，欧洲电信标准化协会(ETSI)制定的全球移动通信系统(GSM)标准，使用时分多址(TDMA)在射频(RF)物理信道或链路上使用符号速率为271ksps的高斯最小频移键控调制方案传送控制、语音和数据信息。在美国，电信工业协会(TIA)公布了一系列过渡标准，如IS-54和IS-136定义了多版本的数字式先进移动电话业务(D-AMPS)，这是一种使用差分正交相移键控(DQPSK)调制方案进行射频链路数据通信的TDMA系统。

TDMA系统把可用频带细分为一个或多个射频信道。射频信道进一步分为与TDMA帧时隙相对应的多个物理信道。一个或多个指定调制与编码的物理信道组成逻辑信道。在这些系统中，通过在上行和下行链路RF信道上收发数字信息脉冲，移动台与多个分散的基站通信。

随着当今移动台数量的增多，蜂窝电信系统内需要更多的语音和数据信道。由此，基站的分布更加密集，空间上相邻或相近的小区内，在相同频率上工作的移动台之间的干扰也相应增加。事实上，一些系统现在应用码分多址(CDMA)，利用扩频调制的方式有意地让信号共享同一时间和频率。虽然数字技术在给定频谱内提供了更多的可用信道，但仍需要将干扰维持在可接受的水平，或者，尤其需要监控载波信号强度与干扰的比(即载噪比，C/I)。

提供多种通信业务中另一个日趋重要的因素在于，在一特定连接上传送数据所期望/要求的用户比特率。例如，对语音和/或数据业务而言，用户比特率相当于语音质量和/或数据吞吐量，用户比特率越高，产生的语音质量就越好和/或数据吞吐量就越大。用户比特率总量决定于所选的语音编码，信道编码，调制和资源分配技术的组合，例如，资源分配在TDMA系统中可以指每个连接的可分配时隙数，在CDMA系统中则可指每个连接的可分配代码数。

语音编码(或更普通的“信源编码”)技术用于将输入信息压缩成某种格式，使用可接受的带宽量并能从中再生可理解的输出信号。现存的语音编码有多种，如剩余受激线性预测(RELP)、规则脉冲激励(RPE)等等，其细节与本发明不甚相关。在此语境下更重要的是，不同的语音编码器的输出比特率(在此称为编码率)不同，并且正如人们所期望的，与输出比特率较低的编码器相比，输出比特率高的语音编码器提供的再生语音质量往往更能让用户接受。举例而言，考虑更多常规的基于有线电话的系统采用以64kbps编码的PCM语音编码，而GSM系统使用工作在13kbps的RPE语音编码方案。

除语音编码外，数字通信系统还使用多种技术处理错误接收的信息。一般而言，这些技术包括那些辅助接收机纠正错误接收的信息的技术如前向纠错(FEC)技术，和那些允许将错误接收的信息重传给接收机的技术如自动重传请求(ARQ)技术。FEC技术中包括，例如，在调制前对数据进行的卷积或块编码(这里统称为“信道编码”)。信道编码包括使用特定数目的编码比特表示特定数目的数据比特。因此常用编码率如1/2、1/3来指示卷积编码，其中较低的编码率提供更好的出错保护，但对于给定的信道比特率它提供的用户比特率更低。

通常，对于无线通信系统提供的给定业务而言，或者，至少在无线通信系统建立的连接期间，影响用户比特率的每种技术是固定的。也就是说，每个系统建立的连接使用一种信源编码，一种信道编码，一种调制技术和一种资源分配方式工作。但是最近，面对大量参数(如无线通信信道的无线传播特性、系统负荷、用户比特率需求等等)随时间的快速改变而动态适配这些技术已经成为优化系统性能的流行方式。

可以想象，在无线通信系统支持的不同连接之间和单一连接的使用期内，这些处理技术的很多不同组合可以被有选择地应用。然而，接收机必须知道发送机所使用的处理类型才能在接收后正确解码信息。通常有两类技术通知接收机与信号相关的处理技术：(1)显式信息，即发送信息中某一消息字段有模式值指明处理类型，和(2)隐式信息，即有时称为“盲解码”，接收机根据该隐式信息通过分析接收信号判断发送机所执行的处理。在依据TIA/EIA IS-95标准的CDMA系统中使用了后者。由于减少了接收机的处理延迟，显式信息方式有时被认为是优选，但这是以要求发送机在发送用户数据的同时包含附加开销比特为代价的。

本发明的特殊兴趣在于能够反映发送机当前所用信源(语音)编码的帧类型指示符。如上所述，帧类型指示符可以被发送给接收机(无论是无线通信系统中基站或移动台的接收机，还是非无线通信系统中的任意接收机)，使其能够使用正确的语音解码技术。典型地，此帧类型指示符可能只包含很少的几个比特与数据字段一起传送。因此可以理解，能够准确解码帧类型指示符对于接收机尤其重要，否则，整帧的数据将无法恢复。由于期望准确地接收模式指示符，设计者们使用重(heavy)信道编码对这些指示符进行强有力的保护，以提高准确判定所用的正确语音解码技术的机率。

然而，使用重信道编码暗示有更多的冗余，这意味着为模式指示符字段发送更多的比特。如前所述这正是人们所不期望发生的，因为，开销比特必须最小化而不是增加。因此，期望提供技术和系统用于增加正确解码帧类型指示符的可能性，同时将与净荷数据一起发送的开销比特数降至最少。

EP-0913971公开了蜂窝通信系统中信道估计的一种方法。数据作为多种数据符号在时隙序列上以可变的数据传输速率传送。每一时隙至少有一部分包含数据符号，该比例依赖于数据的传输速率。判定传输速率的估计并将其用于信道估计，因此可基于接收的数据符号进行信道估计。另外速率信息序列RI标识了信道编码之前或之后插入用户和控制数据流的比特率。

US-3747074公开了一种具有波特率检测功能的通信系统。在优选的实施方案中，该系统包括处理器，多个终端，以及协调在处理器与不同波特率终端之间通信传输的通信设备。系统的每一波特率都与一唯一波特率编码相对应，每一波特率编码是一种时间间隔。每一通信通过其传输的信号包含波特率编码，由信号状态转移间的至少一个时间间隔代表。通信设备检测代表波特率编码的信号状态转移，同时记录每次检测到的转移的出现时间。根据记录的一对时间，计算转移间隔，并将其与波特率编码时间间隔之一相关以标识相关的波特率编码。由此，可以指示与相关的波特率编码对应的波特率，以及根据指示的波特率对通信传输进行解码。

概述

按照本发明，帧类型指示符被包含在帧中，代替先前那些被添加到帧中用于速率适配的未使用比特，这样常规传送信息的系统与方法的种种缺陷和限制都将被克服。因此，帧类型指示符可以相对很长，提供克服传输差错的健壮性。此外，不同的帧类型指示符可以有不同的比特长度。

按照本发明的示范实施方案，接收机中的处理器将存储的帧指示符模式，如伪随机数字序列或更普通地至少部分正交的任意类型序列，与接收帧相关，以识别帧类型如编码率，其中所述帧指示符模式的至少两种具有不同的比特数。足够高的相关可以提供匹配，使接收机标识接收帧为具有与该帧类型指示符对应的编码率。

按照一种示范方法(在通信系统中发送帧类型信息)，执行如下步骤：在发送机中提供至少两种不同的编码率用于处理信息，其中该帧类型信息与所述至少两种不同的编码率相关联；在发送机处以基于至少两种不同的编码率中选定一种的一个编码率对信息进行编码；一个帧类型指示符与该编码信息一起被包含在帧中，该帧类型指示符是取决于在该至少两种不同的编码率中所选择的编码率而从至少两种帧类型指示符中选择的；以及发送包含帧类型指示符和编码信息的帧，其中该至少两种帧类型指示符具有不同的比特数。

按照另一种示范方法(判定接收的信息帧的帧类型)，执行如下步骤：接收所述帧；将所述接收帧与第一帧指示符模式相关；如果相关结果超过门限，则将所述接收帧标识为具有与第一帧指示符模式相关联的第一类型；如果所述接收帧未标识为具有第一类型，则将之与第二帧指示符模式相关；如果相关结果超过门限，则将所述接收帧标识为具有与第二帧指示符模式相关联的第二类型，而否则将所述接收帧标识为具有第三类型；其中，所述第一与第二帧指示符模式具有不同的比特数。

按照另一种示范方法(判定接收的信息帧的帧类型)，执行如下步骤：接收所述帧；将所述接收帧与多种帧指示符模式相关；比较按上述相关步骤产生的最大相关值与门限；如果所述最大相关值超过所述门限，则将所述接收帧标识为具有与生成最大相关值的帧指示符模式相关联的第一类型，否则，将所述接收帧标识为具有缺省类型；其中，至少两种帧指示符格式具有不同的比特数。

附图简述

结合附图阅读下面的详细描述，本发明的种种目的、特征和优点将更加明显，其中：

图1是无线通信系统的总框图，按照本发明的帧类型指示符可在其中实现；

图2是发送总速率固定，净荷比特率可变的发送方案框图；

图3的表格列出了本发明可被实施的不同编码率和比特类型；

图4是对于图3的编码率，比特类型到帧的示范映射；

图5描述了显式标识帧类型的一种常规技术；

图6描述了按照本发明的一种示范实施方案标识帧类型；以及

图7列出了按照本发明另一示范实施方案提供的帧类型指示符。

详细描述

在下面的描述中，为了解释清楚而非限制，描述了如特定电路、电路组件、技术等详尽细节，以对本发明有更全面的理解。然而对本领域的技术人员而言，很明显，本发明能够应用于抛开这些详尽细节的其他实施方案。在其他情况下，省略有关众所周知的方法、设备、电路的详细描述，以突出本发明的描述。

下面的示范实施方案是在无线通信系统的情况下提供的。然而，本领域的技术人员将意识到，本发明可以适用于包括有线通信和无线通信在内的任意类型通信系统。此外，对于其中本发明应用于通过空中接口传输的信号的系统与方法，本发明对使用包括如频分多址(FDMA)，TDMA，码分多址(CDMA)及其混合方案在内的任意接入方式的系统都同等适用。

此外，依据GSM通信系统的示范中无线通信系统的操作在欧洲电信标准化协会(ETSI)文档ETS300 573、ETS300 574和ETS300 578中描述的GSM通信系统。因此，在此仅对GSM系统的操作描述到为了理解本发明而必要的程度。虽然本发明根据GSM系统的示范实施方案进行描述，但本领域的技术人员将意识到，本发明可以被广泛应用到使用可变比特率编码方案的各种其他数字通信系统中。

参考图1，本发明的示范实施方案可以在通信系统10中实施，对该系统进行描述以便提供本发明的某些语境。其中，系统10被设计成分层网络拥有多层以管理呼叫。利用一组上行和下行链路的频率，系统10中工作的移动台12参与利用在这些频率上分配给它们的时隙的呼叫。在更高分层水平上，一组移动交换中心(MSC)14负责从起始到目的的呼叫路由。这些实体具体负责呼叫建立、呼叫控制与呼叫终结。一种被称为网关MSC的MSC14，处理与公用电话交换网(PSTN)18或其他公用网和专用网的通信。

在较低的分层水平上，每一个MSC14与一组基站控制器(BSC)16相连接。根据GSM标准，BSC16与MSC14之间采用称为A接口的标准接口通信，它是基于CCITT7号信令系统的移动应用部分。

在更低的分层水平上，每个BSC16控制一组基站收发信机(BTS)20。每个BTS20包括多个TRX(图中未示出)，它们使用上下行链路RF信道来服务于一特定的普通地域，如一个或多个通信小区21。BTS20主要提供RF链路，用于收发来自和去往其被指定的小区内移动台12的数据脉冲。在示范实施方案中，多个BTS20共同组成一个无线基站(RBS)22。RBS22可以按照Telefonaktiebolaget L M Ericsson，本发明的受让人所提供的RBS-2000产品系列配置。有关示范移动台12与RBS22更多实现细节，有兴趣的读者可参考美国专利申请序列号为No.08/921,319、在1997年8月29日提交的、Magnus Frodigh等人的、题为“A Link Adaptation Method For Links using Modulation SchemesThat Have Difierent Symbol Rates(一种用于使用有不同符号速率的调制方案的链路的链路适配方法)”。

按照本发明的示范实施方案，BTS20与移动台12之间传输的信息可以使用不同的信源(如语音)编码模式进行处理。之后，该信息通常被无线通信系统中固定部分内的各种链路转发。如果该连接的另一方是另一个移动台12，那么信息将再次在空中接口上传输。

为了更全面地理解可传输和解码帧类型指示符的示范模式，以图2描述的示范系统为例，其中可变比特率的帧被映射到一固定速率信道。其中，由可变比特率编码器30(安置在例如移动台12)产生的可变长度为Nr的帧，被映射到一有固定速率的信道上，产生的帧长为M。编码率r由控制单元32决定，并转发给编码器30，后者输出的语音帧包括每帧Nr个编码比特。这些编码比特然后被进一步处理并在空中接口上发送给基站(未在图中示出)。补充数据如同步和其他开销信息一旦在网络的固定部分接收到，就可以在方框34上加入，后者可能被放置在例如BSC或MSC的转换代码单元(TRAU，未示出)中。然后，由方框36(也可例如位于TRAU中)执行速率适配，以有选择地向方框34的输出中增加更多比特，从而产生可以在数字线路38上传输，或在无线通信系统的不同固定节点内可链接TRAU的任意类数字信道上传输的长度为M的固定速率帧。

图3和图4示例的系统中，指定了4种不同的编码率用于传送信息。这些编码率和帧格式与所谓的无串接操作TFO系统进展(IS-733)一起被提出。TFO系统旨在降低或消除与跨越不同接口转发数据块有关联的多次代码转换。例如，TFO系统旨在发送数据块时，在始发与接收方之间涉及转发信息的节点上只采用一次编码/解码步骤，而不是先将在空中接口接收的来自移动台的语音帧解码，把解码后的语音帧翻译为脉冲编码调制(PCM)语音采样，用于在通信系统内的通信链路上传送，然后将语音采样再次重编码用于在另一个空中接口上向预定的接收方传送。

图3的表格示出了净荷数据Nr、补充数据Dr与未使用比特Ur之间的示范关系，它们提供用于保持固定的帧长度，如本例中为320比特(包括CRC比特)。这里指定的编码率r与最大输出比特率有关。这些比特可被以任意期望方式映射到每一帧，图4示出了对于每种编码率的例子。本领域的技术人员将意识到，特定字段如净荷数据、补充数据和未使用比特，其位置都可以按需调整，并且事实上这些字段还可以散开在各帧中。通过回顾图3和图4可知，由于编码率的降低增加了未使用填充比特的数目，以维持固定的发送速率。

如上所述，可在每帧中发送帧类型指示符，以通知接收机解码器切换到适当的模式(如前面例子中的编码率1、1/2、1/4和1/8)，对每帧进行正确的解码。按照一种建议，可将补充比特Dr减少固定数目F比特以允许发送固定数目F比特的帧类型指示符。图5示出了该定义。然而，该建议的缺点在于它减少了用于开销目的如同步的补充比特数目，从而可能导致同步性能(也就是系统性能)的严重降低。

按照本发明的示范实施方案，改而利用未使用比特Ur来创建帧类型指示符。更具体地，如图6所示，在示范系统中为编码率1/2、1/4、1/8的每一帧插入不同的帧类型指示符模式。由于编码率1的帧不包含任何未使用比特，所以这些帧不需要显式的帧类型指示符。因此每种帧类型指示符模式的比特数目可以不同。例如，在这个纯说明性的数字示例中，1/2编码率的帧类型指示符最长为142比特，1/4编码率的帧类型指示符最长为221比特，1/8的编码率的帧类型指示符则最长为255比特。帧类型指示符格式可以例如以对本领域的技术人员而言显而易见的方式由伪随机序列发生器创建。

然后，接收机进行模式匹配处理以判定接收帧的编码率。本例中有四种不同的编码率，接收机从存储器中检索3种已知的帧类型指示符中的每种并搜索接收帧，以判定是否存在匹配来尝试标识接收帧。例如，接收机可以取回第一帧指示符模式，如与1/2编码率帧相对应的142比特，并判定接收帧与第一帧指示符间的相关水平。如果相关水平足够高的话，接收机将标识该帧为1/2编码率帧。否则，将继续该过程以取回第2帧指示符模式，如221比特并进行第二次相关。如果没有发现匹配，接收机继续取回第3帧指示符模式，如255比特并进行第3次相关。如果还没有匹配被标识，则接收机将标识该帧为编码率1帧，即，没有显式帧类型指示符的帧。

或者接收帧可以与所有帧指示符模式相关。然后，可将相关最大值与一门限值相比较。如果最大相关值低于门限，那么接收机将用缺省(如最大的)的编码率标识该帧。否则，如果最大相关值超过门限，则该帧标识为与产生最大相关值的帧指示符模式相关联的编码率。

当然，即使所有未使用比特都用于帧类型指示符，也并不是所有比特都需要参与相关。例如存储的帧类型指示符的一个子集是否用于进行相关，要取决于标识任务中所用处理资源相关的期望精确度。

当然，接收的帧类型字段也可能发生错误。此外还存在这样的可能性，与编码率＝1/2、1/4、1/8相关联的特定帧类型指示符，在实际发送编码率为1的帧中被不经意地发送或检测到。在无差错情况下，帧类型指示符错误检测的可能性取决于帧指示符的长度，如上所述，由于使用未用比特传送帧类型指示符，该长度可以根据不同的编码率改变。假设如果接收到差错最多为2比特的模式，则该模式被接受为匹配，下面的公式给出当比特(0，1)平均分布和统计独立的情况下，无误地检测的模式的概率P_E：

$P_E(r\≠1)=(1+\mathrm{Fr}+\left(\underset{2}{\mathrm{Fr}}\right))/2^{\mathrm{Fr}}$

该公式表明，对于142比特量级或更多比特的帧类型指示符，错误标识接收帧的编码率的概率是可以忽略的。此外如期望，则净荷与补充数据在发送之前先被筛选(screen)，以判定是否其中有一个帧类型指示符模式已随机出现。在识别出净荷和/或补充比特中包含帧类型指示符模式之后，发送机可故意地改变那些比特中的一个，两个或更多，以防止接收机错误标识编码率。

按照本发明的另一个示范实施方案，一旦特定数目L_r个比特在其输入端可得，则可变比特率信源解码器就可以开始进行解码处理。该比特数目依赖于编码率，如，L₁＝90比特(对于r＝1)，L₁₂＝50比特(对于r＝1/2)，L₁₄＝45比特(对于r＝1/4)，L₁₈＝20比特。因此，如果帧指示符模式的比特数设为F_r＝90-L_r，则可变比特率信源解码器可以判定编码率，并因而在90比特之后不管特定帧使用怎样的编码率，都可开始解码。

该概念由图7的例子示出，其中，对于采用本说明书的示例中所用的每种不同的编码率编码的帧示范了一个帧的前90比特。因此，对编码率r＝1，前90比特只包含净荷数据并没有帧类型指示符。对编码率r＝1/2，前90比特包含40比特帧类型指示符和随后的50比特净荷信息。对编码率r＝1/4，帧的前90比特包含45比特帧类型指示符和随后的45比特净荷信息。最后对编码率r＝1/8的帧，前70比特包含帧类型指示符和随后的20比特净荷信息。当然本领域的技术人员将意识到，本例中提供的数字仅是说明性的，依据不同的编码率等为帧类型指示符提供的比特数可以不同。

虽然本发明仅仅参考少数几个示范实施方案详细描述，本领域的技术人员将意识到，在不脱离本发明的情况下可以做很多改变。虽然上述帧格式的描述中将净荷、补充数据和帧指示符字段描绘为单一字段，但这些字段的任意或全部可以在帧中分开。例如，一部分帧类型指示符字段可以与一部分净荷数据在每一帧中交织。

Claims (9)

1.一种在通信系统中发送帧类型信息的方法，它包括以下步骤：

-在通信系统的发送机中提供至少两种不同的编码率用于处理信息，其中，所述帧类型信息与所述至少两种不同的编码率相关联；

-在发送机处，以基于所述至少两种不同编码率中选定一种的一个编码率对信息进行编码；

-在帧中包含一种帧类型指示符(61，62，63；71，72，73)和所述编码信息，

所述帧类型指示符是取决于在所述至少两种不同的编码率中所选择的编码率从至少两种帧类型指示符中选择的；并且

-发送包含所述帧类型指示符和编码信息的帧；

其特征在于所述至少两种帧类型指示符有不同的比特数。

2.如权利要求1的方法，其中与较低编码率相关联的以比特数计的帧类型指示符长度大于与较高编码率相关联的以比特数计的帧类型指示符长度。

3.如权利要求1或2的方法，其中所述编码是语音编码。

4.如权利要求1或2的方法，其中所述至少两种不同编码率中的两种是编码率1，即全速率和编码率1/2，即半速率。

5.如权利要求4的方法，其中与编码率1相关联的帧类型指示符的长度为0比特，而与编码率1/2相关联的帧类型指示符的长度为40比特。

6.一种判定接收的信息帧的帧类型的方法，它包括如下步骤：

-接收所述帧；

-将所述接收帧与第一帧指示符模式(61，62，63；71，72，73)相关；

-如果所述相关结果超过门限，则将所述接收帧标识为具有与所述第一帧指示符模式相关联的第一类型；

-如果接收帧未标识为具有第一类型，则将之与第二帧指示符模式(61，62，63；71，72，73)相关；

-如果所述相关结果超过门限，则将所述接收帧标识为具有与所述第二帧指示符模式相关联的第二类型，而否则将所述接收帧标识为具有第三类型；

其中，第一与第二帧指示符模式具有不同的比特数。

7.如权利要求6的方法，其中所述第一，第二和第三类型是不同的语音编码率。

8.一种判定接收的信息帧的帧类型的方法，它包括如下步骤：

-接收所述帧；

-将所述接收的帧与多种帧指示符模式(61，62，63；71，72，73)相关；

-将按上述相关步骤产生的最大相关值与门限相比较；

-如果所述最大相关值超过门限，则将所述接收帧标识为具有与生成该最大相关值的帧指示符模式相关联的第一类型，而否则，将该接收帧标识为具有缺省类型；

其中至少两种帧指示符模式具有不同的比特数。

9.如权利要求8的方法，其中所述第一和缺省类型是不同的语音编码率。

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