CN1259244A - 用于控制电话中的时间分集的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一个无线电电话系统,其中利用时间分集改进话音通信的质量。可变时间分集引进该发送的信号中使得在较差的通信条件下存在相对更长的延时。可变的时间分集能够通过可变深度交错产生,或通过使用以足够的时间偏移操作的两个TDMA时隙产生,以便在两个信道中产生的误差不相关。

Description

用于控制电话中的时间分集的方法和装置

本发明涉及用于控制在无线电话中的时间分集的方法和装置。

具体地说，本发明在其中功率分配不宽余的个人卫星系统、信号电平有时不足的陆地通信系统以及打算改进话音通信的可靠性的每个系统中具有应用前景。

到达手持终端的卫星通信遭受由信号盲区以及多径衰落所引起的已收信号功率的强烈变化的影响。由在传播路径中的阻挡物，例如建筑物、桥梁、树所引起的卫星信号的局部盲区会导致在整个信号带宽上的衰减。对于低卫星高度来说，覆盖面积是大于高度的。由于卫星信号的接收不仅通过直接路径而且来自环境中的物体的反射之后的路径，所以发生多径衰落。由于其传播距离不同，所以多路径的信号能够劣变性地相加而导致一个深度衰落。除了衰落深度统计之外，衰落持续时间的分布主要对于信道的可用性有影响。虽然统计结果可能会变化，但是在上行链路和下行链路方向中出现的效果相似，特别是在FDD传输中的双工距离特别大的场合尤其如此。

因此，对于所有的类型的陆地移动卫星系统来说，在卫星和移动终端之间通信链路是从地球到卫星再到地球的整个传输路径的最关键的部分，并且限制整个系统的性能。而且，手持系统更多的问题是由头部效果和接近全向天线所引起的。

在大多数用于手持个人卫星通信装置的卫星无线环境中，高频衰落过程是重叠在低频盲区过程上的。能够被区分的相当“好”和非常“坏”的信道周期有许多dB的平均电平差。好的信道状态对应于这颗卫星的无障碍视界的区域(非盲区的区域)以及较少的无多路径恶化。坏的信道状态表示该直接卫星信号被阻挡物遮盖和/或者受多径衰落严重影响的区域。

在许多现有系统中，使用两个或多个路径分集，以便改进系统性能。本发明所涉及的是转播的变化性，或单一路径的冗余度。

时间分集技术也在已知系统之中使用。已知时间分集技术的一个实例被应用在GSM中，其中通过交错技术把话音帧的内容扩展在若干TDMA时隙之上。这将使得已收信号可以被重建并且已经和话音帧比特一起发送的FEC(前向纠错)信息被随后用于校正已经被多径衰落或干扰所恶化的任何部分。进行交错的主要缺点是，为了成功地保护抵消多径衰落的重要的电平，必须使用深度交错：即导致在话音通信中有一个实质上的延迟。由于损失在双工谈话中的交互性，所以长延迟降低了感觉上的质量。虽然在该实例中的延迟主要由卫星路径长度而不是由精心设计的交错和处理所设置的，但是使用在某些通信电路中的这种长延迟的效果的很极端的例子在多卫星路径中是公知的。

在另一已知时间分集技术中，将语言信号的两个(或更多的)表象根据无线电波传播路径的相关特性而由一个适合时间被分时地发送。在该实例中，该接收设备简单地以逐个时隙或逐帧为基础选择最小恶化的发送并且重建该伴音路径；在该伴音路径中引入的延迟是常数并且至少等于在第一和最后的抽样之间的延迟。

更复杂的技术可以被加到前面的例子的任一个，或以某种方式可以把这些技术进行组合，并且如果信令表明该第一发送被成功地接收的话，则第二抽样或相关的FEC数据的发送可以被抑制。RACE ATDMA方案使用一种基于ARQ类型II的技术(自动重复请求)。第二抽样的选择传输的优点是降低对于系统/网络资源(例如功率以及频谱)的要求。

还注意到，该不同时间的分量被正常地从同一个发射机发送到接收机，尽管该发射机可能使用“天线分集”，并且Qualcomm公司CDMA使用类似于用于微小区操作的一种技术。第二发射机和/或者天线场地的使用提供路径分集而不是直接的时间分集。但是，如果该第二发送仅当该第一发送被发现将要被恶化时才实施(即ARQ)，则本发明能够被应用。

根据本发明的一个方面，其中提供一种在发送的信号中使用时间分集无线电电话通信的方法，根据该方法，该时间分集根据无线电波传播条件从在差的条件之下的相对长的延时到在好的传播条件之下的相对短的延时或零延迟而变化。

根据本发明的另一方面，提供了在无线电电话通信系统中的设备，包括在一发射台的用于引入时间分集的装置、在一接收机站的用于探测接收信号的质量的装置、以及在该发射台的及根据在接收机站检测的通信质量而改变分集的延时的装置。

所以，本发明的本质是要提供一种其中的时间分集可以根据实际的无线电波传播条件而变化的技术，范围从零分集到在公共网络中对于双工话音操作来说通常认为很极端的延时：例如长达几秒钟。

简单地说，该时间分集在话音期间是自由地可变的，并且总体语音延迟类似地变化使得在更有利的条件之下延迟语音，并且这种延迟的用户感觉被认为是最小的即不可察觉的(通常认为是小于40ms)。在更坏的条件之下，将延迟增加以便使得新加的分集增益保持至少可理解的通信。增加延迟的概念理解上并不非常困难，如果事实上只需要插入一个消音周期。如果该需要的增加是累进的，并且能在几秒钟的期间上实现，则用户的感觉和反应不严重。所以，插入的延迟需要智能地执行，并且其中可能通过在话的结束或者其它少敏感的部分插入消音或最好进行选择帧的重复而逐渐地实现插入。

当条件改进时，减小延迟的概念是更主要的，但是最有益的是有可能简单地通过省略选择的话音帧或选择的话音方案缩短一个话音周期。某些自然的消音周期也可以被省略。简单的试验表明，由于省略话音的选择部分而损失的清晰度是最小的；由于暂态特性，感觉到的质量损失大半未被察觉，否则，由于不充足的延时分集，感觉则是话音的完全损耗。

将参照附图进一步描述本发明：

图1示出可以应用本发明的三个卫星线路的可能形式，

图2是可变的通信质量的一个无线电话路的图解表示，

图3是在该通信信道中的发送的帧的一个示意图，

图4是关于引进到一个传输信道中的时间分集的示意图，

图5和图6是结合可变时间分集的两个通信系统的方块图，以及

图7示出信道过渡的例子。

该描述的方案的本质是使用时间分集技术以便缓和抵消差信号，即该时间分集是根据实际的无线电波传播条件而被适应的。该目标是减小引入延迟，范围约从范围约从低或零分集(在好的条件之下)到在公共网络中对于双工话音操作来说通常认为很极端的延时(例如长达几秒钟)，以便保持最基本的通信功能。在许多实场合，需要把推迟扩展到这样高的级别只是临时的，而且虽然其对用户引起一个小问题，但是到目前为止其不象话音通信的严重中断(即使只是短时的)那样令人讨厌。描述的系统增加在两个电话之间的一个通信链路的性能，其中至少一个是卫星或双模式(卫星和蜂窝)电话机。

图1提供三个可能的网络连接：

(a)卫星电话机用户1通过卫星4、陆地基站5和地面地球站6与陆地的或陆上移动网络3中的一个用户站2通信。该用户站2可能是任何有线或无线电话。

(b)卫星电话用户1与一个卫星电话机用户7通信。对话直接地从一个用户站到另一用户站。利用以8注明的一个控制信道，陆地地球站6控制在两个电话机之间的延时更新。

(c)卫星电话用户1与一个卫星电话机用户7通信。在电话机之间的对话和延迟更新控制由地面地球站通过控制信道8建立。

根据实际的无线电波传播条件，描述的系统用法可变时间分集。通常，一个高频衰落过程叠加在一个低频盲区过程上。作为建议技术的第一方案，是使用可变时间分集，以便应付低频衰落过程(桥梁、电线杆、树)。

在本描述中只考虑时域分集(即没有卫星分集、频率分集、天线分集)，尽管可以与这些分集的一个或者多个结合。

延时(分集)随着测量的信道质量改变，并且以一个受控的方式执行变换以便减小可察觉的音响效应。

延时分集可以至少两个不同方式实现：

i)通过使用两个单独的信道，例如在一个TDMA发送中的两个时隙或在CDMA中的两个码。(还可以使用两个单独的FDMA信道。)

ii)通过把有效的FEC相加到数据，并且分割该数据使得其充分地交错，以便在错误保护发送(例如GSM话音)的局部损耗(例如到40％)的情况下实现全部恢复。

第一个连接(图1(a))是用于卫星电话机用户的最通用通信链路。主系统的解释将基于该通信链路。进一步的解释将针对其它两个通信链路给出。卫星电话用户1通过地面地球站6与用户站2通信。该用户站2可能是任何有线或无线电话。误码率BER)性能增强装置是这部卫星电话机的一部分。在另一端，相似的装置可能放在卫星地面地球站。

用户能够占据一个以上的在TDMA格式中的时隙用于发送的目的。考虑第一个“坏”信道带有一个固定延迟，随后是两个过渡，从“好到坏”以及“坏到好”信道(图2)。在一个好的信道中，该延迟能够被降低到低值或零值，以及如果期望的话，该第二发送完全被抑制以便避免信道容量的使用的浪费。

为了解释的简单，假设包含在第二(延迟的)信道中的发送只不过是第一信道的重复。但是，实质上的进一步优点是通过使第二频道作为第一频道的编码的变量获得的(例如使用FEC原理使得第一和第二频道能够被解码为一个合成组合。

图3示出对应于以TDMA格式用户终端发射的一个实例帧结构，并且占据六个时隙的一帧中的第三时隙。每个时隙6.67ms长。整个帧是40ms长。建议使用重发时间延迟至少该帧持续时间(40ms)，使用在一个随后帧中的一个单独的时隙，例如在N个发送的帧中的第六时隙(如图3所示)，对应于在该N-K帧中的第三时隙的重发。

在任何单时隙期间，衰落或信道特性被认为是可感知的常量。结果是，在深度衰落中或在好的信道状态之下能够接收一个或者多个时隙。为了应付长衰落的问题，引入的时间分集是帧持续时间的整数倍(由于时隙位置加或减一倍，其被认为是无关重要)。在随后情况中考虑t_d＝kT_F的重发延迟(K＝1，2....k_max以及T_F＝帧持续时间，见图4)。由于短衰落所引起的较快的变化实际上已经由更多个常规正向误差编码补偿，不引入任何实质上的延迟。

信道质量是以一取值在区间[0，1]的参数q为特征的。q＝0对应于最坏情况(“坏”信道)，接近于该通信链路的截止点(对于话音解码器来说一般对应于4％BER截止点。能够通过RF测量估计参数q，以话音解码器或由其它装置进行的话音帧的估价将被描述。

如果在该接收机的话音解码器测量的质量q大于一可变门限b的话，则不需要在k帧之后的时隙重发，并且能够降低k。但是如果信道质量降低，则需要通过增加k来增加该重发延时。

在图5中，矩形10是结合在地面地球站6的发射机中的一延时处理机，而矩形12是结合在地面地球站6的接收机中的一延时处理机。处理机10从话筒13以及模拟-数字转换器14接收信号，并且传送一个输出信号用于从一个天线15发送。处理机12从天线16接收信号，并且接收机17传送一信号到陆地的或陆上移动的网络3。

首先针对k是常量的情况描述图5。来自处理机10中的话音编码器18的输出被馈送到直接路径A和延迟的路径B，以移位寄存器或类似延迟元件22的路径B延迟，其中发送的数据被临时存储。图中5的同一个方块被用于卫星移动电话机。延时是帧t_d＝KT_F的一个整数，由卫星网路设置并且使得重发时隙6中的时隙3，如以23注明的那样。来自卫星移动电话机的发送时隙和其延迟的型式被馈送到在地面地球站的处理机12中的两个独立的话音解码器24、25。但是，在被输入到该两个话音解码器之前，例如使用数字延迟线或移位寄存器26，通过按照需要相加延迟而去除这两个信号中的差分时延。话音解码器24、25随后以相同的时域操作并且其输出以减小劣变的数量或减小输送到接收者的话音帧的方式在组合器27中组合。组合器27能够是一个切换功能的装置，即其能够被更紧密与该话音解码器结合，以便通过这两个解码的信号的智能组合进一步提高接收机性能。

假设一个固定的延时t_d来继续描述一个引入的延时重发改进话音质量的原因。在图5中，考虑馈送到话音解码器25的直接路径A和馈送到话音解码器24的延迟路径B。P[A]定义为在直接路径A中的话音帧误差的概率，P[B]定义为在时间延迟路径A中的话音帧误差的概率，以及P[C]定义为组合器的输出的话音帧误差的概率。假定系统操作在稳态中(“坏”信道或“好”信道)。在该简单的情况中该组合器27是一个切换器。如果信道是“好”，则不需要信号重发，所以

                      P[C]＝P[A]

如果路径A是“坏”并且在路径A中的话音解码器25的性能下降，则组合器27切换到展现下面误码率性能的另一个路径B：

                      P[C]＝P[B]

希望该P[B]＜P[A]。如果组合器27能够从路径A和B选择较好的语言信号、如果这两个路径中的误差完全不相关，则这种转换组合将有明确的好处。已知的是，如果相同的信号在两个不相关无线电频道中发送，则两个接收信号将蒙受不同错误的影响。在理想情况中，在话音解码器(图)的输出的组合信号的误差概率(图5)是：

                      P[C]＝P[A，B]＝P[A]xP[B]

在一个高斯信道中，这相当于在峰值信号功率中的3dB增加。

即使在其中不存在完全不相关误差过程的不理想的情况中，比特误差的位置，即在输入到话音解码器的两个路径时隙里面的比特误差的位置将趋向随机而非确定。因此在可得到两倍信令信息能量的简单的事实的基础上，有各种组合的可能性得益于第二时隙。在一个简单实施方案中(即在话音解码器输出的简单切换组合)，有可能存在相当于3dB额外的波峰群载波功率的一个改善。在更复杂的实施方案中(例如通过在话音解码器(S)之前的优化FEC编码增益技术进行组合、以及即使在话音解码器(S)的结构中的可能的优化的组合)，也许达到相当8dB的功率增益。优化组合、与FEC以及静态的分集技术结合是已知原理而非本发明的主题，但是需要可变分集使用的完全开发。

进一步，针对一个可变的延时情况描述图5。由延迟线26施加的延迟根据从延迟控制器32馈送的可变延迟信号而变化。为了解释的目的，假设使用一个简单的转换组合器27管理可变延时的方式而没有显著的用户觉察。延迟是变化的帧整数t_d＝(k x T_F)，由质量检测器30设置，在一个反馈路径28上提供一个快速控制信道到在该卫星电话机中的延时控制器(对应于32)，到以及在该卫星电话机中的一个数字延迟线(对应于22)。馈送到延时控制器32和数字延迟线22的信号从该卫星电话机中的一个质量检测器(对应于30)得到。

延时控制器32在范围[0，k_max x T_F]中变化，其中k_maxT_F是最大的x引入延时值。在直接路径A的解调信号被馈送到一个由延时控制器32驱动的、施加延迟k_maxT_F(K＝0，...，k_max)的可变数字延迟线26，然后馈送到话音解码器25。话音解码器24和25的输出被馈送到先前描述的组合器。

在地面地球站的接收机/发射机和卫星电话的发射机/接收机之间用于通信延时更新t_d的实际机制不需要详细描述，但是可能要描述根据一个编程、具有高保护的系统时钟序列、嵌入在一个快速控制信道(图5)或正常话音信道(图6)中的低比特率命令。图6中，对应于图5的那些部件具有相同的参考数字。反馈路径28上的输出馈送到卫星电话机中的数字延迟线(对应于22)，并且该数字延迟线22从该卫星电话机中的质量检测器(对应于30)接收一个信号。由数字的延迟线施加的延迟t_d由延迟的量值(N比特)表示，它由质量检测器30控制。在处理机12中，N比特控制器33得到k的量值并且控制延迟控制器34，得到馈送到数字延迟线26的延迟t_d。

所描述系统的一个特点是，当信号被劣变(以及控制信道变得不可靠)时，增加延迟的实际机制是固有地强健；反向机制(即消除延迟)要求更可靠的控制，在好的辐射条件中当然可得到可靠的控制。对于频分双工(FDD)传输系统来说，在卫星电话机的发射机的延迟值t_d能够通过由地面地球站信道质量检测器控制的一个快速相关的控制信道(图6)更新。类似地，地面地球站的发射机引入的延时由卫星电话接收机的信道质量检测器控制。对于时分双工(TDD)传输系统来说，卫星电话发射机的延时能够由在接收机的信道质量检测器控制。对于地面地球站也是一样。

随着信道质量q(图2，q0)的降低(从“好”到“坏”信道的过渡)，延时t_d以相等于一个帧的整数的时间步长增加。假定该增加是k x T_F持续时间。在陆地地球基站/卫星电话机一旦收到延迟更新，则在该发射机卫星电话/陆地地球站延迟线中的以前的话音时隙立即被重复K次(另外，能够引入某些舒适噪声，可以直接地由话音解码器在识别一个“重复”或“延伸”码时引入)。这就导致陆地地球基站/卫星电话的接收机的时隙被反复地馈送到话音解码器24。尽管瞬态变化可能意味着话音解码器24的输出需要几个话音帧才能正确地再生话音，但是解码器24使用该延时的更新值(新时域)操作而没有显著的人工失真。用于增加延时的信息比特可以由一个快速控制信道(图5)传送。只要陆地地球基站/卫星电话机在路径B接收到重发的时隙(使用更新时间延迟)，就将延时更新用于路径的数字延迟线。所以，两个语音解码器都操作在同一时域。另外，(如图6中所示)，用于增加延时的信息比特(例如n比特)可以在路径B中的时隙本身之内传送，并且当这些比特被设置时，在该接收机的延时控制器能够被增加k x T_F，因此通知路径A的数字延迟线通过重复到卫星电话的发射机延迟元件的一个时隙或以类似方式重复舒适噪声增，以便增加其延迟。但是，“延伸”的位置可以选择：例如

i)能够在陆地地球基站/卫星电话的接收器加到延迟元件的输出。这意味着语音解码器25的域以语音解码器24相同的瞬间准确改变，并且具有使得组合器如同以前一样地自由地操作的好处。

ii)能够在数字延迟元件中、甚至在开始的时候、或甚至在一个自适应基础上较早引入延迟，以便选择话音的一个非关键部分(例如消音部分)。这意味着语音解码器25的域比语音解码器24的域被改变得更迟(达到k x T_F)。在这个时期，组合器不能在不引起听觉的人工失真的情况下自由地切换，仅仅是能够在一合宜的瞬间，例如在无声音素期间产生从语音解码器25到语音解码器24的单一切换。

如果延迟被增加一个实质的帧数，则i)的情况可能是最好的，并且与一个快增加(100ms)、慢减小(＜100ms)的延时控制策略相称。该用户随后将听到一个消音周期，(即人工干扰或最后的100ms的重放)等于在延迟中的增加：所以该用户根本不可能丢失任何话音，而只是一个暂停或中断的感觉。

下面是“好”信道到“坏”信道过渡的一个实例。图7的上部显示在卫星电话的接收器的延时增加的效果。假定延时具有的值t_d＝k xT_F(K＝2)，更改为K＝4。在此情况中，在语音解码器24开始以K＝4的更新时域操作之前，帧N-1和N帧的时隙3能够被再一次接收(在陆地地球站的N-1、N帧的第二重新发送，覆盖图7中的区域)或舒适噪声被放在路径B上。因此，N+1帧的时隙3被以更新时域k’＝4重新发送。

从“坏到好”的过渡(即延迟降低)将只正常地出现在卫星电话的接收器的A和B路径都展现低误差率时。因此能够得出系统地以小步骤降低延时的策略，直到延迟t_d＝k’T_F的期望的新数值被达到为止。延迟的降低不可避免地包含话音信息的损耗，但是本发明的一个特点是，话音的删除部分应该是选择对于受话者来说是很少的值，例如短消音或非语音声。除了延时的正常降低之外，某些系统可以设置为快速压缩该延迟，例如当扬声器已经明显停止、或许等待来自受话者的一个响应时。

在从“坏”信道到“好”信道的过渡期间(图2，q1)，路径B中的传输延迟被降低。这导致卫星电话接收机丢失一个(或多个)时隙。假设在发送数字延迟器件(地面地球站的发射机)的输出丢失这些时隙，则语音解码器24(在卫星电话的接收器)将经历一个域中的突变，在此之后其可能需要几帧以便恢复正常解码。因此该接收器组合器应该被切换到语音解码器25直到至少语音解码器24已经回到了正常稳定的操作。此时组合器可以切换到操作以较早域中的语音解码器24(在卫星电话的接收机)。该切换可以被定时，以便出现在消音或话音的一个非关键部分期间。如果是以单步执行该降低，则定时是非决定性的，而对于延迟中的较大步骤降低则需要关注定时。现在可以减少路径A的接收器延迟器件为帧的相同的数，在短周期之后，语音解码器25将重新稳定并且操作在与语音解码器24相同的域中。另外，接收机延迟器件可以降低到一个大于帧数的数目，使实现该总时延被进一步降低。

下面是“坏”信道到“好”信道过渡的一个实例。图7下部显示在卫星电话的接收器的延时增加的效果。假定延时具有的值t_d＝kT_F(K＝4)，更改为K＝2。在此情况中，帧N+1、N+2的时隙3不能被已收(图7中的覆盖面积)。随后组合器不得不依赖语音解码器25。在此情况中，信道质量改进(坏到好的信道状态转移)，并且语音解码器25能够传送好的语言信号到电话机用户。

在零延迟操作期间，路径B实际上是冗余的，并且发送可以完全抑制。但是如果其被保持，则或许具有一个大约200ms的缺省延迟，随后接收器的组合器和质量检测器总是有时机从路径质量的突然恶化中恢复。

前述的描述已经假设使用在单一TDMA发送中的两个时隙(并且可以同样地被用于在TDMA中的独立码或在FDMA中的单独的频率)。另一实施方案(需要可变技术以便从头设计发送方案而不是对于现有的划定系统相加)能够使用单一(更高容量)时隙，该时隙以在随后的时隙之间的交错FEG保护比特所细分。该技术的一个形式已经使用在GSM中。但是，时间变化性能够通过改变交错深度而被引进，并且在增加和减小交错深度期间结合域管理技术。

Claims (11)

1.一种在发送的信号中使用时间分集无线电电话通信的方法，根据该方法，该时间分集根据无线电波传播条件从在差的条件之下的相对长的延时到在好的传播条件之下的相对短的延时或零延迟变化。

2.根据权利要求1的方法，其中该时间分集根据发送信号中的交错的一个可变深度变化。

3.根据权利要求1的方法，其中该时间分集通过以时间偏移在发送信号中结合至少两个TDMA时隙而变化。

4.根据权利要求1的方法，既使用根据权利要求2的可变深度交错又使用根据权利要求3的时间偏移TDMA时隙。

5.根据前述的权利要求任何一个的方法，其中的通信通过一个地球卫星。

6.一种在无线电电话通信系统中的设备，包括在一发射台的用于引入时间分集的装置、在一接收机站的用于探测接收信号的质量的装置、以及在该发射台的用于根据在接收机站的被检测的通信质量而改变分集的延时的装置。

7.根据权利要求6的设备，其中用于在该发射台引入时间分集的装置包括用于在该发送的信号中改变交错的深度的装置。

8.根据权利要求6的设备，其中用于在该发射台引入时间分集的装置包括用于在发送的信号中以时间偏移操作至少结合两个TDMA时隙的装置。

9.根据权利要求8的设备，其中在发射台用于引入时间分集的装置包括一个从语音编码器到帧序码发生器的一个直接路径，以及从所说的语音编码器到所说的发生器的一个并行路径，结合这些装置用于引入一个帧的整数延迟。

10.根据权利要求9的设备，其中该接收器站包含跟随有一个信号组合器的两个语音编码器，一个语音编码器用于通过一个帧缓存器接收发送的信号，而另一语音编码器用于通过由延迟控制器监控的延迟线接收发送的信号。

11.根据要求10的设备，其中在该接收机站用于检测接收信号的质量的装置包括响应组合器的输出的一个质量检测器。

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