CN1326650A - 提高移动通信语音质量的装置和方法 - Google Patents

Abstract

在传统的TDMA蜂窝移动电话系统中,移动台和网络之间的连接常常都在每个TDMA帧中采用一个时隙,应用于话音信号的编解码和差错控制编码都是基于固定比特数之上的。在高性能领域,用户可以通过手工方式或者注册一个永久的请求,请求提高语音质量。网络则在每个TDMA帧中为这个连接分配至少一个额外的时隙。同样的话音信息于是扩展到两个时隙中,额外的容量被用于采用更加强有力的差错控制编码方案,作为常规差错控制编码方案的补充或者干脆取代它。在另外一个实施方案中,额外的容量被用于采用改进了的编解码方案,从而将语音质量提高到甚至比固定线路的语音质量还要好。

Description

提高移动通信语音质量的装置和方法

1.发明领域

本发明涉及采用时分多址的蜂窝移动电话系统，特别涉及如何提高这种蜂窝移动电话系统中连接的语音质量。

2.发明背景

在蜂窝移动电话系统中，语音质量不好常常是由干扰或者覆盖问题引起。话音连接的接收质量很难用量来描述，但是一般情况下，它跟传输链路的误码率(BER)有很好的相关性。高误码率通常说明语音质量很差，而低误差率则说明收到的语音质量很好。目前，当移动用户碰到语音质量差的情况的时候，他或者她能够做的唯一的事情是移动到另外一个位置上，通过这种方式希望能够避开干扰。与此同时，网络将在另外一个小区中继续试图寻找一个更好的信道。但是，在高干扰地区，在能够找到一个质量更好的信道之前，质量会迅速下降。在这一段高干扰时间内，终端用户会碰到如此严重的语音质量下降，使得他或者她不得不提前中断呼叫。在另一种情况下，误码率如此之高，使得网络无法维持连接，从而导致这一呼叫掉线。因此不良的信号质量给终端用户带来的效果不仅仅是不舒服和让人厌烦，而是会在高干扰区域显著的降低呼叫的平均占线时间。这样，运营商就会因为不良的语音质量而减少收入。

蜂窝电话系统中语音质量差主要有3个原因。它们是：信号强度太低，频率重复使用率太高和过分拥挤。

按照惯例，人们通过在覆盖过于稀疏的区域中增加无线电覆盖，来解决由于信号强度太低而导致信号质量变差的问题。这可以包括改善链路资源，例如，通过安装具有更高增益例如分集增益的更好的天线，或者提高基站的输出功率。成本比较高的解决方法是在信号强度较低的区域安装另外的基站。

由于频率重复使用率太高导致的干扰常常用多种方式来消除。最直接的方法是在高干扰区域建立新的基站。但是，这样做不仅成本高昂，而且还需要有频率供新小区使用。如果频谱有限，就很难找到一个频率既能供这个区域使用，又不会给其它区域带来干扰。于是唯一的方法是重新进行频率规划。

现有技术中采取的另外一种措施是通过改变基站控制器(BSC)中的参数有效地挪动小区边界。具体地说，这样来设置基站控制器，使移动台碰到干扰的时候提前切换到另外一个基站，也就是说，在移动台和新基站之间的信号强度达到最佳值之前进行切换。尽管这一方法能够避开干扰，但是仍然极有可能使用户继续碰到由于信号强度太低导致语音质量差的问题。

由于注册太多，当移动用户达到小区的极限，同时又不能从相邻小区中获得空闲信道的时候，过分拥挤就会导致信号质量下降。由于网络中的通信不会总是均匀分配的，所以总会出现这种情况，在通信高峰期间会出现拥挤。按照惯例，这个问题是通过移动台在连续地尝试切换到更好的通信信道的同时，尽可能长时间地保持旧信道来解决的。然而，由于没有给移动台分配任何空闲信道，信号质量会最终变得非常差，因为移动台实际上是连接到在信号强度方面是“错误的”基站上。于是就会出现呼叫过早地掉线的危险。

上面描述的用于提高质量的方法是必不可少的同时又是非常有用的，但它们并不总是够用。此外，尝试完全剔除蜂窝电话网络中的高干扰区域从经济上来说是不合算的。具有完美无缺的质量和足够的容量应对所有通信状况的网络设计起来成本很高，需要极宽的频谱和大量的基站。不能期望蜂窝电话网络的用户为增加他们没有要求的资源支付费用，而且这些方法只能解决有限区域内特定时间段里碰到的问题。如果成本不能由用户承担，运营商当然不愿意为这些资源投资。

人们知道，传输质量可以通过使用差错控制编码来改善。在移动台和基站之间的空中接口上采用更好的编码方式会明显地降低无线电连接的误码率。但是，在移动台和基站之间的时分多址连接中，在任何一个脉冲串中传输的比特数都是固定的。差错控制编码从本质上来说就是计算冗余。更加有效的误差控制码一般都比效果差一些的要长。因此在时分多址连接中，在差错控制程度也就是编码比特数，和发射的通信信息量之间，有一个折中。增强差错控制会降低每一个脉冲串中能够发射的信息比特数。而每一脉冲串中发射更少的语音比特也会导致语音质量下降。

发明简述

因此本发明的一个目的是提供一种装置和一种方法，用于基于时分多址的蜂窝移动电话系统，这种装置和方法能够在高干扰区域提高话音连接的质量。

本发明的另外一个目的是提供一种装置和方法，用于基于时分多址的蜂窝移动电话系统，这种方法和装置能够提高语音质量而基本上不会增加运营商的运营成本。

在基于时分多址的蜂窝电话通信系统中，为了这些目的和其它目的，在移动台和/或基站中提供一种装置，用于为某个连接至少分配一个额外的时隙。具体地说，可以为移动台提供手动装置，有可能是用按键的形式，利用它，当连接的语音质量变差的时候，终端用户能够请求网络分配一个或者多个额外的时隙。这一请求可以在呼叫过程中发出，或者这个移动电话，可以被设置成当连接质量，也就是误码率，下降到一个预定值的时候，就在呼叫之前自动地发出请求。或者，可以将网络设置成发现干扰程度超出预定值的时候，自动地分配至少一个额外的时隙供某个移动台用于通信。

本发明中的移动台还包括手动装置，用于为某个连接请求分配至少一个额外的时隙。

本发明还提出一种方法，通过这种方法，连接的语音质量可以通过给这个连接分配至少一个额外的时隙来得到改善。这一个额外的时隙或者这些额外的时隙能够用于增加跟固定的用户或者语音信息一起发射的差错控制编码的数量。在另一个实施方案中，将这多个额外的时隙用于发射改善和扩展了的语音编码信号，以提高语音质量。这些额外的时隙最好是根据用户的请求来分配。当连接质量为使用额外的时隙提供保证的时候，可以在呼叫过程中发出这一请求，或者在呼叫之前发出这一请求。当终端用户的连接的误码率达到一个预定值，并且终端用户已经注册了向网络请求提高语音质量的时候，这些额外的时隙可以由基站设备分配。

在干扰期间，可以通过将用户或者语音数据扩展到两个时隙或者更多的时隙上而不是一个时隙上，并利用用于增强误差控制编码的额外的容量，来提高时隙或者突发的冗余而提高连接的语音质量。此外，通过利用额外的时隙来支持增强了的，因而更长的语音编码方案(编解码)，总体语音质量会得到提高。由于额外的时隙可以根据用户的请求来分配，例如在强干扰期间，这一连接的额外成本可以被运营商直接交给用户。终端用户不必请求获得改善了的语音质量，如果他或者她不愿意为此付费，运营商也不必使每个人都能使用成本高昂的额外资源。

附图简述

通过对本发明优选实施方案的以下描述，本发明其它的目的和优点会变得显而易见，这些优选实施方案是以实例的形式通过参考附图来加以说明的，在这些附图中：

图1是说明蜂窝移动电话系统的一个原理图，

图2说明传统的连接时隙分配，

图3说明本发明中的连接时隙分配，

图4说明用户启动的提高语音质量的程序，和

图5说明根据注册的用户请求提高语音质量的程序。

附图详述

在图1中说明GSM系统代表的典型蜂窝移动电话系统的一条链路。这个蜂窝电话系统包括一个网络，这个网络有几个基站(BTS)20，通常位于小区中心，还有基站控制器(BSC)30，每一个基站控制器一般都要控制多个基站20，以及移动业务交换中心(MSC)40，它们负责建立、管理和拆除连接，同时负责将呼叫接续给正确的小区。MSC还提供到固定电话系统(PSTN或者ISDN)的接口，并负责收费和记帐。移动电话或者移动台(MS)10从一个小区移动到另外一个小区，通过空中接口跟一个基站20通信，通常是跟最近的基站20通信。

在图1所示的系统中，移动台10有一个控制键或者有一些控制键，在图中用矩形11表示。这个控制键或者这些控制键11用于让用户向网络请求提高语音质量，下面将对此详细描述。

在移动台10跟基站20之间的空中接口里，用户信息是通过频分复用和时分多址技术的组合来传输的。通常是200kHz固定带宽的一个通信信道最多可以分配给八个移动台10。

每个移动台10和网络之间的用户信息被划分成固定长度的突发或者时隙。这些突发或者时隙被多路复合进八时隙时分多址帧，通过调制射频载波从通信信道发射出去。这些帧可以进一步地多路复合，在一个固定的时间段内发送出去。

图2说明跟移动台10的话音连接。图中的时隙分配方案是下行链路的一个载波频道使用的。在图中用0～7表示的八个时隙构成一个时分多址帧，通常将每八个时隙中的一个分配给一个移动台10的用户信息。这个时隙用阴影区表示。

每个时隙中发射的用户信息包括数字话音信息，还包括同步和控制位。从模拟话音信号转换成数字话音信号是采用为固定比特数设计的语音编码方案(编解码)来进行的。然后对得到的数字信号进行编码，使信号对传输差错不那么敏感。差错控制编码给数字语音信号引入了冗余。一般而言，增加冗余，也就是增加差错控制位的数量，会增加连接的坚固性。但是，由于在任何一个脉冲串中能够传输的位数是有限的，在每个时隙发射的差错控制位的个数和话音信息位数之间存在一个折中，以获得低干扰情况下能够接受的语音质量，以及在高干扰情况下有足够的差错控制能力来维持这一语音质量。

当移动用户通过干扰非常强的区域的时候(低C/I率)，得到的误码率(BER)会超过一个时隙采用的差错控制编码能够纠正的程度，得到的话音质量会变坏。

根据本发明，话音连接的质量是通过采用更加强有力的纠错方案，从而增加数字话音信号的差错控制编码的冗余度来提高的。但是，并不是减少在分配的时隙中发射的数字话音比特的数量，这样做在效果上会使得在低干扰程度下降低语音质量，而是让同样多的话音信息在两个时隙上发射。于是在第2个时隙中提供的额外的容量就可以用来显著地提高差错控制编码冗余度。每个连接都分配了时隙的时隙分配方式在图3中说明。在这里将每一帧中两个连续的时隙分配给单独一个移动台10。如果误码率特别高，可以在每一帧中为连接分配一个以上的辅助时隙。将连续的时隙分配给一个移动台10仅仅是作为一个实例。这些时隙也可以通过时分多址帧用另外一种方式分配。

改进了的差错控制编码方案可以针对分配给连接的时隙将通常使用的编码方式替换成高级方式。一种选择是对数字化的语音信号进行预先编码，例如在应用程序级这样做，稍后将预先编码信号进行正常的差错控制编码。这后一种程序具有这样的优点，那就是已有的功能可以得到保持，这些功能在某些情况下可能是由标准规范了的。

由于前面描述的语音质量的提高要求适当地给单个连接分配更多的资源，所以这一功能最好是按照用户的请求来提供。因此，移动台10配备一个或者多个控制键11，它们可以是专用功能键，也可以是小键盘上已经存在的那些键的特定组合。用户在连接期间碰到语音质量很差的情况的时候，他可以利用控制键11请求提高语音质量。干扰过去了以后，用户可以用一个专用功能键或者另外一个专用功能键，或者是通过小键盘输入的一个特殊命令，请求将这一连接返回到单个时隙。用户发出的请求可以导致分配一个额外的时隙，在这种情况下，必须发出几个请求，以获得每一帧分配了几个时隙的一个连接。或者，可以在一个请求中指定这一连接需要多少个时隙(最多八个)。

图3说明用户启动的提高语音质量的程序。在步骤1中，移动台10向网络请求提高语音质量。这一请求由MSC 40处理，它发出一个分配请求给BSC30，如果网络能够允许这一修改。在这以后是资源升级或者降级过程，在这个过程中将改变分配的时隙个数，并指定用于提高容量的适当的差错编码方案。随后BSC30在步骤3中告诉MSC40这一程序已经完成，在步骤4中，MSC40向MS10确认这一修改已经完成。

由于连接的语音质量和误码率之间存在一种关系，因此可以给移动电话10提供某种功能，使它能够监视线路，当这一连接会因为使用额外的时隙而受益的时候就告诉用户。同样，当这一连接好到用每一帧中的一个时隙提供标准差错控制编码方案就足以提供能够接受的语音质量的时候，移动台10就提醒用户释放额外的时隙。

在另一个实施方案中将这后一种安排进一步扩展。具体地说，通过用户在呼叫之前改变电话10的设置，将手动控制键11的功能结合进电话本身。当这一功能被打开的时候，如果误码率太高，移动电话自己就自动地请求额外的时隙，当误码率降低了以后，又释放额外的时隙。这一功能的启用可以用一个专用控制键11完成，或者通过电话的普通小键盘进行特殊的键设置来发出请求。

在另外一个实施方案中，可以不要求用户手动请求网络提高语音质量，而是可以在网络那里注册发出永久的请求。网络连续地监视信号电平和信道质量，载波干扰比(C/I)的任何增加都会被检测到。如果用户注过册，网络就能够通过分配额外的时隙并利用更加强有力的差错控制编码方案自动地提高连接质量。这样的请求可以储存在网络中的一个存储器里，例如在归属位置寄存器(HLR)中跟用户的识别信息和提供给这个用户的其它辅助服务信息存在一起。对于手动请求程序，当连接的误码率返回到可以接受的值或者至少不那么引起人注意的时候，网络可以减少分配的时隙数。

这一程序在图4中说明。在这一程序中，假设包括用户请求的已经被询问过的BSC30知道用户要求自动地提高语音质量。在这一程序的步骤1中，BSC30判断这一连接的误码率是否能够使用户从分配额外的时隙获得好处，或者从去掉添加的一个时隙获得好处。在步骤2中，BSC30告诉BTS20要分配或者释放哪些额外的时隙。在步骤3中确认这一命令。随后在步骤4中将这一配置变化告诉MS10，这一命令在步骤5中证实。根据连接的误码率和采用的差错控制方案的能力，需要执行多少次步骤2和步骤3就执行多少次。

应当明白也可以采用图4和图5所示两种程序的组合，只有当网络为这一用户注册了这一功能的时候才处理手动请求。

通过采用分配的额外时隙改善差错控制编码，语音质量可以提高到没有受到多少干扰或者干扰可以忽略的情况下连接的普通语音质量的程度。在另外一个实施方案中，根据请求分配给用户的额外时隙被用于改善语音编码方案(编解码)。于是根据采用的编解码方案，这一连接的语音质量会相当好，甚至远远超过固定线路的语音质量。由于实际原因，最好是限制用于改善编解码的时隙数量。按照上面所描述的，根据用户请求，可以随后分配额外的时隙以改善这一连接的差错控制能力。

显然，通过分配辅助时隙并采用改善了的差错控制编码或者编解码方案，既可以只在下行链路连接上提高语音质量，又可以同时在下行链路和上行链路连接上提高语音质量。在一些情况下，用户可以请求当网络检测到质量下降的时候，让网络提高上行链路连接的语音质量。

由于提高语音质量是由用户启动的，或者是在连接期间通过一个请求，或者是通过事先注册，分配的外资源的成本可以直接由用户来承担。用户则只需要为他请求增加时隙的那些时间付费。

让某些紧急服务能够永远通过这种形式提高语音质量这一点也会让人感兴趣。

显然本发明也可以用于数据通信。

权利要求书

按照条约第19条的修改

1.一种节点(30，40)，用于按时分多址(TDMA)标准的蜂窝电话网络，能够跟至少一个移动终端(10)通信，其特征在于它能够从移动终端(10)接受请求，请求分配占用至少一个时隙的连接，用于在每个时间单位内发射一定量的有效负荷，以及当质量下降到某个程度以下时，分配至少一个额外的时隙，并用这个额外的时隙增加代表所述连接有效负荷的信息的发射量。

2.权利要求1的节点(30，40)，用于在建立连接之前接收和注册所述请求，监视连接的质量，并在质量下降到低于某个程度的时候自动地分配所述至少一个额外的时隙。

3.权利要求1的节点(30，40)，用于在所述连接被建立起来的时候接收所述请求，并在收到这个请求的时候分配所述至少一个额外的时隙。

4.用于蜂窝TDMA网络的一种移动电话，其特征在于它包括这样的装置(11)，当占据至少一个信道用于每个时间单位发射一定量有效负荷的连接被连接起来的时候，这个装置请求为这个连接分配一个额外的信道，以增加发射代表所述有效负荷的信息的量。

5.权利要求4的移动电话，其特征在于用于请求分配额外信道的所述装置(11)是用手动方式操作的。

6.权利要求4或者5的移动电话，其特征在于它包括这样的装置，用于监视误码率，当误码率超过某个门限值的时候，告诉移动电话的用户这一连接的质量可以通过分配一个额外的信道来得到改善。

7.权利要求4～6中任意一个的移动电话，其特征在于它包括这样的装置，用于监视误码率，当误码率超过某个门限的时候，自动地向移动通信网络中的一个单元发送要求分配一个额外信道的请求。

8.一种方法，用于改善移动终端(10)和TDMA蜂窝网络之间的连接质量，这个连接占用至少一个信道，用于在每个时间单位中发射一定量的有效负荷，其特征在于从终端(10)向网络中的单元(30,40)发射分配至少一个额外信道给这个连接的请求的步骤；在这个连接中利用这至少一个额外的信道，用于增加发射的关于所述有效负荷的信息量。

9.权利要求8的方法，其中额外的信道被用于发射所述有效负荷的差错编码信息。

10.权利要求8或者9的方法，其中额外的信道被用于增加话音编码信息比特的数量。

11.权利要求8～10中任意一个的方法，还包括终端(10)监视连接质量，当连接质量下降到低于某个门限值的时候，从终端自动地发射要求分配至少一个额外信道的请求的步骤。

12.权利要求7～9中任意一个的方法，其中的用户根据察觉的质量发出要求分配至少一个信道的请求。

13.权利要求12的方法，其中的终端监视连接质量，并告诉用户质量能够得到改善，如果情况是这样。

Claims (14)

1.一种蜂窝电话通信系统，包括至少一个移动台10，用于通过时分多址连接跟蜂窝电话网络(20，30，40)通信，其特征在于所述移动台和网络中至少一个包括这样的装置(11)，用于为连接启动使用至少一个额外时隙。

2.权利要求1的系统，其特征在于所述装置包括手动装置(11)，包括在所述移动台(10)中，用于请求分配至少一个额外的时隙。

3.权利要求1或2的系统，其特征在于包括在所述移动台(10)中的所述手动装置(11)被用于在建立连接之前和自动地请求当信号质量下降到低于预定值的时候，分配至少一个额外的时隙。

4.权利要求1的系统，其特征在于所述网络(20，30，40)包括这样的装置，用于为提高语音质量注册请求，还包括这样的装置，用于响应所述请求，分配至少一个额外的时隙给一个连接。

5.权利要求4的系统，其特征在于所述网络(20，30，40)还包括监视连接的信号质量的装置，这个装置响应所述请求，当信号质量下降到低于预定值的时候，用于分配至少一个额外的时隙给连接。

6.一种移动电话，用于TDMA蜂窝电话通信系统，其特征在于包括手动装置(11)，用于请求为连接分配一个额外的时隙。

7.权利要求6的移动电话，其特征在于当连接的信号质量达到预定程度的时候，所述手动装置使所述移动电话(10)的一项功能为连接执行请求分配和去掉一个额外的时隙这两项操作中的一项。

8.权利要求6的移动电话，其特征在于包括手动装置，用于请求为连接去掉至少一个额外的时隙。

9.一种方法，用于提高移动台(10)和时分多址蜂窝电话通信网络之间的语音质量，其特征在于采用至少一个额外的时隙来增加发射的代表固定通信信息量的信息。

10.权利要求9的方法，其特征在于通过采用至少一个额外的时隙来增加发射的差错编码信息的量，以降低连接的误码率(BER)。

11.权利要求9或10的方法，其特征在于利用额外的时隙增加话音编码信息(编解码)比特的个数，以提高连接的语音质量。

12.权利要求的9～11中任意一个的方法，其特征在于在终端用户发出请求的时候，为连接分配至少一个额外时隙。

13.权利要求9～12中任意一个的方法，其特征在于按照终端用户注过册的请求，分配至少一个额外的时隙。

14.权利要求13的方法，其特征在于当连接的误码率超过预定值的时候，分配至少一个额外的时隙。

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