DE4416407C2 - Verfahren und Anordnung zum Übertragen von Sprach- und Steuersignalen in einem digitalen Funksystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und Anordnung zum Übertragen von Sprach- und Steuersignalen in einem digi­ talen Funksystem. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Übertragung von Sprach- und Steuersignalen auf der Schnittstelle zwischen einer Transcodiereinheit und einer Ba­ sisfunkstation eines Mobilfunksystems, sowie auf eine Über­ tragung zwischen einer Mobilstation und einer Basisfunkstation.

Aus den Patentschriften DE 39 18 298 A1, EP 0539219 A2 und DE 42 16 911 A1 sind Verfahren zur Codierung bekannt. DE 39 18 298 A1 offenbart ein Verfahren zur Fernbedienung von Video­ recordern über Telefonleitungen, bei dem der Videorecorder eine Schnittstelle zur Telefonleitung aufweist, die an ge­ normte Fernwirkstellen angepaßt werden kann. Eine digitale Sprachcodierung und die Verwendung von digitalen Steuer­ signalen wird nicht behandelt. Aus EP 0539219 A2 und DE 42 16 911 A1 sind Verfahren zur Sprachcodierung entnehmbar, die die Codierung von digitalisierten Sprachsignalen auf der Sendeseite durch Codewörter und eine spätere Übertragung dieser Codewörter vorsehen. Die Codierung wird in einem Sprachcodierer vorgenommen. Die Verarbeitung von Steuer­ signalen im Rahmen des Codewortvorrates der Sprachcodierung wird nicht behandelt.

Ein Beispiel für ein digitales Funksystem ist das digitale zellulare pan-europäische Mobilfunksystem GSM (Global System for Mobile Communication). Bei diesem System wird das Viel­ fachzugriffsverfahren TDMA (Time Division Multiple Access) benutzt, wobei die Mobilfunkteilnehmer durch unterschiedliche Zeitschlitze eines Zeitmultiplexsystems unterschieden werden. Die Fig. 1 zeigt ein Blockbild dieses Mobilfunksystems. Der Funkbereich ist beim GSM in mehrere Zellen Z aufgeteilt. In einer derartigen Zelle Z wird der Telekommunikationsdienst von und zu einer Mobilstation MS durch eine Basisfunkstation BTS (Base Transceiver Station) bereitgestellt. Eine oder meh­ rere Basisfunkstationen BTS sind mit einer Basis-Steuerein­ heit BSC (Base Station Controller) verbunden. Die Basis-Steu­ ereinheiten BSC führen die lokalen Funktionen der Rufvermitt­ lung, Überwachung und Wartung durch. Sie umfassen Steuerein­ heiten BCE (Base Station Control Equipment) und Transcodier­ einheiten TRAU (Transcoding Unit). Die Gesamtheit der Basis­ funkstationen BTS und der Basis-Steuereinheit BSC wird als Basisstationssystem BSS (Base Station Subsystem) bezeichnet. Mehrere Basis-Steuereinheiten BSC sind mit einer Vermitt­ lungsstelle MSC verbunden, die Bestandteil einer mit dem öf­ fentlichen Fernsprechnetz PSTN (Public Switched Telefone Net­ work) verbundenen Vermittlungseinrichtung SSS (Switching Subsystem) ist. Das Fernsprechnetz PSTN kann als ISDN-Netz, als Mobilfunknetz oder als sonstiges Telefon- oder Datennetz ausgebildet sein. Ein derartiges System ist beispielsweise in einer Druckschrift der Siemens AG, D900 Mobile Communication System, System Description, SYD, 1992 beschrieben.

Wenn eine Verbindung zwischen der Mobilstation MS und der Ba­ sis-Steuereinheit BSC hergestellt ist, wird über die Vermitt­ lungseinrichtung SSS eine Verbindung zum öffentlichen Fern­ sprechnetz PSTN hergestellt. Von diesem aus wird dann der an­ dere Teilnehmer erreicht.

Bei einer Übertragung von Sprache zu oder von einer Mobilsta­ tion ist es allgemein bekannt, auf der Sendeseite analoge Sprachinformationen abzutasten und in einem Sprachcodierer in digital codierte Sprachinformation umzusetzen und diese gege­ benenfalls fehlergesichert zu übertragen. Auf der Empfangs­ seite wird die digital codierte Sprachinformation dann wieder in analoge Sprachinformation umgesetzt.

Die Transcodiereinheit TRAU führt die Anpassung der Datenra­ ten, welche vom Fernsprechnetz PSTN kommen, an die im Mobil­ funksystem definierten und vorhandenen Datenraten durch. Fer­ ner kann die Transcodiereinheit TRAU eine Sub-Multiplexing-Funktion haben, so daß bis zu vier Verkehrskanäle mit je 16 kbit/s auf einer 64 kbit/s Leitung administriert werden kön­ nen.

Bei der in Fig. 2 schematisch dargestellten Transcodierein­ heit TRAU gelangen die Signale mit einer Übertragungsrate von 2 Mbit/s (30 Kanäle mit jeweils 64 kbit/s und jeweils 8 Bits) vom Fernsprechnetz PSTN über eine PCM30-Verbindung zur Schnittstelle S1. Von dort werden sie an eine Mehrzahl von Transcodierern T weitergegeben, die 160 Wörter mit jeweils 8 Bits in Wörter mit 260 Bits transcodiert. Diese transcodier­ ten Rahmen werden dann mit 16 kbit/s an die Schnittstelle S2 abgegeben. Nach einem Multiplexvorgang werden die Signale dann zu 30 Kanälen mit jeweils 64 kbit/s zusammengefaßt und über eine pCM30-Verbindung zur Basisfunkstation BTS übertra­ gen, wobei durch Sub-Multiplexen in einem Kanal (Zeitschlitz) von 64 kbit/s vier Kanäle mit je 16 kbit/s untergebracht wer­ den können.

Die Transcodiereinheit TRAU gehört logisch zum Basisstations­ system BSS und sie wird von der Basisfunkstation BTS und/oder von der Basisstationssteuerung BSC gesteuert und überwacht. Sie kann bei der Vermittlungsstelle MSC zwischen dieser und der Basisstationssteuerung BSC, aber bei der Basisstations­ steuerung BSC zwischen dieser und der Vermittlungsstelle MSC angeordnet werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Transcodiereinheit TRAU zwischen der Basisfunkstation BTS und der Basisstationssteuerung BSC bei der Basisstationssteuerung BSC oder bei der Basisfunkstation BTS anzuordnen. Im folgen­ den wird davon ausgegangen, daß sie an der Vermittlungsstelle MSC zwischen dieser und der Basisstationssteuerung BSC ange­ ordnet ist. Damit kann man die Sub-Multiplex-Funktion der Transcodiereinheit TRAU ausnutzen und eine Übertragung mit 16 kbit/s pro Verkehrskanal von der Transcodiereinheit TRAU bis zur Basisfunkstation BTS anstatt mit 64 kbit/s durchführen.

Die Verbindungen zwischen den einzelnen Netzelementen werden durch Schnittstellen gebildet. Die Schnittstelle zwischen der Mobilstation MS und der Basisfunkstation BTS wird Luft­ schnittstelle genannt. Die Verbindung zwischen der Basisfunk­ station BTS und der Basisstationssteuerung BSC wird Abis-Schnittstelle genannt, und die Schnittstelle zwischen der Ba­ sisstationssteuerung BSC und der Transcodiereinheit TRAU wird als Asub- oder M-Schnittstelle bezeichnet. Die Verbindung zwischen der Vermittlungsstelle MSC und der Transcodierein­ heit TRAU wird A-Schnittstelle genannt. Da die Transcodier­ einheit TRAU für die Signalisierung transparent ist, ist die Asub-Schnittstelle die Verlängerung der A-Schnittstelle.

Die Datenraten, die das GSM zur Verfügung stellt, werden durch die Übertragungsraten auf der Luftschnittstelle vorge­ geben. Im GSM gibt es als Verkehrskanäle Vollratenkanäle und Halbratenkanäle mit einer maximalen Bruttodatenrate von 22,8 kbit/s bzw. 11,4 kbit/s.

Jedem Mobilfunkteilnehmer im GSM wird für die Übertragung von Daten oder digital codierter Sprache ein Verkehrskanal zuge­ ordnet. Um den Datenstrom vor Störungen auf dem Funkkanal zu schützen wird ein Vorwärts-Korrekturverfahren (Forward Error Correction) durchgeführt. Dabei wird mit Hilfe einer Kanalco­ dierung der zu übertragenden Information Redundanz hinzuge­ fügt. Die maximale Brutto-Übertragungsrate eines Zeitschlit­ zes, welche sich aus der zu übertragenden Information und der hinzugefügten Redundanz zusammensetzt, beträgt maximal 22,8 kbit/s. Auf einem Zeitschlitz können damit entweder ein Voll­ ratenkanal oder gleichzeitig zwei Halbratenkanäle übertragen werden.

Im GSM gibt es einen Algorithmus für die Vollraten-Codierung, der Sprache mit 13 kbit/s codiert. Für die Halbraten-Codie­ rung ist eine Nettodatenrate von etwa 6,0 kbit/s vorgesehen. Für die Fehlersicherung wird mit Hilfe der Kanalcodierung beim Vollraten-Sprachcodierer bzw. dem Halbraten-Sprachcodie­ rer 9,8 kbit/s bzw. etwa 5,4 kbit/s Redundanz hinzugefügt.

Neben den Sprachkanälen gibt es im GSM Verkehrsdatenkanäle mit unterschiedlichen maximalen Brutto-Datenübertragungsraten von 22,8 kbit/s oder 11,4 kbit/s. Bei einer Übertragung von Daten mit Nutzdatenraten von 12,0 kbit/s, 6,0 kbit/s oder 3,6 kbit/s über die Vollraten-Datenkanäle wird eine Redundanz von 10,8 kbit/s, 16,8 kbit/s bzw. 19,2 kbit/s hinzugefügt, so daß sich immer eine Brutto-Datenübertragungsrate von 22,8 kbit/s ergibt. In entsprechender Weise wird bei den Halbratendaten­ kanäle mit einer Nutzdatenrate von 6,0 kbit/s bzw. 3,0 kbit/s eine Redundanz von 5,4 kbit/s bzw. 8,4 kbit/s hinzugefügt.

Die Kanalcodierung der zu übertragenden Daten oder der digi­ talisierten codierten Sprache wird durch eine Kanalcodierein­ heit CCU (Channel Codec Unit) der Basisfunkstation BTS durch­ geführt. Die Kanalcodiereinheit CCU erhält von der Transco­ diereinheit TRAU alle 20 ms einen sogenannten TRAU-Rahmen. Dieser TRAU-Rahmen besteht aus 320 Bits und enthält neben Synchronisationsbits und Steuerbits die zu übertragende In­ formation, den sogenannten Datenblock. Falls die im TRAU-Rah­ men enthaltene Information an die Mobilstation MS übertragen werden soll, so entnimmt die Kanalcodiereinheit CCU diese In­ formation, fügt mittels Kanalcodierung Redundanz hinzu, ver­ schachtelt (interleaved) die Daten, zerlegt den kanalcodier­ ten Datenblock in mehrere Teilblöcke und überträgt diese ge­ trennt über mehrere Zeitschlitze über die Luftschnittstelle zur Mobilstation MS.

Auf der Empfangsseite der Basisfunkstation BTS werden die von der Mobilstation MS kommenden Signale, gefiltert, digitali­ siert und der Kanalcodiereinheit CCU der Basisfunkstation BTS zugeführt. Hier werden die Daten decodiert und die Redundanz von den Nutzdaten entfernt. Falls die empfangenen Daten nicht decodiert werden konnten, weil z. B. infolge von Störungen auf der Luftschnittstelle die Anzahl der Fehler zu groß war, ent­ wickelt die Kanalcodiereinheit CCU ein Kriterium, mit dem z. B. die Daten nochmals anfordert werden (ARQ) oder eine In­ terpolation der fehlerhaften Daten durch die letzten für fehlerfrei erklärten Daten erfolgt. Die Interpolation wird z. B. bei den codierten Sprachdaten durchgeführt.

Die Transcodiereinheit TRAU enthält neben den Funktionen, die der Sprachverarbeitung dienen, die Funktionen für die Anpas­ sung der Datenraten zwischen den im Festnetz PSTN und den im Mobilfunknetz PLMN (Public Land Mobile Network) zur Verfügung stehenden Datenkanälen der Vollratenkanäle und Halbratenkanä­ le.

Zwischen der Transcodiereinheit TRAU und der Basisfunkstation BTS gibt es im GSM ein TRAU-Rahmen-Protokoll, das in der GSM Rec. 08.60 beschrieben ist. Wesentliche Eigenschaften dieses Protokolls ist, daß die Basisfunkstation BTS alle 20 ms vor­ gibt, welche Adaptionsfunktion die Transcodiereinheit TRAU für einen gesendeten TRAU-Rahmen benutzen soll. Damit besteht die Möglichkeit während einer Verbindung die Anpassungsfunk­ tion zu wechseln und z. B. von Sprache auf Daten oder von ei­ ner Datenrate auf eine andere zu wechseln.

Das TRAU-Rahmen-Protokoll behandelt die Anpassung der Daten­ raten und die Sprachcodierung zwischen dem Fernsprechnetz PSTN und dem Mobilfunknetz PLMN. Die Übertragungsrichtung von der Basisfunkstation BTS zur Transcodiereinheit TRAU wird im folgenden als Aufwärtsrichtung (uplink) und die entgegenge­ setzte Richtung wird als Abwärtsrichtung (downlink) bezeich­ net. Zwischen der Transcodiereinheit TRAU und der Basisfunk­ station BTS werden sowohl in der Abwärts- als auch in der Aufwärtsrichtung alle 20 ms TRAU-Rahmen mit 320 Bits gesen­ det. Jeder TRAU-Rahmen enthält Wörter zur Synchronisation, ferner ein oder mehrere Steuersignale und die zu übertragen­ den Daten.

Durch die Steuersignale wird alle 20 ms festgelegt, welche Funktion für die Anpassung der Daten im übertragenden TRAU-Rahmen gewählt wurde und beim Empfänger angewendet werden soll. Für die Daten der Sprache enthält ein TRAU-Rahmen bei­ spielsweise 260 sprachcodierte Datenbits und die restlichen 60 Bits werden für die Rahmensynchronisation und Steuerung verwendet, wobei 35 Bits für die Rahmensynchronisation und 25 Bits für die Steuerung benutzt werden (Fig. 9).

Des weiteren gibt es Rahmen, die der jeweils anderen Stelle mitteilen, daß, während einer bestehenden Verbindung, nichts gesendet wird. Solche Rahmen werden beim GSM mit Leerlaufrah­ men (Idle Frames) bezeichnet. Diese Leerlaufrahmen werden ebenfalls alle 20 ms gesendet und enthalten spezielle Bitmu­ ster. Wenn die Transcodiereinheit TRAU die Synchronisation verliert oder andere Fehler auftreten, sendet die Transcodiereinheit TRAU ein Alarmmuster (urgent alarm pat­ tern) an die Kanalcodiereinheit CCU. Dieses Alarmmuster ist ein kontinuierlicher Datenstrom, der nur aus Nullen besteht. Falls auf einer Verbindung zwischen der Transcodiereinheit TRAU und der Kanalcodiereinheit CCU kein Verkehr ist, so wird auf der Leitung das sogenannte Leerlaufmuster (Idle Bit Pat­ tern) gesendet. Für eine 16 kbit/s-Leitung besteht das Leer­ laufmuster aus einem kontinuierlichen Datenstrom, der abwech­ selnd gesendete Nullen und Einsen (010101010 . . . 01010 . . . ) auf­ weist und sowohl in Aufwärts- als auch in Abwärtsrichtung ge­ sendet wird. Das Leerlaufmuster kann auch von der Kanalco­ diereinheit CCU dazu benutzt werden, der Transcodiereinheit TRAU mitzuteilen, daß die Verbindung aufgelöst wird.

Ferner beschriebt das Protokoll auch eine Funktion die das zeitliche Senden von TRAU-Rahmen von der Transcodiereinheit TRAU an die Kanalcodiereinheit CCU und/oder BSC überwacht. Diese Funktion, die das zeitliche Absenden der TRAU-Rahmen von der Transcodiereinheit TRAU zur Basisfunkstation BTS be­ stimmt und überwacht, wird Zeitabgleich (Time Alignment) ge­ nannt und dient dazu, die Verzögerungszeiten im Mobilfunknetz möglichst klein zu halten.

Der Zeitabgleich dient dazu, die Verzögerungszeiten, welche von Gespräch zu Gespräch variieren können, auf ein Minimum zu beschränken und die Rahmen, die in der Kanalcodiereinheit CCU weiterverarbeitet werden damit nicht zu lange in der Basis­ funkstation BTS für den Weitertransport über die Luftschnitt­ stelle warten müssen. Die Verzögerungszeiten können mehrere Ursachen haben. Einerseits hat die Basisstationssteuerung BSC keine Information über das Zeitverhalten auf der Luftschnitt­ stelle und die Basisstations-Steuerung BSC bzw. die Transco­ diereinheit TRAU beginnen zu einem beliebigen Zeitpunkt mit dem Senden der Sprachrahmen bzw. Datenrahmen, d. h. mit dem Senden der TRAU-Rahmen. Ferner werden die unterschiedlichen Zeitschlitze auf der Luftschnittstelle zu unterschiedlichen Zeiten gesendet. Des weiteren können durch die unterschiedli­ chen Wege im Netz weitere Verzögerungszeiten auftreten. Falls der Zeitabgleich nicht durchgeführt wird, muß im ungünstig­ sten Fall jeder 20 ms codierte Sprachrahmen etwa 20 ms war­ ten, bis er über die Luftschnittstelle gesendet werden kann.

Beim Zeitabgleich teilt die Kanalcodiereinheit CCU der Transcodiereinheit TRAU durch spezielle Bitkombinationen der Steuerbits im TRAU-Rahmen mit, um wieviel Zeit die Transco­ diereinheit TRAU die TRAU-Rahmen früher oder später an die Kanalcodiereinheit CCU senden soll. Ferner beinhaltet der Zeitabgleich, daß die Transcodiereinheit TRAU die angeforder­ ten Zeitverschiebungen einerseits bestätigt und andererseits auch durchführt.

Für die Aufwärtsrichtung gibt es keine Zeitabgleichprozedur, da die Transcodiereinheit TRAU die Daten kontinuierlich in das Festnetz PSTN senden kann und die Basisfunkstation BTS kann es sich selbst ausrechnen, wann sie die TRAU-Rahmen an die Transcodiereinheit TRAU senden muß. In der Abwärtsrich­ tung benötigt man den Zeitabgleich wegen des im GSM definier­ ten TDMA-Verfahrens auf der Luftschnittstelle.

Da die genannten Steuersignale in den Sprachrahmen mit je­ weils 320 Bits alle 20 ms gesendet werden und jeweils 25 Bits beanspruchen, erfordert die Übertragung der Steuersignale ei­ ne verhältnismäßig große Übertragungskapazität, obwohl sie in der Regel nicht alle 20 ms erforderlich sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, mittels der die Übertragung von Sprach- und Steuersignalen von und zu einer Transcodierein­ heit in einem Funksystem vereinfacht wird und effizienter ge­ staltet wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Verfahren und der Anordnung der eingangs genannten Art durch die in den kenn­ zeichnenden Teilen der Patentansprüche 1 bzw. 10 angegebenen Merkmale gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ge­ kennzeichnet.

Zweckmäßigerweise wird das erfindungsgemäße Verfahren zusätz­ lich zu dem bisher üblichen Verfahren durchgeführt und das erfindungsgemäße Verfahren wird in das bestehende Mobilsystem integriert. In diesem Fall hat man hinsichtlich der Sprachco­ dierung zwei TRAU-Rahmenprotokolle und bei Einführung des Halbratensprachcoders gegebenenfalls noch ein weiteres Rahmen­ protokoll auszuführen. Demzufolge müssen die Kanalcodierein­ heit bzw. die Basisfunkstation und die Transcodiereinheit zwischen mehreren Rahmenprotokollen unterscheiden können. Ei­ ne Unterscheidung zwischen zwei Rahmenprotokollen ist bereits dann erforderlich, wenn die Sprache nicht nur mit der vollen Datenrate, sondern auch mit der halben Datenrate codiert wird.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin begründet, daß man die Sprachverarbeitungsfunktionen nicht nur in einer Ein­ heit (Transcodiereinheit TRAU) des Systems, sondern auf meh­ rere Einheiten (Basisfunkstation BTS und Transcodiereinheit TRAU) verteilt, um somit Steuersignale einzusparen.

Aus dem Codewortvorrat des Sprachcodierers werden Steuerwör­ ter gebildet, um somit die durch das TRAU-Rahmenprotokoll be­ nötigten Synchronisationsmuster und Steuerbits einzusparen. Die eingesparten Bits können für eine höhere Datenrate eines Sprachcodierers verwendet werden, um mit der höheren Daten­ rate eine bessere Sprachqualität zu erzielen als z. B. mit dem 16 kbit/s LD-CELP (ITU G.728) Sprachcodierer.

Die sprachcodierten Sprachrahmen werden kontinuierlich im we­ sentlichen ohne Synchronisationswörter von der Transcodier­ einheit an die Basisfunkstation gesendet.

Einen Zeitabgleich führt die Basisfunkstation selbst durch, indem sie Sprachrahmen einfach nicht sendet, um die Sprach­ rahmen an die Luftschnittstelle anzupassen.

Zu Beginn einer Verbindung wird ein Synchronisationsmuster gesendet. Ein weiteres Synchronisationsmuster wird gesendet, um anzuzeigen, daß es sich um die Parameter des Hintergrund­ rauschens handelt. Weitere Synchronisationswörter sind ein Leerlaufmuster,ein einen dringenden Alarm anzeigendes Muster und Leerlaufrahmen, die angeben, daß keine Sprache übertragen wird. Diese Steuerwörter werden aus den Codewörtern des Sprachcodierers gebildet und falls der Sprachcodierer zu ei­ nem Codewort codiert, welches als Steuerwort benutzt wird, so wird es durch ein äquivalentes Codewort ersetzt. Daraus re­ sultiert eine neue Funktion, welche als Codewort-Substitution bezeichnet wird. Da man unterschiedliche Rahmenprotokolle für unterschiedliche Sprachcodierer in einem System hat, muß die Transcodiereinheit auch mehrere Rahmenprotokolle beherrschen. Der Sprachcodierer enthält ferner eine Funktion, die erkennen muß, ob der gesendete Rahmen ein Sprachrahmen oder ein Steu­ erwort enthält. Die Funktion für die Erkennung von Steuerwör­ tern kann auch in einer dem Sprachdecodierer vorgeschalteten Einrichtung zur Extraktion der Signalisierung durchgeführt werden.

Das Verfahren und die Anordnung gemäß der Erfindung werden im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Blockbild eines bekannten Mobilfunksystems,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer bekannten Transco­ diereinheit,

Fig. 3 eine schematische Darstellung von Sprachfunktionen in der Senderichtung,

Fig. 4 eine schematische Darstellung von Sprachfunktionen in der Empfangsrichtung,

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Sprachübertragung,

Fig. 6 eine Darstellung einer Kanalcodierung,

Fig. 7 eine Darstellung einer Sprachcodierung,

Fig. 8 eine Erzeugung von Multi-Sprachrahmen,

Fig. 9 eine Gegenüberstellung von mit Steuersignalen versehe­ nen Sprachrahmen,

Fig. 10 eine Mehrzahl von Steuerwörtern,

Fig. 11 einen Ruhezustandsrahmen,

Fig. 12 eine schematische Darstellung einer Sprachverarbei­ tung in Abwärtsrichtung, und

Fig. 13 eine schematische Darstellung einer Sprachverarbei­ tung in Aufwärtsrichtung.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten und eingangs beschriebenen Mobilfunksystem, das unter der Bezeichnung GSM bekannt ist, werden die für eine Übertragung von Sprache erforderlichen Verarbeitungsfunktionen netzseitig in der Transcodiereinheit TRAU implementiert. Zu den Sprachverarbeitungsfunktionen ge­ hören die folgenden Funktionen:

Sprachcodierung und -decodierung, Sprachaktivitäten-Erkennung VAD (Voice Activity Detection), Geräuscheinfügung (Comfort Noise Insertion), Ersatz und Unterdrückung von verlorenen Sprachrahmen (Substitution and Muting of Lost Speech Frames), Erzeugung eines Ruhezustandsrahmens SID (Silence Descrip­ tion), und Ersatz und Unterdrückung von verlorenen SID-Rahmen. Diese Funktionen sind schematisch in den Fig. 3 und 4 dargestellt.

Die Fig. 3 zeigt die Senderichtung, in der von der Vermitt­ lungsstelle MSC nach dem PCM-Verfahren (µ-Gesetz; A-Gesetz) codierte Rahmen F zu einem Sprachcodierer SC übertragen wer­ den. Wenn eine Einheit VAD Sprachaktivität erkennt, gibt sie ein entsprechendes Signal SFL an eine Einheit ST ab. Der Sprachcodierer SC gibt dann die Sprachrahmen SF ebenfalls an die Einheit ST ab, die diese als transcodierte Rahmen TF an die Kanalcodiereinheit CCU einer Basisfunkstation BTS abgibt. Falls die Einheit VAD eine Sprachpause erkennt, erzeugt eine Einheit CNT in zeitlichen Abständen Ruhezustandsrahmen SIDF, die beispielsweise ein Hintergrundgeräusch darstellen. Wäh­ rend der Sprachpausen werden dann diesen Ruhezustandsrahmen SIDF zugeordnete transcodierte Rahmen TF abgegeben.

Die Fig. 4 zeigt die Empfangsrichtung. Von der Kanalcodier­ einheit CCU gelangen transcodierte Rahmen TF1 zur Einheit ST1. Wenn ein Rahmen fehlerfrei ist, wird er entweder als Sprachrahmen SF1 zu einem Sprachdecodierer SD oder als Rahmen SIDF1 zu einer Einheit CNR übertragen, die die Erzeugung des Geräuschs im Sprachdecodierer SD bewirkt. Zur Vermittlungs­ stelle MSC werden dann entweder der Sprache oder dem Geräusch zugeordnete PCM-Rahmen F1 (µ-Gesetz; A-Gesetz) übertragen. Wenn ein Rahmen TF1 fehlerhaft ist, erzeugt die Einheit ST1 ein Signal BFI, das über eine Einheit SM einen Ersatz und/oder eine Unterdrückung des Rahmens TF1 bewirkt.

Die Fig. 5 zeigt ein Blockbild eines Beispiels einer Sprach­ übertragung von der Mobilstation MS zum Festnetz PSTN mit ei­ ner Nettodatenrate von 13 kbit/s. Bei einer Übertragung von der Mobilstation MS zum Festnetz PSTN gelangen von einem Mi­ krophon M in der Mobilstation MS abgegebene analoge Sprachsi­ gnale über eine Anschlußeinheit AE als Signale AS zu einem Analog/Digital-Umsetzer AD. Dieser quantisiert die Sprachsi­ gnale mit 13 Bits linear. Somit werden pro Sekunde 8000 Ab­ tastwerte AW mit jeweils 8 Bits erzeugt, d. h. die Übertragungsrate beträgt 104 kbit/s. Der Sprachcodierer SC codiert die digitalisierte Sprache in 50 Sprachrahmen/s mit jeweils 260 Bits pro Sprachrahmen SF, d. h. die Übertragungsrate beträgt 13 kbit/s. Diese Sprachrahmen SF gelangen über die Luftschnittstelle zum Sprachdecodierer SD. Dieser setzt sie wieder in Abtastwerte AW1 um, von denen pro Sekunde 8000 mit jeweils 13 Bits gebildet werden, d. h. die Übertragungsrate beträgt wieder 104 kbit/s. Anschließend setzt die Transcodiereinheit TRAU die Abtastwerte entsprechend dem A- oder µ-Gesetz in die PCM-Rahmen F1 mit 8000 Abtastwerten pro Sekunde mit jeweils 8 Bits um, woraus sich eine Übertragungsrate von 64 kbit/s ergibt. Die auf diese Weise codierte Sprache kann auf einem 64 kbit/s Kanal (Zeitschlitz) einer PCM30 Verbindung zur Vermittlungsstelle MSC übertragen werden.

Bei einer Übertragung in umgekehrter Richtung laufen die be­ schriebenen Vorgänge in umgekehrter Richtung ab und die Sprachsignale werden an einer Hörkapsel H der Mobilstation MS abgegeben.

Wie es in Fig. 6 dargestellt ist, liefert der Sprachcodierer SC für jeden 20 ms-Sprachrahmen SF 260 Bits (a). Daraus re­ sultiert die Nettodatenrate von 13 kbit/s. Je ein Sprachrah­ men SF wird in einen TRAU-Rahmen hineingepackt und zur Ka­ nalcodiereinheit CCU gesendet. Dort wird jedem Sprachrahmen SF mittels Kanalcodierung 196 Bits Redundanz hinzugefügt, die der Erkennung und/oder der Fehlerkorrektur dient. Zunächst erfolgt eine Umordnung entsprechend dem Hörempfinden bei Stö­ rungen (b). Dann werden drei Paritätsbits hinzugefügt (c). Anschließend erfolgt eine konvolutionelle Codierung von 185 Bits (d), um den kanalcodierten Sprachrahmen mit 456 Bits zu erzeugen. Dieser kanalcodierte Sprachrahmen, der eine Sprach­ dauer von 20 ms entspricht, wird dann verschachtelt (interleaved), in Teilblöcke mit jeweils 57 Bits zerlegt und auf mehreren Zeitschlitzen hintereinander zur Mobilstation MS übertragen.

Auf der Empfangsseite werden die Blöcke gesammelt, entschach­ telt (deinterleaved) und einer Einrichtung für die Kanaldeco­ dierung in der Kanalcodiereinheit CCU zugeführt. Wird die Ka­ naldecodierung erfolgreich durchgeführt so wird der Sprach­ rahmen dem Sprachdecodierer SD des Empfängers zugeführt, der die Sprache reproduziert.

Konnte die Kanaldecodierung eines Sprachrahmens nicht erfolg­ reich durchgeführt werden, so wird der Sprachrahmen von der Kanaldecodierung durch das Signal BFI (Bad Frame Indicator) als fehlerhaft gekennzeichnet. In diesem Fall wird der fehler­ hafte Sprachrahmen durch einen anderen Sprachrahmen, bei­ spielsweise den letzten korrekten Sprachrahmen, ersetzt. Es kann auch eine Interpolation der Sprache aus mehreren gut empfangenen Sprachrahmen erfolgen. Werden mehrere Sprachrah­ men vom Kanaldecodierer als fehlerhaft eingestuft, so wird die Sprache langsam gedämpft, um so dem Teilnehmer mitzutei­ len, daß die Verbindung eine schlechte Qualität hat und wo­ möglich bald ausgelöst wird. Die Funktion, die diese Aufgabe durchführt wird als "Ersatz und Unterdrückung von verlorenen Sprachrahmen" bezeichnet.

Die Einheit VAD (Voice Activity Detector) hat die Aufgabe Sprechpausen zu erkennen, um den Funkkanal in Sprechpausen abzuschalten. Diese Funktion wird als "Übertragungs­ unterbrechung" DTX (Discontinuous Transmission) bezeichnet. Damit auf der Empfangsseite durch das Ein- und Ausschalten der Übertragung kein störender Geräuschkontrast entsteht, wird während der Sprechpausen auf der Empfangsseite das angepaßtes Hintergrundgeräusch CN (Comfort Noise) erzeugt. Die Einheit VAD erkennt, daß die 20 ms Sprachrahmen keine Sprache mehr enthalten und es werden dann die charakte­ ristischen Parameter des Hintergrundgeräusches berechnet. Diese Parameter werden zu vorgegebenen Zeiten zum Empfänger gesendet. Die Parameter werden zwar dauernd von der Transco­ diereinheit TRAU zur Basisfunkstation BTS gesendet aber nicht immer über die Luftschnittstelle. Das Hintergrundgeräusch wird im Sprachdecodierer SD wieder erzeugt. Die Parameter des Hintergrundgeräusches werden ebenfalls in einem TRAU-Rahmen übertragen, wobei aber ein spezielles Synchronisationswort hinzugefügt wird, so daß der Empfänger erkennen kann, daß es sich nicht um Sprache sondern um diese Parameter handelt. Das Synchronisierwort und die Parameter werden zu einem Rahmen, bestehend aus 260 Bits zusammengefaßt, dem Ruhezustandsrahmen SID (Silence Descriptor), der somit der Größe eines 20 ms sprachrahmens entspricht.

Der Ruhezustandsrahmen SID wird bei Sprechpausen in einem TRAU-Rahmen alle 20 ms an die Basisfunkstation BTS gesendet. Diese sendet ihn nur nach einem vorgegebenen Zeitplan, bei­ spielsweise nach jeweils 480 ms, an die Mobilstation MS wei­ ter. In der Zwischenzeit, wenn kein Ruhezustandsrahmen SID an die Mobilstation MS übertragen wird, wird der Sender abge­ schaltet und der Sprachdecodierer SD der Transcodiereinheit TRAU oder der Mobilstation MS erzeugt das Hintergrundrauschen selbständig. Das jeweilige Hintergrundgeräusch wird solange erzeugt, bis neue Parameter ankommen. In einem vorgegebenen Raster werden die Parameter aktualisiert. Die Aktualisierung kann beispielsweise alle 480 ms erfolgen.

Für die Ruhezustandsrahmen SID gibt es wie bei den Sprachrah­ men eine Ersatz- und Unterdrückungsfunktion. Dabei wird gegebenenfalls der letzte korrekt empfangene Ruhezustandsrahmen SID wiederholt. Falls mehrere fehlerhafte Ruhezustandsrahmen SID hintereinander empfangen wurden, fängt der Algorithmus lang­ sam mit dem Dämpfen des Hintergrundgeräusches an.

Die genannten Funktionen sind netzwerkseitig in der Transco­ diereinheit TRAU implementiert. Bei der Mobilstation MS sind sie dort implementiert, wo man kein TRAU-Rahmenprotokoll be­ nötigt. Die TRAU-Rahmen transportieren einerseits die sprach­ codierten Sprachrahmen mit einer Sprachdauer von 20 ms und andererseits enthalten sie Steuersignale, die über den Zu­ stand der enthaltenen Sprachdaten Auskunft geben, so daß die Daten zu den betreffenden Sprachverarbeitungsfunktionen in der Transcodiereinheit TRAU weitergereicht werden können. Dies bedeutet, daß, wenn der Rahmen korrekt empfangen worden ist, er entweder direkt zum Sprachdecodierer SD oder zur Ein­ heit CNR weitergeleitet wird. Ist der empfangene Rahmen feh­ lerhaft, so startet der Ersatz und Unterdrückungsalgorithmus. Da diese Funktionen netzwerkseitig in der Transcodiereinheit TRAU implementiert sind, benötigt man Steuersignale, die den betreffenden Zustand anzeigen.

Erfindungsgemäß werden aus dem Codewortvorrat des Sprachco­ dierers SC Codewörter verwendet, um die für das TRAU-Rahmen­ protokoll benötigten Synchronisationsmuster und Steuerbits, die man alle 20 ms senden muß, einzusparen. Die eingesparten Bits können für eine höhere Datenrate eines Sprachco­ dier/decodiersystems verwendet werden, um mit der höheren Da­ tenrate eine bessere Sprachqualität zu erzielen als z. B. mit dem 16 kbit/s LD-CELP (ITU G.728) Sprachco­ dier/decodiersystem. Die sprachcodierten Sprachrahmen werden dann kontinuierlich, im wesentlichen ohne Steuersignale, ge­ sendet.

Den obengenannten Zeitabgleich führt die Basisfunkstation BTS selbst durch, indem sie Sprachrahmen einfach nicht sendet, um die Sprachrahmen an die Luftschnittstelle anzupassen. Ein be­ stimmtes Steuersignal wird zu Beginn einer Verbindung gesen­ det. Ein weiteres Steuersignal wird gesendet, um anzuzeigen, daß es sich um die Parameter des Hintergrundgeräusches han­ delt. Weitere Signale stellen Leerlaufmuster und ein Alarmmu­ ster sowie die Leerlauf-Sprachrahmen dar.

Die Signale werden, wie bereits erwähnt, aus den Codewörtern des Sprachcodierers SC gebildet. Falls der Sprachcodierer SC ein Codewort erzeugen würde, das als Steuersignal benutzt wird, so wird es durch ein äquivalentes Codewort ersetzt. Daraus resultiert eine neue Funktion, welche im folgenden Codewort-Substitution genannt wird.

Da man unterschiedliche TRAU-Rahmenprotokolle für unter­ schiedliche Sprachcodierer SC in einem System hat, muß die Transcodiereinheit TRAU auch mehrere TRAU-Rahmenprotokolle beherrschen.

Der Sprachdecodierer SD enthält ferner eine Funktion, die er­ kennen muß, ob der gesendete Rahmen ein Sprachrahmen oder ein Steuersignal enthält. Die Funktion für die Erkennung von Steuersignalen kann auch in einer vorgeschalteten Einrichtung durchgeführt werden.

Diese Eigenschaften werden im folgenden am Beispiel eines als 16 kbit/s Low Delay CELP (LD-CELP) ausgebildeten Sprachcodie­ rers erläutert.

Der LD-CELP Sprachcodierer mit der Nettobitrate von 16 kbit/s ist in der ITU-Rec. G.728 spezifiziert. Er besitzt eine sehr gute Sprachqualität, die etwa der eines 32 kbit/s ADPCM Sprachcodierers entspricht. Um diesen Sprachcodierer mit den dazugehörigen Sprachverarbeitungsfunktionen, wie Sprachakti­ vitätserkennung, Ersatz und Unterdrückung von verlorenen Rah­ men, und Geräuscheinfügung im GSM anstelle des Vollraten-Sprachcodierers mit der Nettobitrate von 13 kbit/s einsetzen zu können, benötigt man eine höhere Bitrate als 16 kbit/s auf der Abis- und Asub-Schnittstelle, um die sprachcodierten Rah­ men zwischen der Transcodiereinheit TRAU und der Basisfunk­ station BTS zu transportieren. Man benötigt ungefähr 2-3 kbit/s mehr, wenn man die gleichen Funktionen auch in der Transcodiereinheit TRAU implementieren würde. Andererseits möchte man aber aus Kostengründen das bisherige Muster mit dem 16 kbit/s Sub-Multiplexing und der Zusammenfassung von vier Kanälen in einem 64 kbit/s Kanal beibehalten. Dabei wird beispielsweise nur der Sprachcodier-Algorithmus in der Transcodiereinheit TRAU belassen. Die anderen Funktionen werden zur Verminderung der Übertragungsrate in der Basisfunkstation BTS implementiert.

Der LD-CELP-Sprachcodierer ist ein Sprachcodierer mit einer sehr geringen Verzögerungszeit. Die analoge Sprache wird, wie es in Fig. 7 dargestellt ist, mit 8 kHz abgetastet und jeder Abtastwert AW wird mit 14 Bit linear quantisiert. Im Falle von nach dem A-Gesetz oder dem µ-Gesetz quantisierten Abtast­ werten wird eine entsprechende Konvertierung zwischen den komprimierten und linearen Werten durchgeführt.

Bei einer Abtastrate von 8 kHz entspricht ein Abtastwert AW einer Sprechdauer von 0.125 ms. Der Sprachcodierer sammelt jeweils fünf Abtastwerte AW und faßt sie zu einem Sprachrah­ men zusammen. Jeder Sprachrahmen entspricht demzufolge einer Sprachdauer von 0.625 ms. Der Sprachrahmen wird dem eigentli­ chen Sprachcodierer SCA mit dem LD-CELP-Algorithmus zuge­ führt. Dieser liefert für jeden aus fünf Abtastwerten AW be­ stehenden Sprachrahmen 10 Bits. Ein sprachcodierter Sprach­ rahmen SR enthält somit 10 Bits.

Wie es in Fig. 8 dargestellt ist, werden die 10 Bit-Sprach­ rahmen SR in der Kanalcodiereinheit CCU zu einem Multi-Sprachrahmen MF, bestehend aus 16 Sprachrahmen zusammenge­ faßt. Ein Multi-Sprachrahmen MF entspricht somit einer Sprachdauer von 10 ms und enthält 160 Bits. Durch Kanalcodie­ rung werden dem Multi-Sprachrahmen 68 Bits Redundanz hinzuge­ fügt und der kanalcodierte Multi-Sprachrahmen MSF gebildet. Die 228 Bits werden dann verschachtelt, in Teilblöcke zerlegt und über die Luftschnittstelle übertragen.

In Fig. 9 ist ein bekannter Sprachrahmen SF (a) dargestellt, bei dem Sprache mit Codewörtern codiert wird, die jeweils 260 Bits enthalten. Jeweils ein solches Codewort wird mit Steuer­ signalen versehen, die aus 60 Bits bestehen. Diese Steuersi­ gnale werden aus einem Synchronisationswort SY mit 35 Bits und einem Steuerwort STW mit 25 Bits gebildet. Den so gebil­ deten Rahmen, bestehend aus dem Sprach-Codewort von 260 Bits, dem Synchronisationswort SY von 35 Bits und dem Steuerwort STW, nennt man TRAU-Rahmen. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Steuersignale STW1 aus Codewörtern gebildet, die dem Codewortvorrat des Sprachcodierers entnommen sind und ebenso wie diese 10 Bits aufweisen (b). Diese Steuersignale STW1 werden in entsprechender Weise wie die Sprachrahmen SF behandelt und gemeinsam mit diesen zu einem Multi-Sprachrah­ men MF zusammengefaßt. Dieser wird dann, wie in Fig. 8 ge­ zeigt, kanalcodiert und über die Luftschnittstelle übertra­ gen.

Da die Sprachrahmen jeweils 10 Bits enthalten, hat der Sprachcodierer einen Codewortvorrat von 1024 Codewörtern. Fünf von diesen Codewörtern werden aus dem Codewortvorrat ge­ strichen und zur Signalisierung benutzt. Falls der Sprachco­ dierer ein Codewort berechnet, das zur Bildung von Steuerwör­ tern verwendet wird, wird dieses durch ein entsprechendes Codewort oder z. B. durch einen Leerlauf-Sprachrahmen ersetzt. Diese Aufgabe führt die Funktion "Codeword Substitution" durch.

Die für den Einsatz des 16 kbit/LD-CELP-Sprachcodierers im GSM vorgesehenen Steuerwörter A bis E sind in Fig. 10 darge­ stellt. Zur Synchronisation zwischen der Transcodiereinheit TRAU und der Kanalcodiereinheit CCU werden fünf Codewörter A bis E aus dem Codewortvorrat des Sprachcodierers zur Bildung von Synchronisationsmustern benutzt, d. h. 0,25% der Codewör­ ter kann der Sprachcodierer nicht verwenden. Durch die ent­ sprechende Sprachverarbeitungsfunktion wird gewährleistet, daß die entsprechenden Synchronisationsmuster nicht auftreten können. Da man fünf Codewörter aus dem Codewortvorrat des Sprachcodier-Algorithmus benutzt, muß gewährleistet sein, daß diese fünf Codewörter niemals auftreten und falls doch durch entsprechende Rahmen ersetzt werden.

Die fünf Codewörter haben folgende Bedeutung:
Das Codewort A wird zur Bildung eines Synchronisationswortes A4 für die Initialisierungsphase benutzt. Viermal das gleiche Codewort A bildet das Synchronisationsmuster A4. Das Synchro­ nisationsmuster besitzt somit eine Länge von 40 Bits. Das Codewort A darf nur für das Synchronisationsmuster A4 benutzt werden. Das Codewort A wird für die Sprachcodierung durch ein ähnliches Codewort A1 ersetzt.

Das Codewort B wird zur Bildung des Synchronisationsmusters B4 des Ruhezustandsrahmens SID benutzt. Viermal das gleiche Codewort B bildet das Synchronisationsmuster B4. Der Ruhezu­ standsrahmen SID besitzt 160 Bits pro 10 ms, wobei 40 Bits für die Synchronisation aufgewendet werden. Die restlichen 120 Bits werden für die charakteristischen Parameter des Ge­ räusches benutzt. Das Codewort B darf nur zur Bildung des SID Rahmen Synchronisationswortes verwendet werden. Für die Sprachcodierung wird es durch ein Codewort B1 ersetzt.

Das Codewort C wird als Leerlauf-Sprachrahmen benutzt und wird während einer Verbindung gesendet, wenn keine codierten Sprachrahmen gesendet werden. Für die Sprachcodierung wird es durch ein Codewort C1 ersetzt.

Das Codewort D besitzt die Darstellung 0101010101 und wird als Leerlaufmuster benutzt. Es entspricht, falls es kontinu­ ierlich gesendet wird, dem Leerlaufmuster für einen 16 kbit/s-Kanal des GSM. Das Leerlaufmuster dient einerseits der Transcodiereinheit TRAU mitzuteilen, daß die Verbindung auf­ gelöst wird und andererseits wird mit dem Senden des Leer­ laufmusters festgelegt, daß auf dieser Verbindung kein Ver­ kehrsdatenkanal liegt und demzufolge keine Informationen übertragen werden bzw. keine Verbindung zbgeordnet ist. Das Leerlaufmuster wird durch das ausgewählte Codewort D darge­ stellt. Das Codewort D wird für die Sprachcodierung durch ein Codewort D1 ersetzt.

Das Codewort E besitzt die Darstellung 0000000000 und wird als Alarmmuster benutzt. Es entspricht, falls es kontinuier­ lich gesendet wird, dem Urgent Alarm Pattern für einen 16 kbit/s Kanal des GSM Systems. Mit dem Alarmmuster teilt die Transcodiereinheit TRAU der Kanalcodiereinheit CCU mit, daß Fehler in der Transcodiereinheit TRAU aufgetreten sind oder das die zugeordnete Transcodiereinheit TRAU nicht verfügbar ist oder die angeforderte Raten-Anpassungsfunktion nicht vor­ handen ist usw . . Wird das Alarmmuster, welches kontinuierlich von der Transcodiereinheit TRAU gesendet wird, empfangen, so hat die Kanalcodiereinheit CCU der Basisstationssteuerung BSC mitzuteilen, daß die Verbindung aufgelöst werden soll. Das Codewort E wird für die Sprachcodierung durch ein Codewort E1 ersetzt.

Bei der Codewort-Substitution werden die für die Signalisie­ rung zu benutzenden Codewörter des Sprachcodier-Algorithmus durch entsprechende Codewörter ersetzt. Es werden, wie ge­ zeigt, die fünf Codewörter A, B, C, D und E für die Bildung der Steuerwörter benutzt. Diese fünf Codewörter werden er­ setzt durch die Codewörter A1, B1, C1, D1 und E1 aus dem Codewortvorrat des Sprachcodierers.

Die Signalisierung für z. B. die Erkennung einer Ruf-Auslösung oder einer Weitergabe (Handover) zwischen dem Basisstations­ system BSS und der Transcodiereinheit TRAU kann durch Basis­ steuereinheit interne Signalisierung durchgeführt werden.

Bei einem Sub-Multiplexing von 16 kbit/s soll ein unten defi­ niertes Protokoll benutzt werden. Es wird wie beim Vollraten-Sprachcodierer des GSM eine Inband-Signalisierung empfohlen und diese wird über die Steuerwörter durchgeführt, die aus dem Codewortvorrat des Sprachcodierers gebildet werden. Eine Inband-Signalisierung kann deshalb durchgeführt werden, weil eine kleine Anzahl von Codewörtern aus dem Codewortvorrat des Sprachcodierers benutzt wird. Durch die Verwendung einiger Codewörter aus dem Codewortvorrat des Speech Codecs ist ge­ währleistet, daß die 16 kbit/s der Übertragungsleistung für den 16 kbit/s LD-CELP-Sprachcodierer einschließlich Signali­ sierung ausreicht.

Wenn die Transcodiereinheit TRAU und die Basisfunkstation BTS nicht am selben Ort angeordnet sind, muß die Kanalcodierein­ heit CCU der Basisfunkstation BTS die Transcodiereinheit TRAU kontrollieren und steuern. Durch die Verlagerung von fast al­ len Sprachverarbeitungsfunktionen in die Basisfunkstation BTS, welche bei GSM sich in der Transcodiereinheit TRAU be­ finden, wird die Signalisierung zwischen der Basisfunkstation BTS und der Transcodiereinheit TRAU sehr einfach. Es müssen dann nur noch durch die Basisfunkstation BTS der Start einer Verbindung und das Ende einer Verbindung der Transcodierein­ heit TRAU mitgeteilt werden.

Beim Empfang einer als ASSignment REQuest Message bezeichne­ ten Nachricht für einen 16 kbit/s LD-CELP-Sprachcodierer in der Basisstations-Steuerung BSC z. B. bei einem sogenannten Call Setup, ordnet die Basisstations-Steuerung BSC dieser Verbindung eine Transcodiereinheit TRAU zu, die zwischen der entsprechenden Basisfunkstation BTS und der Vermittlungsstel­ le MSC zu benutzen ist. Wenn die Transcodiereinheit TRAU zu­ geordnet worden ist, sendet die Basisstations-Steuerung BSC ein Kanal-Aktivierungssignal an die betreffende Basisfunksta­ tion BTS. Beim Empfang dieses Signals startet die Kanalcodie­ reinheit CCU mit dem Senden des Synchronisationswortes A4. Wenn die Transcodiereinheit TRAU diesen Rahmen empfängt, startet sie ebenfalls in Richtung der Basisfunkstation BTS mit dem Senden des Synchronisationsmusters A4. Im Anschluß des Synchronisationswortes A4 werden entweder codierte Sprachrahmen oder Leerlauf-Sprachrahmen (Codewort C) gesen­ det. Damit ist jetzt die Transcodiereinheit TRAU für den 16 kbit/s LD-CELP-Sprachcodierer aktiviert.

Die Initialisierungsphase kann seitens der Kanalcodiereinheit CCU durch einen Zeitgeber überwacht werden und zwar in der Form, daß innerhalb einer gewissen Zeit das Synchronisations­ muster A4 von der Transcodiereinheit TRAU erwartet wird. Falls es nicht vor dem Ablaufen des gesetzten Zeitgebers von der Kanalcodiereinheit CCU detektiert wird, so wird die Ba­ sis-Steuereinheit BSC von der Kanalcodiereinheit CCU bzw. der Basisfunkstation BTS aufgefordert, die Verbindung auszulösen. Ferner sendet die Kanalcodiereinheit CCU das Leerlaufmuster an die Transcodiereinheit TRAU, um ihr mitzuteilen, daß die Verbindung aufgelöst wird. Nach dem Erkennen des Leerlaufmu­ sters geht die Transcodiereinheit TRAU in den Leerlaufzustand aber.

Beim Auslösen einer Verbindung z. B. beim sogenannten Call Re­ lease wird die Verbindung zwischen der Transcodiereinheit TRAU und der Kanalcodiereinheit CCU durch die Basisstations-Steuerung BSC aufgelöst. Die Basisstations-Steuerung BSC muß anzeigen, daß die Verbindung aufzulösen ist. Zwei Möglichkei­ ten werden hierfür aufgezeigt

• 1. Auflösung durch das Synchronisationsmuster Leerlaufmuster. Die Basisstations-Steuerung BSC zeigt den Call Release der Transcodiereinheit TRAU durch das Einsetzen des Leerlaufmu­ sters an. Es handelt sich um das Muster 0101010101, das dem Codewort D (16 kbit/s) entspricht. Nach dem Erkennen des Leerlaufmusters geht die Transcodiereinheit TRAU in den Leer­ laufzustand über. Zur Sicherheit kann mit dem Erkennen ein Zeitgeber gestartet werden, mit dem Ziel, daß, wenn der Zeit­ geber abgelaufen ist und das Leerlaufmuster immer noch an­ liegt, erst die Transcodiereinheit TRAU in den Leerlaufmodus gehen soll.
• 2. Es erfolgt eine Signalisierung durch interne Signale zwi­ schen der Basisstations-Steuerung BSC und der Transcodierein­ heit TRAU.

Wenn der Teilnehmer eine Funktion "In Call Modification" wählt, d. h. eine Änderung des Dienstes anfordert, dann setzt die Kanalcodiereinheit CCU den TRAU-Rahmen Typ und den Kanal-Typ (Datenkanal) ein. Beim Empfang des von der Kanalcodier­ einheit CCU ausgesendeten TRAU-Rahmens verhält sich die Tran­ scodiereinheit TRAU wie in der GSM Rec. 08.60 beschrieben. Dies bedeutet, daß die Transcodiereinheit TRAU auch die Si­ gnalisierung nach GSM Rec. 08.60 beherrschen muß und daß sie mindestens zwischen zwei unterschiedlichen Protokollen unter­ scheiden muß und sich entsprechend den von der Kanalcodier­ einheit CCU gestellten Anforderungen zu verhalten hat. Die in Call Modifikation kann nicht nur von Sprache auf Daten ge­ schehen sondern auch von Daten auf Sprache.

Zwischen der Transcodiereinheit TRAU und der Kanalcodierein­ heit CCU erfolgt auf der Schnittstelle eine ständige Übertra­ gung. Zwischen der Transcodiereinheit TRAU und der Kanalco­ diereinheit CCU sollen alle 0.625 ms Rahmen mit jeweils 10 Bits transportiert werden. Wenn keine Sprache von der Mobil­ station MS (Aufwärtsrichtung) empfangen oder keine Sprache von der Vermittlungsstelle MSC her gesendet wird (Abwärtsrichtung), dann sollen die Leerlauf-Sprachrahmen ge­ sendet werden. Der Leerlauf-Sprachrahmen ist das Codewort C.

Wenn in der Transcodiereinheit TRAU ein Fehler erkannt wird, wie z. B. die Transcodiereinheit TRAU nicht verfügbar ist, dann soll die Transcodiereinheit TRAU der Basisfunkstation BTS dies durch das kontinuierliche Senden des Codewort es E mitteilen.

Von der Kanalcodiereinheit CCU wird beim Decodieren der Daten das Signal BFI für die empfangenen Sprachrahmen bereitge­ stellt, wenn ein fehlerhafter Rahmen erkannt wird. Weiters wird ein Signal SIDI (Silence Descriptor Indicator) von der Kanalcodiereinheit CCU bereitgestellt.

Das Signal BFI gibt an, ob der empfangene Multi-Sprachrahmen oder Teile des Multi-Sprachrahmens fehlerhaft sind. Das Si­ gnal BFI dient als Eingangsgröße für den Ersatz und die Un­ terdrückung von verlorenen Sprachrahmen. Das Signal BFI wird für nicht korrigierbare Sprachrahmen oder Multi-Sprachrahmen gesetzt. Das Signal BFI wird auch dann gesetzt, wenn empfan­ gene Multi-Sprachrahmen oder Teile des Multi-Sprachrahmens für eine Signalisierung benutzt wurden.

Das Signal SIDI gibt an, ob der empfangene Ruhezustandsrahmen SID korrekt oder fehlerhaft empfangen wurde. Das Signal SIDI dient als Eingangsgröße für den Ersatz und die Unterdrückung von verlorenen Ruhezustandsrahmen SID. Das Signal SIDI wird für nicht korrigierbare Ruhezustandsrahmen SID gesetzt. Es wird auch dann gesetzt, wenn der Ruhezustandsrahmen SID oder ein Teil des Ruhezustandsrahmens SID für eine Signalisierung benutzt wurde.

Der Ruhezustandsrahmen SID wird zum ersten Mal gesendet, wenn vom VAD-Algorithmus erkannt wurde, daß eine Sprechpause be­ ginnt. Die nächsten Ruhezustandsrahmen SID werden nur zu be­ stimmten und zwar in der Regel alle 480 ms gesendet. In Fig. 11 ist ein Ruhezustandsrahmen SID dargestellt. Er enthält vier Codewörter B und 120 Bits für Parameter zur Definition der Hintergrundgeräusches.

Ein Zeitabgleich dient dazu, die Verzögerungszeiten, die von Gespräch zu Gespräch variieren, auf ein Minimum zu beschrän­ ken. Um ein optimales Zeitverhalten zwischen der Luftschnitt­ stelle und den TRAU-Rahmen zu erreichen, sollten diese nicht synchronisiert werden. Verzögerungszeiten können durch unter­ schiedliche Prozesse entstehen, wobei einige im folgenden er­ läutert werden.

Die Basisstations-Steuerung BSC hat keine Informationen über das Zeitverhalten auf der Luftschnittstelle und die Basissta­ tions-Steuerung BSC bzw. die Transcodiereinheit TRAU wird zu einem beliebigen Zeitpunkt mit dem Senden der Sprachrahmen beginnen. Die unterschiedlichen Zeitschlitze werden zu unter­ schiedlichen Zeitpunkten gesendet. Durch unterschiedliche We­ ge im Netzwerk können zusätzliche Verzögerungen auftreten
In der Aufwärtsrichtung, d. h. in der Richtung von der Basis­ funkstation BTS zur Transcodiereinheit TRAU kann sich die Ba­ sisfunkstation BTS selbst ausrechnen, wann sie Sprachrahmen oder Ruhezustandsrahmen SID zur Transcodiereinheit TRAU ab­ senden soll.

Um ein optimales Verhalten hinsichtlich der Pufferzeit zu er­ halten, wird ein Zeitabgleich für die Abwärtsrichtung einge­ setzt. Man kann das gesamte Zeitverhalten an die Sprachdauer von 0,625 ms anpassen, nämlich dadurch, daß die Kanalcodier­ einheit CCU Sprachrahmen fortwirft, bis sie der Meinung ist, daß die zeitliche Zuordnung stimmt, und somit die Verzöge­ rungszeit in der Basisfunkstation BTS möglichst klein ist. Die Basisfunkstation BTS führt also die zeitliche Zuordnung selbständig durch. Es handelt sich um einen selbstsynchroni­ sierenden Algorithmus. Dadurch erhält man eine Genauigkeit von 0,625 ms
Die Basisfunkstation führt den Zeitabgleich selbst durch und sie sendet dabei keine Nachrichten an die Transcodiereinheit. Die Transcodiereinheit sendet dabei sowohl zum Festnetz als auch zur Basisstation hinsichtlich Sprache kontinuierlich.

Da der VAD-Algorithmus und die Geräuscheinfügung in der Ba­ sisfunkstation BTS durchgeführt wird und die TRAU-Rahmen an das zeitliche Verhalten der Luftschnittstelle angepaßt wurde, benötigt man keinen zusätzlichen Zeitabgleich für die Ruhezu­ standsrahmen SID.

Wenn die Basisfunkstation BTS ein Signal für die Kanalakti­ vierung von der Basisstations-Steuerung BSC empfängt, wird der entsprechende Kanal belegt und die Kanalcodiereinheit CCU aktiviert. Diese sendet dann das aus 40 Bits bestehende Syn­ chronisationswort A4 und anschließend Leerlauf-Sprachrahmen (Codewort C) oder von der Mobilstation MS empfangene Sprach­ rahmen. Mit dem Absenden des Synchronisationsmusters A4 kann ein Zeitgeber gestartet werden, der den Empfang des Synchro­ nisationswortes A4 von der Transcodiereinheit TRAU überwacht.

Wird das Synchronisationsmuster von der Transcodiereinheit TRAU erkannt, so sendet die Transcodiereinheit TRAU ebenfalls das Synchronisationsmuster A4. Danach sendet sie entweder co­ dierte Sprachrahmen oder Leerlauf-Sprachrahmen (Codewort C).

Bei einem internen oder externen Handover wird die gleiche Prozedur benutzt, wie bei der Aktivierung einer Basisstati­ ons-Steuerung BSC oder Basisfunkstation BTS.

Der Detektor für die Sprechaktivierung VAD ist, wie in den Fig. 12 und 13 dargestellt, in der Basisfunkstation BTS ange­ ordnet und arbeitet z. B. auf einer Basis von 10 ms. Der VAD-Algorithmus sammelt für jeweils 10 ms die von der Transcodie­ reinheit TRAU kommenden codierten Sprachrahmen SF des Sprach­ codierers SC und bildet einen aus 16 Sprachrahmen bestehenden Multi-Sprachrahmen. Dieser Multi-Sprachrahmen wird vom Detek­ tor VAD auf Sprechpausen untersucht. Wird eine Sprechpause erkannt, so werden vom Geräusch-Einfügungsalgorithmus CNT über einen Zeitraum von 10 ms die charakteristischen Parame­ ter CN des Hintergrundgeräusches berechnet und in einem Ruhe­ zustandsrahmen SID an die Kanalcodiereinheit CCU gesendet. Ein Ruhezustandsrahmen SID beginnt mit dem Synchronisations­ wort B4.

In Abwärtsrichtung wird, wie in Fig. 12 dargestellt, vom Ge­ räusch-Einfügungsalgorithmus ein Ruhezustandsrahmen SID über die Kanalcodiereinheit CCU an die Mobilstation MS gesendet. Der erste Ruhezustandsrahmen SID wird an die Mobilstation MS gesendet, sobald der VAD-Algorithmus eine Sprechpause erkannt hat. Danach nur noch in einem vorgegebenen Raster von 480 ms.

In der Aufwärtsrichtung generiert, wie es in Fig. 12 dargest­ ellt ist, das Signal SIDI während die Funktion DTX einge­ schaltet ist, aus den zur Verfügung stehenden Parametern CN1 10 Bit-Sprachrahmen, die alle 0,625 ms an die Transcodierein­ heit TRAU zum Sprachdecodierer SD gesendet werden.

Die Basisfunkstation BTS erhält von der Mobilstation MS re­ gelmäßig einen aus 16 Sprachrahmen gebildeten Multi-Sprach­ rahmen MSF. Im Falle von VAD/DTX erhält sie einen Ruhezu­ standsrahmen SID gleich nach der Sprache. Danach nur noch in einem vorgegebenen Raster von 480 ms. Wenn die Funktion DTX eingeschaltet ist, generiert der Algorithmus die Geräuschein­ fügung alle 0.625 ms 10 Bit lange Sprachrahmen, die zum Sprachdecodierer SD gesendet werden.

Der Ersatz- und Unterdrückungs-Algorithmus für fehlerbehafte­ te oder verloren gegangene Sprachrahmen ist in der Basisfunk­ station BTS lokalisiert. Die Kanalcodiereinheit CCU entwickelt das Signal BFI, das darüber Auskunft gibt, ob ein oder mehrere Sprachrahmen eines empfangenen Multi-Sprachrahmen oder der gesamte Multi-Sprachrahmen nicht korrekt empfangen wurde. Unter Ausnutzung des Signals BFI wird der entsprechen­ de Sprachrahmen oder mehrere oder der gesamte Multi-Sprach­ rahmen aus den letzten für korrekt erklärten empfangenen Sprachrahmen extrapoliert und an die Transcodiereinheit TRAU gesendet. Werden mehrere Sprachrahmen hintereinander von der Kanalcodiereinheit CCU für ungültig erklärt, so beginnt der Algorithmus mit dem Unterdrücken (Muting) und sendet entspre­ chende Sprachrahmen an die Transcodiereinheit TRAU. Nach ei­ ner vorgegebenen Zeit werden Ruherahmen von der Basisfunksta­ tion BTS bzw. auf Anforderung der Funktion Ersatz und Unter­ drückung von verlorenen Sprachrahmen an die Transcodierein­ heit TRAU gesendet, um einen niedrigen Ausgangspegel des Sprachcodierer zu erzielen. Die Ruherahmen sind vorab defi­ nierte 10 Bit Sprachrahmen. Die wesentliche Aufgabe des Er­ satz- und Unterdrückungsalgorithmus ist es, alle 0.625 ms 10 Bit-Sprachrahmen an den Sprachdecodierer zu senden.

Der Ersatz- und Unterdrückungsalgorithmus für fehlerbehaftete oder verloren gegangene Ruhezustandsrahmen SID ist in der Ba­ sisfunkstation BTS lokalisiert. Die Kanalcodiereinheit CCU entwickelt das Signal SIDI, das darüber Auskunft gibt, ob der Ruhezustandsrahmen SID korrigiert werden konnte oder nicht. Falls das Signal SIDI anzeigt, daß der empfangene Ruhezu­ standsrahmen SID nicht korrigiert werden konnte, so wird er aus den oder dem letzten für korrekt empfangenen Ruhezu­ standsrahmen SID extrapoliert. Werden mehrere Ruhezustands­ rahmen SID hintereinander von der Kanalcodiereinheit CCU für ungültig erklärt, beginnt der Algorithmus mit dem Unterdrücken und sendet entsprechende 10 Bit-Rahmen alle 0,625 ms an die Transcodiereinheit TRAU. Nach einer vorgegebenen Zeit werden Ruherahmen gesendet, um einen niedrigen Ausgangspegel des Sprachdecodierers zu erzielen. Die Ruherahmen sind 10 Bit lange Sprachrahmen. Sie werden auf Veranlassung des Ersatz- und Unterdrückungsalgorithmus gesendet. Die Ruherahmen sind eine Teilmenge aus dem Codewortvorrat des Sprachcodierers SC und können definierte Sprachrahmen sein. Die wesentliche Auf­ gabe des Ersatz- und Unterdrückungsalgorithmus ist es, alle 0,625 ms 10 Bit-Sprachrahmen an den Sprachdecodierer zu sen­ den.

Die Funktionen der bekannten Transcodiereinheit TRAU werden durch die Erfindung auf mehrere Einheiten aufgeteilt und die Transcodiereinheit TRAU selbst führt im wesentlichen nur noch die Sprachverarbeitung durch. Die übrigen Steuerungsfunktio­ nen werden von der Basisfunkstation BTS zusätzlich übernom­ men. Damit können Steuersignale eingespart werden, die für eine verbesserte Sprachübertragung verwendet werden können.

Claims (18)

1. Verfahren zum Übertragen von Sprach- und Steuersignalen in einem digitalen Funksystem, bei dem digitalisierte Sprachsi­ gnale auf der Sendeseite in einem in einer Transcodiereinheit (TRAU) vorgesehenen Sprachcodierer (SC) durch Codewörter codiert und zur Empfangsseite übertragen werden, dadurch gekennzeichnet, daß in der Transcodiereinheit (TRAU) Steuersignale erzeugt werden, die Codewörtern aus dem Codevorrat des Sprachcodie­ rers (SC) entsprechen und daß für den Fall, daß der Sprach­ codierer (SC) die Sprache durch Codewörter codieren will, von denen eines momentan für die Codierung des Steuersignals re­ serviert ist, anstelle dieses Codeworts ein Codewort über­ tragen wird, welches die Sprache nur unwesentlich verändert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die als Steuersignale vorgesehenen Codewörter beim Auf­ treten während der Codierung der Sprachsignale durch äquiva­ lente Codewörter ersetzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem das di­ gitale Funksystem mindestens eine Basisstation (BSC, BTS) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Sprachverarbeitungsfunktionen in der Basis­ station (BSC, BTS) durchgeführt werden.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedlichen Sprachcodierern zugeordnete Rahmenpro­ tokolle gewählt werden können und durch die Transcodierein­ heit (TRAU) das entsprechende Rahmenprotokoll verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmenprotokolle unterschiedliche Datenraten reali­ sieren.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung von Verzögerungszeiten ein oder mehrere Sprachrahmen (SF) verworfen werden.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Transcodiereinheit (TRAU) festgestellt wird, ob ein empfangenes Signal einem Sprachsignal oder einem Steuer­ signal zugeordnet ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Transcodiereinheit (TRAU) festgestellt wird, ob eine Mehrzahl von empfangenen Signalen Sprachsignalen oder einem Steuersignal zugeordnet ist.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es in einem Mobilfunksystem verwendet wird.

10. Anordnung zum Übertragen von Sprach- und Steuersignalen in einem digitalen Funksystem, bei dem digitalisierte Sprachsi­ gnale auf der Sendeseite in einem in einer Transcodiereinheit (TRAU) vorgesehenen Sprachcodierer (SC) durch Codewörter co­ diert und zur Empfangsseite übertragen werden, dadurch gekennzeichnet, daß in der Transcodiereinheit (TRAU) Steuersignale erzeugt werden, die Codewörtern aus dem Codevorrat des Sprachcodie­ rers (SC) entsprechen und daß für den Fall, daß der Sprach­ codierer (SC) die Sprache durch Codewörter codieren will, von denen eines momentan für die Codierung des Steuersignals re­ serviert ist, anstelle dieses Codeworts ein Codewort über­ tragen wird, welches die Sprache nur unwesentlich verändert.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Transcodiereinheit (TRAU) für weitere Sprachverarbei­ tungsfunktionen vorgesehen ist.

12. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung mindestens eine Basisstation (BSC, BTS) um­ faßt, die für weitere Sprachverarbeitungsfunktionen vorge­ sehen ist.

13. Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Transcodiereinheit (TRAU) für die Verarbeitung unter­ schiedlicher Rahmenprotokolle zur Übertragung der Sprachsig­ nale ausgebildet ist.

14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmenprotokolle unterschiedliche Datenraten reali­ sieren.

15. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bzw. 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Basisfunkstation (BTS) zur Verringerung von Verzöge­ rungszeiten einen oder mehrere Sprachrahmen (SF) verwirft.

16. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Transcodiereinheit (TRAU) eine Einheit (SD) aufweist, die feststellt, ob ein empfangenes Signal einem Sprachsignal oder einem Steuersignal zugeordnet ist.

17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit (SD) derart ausgebildet ist, daß sie auch teststellt, ob eine Mehrzahl von empfangenen Signalen Sprach­ signalen oder einem Steuersignal zugeordnet ist.

18. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß als Funksystem ein Mobilfunksystem vorgesehen ist.