DE60038545T2 - Anordnung zur verbesserung der sprachqualität für voice-over-ip-(voip)-anrufe - Google Patents

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Sprachqualität für VoIP-(IP-Telefonie-)Gesprächsverbindungen.
  • ALLGEMEINER HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Dies ist ein Vorschlag, wie die Sprachqualität für Mobilfunk-VoIP-Gesprächsverbindungen verbessert werden kann. Es ist ein bekanntes Problem, daß sich Sprache bei Mobilfunk-Gesprächsverbindungen verschlechtern kann, wenn auf dem Sprachweg zu viele Sprachcodierungen/-decodierungen durchgeführt werden.
  • Es gibt Mobilfunkstandards, die dies für Gesprächsverbindungen von MS zu MS überwinden und die als tandemfreier Betrieb (TFO) bezeichnet werden. Das japanische personenbezogene digitale zellulare (PDC-)System verwendet Mobilanwendungsteil-(MAP-)Außerbandsignalisierung, die als Codec through bezeichnet wird. Im Globalen System für Mobilfunk-Kommunikation (GSM) gibt es einen in Entwicklung befindlichen Standard, TS 04.53, während für den digitalen fortgeschrittenen Mobiltelefondienst (D-AMPS) kein TFO geplant ist.
  • Diese TFO-Standards wurden für Gesprächsverbindungen von MS zu MS entwickelt und behandeln TFO über IP nicht auf optimale Art und Weise.
  • Die hier beschriebene Lösung hat die folgenden Hauptvorteile:
    • • Verbesserte Sprachqualität für Mobilfunk-VoIP-Gesprächsverbindungen, verglichen mit gewöhnlichen Mobilfunk-Gesprächsverbindungen
    • • Die Auswirkungen sind lokal und betreffen nur die MS-IP-Seite einer MS-IP-MS-Gesprächsverbindung.
    • • Die Implementierung verwendet standardmäßige Außerbandsignalisierung Nr. 7 (ein Standard im CCITT-Signalisierungssystem) und hat geringfügige Auswirkungen auf die Mobilfunk-Vermittlungsstelle (MSC) und das Basisstationsteilsystem (BSS).
    • • Sie kann mit allen bestehenden Mobilfunk-Sprachcodecs verwendet werden, solange sie durch das IP-Netzwerk unterstützt werden, mit dem der Gateway verbunden ist.
    • • Sie vermeidet die Verwendung von Sendeempfängern im Basisstationsteilsystem.
    • • Keine Notwendigkeit von Sprachcodierung und Verwendung digitaler Signalprozessoren (DSP) im VoIP-Gateway
  • TANDEMFREIER BETRIEB (TFO) IM GSM
  • Im Fall von Gesprächsverbindungen von MS zu MS in einem Mobilfunk-Netzwerk ohne TFO wird das Sprachsignal innerhalb der ersten Mobilstation zur Übertragung über die Luftschnittstelle codiert und in der ersten Sendeempfänger- und Ratenanpassungseinheit (TRAU) umcodiert. Die Pulscodemodulations-(PCM-)Abtastwerte werden dann im festgeschalteten Teil des Netzwerks unter Verwendung von Verkehrsverbindungsstrecken für 64 kbit/s zur zweiten TRAU transportiert. Die zweite TRAU codiert das Sprachsignal ein zweites Mal zur Übertragung auf der zweiten Luftschnittstelle. Die beiden Codecs der Verbindung arbeiten im „Tandembetrieb".
  • Dieser Tandembetrieb hat mehrere Nachteile:
    • • Die zusätzliche Codierung/Decodierung verschlechtert die Sprachqualität mehr als nötig.
    • • Die Verbindungsstrecken zwischen den TRAUs benötigen 64 kbit/s, während 16 oder 8 kbit/s hinreichend wären.
    • • Die unnötige Codierung/Decodierung innerhalb der TRAUs bindet digitale Signalprozessor-(DSP-)Rechenleistung.
  • Das Europäische Institut für Telekommunikationsnormen (ETSI) arbeitet an einem Standard für TFO, TS 04.53. Dieser Standard definiert Inband-Signale zwischen TRAUs, so daß TFO nur die TRAUs betrifft und daher mit bestehender Technik voll kompatibel ist.
  • In 1 ist schematisch das Prinzip des tandemfreien Betriebs (TFO) dargestellt, und nachfolgend wird eine kurze Beschreibung dieses Prinzips gegeben.
  • TFO in GSM ist als ein Inband-Signalisierungsprotokoll zwischen zwei Sendeempfängern definiert. Er:
    • • prüft den Weg auf möglichen TFO,
    • • baut die TFO-Verbindung auf,
    • • garantiert ein schnelles Herunterschalten,
    • • unterstützt die Auflösung einer Codec-Fehlanpassung.
  • Der Standard definiert sowohl TFO-Rahmen (Sprache) als auch TFO-Nachrichten. TFO-Rahmen betreffen nur die TRAUs.
  • Für Sprachcodierung mit halber Rate (HR) beträgt die erforderliche Bandbreite 8 kbit/s unter Verwendung des niedrigstwertigen Bits (LSB) jedes PCM-Abtastwerts, und für Sprachcodierung mit voller Rate (FR) und Sprachcodierung mit verbesserter voller Rate (EFR) beträgt sie 16 kbit/s, wobei die zwei LSBs jedes PCM-Abtastwerts verwendet werden.
  • Die Sprachqualität ist für einen Gateway, der auf einer Mobilfunk-Vermittlungsstelle (MSC) beruht, von besonderer Bedeutung. Das liegt an der Anzahl der Codierungen/Decodierungen, die bei IP-gestützten Mobilfunk-Gesprächsverbindungen auftreten können.
  • Für normale Mobilfunk-Gesprächsverbindungen haben wir die beiden folgenden Szenarios (wobei GSM als Beispiel verwendet wird):
    MS → PSTN: GSM 06.10-G.711
    MS → MS: GSM 06.10-G.711-GSM 06.10
  • Wenn IP Teil eines Gesprächsverbindungszweigs ist, kann folgendes passieren, wenn GSM 06.10 als IP-Audiocodec verwendet wird:
    MS → IP → PSTN: GSM 06.10-G.711-GSM 06.10-G.711
    MS → IP → MS: GSM 06.10-G.711-GSM 06.10-G.711-GSM 06.10
  • Jede Codierung/Decodierung verschlechtert die Sprachqualität. Bei Gesprächsverbindungen von MS zu MS können wir die Qualität hören, die wir mit zwei Codierungen erhalten. Das Hinzufügen einer Codierung, was bei einer MS → IP → MS-Gesprächsverbindung der Fall wäre, wird die Sprachqualität wahrscheinlich auf ein unzulässiges Niveau verschlechtern. Eine Möglichkeit, dies zu vermeiden, besteht darin, G.711 als IP-Codec zu wählen, aber dann wird keine Verringerung der Bandbreite erzielt, was eines der Hauptziele bei der Verwendung von IP sein sollte.
  • US 5608779 , „Method for communications between mobile units using single and multiple switching center configurations" betrifft die Ermittlung von Gesprächsverbindungen von Mobilfunkgerät zu Mobilfunkgerät durch Kommunikationssysteme. Wenn bestimmt wird, daß eine Gesprächsverbindung von Mobilfunkgerät zu Mobilfunkgerät geht, weist das System Sendeempfänger an, in einem transparenten Modus zu arbeiten, damit die komprimierte digitale Sprache diese als mit Stopfbits versehene komprimierte digitale Sprache durchlaufen kann.
  • AUFGABEN DER ERFINDUNG
  • Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Sprachqualität für Mobilfunk-VoIP-Gesprächsverbindungen zu verbessern, indem die Codierung/Decodierung auf ein Minimum verringert wird, um dadurch eine Verschlechterung der Sprachqualität zu vermeiden.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, außerdem die Bandbreite zu verringern, vor allem, wenn IP verwendet wird.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den zugeordneten Gateway (GW) anzupassen, damit er mit dieser Optimierung harmoniert.
  • KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die oben erwähnten Aufgaben werden durch ein Verfahren erfüllt, wie es im Oberbegriff dargelegt ist, der gemäß der vorliegenden Erfindung durch die Merkmale gekennzeichnet ist, wie sie in den beigefügten Patentansprüchen dargelegt sind.
  • Mit anderen Worten, die vorliegende Erfindung schlägt vor, entweder die TRAU in einen transparenten Modus zu versetzen oder zu ermöglichen, daß die TRAU bei einer Mobilfunk-IP-Telefonie-Gesprächsverbindung gänzlich umgangen wird, wenn dies durch den VoIP-Gateway akzeptiert wird.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nicht nur anhand der beigefügten Patentansprüche deutlich, sondern auch anhand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Darstellung, die das Prinzip des tandemfreien Betriebs (TFO) veranschaulicht.
  • 2 ist eine graphische Darstellung, welche die Signalisierungssequenzen für TFO über IP veranschaulicht.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 1 ist eine schematische Darstellung, die das Prinzip des tandemfreien Betriebs veranschaulicht, und dieses Prinzip ist auf den vorigen Seiten bereits erläutert worden.
  • In 2 werden Signalisierungssequenzen für TFO über IP schematisch dargestellt, wobei diese Signalisierungssequenzen eine von mehreren Ausführungsformen veranschaulichen, in der die Grundidee der vorliegenden Erfindung implementiert worden ist.
  • Nachstehend wird eine ausführlichere Beschreibung gegeben, wie diese Ausführungsform implementiert werden kann.
  • TFO ÜBER IP
  • Die Grundidee der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß in der TRAU keine Codierung vorgenommen wird. Die TRAU kann entweder in einen transparente Modus versetzt werden, oder sie wird gänzlich umgangen.
  • Die MS codiert die Sprache entweder in Sprachcodierung mit halber Rate (HR), Sprachcodierung mit voller Rate (FR) oder Sprachcodierung mit verbesserter voller Rate (EFR), und die Sprach-Abtastwerte werden direkt zum IP-Netzwerk übertragen, wo sie zu Echtzeittransferprotokoll-(RTP-) oder Benutzerdatagramm-(UDP-)Paketen zusammengestellt werden. Für HR wird das LSB-Bit in PCM verwendet und für FR und EFR werden die zwei LSB-Bits in PCM verwendet.
  • Der VoIP-GW hat eine gewisse Fehlerverschleierung durchzuführen. Dies ist freilich eine normale Funktion eines VoIP-Gateways.
  • Vorzugsweise kann dies durch eine standardmäßige Signalisierung Nr. 7 unter Verwendung von standardmäßigen Parametern bewältigt werden, möglicherweise unter Verwendung von Reservefeldern.
  • Auf der DTAP/BSSMAP-Seite wird das BC-(Übermittlungseigenschafts-)Feld verwendet, das durch die Mobilfunk-Vermittlungsstelle (MSC) gelesen und auf dem ISUP zum VoIP-Gateway dem Benutzerdienstinformations-(USI-)Feld transparent zugeordnet wird. BC umfaßt zwei Felder zur Aushandlung während des Gesprächsverbindungsaufbaus. Wenn der GW die bevorzugte BC nicht unterstützt, wird der Vorgabewert angewendet.
  • Das bevorzugte Feld könnte „TFO erwünscht" und das Vorgabefeld „kein TFO" enthalten. In der BC könnten zwei Reservebits im Oktett 3a angewendet werden.
  • Der VoIP-Gateway muß die endgültige Entscheidung darüber haben, welcher Codec zu verwenden ist, da er die richtigen TRAU-Rahmen ins Ziel führen muß, wenn TFO aktiv ist.
  • Für eine abgehende Gesprächsverbindung, die TFO verwendet, könnten wir das folgende Szenario haben:
    • 1. Der Teilnehmer wählt eine Vorwahl für die Zielnummer, um anzugeben, daß er wünscht, daß die Gesprächsverbindung über ein IP-Netzwerk weitergeleitet wird.
    • 2. Nach Analysen der Nummer des B-Teilnehmers modifiziert die MSC die BC beim Verbindungsaufbau. Die BC enthält zwei BC-Felder, eines für das Herunterschalten und eines für bevorzugten Betrieb. Die BC für bevorzugten Betrieb ist mit „TFO erwünscht" und dem Codec-Typ codiert.
    • 3. Die MSC überträgt die modifizierten BC-Felder auf das USI-Feld in der abgehenden IAM zum VoIP-Gateway. Der Gateway entscheidet nun, ob TFO oder nicht, und liest den Codec-Typ. Die Antwort wird in der ACM-Nachricht zurück an die MSC übermittelt.
    • 4. Die MSC verwendet eine Zuweisungsanforderung, um die erwünschten Funkressourcen vom BSC anzufordern. Information, die TFO erfordert, könnte in Feldern wie etwa Kanaltyp, Classmark oder anderen codiert sein.
    • 5. Wenn TFO durch den BSC unterstützt werden kann, wird dies in einer Nachricht „Zuweisung abgeschlossen" zurück an die MSC bestätigt. Der BSC versetzt die TRAU entweder in den transparenten Modus oder in den Umgehungsmodus. Das hier gewählte Verfahren ist nur von lokaler (BSC-)Bedeutung.
    • 6. Die MSC setzt den Gesprächsverbindungsaufbau mit den relevanten DTAP-Nachrichten fort.
    • 7. Wenn TFO durch den VoIP-Gateway nicht akzeptiert wurde, wird die Gesprächsverbindung wie eine „kein TFO"-Gesprächsverbindung behandelt.
  • Man beachte:
    • • In diesem Szenario wird im Fall von TFO der Codec-Typ durch den Gateway entschieden.
    • • Ein Herunterschalten vom TFO während der Sprache wird in einer Basisimplementierung nicht für nötig gehalten.
  • Für ankommende TFO-Gesprächsverbindungen gilt ein umgekehrtes Szenario. Falls TFO nicht durch den BSC unterstützt wird oder die MS den ankommenden IP-Codec nicht unterstützt, muß der VoIP-Gateway ein Herunterschalten auf G.711-Sprache unterstützen.
  • ABKÜRZUNGEN
    • ACM
      Adresse-vollständig-Nachricht
      BSC
      Basisvermittlungsstelle
      BC
      Übermittlungseigenschaft
      BSS
      Basisstationsteilsystem
      D-AMPS
      digitaler fortgeschrittener Mobiltelefondienst
      DSP
      digitaler Signalprozessor
      DTAP
      Direkttransfer-Anwendungsteil
      ETSI
      europäisches Institut für Telekommunikationsnormen
      EFR
      Sprachcodierung mit verbesserter voller Rate
      FR
      Sprachcodierung mit voller Rate
      GSM
      Globales System für Mobilfunk-Kommunikation
      GW
      Gateway
      HR
      Sprachcodierung mit halber Rate
      IAM
      Wählinformationseinleitungsnachricht
      IP
      Internetprotokoll
      ISUP
      ISDN-Nutzerteil
      LSB
      niedrigstwertiges Bit
      MAP
      Mobilanwendungsteil
      MS
      Mobilstation
      MSC
      Mobilfunk-Vermittlungsstelle
      PCM
      Pulscodemodulation
      PDC
      personenbezogenes digitales zellulares System
      PSTN
      öffentliches Telefonwählnetz
      RTP
      Echtzeittransferprotokoll
      SPE
      Sprachcodierungsentzerrung
      SPD
      Sprachdecodierungsentzerrung
      TFO
      tandemfreier Betrieb
      TRAU
      Sendeempfänger- und Ratenanpassungseinheit
      UDP
      Benutzerdatagramm
      USI
      Benutzerdienstinformation
      VoIP
      IP-Telefonie
      ITU
      (Internationale Fernmeldeunion, Genf, Schweiz), früher das CCITT (Konsultationskomitee für internationale Telefonie und Telegraphie), ist eine 1865 gegründete internationale Organisation mit dem Hauptsitz in Genf, die Kommunikationsnormen festlegt.

Claims (3)

  1. Verfahren zur Verbesserung der Sprachqualität für eine Gesprächsverbindung in einem IP-Telefonie-Mobilfunknetzwerk, VoIP-Netzwerk, wobei das Verfahren durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist: – Senden einer ersten verbindungsaufbautypischen Nachricht von einer rufenden Mobilstation MS an eine Mobilfunk-Vermittlungsstelle MSC, wobei die Verbindungsaufbaunachricht einen Trägereigenschaftsparameter aufweist; – Durchführen einer Analyse der gerufenen Nummer durch die MSC, um einen VoIP-Gateway für die Rufweglenkung zu bestimmen; – Bestimmen durch die MSC, ob für die Gesprächsverbindung tandemfreier Betrieb TFO erwünscht ist; – Senden einer zweiten verbindungsaufbautypischen Nachricht von der MSC an den bestimmten VoIP-Gateway, wobei die zweite verbindungsaufbautypische Nachricht ein Trägereigenschaftsfeld aufweist, das in einem Teilnehmerdienst-Informationsfeld abgebildet und in ein bevorzugtes Feld und ein Vorgabefeld unterteilt ist, wobei die MSC das bevorzugte Feld setzt und einen Codec-Typ einfügt, der durch die rufende MS genutzt wird, wenn TFO erwünscht ist, und wobei die MSC das Vorgabefeld setzt, wenn TFO nicht erwünscht ist; – Bestimmen im VoIP-Gateway, ob TFO genutzt werden soll oder nicht; – Senden einer Antwortnachricht vom VoIP-Gateway an die MSC mit der Angabe, ob TFO genutzt wird; – durch die MSC erfolgendes Anfordern erforderlicher Funkressourcen von einem Basisstationscontroller BSC, der die rufende MS versorgt, wobei der BSC eine Sendeempfänger- und Ratenanpassungseinheit TRAU aufweist, die ein codiertes Sprachsignal von der rufenden MS umcodiert, wenn TFO nicht genutzt wird; – Benachrichtigen des BSC, ob TFO genutzt wird; Abschließen des Verbindungsaufbaus; – Übertragen des codierten Sprachsignals von der rufenden MS an den BSC; – wenn TFO nicht genutzt wird, Umcodieren des codierten Sprachsignals von der rufenden MS in der TRAU vor dem Senden des Signals vom BSC an die MSC, wobei das codierte Sprachsignal zum VoIP-Gateway übertragen wird, wo das Signal zu Paketen zusammengestellt wird; und – wenn TFO genutzt wird, Umgehen der TRAU und Senden des codierten Sprachsignals vom BSC an die MSC ohne Umcodierung, wobei das codierte Sprachsignal zum VoIP-Gateway übertragen wird, wo das Signal zu Paketen zusammengestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei – der Schritt des Übertragens des codierten Sprachsignals von der rufenden MS an den BSC den folgenden Schritt aufweist: Codieren des Sprachsignals in der MS entweder in Sprachcodierung mit halber Rate HR, Sprachcodierung mit voller Rate FR oder verbesserter Sprachcodierung mit voller Rate EFR, und wobei – das codierte Sprachsignal im VoIP-Gateway zu Echtzeitübertragungsprotokoll-, RTP- bzw. Benutzerdatagrammprotokoll-, UDP-Paketen zusammengestellt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, ferner den folgenden Schritt umfassend: Durchführen einer Fehlerverschleierung im VoIP-Gateway unter Nutzung von Reservefeldern in Nachrichtenparametern des Signalisierungssystems 7 SS7.
DE60038545T 1999-03-10 2000-02-25 Anordnung zur verbesserung der sprachqualität für voice-over-ip-(voip)-anrufe Expired - Lifetime DE60038545T2 (de)

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