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CN1163045C - 分组通信中的头部压缩状态更新 - Google Patents

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Abstract

在传送包括实时通信信号的分组业务量的通信系统中的头部压缩方案的软状态可以在通信信号的非活动期间进行更新(63)，在此期间不需要传送通信信号。头部压缩软状态也可以通过从通信信号中盗用比特(83，84)来传送头部更新信息(73)进行更新。如果通信信号包括源编码数据，则头部压缩软状态可以基于生成源编码数据的编解码器的比特率(122，124)选择性地进行更新(126)。

Description

分组通信中的头部压缩状态更新
                      技术领域
本发明通常涉及分组通信，具体是涉及分组通信中的头部压缩。
                      背景技术
术语头部压缩(HC)指将点对点链路中基于每跳的分组头中携带信息所需带宽最小化的技术。头部压缩最初通常通过仅发送静态信息实现。然后通过仅发送对以前头部的变化信息发送半静态信息而完全随机信息不经压缩进行发送。因此，头部压缩通常由状态机实现。
一个传统的VoIP分组(Voice over IP)基本上包括三个不同质量要求的部分，如图1所示。这三个部分是：
(1)一个压缩的或未压缩的头部11。例如，对于实时话音经常采用传统的IP/UDP/RTP头部；
(2)12部分的话音编解码器比特，其对于话音质量意义最重要。例如，在GSM全速率话音编解码器中有三类比特：1A、1B和2，其中1A类和2类话音编解码器比特对于话音质量分别最重要和最不重要；以及
(3)13部分的话音编解码器比特对于话音质量最不重要，例如GSM中的2类。
对于IP/UDP/RTP的传统头部压缩方案典型地具有软状态特征，这样HC的状态依赖于以前的头部。已压缩头部的一个错误会导致相应分组的丢失。因为每个头部通常表示为对前面头部的一个改变(增量编码)，已压缩头部中的一个错误处于故障状态，将引起连续分组丢失，直到HC软状态被更新。如果带有压缩头部的分组的有效负载携带实时业务，则几个连续分组的丢失对于实时业务的质量而言损失是惨重的。例如，随着连续丢失的话音帧，实时话音业务的质量将严重降低。如果话音帧误码率有突发特征，则话音质量比带有更弱相关帧错误特征的相同的话音帧出错率还要差。
比特错误的影响根据在VoIP分组中比特错误出现的位置而不同：
(1)图1中13部分的比特错误(最不重要的话音编解码器比特)将导致特定分组携带的话音质量有轻微降低。
(2)图1中12部分的比特错误(最重要的话音编解码器比特)将导致话音质量严重降低，以致于分组被判断为无用的且不被话音解码器使用。因此，分组中12部分的比特错误将使特定分组丢失。
(3)图1中11部分的比特错误(头部，压缩或未压缩)因不能传送到协议栈的上层可能导致特定分组的丢失。而且，因为头部压缩软状态被破坏可导致许多未来分组的相继丢失。这些是最严重的错误，因为一个分组中的比特错误将导致许多相继分组的丢失。
传统的头部压缩算法是用于窄带、有线信道的，其中信道误码率相对固定并较小。而且，信道的使用不影响相似信道的其他用户。对于无线信道却不是这样。无线信道的质量可能快速改变并且对信道的使用以干扰的方式影响其他用户。在无线信道的头部压缩方案中，已压缩头部错误的可能性会很大而且必须减少这些压缩头部错误的影响。
有两个通常方法避免这个问题，最小化更新HC软状态所需的时间，或者最小化已压缩头部比特错误的可能性。
更新HC软状态的一种已知方法是定期频繁地发送完整头部。例如，在每第五个话音分组中发送一个完整头部，而在其他分组中发送压缩的头部。如果使用固定比特率的信道，则因为不希望延迟变化，所以典型地可根据最大分组大小选择该信道的比特率。因此，将按照带有完整头部的分组选择该信道的比特率，从而导致资源的浪费(比如无线电资源)。而且，在这种头部压缩方案中为获得一定的健壮性，完整头部的频率必须相当大，这降低了头部压缩方案的压缩度和效率。因此，带有完整头部的头部压缩状态的定期更新将导致效率很低的头部压缩或没有抵抗如比特错误所必须的健壮性的高效的头部压缩。
更新头部压缩软状态的另一种方法是对于头部压缩方案在必要的时候要求软状态更新。但是，这种方法需要一个带有短的往返行程时间的双工信道来保持很小的破坏软状态周期。而且，这个方案还要求带有软状态更新请求的返回信道比较可靠。
考虑到前述内容，希望为头部压缩方案提供软状态的更新，而避免现有技术方法的上述缺点。
                      发明内容
本发明提供了在携带包括实时通信信号的分组业务量的通信系统中更新头部压缩方案的软状态。头部压缩状态可在通信信号未激活的时候进行更新。而且，本发明提供了通过从通信信号盗用比特传送头部更新信息来更新头部压缩状态。如果通信信号包括源编码数据，则本发明基于生成源编码数据的编解码器的比特率选择性地更新头部压缩状态。这个操作可以在不盗用源编码数据的情况下更新头部压缩状态。
根据本发明的第一方面，提供了一种将通信信号从第一个通信站发送到第二个通信站的方法，包括：在通信信号活动周期中，将包含头部信息和通信信号信息的通信信号分组从第一个通信站发送到第二个通信站；第一个通信站检测通信信号活动性的缺乏；并且响应于第一个通信站检测到通信信号活动性的缺乏，将包含头部更新信息的更新分组从第一个通信站发送到第二个通信站，第二个通信站利用该头部更新信息对第一个通信站发送到第二个通信站的后续通信信号分组中的头部信息进行解释。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于向第二个通信装置发送通信信号的通信装置，包括：一个分组单元，带有用于在通信信号活动周期中接收通信信号信息的输入端，并带有用于将包含通信信号信息和头部信息的通信信号分组发送给第二个通信装置的输出端；连接到所述分组单元的头部单元，用于向其提供所述头部信息以及向其提供头部更新信息，由第二个通信装置使用这些头部更新信息对从所述分组单元发送给第二个通信装置的后续通信信号分组中的头部信息进行解释；以及所述分组单元对通信信号活动性缺乏做出响应，从所述输出端将包含所述头部更新信息的更新分组发送到第二个通信装置。
                      附图说明
图1说明了与本发明一起使用的示范分组格式。
图1A是图1中使用的阴影键。
图2和图3说明了通过传统话音编解码器实现的DTX(不连续传输)方案的示例。
图4和图5说明了本发明利用图2和图3中的传统DTX操作发送头部压缩软状态更新信息的示范方式。
图5A是图2至5中使用的阴影键。
图6说明了与图4和图5中描述的头部压缩更新方案相关的示范操作。
图7说明了根据本发明执行的比特盗用操作以允许头部压缩软状态更新的示例。
图7A是图7中使用的阴影键。
图8说明了与图7中比特盗用方案相关的示范操作。
图9说明了与图4和图5的DTX更新方案一起使用的示范分组。
图10说明了与图7的比特盗用方案一起使用的示范分组。
图11说明了按照本发明接收分组时支持HC软更新而执行的示范操作。
图12说明了根据本发明的一个示范通信站的相关部分。
图13说明了按照本发明当分组有效负载信息中包含源编码数据时支持HC软更新而执行的示范操作。
                    具体实施方式
本发明的示范实施方案与大多数传统数字话音业务中使用的DTX技术合作。DTX(不连续传送)包括检测非话音(无声)周期以及在这些周期仅发送无声描述符(SID帧)，以便在接收端生成舒适噪音的技术。这种舒适噪音提供了声音连续发送的错觉。因此，在非话音周期，发送的分组除了有效负载部分(12和13部分)带有SID帧，具有与图1所示类似的格式。图2和3显示了传统DTX方案，也就是最初的DTX(图2)和所谓的软DTX(图3)。
按照本发明的一个示范实施方案，头部更新信息可以加到图2的SID帧或替换图2中的SID帧。例如在GSM中，SID帧(参见图2中21)在无声周期周期性地发送(每0.48秒一次)。头部压缩状态需要的更新可通过与SID帧一起(参见41)或替换SID帧(参见42)来发送头部更新信息，例如完整头部来实现，参见图2和4。在另一个实施方案中，头部压缩状态的更新通过与图3中说明的传统软DTX技术(参见GlobeCom 98，Stefan Bruhn等人的“Continuous and Dis-ContinuousPower Reduced Transmission of Speech Inactivity for the GSMSystem(GSM系统中话音无活性的连续和非连续功率降低发送)”中的描述)一起来实现。软DTX技术使得在非话音周期可以实现SID帧31的一个低比特率流，其不对其它链路引入更多干扰。因此，软DTX可用于在非话音周期携带头部更新信息，如图5所示。
图6显示了上述使用DTX提供HC软状态更新的一个例子。
当在61处需要更新时，在62处确定是否发生DTX操作。如果发生，则在63处通过与SID帧一起(参见图5和图4中的41)或替换SID帧(参见图4中的42)发送头部更新信息。
在传统视频编码中，发送站输出一系列帧，其中每个包括例如指示当前捕获图象和紧接着当前图象之前捕获的图象之间区别的信息。因此，在其中发送站看到的图象没有变化的周期中，发送站发送“静态图象”帧，这些帧指示当前图象与紧接在其前的一图象没有区别(或至少在预定限制内没有区别)。这些“静态图象”帧通常与上述SID帧类似，即其与“静态视频”周期相关，其中没有图象变化(或没有实质性变化)。因此，与图2-6相关的上述技术也可用于视频分组实施方案中，头部更新信息在“静态视频”期间可以与“静态图象”帧一起，或替代“静态图象”帧来发送。
本发明另外的实施方案用头部压缩状态更新信息替换分组有效负载比特，如话音帧比特，视频帧比特或表示任何需要信息的有效负载比特。如果头部压缩状态被破坏(例如，因以前压缩头部中的比特错误)，则有效负载比特(参见例如，图1中的12和13)将不被发送到应用层直到头部压缩状态恢复。因此，直到头部压缩状态恢复，有效负载比特都是无用的。以话音帧作为有效负载的例子，通过用头部压缩更新信息替换话音数据的某一部分，未来的话音帧立即发送到应用层。话音帧的一些部分或整个话音帧由头部更新信息替换。这种有效负载比特替换在这里也称为“比特盗用”，因为有效负载比特是“偷来”的并用于携带头部更新信息。
当决定哪个话音帧比特由头部更新信息替换时，可以考虑话音编解码器的特征。许多传统的话音编解码器按相对重要性对输出进行分类。例如，如上所述，GSM全速率话音编解码器有三类不同重要性的比特：1A类、1B类和2类。1A类比特最重要而2类比特最不重要。因此，头部更新信息比特最好替换可用的2类比特，因为这些比特对于话音质量来说最不重要。图7显示了其如何实现的例子。
在图7的71，除了最重要的比特外所有的比特都被盗用，并且所有的比特在72被盗用。考虑73和74处显示的更新，在73处一个较长的时间中有较少的比特被盗用，而在74处一个较短的时间中有较多的比特被盗用。
虽然在上面根据一个按相对重要性对输出比特进行分类的话音编解码器的例子描述了从不同重要级别的比特中选择的发明的比特盗用技术，但这些比特盗用技术可以用于按相对重要性对输出比特进行分类的任何类型的编解码器。视频编解码器也是这种编解码器的一个例子。
在有效负载包括源编码数据的实施方案中，头部压缩软状态可以连同生成源编码数据的编解码器的比特率的变化进行更新，而不需要盗用任何源编码数据比特。例如，传统的编解码器如话音或视频编解码器，典型地因两个示范原因而降低其比特率：(1)编解码器使其比特率适应信道情况(所谓的信道自适应模式)，当信道拥塞时降低其比特率；以及(2)编解码器使其比特率适应信源的行为(所谓的信源自适应模式)，当信源(例如话音信源或视频信源)生成更少的源激励信息(也就是更多的无声周期或“静态视频”)时降低其比特率。在信源自适应模式中降低的比特率对于发送头部更新信息非常有利，因为更少的比特用于表示源激励，留出更多的比特用于头部更新信息。
图13显示了在信源编解码数据分组实施方案，例如话音或视频分组实施方案中，实现上述使用低编解码器比特率以便于头部压缩软状态更新执行的示范操作。当在121处需要HC软状态更新时，之后在122处决定编解码器比特率是否低于门限值TH。门限值TH可以根据经验设定以提供需要的性能。如果122处的编解码器比特率低于TH，则在126处头部更新信息与源编码数据一起在一个分组中发送。
如果122处的编解码器比特率不低于TH，则在124处决定是否命令编解码器将其比特率降低到TH之下。如果是，则在125处命令编解码器将其比特率降低到TH之下，并且在126处头部更新信息与源编码数据一起在一个分组中发送。在编解码器没有被命令减低其比特率的实施方案中，操作从124流回122。
在126处发送头部更新信息之后，编解码器的比特率可以在需要时(也就是，如果其在125处降低了)在127处恢复。
本发明还提供了部分更新头部压缩状态。例如，在给定时间可以决定仅更新头部中的一个域(或几个域)。作为一个特定例子，如果一个给定的话音帧没有足够多的比特供一个完整头部状态更新盗用，则也许在该话音帧中只有IP/UDP/RTP头部的RTP部分的RTP序列号被更新。使用更少的比特发送部分更新信息，在某些情况下，可以提供充分的HC软状态更新，但是在其它情况下可能使完成想要的更新花费更多的时间(参见例如图7中的73)。
图8说明了可以根据本发明被执行以实现比特盗用方案的示例操作。如果在81处需要更新，则在82处决定是否有足够的比特可被盗用和用于发送完整的头部更新信息。如果有，则在83处比特被盗用并用于发送完整的头部更新信息。如果在82处没有足够的比特可用，例如没有足够的GSM2类话音比特，或没有总共足够的有效负载比特，则在84处可用比特被盗用并用于发送部分头部更新信息。
如图6、8和13中的虚线所示，其中所示的相应操作可以有不同的组合。例如，在话音或视频实施方案中，如果图6中要求更新，但是在62处没有发生DTX(或“静态视频”)操作，则执行图8中的比特盗用操作或者图13中的编解码器相关操作。在另一个例子中，如果图13中的操作没有导致发送头部更新信息，则执行图8中的比特盗用操作或者图6中的DTX/“静态视频”操作。可以使用常规标准决定是否需要更新(参见图61、81和121)。
再参见图4和5中的DTX/“静态视频”更新技术，图9显示了在非话音/“静态视频”期间发送的包含更新信息的分组示例。图9的示范分组包括一个传统的头部(压缩或未压缩)，一个软状态更新标记91，以及头部更新信息部分93。软状态更新标记91使得接收图9分组的通信站可以识别包含头部更新信息93的分组，由此接收通信站不会将图9分组误认为是传统的话音(或视频)分组或传统的SID(或“静态图象”)帧分组。如图9中94处的虚线所示，带有SID(或“静态图象”)帧的分组中也可以包含头部更新信息93和标记91，这在上面对应图5和图4中的41已讨论过。
图10显示了使用盗用有效负载比特并用于发送头部更新信息的发明技术时，发送头部更新信息使用的分组示例。图10的分组包括一个传统头部(压缩或未压缩)，一个软状态更新标记110以及头部更新信息111。提供标记110，这样接收通信站将识别图10的分组除了(或替代)有效负载数据外还包含头部更新信息。图10的例子的虚线处说明了有效负载的112部分，例如图1的12处最重要的话音编解码比特，可以与头部更新信息111一起包含在分组中。
图10中的分组也是一个用于根据图13中的编解码相关技术发送头部更新信息的分组示例。在这种情况下，整个有效负载都包含在112处，因为可以设置用于降低编解码器比特率的门限值TH，使得无须盗用任何有效负载(也就是源编码数据)比特就可以增加(插入)头部更新信息111。
图11说明了可以根据本发明被执行以当接收到分组时支持HC软状态更新的示例操作。当101处接收到分组后，103处决定该分组是否包含软状态更新标记(例如图9中的91处或图10中的110处)。如果没有，就没有HC软状态更新。如果有，则104处恢复头部更新信息(参见图9中的93或图10中的111)，并在105处用来执行HC软状态更新。
图12说明了根据本发明，能够执行上述图1-11和13中描述的示例操作的通信站的一个示例实施方案的相关部分。图12中的示例通信站可以是无线站，例如，如蜂窝电话的移动无线收发信机，或固定站点无线收发信机。图12中的通信站也可以是使用有线信道的有线通信站，例如视频会议主机。
图12中的通信站包括用于为分组单元132提供基本信息(例如话音或视频信息)，以及从分组单元132接收基本信息的通信端口131。通信端口131还为头部单元133提供头部信息。头部单元133可使用传统技术从通信端口131提供的头部信息中产生头部(压缩的或未压缩的)。头部单元133为分组单元132提供输出头部，并且从分组单元132接收输入的头部。
分组单元132按惯例是可操作的，将从头部单元133接收到的头部比特和从通信端口131接收到的基本信息比特(也就是，有效负载比特)进行组装形成输出分组，例如如图1所示。分组单元132可以将组装的分组转发到无线单元134，其将分组在无线链路135上发送。在其它实施方案(如视频会议主机)中，分组单元132可以将分组输出到如虚线所示的有线通信信道中(诸如互联网的数据网)。图12中的输出分组可以由如与图12中的通信站有相似结构和功能的接收站(没有画出)接收。
分组单元132还从无线单元134接收由无线单元通过无线链路135接收到的输入分组。分组单元132通常分解输入分组并将来自每个输入分组的基本信息提供给通信端口131进行常规使用。分组单元还将来自输入分组的头部提供给头部单元133，由其按需要采用常规技术进行解压，然后将头部信息转发给通信端口131。
分组单元132还从通信端口131接收DTX指示(也就是，非话音活动)或“静态视频”指示(也就是，非视频活动)，作为对其的响应，分组单元132输出包括通常图2和3中显示的SID/“静态图象”帧的分组。
分组单元还与编解码器(没有画出)通信，以从中接收比特率信息并向其提供命令以降低/恢复比特率，如上面参考图13所述。
头部单元133与分组单元132连接以交换头部更新信息，并且当希望在输出分组中发送头部更新信息时发信号通知分组单元132。响应于接收到的输出分组中发送头部更新信息的信号，如上所述，分组单元132按要求单独或组合执行图6、8和13中说明的操作。如果发生DTX/“静态视频”操作，则生成图9所示的分组，如果不发生DTX操作，则生成图10所示的分组。
当图12中的通信站接收到输入分组时，可执行图11所示的示范操作。当分组单元132检测到图9中91处或图10中110处所示的更新标记时，分组单元能恢复头部更新信息，并将这一头部更新信息与指示头部单元更新HC软状态的信号一起提供给头部单元133。例如，如果头部更新信息包括一个完整的头部，则头部单元可以以传统形式使用该完整的头部来重新设置(也就是更新)其头部压缩状态机(没有画出)。
对于本领域的工作人员来说，显然上述本发明可以通过对如传统无线或有线通信站的分组通信部分的硬件、软件或两者共同的合适的修改来实现。
从上述讨论中可以看到，本发明提供了现有技术不具备的下列优点：可以在一个固定比特率信道中，以资源有效的方式实现头部压缩状态的连续更新；以一种资源有效的方式减少头部压缩方案处于被破坏状态的时间；并且因破坏的头部压缩状态而引起的丢失分组数减少，从而实时业务的质量得到改善。
虽然已经在上面详细说明了本发明的示例实施方案，但其并未限制本发明的范围，可以用各种实施方案来应用本发明。

Claims (14)

1.一种将通信信号从第一个通信站发送到第二个通信站的方法，包括：
在通信信号活动周期中，将包含头部信息和通信信号信息的通信信号分组从第一个通信站发送到第二个通信站；
第一个通信站检测通信信号活动性的缺乏；并且
响应于第一个通信站检测到通信信号活动性的缺乏，将包含头部更新信息的更新分组从第一个通信站发送到第二个通信站，第二个通信站利用该头部更新信息对第一个通信站发送到第二个通信站的后续通信信号分组中的头部信息进行解释。
2.根据权利要求1的方法，其中通信信号包括话音信号和视频信号中的一种。
3.根据权利要求2的方法，其中所述更新分组包括用于在第二个通信站产生声音连续发送的错觉的舒适噪音信息。
4.根据权利要求2的方法，其中所述更新分组发送步骤包括发送更新分组来替代包括舒适噪音信息的分组。
5.根据权利要求1的方法，其中所述两个发送步骤包括通过包括无线通信信道的通信链路来发送分组。
6.根据权利要求1的方法，包括第二个通信站使用头部更新信息来更新在第二个通信站维持的头部压缩状态。
7.根据权利要求1的方法，包括在所述通信信号活动周期的一个周期中，第一个通信站用头部更新信息替换所述分组中的一个分组中的至少一些通信信号信息。
8.根据权利要求7的方法，其中所述通信信号信息包括源编码数据，并且还包括，在所述通信信号活动周期的一个周期中，第一个通信站确定生成源编码数据的编解码器的比特率低于门限值，并且此后第一个通信站在没有替换任何源编码数据的情况下在所述分组中的一个分组中插入头部更新信息。
9.根据权利要求8的方法，其中所述确定步骤包括第一个通信站命令编解码器将其比特率降低到门限值以下。
10.一种用于向第二个通信装置发送通信信号的通信装置，包括：
一个分组单元，带有用于在通信信号活动周期中接收通信信号信息的输入端，并带有用于将包含通信信号信息和头部信息的通信信号分组发送给第二个通信装置的输出端；
连接到所述分组单元的头部单元，用于向其提供所述头部信息以及向其提供头部更新信息，由第二个通信装置使用这些头部更新信息对从所述分组单元发送给第二个通信装置的后续通信信号分组中的头部信息进行解释；以及
所述分组单元对通信信号活动性缺乏做出响应，从所述输出端将包含所述头部更新信息的更新分组发送到第二个通信装置。
11.根据权利要求10的装置，其中通信信号包括话音信号和视频信号中的一种。
12.根据权利要求11的装置，其中所述更新分组包括用于在第二个通信装置产生声音连续发送的错觉的舒适噪音信息。
13.根据权利要求11的装置，其中所述分组单元可操作用于发送所述更新分组来替代包括舒适噪音信息的分组。
14.根据权利要求11的装置，其中所述分组单元可操作用于通过包括无线通信信道的通信链路发送分组。
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