Изобретение относится к радиотелефонным системам, в частности к цифровым радиотелефонным системам, имеющим возможность адаптации к высокой абонентской нагрузке.
Практически каждая радиотелефонная система обслуживает большое число абонентов с центральной фиксированной станции, которая обеспечивает абонентам каналы связи по мере их необходимости и по мере того, как абоненты перемещаются с места на место. В любой такой системе существует вероятность, что число абонентов может превысить число имеющихся в наличии каналов связи. Эту проблему решают разными способами, включая передачу абоненту сигнала занятости (т. е. просто отказ в предоставлении услуги) и создание сотовых систем, обладающих возможностью уменьшать размеры зон обслуживания (ячеек) и поэтому размещать большее число ячеек, т.е. больше каналов связи в географическом районе. Очевидно, что отказ в предоставлении услуги является неприемлемым решением, а процедура разделения ячеек и перераспределения характеризуется низким быстродействием и недостаточной чувствительностью для динамической радиотелефонной системы.
В качестве другого способа увеличения числа каналов, доступных для абонентов, была предложена цифровая радиотелефонная служба. Два наиболее перспективных цифровых способа, а именно способ временного разделения и способ кодового разделения, увеличивают доступность каналов за счет разделения физических ресурсов среди абонентов. Проще говоря, аналоговые сигналы (такие как звуковые) преобразуются в вокодере в цифровой сигнал с использованием формата преобразования, имеющего определенную частоту дискретизации, и особой технологии сжатия данных. Сжатые данные объединяются с сигналом временного или кодового разделения и передаются по радиоканалу на приемник. Приемник демодулирует переданный сигнал временного разделения или кодового разделения, разворачивает и восстанавливает дискретизированные данные в процессе, взаимодополняющем преобразование перед передачей. Это обеспечивает воспроизведенный аналоговый сигнал в приемнике.
Радиотелефонная сеть является двунаправленной в том смысле, что фиксированная станция как передает, так и принимает речевые сигналы, преобразованные вокодером, а абонентское устройство соответственно передает и принимает преобразованные вокодером сигналы. Для обеспечения совместимости между передающими и приемными устройствами требуется, чтобы скорости преобразования и способы сжатия были противоположными и равными. Какая бы скорость не использовалась в процессе аналого-цифрового преобразования, она должна быть сопоставима с соответствующим цифроаналоговым преобразованием. Следует отметить, что, в общем, чем ниже скорость передачи данных в битах в вокодере, тем выше число доступных каналов, но качество речевого сигнала при этом ухудшается.
Было предложено делать скорости вокодирования переменными, чтобы кодировать речевые сигналы со скоростями, зависящими от характеристик кодируемого речевого сигнала. Для того, чтобы передавать речевой сигнал оптимального качества, во время передачи речевых частей используется максимальная скорость. Если говорящий делает паузу или прекращает говорить, вокодер с переменной скоростью уменьшает скорость, понижая таким образом среднюю скорость для каждого говорящего, что позволяет системе обеспечивать большее число каналов связи.
Однако даже при использовании описанной выше технологии невозможно получить радиотелефонную систему, предлагающую достаточное число эффективных каналов связи для обслуживания большого количества абонентов.
Краткое описание чертежей: фиг. 1 - упрощенная схема радиотелефонной системы, в которой может быть использовано настоящее изобретение; фиг.2 - блок-схема передатчика системы с кодовым разделением каналов (CDMA), который может быть использован в данном изобретении, фиг.3 - блок-схема приемника CDMA, который может быть использован в данном изобретении; фиг.4 - блок-схема фиксированной станции, иллюстрирующая конфигурацию оборудования, которое может быть использовано в данном изобретении; фиг.5 -последовательность операций процесса, используемого контроллером станции по фиг.4 для управления уменьшением скорости вокодера; фиг. 6 - последовательность операций процесса, используемого контроллером станции по фиг.4 для управления увеличением скорости вокодера; фиг.7 - последовательность операций альтернативного процесса, используемого контроллером станции по фиг.4 для управления уменьшением скорости вокодера; фиг.8 - последовательность операций альтернативного процесса, используемого контроллером станции по фиг.4 для управления повышением скорости вокодера.
Использование цифровых технологий для увеличения возможностей системы обеспечивает возможность использования цифрового сжатия данных сообщения. Однако, с уменьшением скорости передачи данных ухудшается качество звукового сообщения. Поскольку улучшение качества звука возможно только при использовании более высоких скоростей передачи данных, желательно использовать такие более высокие скорости. В определенные интервалы времени, например в часы пик, и в определенных местах, например в переполненном пространстве столичных городов, абонентская нагрузка на радиотелефонную связь превышает число доступных каналов. Поскольку уменьшенные скорости передачи данных занимают меньшую часть радиоспектра, при уменьшении скоростей передачи данных можно обслужить большее число абонентов. Стремление абонентов получить услугу удовлетворяется ценой снижения качества звука при пониженной скорости передачи данных. Некоторые абоненты могут потребовать отсутствия изменений в качестве звука за более высокий тариф получить статус приоритетных абонентов.
Радиотелефонная система, которая может использоваться в настоящем изобретении, схематически изображена на фиг.1. Радиотелефонная система с зоной обслуживания 101 изображена в виде географического района шестиугольной формы, обслуживаемого фиксированной станцией 103. Фиксированная станция 103 обычно содержит приемопередающие устройства, контроллеры и телефонные интерфейсы, которые, взаимодействуя, обеспечивают двустороннюю радиосвязь с абонентским устройством 105. Большое число абонентских устройств (не показано) как транспортных, так и переносных, обслуживаются с фиксированной станции 103 в географической зоне обслуживания 101. Другие зоны обслуживания 107 и 109 могут быть расположены вблизи или смежно с зоной обслуживания 101 и могут предоставлять радиотелефонные услуги абонентам в зонах обслуживания 107 и 109 с фиксированных станций 111 и 113 соответственно. В предпочтительном варианте настоящего изобретения используется технология цифровой модуляции для многостанционного доступа в системах с кодовым разделением каналов (CDMA), в частности, такая, как описанная в EIA/TIA/IS-95 "Стандарт совместимости мобильной станции с базовой станцией для работающих в двух режимах сотовых систем с расширенным спектром с широкой полосой частот".
На фиг.2 изображена блок-схема передатчика CDMA, который может быть использован в настоящем изобретении. Предназначенные для передачи сигналы, например звуковые, вводятся в вокодер 201 для преобразования в цифровую форму и обработки перед передачей. Выходной сигнал из вокодера 201 вводится в кодер 203, связанный со смесителем 205, и смешивается с радиочастотой несущей, выработанной генератором частоты несущей 207. Выделенный выходной сигнал смесителя 205 передается на усилитель 209 для последующей передачи. Вокодером 201 и кодером 203 управляет ресурсный контроллер 211. Ресурсный контроллер 211 может представлять собой компьютер общего назначения с ассоциативным ЗУ 213. Тактовый генератор 215 обеспечивает выходной синхронизирующий сигнал для кодера 203, зависящий от скорости синхронизации, загруженной в него ЗУ 213 в соответствии с командой ресурсного контроллера 211. Шифром 217 служит буфер, содержащий код, загружаемый из ЗУ 213 в соответствии с командой ресурсного контроллера 211. Шифром обычно является псевдослучайное число, используемое для формирования повторяющейся последовательности цифровых чисел для кодирования выходного сигнала вокодера 201. Генератор частоты несущей 207 также программируется на частоту, определенную величиной, загруженной из ЗУ 213. Таким образом, кодер 203 вместе с входным сигналом шифра 217 обеспечивает псевдослучайное число, по которому сигнал с расширенным спектром может быть выработан из входного сигнала из вокодера 201 или ресурсного контроллера 211. Множество частот, определяющих ресурсы связи, включено в таблицу частот в ЗУ 213. Эта таблица частот может быть создана после запуска в зависимости от присвоенного частотного спектра и диапазона рабочих частот, выделенного системе, в которой работает данный передатчик. Поскольку разные, не создающие помех сигналы расширенного спектра могут передаваться на одной и той же частоте, но под разными шифрами, на одной и той же частоте может без взаимных помех существовать несколько каналов связи.
Аналогичные передатчики CDMA могут использоваться как на фиксированной станции, так и в абонентском устройстве. В предпочтительном варианте абонентское устройство может содержать детектор параметра 219, который обычно используется для определения условий заряда батареек и передачи этих данных на ресурсный контроллер 211.
Приемник для многостанционного доступа в системах с кодовым разделением каналов (CDMA), который может быть использован в абонентском устройстве согласно настоящему изобретению, изображен в виде блок-схемы на фиг.3. Генератор частоты несущей 301 вырабатывает радиосигнал для смесителя 303 таким образом, чтобы принятые радиосигналы можно было преобразовать в подходящую частоту для обработки декодером 305. В процедуре обработки, обратной той которую осуществляет передатчик, изображенный на фиг.2, генератор псевдослучайного числа декодера 305 в совокупности с тактовым генератором 307 и буфером шифра 309 извлекает данные, сформированные вокодером 201, и передает эти данные на вокодер 311. Синхронизация по кодирующему псевдослучайному числу и конкретной частоте несущей осуществляется обычным способом контроллером 313 и связанным с ним ЗУ 315.
Аналогичные приемники могут входить в состав фиксированной станции 103, упрощенная блок-схема которой изображена на фиг.4. Приемопередающие устройства и вокодеры изображены в виде блоков 401 и 403. Эти приемопередатчики вместе со всеми остальными подсоединены к антенной системе 405 для передачи сигналов в зону обслуживания и приема из нее. К антенной системе 405 также подсоединен преобразователь сигналов 407, который отфильтровывает и объединяет весь диапазон рабочих радиочастот, используемый всеми приемопередающими устройствами, работающими на данной фиксированной станции. Выходной сигнал преобразователя 407 передается на детектор занятости спектра 409, чтобы определить число абонентских устройств, работающих в данное время и передающих сигналы на фиксированную станцию. В предпочтительном варианте детектором занятости спектра 409 служит амплитудный детектор энергии, вырабатывающий выходной сигнал, пропорциональный сложенным принятым сигналам в занятом диапазоне рабочих частот фиксированной станции. Этот сигнал является выходным сигналом для контроллера станции 411, который помимо прочих функций сравнивает данный выходной сигнал детектора занятости 409 с пороговой величиной, соответствующей известному числу абонентских устройств, представляющему определенный оператором системы процент от полной пропускной способности каналов данной фиксированной станции. Если эта пороговая величина перекрывается, контроллер станции 411 вырабатывает один или несколько выходных сигналов для вокодеров приемопередающих устройств 401 и/или вокодера приемопередающего устройства 403, дающих команду выбранному вокодеру уменьшить его частоту дискретизации. Соответствующее сообщение передается на контроллер абонентского устройства, связанного с данным выбранным приемопередающим устройством, давая команду абонентскому устройству работать со скоростью, соответствующей скорости вокодера на фиксированной станции.
Характерным признаком настоящего изобретения является то, что скорость передачи данных вокодера фиксированной станции и связанного с ним вокодера абонентского устройства может регулироваться в соответствии с числом абонентских устройств, обслуживаемых с данной фиксированной станции в ее зоне обслуживания. Это осуществляется в соответствии с процедурой, изображенной на фиг. 5. Контроллер станции 411 измеряет уровень выходного сигнала детектора занятости 409 (операция 501) и определяет, не превышает ли этот уровень порог занятости, установленный для данной фиксированной станции (503). Если данный порог не превышен, контроллер станции 411 возвращается к своим другим функциям, включая периодическое повторное измерение уровня детектора занятости. Если данный порог превышен, производится поиск (505) по списку низкоприоритетных устройств, хранящемуся на фиксированной станции, и определяются устройства, обслуживаемые в данный момент. Определяется (507), у вех ли низкоприоритетных абонентов, обслуживаемых в данный момент, вокодеры фиксированной станции абонентского устройства установлены на низкую скорость передачи данных. Если есть низкоприоритетные абоненты, вокодеры которых работают с высокой скоростью передачи данных, идентифицируется (509) конкретный низкоприоритетный абонент, обслуживающий его приемопередатчик и связанные с ним вокодеры. После этого связанным с ним вокодерам дается команда (511) снизить скорость передачи данных. Если обнаружено, что все низкоприоритетные абоненты в данный момент должны работать с низкой скоростью передачи данных (507), тогда всем вокодерам, работающим на данной фиксированной станции, дается команда перейти на низкую скорость передачи данных (513).
На фиг. 6 изображена взаимодополняющая процедура возврата скорости передачи данных в вокодерах к нормальной высокой скорости. Контроллер станции 411 принимает сигнал от детектора занятости 409 и измеряет (601) уровень детектора занятости. Определяется (603), не находится ли уровень детектора ниже возврата порога занятости (т.е. порога, ниже которого требуется переключение с высокой частоты дискретизации для обеспечения гистерезиса). Если уровень детектора не ниже возвратного порога занятости, процедуры контроллера станции возвращаются к своим другим функциям. Уровень детектора ниже возвратного порога занятости побуждает контроллер станции 411 производить поиск (605) по списку высокоприоритетных абонентских устройств, обслуживаемых в данное время. Если не все высокоприоритетные абонентские устройства возвратились к высокой скорости передачи данных (607), производится корреляция (609) между высокоприоритетными абонентскими устройствами и обслуживающими их приемопередатчиками. Затем дается команда (611) связанным с ними вокодерам увеличить их скорость передачи данных. Если все высокоприоритетные абонентские устройства возвратились к высокой скорости передачи данных (607), тогда всем вокодерам дается команда перейти на высокую скорость передачи данных (613) и контроллер станции 411 возвращается к нормальному режиму работы.
В альтернативном варианте абонентам может быть дана команда переходить на низкую скорость передачи данных приращениями. Как показано на фиг.7, если определено, что не все низкоприоритетные абоненты работают на низкой скорости передачи данных (507), делается произвольный выбор (707) числа M абонентов (которое может быть M = I). Эти избранные низкоприоритетные абоненты коррелируются с обслуживающими приемопередатчиками (705) и связанным с ним вокодерам дается команда (509) перейти на низкую скорость передачи данных.
Если все низкоприоритетные абоненты работают с низкой скоростью передачи данных, по списку абонентов производится поиск высокоприоритетных абонентов, которые обслуживаются в данный момент (707). Определяется (709), все ли высокоприоритетные абоненты работают с низкой скоростью передачи данных. Если это не так, делается выбор (711) числа K высокоприоритетных абонентов, работающих с высокой скоростью передачи данных (что может означать K = 1 и/или M ≠ K). Эти выбранные абоненты коррелируются с обслуживающими их приемопередатчиками, и связанным с ним вокодерам дается команда (715) перейти на низкую скорость передачи данных.
Чтобы постепенно возвратиться к обслуживанию с высокой скоростью передачи данных, когда позволяет абонентская нагрузка системы, используется второй вариант, изображенный на фиг.8. Если определено (607), что не все высокоприоритетные абоненты возвратились к работе с высокой скоростью, делается произвольный выбор (803) числа N высокоприоритетных абонентов (возможно N = 1), использующих низкую скорость передачи данных. Эти выбранные абоненты коррелируются с обслуживающими их приемопередатчиками (805), и связанным с ними вокодерам дается команда (611 ) перейти на высокую скорость передачи данных.
Если все высокоприоритетные абоненты имеют высокую скорость передачи данных, по списку абонентов производится поиск тех низкоприоритетных абонентов, которые в данный момент обслуживаются системой (807). Определяется (809), остались ли какие-либо низкоприоритетные абоненты, работающие с низкой скоростью передачи данных, и если это так, выбирается произвольное число L таких абонентов (811). Число абонентов может быть L = 1 и возможно, что L ≠ M. Выбранные низкоприоритетные абоненты коррелируются с обслуживающим их фиксированным приемопередатчиком (813), и связанным с ними вокодерам дается команда перейти на высокую скорость передачи данных (815).
В системах с установленным приоритетом абонентов могут присваиваться дополнительные уровни приоритета, так что вокодерам определенных выбранных абонентов может не даваться команда перейти на низкую скорость передачи данных, в то время как вокодерам других выбранных абонентов может не даваться команда перейти на высокую скорость передачи данных. Например, абонентам, использующим радиотелефонную систему для связи, относящейся к общественной безопасности, может всегда требоваться самое высокое качество звука. С другой стороны, некоторым абонентам могут требоваться только минимальные возможности связи, и они могут согласиться на несколько низшее качество звука за меньшую абонентскую плату. Для системы, в которой применяются такие классы приоритетности, характерно освобождение от команд изменить скорость передачи данных по фиг. 5 - 8.
Абонентское устройство в предпочтительном варианте также обладает возможностью выбора скорости вокодера в зависимости от определенных рабочих параметров абонентского устройства. Это качество особенно полезно для переносного абонентского устройства, для которого важное значение имеет срок службы батареек, но могут использоваться и другие параметры переносного устройства для запуска изменения скорости вокодера. Изменение рабочих характеристик устройства в зависимости от обнаруженного вида батареек описано в патенте США 5164652, а определение состояния заряда батареек - в патенте США 5185566. Хорошо известно, что чем выше скорости передачи данных в вокодере, тем больше расходуется энергии. Для продления срока службы батареек детектор параметра батарейки динамически определяет оставшийся заряд батареек. Если перекрывается порог низкого уровня заряда, детектор параметра 219 абонентского устройства передает сигнал на ресурсный контроллер 211. Рерурсный контроллер 211 вырабатывает и передает управляющее сообщение уменьшить скорость передачи данных на соответствующий вокодер фиксированной станции и также дает команду вокодеру 201 абонентского устройства уменьшить скорость передачи данных. Для абонента, использующего переносное абонентское устройство, обеспечивается увеличение срока службы батареек за счет снижения качества звукового сигнала, преобразованного вокодером.
Вокодеры переменной скоростью, которые могут использоваться в настоящем изобретении, описаны в стандарте IS-96 Telecommunication Inductry Association (TIA) TR-45.5. Передающий вокодер производит выборку звукового сигнала и вырабатывает кодированный звуковой пакет для передачи на принимающий вокодер. Принимающий вокодер декодирует принятый звуковой пакет в выборки звуковых сигналов. Вокодер согласно настоящему изобретению использует алгоритм кодирования линейным предсказанием с кодовым возбуждением (CELP). В этой методике используется произвольный кодовый словарь для векторного квантования остаточного сигнала во время анализа по методу синтеза. Вокодер использует переменную скорость передачи выходных данных, зависящую от загрузки канала системы. В процессе обработки вектор берется из кодового словаря случайных гауссовых векторов (для частоты 1/8 формируется случайный вектор). Этот вектор умножается на коэффициент усиления, а затем отфильтровывается фильтром с длинным основным тоном (long term pitch filter), характеристики которого зависят от параметров основного тона. Выходной сигнал отфильтровывается фильтром синтеза формант, именуемым также линейным кодирующим фильтром с предсказанием, чтобы сформировать речевой сигнал. Речевой сигнал также фильтруется адаптивным постфильтром. В процедуре кодирования дискретизация входного речевого сигнала производится при 8 кГц. Этот дискретизированный речевой сигнал разбивается на циклы вокодера по 20 мс, состоящие из 160 выборок. Коэффициенты линейного кодирующего фильтра с предсказанием корректируются один раз в каждом цикле независимо от выбранной скорости передачи данных. Число разрядов, используемых для кодирования параметров линейного кодирования с предсказанием, является функцией выбранной скорости передачи данных. В каждом цикле параметры основного тона корректируются переменное число раз, причем число корректировок параметров основного тона также является функцией выбранной скорости передачи данных. Аналогичным образом параметры кодового словаря корректируются переменное число раз, где число корректировок является функцией выбранной скорости передачи данных.
В таблице перечислены основные параметры, используемые для каждой скорости. Число разрядов на блок корректировки LPC в таблице означает число используемых разрядов при данной конкретной скорости для кодирования коэффициентов LPC. Каждый блок основного тона соответствует корректировке основного тона в каждом цикле и число в каждом блоке основного тока соответствует числу разрядов, используемому для кодирования скорректированных параметров основного тона. Например, при частоте 1 параметры основного тона корректируются 4 раза, по одному разу для каждой четверти цикла речевого сигнала, при этом каждый раз используется 10 разрядов для кодирования новых параметров основного тона. Как показано, это делается разное число раз для других скоростей. Каждый блок корректировок кодового словаря соответствует корректировке кодового словаря в каждом цикле, и число в каждом блоке кодового словаря соответствует числу разрядов, используемому для кодирования скорректированных параметров кодового словаря. Например, при частоте 1 параметры кодового словаря корректируются 8 раз, по одному разу для каждой восьмой части цикла речевого сигнала, при этом каждый раз используется 10 разрядов для кодирования параметров. Число корректировок уменьшается с уменьшением скорости.
В цифровой радиотелефонной системе используются вокодеры для преобразования аналогового речевого сигнала в цифровой формат, подходящий для передачи по радио. При большинстве обстоятельств для оптимального качества звукового сигнала выбирается максимальная скорость передачи данных. Если занятость системы превышает конкретную пороговую величину, определенную на фиксированной станции системы, некоторым или всем вокодерам дается команда переключиться на более низкую скорость передачи данных, чтобы увеличить число каналов связи. Кроме того, переносное абонентское устройство может автономно переключать скорость передачи данных своего вокодера в зависимости от состояния заряда батареек. 4 с. и 6 з.п.ф-лы, 8 ил., 1 табл.
| US, патент, 5203012, кл | |||
| Очаг для массовой варки пищи, выпечки хлеба и кипячения воды | 1921 |
|
SU4A1 |
