专利名称：用于在分组交换通信网络中传输语音信号的改进的硬件、终端与方法
技术领域：
本发明涉及与电信网络联合使用的协议转换器，安排该协议转换器以用于在根据IETF标准RFC 1889的RTP分组头与根据本发明缩小的RTP分组头之间执行对包含语音样本块的接收分组的转换。本发明还涉及用于实现协议转换器的软件装置。本发明进一步涉及使用根据本发明的协议转换器的蜂窝网络及方法。
由于网络的数字化，数据通信越来越多地依赖于分组交换连接。随着互联网的普及，分组交换数据通信已经变成了非实时应用事实上的标准。在分组交换互联网连接上通信的数据被组织成多个数据块，或分组，包含至多65,535字节并指明接收机地址。在接收端，接收到的数据包被以正确的顺序重组以便进一步处理。尤其是在非实时应用中，包括计算机之间的多个数据连接，当网络容量仅用于传输数据时，该技术为通信网络的使用带来了相当可观的好处。每个数据包有一个头来将其导向正确的方向。在固定通信网络中平均来讲有足够的通信容量，所以头的大小不是问题。这样当前广泛应用在互联网中的IPv4互联网协议使用了一个20字节的头，即将来临的IPv6使用了一个40字节的头。
到目前为止在很大程度上依赖于电路交换技术的实时语音与图像连接也开始转换为分组交换的互联网类型的连接。用于所谓的VoIP(在IP上承载语音)的方法目前正在被开发并被标准化。然而，VoIP的本质对分组数据从发送端到接收端的传输提出了新的要求，因为接收端不得不在某些精确的时间点以正确顺序处理数据包并最多被延迟以一定的最大时延，通常小于150秒。在这种情况下用于传统分组交换通信的IP协议使用繁重。在传输的每个数据包中很大的头降低了数据包处理并吃掉传输容量。
这样实时分组交换连接就需要更有效的传输方法，使数据通信在实时应用中更加有效。Internet工程任务组(IETF)正在开发一种称为罗伯特头压缩(ROHC)的压缩方法。在ROHC方法中，只有从以前的数据包变化过来的头信息被加入传输的数据包。然而，ROHC的定义仍然在进行中而且显然将花费几年的时间来完成，此外，它在无线连接中的应用是有问题的，因为它的纠错能力有限。
它也是一种广为人知的增强数据通信方法，在这种方法中数据包头被至少部分地移去了。这种方法被提出用于第三代合作项目(3GPP)定义的第三代蜂窝网络中基于无线的连接。但是这种方法的使用要求为使用该方法的连接分配分立的无线路径，所以它更像传统的电路交换连接。
实时分组交换数据传输是基于IETF标准RFC 1889，该标准定义了在实时数据通信中使用的实时协议(RTP)。标准RTP分组的头如表1所示。属于语音或图像流的分组在接收端必须以正确顺序组织，而且这正是RTP协议的用处。如果数据包在路上丢失，但是接收到的数据包能够在正确的时刻播放。例如，丢失的语音分组被语音编解码器做了标记，也就是说其实丢失的声音在衰减电平上被扩展。标准RTP数据包头如表1所示。
表1RTP协议头0 1 2 30 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|V＝2|P|X| CC |M| PT | 序列号 |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+| 时间标记|+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|同步源(SSRC)标识符 |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+| 可选作用源(CSRC)标识符 ||.... |从表1可以看出，在每一个被传送的数据包中标准的RTP协议头长度至少为12字节。尤其是当在固定网络中传送视频时RTP的优势更加明显。根据RTP到接收机的传输并不需要遵循同样的时间间隔。这一点可以用在视频传输中，因为在不同时刻传输的数据量变化很大。
基于IP的分组交换通信技术也正在进入无线通信系统。在这些系统中，无线路径限制了每条传输线路可以利用的传输带宽，使之明显窄于传统有线连接的可用带宽。RTP要求的12字节头几乎相当于由自适应多速率(AMR)语音编码器产生的20毫秒声音样本块的大小，AMR在最低比特率下样本块的大小是13字节。这样就与RTP一样保留了相当一部分可用传输能力，它不能像在声音信号无线传输中的运用一样被有效地使用。
基于VoIP技术的开发工作也已经做了很多，其目的是将VoIP应用于半双工集群呼技术。在这种应用中不能应用ROHC方法或者将RTP头移除，因为对于正在使用的应用来说由一个独立无线信道引起的时延是不可接受的。
本发明的目的是提供一种新的用于分组交换蜂窝网络的协议转换器方案，将RTP协议头转换为简化的版本以用于无线通信网络。
本发明的目的是通过一种转换器结构来实现的，该协议转换器结构根据本发明将以分组交换方式传送到电信网络终端的实时RTP分组头转换为一个简化的RTP头。从终端来的简化RTP头根据本发明通过一个转换器转换为符合传统RTP协议的头，用于主干网络通信。
根据本发明的协议转换器的特征在于，该协议转换器被排列来处理2或4字节的简化RTP包头，这样包含一个音频信号样本的分组可以在通信网络中以一种节约通信容量的方式来传输。
根据本发明的软件装置的特征在于，它们包含用于实现实时RTP协议转换器的装置。
根据本发明的通信网络的特征在于它包含一个用于根据简化RTP协议处理IETF标准RFC 1889 RTP包头的协议转换器，最多包含4字节的头，以使得包含一个音频信号样本的分组可以以一种节约通信容量的方式在终端与基站子系统之间的无线连接上传输。
根据本发明的方法的特征在于协议转换器与终端之间的通信使用了简化的RTP协议，根据简化RTP协议的包头包含-一个1比特长的F字段-一个1比特长的M字段-一个1比特长的R字段-一个1比特长的C字段-一个3比特长的PT字段-一个8比特长的SN字段
-一个16比特长的CS字段本发明的优选实施例将在所附权利要求中阐述。
本发明的基本思想如下协议转换器被连接到无线分组交换蜂窝网络或者容量受限的有线网络，该协议转换器将携带音频信号并以容量受限传输路径为目标的数据包头转换为简化的RTP头。通信网络终端可以使用在音频信号经复制过程中接收到得的分组，因为终端所需要的头和同步数据不是被传到了终端，就是可以根据本发明从RTP包中重构。相应地，根据本发明，终端只发送根据本发明简化的RTP包，协议转换器可以将其识别并转换为用于骨干网络传输的标准RTP包头。
本发明的一个优点是实时声音信号中的协议头在以分组交换传输，在无线或容量受限网络中协议头可以被显著地降低到2到4字节，然而在根据现有技术的RTP协议中至少有12字节的头。因而，使用根据本发明的协议，无线路径上的数据通信要比使用现有技术有效得多。
本发明的另一个优点在于仍然可以使用骨干网中传统的RTP协议以及与之相关的硬件，而且在向无线通信链路发送时协议转换只需在无线接口上进行。
下面对本发明进行详细描述，并引用如下附图
图1通过举例示出了蜂窝网络中根据本发明的协议转换器图2通过举例以流程图的方式示出了根据本发明将收到的数据包转换为另一种符合本发明协议格式的转换过程的步骤。
图1作为一个例子示出了符合根据本发明的协议转换器14以及该转换器使用的简化RTP协议的有利应用。根据本发明的简化RTP协议被有利地应用于通信网络的无线部分。但是，在拥有可用传输容量的骨干网18中仍然使用标准RTP协议。在这里和下文中标准的RTP协议指根据IETF标准RFC 1889的协议。
图1中的参考指示11表示至少部分数据通信基于分组交换进行的数字蜂窝网络。例如这种网络可以是GPRS网络。在骨干网络中标准RTP协议由参考指示18表示，用于与实时应用配合。骨干网络18也可以是独立于蜂窝网络的通信网络。蜂窝网络的一部分是所谓的操作节点17，或服务SGSN支持节点，从骨干网络来的包通过该节点被传输到一个特定的基站子系统(BSS)15。根据本发明的协议转换器14连接在骨干网络18与操作节点17之间。数据包从骨干网络18向上传输到协议转换器14运用的是标准RTP协议，参考指示器16。
协议转换器14可以将标准RTP协议转换为根据本发明的简化RTP协议使之被传输到无线通信连接13。蜂窝网络终端12可以在发送和接收功能中使用根据本发明的简化RTP协议。
为了在发送和接收语音样本包时可以使用根据本发明的简化RTP协议，终端12包含了软件装置，用以识别使用的协议并且使用两种RTP协议中的一种。
当终端12发出一个使用根据本发明的简化RTP协议的数据包时，协议转换器14从包头识别出这个包是符合简化RTP协议的。转换器14对收到的包进行协议转换并且把包作为标准RTP包进一步发送给骨干网络18。因为本发明，骨干网络18中不需要做任何改变，而且现有技术方法和协议仍然可以使用，尽管无线链路使用了与标准不同的根据本发明的RTP协议并且更加有效地使用了线路。
相应地，当从骨干网络18收到一个要传到蜂窝网络11的终端12的RTP包时，协议转换器14利用RTP包的第一位来识别协议类型。如果需要，协议转换器就将其转换为简化版本。
表2描述了根据本发明的简化RTP协议头。
表2根据本发明的简化RTP协议头0 1 2 30 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|F|M|R|C|S| PT |序列号 | 校验和(可选) |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+根据本发明的简化RTP协议头长度最大为4字节。协议头有利地包含了以下字段头的第一个字段，标识字段”F”，包含一位。在根据本发明的简化RTP协议里标识字段F总是”0”。它区分开了简化的RTP协议与标准RTP协议，后者开始有一个两位的识别字段V，第一位总是”1”。因此，本发明的协议转换器14根据包的第一位就可以知道接收的是根据本发明的简化RTP包还是标准的RTP包。
根据本发明的协议下一个字段用M标识，同样包含一位，与标准RTP协议的唯一区别是它在头中的位置。
下一字段R包含一位，被保留用于将来的扩展，最好是像在RFC1889中一样将其用作填充位。如果它被置位，数据包就在末尾包含一个或多个附加的填充八位位组，它们不属于有效载荷。
验证字段C包含一位，如果为”1”，根据本发明的简化RTP协议头就包含一个可选的独立的校验和字段。
下一个字段S被用来指示所谓的同步源(SSRC)是否改变了。一旦同步源改变了，S字段的值就会改变。
接下来的三位字段PT可以代表八种不同的数据包内容类型(有效载荷类型)。
下一个字段SN(序号)包含8位，用来指示包的顺序号。一旦S字段的比特值改变，SN字段的值就被重置。重置后，每一个发出的包会把SN字段的值加一。接收机可以通过SN字段以正确的顺序组织接收到的包。它也能够被用来检测包的丢失。如果链路上运用了非连续发送(DTX)，这意味着无声的部分根本就不会被传送，每当距接收上一个包的时间20毫秒时(在GSM系统中)，接收端的SN字段值就会加一。这种延迟可以是其它参数，取决于使用的系统特征。这样，用DTX传送的声音样本就可以以正确的时序重现。
在简化RTP中SN字段的值是通过取标准RTP格式中对应的16位SN字段低8位获得的。另一方向的转化通过以下方式实现高位字节，即8个最高有效位是一个随机数，在每一个语音段(或数据流)里它被独立产生，并且当低位字节即八个最低有效位从255返回0时加一。
校验和字段CS是可选的，并且当LLC/UDP校验和由于某些原因没有使用时，CS应该被使用。当计算校验和时，如果发现CS字段的值与校验和不一样，那么有问题的包的内容就会被拒绝。该值也可以方便地用于计算包的一部分。
上述简化RTP头的字段只是示例性的，因此其中的任何一个都可以被省去或者改变其长度而不会影响本发明的思想。
表3示出了根据本发明的协议转换器实现的从简化版本到标准版本的协议转换(头转换)，反之亦然。头的第一位是本发明的精要，在根据本发明的简化RTP协议中它总是”0”(F字段，1位，值为”0”)，在标准RTP中它总是”1”(V字段，2位，值为”10”)。利用包的第一位，根据本发明的转换器14可以识别使用的RTP。当转换器14还知道该包是传向无线网络13还是有线网络18的时候，它能够对收到的包自动执行表3中的转换。
表3根据本发明的转换器的转换表
表3的第一列列出了根据简化RTP协议头的各字段名称，第二列列出了根据标准RTP协议头的各字段名称，第三列说明了从简化RTP协议向标准RTP协议转换的操作，第四列说明了从标准RTP协议向简化RTP协议转换的操作。第一或第二栏中的N/A表示所述字段对该协议不适用或者不存在于该协议中。
为了实现协议转换，根据本发明的协议转换器14包含可以实现协议转换的软件方法。
图2举例示出了根据本发明的协议转换器14运行的主要步骤流程图。使用根据本发明的协议转换器14，如图1所示，可以在无线连接13上使用简化RTP协议。协议转换器14可以作为一个分立的设备，也可以作为蜂窝或骨干网络功能单元的一部分，被放置在靠近网络中无线接口的地方。当采用分组交换的通信连接时，根据本发明的协议转换器14被方便地用于与移动终端12的语音连接。在向同一个终端12进行图片与视频的分组交换传输时，应用标准RTP协议可能更方便。而协议转换器14只能从骨干网络18接收标准RTP包。协议转换可以有利地在蜂窝网络11外部实现。能做这种转换的第一个GPRS或3G网络实体是蜂窝网络的操作节点17。
在图2流程图的第21步中，基站子系统15接收了一个包，该包经过一个操作节点17传给协议转换器14。因此该协议转换器可以接收从骨干网络18或者蜂窝网络11来的包。在第22步收到的包头中检测第一位。如果返回的比特值为”0”，那么收到的就是一个符合简化RTP的包。如果该比特值是”1”，收到的就是一个符合标准RTP的包。
第23步决定是否需要协议转换。如果根据简化RTP的包是从无线路径13接收到的，即该包必须通过骨干网络18传到接收机，就需要进行协议转换。同样的，如果来自于骨干网络18的一个标准的RTP包包含了一个语音段，而它必须使用简化RTP通过无线路径传到终端12以节省通信容量时，也需要协议转换。根据本发明的任何方向的协议转换都在第24步进行。
当从骨干网络18收到一个标准的RTP包，而且该包没有包含需要实时处理的数据，也不需要通过无线路径13传到移动终端12时，协议转换就不需要了。
在第25步该包被转发到无线路径13或骨干网络18，其格式根据第23步中所决定的协议确定。处理于第26步结束，这里第21步收到的包或者被发送到蜂窝网络的终端12，或者被发送到骨干网络18进行进一步传送。
上面描述了根据本发明的几个实施例。本发明并不局限于上述的示例性方案。例如，根据本发明的协议转换器也可以是骨干网络的某些其它结构的一部分，而不是像图1展示的那样。例如它可以是骨干网络中运行的SGSN节点或者服务器的一部分。同样地，传输容量受限的通信连接可能不是无线链路，它可以是电话网络中用调制解调器实现的一条线路。本发明的思想可以以很多方式在所附权利要求定义范围内应用。
权利要求
1.与电信网络(11)相连使用的协议转换器(14)，被安排以用于将接收到的包含一个音频样本块的编码包头进行符合IETF标准RFC1889的RTP包头与简化RTP包头之间的转换，其特征在于协议转换器(14)被安排来处理只有2或者4字节的简化RTP包头，因此包含音频信号样本的数据包可以以节省通信容量的方式传输。
2.根据权利要求1的协议转换器(14)，其特征在于该协议转换器(14)被安排来进行下列转换从简化RTP协议到标准RTP协议的转换，从标准RTP协议到简化RTP协议的转换。
3.根据权利要求2的协议转换器(14)，其特征在于该协议转换器(14)被安排来处理简化RTP包头，该头包含下列字段中的至少一项F字段，M字段，R字段，C字段，S字段，PT字段，SN字段。
4.根据权利要求3的协议转换器(14)，其特征在于被协议转换器(14)处理的根据简化的RTP协议的包头中各字段的长度为-F字段1比特-M字段1比特-R字段1比特-C字段1比特-S字段1比特-PT字段3比特-SN字段8比特
5.根据权利要求3的协议转换器(14)，其特征在于该协议转换器(14)进一步被安排来处理简化RTP包的16位长的CS字段。
6.根据权利要求4的协议转换器(14)，其特征在于协议转换器(14)被安排使得当接收到的数据包中F字段值为”0”时，认为所接收的分组是符合简化RTP协议的。
7.根据权利要求4和6的协议转换器(14)，其特征在于该协议转换器(14)被安排以在转换中保留M字段的信息。
8.根据权利要求7的协议转换器(14)，其特征在于将发送的简化RTP协议中包含语音样本的前1到5个数据包的M字段的值置为”1”。
9.根据权利要求7的协议转换器(14)，其特征在于当数据包包含填充字段时，协议转换器(14)被安排来设定R字段的比特为”1”。
10.根据权利要求5的协议转换器(14)，其特征在于当C字段的值为”1”时，协议转换器(14)被安排来结合包头计算对应于CS字段中16位校验和的值。
11.根据权利要求10的协议转换器(14)，其特征在于当CS字段的值不能与协议转换器(14)计算出来的和匹配时，协议转换器(14)被安排来拒绝接收该数据包。
12.根据权利要求11的协议转换器(14)，其特征在于该协议转换器(14)被安排用来仅为接收到的数据包的一部分计算对应于CS字段的值。
13.根据权利要求4的协议转换器(14)，其特征在于当同步源SSRC的值与先前包不同时，协议转换器(14)被安排来改变S字段的比特值。
14.根据权利要求4的协议转换器(14)，其特征在于该协议转换器(14)被安排用来在长RTP帧里用三比特代表PT字段的8个不同的值。
15.根据权利要求4的协议转换器(14)，其特征在于该协议转换器(14)被安排用来转发收到的SN字段，该字段包含了最低八位有效位并且结合每个包的发送指示了包的传送顺序。
16.根据权利要求1的协议转换器(14)，其特征在于该协议转换器(14)被安排用来将包含了最有效的八位并指示了数据包发送顺序的SN字段设置为随机数，并且每当收到的简化RTP包的低位字节或最不重要的八位代表的数字达到最大值的时候将其加一。
17.根据权利要求1的协议转换器(14)，其特征在于当S字段的比特值改变时，协议转换器(14)被安排用于使用目标IP地址、目标UDP端口和S字段的比特计算SSRC字段的值。
18.根据权利要求4的协议转换器(14)，其特征在于协议转换器(14)被安排用来作为蜂窝网络(11)的一部分起作用。
19.实时分组交换通信网络(11，18)的功能单元(14，17)中的一种应用程序，其特征在于它包含了软件装置，来实现根据权利要求1到16的实时RTP协议转换器(14)。
20.存储或者传输介质上用于将符合权利要求18的程序加载到计算机内存的计算机程序，用于实现根据权利要求1到16的协议转换器。
21.包含骨干网络(18)、固定通信连接(16)，操作节点(17)，基站子系统(15)及无线终端(12)的分组交换通信网络，其特征在于它进一步包含了骨干网络(18)并与协议转换器(14)相连，用来将根据IETF标准RFC1889的RTP包头作为根据简化RTP协议的头来处理，简化RTP协议头最多包含四个字节，因此包含音频信号样本的包可以以节省通信容量的方式在无线终端(12)与基站子系统(15)之间的无线连接(13)上传输。
22.根据权利要求21的通信网络，其特征在于协议转换器(14)是操作节点(17)的一部分。
23.根据权利要求21的通信网络，其特征在于协议转换器(14)被安排用来进行下列转换中的一项从简化RTP协议到标准RTP协议的转换，从标准RTP协议到简化RTP协议的转换。
24.根据权利要求21的通信网络，其特征在于协议转换器(14)被安排用来接收和发送符合简化RTP协议的包头，头包含以下字段-一个1比特的F字段-一个1比特的M字段-一个1比特的R字段-一个1比特的C字段-一个1比特的S字段-一个3比特的PT字段-一个8比特的SN字段-一个16比特的CS字段
25.一种分组交换蜂窝网络终端(12)，其特征在于它包含根据简化RTP协议接收和发送数据包的装置，包头包含下列字段-一个1比特的F字段-一个1比特的M字段-一个1比特的R字段-一个1比特的C字段-一个1比特的S字段-一个3比特的PT字段-一个8比特的SN字段
26.根据权利要求24的蜂窝网络终端(12)，其特征在于它包含了根据简化RTP协议接收和发送包的装置，包头进一步包含一个16位长的CS字段。
27.在通信网络(11)的终端(12)与基站子系统(15)之间使用实时分组交换连接的方法，其中数据包在骨干网络(18)中根据IETF标准RFC 1889的RTP包进行传输，其特征在于连接骨干网络(18)到网络中操作节点(17)的协议转换器和终端之间的通信，所述终端使用了简化的RTP协议，其中包头包含以下字段-一个1比特的F字段-一个1比特的M字段-一个1比特的R字段-一个1比特的C字段-一个1比特的S字段-一个3比特的PT字段-一个8比特的SN字段-一个16比特的CS字段
28.根据权利要求27的一种方法，其特征在于协议转换器(14)根据接收包(21)的F字段中的比特判断接收包是一个标准RTP包还是简化的RTP包。
29.根据权利要求28的一种方法，其特征在于当判断为RTP协议时，在转换器(14)中会进行一个测试来确定是否需要协议转换(23)。
30.根据权利要求29的一种方法，其特征在于协议转换器(14)会进行下列协议转换中的一种从简化RTP协议到标准RTP协议的转换，从标准RTP协议到简化RTP协议的转换。
31.根据权利要求29的一种方法，其特征在于协议转换器(14)从终端(12)接收到的符合简化RTP协议的包在被协议转换器(14)传往(25)骨干网络(18)之前，被转换为一个RFC 1889标准包。
32.根据权利要求27的一种方法，其特征在于协议转换器(14)从骨干网络(18)接收到的根据RFC 1889标准的RTP包在从协议转换器(14)经过一个无线连接(13)传往(25)终端(12)之前，被转换为一个根据简化RTP协议的包。
33.根据权利要求27的一种方法，其特征在于通信网络(11)是蜂窝电话网络。
全文摘要
本发明涉及一种协议转换器(14)与使用该转换器的方法，使得蜂窝网络(11)与终端之间的无线连接(13)采用根据本发明的简化的RTP协议，而不是RFC 1889协议，以节省语音连接的通信能力。
文档编号H04L29/06GK1606859SQ02825803
公开日2005年4月13日 申请日期2002年12月11日 优先权日2001年12月21日
发明者M·维姆帕里, S·许蒂亚, J·瓦尔斯特伦, P·库雷, R·邦特姆皮 申请人:诺基亚有限公司