CN1299205A - 优化跨越多个互连网络传输的移动无线通信的方法 - Google Patents

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Abstract

一个电信系统,经由互接发端网络与收端网络的中间网络传输实时信息业务。该发端网络包含一始节点。其编/解码器用于执行数字无线帧到数字有线业务的无线专用转换。中间网络包含一发端端接口节点,以跨越中间网络传输。优化在发端和收端单元之间传输通信的实现是通过传送数字无线帧时,不在发端网络的始节点执行无线专用的转换,也不在中间网络的发端端接口节点执行压缩转换,这样,信息业务流量率就可达到最大。

Description

优化跨越多个互连网络 传输的移动无线通信的方法
本发明涉及无线通信，包括通过蜂窝电话系统的移动无线通信。本发明还涉及跨越多个网络的实时(如话音、多媒体等)通信。尤其是，本发明涉及一种优化从一个移动无线单元到另一个移动无线单元，或从一个移动无线单元到一个有线单元，跨越多个互连网络，特别是在面向电路的话音网络和实现无连接网络层数据报传送的数据网络之间传输的实时通信的方法。
目前已相当重视跨越计算机数据网实现实时通信，特别是在公众交换电话网(PSTN)来回传输话音业务的能力。相关的注意力也放在使用所谓的话音经IP(VoIP)方案以便于发端和收端PSTN端点之间的话音通信，利用因特网进行长途通信而基本上绕过PSTN。提出的类似建议有作为ATM分组在异步传输模式(ATM)网络上传输话音业务(VoATM)。
传统的，话音呼叫整个地在端到端、基于电路的PSTN上传输。对于PSTN旁路应用，已建议PCM话音业务被处理成IP(或ATM)分组，在因特网(或ATM网络)上传输，接着处理回PCM话音。为便于这种呼叫传输，发端和收端的端局(EO)交换可连接到驻留在IP(或ATM)网络上作为主机的PSTN/IP(或PSTN/ATM)网关。根据被叫号码或其他信令指示，EO交换通过IP(或ATM)网关，而不是通过PSTN传送特定的呼叫。
如果上述的VoIP拓扑结构不仅能为有线用户使用，而且能为移动无线电话用户所用那就很理想了。例如，互连一移动交换中心(MSC)和一IP或ATM网络的无线网关就能使无线业务在PSTN外传送。然而，由于无线传输条件下存在固有的时延，这会引起效率低下。这些时延在数字无线系统中特别严重，因为移动无线电单元中的话音编/解码器(声码器)用于量化(和压缩)固定持续时间(如，20毫秒)的模拟话音信号。采样的输入被转换成相应的数字无线帧，以根据无线专用的话音编码标准(如TDMA(时分多址)、CDMA(码分多址)或GSM(全球移动通信系统)中的一个算法)通过空中接口传送。在MSC(或基站)的接收端的声码器解压该数字无线帧，并根据诸如PCM(脉冲编码调制)的未压缩时的编码格式将信息转换成数字有线业务。如果PCM业务被传送到发端PSTN/IP网关以跨越因特网传送，那么话音编码操作通常会再执行，以压缩该信息用于改进IP传输效率。收端PSTN/IP网关接着会将压缩的信息再转换回未压缩的PCM业务，以发送到收端EO。总之，在移动无线单元和远端有线单元之间的每次传送上有4个话音编码步骤。如果远端单元为另一个移动无线单元，那么要执行6个话音编码操作。由这些话音编码操作产生的时延对用户来说可能不能接受。
由此，在移动无线通信系统中需要一种优化跨越多个互连网络传输、却不存在上述的低效率问题的话音或其他实时无线通信的方法。所需要的这种通信方法能消除与重复的编/解码(如话音编码)步骤相关的额外开销，以便改进呼叫流量效率和减小传输时延。
一种优化跨越多个互连网络的移动无线通信的方法提供了一种解决上述问题的新技术方案。根据这个创造性的方法，电信系统经由连接互连发端网络与收端网络的中间网络，从由发端网络服务的发端数字无线电单元传输实时信息业务到由收端网络服务的收端单元(也可为一数字无线电单元)。发端网络和收端网络可为同一个网络或结构相同，或者它们可为相互独立的网络。中间网络可为任何合适的电信网。发端数字无线电单元经由一始节点与发端网络通信。这个始节点又与中间网络的发端端接口节点通信。这些节点通常会相距很远，但也可共址。收端单元经由一终节点与收端网络通信。这个终节点又与中间网络的收端端接口节点通信。同样，这些节点可共址或相距很远。
发端数字无线电单元有一编/解码器(如，一声码器)，用于根据输入该无线电单元的信息产生数字无线帧。发端网络的始节点包含一编/解码器，用于将数字无线帧转换成数字有线(如，PCM)业务。中间网络的发端端接口节点包含一编/解码器，用于将从发端网络的始节点接收的数字有线业务转换成压缩的数字有线业务。优化在发端无线电单元和收端单元之间的传输通信的实现是通过传送前一单元的数字无线帧，在至少通过发端网络的始节点时不须进一步编码或解码，最好通过发端网络的始节点和中间网络的发端端接口节点，这样，信息业务流量率就可达到最大。
在本发明的一个优选实施例中，发端网络和收端网络为诸如PSTN的单一电话网的部分，而且中间网络为一计算机数据网，其使用网络层数据报协议(如IP)，或链路层协议(如ATM)，或同时使用两者传输信息。发端网络的始节点最好为蜂窝网络的MSC或MSC/BS组合(如果话音编码在基站执行)。收端网络的终节点最好为服务于收端有线单元的收端EO，或服务于终端无线单元的蜂窝网络MSC或MSC/BS组合。中间网络的发端和终端端接口节点最好为实现诸如H.323或任何其他合适标准的多媒体协议的网关平台。发端MSC和收端EO或MSC通常会经由携带时分多路复用数字有线业务的T1或E1干线连接到网关。
当由发端数字无线电单元发送的数字无线帧在发端基站或MSC接收时，不执行通常的到数字有线业务的无线专用转换。相反，数字无线帧被传送到发端网关。通常在发端网关执行的压缩转换也被取消，而且数字无线帧被封装成网络数据报分组以传送到收端网关。正是在收端网关最好执行第二个无线专用的编/解码操作，以将数字无线帧转换成数字有线帧。这些数字有线帧在干线上的收端网关和收端EO或MSC之间展开传输。在收端EO或MSC，数字有线帧可进一步处理，这取决于收端单元的性质(即它为无线的还是有线的，数字的还是模拟的设备)。
从下面对附图示意的本发明的一个优选实施例的更为详细的描述，可以清楚地看出本发明的上述以及其他特征和优点，其中：
图1为一方框图，示出了用于在PSTN的有线用户之间跨越一个互连的数据网传输电话呼叫的一个示范性的电信系统的相关部分；
图2为一方框图，示出了用于从一个无线用户到PSTN的一个有线用户跨越一个互连的数据网传输电话呼叫的第一个示范性的通信系统；
图3为一方框图，示出了结合本发明的方法，用于从一个无线用户到PSTN的一个有线用户跨越一个互连的数据网传输电话呼叫的第二个示范性的通信系统；
现在转到附图，其中，同一个标号代表所有几个图中的同一单元。图1示意了一个示范性的电信系统2，其用于在PSTN的有线用户单元4和6之间跨越一个中间数据网10传输电话呼叫，以实现网络层协议(如IP)，或链路层协议(如ATM)，或两者。PSTN 8包括分别服务于有线用户单元4和6的EO 12和14。EO 12和14经由常规的本地环路用户线16连接到相应的有线用户单元4和6。我们知道，用户线16通常利用携带模拟信息或基本速率的ISDN(BRI)数字信息的两元双绞线对实现，具体情况取决于有线用户单元4和6的结构。PSTN8与EO 12和14之间的通信通常使用干线组18，它携带在多路复用信道上以基速率1.544Mbps(T1)，2.048Mbps(E1)或更高速度传输的PCM数字话音业务。
PSTN 8在有线用户单元4和6之间提供了通常的呼叫通信路径。如图1所示，也有可能绕过PSTN 8使用数据网10传输。还有许多结构可用于为有线用户4和6支持VoIP(或VoATM)。图1示意了这样一种结构，在此EO 12和14经由T1或E1干线组20分别连接到一对数据网关22和24。网关22和24作为主机驻留在数据网10。他们为通过数据网10通信的有线用户单元4和6以及其他用户(未示出)提供VoIP(或VoATM)服务。
在有线用户4和6之间进行VoIP(或VoATM)通信期间，PCM业务从EO 12和14传送到相应的网关22和24，用以跨越数据网10传送。通常的PSTN的智能网数据库资源(未示出)可用于确定呼叫在数据网10上的路由。
来自朗迅科技的7R/E长途汇接TM网关系统代表一个示范性的产品，其可用于实现网关22和24。7R/E长途汇接TM网关是根据H.323规范建造的，该规范是在现有基础设施(如支持IP/ATM通信的LAN/WAN、因特网或其他拓扑结构)上为实时多媒体通信和会议推荐的ITU协议标准。
H.323网关不仅与媒体控制和呼叫信令保持兼容性，而且与现有的音频、视频以及数据转换、变换和传送协议保持兼容性。信令由信令网关函数(未示出)处理，该函数可与H.323网关结合，或由分离的单元提供。H.323网关支持诸如话音压缩、PSTN-to-IP协议映射、实时传真调制/解调、呼叫信令支持、控制信道消息、媒体控制、多路复用以及音频码型变换等功能。每个H.233网关还实现协议栈，在此上述的音频、视频、数据、控制和信令协议放置在TCP或UDP传输层上，其本身又置于网络层之上。非IP格式信息的IP封装因此便于跨越由H.323网关服务的IP网络传输。
H.323缺省的话音编码协议为G.723.1(或G.729)。这些是话音压缩协议，在此采用与目前在PSTN用的PCM编码的56Kbps速率相比更低的比特率采样。因此，当数字有线帧从图1的EO 12和14传送到网关22和24时，通常根据G.723.1或G.729压缩标准在这些网关执行话音编码。由H.323支持的其他话音编码协议为G.722、G.728和G.711标准。
如果希望跨越数据网10为无线话音通信实现VoIP(或VoATM)路由选择，可以采用图2示出的拓扑结构。这种拓扑结构基本上重复使用了为图1的有线环境实现的结构，且包含在数据网10的两端提供上述的H.233网关函数的网关22和24。移动无线电设备30(假定为蜂窝电话或个人通信系统(PCS)设备)与蜂窝基站32通信。还假定无线电设备30为数字设备，其包含一个无线专用声码器用于将模拟话音输入转换为数字无线帧。通过举例，输入信息可使用TDMA专用话音编码标准(如代数码激励线性预测(ACELP)算法)或CDMA专用标准(如增强型可变速率编解码器(EVRC)算法)转换成数字无线帧。GSM话音编码算法也可采用。
在现有技术上我们知道，上述的数字无线帧通常包括一含有对应于固定周期(如，20毫秒话音采样)的话音采样的语音编码器位(也称为扇区或码字)的信息字段。该语音编码器位之后可跟随包含纠错位的纠错字段。这些字段通常附加和/或预加附加的物理成帧位以形成复合帧。本领域的技术人员会理解，术语“帧”有时用于有点不同的含义，可指指定给多个移动设备的逻辑信道(如时隙)的重复序列，每个逻辑信道(或信道对)包含用于特定移动设备的上述比特字段。为避免歧义，术语“数字无线帧”理解为代表至少含有上述信息字段的信息单元，该信息字段含有语音编码器位(或编码其他形式的实时信息输入，如多媒体的位)，还包括附加的额外开销位，如上述的纠错位和物理成帧位。
由无线电设备30产生的数字无线帧在基站32接收，并经由一宽带管道36(携带多个无线电设备的数字无线帧)传送到移动交换中心34。第二个无线专用的话音编码操作在移动交换中心34执行(如果之前在基站32没有执行)，以解码数字无线帧并恢复其中携带的话音信息。如果存在ECC字段，就用适当的纠错算法(如周期错误控制码或类似代码)处理(在话音编码前)。接收的信息转换成通常的PCM数字有线格式，而且最后的PCM业务放在干线上以传送到网关22。
对于非-VoP(或VoATM)应用，PCM业务将经由干线组40传送到PSTN 8。对于VoIP或VoATM应用，PCM业务传送到网关22。如前所述，第三个话音编码步骤(压缩)通常在网关22执行(如果采用H.323协议)，目的是将未压缩的PCM业务转换成根据诸如G.723.1或G.729协议的压缩的低比特率编码形式。第四个话音编码步骤(未压缩)接着在网关24执行以将压缩的PCM业务转换回其未压缩的形式。因此，在最初输入到移动无线电设备30的话音信息离开网关24时，将执行全部4个话音编码步骤。如果用户单元6为有线装置，就不需要再进行话音编码。然而，如果用户单元为无线装置，就需要进行另外两个话音编码步骤，一个是在基站或MSC(未示出)用于支持用户单元6，另一个是在用户单元6本身。
这些多个话音编码步骤可导致潜在的性能或质量问题。例如，如果假定在无线接入网中由无线电设备30、基站32和移动交换中心34形成的时延为115毫秒(部分是由于有两个无线专用的话音编码操作)，网关22和24之间的时延为40到100毫秒(取决于压缩话音编码操作、两网关之间的距离、分组数据以及系统缓冲区大小等)，在有线接入网中由EO 14和用户单元6形成的时延少于10毫秒，那么总时延约为165到225毫秒。根据移动操作研究的历史数据看，单向传输延迟为0评为优秀的话音质量，延迟为250毫秒评为中等话音质量。因此，在图2的电信系统中的无线VoIP或(VoATM)呼叫应希望好于中等质量，但不是优质。从移动用户到移动用户的VoIP(或VoATM)呼叫可产生更长的时延(270到330毫秒)，因为还有115毫秒用于话音编码延迟，而不是10毫秒的有线延迟，将添加到整个延迟周期。
为改进通信性能和质量，建议图3的通信系统应被实现以优化无线VoIP(或VoATM)应用。在图3，无线专用的话音编码和通常一样在呼叫发端无线电设备30执行。然而，通常在移动交换中心34(或基站32)执行以将从无线电设备30接收的数字无线帧转换为PCM业务的无线专用话音编码被取消。相反，数字无线帧直接放置于干线38(有适当的分段和多路复用，必要时执行以适应多个用户)，并从移动交换中心34传送到网关22。网关22在此后的文中指的是发端网关。
在发端网关22，从干线38接收数字无线帧。然而，通常在发端网关22执行的话音编码压缩操作被取消，而且数字无线帧被封装入网络分组(如，IP或ATM分组)以通过数据网10传输。封装数字无线帧的网络分组接着通过数据网10从发端网关22传送到网关24，网关24称为收端网关。在收端网关24，数字无线帧从网络分组中拆封。接着执行(最好由网关24)第二个无线专用话音编码操作以将数字无线帧转换为PCM业务。
由收端网关24输出的PCM业务通过干线20传送到EO 14，它作为服务于用户单元6的收端EO，代表呼叫收端单元。在EO 14，PCM业务或者以数字形式传送到收端单元6(如果它为数字装置)，或转换成模拟形式(如果收端单元6为模拟装置，如电话)。另一种方法是，如果收端单元为移动无线电设备，MSC(未示出)将替代EO 14。
图3的电信系统可提供改进的性能或质量，因为在移动交换中心34(或基站32)和发端网关22的两次话音编码被取消。由无线电设备30产生的数字无线帧(以压缩格式)通过数据网10传输，不用再编码或解码，直到它们到达连接收端EO 14的收端网关24。数字无线帧只在这个网关从其无线专用形式转换。因此只要求两个话音编码操作，一个是在发端移动无线电设备30，另一个是在收端网关24。在进一步的结构中，用户单元6为实现与无线电设备30同样的话音编码算法的数字无线电设备，它可能推迟第二个话音编码步骤，直到数字无线帧到达这个设备的话音编码电路。
尽管在移动交换中心34接收的数字无线帧可被移去其物理成帧位，被纠错编码电路处理，被分段和多路复用以在干线38上有线传输，但本领域的技术人员会理解，没有一种操作会构成如此处描述的“话音编码”或“编/解码”。这种操作执行起来相对简单，且要求的实现时间比通常在移动交换中心34(或基站32)执行的无线专用话音编码操作或在发端网关22执行的话音编码压缩操作的时间要短得多。
既然无线专用的话音编码算法需在无线电设备30和收端网关24(根据优选实施例)协商和实现，那么收端网关24需要按常规编程，以自身能完成这种协商和实现话音编码算法。为协商该话音编码算法，收端网关24能链接到PSTN 8的现有的网络信令系统(即，SS7网络)。这个链接可为从收端网关24到SS7网络基础设施的直接相连，或经由H.323看门者(未示出)间接相连。本领域的技术人员会理解，这些信令连接通常会已经存在，以便实现建立和维护VoIP(或VoATM)呼叫所要求的业务连接和呼叫管理。为实现无线专用话音编码算法，收端网关24的现有话音编码协商能力(用于与其它网关的话音编码协商)可扩展以包含一个或多个无线专用算法，如ACELP或EVRC。其它的无线话音编码方案，如根据GSM标准实现的方案也可采用。
由此，已经描述了优化跨越多个互连网络传输的无线通信的方法。虽已公开各种实施例，但显然许多变化和可选实施例可根据本发明而实现。因此可理解的是，本发明除了根据所附权利要求书和其等效物的精神，不应受任何方式的限制。

Claims (23)

1．在一个电信系统中，从由发端网络服务的发端数字无线电单元到由收端网络服务的收端单元，经由互接所述的发端网络与所述的收端网络的中间网络传输实时信息业务，该发端数字无线电单元具有一编/解码器用于根据输入到该单元的信息产生数字无线帧，所述的发端网络有一始节点，其编/解码器用于将所述的数字无线帧转换成数字有线业务，而所述的中间网络包含一发端端接口节点，其编/解码器用于将所述的数字有线业务转换成压缩的数字有线业务，一种优化在发端单元和收端单元之间传输通信的方法包括：
传输所述的数字无线帧，而无须在所述发端网络的所述始节点上进行无线专用的到数字有线业务的转换，借此从所述的发端单元到所述的收端单元的信息业务流量率得以增加。
2．根据权利要求1的方法，其中，所述数字无线帧的传送不用在所述中间网络的所述发端端接口节点执行压缩转换。
3．根据权利要求2的方法，其中，所述的数字无线帧到数字有线业务的无线专用转换被延期，直到所述的数字无线帧至少通过所述发端网络的所述始节点以及所述中间网络的所述发端端接口节点。
4．根据权利要求1的方法，其中，所述的收端单元为一数字无线电单元，而且所述的数字无线帧到数字有线业务的无线专用转换被延期，直到所述的数字无线帧到达所述的收端单元。
5．根据权利要求1的方法，其中，所述的中间网络包含一收端端接口节点，而所述的收端网络包含一终节点与所述的收端单元相连，而且其中所述中间网络的所述收端端接口节点：
从所述中间网络的所述发端端接口节点接收所述的数字无线帧；
执行无线专用转换，将所述的数字无线帧转换成数字有线业务；和
传送所述的数字有线业务到所述收端网络的所述终节点。
6．根据权利要求1的方法，其中，所述发端单元为一蜂窝电话，发送已采用TDMA专用、CDMA专用或GSM专用的话音编码算法编码的话音信息。
7．根据权利要求5的方法，其中，所述发端网络为一电路交换的电话网，而且所述发端网络的始节点为一移动交换中心或一服务于所述发端数字无线电单元的基站-移动交换中心组合。
8．根据权利要求5的方法，其中，所述中间网络为一计算机数据网，其中所述中间网络的所述发端和收端端接口节点为网关，而且其中所述的数字无线帧作为数据报分组跨越所述的中间网络传输。
9．根据权利要求5的方法，其中，所述收端网络的所述终节点或者为一端局交换机，或者为一服务于所述收端单元的移动交换中心。
10．根据权利要求1的方法，其中，所述数字有线业务包含脉冲编码调制(PCM)信息。
11．在一个电信系统中，在由第一个网络服务的发端数字无线电单元到由第三个网络(可与所述第一个网络相同)服务的收端单元之间，跨越互连的第二个网络传输实时信息业务，一种优化在发端单元和收端单元之间传输通信的方法包括：
在所述第一个网络的第一个节点上接收由所述发端单元产生的数字无线帧；
从所述第一个网络的第一个节点传送所述的数字无线帧到所述第二个网络的第一个节点；
从所述第二个网络的第一个节点传送所述的数字无线帧到所述第二个网络的第二个节点；和
在所述第二个网络的所述第二个节点上将所述的数字无线帧解码为数字有线业务，以经由所述第三个网络的第一个节点传输到所述收端单元。
12．根据权利要求11的方法，其中，所述收端单元为一有线单元。
13．根据权利要求12的方法，其中，所述收端单元为一无线单元。
14．根据权利要求13的方法，其中，所述第一和第三个网络包含一个单一交换电话网，而且所述的数字无线帧首先从所述发端单元被所述第一个网络的蜂窝基站接收，接着传送到构成所述第一个网络的所述第一个节点的移动网络中心。
15．根据权利要求11的方法，其中，所述数字无线帧包含采用TDMA专用的话音编码算法编码的话音信息。
16．根据权利要求11的方法，其中，所述的数字无线帧包含采用CDMA专用的话音编码算法编码的话音信息。
17．根据权利要求11的方法，其中，所述的数字无线帧包含采用GSM专用的话音编码算法编码的话音信息。
18．根据权利要求11的方法，其中，所述的数字有线业务包含脉冲编码调制(PCM)信息。
19．根据权利要求11的方法，其中，所述的第二个网络为一计算机数据网，所述第二个网络的所述第一和第二个节点为数据网关，而且所述的数字无线帧作为因特网协议(IP)分组或异步传输模式(ATM)分组跨越所述的第二个网络传输。
20．根据权利要求19的方法，其中，所述第一个网络的所述第一个节点为一移动交换中心，且与所述第二个网络的所述第一个节点共址以提供发端移动无线网关。
21．根据权利要求20的方法，其中，所述收端单元为一数字无线电单元，而且其中所述第三个网络的第一个节点为一移动交换中心，且与所述第二个网络的所述第二个节点共址以提供收端移动无线网关。
22．根据权利要求11的方法，其中，所述的第一个网络为一电话网，而且所述的发端单元为一蜂窝电话，传送采用TDMA专用、CDMA专用、或GSM专用的话音编码算法编码的话音信息。
23．在一个电信系统中，包含：(1)一个电话网，它有服务于发端数字移动无线电单元的第一(移动)交换中心以及服务于收端无线或有线单元的第二(移动)交换中心，和(2)一个数据网，它有互连第一个(移动)交换中心的第一个网关以及互连第二个交换中心的第二个网关，一种优化在发端数字移动无线电单元到收端有线或无线单元之间，跨越数据网传输话音(或其他实时信息)的方法，包括下述步骤：
在第一(移动)交换中心上接收来自发端移动无线单元的数字无线帧；
将所述的数字无线帧放置于干线上，并将它们从第一个(移动)交换中心传送到第一个网关；
封装所述的数字无线帧到网络数据报分组内，并将所述的封装数字无线话音分组从第一个网关跨越数据网传送到第二个网关；
在所述的第二个网关解封所述的数字无线帧，并将所述的数字无线帧转换成脉冲编码调制(PCM)数字有线业务；
将所述的PCM业务放置于干线上，并将其传送到所述的第二个交换中心；和
传送从其中产生的所述的PCM业务、或模拟业务到所述的收端单元。
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