УЛУЧШЕННОЕ КАЧЕСТВО ПОТОКА МЕДИАДАННЫХ VoIP ПОСРЕДСТВОМ АДАПТАЦИИ КОДИРОВАНИЯ РЕЧИ НА ОСНОВЕ ВЫБРАННОЙ СХЕМЫ МОДУЛЯЦИИ И КОДИРОВАНИЯ (MCS)
IMPROVED QUALITY OF VoIP MEDIA DATA FLOW BY ADAPTATION OF VOICE CODING BASED ON SELECTED MODULATION AND CODING SCHEME (MCS)

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение имеет отношение к телекоммуникациям и находит предпочтительное иллюстративное приложение к передаче речи поверх протокола Интернет (VoIP).
Предшествующий уровень техники
VoIP - это транспортировка речевого трафика, использующая протокол Интернет (IP). В мобильном мире VoIP означает использование службы с коммутацией пакетов (PS) для транспортировки пакетов протокола Интернет (IP), которые содержат, например, кадры речи настраиваемого многоскоростного (AMR) кодека для речевых вызовов мобильных телефонов. Соединение с коммутацией пакетов часто просто упоминается как соединение передачи данных.
Сети с коммутацией каналов используют переключение каналов для переноса речевого трафика, где сетевые ресурсы статически выделяются от отправителя до получателя до начала передачи сообщения, таким образом, создавая "канал". Ресурсы остаются отведенными каналу в течение всей передачи сообщения, и все сообщение идет по одному и тому же пути. При том, что эта конфигурация работает достаточно хорошо для передачи речи, IP является привлекательным выбором для транспортировки речи по многим причинам, включающим в себя более низкую стоимость оборудования, интеграцию приложений передачи речи и данных, включая мультимедиа, например электронную почту, моментальный обмен сообщениями, видео, всемирную паутину (Web) и т.д., более низкие требования по полосе пропускания и широко распространенную доступность протокола IP.
В сетях с коммутацией пакетов сообщение разбивается на пакеты, каждый из которых может иметь отличающийся от других маршрут к пункту назначения, где пакеты повторно компилируются в исходное сообщение. Службой с коммутацией пакетов (PS), используемой для VoIP, может быть, например, GPRS (пакетная радиосвязь общего назначения), EDGE (повышенная скорость передачи данных для эволюции GSM) или WCDMA (широкополосный многостанционный доступ с кодовым разделением каналов). Так произошло, что каждая из этих иллюстративных служб построена на глобальной системе мобильной связи (GSM), технологии цифрового радиодоступа второго поколения ("2G"), исходно разработанной для Европы. GSM была расширена в 2.5G, чтобы включать в себя технологии, такие как GPRS. Третье поколение (3G) содержит технологии мобильной телефонии, охватываемые семейством IMT-2000 международного телекоммуникационного союза (ITU). Проект партнерства в области систем связи третьего поколения (3GPP) - это группа институтов международных стандартов, операторов и поставщиков, работающих в направлении стандартизации базирующихся на WCDMA элементов IMT-2000.
EDGE (иногда упоминаемая как расширенная GPRS (EGPRS)) - это технология 3G, которая предоставляет аналогичные широкополосным скорости передачи данных мобильным устройствам. EDGE позволяет потребителям подсоединяться к сети Интернет и посылать и принимать данные, включая цифровые изображения, Web-страницы и фотографии, в три раза быстрее, чем возможно с помощью обычной сети GSM/GPRS. EDGE позволяет операторам GSM предлагать более высокоскоростной доступ к мобильным данным, обслуживать больше потребителей мобильных данных и высвобождать емкость сети GSM, чтобы размещать дополнительный речевой трафик. EDGE использует такие же соответствующие TDMA (множественному доступу с временным разделением каналов) структуру кадров, логические каналы и полосу пропускания несущей 200 кГц, что и сети GSM, что позволяет существующим планам сотовых ячеек оставаться незатронутыми.
В технологии EDGE базовая приемопередающая станция (BTS) осуществляет связь с мобильной станцией (например, сотовым телефоном, мобильным терминалом или т.п., включая компьютеры, такие как портативные компьютеры с мобильным оконечным устройством). Базовая приемопередающая станция (BTS) обычно имеет множественные приемопередатчики (TRX). Система радиосвязи множественного доступа с временным разделением каналов (TDMA), такая как GSM, GPRS и EDGE, разделяет временное пространство на временные слоты на конкретной радиочастоте. Временные слоты группируются в кадры, причем пользователям назначается один или более временных слотов. В TDMA с коммутацией пакетов, даже хотя одному пользователю может быть назначен один или более временных слотов, другие пользователи могут использовать тот же временной слот (слоты). Таким образом, необходим планировщик временных слотов, чтобы гарантировать, что временные слоты выделяются должным образом и эффективно.
EDGE предлагает девять разных схем модуляции и кодирования (MCS): MCS1 по MCS9. Младшие схемы кодирования (например, MCS1-MCS2) предоставляют более надежный, но более медленный битрейт (расход битов) и подходят для менее оптимальных условий радиосвязи. Более старшие схемы кодирования (например, MCS8-MCS9) предоставляют намного более высокий битрейт, но требуют более хороших условий радиосвязи. Управление качеством линии связи (LQC) выбирает, какую MCS использовать в каждой конкретной ситуации, базируясь на текущих условиях радиосвязи.
В EDGE LQC выбирает MCS для блоков данных управления линией радиосвязи (RLC) для каждого временного потока блоков (TBF). TBF - это логическая связь между мобильной станцией (MS) и модулем управления пакетами (PCU). PCU обычно (но необязательно) располагается в сети радиодоступа, например, в контроллере базовых станций (BSC). TBF используется для передачи пакетных данных GPRS по либо восходящей линии связи, либо нисходящей линии связи. Фактическая пакетная передача осуществляется по физическим радиоканалам данных (PDCH). Скорость передачи битов для TBF, таким образом, эффективно выбирается посредством выбора MCS, и изменение MCS для TBF изменяет его битрейт.
Улучшенные многоскоростные (AMR) кадры речи содержат речь, обычно 20 миллисекунд речи, кодированную с помощью кодека AMR. Кодер речи, вокодер и кодек используются взаимозаменяемо и указывают на кодирование речи/голоса в сжатый цифровой формат. Кодек AMR поддерживает неравное обнаружение битовых ошибок и защиту от битовых ошибок (UED/UEP). Механизмы UEP/UED позволяют более эффективную передачу речи по сети, допускающей потери, посредством сортировки битов на более и менее чувствительные классы по отношению к восприятию. Кадр только объявляется поврежденным и не доставляется, если имеется одна или более битовых ошибок, обнаруженных в наиболее чувствительных битах. С другой стороны, качество речи все еще считается приемлемым, если кадр речи доставляется с одной или более битовыми ошибками в менее чувствительных битах, базируясь на человеческом слуховом восприятии. Важная характеристика для среды с высокой частотой появления ошибочных битов (BER), такой как EDGE, - это ошибкоустойчивость в отношении потерь пакетов, предоставляемая кодеком AMR с помощью избыточности и битовых ошибок и сортировки по чувствительности.
Другое преимущество AMR - это адаптация настраиваемой скорости для гладкого оперативного переключения между режимами кодека. Большое количество режимов кодека AMR может использоваться с изменяющимися скоростями передачи битов и результирующим качеством речи. Кодек AMR может включать в себя многочисленные узкополосные режимы кодека: 12,2, 10,2, 7,95, 7,4, 6,7, 5,9, 5,5 и 4,75 килобит/с. Даже широкополосный (WB) режим AMR WB при 12,65 килобит/с является доступным.
Обычно для соединения VoIP оконечные пункты передачи VoIP, например вызывающая мобильная станция A и вызванная мобильная станция B, согласовывают, какой режим кодека AMR будет использоваться для этого соединения VoIP. Если мобильная станция A показывает, что она может использовать режимы кодека AMR 1, 2 и 3 с режимом, устанавливаемым по умолчанию на режим кодека AMR 2, и если [мобильная станция] B показывает, что она может использовать режимы кодека AMR 2, 3 и 4 с устанавливаемым по умолчанию режимом кодека AMR 2, то скорее всего будет выбран режим кодека AMR 2. Начальный выбор режима кодека AMR затем обычно делается на прикладном уровне протоколов, базируясь на требуемом битрейте для передачи. Как результат, выбор режима кодека для вызовов VoIP делается на прикладном уровне без какого-либо знания текущих условий радиоканала или выбранной MCS. Определение текущих условий радиоканала и выбор MCS для передачи следующего радиоблока данных, оба, выполняются в более низких уровнях протоколов, соответствующих радиодоступу, т.е. на уровнях RLC/MAC.
Так как EDGE варьирует битрейт для TBF посредством выбора MCS в зависимости от условий радиосвязи в каждом конкретном периоде радиоблока, битрейт изменяется очень быстро. Как результат, статический выбор кодера AMR VoIP или режима кодека часто ведет к менее чем оптимальным рабочим характеристикам, например, более низкому качеству речи, чем необходимо. Например, если выбран режим кодера или кодека с высоким качеством речи, максимальным битрейтом, он иногда может генерировать данные с битрейтом, более высоким, чем позволяет текущая скорость передачи по эфиру, что ведет к тому, что пакеты VoIP прибывают слишком поздно после того, как отведенное время прошло в оконечной точке приема. Другая проблема со статическим выбором режима кодера или кодека AMR VoIP состоит в том, что если выбранный режим кодера или кодека AMR VoIP соответствует низкому битрейту, соответствует кодеру низкого качества речи, когда текущие условия радиосвязи являются достаточно хорошими, в радиоблоке посылается намного меньше данных, чем могло бы посылаться. Другими словами, сторона на принимающем конце могла бы принимать намного более хорошее качество речи без какого-либо дополнительного расхода полосы пропускания, но не получала из-за плохого использования ресурсов.
Родственная проблема - это неэффективное использование аппаратного обеспечения и полосы пропускания. Чтобы достичь более высоких битрейтов, предлагаемых с EDGE, каждый радиоблок для конкретного кодера MCS должен быть упакован настолько полно, насколько возможно. Например, радиоблок MCS-8 может содержать 1088 битов. Если кодер имеет только 500 битов, чтобы посылать, то используется менее чем 50% возможной пропускной способности EDGE, что переходит в более низкие битрейты.
Один подход к этим проблемам может состоять в том, чтобы изменять режим кодера речи или режим кодека в зависимости от измеренной полной пропускной способности данных через радиоинтерфейс. Но этот подход не подходит хорошо для "носителей", таких как потоки TBF EDGE, которые изменяют каждый радиоблок с измененными условиями радиосвязи. Другими словами, даже если пользователь согласовывает конкретный битрейт, когда устанавливается TBF, фактический битрейт для этого TBF изменяется в зависимости от быстро изменяющихся текущих условий радиосвязи. Таким образом, ко времени, когда измеренная полная пропускная способность принимается в объекте сети, который может изменять режим кодера речи, при быстро изменяющихся условиях радиосвязи это значение пропускной способности будет устаревшим.
Сущность изобретения
Авторы представляют более хороший подход, который решает эти проблемы и улучшает качество и емкость передачи речи поверх IP (VoIP). Соединение VoIP устанавливается через радиоинтерфейс с мобильной радиостанцией. Определяются текущие условия радиосвязи для этого соединения VoIP и исходя из этого выбирается схема модуляции и кодирования (MCS) для части соединения VoIP. Режим кодирования речи или кодека VoIP для части соединения VoIP определяется, базируясь на выбранной схеме модуляции и кодирования. Речь VoIP затем кодируется в некоторое количество кодированных кадров VoIP, используя выбранный режим кодирования речи VoIP, который имеет ассоциированный битрейт. Оптимальное количество кодированных кадров VoIP включается в пакет VoIP для транспортировки через соединение VoIP при выбранном режиме кодирования речи и выбранной MCS. Количество кодированных кадров VoIP является переменным и может изменяться с изменением MCS.
Могут делаться другие регулировки, чтобы обеспечивать ошибкоустойчивость и/или более хорошие рабочие характеристики соединения VoIP или чтобы увеличивать полную емкость системы связи, поддерживающей соединение VoIP, так же как и другие соединения. Для улучшенной ошибкоустойчивости режим кодирования речи VoIP может выбираться при более низкой скорости передачи данных, чем та, которую может поддерживать определенная MCS, и/или может выбираться MCS, которая ниже, чем MCS, определенная текущим условием радиосвязи. Если система радиосвязи является типом системы множественного доступа с временным разделением каналов (TDMA), такой как GPRS и EDGE, то на один временной слот больше, чем определенное количество интервалов времени, необходимое для передачи пакета VoIP, может также использоваться, чтобы улучшать ошибкоустойчивость.
Могут делаться другие регулировки, чтобы увеличивать емкость соединения VoIP. Например, созданный пакет VoIP используется, чтобы формировать один или более радиоблоков для передачи через радиоинтерфейс. Количество кодированных кадров VoIP, включенных в пакет VoIP, намеренно выбирается так, чтобы "заполнять" блок радиопередачи при заданных выбранном режиме кодирования речи и выбранной MCS.
Подход является скорее динамическим, нежели статическим. Посредством предоставления кодеру речи VoIP на прикладном уровне информации о количестве фактических битов речи, которое может переноситься в радиоблоке при заданных текущих условиях радиосвязи, и выбранной MCS, кодер речи может принимать более интеллектуальные решения относительно параметров кодирования речи, которые должны использоваться. Изменения в условиях радиосвязи для соединения VoIP обнаруживаются, и в ответ на это могут делаться одно или более изменений. Когда условия радиосвязи ухудшаются, может выполняться одно или более из следующего: понижение MCS, понижение скорости кодера речи VoIP, увеличение количества временных слотов и/или регулировка количества кадров кодера речи VoIP, приходящегося на пакет IP, чтобы заполнять радиоблок для выбранной MCS и выбранной скорости кодера речи VoIP. С другой стороны, когда условия радиосвязи улучшаются, может выполняться одно или более из следующего: увеличение MCS, увеличение скорости кодера речи VoIP, уменьшение количества временных слотов и/или регулировка количества кадров кодера речи VoIP, приходящегося на пакет IP, чтобы заполнять радиоблок для выбранной MCS и выбранной скорости кодера речи VoIP.
Перечень фигур
Фиг.1 - это упрощенная функциональная блок-схема иллюстративной системы мобильной радиосвязи;
Фиг.2 - это диаграмма протокола связи системы EDGE (повышенная скорость передачи данных для эволюции GSM);
Фиг.2 - это блок-схема последовательности операций, показывающая иллюстративные не ограничивающие этапы или действия, выполняемые контроллером назначения радиоресурсов, чтобы назначать радиоресурсы, базируясь на том, определено ли запрошенное соединение данных как симметричное или асимметричное;
Фиг.3 - это упрощенная функциональная блок-схема мобильной станции, показывающая взаимодействие между уровнями протоколов и функциями VoIP, выполняемыми в разных уровнях протоколов, в соответствии с одним не ограничивающим иллюстративным вариантом осуществления восходящей линии связи;
Фиг.4 - это упрощенная функциональная блок-схема, показывающая взаимодействие между функциями VoIP, выполняемыми в разных узлах, включающих в себя узел IMS, узел BSC и узел BTS, в соответствии с одним не ограничивающим иллюстративным вариантом осуществления нисходящей линии связи;
Фиг.5 - это блок-схема, показывающая детали иллюстративного варианта осуществления в модуле управления пакетами (PCU);
Фиг.6 - это блок-схема, показывающая детали иллюстративного варианта осуществления в BTS;
Фиг.7 - это блок-схема, показывающая детали иллюстративного варианта осуществления в узле IMS; и
Фиг.8 - это блок-схема, показывающая детали иллюстративного варианта осуществления в мобильной станции;
Фиг.9 - это график, показывающий количество временных слотов, чтобы передавать данные VoIP при разных C/I для кодека AMR 4.75 NB при 2 кадрах AMR на пакет IP; и
Фиг.10 - это график, показывающий количество временных слотов, чтобы передавать данные VoIP при разных C/I для кодека AMR 12.65 WB при 2 кадрах AMR на пакет IP.
Подробное описание
В последующем описании в целях пояснения, но не ограничения излагаются конкретные детали, такие как конкретные архитектура, интерфейсы, технологии и т.д., чтобы обеспечить полное понимание настоящего изобретения. Однако специалистам в данной области техники должно быть ясно, что настоящее изобретение может применяться на практике в других вариантах осуществления, которые отходят от этих конкретных деталей. То есть специалисты в данной области техники могут разрабатывать различные конфигурации, которые, хотя здесь явно не описаны или показаны, осуществляют принципы этого изобретения и подпадают под его объем. В некоторых случаях подробные описания широко известных устройств, схем и способов опускаются с тем, чтобы не затемнять описание настоящего изобретения излишними деталями. Все здесь утверждения, излагающие принципы, аспекты и варианты осуществления этого изобретения, так же как их конкретные примеры, предназначены, чтобы охватывать как их структурные, так и функциональные эквиваленты. Дополнительно предполагается, что такие эквиваленты включают в себя как в текущее время известные эквиваленты, так и эквиваленты, которые будут разработаны в будущем, т.е. любые разработанные элементы, которые выполняют такую же функцию, независимо от структуры.
Таким образом, например, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что блок-схемы могут здесь представлять концептуальные представления иллюстративных схем, осуществляющих принципы технологии. Аналогично следует принимать во внимание, что любые блок-схемы последовательности операций, диаграммы переходов состояний, псевдокод и т.п. представляют различные процессы, которые могут, по существу, представляться в машиночитаемом носителе и, таким образом, исполняться компьютером или процессором, независимо от того, показан ли или нет такой компьютер или процессор явно.
Функции различных элементов, включающих в себя функциональные блоки, помеченные как "процессоры" или "контроллеры", могут предоставляться через использование специального аппаратного обеспечения, так же как и аппаратного обеспечения, способного исполнять программное обеспечение в сочетании с соответствующим программным обеспечением. Когда обеспечиваются процессором, функции могут обеспечиваться единичным специальным процессором, единичным совместно используемым процессором или множеством отдельных процессоров, некоторые из которых могут быть совместно используемыми или распределенными. Более того, явное использование термина "процессор" или "контроллер" не должно толковаться как указывающее исключительно на аппаратное обеспечение, способное исполнять программное обеспечение, и может включать в себя, без ограничения, аппаратное обеспечение цифрового сигнального процессора (DSP), постоянное запоминающее устройство (ROM) для хранения программного обеспечения, оперативное запоминающее устройство (RAM) и энергонезависимое хранилище.
Фиг.1 показывает иллюстративную систему 10 мобильной радиосвязи, которая подсоединена к одной или более сетям 12 с коммутацией каналов, таким как коммутируемая телефонная сеть общего пользования (PSTN) и/или цифровая сеть связи с комплексными услугами (ISDN) и т.д., посредством узла базовой сети, соответствующего центру 16 коммутации (MSC) мобильной связи, и к одной или более сетям 14 с коммутацией пакетов, таким как сеть Интернет, посредством обслуживающего узла 20 (SGSN) поддержки GPRS и шлюзового узла 22 поддержки GPRS (GGSN). PSTN 12 и ISDN 14 являются базовыми сетями с коммутацией каналов, и соответствующий MSC 16 узел базовой сети поддерживает службы с коммутацией каналов. Сеть Интернет является базовой сетью с коммутацией пакетов, и SGSN 20 и GGSN 22 являются узлами базовой сети с коммутацией пакетов. В дополнение к этим базовым сетям и ассоциированным узлам базовой сети имеется мультимедийная подсистема 13 протокола Интернет (IMS), которая предоставляет базирующиеся на IP услуги, такие как VoIP, и услуги мультимедиа. IMS 13 может включать в себя функцию 15 медиаресурсов (MRF), чтобы доставлять услуги, базирующиеся на медиаданных. IMS подсоединяется к базовым сетям, к GGSN 22 и SGSN 20. MSC 16, IMS 13 и SGSN 20 подсоединяются к базе данных мобильных абонентов, такой как сервер 18 собственных абонентов (HSS), и к сети радиодоступа.
В этом не ограничивающем примере сеть радиодоступа является базирующейся на GSM и указывается как система 24 базовых станций (BSS). Технология, описываемая здесь в этом типе базирующейся на GSM/EDGE системы, может применяться к сетям радиодоступа другого типа. BSS 24 включает в себя один или более контроллеров 26 базовых станций (BSC) (показан только один), подсоединенных к множественным базовым приемопередающим станциям (BTS) 28. Контроллер 26 базовых станций управляет радиоресурсами и радиосоединением для сотовых ячеек, обслуживаемых станциями BTS 28 под его управлением. Станции BTS 28 осуществляют связь с мобильными радиостанциями (MS) 30, используя радиосвязь через эфирный интерфейс. Каждая базовая приемопередающая станция (BTS) 28 обслуживает одну или более сотовых ячеек. Для каждой обслуживаемой сотовой ячейки базовая приемопередающая станция 28 предоставляет пул ресурсов радиопередачи (обычно управляемый и назначаемый контроллером BSC) для осуществления связи с мобильными станциями в этой сотовой ячейке. Каждая базовая станция (BTS) 28 включает в себя контроллер, а также радиоприемопередатчик и схемы обработки основной полосы, чтобы управлять радиопередачей и приемом внутри каждой обслуживаемой сотовой ячейки.
Каждая мобильная станция (MS) 30 включает в себя радиоприемопередатчик и объекты/функциональные возможности обработки данных и управления для предоставления возможности передачи речи поверх протокола Интернет (VoIP). Специалист в данной области техники должен понимать, что мобильная станция 30 и ее обработка данных и управление обычно включают в себя многочисленные другие функциональные возможности и варианты применения. Мобильная станция 30 также включает в себя устройства ввода/вывода, такие как экран дисплея, клавиатура, громкоговоритель, микрофон и т.п.
В EDGE, EGPRS или GPRS первый контекст протокола уровня линии связи, называемый временным потоком блоков (TBF), конфигурируется для восходящей линии связи от мобильного устройства к радиосети, а второй TBF конфигурируется для нисходящей линии связи от радиосети к мобильному радиоустройству. TBF может рассматриваться как логическая связь между мобильной станцией (MS) и модулем управления пакетами (PCU) в сети. В то время как PCU может располагаться в BSC 26, PCU также может располагаться в BTS 28, в SGSN 20 и т.д. Фиг.2 - это диаграмма протоколов связи системы EDGE, хорошо знакомой специалистам в данной области техники. TBF показан как временное соединение между объектами уровня протокола управления линией радиосвязи (RLC) в BSC и MS. После того как TBF восходящей линии связи и TBF нисходящей линии связи установлены для передачи данных, могут назначаться радиоресурсы (интервалы времени в системах типа EDGE), чтобы поддерживать соединение через радио/эфирный интерфейс. Контроллер 26 базовых станций (BSC) ретранслирует кадры LLC (изображено как "Ретрансляция" на BSS на фиг.2) между мобильной станцией (MS) 30 и базовой сетью. Уровень управления доступом к среде передачи (MAC) управляет мультиплексированием блоков данных, появляющихся от различных потоков TBF, которые являются активными доступными физическими радиоканалами, осуществляя арбитраж среди различных мобильных пользователей посредством механизма планирования временных слотов, управляемого в BSC, где TBF выбирается для каждого временного слота.
В общем, PCU выполняет LQC и может располагаться в BSC, BTS, SGSN и т.д. Только для легкости описания, но не ограничения, предполагается, что PCU находится в BSC. BSC 26 в этом не ограничивающем примере выбирает схему модуляции и кодирования MCS для передачи VoIP для каждого 20-миллисекундного блока радиопередачи. Более хорошие условия радиосвязи для передачи VoIP означают, что больше кодированных битов VoIP может включаться в каждый 20-мс радиоблок; следовательно, выбирается более старшая схема модуляции и кодирования (MCS). Следующая таблица показывает для EDGE кодированные биты VoIP, приходящиеся на 20-мс радиоблок, для каждой схемы модуляции и кодирования (MCS).
Таблица 1
Схемакодирования
MCS1
MCS2
MCS3
MCS4
MCS5
MCS6
MCS7
MCS8
MCS9
Битов на радиоблок (20 мс)
176
224
296
352
448
592
896
1088
1184
Скорость передачи битов (Кбит/с)
9,5
11,2
14,8
17,6
22,4
29,6
44,8
54,4
59,2
Режим кодирования речевых сигналов или кодека обычно определяется, базируясь на требуемом качестве речи, предполагая доступную полосу пропускания и не принимая во внимание текущие условия радиосвязи для соединения VoIP. Авторы понимают, что могут достигаться более хорошие передачи VoIP посредством предоставления выбранной MCS не только канальному кодеру и модулятору, используемому для канального кодирования и модуляции радиоблока до радиопередачи, но также и прикладному уровню VoIP, где речь подвергается кодированию, разбивается на кадры и пакетируется.
В этом отношении фиг.3 показывает упрощенную функциональную блок-схему мобильной станции (MS) 30, в которой MCS, выбранная для передачи VoIP, задействующей MS 30, предоставляется, на ссылочной позиции (1), как нижнему уровню протоколов EGPRS для традиционного канального кодирования и модуляции радиоблока, так и приложению VoIP на более высоком прикладном уровне протоколов. С этой информацией, на ссылочной позиции (2), приложение VoIP выбирает режим кодера/декодера (кодека) речи для передачи VoIP, который является подходящим для текущих условий радиосвязи. В EGPRS кодек является кодеком AMR. MCS выбирается, например, контроллером 32 качества линии связи (LQC), показанным на фиг.5, базируясь на текущих обнаруженных условиях радиосвязи. Более высокий режим кодека соответствует выходным данным кодека с более высоким битрейтом, а более низкий режим кодека соответствует выходным данным кодека с более низким битрейтом.
Кодек мобильного устройства выбирает некоторое количество кадров AMR для пакета IP, на ссылочной позиции (3). Количество кадров AMR оптимизируется при выбранном режиме кодека AMR, чтобы заполнять размер радиоблока, который будет использоваться для выбранной MCS на уровне EGRPS. Например, 20 мс речи могут кодироваться в один кадр AMR, который совпадает с 20-мс радиоблоками. Кадры AMR пакетируются (упаковываются в пакет IP), и затем пакет IP передается внутри мобильной станции 30, на ссылочной позиции (4), на уровень (уровни) EGPRS, соответствующий(ие) уровням SNDCP/LLC и RLC/MAC, как показано на фиг.2. Уровень (уровни) EGPRS формирует(ют) блоки радиопередачи, чтобы переносить пакетные данные и выбирать некоторое количество временных слотов, чтобы переносить каждый блок радиопередачи, на ссылочной позиции (5), посредством сравнения количества данных, которые необходимо отправить, с количеством данных, которые умещаются в каждом временном слоте. Например, если нужен только 1 временной слот, и станции MS устройством PCU выделен 1 временной слот, то MS посылает данные. Если нужен только 1 временной слот, и станции MS устройством PCU выделены 2 временных слота, то MS посылает данные и запрашивает высвобождение потока TBF. Если необходимы 2 временных слота, и станции MS устройством PCU выделен только 1 временной слот, то MS начинает посылать данные и запрашивает PCU для повышения до 2 временных слотов. Если необходимы 2 временных слотов, и станции MS устройством PCU выделены 2 временных слота, то MS посылает данные. В отношении блоков радиопередачи выполняется канальное кодирование и модуляция в соответствии с выбранной MCS для этой части передачи VoIP (одного или более пакетов), и эти блоки передаются через радиоинтерфейс, как показано на ссылочной позиции (6).
Аналогичные процедуры выполняются в нисходящей линии связи для соединения VoIP, но функции предпочтительно реализуются другими объектами или узлами. В этом отношении фиг.4 показывает упрощенную функциональную блок-схему узла 14 IMS, в котором MCS, выбранная для передачи VoIP, предоставляется, на ссылочной позиции (1), приложению VoIP, исполняемому в узле IMS. С помощью этой информации, на ссылочной позиции (2), приложение VoIP выбирает режим кодека AMR для передачи VoIP, который подходит для текущих условий радиосвязи. Выбранный режим кодека AMR выбирает некоторое количество кадров AMR для пакета IP, на ссылочной позиции (3). Количество кадров AMR оптимизируется при выбранном режиме кодека AMR, чтобы заполнять размер радиоблока, который будет использоваться для выбранной MCS, на уровне EGRPS. Кадры AMR пакетируются, и затем пакеты IP передаются, на ссылочной позиции (4), слоям EGPRS, реализованным с использованием модуля 31 управления пакетами, показанного на фиг.5. В этом примере PCU располагается в BSC 26. Модуль 31 управления пакетами формирует блоки радиопередачи, чтобы переносить пакетные данные, и планировщик 40 временных слотов, ассоциированный с модулем 31 управления пакетами, выбирает некоторое количество временных слотов, чтобы переносить каждый блок радиопередачи, на ссылочной позиции (5), способом, который может быть аналогичным, например, тому, который был описан выше для мобильной станции. Блоки радиопередачи предоставляются одной или более базовым станциям 28, которые реализуют операции физического уровня, включающие в себя канальное кодирование и модуляцию блоков радиопередачи в соответствии с выбранной MCS для этой части передачи VoIP (одного или более пакетов) и передачу модулированной информации в течение выбранных временных слотов через радиоинтерфейс, как показано на ссылочной позиции (6).
Фиг.5 показывает в упрощенном блочном формате контроллер 32 качества линии связи (LQC), который включен в этом примере в модуль 31 управления пакетами (PCU). Снова, PCU 31 может располагаться в BSC, базовой станции или в узле базовой сети, таком как SGSN. LQC 32 включает в себя селектор (средство выбора) 34 MCS, который включает в себя таблицы 36 соответствия для выбора MCS. Входные данные в таблицы 36 выбора могут быть одним или более обнаруженными условиями радиосвязи, связанными с соединением VoIP, такими как RSSI, SIR, CIR, HER, BLER и т.д. Более хорошее условие радиосвязи дает результатом выбираемую MCS с более высоким номером (с более высокой пропускной способностью, но менее ошибкоустойчивую), и менее подходящие условия радиосвязи дают результатом выбираемую MCS с более низким номером (с более низкой пропускной способностью, но более ошибкоустойчивую). Выбранная MCS предоставляется планировщику (средству планирования) 40 временных слотов, который также принимает пакеты VoIP от узла 14 IMS. Планировщик 40 временных слотов преобразует пакеты VoIP в блоки радиопередачи, размер которых устанавливается, базируясь на выбранной MCS. Планировщик 40 временных слотов определяет количество временных слотов, необходимых, чтобы перенести радиоблок при выбранной MCS, используя, например, процедуры, описанные для этапа (5) на фиг.3. Радиоблоки, сформированные в PCU 31, и выбранные временные слоты пересылаются соответствующей базовой станции (станциям) 28 для передачи через эфирный интерфейс на мобильную станцию 30.
Фиг.6 показывает упрощенную блок-схему иллюстративной базовой станции 28. Очередь 70 данных TBF буферизует блоки радиопередачи для передачи по нисходящей линии связи мобильной станции 30. В отношении радиоблоков, извлекаемых из очереди 70, выполняется канальное кодирование в канальном кодере 72 и модуляция в модуляторе 74, используя выбранную MCS для этого TBF. Модулированные выходные данные затем передаются в передатчике 76 RF через эфир. Передатчик 76 RF принимает информацию от планировщика 40 временных слотов касаемо временных слотов, в течение которых следует передавать модулированные данные радиоблоков. Базовая станция также пересылает радиоблоки восходящей линии связи, принятые от мобильной станции 30, контроллеру BSC 26, но блоки RF приема, демодуляции и канального декодирования для связи по восходящей линии связи не показаны. Базовая станция 28 обнаруживает качество сигнала для связи по восходящей линии связи, принятое от мобильной станции 30, и предоставляет LQC 32 обнаруженную информацию условия радиосвязи для определения/регулировки выбранной MCS. В одном иллюстративном варианте осуществления информация условия радиосвязи обновляется для каждого 20-мс радиоблока.
Фиг.7 показывает иллюстративную упрощенную блок-схему узла IMS, который может быть реализован с использованием объекта 15 MRF. Выбранная MCS принимается или иным способом определяется из информации, предоставленной селектором (средством выбора) 34 MCS в BSC. Базируясь на выбранной MCS, селектор 80 режима кодека выбирает ассоциированный режим кодека, который имеет ассоциированный битрейт для кодированной речи. Выбранный режим кодека предоставляется кодеку 82 AMR, который кодирует речь VoIP согласно выбранному режиму кодека. Средство 84 разбиения на кадры (кадрирования) кодека принимает кодированные данные речи и разбивает на кадры эти данные в соответствии с выбранным кодеком AMR, который сам был выбран, базируясь на текущем выборе MCS. Средство 84 кадрирования кодека генерирует некоторое количество кадров, которые должны включаться в пакет VoIP модулем 86 пакетирования VoIP. Это количество определяется, базируясь на выбранном режиме кодека, чтобы оптимально заполнять блок радиопередачи, который будет использоваться в слоях EGPRS, базируясь на выбранной MCS. Другими словами, средство 84 разбиения на кадры кодека может выбирать корректное количество кадров кодека AMR, чтобы заполнять размер радиоблока, управляемый по выбранной MCS, так как выбранный режим кодека AMR, предоставленный модулю 84 разбиения на кадры кодека, также управляется по выбранной MCS. Пакеты VoIP предоставляются базовой станции через контроллер BSC.
Ссылаясь на фиг.8, мобильная станция 30 выполняет аналогичные функции для восходящей линии связи, так как восходящая линия связи и нисходящая линия связи могут иметь разные схемы MCS. Мобильное устройство включает в себя селектор 50 режима кодека AMR, который принимает выбранную MCS восходящей линии связи для этого TBF. MCS восходящей линии связи определяется селектором 34 MCS в BSC и посылается станции MS, как показано, в общем, на этапе 51. Выбранный режим кодека предоставляется кодеку 52 AMR, который кодирует принятую речь VoIP. Выходной битовый поток разбивается на кадры в средстве 54 кадрирования кодека AMR согласно выбранному режиму кодека, как объяснено выше для нисходящей линии связи. Кадры кодека AMR формируются в пакеты VoIP, которые затем сохраняются в очереди 58 данных TBF. В отношении этих пакетов выполняется канальное кодирование и модуляция согласно выбранной MCS. Модулированные данные формируются в блоки радиопередачи, которые передаются по временным слотам, идентифицированным планировщиком 40 временных слотов.
Рассмотрим один пример, где приложение VoIP в мобильной станции или узле IMS выбирает режим кодека VoIP, чтобы кодировать 20 мс речи VoIP в кодированные биты VoIP. Более высокий режим кодека означает более хорошее качество речи, так как большее число битов переносят 20 мс речи VoIP. Последующая таблица 2 включает в себя пример, соответствующий EDGE, для разных режимов или скоростей кодека AMR.
Таблица 2
Режим/скорость кодека AMR
4,75
7,95
12,65 WB
12,65 WB (2 кадра AMR на пакет IP)
Битов на кадр речи AMR (20 мс) со служебной информацией заголовка
224
288
376
640
Следующая таблица 3 показывает самую младшую MCS, которая может использоваться и все еще умещает пакет IP с двумя речевыми кодированными кадрами речи для разных количеств временных слотов (например, 0,5, 1, 1,5 или 2), используемых, чтобы передавать 20-мс радиоблоки, ассоциированные с этим пакетом. Если используется меньшее количество временных слотов, то должна использоваться более старшая MCS, имеющая более высокий битрейт, чтобы адекватно передавать такое количество данных. Посредством добавления большего количества временных слотов может использоваться более низкий битрейт, более ошибкоустойчивая MCS. Таким образом, таблица 2 показывает, сколько временных слотов необходимо для заданного режима MCS. Для MCS1 и AMR 4,75 достаточно одного временного слота, таким образом, нет необходимости использовать 1,5 или 2 временного слота, так как все данные для 20-мс периода умещаются в единичный временной слот, посылаемый в течение этого 20-мс периода радиоблока. Большее число временных слотов может быть необходимо для AMR WB 12,65. Следовательно, если условия радиосвязи ухудшаются, требуя более младшей MCS, планировщик временных слотов может увеличить количество временных слотов, используемых, чтобы поддерживать битрейт, предоставляемый выбранным режимом кодека. Иначе, когда условия радиосвязи ухудшаются, скорость кодека должна быть уменьшена, чтобы успешно передавать данные VoIP.
Таблица 3
Режим AMR
Используемые временные слоты
0,5
1
1,5
2
AMR 4,75:2 упакованных кадра/пакет IP≥320 битов в пакете IP
MCS 5
MCS 1
-
-
AMR WB 12,65:2 упакованных кадра/пакет IP≥640 битов в пакете IP
MCS 7
MCS 5
MCS 2
MCS 1
Следующая таблица 4 показывает средний размер пакетов для двух разных режимов кодека AMR: AMR 4,75 (узкополосный (NB)) и AMR 12,65 (широкополосный (WB)). При большем количестве кадров, включаемых в пакет IP кодеком, размер пакета увеличивается, но за счет уменьшенного битрейта. Количество кадров на пакет IP выбирается вплоть до максимального конфигурируемого предела, базируясь на максимальном количестве кадров AMR на пакет IP, которое размер блока MCS может вмещать. Это тогда является компромиссным соотношением между временем, чтобы буферизовать речь на посылающей стороне, и использованием емкости радиосети.
Таблица 4
Кодек речи
AMR 4,75 (NB)
AMR-WB 12,65 (WB)
Кадров на пакет IP
1
2
3
1
2
2
Данные речи [биты]
112
208
312
264
528
787
Средние заголовки IP [биты]
32
32
31
32
32
32
LLC+SNDCP [биты]
80
80
80
80
80
80
Средний размер пакета
224
320
424
376
640
896
Средний битрейт [килобит/с]
11,2
8
7,1
18,8
16
14,9
При отсутствии координации между более низким уровнем (уровнями) протоколов, который управляет выбором MCS для каждой передачи радиоблока и выбором режима кодека VoIP, осуществляемым на более высоком прикладном уровне протоколов, на соединение VoIP оказывается неблагоприятное влияние либо из-за неэффективной доставки речи, либо доставки речи низкого качества. Например, предположим, что кодер VoIP выбирает режим кодека низкого качества/низкого битрейта, базируясь на событиях предыстории: 224 бита генерируются для 20 мс речи. Предположим, что селектор MCS выбирает для этих 20 мс старшую MCS-7, базируясь на текущих условиях радиосвязи, так что 897 битов доступны для использования. Если приложение VoIP не знает об этой более высокой емкости, используются только 25% из доступных 897 битов. Слушающая сторона могла бы иметь намного более хорошее качество речи без дополнительного расхода полосы пропускания.
Чтобы достичь более хорошего результата, может использоваться одна из нескольких конфигурируемых альтернатив. Например, кодер VoIP уведомляется о доступности передачи MCS-7 и, таким образом, переключается с AMR 4,75 на AMR 12,65 WB. В этом случае для 20-мс периода речи генерируются 376 битов вместо 224 битов. Эти биты речи посылаются немедленно в одном временном слоте с 1 кадром AMR на пакет IP. Как результат, приемник принимает более хорошее качество речи без дополнительных "накладных расходов" для системы. Альтернативно кодер VoIP может уведомляться о доступности передачи MCS-7 и, таким образом, переключается с ARM 4,75 на AMR 12,65 WB. В этом случае для 20-мс периода речи генерируются 376 битов. Кодек AMR также переключается, чтобы упаковывать 2 кадра AMR в каждый пакет IP. Как результат, в течение 40-мс периода речи генерируются 640 битов. Эти 40 мс речи затем посылаются с помощью одного радиоблока (например, одного 20-мс 1 временного слота). По сравнению с первым сценарием емкость системы удваивается, так как речь посылается только в каждом втором периоде радиоблока в этом временном слоте (при малых затратах в виде 20 миллисекунд дополнительного времени буферизации).
Рассмотрим другую проблематичную ситуацию, где кодер VoIP выбирает кодек с высоким битрейтом, 12,65 WB, базируясь на событиях предыстории, соответствующих 376 битам на 20 мс речи. С другой стороны, селектор MCS выбирает минимальную MCS-1, базируясь на текущих плохих условиях радиосвязи, которая может доставлять только 176 битов. Но, так как кодер речи в приложении VoIP не знает об этом ограничении MCS, пакет IP прибывает к модулю управления пакетами с 376 битами. Даже если модуль управления пакетами может адаптировать и предоставить два временных слота для соединения, это только обеспечивает емкость в 352 бита, что все же меньше, чем необходимые 376. Как результат, передача запаздывает за скоростью, на которой генерируются данные, давая результатом недогрузку буфера и речь более низкого качества для слушающей стороны.
Эта проблематичная ситуация обрабатывается лучше посредством применения технологических подходов, здесь описанных. Например, кодек AMR уведомляется о выборе MCS-1, переключается на AMR 4,75, упаковывает 2 кадра AMR на каждый пакет IP и, таким образом, генерирует 320 битов каждые 40 мс. Эти 40 мс речи могут затем посылаться по двум периодам радиоблока, каждый несущий 176 битов, т.е. 2×176=352 > 320. Как результат, речь продолжает течь без прерывания от мобильной станции говорящей стороны.
Таким образом, имеется важное взаимодействие между текущей MCS и режимом кодека речи. Так как кодеку предоставляется выбранная MCS, он может делать соответствующие адаптации режима/скорости. Количество кодированных кадров VoIP, включаемых в пакет VoIP, намеренно выбирается, чтобы заполнять блок радиопередачи при заданном выбранном режиме кодирования речи и выбранной MCS.
Также могут делаться другие регулировки, чтобы обеспечивать ошибкоустойчивость и/или лучшие рабочие характеристики соединения VoIP или чтобы увеличивать полную емкость системы связи, поддерживающей соединение VoIP, так же как и другие соединения. Для улучшенной ошибкоустойчивости режим кодирования речи VoIP может выбираться при более низкой скорости данных, чем та, которую определенная MCS может поддерживать, и/или может выбираться MCS, которая младше, чем MCS, определенная текущим условием радиосвязи. Если система радиосвязи является типом системы множественного доступа с временным разделением каналов (TDMA), таким как GPRS и EDGE, на один временной слот больше, чем определенное количество временных слотов, необходимое, чтобы передавать пакет VoIP, также может использоваться, чтобы улучшать ошибкоустойчивость.
Фиг.9 и 10 показывают два разных примера, которые показывают соотношение между условием радиосвязи (C/I в дБ) MCS и количеством используемых временных слотов. Фиг.9 предназначена для режима AMR 4.75 при 2 кадрах AMR на пакет, и фиг.10 предназначена для режима AMR 12.65 при 2 кадрах AMR на пакет. Пунктирная линия показывает MCS, которая может быть выбрана при каждом C/I. Сплошная линия показывает, сколько временных слотов необходимо для этого конкретного режима MCS для кодека и количество кадров AMR на пакет IP. Эта речь посылается немедленно в одном временном слоте. Как результат, приемник получает более хорошее качество речи без дополнительных накладных расходов для системы.
Таким образом, могут делаться многочисленные регулировки, чтобы увеличивать емкость и/или надежность соединения VoIP. Когда условия радиосвязи ухудшаются, может выполняться одно или более из следующего: понижение MCS, понижение скорости кодера речи VoIP, увеличение количества временных слотов и/или регулировка количества кадров кодера речи VoIP на пакет IP, чтобы заполнять радиоблок для выбранной MCS и выбранной скорости кодера речи VoIP. С другой стороны, когда условия радиосвязи улучшаются, может выполняться одно или более из следующего: увеличение MCS, увеличение скорости кодера речи VoIP, уменьшение количества временных слотов и/или регулировка количества кадров кодера речи VoIP на пакет IP, чтобы заполнять радиоблок для выбранной MCS и выбранной скорости кодера речи VoIP. Могут использоваться и другие регулировки.
Хотя были показаны и подробно описаны различные варианты осуществления, формула изобретения не ограничивается каким-либо конкретным вариантом осуществления или примером. Например, может использоваться любой кодек. Примеры альтернативных кодеков включают в себя: G.729, G.729a, G.723.1, использующий алгоритм MPC-MLQ, G.723.1, использующий алгоритм ACELP, G.711, iLBC, RCU расширенный iLBC, G.729 или G.723.1, расширенный G.711, iPCM-wb, iSAC и т.д. Ничто из вышеизложенного описания не должно интерпретироваться как имеющее следствием, что какой-либо конкретный элемент, этап, диапазон или функция является существенным, так что он должен быть включен в объем формулы изобретения. Объем патентуемого технического решения определяется только формулой изобретения. Широта правовой защиты определяется словами, изложенными в приложенных пунктах формулы изобретения и их эквивалентах. Следует понимать, что это изобретение не должно ограничиваться раскрытым вариантом осуществления, но, напротив, предполагается, что оно охватывает различные модификации и эквивалентные конфигурации.