DE10051820A1 - Verbesserung der Übertragungsqualität im Mobilfunk - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Sprachsignalen mittels eines Senders und eines Empfängers, wobei senderseitig das Sprachsignal in kurze zeitliche Signalabschnitte unterteilt und die einzelnen Signalabschnitte getrennt voneinander codiert und über eine Übertragungsstrecke hin zum Empfänger übertragen werden, wobei zur Codierung ein Source-Encoder das Sprachsignal in eine Abfolge Bit-Gruppen zerlegt, und ein nachgeschalteter Channel-Encoder jede Bit-Gruppe für die Übertragung über die Übertragungsstrecke verändert, wobei durch den Channel-Encoder anschließend jede Bit-Gruppe um eine Anzahl von C Bits vergrößert ist, und daß empfängerseitig ein Channel-Decoder die übertragenen Bit-Gruppen in eine für einen nachgeschalteten Source-Decoder geeignete Form umwandelt und der Source-Decoder das übertragene Sprachsignal generiert, wobei der Source-Encoder in Abhängigkeit der Störung der Übertragungsstrecke in einem von mehreren möglichen Betriebsarten betrieben wird, wobei in allen Betriebsarten die Bit-Gruppen und/oder Bitraten des Source-Encoders kostant sind und lediglich die Art der Codierung von der Art und/oder Schwere der Störung der Übertragungsstrecke abhängt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung der Übertragungsqualität im Mobilfunk mit den Merkmalen des Oberbegriffs des An­ spruchs 1.

Im Mobilfunkbereich werden Sprachcodierverfahren einge­ setzt, die für eine Reduktion der zu übertragenden Daten sorgen. Diese Verfahren werden sowohl im mobilen Endgerät (Handy) als auch beim Übergang zum Festnetz eingesetzt. Dadurch sind Telefonverbindungen sowohl zwischen zwei mo­ bilen Endgeräten als auch zwischen Festnetz und mobilem Endgerät möglich. Die Codierung läßt sich dabei in zwei sich funktional ergänzende Bestandteile aufteilen: Einer­ seits dem Encoder, der die hineingesprochene Sprache ver­ arbeitet und in komprimierte und per Funk übertragbare Daten zerlegt, und andererseits dem Decoder, der die über Funk empfangenen Daten aufnimmt und in Form von syntheti­ sierter Sprache ausgibt. Jedes mobile Endgerät verfügt über beide Einrichtungen.

Sowohl der Encoder als auch der Decoder zerfallen wieder­ um in zwei Bestandteile. Im Fall des Encoders sind dies:

• 1. der Source-Encoder für das Sprachsignal, der auch als Quellencoder bezeichnet wird und der das Sprach­ signal in eine Abfolge von Bits oder Bit-Gruppen zerlegt (mit einer Rate von S bit/s), und
• 2. dem funktional nachgeschalteten Channel-Encoder für die Kanalübertragung, auch als Kanalencoder bezeich­ net, der den vom Source-Encoder gelieferten Bits oder Bit-Gruppen in einen neuen Bitstrom verwandelt. Dieser neue Bitstrom stellt die vom Source-Encoder gelieferten Bits in einer anderen Form dar, die für die Funkübertragung geeigneter ist. Die Rate der durch den Channel-Encoder gelieferten Bits ist im allgemeinen höher als die Rate der vom Source- Encoder gelieferten Bits. die Gesamtrate des Chan­ nel-Encoders läßt sich darstellen als (S + C) Bit/s, wobei die durch den Channel-Encoder verursachte zu­ sätzliche Rate hier mit C Bit/s bezeichnet wird. Zum Empfänger ist also die Information mit der Gesamtra­ te (S + C) Bit/s zu übertragen.

Im Falle des Decoders sind die Bestandteile in entspre­ chender Weise vorhanden. Es gibt einen

• 1. Channel-Decoder, der das von der Funkübertragung empfangene Signal, das die Rate (S + C) Bit/s auf­ weist, in die für den Source-Decoder geeignete Form zurückwandelt, und dann wieder eine Rate von S Bit/s hat,
• 2. den Source-Decoder, der die vom Channel-Decoder be­ reitgestellten Bits in der Rate S Bit/s in syntheti­ sierte Sprache umwandelt.

Für die technische Funktion der Sprachübertragung ist im Prinzip nur der Source-Encoder und der Source-Decoder, zusammengefaßt als die sogenannte Quellencodierung (Sour­ ce coding), nötig: Der vom Source-Encoder gelieferte Bitstrom (S Bit/s) muß vollständig an den Source-Decoder übertragen werden. Da jedoch während der Übertragung per Funk häufig Übertragungsfehler auftreten, die dazu füh­ ren, daß die empfängerseitig vorliegenden Bits insgesamt oder teilweise einen falschen, nicht mehr zu rekonstruie­ renden Wert haben, wird die Channel-Codierung, das heißt, die funktionale Kombination von Channel-Encoder und Chan­ nel-Decoder verwendet. Diese Channel-Codierung stellt die zu übertragenden Bits so dar, daß der Channel-Decoder aus dem empfangenen, teilweise gestörten Bits eine möglichst gute Rekonstruktion der ursprünglich senderseitig gesen­ deten Bits berechnen kann.

Entscheidend für die Qualität der übertragenen Signale (z. B. Sprache) ist also einerseits die Grundqualität des Quellencodierverfahrens, die man im Falle einer völlig störungsfreien Übertragung beobachten kann, und anderer­ seits die Qualität eines Kanalcodierverfahrens, das das Gesamtverfahren gegen Übertragungsfehler "robuster" macht. "Robustheit" bezeichnet hier generell die sich dem Benutzer darstellende Störanfälligkeit gegen Übertra­ gungsfehler. Nur diejenigen Bits, die durch die Kanalco­ dierung nicht mehr richtig decodiert werden konnten, kön­ nen dann noch zu den üblichen Effekten fehlerhafter Über­ tragung führen (z. B. "Knacken", "Pfeifen", plötzliche Lautstärkeschwankungen, usw.). Man spricht in diesem Zusammenhang von der Rest-Bitfehlerrate [Bit/s] nach Ka­ nalcodierung, die durch den Einsatz der Kanalcodierung reduziert wird.

Es gibt eine Vielzahl von Quellcodierverfahren, die mit ähnlichen oder identischen Bitraten S kBit/s arbeiten, deren Grundqualität im allgemeinen voneinander mehr oder weniger stark abweicht. Prinzipiell gilt jedoch, daß sich die Grundqualität eines Quellcodierverfahrens durch Erhö­ hung der Bitrate verbessern läßt. Umgekehrt gilt, daß die Grundqualität eines Quellcodierverfahrens, das bei nied­ riger Bitrate arbeitet, im allgemeinen niedriger sein wird.

Dieses prinzipielle Verhalten gilt auch für die Channel- Codierung: Je größer die durch die Kanalcodierung zusätz­ lich verwendete Bitrate C ist (die die insgesamt zu über­ tragende Rate von (S + C) kBit/s bedingt), desto besser ist der Schutz vor Kanalstörungen, d. h., desto robuster ar­ beitet das Verfahren im allgemeinen im Falle von Kanal­ störungen. Ein Kanalcodierverfahren mit größerem C kann bei bestimmten Kanalübertragungsbedingungen im allgemei­ nen mehr Bits richtig rekonstruieren als ein Kanalcodier­ verfahren mit geringerem C es bei genau den gleichen Ka­ nalübertragungsbedingungen könnte.

Da die oberste mögliche Gesamtbitrate G (kBit/s), die technisch übertragen werden kann, im allgemeinen (z. B. durch externe physikalische und technische Randbedingun­ gen) feststeht, besteht die Aufgabe der Konstruktion ei­ nes für die Funkübertragung geeigneten Übertragungsver­ fahrens auch darin, eine sinnvolle Konstruktion der Quel­ lencodierung und der Kanalcodierung so zu finden, daß die Bitraten S und C zusammen nicht über dieser Gesamtbitrate liegen und sie möglichst ganz ausnutzen:

G = S + C [kbit/s]

Im allgemeinen wird man bei der Konstruktion eines Über­ tragungsverfahrens von typischen Übertragungsbedingungen ausgehen und dann davon ausgehend eine hierfür sinnvolle Aufteilung der Anteile S (gute Grundqualität der Quellen­ codierung) und C (hohe Robustheit durch ausreichende Ka­ nalcodierung) festlegen und dann die beiden Codierverfah­ ren (d. h. Quellen- und Kanalcodierung) entsprechend kon­ struieren.

Natürlich birgt diese Annahme prinzipiell die Gefahr, die typischen Übertragungsbedingungen nicht richtig einzu­ schätzen: So wird z. B. für den Fall, daß die typischen Übertragungsbedingungen in der Praxis günstiger sind als während der Entwicklung des Gesamtsystems angenommen, (d. h., es treten weniger häufig oder weniger starke Ka­ nalübertragungsfehler auf), die Gesamtqualität unterhalb des möglichen Wertes liegen, denn es wäre in diesem Fall sinnvoll gewesen, den Quellenencodec mit höherer Bitrate und entsprechend höherer Grundqualität zu entwerfen und dafür die Kanalcodec-Bitrate entsprechend geringer zu halten.

Im allgemeinen besteht jedoch ein weiteres Problem: Die Übertragungseigenschaften der Funkübertragung sind nicht zeitlich konstant, sondern können innerhalb kurzer Zeit deutlichen Schwankungen unterworfen sein. So zeigt z. B. die Erfahrung der letzten Jahre im Mobilfunk, daß häufig die Kanalübertragungsbedingungen schon innerhalb weniger Sekunden sehr stark variieren können. Es besteht also das Problem, daß das Übertragungsverfahren mit verschiedenen, zeitlich variierenden Übertragungsverhältnissen umgehen muß.

Zur Lösung dieses Problems ist es nötig, in ausreichend häufigen Zeitabständen die aktuell vorliegenden Übertra­ gungsverhältnisse über ein separates automatisches Ver­ fahren zu messen bzw. abzuschätzen. Die Information, die dieses Verfahren liefert, kann dann dazu genutzt werden, das Verfahren so zu steuern, daß möglichst in jedem Zeit­ punkt die für die aktuell vorherrschenden Übertragungsbe­ dingungen günstigste Betriebsweise gewählt wird.

Ein bestehendes Verfahren, das dieses Vorgehen anwendet, ist das sogenannte "Adaptive Multi-Rate (AMR)"-Verfahren, das in den Jahren 1995-1999 von der für das Mobilfunk­ system zuständigen Standardisierungsgruppe ETSI (European Telecommunications Standards Institute) entwickelt und als möglicher Standard für ein technisch verbessertes, neues Mobilfunksystem bereitgestellt wurde. Bei diesem Verfahren gibt es nicht nur einen Sprach- und einen Ka­ nalcodec, sondern mehrere. Die einzelnen Quellcodecs ha­ ben verschiedene Bitraten S_i, i = 1. . .N, und die entspre­ chenden Channel-Codierer haben Bitraten C_i, wobei für je­ de der N verwendeten Quellcodec-Kanalcodec-Kombinationen gilt:

S_i + C_i = G = const., i = 1. . .N

Damit stehen in diesem Fall also N verschiedene Modi zur Verfügung. (Im Falle der bei ETSI standardisierten Lösung wurde N = 8 gewählt). Durch die Bereitstellung verschie­ dener Betriebsmodi, zwischen denen während der Dauer des Telefongesprächs automatisch gewechselt wird, kann beim AMR-Verfahren für sehr gute Kanalbedingungen diejenige Kombination mit hoher Quellencodecrate und niedriger Ka­ nalcodecrate verwendet werden, während im Falle sehr schlechter Kanalübertragungsbedingungen die Quellencode­ crate niedrig ist, um eine hohe Kanalcodecrate zu ermög­ lichen. Auf diese Weise kann für alle Kanalbedingungen eine möglichst gut daran angepaßte Codierungsmethode aus­ gewählt werden. Die Auswahl des jeweils günstigsten Modus erfolgt automatisch über ein Klassifizierungsverfahren, das die aktuell vorliegende Kanalqualität abschätzt. Zwar nimmt die Grundqualität durch das Umschalten auf eine niedrigere Quellcodec-Bitrate im allgemeinen ab, aber da­ für treten durch die verbesserte Kanalcodierung die typi­ schen Übertragungsfehler (bei Mobilfunk-Telefonie z. B. plötzliches "Knacksen", "Zwitschern", etc.) nicht mehr so häufig auf, was von der überwiegenden Anzahl der Testhö­ rer als subjektiv sehr viel angenehmer empfunden wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das AMR- Verfahren technisch zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels eines Verfah­ ren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die erfin­ dungsgemäße Lösung besteht darin, nicht die Rest- Bitfehlerrate (nach Kanalcodierung) selbst zu reduzieren, sondern den Quellencodec weniger empfindlich zu machen für Rest-Bitfehler. Dazu muß die Arbeitsweise des Quel­ lencodierers so gestaltet werden, daß sie im Falle von höheren Kanalübertragungsfehlern auf eine robustere Quel­ lencodierung umschaltet und im Falle einer Übertragung mit wenigen Kanalübertragungsfehlern auf eine weniger ro­ buste, dafür aber besser klingende Quellencodierweise (mit höherer Grundqualität) umschaltet.

Die nach wie vor anfallenden Rest-Bitfehler (nach Ka­ nalcodierung) werden bei dieser Lösung also nicht durch eine verbesserte Kanalcodierung reduziert (wie dies z. B. im Falle des AMR-Verfahrens geschieht), sondern das Quel­ lencodierverfahren wird in einer vom Quellcodierverfahren bereitgestellten, anderen Weise betrieben, so daß die Rest-Bitfehler auf der jeweiligen Empfängerseite sich we­ niger störend (beim Mobilfunk: weniger hörbar) auswirken.

Die prinzipielle Eigenschaft dieses Verfahrens liegt dar­ in, daß der Quellencodec in Abhängigkeit von den Ka­ nalübertragungsverhältnissen so in einem von mehreren möglichen Modi betrieben wird, daß die verwendete Quellcodierung eine je nach Modus mehr oder weniger star­ ke Robustheit gegen Rest-Bitfehler aufweist.

Es ist daher möglich das erfindungsgemäße Verfahren tech­ nisch so auszuführen, daß die Bitraten von Source- und Channel-Codierung unverändert beibehalten werden.

Im Gegensatz zu dem oben als AMR-Verfahren bezeichneten Weg hat dieses Verfahren nicht das Ziel, die Rest- Bitfehlerrate herabzusetzen, sondern die vom Encoder an den Decoder gesendeten Bits so zu nutzen, daß die für die Decodierung relevanten, daraus extrahierten Parameter im Decoder mit geringerer Abweichung vom ursprünglichen Wert rekonstruiert werden können.

Dabei muß in der vorgeschlagenen Lösung die Rest- Bitfehlerrate nach Channel-Codierung nicht verändert wer­ den, sondern es muß lediglich der Quellencodec so umge­ schaltet werden, daß eine robustere Codierung verwendet wird.

Dieses Verfahren kann technisch sowohl unabhängig von der oben als AMR-Verfahren vorgestellten Lösung verwendet werden als auch in Kombination mit ihr.

Konkret läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise dadurch rea­ lisieren, daß in dem Quellencodierverfahren diejenigen Quantisierungsverfahren, die auf einer prädiktiven Quan­ tisierung basieren, teilweise oder ganz auf eine robuste­ re, z. B. nicht-prädiktive Quantisierung umgeschaltet werden. Da bei der prädiktiven Quantisierung Werte aus den vergangenen Zeitabschnitten mit berücksichtigt wer­ den, können einzelne bei der Übertragung gestörte und so­ mit falsch empfangene Werte bei der prädiktiven Quanti­ sierung noch für einige Zeit nach dem Auftreten des Über­ tragungsfehlers das Ergebnis der Quantisierung störend beeinflussen. Im Falle von erhöhten Übertragungsfehlern wird beim erfindungsgemäßen Verfahren auf die prädiktive Quantisierung verzichtet und statt dessen eine robustere, z. B. eine nicht-prädiktive Quantisierung verwendet. Hierdurch kann die Qualität der Übertragung in diesen Fällen verbessert werden. Wie auch bereits bei der Dar­ stellung des AMR-Verfahrens erwähnt, nimmt zwar die Grundqualität durch diese Maßnahme im allgemeinen ab, aber das sich die Übertragungsfehler aus Benutzersicht nicht mehr so störend auswirken (beim Mobilfunk: weni­ ger/kein plötzliches "Knacksen", "Zwitschern", etc.), wird dieses Umschalten in eine robuster arbeitende Be­ triebsart aus Anwendersicht bevorzugt.

Der Vorteil bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens liegt einerseits in der niedrigeren Komplexität der Lösung. Hier muß nämlich nur der Quellencodec selbst und nicht auch die Kanalcodierung angepaßt werden. Darüber hinaus ermöglicht dieses Verfahren im Kombination mit dem AMR-Verfahren eine einfache Möglichkeit, die An­ zahl A (A = i.k) der verschiedenen Betriebsarten, die jeweils an bestimmte Kanalübertragungsverhältnisse ange­ paßt sind, zu erhöhen, indem durch die erfindungsgemäße Realisierung für jede einzelne Bitraten-Kombination S_ik + C_i = G(k = 1. . .N) verschiedene Quellcodec-Betriebsarten bei unverändertem Kanalcodec möglich sind.

Claims (8)

1. Verfahren zur Übertragung von Sprachsignalen mittels eines Senders und eines Empfängers, wobei sendersei­ tig das Sprachsignal in kurze zeitliche Signalab­ schnitte unterteilt und die einzelnen Signalabschnit­ te getrennt voneinander codiert und über eine Über­ tragungsstrecke hin zum Empfänger übertragen werden, wobei zur Codierung ein Source-Encoder das Sprachsi­ gnal in eine Abfolge Bit-Gruppen zerlegt, und ein nachgeschalteter Channel-Encoder jede Bit-Gruppe für die Übertragung über die Übertragungsstrecke verän­ dert, wobei durch den Channel-Encoder anschließend jede Bit-Gruppe für die Übertragung über die Übertra­ gungsstrecke aufbereitet, und daß empfängerseitig ein Channel-Decoder die übertragenen Bit-Gruppen in eine für einen nachgeschalteten Source-Decoder geeignete Form umwandelt und der Source-Decoder das übertragene Sprachsignal generiert, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Source-Encoder in Abhängig­ keit der Störung der Übertragungsstrecke in einem von mehreren möglichen Betriebsarten betrieben wird, wo­ bei in allen Betriebsarten die Bit-Gruppen und/oder Bitraten des Source-Encoders konstant sind und ledig­ lich die Art der Codierung von der Art und/oder Schwere der Störung der Übertragungsstrecke abhängt.

2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß bei schlechten Übertragungsverhältnissen der Übertra­ gungsstrecke vom Source-Encoder eine Source-Codierung mit einer starken Robustheit gegen Rest-Bitfehler und bei guten Übertragungsverhältnissen der Übertragungs­ strecke vom Source-Encoder eine Source-Codierung mit schwächeren Robustheit gegen Rest-Bitfehler verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der Art und/oder Schwere der Störung der Übertra­ gungsstrecke in mindestens einer Betriebsart die Quantisierung der Sourcecodeparameter unter Verwen­ dung von prädiktiven (die Vergangenheit berücksichti­ genden) Verfahren erfolgt und in mindestens einer Be­ triebsart eine nicht-prädiktive Quantisierung verwen­ det wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Source-Decoder jeweils das zum Codierungsverfahren des Source-Encoders passende Decodierungsverfahren zur Decodierung des übertragenen Signals verwendet.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach ei­ nem der vorhergehenden Ansprüche.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Sender und Empfänger je­ weils nur einen Channel-Encoder bzw. Channel-Decoder aufweisen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Sender und Empfänger je­ weils mehrere Channel-Encoder CE_i bzw. Channel- Decoder CD_i aufweisen, wobei der Channel-Encoder CD_i jede Bit-Gruppe um eine Anzahl von C_i Bits vergrö­ ßert, mit der Bedingung C_i ungleich C_i + 1, und daß je­ dem Channel-Encoder CE_i jeweils k Source-Encoder SE_ik und jedem Channel-Decoder CD_i jeweils k Source- Decoder SD_ik zugeordnet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die sich aus den Bitraten von Source-Encoder und Channel-Encoder ergebende Ge­ samtbitrate konstant ist.