行動通訊之適應性多重速率編譯碼簡介

2004-05-27
現今GSM手機提供三種語音編譯碼技術,包含全速率(full-rate, FR)編譯碼、增強型全速率(enhanced full-rate, EFR)編譯碼與半速率(half-rate, HR)編譯碼...
現今GSM手機提供三種語音編譯碼技術,包含全速率(full-rate, FR)編譯碼、增強型全速率(enhanced full-rate, EFR)編譯碼與半速率(half-rate, HR)編譯碼。在語音通話建立,網路會告訴行動台使用其中一種編譯碼於通話。  

半速率編譯碼與其他兩種編譯碼不同的是其只運用一半的無線資源(radio resource),於所指定的通道號碼、對應的時槽(timeslot),每隔一時框(frame)發送一次,就系統網路業者來說,在同一基站可以讓使用者的數量增加一倍,在不增加基地台數量,增加系統的容量的情形下。對於行動台使用者來說,半速率相對於全速率來說,會感受到語音通話品質的降低。  

增強型全速率編譯碼與全速率編譯碼,所使用的網率的資源是相同,但增強型全速率編譯碼使用更多的保護位元於通道編碼(channel coding)程序,對於較差的通訊環境,通話品質也能維持。  

由網路端依據系統的負載決定特定的編譯碼,當系統負載重時,選擇半速率編譯碼以增加系統容量,當通訊環境變差時,便可使用增強型全速率編譯碼來保護通訊品質。  

就實際面來看,在台灣的系統業者在幾年前就已使用增強型全速率編譯碼,對通訊品質的改善有一定的幫助,對使用者來說可能沒有較大的感覺,而半速率編譯碼則不被系統業者採用,擔心較差的語音品質將影響客戶群。  

可根據通訊環境改變的適應性多重速率編譯碼  

如何針對不同的通訊環境使用適當的編譯碼,確實是一大問題,對於手機使用者來說,通訊的品質不斷在改變,在建立通話的過程,指定一編譯碼,幾秒鐘後通訊品質改變,這不是很有彈性的系統,而且切換編譯碼需要好幾層通訊協定相互溝通的冗長處理,而且當通訊環境很差時,增強型全速率編譯碼由於沒有較多的用來保護的位元,所以也無法有效維持一定的通話品質。所以,編譯碼如果可以根據通訊環境來改變,也可以在不同種的編譯碼間快速切換,而這就是適應性多重速率 (Adaptive Multi-Rate, AMR)編譯碼。  

AMR資料速率從4.75至12.2 kbps範圍內以可變速率運作的通話編譯碼演算法(表1)。這種技術不但為GSM系統所採用後來被3GPP(Third-Generation Partnership Project)採用,為GSM核心網路第三代無線系統的強制性編解碼。AMR窄頻編譯碼於1999年由歐洲電信標準機構(European Telecomm unicati-ons Standards Institute, ETSI)實現標準化。  

AMR技術的引入,就是針對上述問題加以解決,而系統業者與手機晶片供應商也開始宣傳AMR功能,對於網路業者來說,可以使用等同於半速率的無線資源,提供比半速率還好的通話品質,可以增加系統資源,有效使用有限頻譜;在通話環境不良時,也能提供對語音資料保護較佳的方式傳送訊號,而且可隨環境改變適時作出調整。  

ARM技術簡介  

AMR提供8種語音全速率編譯碼以及6種語音半速率編譯碼,其中有些是新的,有的則是沿用既存的編譯碼。全速率編譯碼可提供語音速率從12.2 kbps到4.75 kbps,而半速率編譯碼則可從7.95 kbps到4.75 kbps在語音通話建立時,行動台會被分配到一組4種不同的編譯碼,在通話當中,網路會監測載波干擾比(carrier-to-interference ratio, C/I),或稱為品質指標(quality indicator),行動台會持續地被通知使用哪一種編譯碼上傳訊號到基地台。  

因此,當無線環境改變時,行動台就會被告知使用保護比較好的或者較差的編譯碼,當然也就對應到語音的品質;行動台也會持續地監測下傳訊號的品質指標,依據通道建立時,所指配的臨界值(thresholds)與滯留值(hysteresis),要求改變下傳訊號所使用的編譯碼。在通話當中,同一時間會有可能上傳與下傳所使用的編譯碼會不同。  

上傳或下傳訊號編譯碼的變動,最小的單位是2個通話的時框,在特定多重時框(multi-frame)的位置,也必須告訴接收方所使用的編譯碼,這訊息稱為編譯碼模式指標(codec mode indication),從網路端送給行動台的訊息稱為編譯碼模式指令(codec mode command),從行動台送給網路端的訊息稱為編譯碼模式要求(codec mode request),當行動台收到編譯碼模式指令,必須在收到後3個通話時框作出回應。  

一種邏輯通道稱為RATSCCH(Robust AMR Traffic Synchronization Channel),有點類似FACCH,是一種控制訊息,可以在通話中改變編譯碼組、臨界值及滯留值,這些參數可以為第三層(layer 3)的分配指令,但透過RATSCCH的機制會執行的更快。  

此外,RATSCCH也可以用來改變編譯碼模式指標在多重時框的位置。如果系統使用DTX(Discontinuous Transmission),這增加了AMR運作的複雜度,DTX機制原本是為節省電池電量以及降低整體網路的相互干擾。但是在AMR執行時如果也啟動 DTX功能,DTX將會驅使一些第一層(layer 1)通道,傳送一些如慰藉雜訊(comfort noise)參數及通話起頭與終止的標記,而且還需傳送AMR的訊息RATSCCH。  

AMR基本參數及其定義  

列參數為AMR所使用  

◆通道模式設定(Channel Mode Setup)  

◆編譯碼組(Codec Set)  

◆臨界值(Thresholds)  

◆滯留值(Hysteresis)  

◆現在所使用編譯碼模式(Current Codec Mode)  

通道模式設定  

適應性全速率(Adaptive Full Rate Speech, AFS)以及適應性半速率(Adaptive Half Rate Speech, AHS)。  

編譯碼組  

由AFS與AHS編譯碼中,選定其中四種編譯碼在AMR通話中使用。  

臨界值  

依品質指標以及滯留值,作為切換不同的編譯碼條件。假如編譯碼組有四種編譯碼,便會有三個臨界值;假如編譯碼組有三種編譯碼,便會有二個臨界值,以此類推。  

滯留值  

再加上臨界值,作為切換不同的編譯碼條件。其作用包含停止現在通訊品質較差時所使用的編譯碼,變換成下一個編譯碼,反之亦然。至於應該有多少滯留值的設置,依據編譯碼組內有多少種編譯碼而定。圖1為臨界值與滯留值的關係,假如原本編譯碼為CODEC_MODE_4,當C/I值低於THR_3,編譯碼會從 CODEC_MODE_4換成CODEC_MODE_3;假如原本編譯碼為CODEC_MODE_3,當C/I值高於THR_3+HYST_3,編譯碼會從CODEC_MODE_3換成CODEC_MODE_4。  

現在所使用的編譯碼模式  

定義使用在上鏈及下鏈編譯碼模式。在通話中所有在編譯碼組的編譯碼都可設定,改變下鏈編譯碼模式及送控制訊息至行動台,強制改變行動台上鏈編譯碼,行動台必須在三個通話時框作出回應。相對的,行動台也會請求網路端改變下鏈編譯碼,網路端也須對行動台的請求作出回應。  

AMR對於網路端設備的影響  

◆ 基地站(Base Transceiver Station, BTS):需要新的通道編碼,以及新的無線訊號的量測,而不是之前的量測參數Rxlev及Rxqual。對於第一層(layer one)的換手(handover)及功率控制(power control)的修正。  

◆ 基地台控制中心(Base Station Controller, BSC):細胞內全速率及半速率的換手,會影響到BSC的容量。  

◆ TCU(Transceiver Coding Unit):新的語音編碼機制以及新Ater介面的TRAU(Transcoding and Rate Adaptation Unit)時框。  

◆ 交換機(Mobile Switch Center, MSC):當通話建立及換手時,增強A介面訊息。  

新的語音編碼技術,會依據現有的通話環境,加以作出適當的通道編碼,以達到對於語音資料的保護。對於行動通訊系統來說,空氣介面的環境隨時在改變,收訊訊號強弱、多重路徑、干擾訊號及都卜勒效應等,皆會影響通話的品質;適應性多重速率編譯碼則可因應不同的通訊環境,根據系統端所指派編碼參數,發射不同速率編碼方式的訊號,或請求系統給予適當的編碼訊號來接收,以達到最佳的通話品質。  

(作者現任安捷倫科技股份有限公司技術顧問)  

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