FI103456B - Puheen siirto pakettiverkossa - Google Patents

Description

103456

Puheen siirto pakettiverkossa

Keksinnön kohteena on puheen siirto pakettiverkossa ja erityisesti siirto digitaalisen matkaviestinverkon transkooderin ja tukiaseman välillä.

5 Keksintö selostetaan puheen käsittelyn ja puhekehysten yhteydes sä, mutta samaa tekniikkaa voidaan soveltaa myös musiikki-ja videosignaalin siirtämiseen. Yhteistä tällaisille signaaleille on, että signaalinäytteet on joh-• dettava dekooderille isokroonisesti, eli oleellisesti samansuuruisin välein, kuin näytteet on kooderissa muodostettu.

10 Digitaalisessa matkapuhelinjärjestelmässä puhesignaali koodataan jollakin tavalla ennen kanavakoodausta ja lähettämistä radiotielle. Esimerkiksi GSM-järjestelmän tapauksessa digitalisoitua puhetta käsitellään kehyksittäin noin 20 ms pituisissa ajanjaksoissa erilaisia menetelmiä käyttäen niin, että tuloksena on puhetta kuvaava parametrijoukko kehystä kohden. Tämä infor-15 maatio eli parametrijoukko kanavakoodataan ja lähetetään siirtotielle. Käytettyjä puheenkoodausalgoritmeja ovat RPE-LTP (Regular Pulse Excitation LPC with Long Term Prediction) ja erilaiset koodiherätteiset algoritmit CELP (Code Excited Linear Prediction), joista mainittakoon VSELP (Vector-Sum Excited Linear Prediction).

20 Varsinaisen koodauksen lisäksi on digitaaliseen puheenkäsitte lyyn sisäänrakennettu myös seuraavat toiminnot: a) lähetinpuolella puheakti-viteetin tunnistus VAD (Voice Activity Detection), jolla voidaan ohjata lähetintä päälle vain silloin, kun on puhetta lähetettävänä (Discontinuous Transmission, DTX), b) lähetinpuolella taustakohinan evaluointi ja niitä vastaavien paramet-25 rien luonti ja vastaanottopuolella kohinan (Comfort Noise) generointi dekoode-rissa parametreista ja c) akustisen kierron esto. Kohina saa katkoksen aikana yhteyden kuulostamaan miellyttävämmältä kuin absoluuttinen hiljaisuus.

Tunnetussa GSM-matkapuhelinjärjestelmässä puhekooderin otto on joko verkon puolelta tulevaa 13 bittistä PCM-signaalia tai matkaviestimen 30 audio-osasta tulevaa A/D-muunnettua 13 bittistä PCM:ää. Kooderin annosta saatava puhekehys on kestoltaan 20 ms ja käsittää 260 audiobittiä, jotka on muodostettu koodaamalla 160 kpl PCM-koodattua puhenäytettä. Puhekehyk-sen parametreista puheaktiivisuuden tunnistin (Voice Activity Detector, VAD) määrittelee, sisältääkö kehys puhetta vai ei. Jos tunnistetaan puhetta, ovat 35 radiotielle ns. liikennekehyksinä johdettavat kehykset puhekehyksiä. Puhe-purskeen jälkeen ja tietyin väliajoin myös VAD:in ilmaisemien puhetaukojen aikana ovat liikennekehykset kohinaparametreja sisältäviä SID-kehyksiä 2 103456 (Silence Descriptor), jolloin vastaanotin voi myös taukojen aikana generoida näistä parametreista alkuperäisen kaltaista kohinaa.

Liikennekehys sisältää siten 260 bittisen puheblokin, joka edustaa 20 ms koodattua puhetta/dataa tai kohinaa. Lisäksi kehyksessä on kehys-5 synkronointiin, puheen ja datan indikoimiseen, ajoitukseen ja muuhun informaatioon käytettävissä 56 bittiä, joten liikennekehyksen kokonaispituus on 316 bittiä. Nousevan ja laskevan siirtotien liikennekehykset eroavat hieman toisistaan mainittujen 56 bitin osalta.

Viitataan kuvioon 1, joka esittää pelkistettynä nykyistä GSM-verkkoa 10 transmission kannalta. Verkkoalijärjestelmä (Network Subsystem) käsittää matkapuhelinkeskuksen, jonka järjestelmärajapinnan kautta matkapuhelinverkko kytkeytyy muihin verkkoihin kuten yleiseen valintaiseen puhelinverkkoon PSTN (Public Switched Telephone Network). A-rajapinnan kautta verkkoalijärjestelmä NSS liittyy tukiasemajärjestelmään BSS (Base Station Sub-15 system), joka käsittää tukiasemaohjaimia BSC ja siihen liitettyjä tukiasemia BTS. Tukiasemaohjaimen ja siihen liitettyjen tukiasemien välinen rajapinta on A-bis -rajapinta. Tukiasemat puolestaan ovat radioyhteydessä matkaviestimiin radiorajapinnan kautta. Edellä selostettu liikennekehyksiä muodostava yksikkö TRAU on kuviossa sijoitettu tukiasemaohjaimen yhteyteen mutta se voi 20 myös sijaita esimerkiksi matkapuhelinkeskuksen yhteydessä.

Matkaviestinkeskusta MSC esittää pelkistetysti kuvio 2. Matkapuhelinkeskuksen tehtäviin kuuluu puhelunohjauksen lisäksi tukiasemajärjestelmän BSS ohjaus. Kytkentämatriisin tehtävänä on valita, kytkeä ja erottaa sen kautta kulkevat puhe/data- ja signalointitiet halutulla tavalla. Kytkentämatriisi 25 kytkee siten oman osansa matkaviestintilaajan ja muun verkon tilaajan välisestä yhteydestä tai kahden matkaviestintilaajan välisestä yhteydestä. Verk-kosovituksen IWF (Interworking Function) 1 tehtävä on sovittaa GSM-verkko muihin verkkoihin. A-rajapinnan yli tukiasemaohjaimeen johtava PCM-runkojohto on liitetty vaihdejärjestelmään terminaalipiirillä "trunk interface" 3, 30 joten keskuksen ja tukiasemaohjaimen BSC välillä kerroksen 1 (layer 1) fyysinen liitäntä on 2 Mbit/s johto eli 32 kpl 64 kbit/s aikavälejä (= 2048 kbit/s). Signalointiterminaali 4 suorittaa CCITT No:7 suosituksen mukaisen signaloinnin.

Kuviossa 1 viitenumerolla 14 esitetyn tukiasemaohjaimen BSC teh-35 täviin kuuluu sen ja matkaviestimen välisen kanavan valinta, linkin ohjaus sekä kanavan vapautus. Se suorittaa mapituksen radiokanavasta tukiaseman ja tukiasemaohjaimen välisen yhdysjohdon PCM-aikavälin kanavalle. Kuviossa 3 3 103456 pelkistetysti kuvattu tukiasemaohjain BSC käsittää terminaalipiirit "trunk interface" 31 ja 32, joilla se on toisaalta liitetty matkapuhelinkeskukseen A-rajapinnan yli ja toisaalta tukiasemiin A-bis -rajapinnan yli. Transkooderi- ja nopeudensovitusyksikkö TRAU (Transcoder and Rate Adaptation Unit) on osa 5 tukiasemajärjestelmää BSS ja voi sijaita tukiaseman ohjaimen yhteydessä BSC kuten tässä kuviossa on esitetty tai myös esim. matkapuhelinkeskuksen yhteydessä. Transkooderit muuntavat puheen digitaalisesta formaatista toiseen, esim. muuntavat A-rajapinnan yli keskuksesta tulevaa 64 kbit/s A-law PCM:ää tukiasemajohdolle vietäväksi 13 kbit/s koodatuksi puheeksi ja päin-10 vastoin. Datalle tehtävä nopeuden sovitus suoritetaan nopeuden 64 kbit/s ja nopeuksien 3.6, 6 tai 12 kbit/s välillä.

Tukiasemaohjain BSC konfiguroi, allokoi ja valvoo tukiasemaan päin olevia 64 kbit/s piirejä. Se ohjaa PCM-signaiointilinkin kautta myös tukiaseman kytkentäpiirejä mahdollistaen näin 64 kbit/s piirien tehokkaan käytön 15 ts. tukiasemalla oleva kytkin, jota tukiasemaohjain ohjaa, kytkee lähe-tin/vastaanottimet PCM-linkkeihin. Mainittu kytkin toimii siten drop/insert- eli add/drop -multiplekserinä, joka tiputtaa PCM-aikavälin datan lähettimelle tai lisää vastaanottoaikavälin datan PCM-aikaväliin tai linkittää PCM-aikavälin eteenpäin muille tukiasemille. Tukiasemaohjain siten pystyttää ja vapauttaa 20 yhteydet matkaviestimeen. Tukiasemilta tulevien yhteyksien multipleksoimi-nen A-rajapinnan ylittävälle PCM-johdolle tai -johdoille samoin kuin päinvastainen toimenpide suoritetaan kytkentämatriisissa 33.

Tukiaseman BTS ja tukiasemaohjaimen BSC välillä kerroksen 1 (layer 1) fyysinen liitäntä on 2 Mbit/s johto eli 32 kpl 64 kbit/s aikavälejä (= 25 2048 kbit/s). Tukiasema on täysin tukiasemaohjaimen BSC:n kontrollissa ja sisältää pääasiassa lähetin/vastaanottimia TRX, jotka toteuttavat radiorajapinnan matkaviestimeen päin. Neljä radiorajapinnan kautta tulevaa täyden nopeuden liikennekanavaa voidaan multipleksata yhteen tukiasemaohjaimen ja tukiaseman väliseen 64 kbit/s PCM-kanavaan, jolloin yhden pu-30 he/datakanavan nopeus tällä välillä on 16 kbit/s. Siten yksi 64 kbit/s PCM-linkki voi siirtää neljä puhe/data -yhteyttä.

Kuviossa 1 on kuvattuna GSM:ssä käytetyt siirtonopeudet kanavaa kohti. Matkaviestin lähettää puhe- tai data-informaatiota radiorajapinnan yli radiokanavalla liikennekehyksinä. Tukiasema 13 vastaanottaa informaation ja 35 siirtää sen PCM-johdon 64 kbit/s aikaväliin. Samaan aikaväliin ts. kanavaan sijoitetaan myös saman kantoaallon kolme muuta liikennekanavaa, joten siirtonopeus yhteyttä kohti on 16 kbit/s. Tukiasemaohjaimessa 14 transkoode- 4 103456 ri/nopeudensovitusyksikkö TRAU konvertoi koodatun digitaali-informaation nopeuden 16 kbit/s nopeudelle 64 kbit/s ja tällä nopeudella data siirretään matkapuhelinkeskukseen, jonka jälkeen mahdollisesti tarvittavan moduloinnin ja nopeudenmuunnoksen jälkeen informaatio siirretään johonkin muuhun 5 verkkoon.

Edeltävän selostuksen mukaisesti tukiasemaohjain valitsee piirit, joilla yhteys muodostuu sen ja tukiaseman lähetin/vastaanottimien välille. Radiokanavalla (TDMA-aikaväli) ja tukiaseman ja tukiasemaohjaimen välisen johdon PCM-aikavälillä on yhteyden aikana yksi-yhteen vastaavuus, ts. up-10 link-suunnassa tietyn kantoaallon tietyn aikavälin informaatio sijoitetaan aina samaan 16 kbit/s PCM-kanavaan ja vastaavasti downlink-suunnassa tämän PCM-kanavan informaatio siirretään aina samaan TDMA-aikaväliin. Tukiasemaohjain signaloi tukiasemalle, minkä TDMA-aikavälin tukiaseman on sidottava mihinkin PCM-kanavaan. Siten tukiasemaohjain yksin määrää kanavan A-15 bis ja radiorajapinnan läpi aina matkaviestimeen asti. Kun tukiasema on varannut kanavan matkaviestimelle asti, valitsee matkapuhelinkeskus 15 piirit, joilla yhteys matkapuhelinkeskuksen ja tukiasemaohjaimen/TRAU välillä syntyy, ts. keskuksen ja tukiasemaohjaimen A-rajapintaa päin olevat piirit. Lopuksi kytketään syntyneet linkit toisiinsa.

20 Sekä kapeakaistaisten että laajakaistaisten sovellusten yhdistelmiin kuin myös pakettien ja signaloinnin siirtoon on esitetty tiedonsiirtostandardi ATM (Asynchronous Transfer Mode). Se on yhteydellinen (connection-oriented) pakettikytkentätekniikka, jonka kansainvälinen telealan standardointijärjestö ITU-T on valinnut laajakaistaisen monipalveluverkon (B-ISDN) to-25 teutustekniikaksi. ATM:ssä data pakataan kehyksiin, jotka muodostuvat useista vakiopituisista paketeista, joita kutsutaan soluiksi. Solun pituus on 53 tavua ja solu käsittää 5 tavun mittaisen otsakkeen ja hyötykuormalle on varattu 48 tavua. Kun ATM-solut lähetetään, kukin solu voidaan sen otsakkeen perusteella osoittaa eri paikkaan.

30 ATM-tekniikka sopii parhaiten käytettäväksi laajakaistaverkoissa, etenkin kuituoptiikkaa käyttävissä siirtoverkoissa. On siten todennäköistä, että matkaviestinverkossa nykyiset 2 Mbit/s PCM-tekniikka käyttävät runkojohdot, jotka matkapuhelinoperaattori on usein on vuokrannut muulta teleoperaattorilta, korvataan ATM-tekniikalla. Näin on toimittava etenkin silloin, jos radiotien 35 siirtokapasiteettia kasvatetaan niin paljon, että nykyinen PCM-yhteys ei enää riitä. Tällöin matkaviestinverkon tiedonsiirtokapasiteetti ja nopeus kasvaisivat 5 103456 huomattavasti. On myös mahdollista, että tiloissa, joihin uusi tukiasema sijoitetaan, on jo olemasa ATM-liitäntä, jolloin olisi houkutelevaa käyttää sitä.

Ongelmaksi on noussut puheen siirto ATM-soluissa. Nykyisissä piirikytkentäisissä yhteyksissä on puheen siirto hyvin nopeaa eivätkä viiveet ai-5 heuta juurikaan ongelmia. Sen sijaan tällä hetkellä on noussut ongelmaksi kuinka hallita siirtoviiveet, kun ATM-tekniikalla siirretään mistä tahansa useista ottokohdista verkkoon tulevat lukuisat äänisignaalit mihin tahansa verkon lukuisista antokohdista. Erityisesti ongelma on se, kuinka siirretään PCM-koodatuiksi muunnettuja ja PCM-laitteissa multipleksattuja äänisignaaleja ver-10 kon solmujen välillä ja verkon yli, joka verkko sisältää ATM-siirtolaitteita ja keskuksia.

Mainitun ongelman ratkaisuksi on esitetty ainakin a) mikrosolujen käyttö, b) solujen vajaatäyttö ja c) piirikytkennän emulointi. Mikrosoluja käytettäessä yhden ATM-solun kuljetettavaksi multipleksoidaan useita puhekana-15 via. Mikrosolutekniikan haittana on, ettei ATM-solu ole enää kytkennän perusyksikkö, jolloin ei voida käyttää tavanomaisia ATM-kytkentälaitteita kytkemään puhekanavia vaan tarvitaan erityisiä järjestelyjä ja laitteita purkamaan puhekanavat mikrosolujen sisältä. ATM-solujen vajaatäytössä jätetään solun hyötykuorma vajaaksi. Tämä on kapasiteetin vajaakäyttöä mutta näin on pakko 20 tehdä, jos halutaan välttää viiveet. Piirikytkennän emuloinnissa siirretään 2 Mbit/s PCM-johdolla liikkuva informaatio transparentisti yhdessä ATM-soluvuossa. Tämän menettelyn haittana on, että siirtokapasiteetti varataan aina riippumatta siitä onko välitettäviä puheluita vai ei, joten tyhjien solujen lähettämistä ei voida välttää. Toinen haitta on se, että yhteyden point-to-point 25 luonteen puhekanavia ei voida kytkeä ATM-laitteilla verkon sisällä eri suuntiin.

Patenttihakemuksessa WO 94/11975 on esitetty menetelmä, tietoliikenneverkko ja kytkentäjärjestelmä useiden PCM-koodattujen puhekanavien siirtämiseksi ATM-verkon läpi. Menetelmä sisältää em. kohtien a ja c mukaisia piirteitä. Hakemuksen mukaan useita samaan ATM-verkon ulostulosolmuun 30 osoitettuja puhekanavia pakataan yhteen ATM-soluun, jolloin ääni ja kapeakaistaiset datakanavat siirretään tällaisissa soluissa, joita siirretään toistono-peudella, joka on sama tai kokonaislukuosa ääntä sisältävän PCM-signaalin toistonopeudesta. Solut siirretään verkkoon tulosolmun ja sieltä lähtösolmun välillä vakionopeuksisten pysyvien virtuaalipiirien kautta. Kun liikenteessä ei 35 ole suuria muutoksia jotta tarvitsisi lisätä pysyviä virtuaalisia polkuja kahden solmun väliin tai poistaa niitä, suorittaa kytkentäjärjestelmä yksikertaisen toiminnon: reitittää tulokohdassa oleva 125 mikrosekunnin kestoinen yhteen 6 103456 ATM-soluun sijoitettu PCM-näytteiden kehys verkon läpi lähtösolmuun ts. soluja lähetetään 125 millisekunnin välein. Yksi PCM-näyte käsittää yhden tavun, joten yhdessä solussa voidaan siten siirtää maksimissaan 48 puhekanavaa. Jos PCM-kanavan kapasiteetti on enemmän kuin 64 kbit/s, esim. 384 5 kbit/s, käytetään solusta enemmän tavuja yhdelle kanavalle, käytetään esim. 6 tavua.

Edellä selostetuista menetelmistä yksikään ei sovellu sellaisenaan korvattaessa tukiaseman ja TRAU-yksikön välinen PCM-kanavan ääni-informaation siirto ATM-yhteydellä siten, että puheinformaatio voidaan halut-10 taessa siirtää suoraan tukiasemalta toiselle yhteyden kulkematta TRAU-yksikön tai matkapuhelinkeskuksen kautta kuten nykyisessä GSM-järjestelmässä.

GSM-järjestelmän täyden nopeuden puhekehys on 316 bittiä. Tämä on n. 85% ATM-solun hyötykuorman pituudesta (47 - 48 tavua eli 376 - 384 15 bittiä). Voitaisiin ajatella, että yksi puhekehys pakataan yhteen ATM-soluun, jolloin maksimaalisesta kaistaleveydestä menetettäisiin noin 15%. Tehokkuus on kuitenkin paljon huonompi silloin, kun ATM-soluun pakataan esimerkiksi puolen nopeuden puhekehyksiä. Menetelmää ei voi lainkaan käyttää, jos pu-hekehyksen pituus ylittää pakettiverkon solun hyötykuorman pituuden.

20 Toinen mahdollinen pakettiverkko, jossa keksinnön mukaista mene telmää voidaan soveltaa, on Internet. Internet-paketin pituus on vaihteleva, mutta kaistaleveyden kannalta ei ole tehokasta lähettää jokaista liikenneke-hystä omana pakettinaan.

Tämän keksinnön tavoitteena on siten menetelmä, jolla pakettiver-25 kossa, kuten ATM- tai Internet- verkossa voidaan siirtää puhetta, joka käsittää puhekooderin PCM-koodatusta puhesignaalista tuottamia puhekehyksiä, ilman haitallista viivettä ja mahdollisimman hyvällä kaistaleveyden hyötykäytöllä ja siten että puhesignaalin tapauksessa äänen laatu säilyy mahdollisimman hyvänä. Toisena tavoitteena on, että menetelmää voidaan käyttää myös 30 musiikki- ja videonäytteiden välittämiseen. Lisäksi keksinnön tavoitteena on menetelmä, jolla matkapuhelinjärjestelmässä voidaan tehokkaasti siirtää pa-kettimuodossa hyvälaatuista puhe/audio/videosignaalia tukiaseman ja TRAU-yksikön tai kahden tukiaseman välillä.

Keksinnön tavoite saavutetaan menetelmällä, jolle on tunnusomaista 35 se, mitä sanotaan patenttivaatimuksessa 1. Keksinnön edulliset suoritusmuodot ovat epäitsenäisten patenttivaatimusten kohteena.

7 103456

Keksintö perustuu siihen, että pakettiverkon kehysten hyötykuorma täytetään mahdollisimman täyteen, jolloin osa puhekehyksistä joudutaan jakamaan kahteen peräkkäiseen pakettiverkon kehykseen.

Digitalisoitu puhesignaali muunnetaan kehyksittäin puhekooderissa • 5 parametrijoukoksi, joka sijoitetaan liikennekehykseen. Liikennekehys voi olla puhekehys sellaisenaan, mutta useimmiten siirtoa varten tarvitaan eri tarkoituksiin lisäbittejä, jolloin kehyksen pituus on suurempi kuin pelkän puhekehyk-sen pituus.

Näin muodostettuja liikennekehyksiä sijoitetaan välittömästi paketin 10 hyötykuormaosaan siten, että pakettien hyötykuormaosat pakataan täyteen. Liikennekehys, joka ei mahdu edellisen paketin hyötykuormaosaan, jaetaan kahden erillisen paketin kesken. Paketit lähetetään siirtoverkon kautta kohteeseen. Kohteessa erotetaan vastaanotetun paketin hyötykuormasta liiken-nekehysten osat, jotka kootaan kokonaisiksi liikennekehyksiksi. Liikenneke-15 hysten sisältämät puhekehykset johdetaan puhedekooderiin alkuperäisen digitalisoidun puhesignaalin tuottamiseksi.

Tällaisenaan menetelmä johtaisi puheen laadun huononemiseen, koska jotkut puhekehykset lähetetään välittömästi ja jotkut vasta yhdessä seu-raavan puhekehyksen osan kanssa. Keksinnön edullisen suoritusmuodon 20 mukaan puheen laatua parannetaan puskuroimalla puhekehyksiä vastaanottajan muistissa siten, että saapuneita puhekehyksiä johdetaan puhedekooderiin yhtä suurin välein kuin ne on alunperin muodostettu.

Keksinnön etuina on ensinnäkin pienentynyt siirtoviive verkossa ja toiseksi yhden puhelun siirtyminen yhdessä pakettiverkon paketissa mahdol-25 listaa solujen pakettikytkennän ja siten puhelun ohjaamisen suoraan haluttuun paikkaan. Tuloksena on pakettiverkon tekniikkaa tehokkaasti hyödyntävä puhelinverkko.

Lisäksi puhelun siirto yhdessä pakettiverkon paketissa mahdollistaa sen, että puhelun loputtua loppuu myös solujen lähetys, toisin kuin emuloita-30 essa piirikytkentää. Puheessa olevien taukojen aikana ei myöskään tarvitse . lähettää soluja muuten kuin siirrettäessä kohinaparametreja. Siirtokapasiteetti vapautuu taukojen aikana muuhun käyttöön, esimerkiksi muiden samanaikaisten yhteyksien käytettäväksi, toisin kuin piirikytkentäisessä verkossa, jossa jonkin yhteyden taukoja ei voida hyödyntää toisilla yhteyksillä.

35 Koska yhteen pakettiverkon pakettiin sijoitetaan vain yhteen puhe- signaaliin liittyviä kehyksiä, kaikki saman paketin kehykset välitetään samaan kohteeseen, jolloin kohdepäässä vältetään pakettien purkaminen ja uudelleen 8 103456 reitittäminen. Keksinnön mukaisen menetelmän käyttö voidaan rajoittaa vain audio/videoyhteyksille, jolloin datasiirrossa paketit voidaan lähettää välittömästi, ilman viiveitä.

Puhesignaalin sijasta voidaan siirtää myös muunlaista ääni- tai vide-5 osignaalia, jolloin puhekehyksen sijasta voidaan puhua yleisesti parametrijou-kosta. Edullisen suoritusmuodon mukaan siirtoverkko on ATM-verkko tai Internet, jolloin paketti on vastaavasti ATM-solu tai Internet-paketti.

Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen 10 yhteydessä, viitaten oheisiin piirroksiin, joista: kuvio 1 esittää pelkistettynä matkapuhelinverkkoa; kuvio 2 esittää matkapuhelinkeskuksen toiminnallisia osia; kuvio 3 esittää tukiasemaohjaimen toiminnallisia osia; kuvio 4 esittää tukiasemaohjainta, jossa on keksinnön mukaiset jär- 15 jestelyt; kuvio 5 esittää tukiasemaa lisättynä keksinnön toiminnalla; kuvio 6 esittää edullista siirtotietä kahden tukiaseman välillä; ja kuvio 7 esittää liikennekehysten kokoamista paketeiksi ja pakettien purkamista liikennekehyksiksi.

20

Kuviossa 1 kuvattu TRAU-yksikön ja tukiasemien välinen PCM-yhteys korvataan ATM-yhteydellä. Koska TRAU-yksikkö voi fyysisesti sijaita tukiasemaohjaimen BSC yhteydessä tai matkapuhelinkeskuksen MSC yhteydessä, merkitsee se käytännössä sitä, että nykyisen kaltaisen matkapuhelin-• 25 verkon kaikki PCM-yhteydet voidaan korvata ATM-yhteyksillä.

Seuraavassa esimerkissä oletetaan TRAU-yksikön sijaitsevan tukiasemaohjaimen yhteydessä kuten kuviossa 3 on esitetty, mutta on huomattava, että keksinnön kannalta TRAU-yksikön fyysinen sijainti ei ole olennaista.

Kuvioon 4 viitaten selostetaan keksinnön mukaista menetelmää 30 TRAU-yksikön kannalta. Kun matkapuhelinkeskuksen suunnasta tulee PCM-koodattua puhetta sille osoitetulla puhekanavalla se johdetaan PCM-liitäntälohkon 41 kautta TRAU-yksikköön 42, joka muodostaa tulevasta PCM-äänisignaalista 316-bittisiä liikennekehyksiä aivan kuten tekniikan tason mukaisessa järjestelmässäkin. Kun ensimmäinen liikennekehys on muodostettu, 35 se johdetaan suurinopeuksisen väylän kautta ATM-sovittimelle 43, joka sijoittaa kehyksen ATM-solun hyötykuormaosaan. Koska tämä osa on vakiopitui-nen 47 tai 48 tavua (376 tai 384 bittiä), ei ensimmäinen liikennekehys täytä 9 103456 ensimmäistä ATM-solua kokonaan, vaan solu lähetetään vasta, kun sen hyö-tykuormaosa on täytetty toisen liikennekehyksen alkuosalla. Sovitin 43 sijoittaa solun otsakkeisiin tarvittavat osoitetiedot niin, että sitä seuraava ATM-kytkentämatriisi 44 osaa ohjata solun lähtöpuolen ATM-liitäntäryhmän 45 oi-5 kealle ATM-liitäntäkortille ja siten oikealle fyysiselle yhteydelle ja kohteena olevalle tukiasemalle.

Jos tukiasemaohjaimelta lähtee vain yksi fyysinen alasuunnan yhteys ATM-verkkoon päin, ei kytkentämatriisia 44 tarvita lainkaan ja vain yksi ATM-kortti 45 on tarpeen.

10 Solun siirto tukiasemalle on hyvin nopea. Nykyisin kun liikennekehys siirretään kaksi bittiä kerrallaan 2 Mbit/s PCM-johdon aikaväleissä nopeudella 16 kbit/s vie kehyksen siirtäminen TRAU:n ja tukiaseman välillä aikaa noin 20 ms. Käytettäessä samaa fyysistä johtoa mutta ATM-protokollaa vie siirto aikaa vain noin 0,2 ms.

15 Vastaanotettaessa tukiasemien lähettämiä ATM-soluihin sijoitettuja liikennekehyksiä on toiminta edellisen perusteella selvää. Eri fyysisiltä johdoilta tulee ATM-soluja ja kytkentämatriisi 44 kytkee osoitteen perusteella samaan kanavaan kuuluvat solut peräkkäisessä järjestyksessä ATM-sovittimelle 43, joka erottaa kustakin solusta hyötykuorman eli matkaviestimen 20 lähettämän ja tukiaseman uudelleen kokoaman liikennekehyksen. TRAU-yksikön 42 transkooderi aloittaa liikennekehyksen dekoodaamisen heti kun se on vastaanottanut liikennekehyksen kokonaisuudessaan nopealta väylältä. A-law standardimuotoon dekoodattu puhesignaali johdetaan PCM-liitäntälohkoon 41, joka sijoittaa puhesignaalin yhteydelle osoitettuun PCM 25 aikaväliin kuljetettavaksi edelleen matkapuhelinkeskukseen MSC.

Kuljetusmatka ei ole pitkä siinä tapauksessa, että TRAU-yksikkö on sijoitettu MSC:n yhteyteen eikä tukiasemaohjaimen yhteyteen kuten kuviossa 4. Mikäli kaikki runkojohdot samoin kuin matkapuhelinkeskuksesta muihin verkkoihin johtavat yhteydet on korvattu ATM-yhteyksillä ja keskus on toteu-30 tettu ATM-tekniikalla, voidaan TRAU-yksikössä PCM-muotoinen puhe sijoittaa suoraan ATM-soluun ja siirtää eteenpäin.

Tarkastellaan seuraavaksi kuvioon 5 viitaten tapahtumia yhteyden toisessa päässä eli tukiasemalla. Kuviossa viitenumeron 52 sisällä olevat lohkot ovat sinänsä tunnettuja tukiaseman lohkoja, eivätkä ole sinänsä oleellisia 35 keksinnön kannalta eikä siten ole tarpeen selostaa tässä yhteydessä.

Matkaviestimen muodostamalle liikennekehykselle tehdään ennen lähetystä erilaisia tunnettuja operaatiota, joiden tuloksena se lähetetään se- 10 103456 koitettuna ja pieninä palasina radiotien yli tukiasemalle. Tukiasema BTS vastaanottaa radiorajapinnan yli tulevat palaset ja kokoaa niistä alkuperäisen lii-kennekehyksen. Heti kun se on saanut kehyksen koottua se johdetaan ATM-liitäntälohkoon 51, joka sijoittaa kehyksen ATM-solun hyötykuormaan, laittaa 5 tarvittavat otsaketiedot ja lähettää solun kohti TRAU-yksikköä. Transkooderi aloittaa solussa lähetetyn kehyksen dekoodauksen heti kun se on kokonaisuudessaan vastaanotettu. Jotta viive olisi mahdollisimman pieni, täytyy tukiasemalla ATM-liitäntä lohkon 51 ja liikennekehyksen kokoavan lohkon (signal processing) välisen yhteyden olla erittäin nopea.

10 Menetelmän mukainen puheinformaation siirto ATM-verkon kautta tekee mahdolliseksi kahden tukiaseman välisen suoran puheyhteyden luomisen. Viitataan kuvioon 6. Perinteisissä verkoissa kahden matkaviestimen välinen puheyhteys kulkee TRAU-yksikön ja matkapuhelinkeskuksen kautta. Keksinnön mukaisessa menetelmässä sen sijaan voidaan tukiasemien esim. 15 BTS 61 ja BTS 62 välinen yhteys toteuttaa suoraan sijoittamalla liikennekehyksen sisältävän ATM-solun osoitteeksi vastaanottavan tukiaseman osoite, jolloin yhteyden ei tarvitse kulkea TRAU-yksikön 63 kautta. Matkapuhelinverkko on luonnollisesti etukäteen signalointiyhteyksillä ilmoittanut tukiasemille, mihin paketit lähetetään ja mihin puheluun paketit liittyvät. Tämä mahdollisuus 20 keventää verkon kuormitusta ja nopeuttaa yhteyksiä sekä parantaa puheen laatua, koska perättäisiä muunnoksia koodattu puhe - PCM-puhe - koodattu puhe ei tarvitse tehdä.

Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaan kompensoidaan pakettiverkossa väistämättä syntyviä vaihtelevia viiveitä. Kun ATM-verkkoa 25 käytetään siirtämään puheinformaatiota, viiveen vaihtelu aiheuttaa ongelmia. Kuvio 7 havainnollistaa pakettien lähettämistä. Ensimmäinen ATM-solu voidaan lähettää vasta, kun liikennekehykset 1 ja 2 on vastaanotettu. Tämän jälkeen ATM-solut 2 - 6 voidaan lähettää jokaisen vastaanotetun liikennekehyksen jälkeen. Sen sijaan ATM-solu 7 voidaan lähettää vasta, kun liikenne-30 kehys 9 on vastaanotettu, mikä aiheuttaa yhden liikennekehyksen mittaisen . katkoksen ATM-solujen 6 ja 7 jälkeen. Katkosten syntyminen noin kuuden ATM-solun välein johtuu siitä, että liikennekehyksen ja ATM-solun hyötykuorman välillä on noin kuudesosan ero.

Pakettien lähetys ATM-verkossa kadottaa niiden välisen synkronoin-35 nin kahdesta eri syystä. Ensimmäinen syy on pakettiverkolle ominainen pakettien kulkuaikojen pieni satunnainen vaihtelu. Toinen syy on se, että säännöllisin välein tietyt liikennekehykset eivät aiheuta ATM-solun lähetystä. Re- 11 103456 konstruoidun puheen laadun ylläpitämiseksi synkronointi on palautettava ennen puhekehysten johtamista puhedekooderiin. Tämä voi tapahtua puskuroimalla muistissa vastaanotettuja liikennekehyksiä ja johtamalla niitä puhede-kooderille säännöllisin välein. Puskurina käytetyn muistin määrää voidaan vä-5 hentää eristämällä 316-bittisistä liikennekehyksistä 260-bittiset puhekehykset, jotka tallennetaan muistiin. Puhekehykset johdetaan puhedekooderiin siten, että niiden väli vastaa sitä näytteitysväliä, jolla lähettäjä on muodostanut puhekehykset. Esimerkkinä käytetyn GSM-järjestelmän tapauksessa tämä väli on 20 ms. Kehysten johtaminen puhedekooderille voidaan tahdistaa saapuviin 10 ATM-soluihin esimerkiksi mittaamalla aika, joka kuluu kehyksen johtamisesta puhedekooderiin, siihen kun seuraava ATM-solu vastaanotetaan. Jos ATM-solu vastaanotetaan odotettua aikaisemmin, pienennetään hieman kahden peräkkäisen puhedekooderille johdettavan puhekehyksen väliaikaa ja päinvastoin. Silloin, kun liikennekehyksen muodostaminen lähetyspäässä ei johda 15 ATM-solun lähettämiseen, tätä säätämistä ei tapahdu, vaan käytetään viimeksi käytettyä tai nimellistä väliaikaa. Jos kyseinen yhteys tunnistetaan (esim. liikennekehyksen nimiöosan perusteella) datayhteydeksi, puskurointi ja synkronoinnin palauttaminen eivät ole välttämättömiä.

Pakettiverkossa - varsinkin alhaisilla palveluluokilla - on mahdollista, 20 että ATM-solun kuljettama puhekehys saapuu niin myöhään, että kaikki puskurissa ollut data on jo johdettu puhedekooderille. Tällöin voidaan soveltaa esimerkiksi GSM-järjestelmässä käytettävää huonojen puhekehysten korvaustekniikkaa. Vaihtoehtoisesti voidaan dekoodata uudestaan viimeisen vastaanotetun puhekehyksen alkua, kunnes vastaanotetaan seuraava puheke-- 25 hys, joka johdetaan puhedekooderille. Se aika, jolloin puhedekooderille on johdettu korvaavaa informaatiota, viivästyttää puheen rekonstruointia ja tämä aika toimii turvavyöhykkeenä sitä vastaan, että seuraavakin ATM-solu myöhästyisi. Viiveelle voidaan asettaa maksimiarvo, jonka ylittäminen aiheuttaa sen, että seuraava puhekehys tuhotaan kokonaan tai osittain, jolloin viive ei 30 pääse kumuloitumaan kohtuuttomasti.

Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan yhteyden alussa ja taukojen jälkeen lähetetään pieni määrä paketteja välittömästi liikennekehysten muodostamisen jälkeen. Tauot voidaan esimerkiksi GSM-järjestelmässä tunnistaa SID-kehyksistä (Silence Descriptor). Näin saadaan aikaan, että tauon 35 jälkeen puheen aloittaminen välittyy mahdollisimman nopeasti vastaanottajalle. Tämä pienentää vaaraa, että puhelun molemmat osapuolet aloittaisivat puhumisen yhtaikaa. Kun sitten siirrytään keksinnön mukaiseen normaalime- 12 103456 nettelyyn, eli pakettien hyötykuormaosat pakataan täyteen, vastaanottaja näkee tapahtuman yhden puhekehyksen puuttumisena. Tällöin voidaan samoin soveltaa GSM-järjestelmässä käytettävää huonojen puhekehysten korvaus-tekniikkaa. Kokemus on osoittanut, että yhden puhekehyksen puuttumista ei 5 kuuntelemalla pystytä havaitsemaan. Aika, jolloin jokainen puhekehys lähetetään omana pakettinaan, on sopivimmin noin 1 sekunti. Suuri viive siirtää myöhemmäksi sitä hetkeä, jolloin puuttuva puhekehys on korvattava, ja siten parantaa puheen ymmärrettävyyttä. Toisaalta suuri viive huonontaa järjestelmän tehokkuutta.

10 Keksintö tuottaa menetelmän, jolla pakettiverkon kapasiteetti voi daan käyttää mahdollisimman tehokkaasti hyväksi. Verkon kuormitus on korkeimmillaan vain pienen osan ajasta. Keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaan jokainen puhekehys välitetään omassa paketissaan, jos yksi tai useampia seuraavista ehdoista on voimassa: 15 - tilaajalla on korkea tai korkein pakettiverkossa määritelty palvelu luokka (Quality of Service, QoS); - verkossa on käyttämätöntä kapasiteettia, kuten öisin; - jossakin muussa verkon osassa palvelun laatu on huono, ja tätä kompensoidaan parantamalla palvelua muualla; 20 - paketin hyötykuorman pituus vastaa oleellisesti puhekehyksen pi tuutta tai on vain n. 20% sitä pitempi.

Keksintö on esimerkinomaisesti selostettu tapauksessa, jossa GSM-järjestelmän puhekehyksiä välitetään ATM-verkossa. Alan ammattilaiselle on , 25 ilmeistä, että samaa tekniikkaa voidaan käyttää myös musiikki- ja videosig- naalinäytteiden välittämiseen. Tällöin kooderin tilalla käytetään laitetta, joka muodostaa signaalista määrämittaisia näytteitä ja dekooderilla tarkoitetaan laitetta, joka tuottaa näytteistä alkuperäistä vastaavan signaalin. ATM-verkon solun pituus on kiinteä. Vaihtoehtoisesti pakettiverkkona voi olla Internet, jon-30 ka paketin pituus on vaihtuva. Ennen dekooderille johtamista näytteet voidaan johtaa mille tahansa puhekehyksiä käsittelevälle siirtolaitteelle, kuten ääni-postijärjestelmälle VMS (Voice Mail System). Keksintö ja sen suoritusmuodot eivät siten rajoitu yllä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (13)

13 103456

1. Menetelmä puhe-, ääni- ja/tai videosignaalin siirtämiseksi pakettiverkon paketteina, tunnettu siitä, että 5. siirrettävä signaali koodataan parametrijoukoiksi, jotka sijoitetaan liikennekehyksiin; - liikennekehyksiä ja/tai niiden osia sijoitetaan pakettien hyötykuor-maosaan, ja lähetetään paketit kohteeseen; - ainakin joidenkin pakettien hyötykuormaosa muodostetaan ainakin 10 kahdesta, samasta signaalista muodostetusta liikennekehyksestä tai liikenne- kehyksen osasta, kunnes paketin hyötykuormaosa tulee oleellisesti täyteen; - kohteessa erotetaan vastaanotettujen pakettien hyötykuormasta lii-kennekehykset; ja - liikennekehysten parametrijoukot johdetaan dekooderiin alkuperäi-15 sen puhe-, ääni- ja/tai vastaavasti videosignaalin tuottamiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kohteessa puskuroidaan vastaanotettuja parametrijoukkoja ja ne johdetaan dekooderille oleellisesti yhtä pitkin välein.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 20 puskuroitujen parametrijoukkojen johtaminen dekooderille tahdistetaan saapuvien pakettien perusteella siten, että parametrijoukkoja johdetaan dekooderille keskimäärin samalla taajuudella kuin niitä vastaanotetaan.

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että yhteyden alussa ja lähetettävässä signaalissa olevien taukojen jäl- 25 keen 0,5 - 2:n, edullisesti noin yhden sekunnin ajan jokainen liikennekehys kuljetetaan omassa paketissaan, jolloin tauon päättyminen välittyy vastaanottajalle mahdollisimman nopeasti.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1 - 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että pakettiverkon paketin pituus on kiinteä.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että pakettiverkko on ATM-verkko ja paketti on ATM-solu.

7. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että paketin hyötykuormaosa muodostetaan ainakin kahdesta kokonaisesta 14 103456 liikennekehyksestä, joiden yhteenlaskettu pituus on korkeintaan ennaltamää-rätyn kynnysarvon verran, edullisesti n. 20% pienempi kuin paketin hyöty-kuorman pituus.

8. Jonkin patenttivaatimuksen 1 -4 mukainen menetelmä, tunnettu 5 siitä, että pakettiverkon paketin pituus on vaihteleva.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että pakettiverkko on Internet-verkko, paketti on Internet-paketti, ja pakettien hyö-tykuormaosan pituus asetetaan vastaamaan liikennekehyksen pituuden moni- 10 kertaa.

10. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kohteessa vastaanotettujen pakettien hyötykuormasta erotetut liikennekehykset johdetaan dekooderiin muistivälineen, kuten ääni-postijärjestelmän (VMS) kautta.

11. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tukiasema liittää paketin otsakkeeseen transkooderin osoitteen ja transkooderi tukiaseman osoitteen, jolloin siirtoyhteys muodostuu tukiaseman ja transkooderin välillä.

12. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lähettävä tukiasema liittää paketin otsakkeeseen vastaanottavan tukiaseman osoitteen, jolloin siirtoyhteys muodostuu suoraan kahden tukiaseman välillä.

13. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, 25 tunnettu siitä, että jokainen liikennekehys välitetään omassa paketissaan, jos yksi tai useampia seuraavista ehdoista on voimassa: - tilaajalla on korkea tai korkein palveluluokka (Quality of Service, QoS); - verkossa on käyttämätöntä kapasiteettia; 30. jossakin muussa verkon osassa palvelun laatu on huono; - paketin hyötykuorman pituus vastaa oleellisesti puhekehyksen pituutta tai on vain n. 20% sitä pitempi. 15 103456