FI102344B - Integroitu puheenkoodaus - Google Patents

Description

102344

Integroitu puheenkoodaus

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen järjestely matkaviestinjärjestelmien toimintojen integroimiseksi.

Kuvio 1 esittää solukkomaisesti toteutetun matkaviestinjärjestelmän 5 keksinnön kannalta oleellisia osia. Matkaviestimet MS (Mobile Station) viestivät tukiasemien BTSn (Base Transceiver Station) kanssa. Tukiasemia ohjataan tukiasemaohjaimilla BSC (Base Station Controller), jotka liittyvät transkooderien TC (Transcoder) kautta matkaviestinkeskuksiin MSC (Mobile Switching Center). Tukiasemaohjaimen BSC hallitsemaa alijärjestelmää - jo-10 hon sisältyy sen ohjaamat tukiasemat BTSn - kutsutaan yhteisesti tukiasema-alijärjestelmäksi BSS (Base Station Subsystem). Keskuksen MSC ja tukiasema-alijärjestelmän BSS välistä rajapintaa kutsutaan A-rajapinnaksi (A-interface). A-rajapinnan keskuksen MSC puoleista matkaviestinjärjestelmän osaa kutsutaan verkkoalijärjestelmäksi NSS (Network Subsystem).

15 Matkaviestinkeskus MSC huolehtii tulevien ja lähtevien puheluiden kytkennästä. Se suorittaa samantyyppisiä tehtäviä kuin yleisen puhelinverkon PSTN keskus. Näiden lisäksi se suorittaa myös ainoastaan siirtyvälle puhelu-liikenteelle ominaisia toimintoja, kuten esimerkiksi tilaajien sijainninhallintaa, yhteistyössä verkon tilaajarekisterien kanssa. GSM-järjestelmässä on tilaaja-20 rekistereinä ainakin (ei-näytetyt) kotirekisteri HLR ja vierailijarekisteri VLR.

• ; Matkaviestinkeskukset MSC liittyvät muihin verkkoihin, kuten yleiseen puhe- : linverkkoon PSTN ja/tai integroituun palveluverkkoon ISDN jne.

: : : Yllä kuvatussa tekniikan tason mukaisessa matkaviestinjärjestel- mässä puhesignaalia käsitellään ja muunnetaan esitysmuodosta toiseen use- : Γ: 25 assa eri pisteessä.

Kaiunpoistajat EC (Echo Cancellation) estävät kiinteästä puhelinver-kosta (PSTN) palautuvan kaiun välittymisen matkaviestintilaajalle. Nämä kai-unpoistajat on yleensä sijoitettu matkaviestinkeskuksessa keskuksien välisiin • · · yhdysjohtoihin.

• ♦ · 30 Transkooderit TC muuntavat puheen digitaalisesta esitysmuodosta • · v.: toiseen. Keskuksen ja transkooderin TC välinen liikenne voi olla esimerkiksi 64 kbit/s A-lain (A-law) muotoon koodattua PCM-dataa. Vaihtoehtoisesti voi-daan käyttää μ-lain mukaista koodausta. Transkooderin TC ja tukiasemaoh-jaimen BSC välinen liikenne voi olla esimerkiksi 13 kbit/s koodattua puhetta.

' ’ 35 Datalle tehtävä nopeuden sovitus suoritetaan nopeuden 64 kbit/s ja nopeuk sien 3,6; 6 tai 12 kbit/s välillä.

2 102344

Pehmeä kanavanvaihto SH (Soft Handover) yhdessä diversiteetin yhdistämisen eli makrodiversiteetin DC (Diversity Combining) kanssa voidaan toteuttaa esimerkiksi seuraavasti. Laskevan siirtotien suunnassa signaali välitetään usean tukiaseman BTS kautta matkaviestimelle ja nousevan siirtotien 5 suunnassa matkaviestimen MS signaaleja vastaanotetaan usean tukiaseman BTS kautta. Vastaanottimessa puhekehykset yhdistetään esimerkiksi siten, että eri reittejä pitkin vastaanotetuista puhekehyksistä valitaan jonkin kriteerin mukaan paras. Sopivia kriteerejä ovat esimerkiksi SINR (Signal to Interference plus Noise Ratio) ja voidaan käyttää bittivirhetiheyttä BER (Bit Error Rate). 10 Tämän toiminnon käynnistää matkapuhelinkeskus MSC (tai tukiasemaohjain BSC) havaittuaan, että matkaviestin MS on siirtynyt kahden tai useamman tukiaseman BTS yhteiselle peltoalueelle.

Kuvioon 1 katkoviivoina merkityt nuolet kuvaavat sitä, että nuolten osoittamissa pisteissä - ei välttämättä jokaisessa pisteessä - suoritetaan pro-15 sessointivaiheita, jotka liittyvät pehmeään kanavanvaihtoon SH ja makrodi-versiteettiin DC.

Yllä mainitut toimenpiteet signaalin käsittelemiseksi ja muuntamiseksi esitysmuodosta toiseen useassa järjestelmän pisteessä sisältävät run-20 säästi samankaltaista prosessointia. Ongelmaksi tällaisessa matkaviestinjärjestelmässä muodostuu se, että samankaltaisen prosessoinnin suorittaminen moneen kertaan useassa eri pisteessä lisää järjestelmän monimutkaisuutta.

: Monimutkaisuus lisääntyy mm. siksi, että järjestelmän elementeissä, joissa mainittuja prosessointivaiheita suoritetaan, tarvitaan kussakin omat signaa- : 25 liprosessorit, muistit ym. Erillisinä suoritettavat prosessointivaiheet voivat hyö- • · · dyntää vain edellisen prosessointivaiheen lopputuloksia, mutta ne eivät voi käyttää hyväkseen hyödyllisiä välituloksia. Monimutkaisuuden lisääminen .v. kasvattaa kustannuksia sekä huonontaa järjestelmän luotettavuutta.

• · · I.I Keksinnön tavoitteena on siten kehittää matkaviestinjärjestelmään *\ 30 soveltuva, yllä mainitut prosessointivaiheet käsittävä järjestely siten, että yllä • · mainitut järjestelmän monimutkaisuuteen, hintaan ja luotettavuuteen liittyvät O ongelmat saadaan ratkaistua. Keksinnön tavoitteet saavutetaan järjestelyllä, jolle on tunnusomaista se, mitä sanotaan itsenäisissä patenttivaatimuksissa. I". Keksinnön edulliset suoritusmuodot ovat epäitsenäisten patenttivaatimusten * * 35 kohteina.

Keksintö perustuu siihen, että matkaviestinjäijestelmän mahdollisimman monet prosessointivaiheet suoritetaan integroidusti, edullisesti yh- 3 102344 dessä integroidussa verkkoelementissä. Tällainen integroitu verkkoelementti voi olla erillinen yksikkö, joka verkkohierarkiassa sijaitsee kuvion 1 mukaisen transkooderin TC paikalla. Integroitu verkkoelementti voidaan fyysisesti sijoittaa myös matkapuhelinkeskukseen MSC, kuitenkin niin, että A-rajapinnan 5 mukaiset laitevalmistajien vastuualueet ovat selvästi määritellyt. Keksinnön mukaisen järjestelyn etuna tekniikan tason mukaiseen ratkaisuun nähden on yksinkertaisempi rakenne, mikä alentaa kustannuksia sekä parantaa järjestelmän luotettavuutta. Keksinnölle on ominaista pystysuora integrointi eli erilaisten toimintojen integrointi. Signaalinkäsittelykapasiteetin lisäämiseksi on 10 edullista asentaa useita signaaliprosessoreita rinnakkain. Voidaan myös asentaa rinnakkain useita keksinnön mukaisia integroituja verkkoelementtejä, joko niin, että integoidut verkkoelementit sijaitsevat samassa pisteessä tai vaihtoehtoisesti niin, että ne on yhdistetty esimerkiksi tukiasemaohjaimiin BSC. Keksinnön yhteydessä voidaan siis puhua pystysuorasta integroinnista 15 eli toimintojen integroinnista ja samanaikaisesti vaakasuorasta hajautuksesta.

Synergiaedut ovat suurimmillaaan, jos keksinnön mukainen integroitu verkkoelementti sovitetaan suorittamaan mahdollisimman moniin toimintoihin liittyviä prosessointivaiheita. Joissakin tapauksissa voi kuitenkin olla tarkoituksenmukaista jättää osa toiminnoista, kuten kaiunpoisto erillisen yksikön 20 tehtäväksi ja yhdistää muut toiminnot integroituun verkkoelementtiin, joka voi ; olla erillinen elementti tai yhdistettynä esimerkiksi tukiasemaohjaimeen BSC.

i Periaatteessa on ajateltavissa myös, että kaikki toiminnot integroi- • : daan A-rajapinnan NSS-puolelle eli keskuksen MSC puolelle. Tällainen muu- : / tos vaatii ainakin GSM-järjestelmään niin suuria muutoksia, että silloin ei voida : : 25 enää puhua GSM-järjestelmästä.

• · · • · · • · ·

Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen yhteydessä, viitaten oheisiin piirroksiin, joista: • · ·

Kuvio 1 esittää matkaviestinjärjestelmän keksinnön kannalta oleelli- • · · *. 30 siä osia; • · v.: Kuvio 2 esittää keksinnön ensisijaista suoritusmuotoa sekä keksin- nön mukaisen integroidun puheenkoodausyksikön esimerkinomaista raken-netta; Γ*. Kuvio 3 esittää vuokaaviona keksinnön mukaisen esimerkinomaisen *' * 35 integroidun puheenkoodausyksikön toimintaa.

4 102344

Viitaten kuvioon 2, transkoodaus TC, kaiunpoisto EC, pehmeä kanavanvaihto SH ja/tai makrodiversiteetti DC on integroitu verkkoelementtiin, jota kutsutaan prosessointilohkoksi ISP (Integrated Speech Processing). Lohko I/O (Input/Output) käsittää kaikki liitynnät nousevan ja laskevan siirtotien 5 suuntaan, mukaanlukien multiplekserit ja demultiplekserit, joita ei ole erikseen näytetty. Lohko I/O voi olla tavanomaista tekniikkaa. Keksinnön mukaiset toiminnot voidaan toteuttaa esimerkiksi digitaalisilla signaaliprosessoreilla DSP, jotka liittyvät väylän BUS kautta muistiin MEM. Väylä BUS on tehokkuussyistä edullisesti rinnakkainen väylä. Vaakasuoraa hajautusta varten eli 10 riittävän prosessointikapasiteetin saavuttamiseksi signaaliprosessoreita DSP on yleensä useita. Koska kaikilla signaaliprosessoreilla DSP on pääsy yhteiseen muistiin MEM, ei ole välttämätöntä suorittaa yhteen puhe- tai datayhteyteen liittyviä prosessointivaiheita samalla signaaliprosessorilla DSP vaan on mahdollista, että uusi tehtävä osoitetaan seuraavalle vapaalle prosessorille.

15 Samaan muistiin MEM voi liittyä myös puhekehysten käsittelylogiikka FPU (Frame Processing Unit), joka laitetoimittajan arkkitehtuurista riippuen voi olla langoitettua logiikkaa tai digitaalinen prosessori ohjelmistoineen. Tukipiirit SUP (Support) käsittävät kaikki prosessorien toiminnalle välttämättömät tukipiirit kuten kellot, keskeytykset, jännitteensyötön jne. Puheenkäsittely-yksikkö 20 SPU muodostuu signaaliprosessorista DSP ja sen ohjelmistosta, joka on tallennettu muistiin MEM.

Kuvion 2 mukaisessa järjestelyssä prosessointlohko ISP toteuttaa ne ' ' : tehtävät, jotka tekniikan tason mukaisesti sisältyvät toimintoihin TC, EC, SH ja DC.

25 Transkoodauksen TC perustehtävänä on muuntaa puhenäytteitä esimerkiksi A-lain mukaisesti koodattujen ja muulla tavoin koodattujen esitysmuotojen välillä.

Kaiunpoisto EC voi tapahtua esimerkiksi seuraavasti. Puhenäyte « · koodataan A-lain muotoon; näin koodattu puhe lähetetään matkapuhelinkes-30 kukseen MSC; lisäksi koodattu puhe talletetaan muistiin MEM, josta puheen- « · · *·*·* käsittely-yksikkö SPU (Speech Processing Unit) voi sen noutaa tarvittaessa; kun sama puhenäyte saapuu kaikuna matkapuhelinkeskuksen MSC suunnas-··· ta takaisin transkooderiin TC, puheenkäsittely-yksikkö SPU noutaa muistista : MEM kyseistä puhekehystä vastaavan näytteen ja poistaa näytteen perusteel- 35 la laskevan siirtotien puhekehyksestä kaiuksi todetun signaalin. Puheenkäsittely-yksikkö SPU muodostuu esimerkiksi digitaalisesta signaaliprosessorista DSP oheislaitteineen. Muisti MEM käsittää ainakin luku/kirjoitusmuistia (RAM, 5 102344

Random Access Memory), mutta se voi käsittää ohjelmiston tallentamiseksi myös lukumuistia ROM (Read Only Memory, ROM) ja/tai flash-muistia, kiintolevyn tms.

Pehmeää kanavanvaihtoa SH ja diversiteetin yhdistämistä DC var-5 ten prosessointilohkolla ISP on käytettävissään useita näytteitä, jotka ovat saapuneet vaihtoehtoisia polkuja pitkin. Kaupunkialueella, jossa häiriöitä on eniten, on myös yleensä samanaikasesti kuultavien tukiasemien määrä suurempi kuin kaupunkien ulkopuolella. Tekniikan tason mukaisesti useasta rinnakkaisesta kehyksestä valitaan tietyn kriteerin mukaan paras. Keksinnön 10 mukaisena vaihtoehtona kehysten valitsemiselle voidaan myös yhdistää osia useasta kehyksestä, jolloin yhdistämällä voidaan saada kehys, joka on parempi kuin mikään yksittäinen kehys. Useita näytteitä yhdistämällä on siten mahdollista muodostaa signaali, jonka laatu on parempi kuin sellaisen signaalin laatu, joka olisi voitu muodostaa vain yhdestä ottosignaalista.

15 Kuvio 3 esittää esimerkinomaisia prosessointivaiheita, kun kuvion 2 mukaisessa piirissä suoritetaan diversiteetin yhdistäminen DC ja kaiunpoisto EC. Kuviossa 3 indeksi i viittaa peräkkäisiin puhekehysnäytteisiin ja N rinnakkaisiin diversiteettihaaroihin. P kuvaa laskuria, jonka avulla varmistetaan, että kaikki diversiteettihaarat käsitellään. Indeksi j ja tallennetut näytteet EC liitty- : 20 vät kaiunpoistoon.

: ; Vaiheissa 302 (1...N) muodostetaan näytteet puhesignaaleista .· / 1...N. Vaiheissa 304 (1...N) näytteet talletetaan muistiin, osoitteisiin 1...N.

t I i : Vaiheissa 306 - 308 määritetään, onko kaikki rinnakkaiset prosessit käsitelty • ja jos on, vaiheessa 310 näytteet prosessoidaan signaaliprosessoreilla DSP. 25 Vaiheessa 312 palataan käsittelemään seuraava näyte.

· Prosessointivaiheen 310 mahdollinen toteutus esitetään vaiheina 320 - 336. Vaiheessa 324 luetaan muistista 1...N näyte 1...N, joka tallennet- : V: tiin vaiheessa 304. Vaiheessa 326 muodostetaan tulosinformaatio esimerkiksi • · siten, että prosessointilohkon ISP kehystenkäsittely-yksiköt FPU vastaanotta- .·. 30 vat puhekehysten vastinnäytteitä ja tallentavat ne muistiin MEM. Puheenkäsit- • · · tely-yksikkö SPU muodostaa muistiin MEM tallennetuista näytteistä A-lain (tai :···: vastaavasti μ-lain) mukaisen signaalin. Vaiheessa 328 kaikutieto EC tallete- ··· taan muistiin ja signaali lähetetään yhdysjohdolle. Vaiheessa 334 suoritetaan kaiunpoisto jollakin sopivalla algoritmilla. Vaiheessa 336 näyte lähetetään ti-35 laajalle.

Yhdistettäessä transkooderin TC ja kaiunpoistajan EC toimintoja on huomattava, että nämä toiminnot suoritetaan tavanomaisesti A-rajapinnan eri 6 102344 puolilla, eli mahdollisesti eri laitevalmistajien vastuualueilla. Lisäksi on mahdollista, että keskuksen MSC alaisuudessa yhdistetään puhelu kahden sellaisen puhelimen välillä, jotka suorittavat kaiunpoiston itsenäisesti. Tällöin kai-unpoisto tapahtuisi kahdesti, mikä saattaisi huonontaa signaalin laatua. Nämä 5 seikat voidaan ottaa huomioon sopivalla neuvottelukäytännöllä, jossa yhteys-kohtaisesti voidaan neuvotella, käytetäänkö yhteydellä esimerkiksi kaiunpois-toa vai ei.

Keksinnön mukainen puheenkoodauksen integrointi voidaan toteuttaa myös epätäydellisesti. Tällöin voidaan esimerkiksi jättää kaiunpoisto EC 10 erillisen yksikön tehtäväksi ja sovittaa integroitu verkkoelementti ISP suorittamaan muihin toimintoihin TC, SH ja DC liittyviä prosessointivaiheita. Integroitu verkkoelementti ISP voidaan toteuttaa erillisenä yksikkönä, joka signaalien kulun kannalta sijaitsee tekniikan tason mukaisen transkooderin TC paikalla. Fyysisesti integroitu verkkoelementti ISP voidaan asentaa omaksi yksikök-15 seen tai se voidaan sijoittaa samaan tilaan keskuksen MSC kanssa. Vaihtoehtoisesti integroitu verkkoelementti ISP voidaan asentaa jokaiseen tukiasemaohjaimeen BSC. Tällainen ratkaisu voi olla toivottava tilanteessa, jossa laskentatehon lisäämiseksi digitaalista prosessointia halutaan hajauttaa vaakasuuntaisesta esimerkiksi siksi, että ei voida tai ei haluta toteuttaa sellaista 20 verkkoelementtiä, joka olisi riittävän tehokas käsittelemään keskuksen MSC koko liikenteen.

Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että tekniikan kehittyessä keksinnön perusajatus voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Keksinnön ensisijaisiksi sovel-25 lusalueiksi on ajateltu ns. kolmannen sukupolven matkaviestinjärjestelmiä, :T: erityisesti CDMA-radiotekniikkaa käytettäessä, jolloin makrodiversiteetin hyö dyntäminen on luonnollista. Keksintöä voidaan kuitenkin soveltuvin osin käyt-tää olemassaolevien järjestelmien, kuten GSM/DCS -järjestelmän yhteydessä.

• ·

Keksintö ja sen suoritusmuodot eivät siten rajoitu yllä kuvattuihin esimerkkei- *·' 30 hin vaan ne voivat vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.

• · · • · · • · ··· • · • · • · ·

Claims (11)

1. Järjestely matkaviestinjärjestelmän toimintojen integroimiseksi, kun toiminnot käsittävät ainakin transkoodauksen (TC), kaiunpoiston (EC), ja 5 pehmeän kanavanvaihdon (SH), edullisesti myös diversiteetin yhdistämisen (DC), tunnettu siitä, että eri toimintojen (TC, EC, SH ja DC) prosessointiteh-tävien samankaltaisuuden hyödyntämiseksi ainakin kolmeen eri toimintoon liittyviä prosessointivaiheita suoritetaan samalla digitaalisella signaaliprosessorilla (DSP). 10

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että eri toiminnoista (TC, EC, SH ja DC) ainakin joissakin käytetään hyväksi toisten toimintojen välituloksia.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että kaikkiin toimintoihin liittyviä prosessointivaiheita (TC, EC, SH ja DC) suoritetaan samalla digitaalisella signaaliprosessorilla (DSP).

4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen järjestely, tunnettu siitä, 20 että prosessointikapasiteetin lisäämiseksi digitaalisia signaaliprosessoreita i (DSP) on asennettu useita rinnakkain ja kukin signaaliprosessori (DSP) suorit taa kaikkia järjestelyssä suoritettavia toimintoja (TC, EC, SH ja DC).

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1 - 4 mukainen järjestely, tunnettu -·' 25 siitä, että toimintoihin kuuluu pehmeä kanavanvaihto ja diversitetin yhdistämi- • · · : nen (DC) ja ainakin joidenkin puhekehysten kohdalla antosignaali muodoste taan yhdistämällä osia useasta eri polkuja pitkin saapuneesta puhekehykses- :Y: tä. • # • •I • ♦ r • « 4 t

6. Integroitu verkkoelementti (ISP) matkaviestinjärjestelmään, jonka toiminnot käsittävät ainakin transkoodauksen (TC), kaiunpoiston (EC), ja • · *·;·* pehmeän kanavanvaihdon (SH), edullisesti myös diversiteetin yhdistämisen (DC), kun verkkoelementtiin (ISP) kuuluu välineet (I/O) yhdysjohtoon liittymi- :*·.· seksi, välineet (FPU) puhekehysten käsittelemiseksi, muistia (MEM) signaali- • ♦ 35 näytteiden tallentamiseksi sekä ainakin yksi digitaalinen signaaliprosessori (DSP) tukipiirit (SUP) ja osia yhdistävä väylä (BUS), tunnettu siitä, että ainakin yksi digitaalinen signaaliprosessori (DSP) on järjestetty suorittamaan 8 102344 prosessointivaiheita jotka liittyvät ainakin kolmeen matkaviestinjärjestelmän toimintoon (TC, EC, SH ja DC).

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen integroitu verkkoelementti (ISP), 5 tunnettu siitä, että se käsittää useita digitaalisia signaaliprosessoreita (DSP), joilla on väylän (BUS) kautta yhteys yhteiseen muistiin (MEM).

7 102344 Pate ntti vaati m u kset

8. Patenttivaatimuksen 6 mukainen integroitu verkkoelementti (ISP), tunnettu siitä, että se on asennettu matkaviestinjärjestelmän matkapuhelin- 10 keskukseen (MSC).

9. Patenttivaatimuksen 6 mukainen integroitu verkkoelementti (ISP), tunnettu siitä, että se on asennettu matkaviestinjärjestelmän tukiasemaohjaimeen (BSC). 15

10. Matkaviestinjärjestelmä, tunnettu siitä, että se käsittää ainakin yhden patenttivaatimuksen 6 mukaisen integroidun verkkoelementin (ISP).

11. Matkaviestinjärjestelmä, tunnettu siitä, että se käsittää useita 20 patenttivaatimuksen 6 mukaisia integroituja verkkoelementtejä (ISP). I i i ··· • · · • · · • · • · · • · · • · • · · • · · • · · • • 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 99 9 9 9 9 999 9 4 · · • · 102344 g