CN1992920A - 一种用于移动通信系统的物理帧形成方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于移动通信系统的物理帧形成方法和系统。所述方法包含下列步骤：将语音信号划分为多个数据块，并且对每个所述数据块独立施行线性预测编码算法以获得一个与该数据块对应的语音编码数据帧；对所述多个数据块的所述语音编码数据帧进行信道编码化处理，从而获得多个信道编码数据比特组；将所述多个信道编码数据比特组映射到一个或多个物理信道上。本发明的方法采用一类基于块间独立的线性预测编码(LPC)算法的语音编码技术对语音信号进行编码，具有对通信出错率的敏感度低和支持高错/丢包率应用环境的特点，可以改善恶劣环境下(如小区边缘)的通信质量。此外，即使采用简单的方式进行信道编码化处理，也可使服务质量有足够的改善。

Description

一种用于移动通信系统的物理帧形成方法和系统

技术领域

本发明涉及移动通信技术，特别涉及一种用于移动通信的物理帧形成方法和系统。

背景技术

个人便携电话系统(PHS系统)主要用于解决固定电话终端在有限范围内的移动性问题，特别适合于在用户密度大而流动性较小的地区使用，相比于全球移动通信系统(GSM)、IS-95系统以及第三代移动通信系统，PHS系统具有更低的通信门槛，因而在日本、中国以及亚太地区得到大规模发展。PHS技术已经成为了中国目前发展低速、小范围内移动的无线市话系统的主流技术。

由于PHS系统在空中接口上没有采用信道编码、交织、功率控制等技术，加之基站覆盖范围小，导致基站数量多、盲区多、网络中不同基站的重叠区复杂以及移动性管理差等诸多问题，因而在复杂的无线信道环境以及干扰严重的覆盖区域，PHS系统的语音质量常发生恶化，系统性能下降。一个典型例子就是在小区的边缘，来自本基站的覆盖信号微弱以及来自相邻基站的强干扰使得小区边缘的传输出错概率增大，语音质量恶化。此外，相比于GSM或者码分多址(CDMA)网络，PHS系统的发射功率较小，因而在网络规划过程中，容易出现覆盖不足以及过覆盖的情况，这也会引起小区边缘的通信出错概率增大。因此如何改进和优化PHS系统在小区边缘的语音质量对改善PHS系统的系统性能有着重要意义。

发明内容

本发明的一个目标是提供一种用于移动通信系统的物理帧形成方法，其可以改善恶劣信道条件下的通信服务质量。

按照本发明的一个方面，提供了一种用于移动通信系统的物理帧形成方法，包含下列步骤：

(1)将语音信号划分为多个数据块，并且对每个所述数据块独立施行线性预测编码算法以获得一个与该数据块对应的语音编码数据帧；

(2)对所述多个数据块的所述语音编码数据帧进行信道编码化处理，从而获得多个信道编码数据比特组；以及

(3)将所述多个信道编码数据比特组映射至一个或多个物理信道上。

在上述方法中，本发明采用一类基于块间独立的线性预测编码(LPC)算法的语音编码技术对语音信号进行编码，这类语音编码技术的典型实例为因特网低比特率编解码器(Internet Low BitRate Codec)协议。由于此类语音编码技术具有对通信出错率的敏感度低和支持高错/丢包率应用环境的特点，因此本发明的方法可以改善恶劣环境下(如小区边缘)的通信质量。

此外，当采用此类语音编码技术对信源编码时，即使采用简单的方式进行信道编码化处理，也可使服务质量有足够的改善。在本发明的一个较佳实施方式中，信道编码化处理的步骤包含以重复编码方式对语音编码数据流进行信道编码。

在本发明的一个较佳实施方式中，在步骤(1)和(2)之间还包括下列步骤：对所述语音编码数据帧内至少一部分比特施行校验操作并将生成的校验码插入所述语音编码数据帧内。由于提供了校验机制，因此可以对比较重要的语音编码数据帧实行更为可靠的保护措施。

在本发明的另一较佳实施方式中，所述步骤(2)包括下列步骤：

(2a)以重复编码方式将每个所述语音编码数据帧内的语音编码数据比特变换为一个信道编码数据比特组；以及

(2b)对所述信道编码数据比特组施行速率匹配操作以形成所述信道编码数据流。

本发明的另外一个目标是提供一种用于移动通信系统的物理帧形成系统，其可以改善恶劣信道条件下的通信服务质量。

按照本发明的还有一个方面，提供了一种用于移动通信系统的物理帧形成系统，包含：

一个语音编码处理装置，用于将语音信号划分为多个数据块，并且对每个所述数据块独立施行线性预测编码算法以获得一个与该数据块对应的语音编码数据帧；

一个信道编码化处理装置，与所述语音编码处理装置耦合，并用于对所述多个数据块的所述语音编码数据帧进行信道编码化处理，从而获得多个信道编码数据比特组；以及

一个物理信道映射装置，与所述信道编码化处理装置耦合，并用于将所述多个信道编码数据比特组映射至一个或多个物理信道上。

在上述系统中，优选的实施方式是还包括一个校验码生成器，用于对所述语音编码数据帧内至少一部分比特施行校验操作并将生成的校验码插入所述语音编码数据帧内。

出于在前面描述方法时提及的理由，上述系统提供了相同的优点并且解决了相同的问题。

附图简述

以下借助较佳实施例和附图对本发明作更为充分的阐述，其中：

图1为过程示意图，其示出了按照本发明的用于移动通信系统的编码处理方法的一个较佳实施例；以及

图2为系统框图，其示出了按照本发明的用于移动通信系统的编码处理系统的一个较佳实施例。

具体实施方式

在本发明中，移动通信系统是指建立交换信息的两端中至少有一方可以处于移动状态的网络系统，它的实例包括但不限于蜂窝移动系统、寻呼系统、卫星通信系统、无绳电话系统、移动集群通信系统等。虽然在下面将以个人便携式电话系统(PHS系统)为例来描述本发明的较佳实施例，但是显而易见的是，本发明的原理同样也可推广应用于上述各种移动通信系统，因此不应将本发明的保护范围仅局限于某个具体的移动通信系统。

如上所述，为了支持高错/丢包率的应用环境，本发明从信源端的编码着手，采用一类基于块间独立的线性预测编码(LPC)算法的语音编码技术对语音信号进行编码，以满足恶劣信道环境下的通信质量要求。此类技术的一个典型代表为因特网低比特率编解码器(Internet Low Bit Rate Codec，以下简称为iLBC)协议，该协议原是为窄带语音通信而设计的，适合在IP网络上进行语音通信的编解码。与传统的ADPCM编码器相比，iLBC编码技术对通信出错率的敏感性要低得多，并且在较高的出错概率时依然能保持良好的系统性能。有关iLBC协议的具体描述可参见IETF RFC 3951( http://www.itef.org/rfc/rfc3951.txt)，其在此构成本说明书的一部分内容。

值得指出的是，对于本领域内的普通技术人员来说，其它具有基于块间独立的线性预测编码(LPC)算法特征的语音编码技术也完全可应用于本发明中，因此这里所述的iLBC协议或编码技术仅具有示意性质，不应构成对本发明保护范围的任何限定。

此外，这里所称的LPC算法应作广义理解，换句话说，它不仅包括iLBC协议中所描述的具体算法，而且还涵盖其它基于LPC原理的算法，如LPC-10、随机代码激励线性预测编码(CELP)、残差信号激励的线性预测编码(RELP)和话音激励的线性预测编码(VELP)等。

以下借助图1描述按照本发明的用于移动通信系统的编码处理方法的一个较佳实施例。在该较佳实施例中，假设移动通信系统为PHS系统，进行编码处理的是承载在业务信道(TCH信道)上的语音信号，由下面的描述将会看到，本发明方法的应用并不涉及PHS系统中其它信道(例如信令信道)，因此本发明也具有降低系统升级成本、缩短开发周期的优点。

如图1，在步骤110中，输入一个包含一定数量语音信号样本的数据块。按照iLBC编码协议，话音采样速率为8kHz，编解码支持的数据块或语音帧的时间长度为30毫秒(ms)和20毫秒(ms)两种类型，这里假设采用20ms的时间长度类型，对应的语音帧速率为15.2kbps，因此每个数据块内的样本数量为240个。

接着在步骤120，利用LPC算法对一个数据块进行语音编码，从而获得一个对应该数据块的语音编码数据帧。该语音编码数据帧的具体格式以及如何根据一个数据块内的语音样本计算出相应语音编码数据帧的具体处理细节可参见IETF RFC 3951，此处不作赘述。

按照iLBC编码协议，对于一个20ms的数据块，所获得的语音编码数据帧包含303个比特，根据其比特差错或丢失的敏感度，每个数据帧内的比特被划分为三类，类别1的敏感度最高，占据了每帧内前48个字节，类别2的敏感度次之，占据了帧内其后的64个比特，类别3的敏感度最低，占据了帧内最后191个比特。在本较佳实施例中，为了提供差错保护而又不致于使系统开销过大，对步骤120获得的语音编码数据帧采取不均匀的差错保护，即，通过对类别1内的比特作校验操作实现更可靠的保护，而类别1和2的合计255个比特不作保护。

为此在步骤130，对一个语音编码数据帧内前48个比特施行循环冗余校验(CRC)操作，校验码的长度可根据实际情况而定，例如在本较佳实施例中采用的是一个6比特的CRC奇偶校验操作，该CRC校验码的生成多项式为：

G(D)＝D⁶+D⁵+D³+D²+D¹+1                (1)

假定类别1内的比特从起始位开始算起的序号为K_d1，对于这里数据块时间长度为20ms的情形，由于类别1的比特数为48，因而K_d1的最大值为48。对类别1中第K_d1位比特数据进行CRC校验的方法如下：

$d\left(0\right)D^{(K_{d1}+5)}+d\left(1\right)D^{(K_{d1}+4)}+...+d(K_{d1}-1)D^{\left(6\right)}+p\left(0\right)D^{\left(5\right)}+...+p\left(4\right)D+p\left(5\right)---\left(2\right)$

其中p(0)，p(1)……p(5)为奇偶校验码，当被G(D)除的时候，将得到一个余数，其等于

1+D+D²+D³+D⁴+D⁵                              (3)

接着在步骤140中，将步骤130中所产生的6个奇偶校验比特添加在类别1的48个比特之后以形成包含校验码的语音编码数据帧(以下称为复合语音编码数据帧)，即：

u(k)＝d(k)，k＝0，1...，K_d1-                 (4)

u(k)＝p(k-K_d1)，k＝K_d1，K_d1+1，...，K_d1+5    (5)

这里的u(k)代表复合语音编码数据帧内的比特，k为该比特在复合语音编码数据帧内的序号，d(k)代表语音编码数据帧内的比特(以下又称为信息比特)，p(k-K_d1)代表奇偶校验比特，以下将信息比特和校验比特统称为语音编码数据比特。可选地，也可将这些奇偶校验比特置于该语音编码数据帧所有的信息比特之后。

值得指出的是，本实施例中所采取的不均匀差错保护方式并非是唯一可行的选择，实际上，在信道环境较好的场合下，可以完全省略这种差错保护措施，即省略步骤130和140，而在在信道环境很差或者对语音质量要求很高的场合下，对三种类别的比特都采取差错保护措施。此外，校验方式并不仅限于CRC校验，例如还可以包括奇偶校验、累加和校验等诸多方式。又，本实施例的差错保护方式仅提供对信息比特的校验能力，但是也可以采用其它提供纠错能力的差错保护方式。以上所有这些变化或改动都属于本发明的原理和保护范围。

随后进入步骤150，将上述复合语音编码数据帧的比特(即语音编码数据比特)变换为信道编码数据比特。在移动通信中，信道编码技术是提高系统传输数据可靠性的有效方法，为了保证有足够高的编码增益，常采用Turbo码和卷积编码之类实现复杂的信道编码。由于以iLBC协议为代表的基于块间独立的线性预测编码(LPC)算法的语音编码技术在恶劣环境下具有较好的强健性，因此本发明的方法对信道编码性能的要求大大降低，可以采用相对简单而容易实现的编码技术进行信道编码。

在本较佳实施例中，步骤150采用编码速率为1/4的重复编码将一个复合语音帧的语音编码数据比特变换为一组信道编码数据比特，即：

C(4k)＝u(k)

C(4k+1)＝u(k)

C(4k+2)＝u(k)

C(4k+3)＝u(k)    for k＝0，1，...，Ku-1；     (6)

这里的c代表信道编码数据比特，对于一个语音编码数据比特u(k)，共有4个比特c(4k)、c(4k+1)、c(4k+2)和c(4k+3)与之对应，Ku为一个复合语音编码数据帧或语音编码数据帧内所含比特的数量。

步骤150也可采用编码速率为1/1的重复编码，此时：

C(k)＝u(k)    for k＝0，1，...，Ku-1；    (8)

在这种编码速率下，对于一个语音编码数据比特u(k)，仅有1个比特c(k)与之对应。

值得指出的是，本较佳实施例所述重复编码方式仅具有示意性质，本发明的实施方式并未将其它信道编码方法(例如Turbo码、卷积编码和帧间交织或帧内交织等)排除在外。

随后进入步骤160，对步骤150获得的一组信道编码数据进行速率匹配操作。下列表1示出了在不同承载速率下，无限制数字信息(Unrestricted Digital Information，以下简称为UDI)承载用于一个时间长度为20ms的iLBC编码数据块的实例。在本实施例中，如上所述，一个数据块对应的语音编码速率为15.2kbps，经过iLBC编码后，类别1的信息比特数为48比特，类别2的信息比特数为255比特，对类别1进行CRC校验操作的校验比特数为6比特，因此一个数据块或一个复合语音编码数据帧所含的语音编码数据比特共计为309个比特。当采用承载速率为16kbps的UDI承载并且重复编码速率为1/1时，一组信道编码数据所含比特数仍为309个，由于PHS系统规定在该承载速率下物理信道上传输的数据长度为320个比特，因此需要填充11个比特(例如在上述复合语音编码数据帧的尾部添加11个连续的0比特)以匹配该长度(也即达到速率匹配)。同样，对于承载速率为32kbps与64kbps的UDI承载，如果分别采用1/2和1/4的编码速率，则一组信道编码数据所含比特数分别为618和1236个，由于PHS系统规定在这两个承载速率下物理信道上传输的数据长度为640和1280个比特，因此需要填充的比特数分别为22和44。

                                       表1

语音编码类型	iLBC 15.2k		iLBC 15.2k		iLBC 15.2k
							UDI承载速率	16kps		32kps		64kps
语音帧长度	20ms		20ms		20ms
							语音数据类型	1	2&3	1	2&3	1	2&3
每个语音帧的信息比特数	48	255	48	255	48	255
							CRC校验比特数	6		6		6
重复编码的速率	1		2		4
							信道编码数据比特数	309		618		1236
填充比特数	11		22		44
							物理信道传输的数据长度	320		640		1280

值得指出的是，步骤160的数据填充仅是示意性的，当在本发明中采用其它语音编码协议或者本发明应用于其它移动通信系统时，与一个语音编码数据帧或复合语音编码数据帧对应的信道编码数据比特数可能超过物理信道上传输的数据长度，此时需要施行的速率匹配操作为数据打孔，即删除一部分信道编码数据比特。此外，如果与一个语音编码数据帧或复合语音编码数据帧对应的信道编码数据比特数恰好等于物理信道上传输的数据长度，则步骤160可以省略。

经过上述步骤150和160的处理，一个数据块的信道编码化处理即告完成。随后进入步骤170，将步骤160得到的一组信道编码数据比特映射到相应的物理信道上。对于本实施例的PHS系统，则是将该组信道编码数据比特映射到一个TCH信道上的4个5毫秒的时分多址(TDMA)帧内。虽然不同的移动通信系统，其物理信道映射的方式有所不同，但是对于本领域内的普通技术人员来说，并不需要创造性的活动即可针对这些差异而对步骤170作相应的改动。

以上以一个数据块的处理过程为例，描述了按照本发明方法的较佳实施方式，显而易见的是，上面的描述并不意味着一个数据块必须在前一数据块全部完成步骤110～170的处理之后才能开始处理，实际上数据块可以被连续处理，例如一个数据块在步骤150进行处理时，下一数据块即可在步骤140进行处理。此外，上面的描述并不意味着数据块的处理顺序必须与语音信号的发生顺序一致，例如通过在数据块内配置合适的标志来表示发生顺序，就可以不必按照语音信号的发生顺序对数据块进行处理。

还需要指出的是，在上述实施例中，步骤150和160的信道编码化处理是对每个数据块单独进行的，但是这只是示意性的，当采用的信道编码化处理(例如WCDMA基带处理流程中所用的帧间交织)需要在不同的数据块之间进行操作时，也完全可以应用本发明的方法，此时步骤150和160应作相应的修改，使得能够对多个语音编码数据帧或复合语音编码数据帧进行信道编码操作，从而生成相应的一组或多组信道编码数据比特。对于本领域内的普通技术人员来说，如何根据实际情况对上述图1所示过程作适应性的修改是显而易见的事情。

最后，在有些应用中(例如VoIP业务)，物理帧也不必按照数据块的处理顺序向接收方发送，并且也无需确保这些物理帧按照数据块的处理顺序到达接收方，在这类应用中，为了确保接收方按照发生的顺序还原语音信号，可在物理帧内设置一定的标志来表示该发生顺序。对于本领域内的普通技术人员来说，这种修改也是显而易见的。

以下借助图2描述按照本发明的用于移动通信系统的编码处理系统的一个较佳实施例。如图2所示，该实施例的物理帧形成系统200包含一个语音编码处理装置210、一个信道编码化处理装置220、一个物理信道映射装置230和一个校验码生成器240，其中，语音编码处理装置210耦合至信道编码化处理装置220和校验码生成器240，信道编码化处理装置220耦合至校验码生成器240和物理信道映射装置230，下面对这些装置作进一步的描述。

语音编码处理装置210包含一个语音采样单元212、一个缓存器214和一个语音编码单元216。语音采样单元212可以采用高速模数(A/D)转换器，其以一定的采样速率对语音信号进行采样并作模数转换，转换后的数字信号样本被输出至缓存器214内，这些信号样本可以成组地存储在缓存器214内，每组即一个数据块。缓存器214可以采用各种高速存储器件，例如随机存取访问存储器(DRAM)等。语音编码单元216利用线性预测编码算法对每个数据块进行语音编码，从而获得一个相应的语音编码数据帧，在一个较佳实施方式中，语音编码单元216对数据块的处理方式基于iLBC协议。

语音编码单元216连接至信道编码化处理装置220的信道编码单元222和校验码生成器240，当语音编码数据帧需要提供差错保护时，其被输出至校验码生成器240，否则直接被送至信道编码单元222。

校验码生成器240可按照上述步骤130和140所述的方式，对语音编码数据帧内的比特施行循环冗余校验(CRC)操作，并将生成的循环冗余校验码插入所述语音编码数据帧内，从而形成上述复合语音编码数据帧。

信道编码化处理装置220包括信道编码单元222和速率匹配单元224。信道编码单元222除了与语音编码单元216相连以外，还连接至校验码生成器240，从而分别接收语音编码数据帧或复合语音编码数据帧组成。在信道编码单元222内，这些语音编码数据帧或复合语音编码数据帧内的比特被变换为信道编码数据比特，例如可以按照步骤150所述的方式，将每个语音编码数据帧或复合语音编码数据帧变换为相应的一组信道编码数据比特。速率匹配单元224与信道编码单元222相连，通过诸如打孔或填充之类的速率匹配操作使每组信道编码数据比特与物理信道传输数据的长度相匹配。

物理信道映射装置230与速率匹配单元224相连，将经过速率匹配后的各组信道编码数据比特映射至一个或多个物理信道上，从而通过空中接口发送给接收方。例如在PHS系统中，每组信道编码数据比特可被映射至一个TCH信道上的4个5毫秒的TDMA帧内。

在上述系统200中，语音编码单元216、编码单元222和速率匹配单元224、映射装置230和校验码生成器240的功能都可借助可运行实现相应功能的软件的硬件来实现，这里所称硬件的例子包括但不限于数字信号处理器(DSP)、微处理器、专用集成电路(ASIC)和现场可编程门阵列(FPGA)等。此外，上述这些功能的每一个既可以由相应的一个硬件独立负责实现，也可以由若干个硬件以协同方式实现，或者，上述这些功能中的若干个功能可以由一个硬件独立负责实现，这些实现方式的变化应都属于本发明的精神和保护范围之内。

在阅读上述披露内容之后，其它修改对于本领域内的技术人员来说将是显而易见的。这种修改可能涉及到移动通信系统及其部件单元内已经公知的特征，并且这些特征可以代替这里已经描述的特征或者以添加的方式应用。

在本说明书和权利要求书中，出现在一个单元之前的词语“一个”并未将多个这种单元的情形排除在外。而且词语“包含”并未排除除所列单元或步骤以外还有其它单元或步骤存在的情形。

Claims (10)

1.一种用于移动通信系统的物理帧形成方法，其特征在于，包含下列步骤：

(1)将语音信号划分为多个数据块，并且对每个所述数据块独立施行线性预测编码算法以获得一个与该数据块对应的语音编码数据帧；

(2)对所述多个数据块的所述语音编码数据帧进行信道编码化处理，从而获得多个信道编码数据比特组；以及

(3)将所述多个信道编码数据比特组映射到一个或多个物理信道上。

2.如权利要求1所述的方法，其中，在步骤(1)和(2)之间还包括下列步骤：对所述语音编码数据帧内至少一部分比特施行循环冗余校验(CRC)操作并将生成的循环冗余校验码插入所述语音编码数据帧内。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述步骤(2)包括下列步骤：

(2a)以重复编码方式将每个所述语音编码数据帧内的语音编码数据比特变换为一个信道编码数据比特组；

(2b)对所述信道编码数据比特组施行速率匹配操作以形成所述信道编码数据流。

4.如权利要求3所述的方法，其中，所述重复编码方式的编码速率为1/1。

5.如权利要求1～6中任意一项所述的方法，其中，按照因特网低比特率编解码器(Internet Low Bit Rate Codec)协议将语音信号划分为多个数据块，并且对每个所述数据块独立施行线性预测编码算法以获得一个与该数据块对应的语音编码数据帧。

6.如权利要求5所述的方法，其中，所述移动通信系统为个人便携电话系统(PHS系统)。

7.一种用于移动通信系统的物理帧形成系统，其特征在于，包含：

一个语音编码处理装置，用于将语音信号划分为多个数据块，并且对每个所述数据块独立施行线性预测编码算法以获得一个与该数据块对应的语音编码数据帧；

一个信道编码化处理装置，与所述语音编码处理装置耦合，并用于对所述多个数据块的所述语音编码数据帧进行信道编码化处理，从而获得多个信道编码数据比特组；以及

一个物理信道映射装置，与所述信道编码化处理装置耦合，并用于将所述多个信道编码数据比特组映射至一个或多个物理信道上。

8.如权利要求7所述的系统，其中，所述移动通信系统为个人便携电话系统(PHS系统)。

9.如权利要求7所述的系统，其中，还包括一个校验码生成器，用于对所述语音编码数据帧内至少一部分比特施行校验操作并将生成的校验码插入所述语音编码数据帧内。

10.如权利要求7～9中任意一项所述的系统，其中，所述语音编码处理装置按照因特网低比特率编解码器(Internet Low BitRate Codec)协议将语音信号划分为多个数据块，并且对每个所述数据块独立施行线性预测编码算法以获得一个与该数据块对应的语音编码数据帧。

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