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　　【摘要】分组话音为当前IP交换网络的主要话音通信方式，结合工程实践的实际情况，对分组话音在窄带无线信道的传输协议进行了设计和分析。针对窄带无线信道带宽有限、误码率较高的特点，采用了抗误码能力强的同步码设计和级联信道编码设计，选取合适的声码话编码并进行合理组包，使得分组话音对信道的适应性大大增强，在工程设计上有良好的实用意义。

　　【关键词】分组话音,AMBE声码话,无线组网,传输协议

　　1引言

　　在通信网络中，存在有线信道和无线信道、宽带信道和窄带信道等多种信道，不同信道的特性有差异，需要针对不同信道设计相应的传输协议。本文结合工程实践的实际情况，设计一种基于窄带无线信道的分组话音传输协议，并进行通信效能分析。

　　2分组话音在窄带无线信道上的传输特性

　　2.1窄带无线信道特性

　　本文在工程实践中采用无线传输设备的基带方式进行透明传输，其信道速率为16kbit/s。

　　2.2分组话音特性

　　分组话音是利用数据分组包方式来传输声码数字话音信息的技术，其信息的发送、接收方式与数据报文相近。当信道带宽足够时，可以在任意信道上传输。

　　考虑到窄带无线信道的传输能力，本文在工程实践中采用AMBE声码话体制，其信息速率为2400bit/s，每20ms产生一帧（6byte）话音数据，每秒共300byte数据。

　　为了匹配窄带无线信道的传输特性，在信道传输时，对声码话进行分组处理，将25帧AMBE声码话音数据组成一个分组包，则分组包内有效话音数据为25×6byte=150byte。

　　3分组话音传输协议的设计和分析

　　针对窄带无线信道的特性，本文在协议封装、位同步码、帧同步码和信道编码等方面对分组话音的传输协议进行设计，提高分组话音在窄带无线信道下的通信效能。

　　3.1分组话音收发流程及协议封装设计

　　分组话音无线组网发送流程及协议封装如图1所示，其接收流程和协议解包为图1的逆过程。

　　分组话的声码话采用AMBE编码，速率为2400bit/s，每20ms产生一帧（6byte）话音数据。为了匹配窄带无线信道（16kbit/s）的传输特性，在信道传输时，对声码话进行分组处理，将25帧声码话音数据组成一个150byte的分组话音包进行传输，此时发话方将有25帧×20ms=500ms的延时（话音缓冲）。

　　如图1所示，该150byte分组话音经过协议各层封包、信道编码、帧同步和位同步后，在窄带无线信道信道传输的信息为7264bit。在窄带无线信道16kbit/s传输速率条件下，传输一个分组话音包的时间为7264bit/16kbit/s

　　=454ms。该传输时间小于发送方的话音缓冲时间500ms，因此可在窄带无线信道上正常传输一路分组话音。

　　3.2位同步码设计及抗误码能力分析

　　设信道比特误码率为Pe（随机误码），则位同步码能够正确实现同步的概率Paa为：

　　Paa（Pe）=1-[1-（1-Pe）m]n-m（1）

　　其中，n表示位同步码长度，m表示位同步码检测误码容限（即连续检测到m位认为是位同步）。

　　在本协议中，位同步码为“101010101010……”码流（简称“AA”码）。在接收方对“AA”码进行连续跟踪搜索时，当连续检测到32bit“AA”码时即可实现位同步。在实际应用中，为了保证位同步码的抗误码能力以及考虑到窄带无线信道的处理反应时间和收发转换时间对位同步码的损失因素，位同步码长度n取800bit（50ms*16kbit/s）。

　　取n=800，m=32，按式（1）计算，其结果表1所示：

　　表1位同步成功率

　　信道误码率Pe位同步成功率Paa/%

　　1×10-2100.00

　　1×10-1100.00

　　2×10-145.59

　　可见，该位同步码对高误码率信道的适应性很好，当误码率不大于1×10-1时，位同步率很高。

　　3.3帧同步码设计及抗误码能力分析

　　帧同步码在无线传输过程中由于会受到噪声的干扰，使帧同步中的某些码元产生差错，致使在接收端不能正确检测出帧同步码，而造成同步丢失，称为漏同步。

　　由于信息码流是随机的，有可能出现与帧同步码相同结构的情况，在接收端会误认为是帧同步码而被检测出，而造成同步的错误指示，称为假同步。

　　因此，帧同步的设计主要应该考虑以下几个方面：

　　◆提高传输效率——码长尽可能短；

　　◆提高同步的可靠性和抗干扰能力（减少漏同步和虚同步的概率）——码长尽可能长；

　　◆能被快速准确识别——码型具有良好的相关特性，不易被信息流中的随机比特混淆而出现虚同步。

　　（1）漏同步概率

　　设信道比特误码率为Pe，帧同步码的码元长度为n，帧检测误码容限为m（即m位及以下的错码认为是帧同步），则帧同步码组码元n中所有不超过m个错误码元的码组均能被识别。

　　（2）正确同步概率Pmec

　　（2）

　　其中，n表示帧同步码码元长度，m表示误码容限，r表示误码个数。

　　（3）漏同步概率Pmfd

　　Pmfd（Pe）=1-Pmec（Pe）（3）

　　（4）虚同步概率虚同步与帧同步的码型、码长、信息码中“0”和“1”出现的概率有关。虚同步概率就是计算数据流中能判为同步码组的组合数与所有可能的码组数之比。一般数据流中比特“0”和“1”为等概率（1/2）出现，n比特数据流中码的码组组合总数为2n个，其中能被判为同步码组的组合数与误码容限m有关。

　　虚同步概率Pmes为：

　　（4）

　　其中，n表示帧同步码码元长度，m表示误码容限，r表示误码个数。

　　（5）局部自相关函数

　　帧同步码型可以自相关函数作为码型性能的度量标准，码组应该具有尖锐的自相关函数以便于识别。

　　设帧同步是一个n位比特长度的码组X1X2…Xn，其自相关函数定义为：

　　（5）

　　其中，n表示帧同步码码元长度；j表示错开的位数，j取负数时与取正结果一样；Xi取值+1（“1”）和-1（“0”）。

　　在本协议中，选取长度小、相关性好的帧同步码，其序列为：0x（9b，b5，7a，90，69，4f，4f，26）。该序列长度为64bit，误码容限选择12，该序列的性能分析如下：

　　取n=64，m=16，按式（2）、式（3）和式（4）计算，其结果如表2所示：

　　表2帧同步成功率

　　信道误码率

　　Pe帧同步成功率

　　Pmec/%漏同步概率

　　Pmfd/%虚同步概率

　　Pmes

　　5×10-2100.000.003.867×10-5

　　6×10-2100.000.00

　　7×10-2100.000.00

　　8×10-2100.000.00

　　9×10-2100.000.00

　　1×10-199.990.01

　　2×10-187.4612.54

　　该序列帧同步码的局部自相关函数图如图2所示：

　　图2帧同步码局部自相关函数R（j）与j的关系图

　　由表2可见，该帧同步码对高误码率信道的适应性较好，虚同步概率很低。当误码率低于1×10-1时，帧同步率仍然很高。由图2可见，该码型具有较尖锐的峰值，自相关性较好。

　　3.4信道编码设计及抗误码能力分析

　　在窄带无线信道上，误码通常包括随机误码和突发误码。BCH码只能对随机误码进行纠错，RS码则适合对突发误码进行纠错，因此通常把两种编码级联和交织，这种级联码对克服随机误码和突发误码的组合非常有效。如果级联码要纠正某个错误模式，则通过BCH码不能纠正的字节错误模式必须构成RS码字可纠正的错误模式。分散的随机错误由BCH进行纠正。突发错误可能只影响相对较少的几个字节，这可以通过RS进行纠正。

　　根据信道编码的特性，监督字符数越多，可纠正的错误就越多。在本协议中，采用BCH（16，8，2）码和两组RS（200，100，50）码构成级联码，以获得更大的抗误码性能。该编码的结构表示如图3所示，首先把200byte的数据分为两列，每列100byte，按列分两次进行RS（200，100，50）编码，形成每列200byte的两组码字，两组RS码字进行交织，这样可获得更大的抗突发误码性能。然后RS码字的每个字节进行BCH（16，8，2）编码。发送时按照行顺序发送，该级联码的编码效率为200byte/（200byte×4）=25%。

　　图3BCH（16，8，2）码和RS（200，100，50）码级联结构

　　BCH（16，8，2）码可以纠正一个码字（16bit）中的2bit的错误，设信道比特误码率为Pe（随机误码），则一个码字能够正确译码的概率PBCH为：

　　（6）

　　其中，n表示BCH码码元长度，m表示误码容限，r表示误码个数。

　　（1-PBCH）可近似地认为是BCH解码后字符的错误概率，RS（200，100，50）码最多能纠正50个字符错误，故RS码字能够正确译码的概率PRS为：

　　PRS（7）

　　其中，n表示RS码码元长度，m表示误码容限，r表示误码个数。

　　两组RS码字都能正确译码时整个数据包能够正确接收，因此数据包译码成功概率Pp为：

　　Pp（PRS）=P2RS（8）

　　在式（6）中取n=16，m=2，在式（7）中取n=200，m=50。

　　计算结果如表3所示：

　　表3BCH（16，8，2）码和RS（200，100，50）码级联码数据包译码成功率

　　信道误码率

　　PeBCH正确译码率

　　Pbch/%RS正确译码率

　　PRS/%数据包译码成功率

　　Pp/%

　　5×10-295.71100.00100.00

　　6×10-293.27100.00100.00

　　7×10-290.31100.00100.00

　　8×10-286.89100.00100.00

　　9×10-283.0699.8699.72

　　1×10-178.9292.3985.35

　　可见，该码的编码效率虽然较低（25%），但对高误码率信道的适应性较好，当信道误码率低于9×10-2时，数据包译码成功率很高。在信道误码率为1×10-1时，成功率仍可达到85%左右。

　　3.5分组话音传输综合效能分析

　　由于话音有为人主观识别的信息，因此可通过话音质量（MOS）评估、掉字率和话音可懂度来分析窄带无线信道条件下分组话音的综合效能。在窄带无线信道条件下，与数据业务的传输特性不同，分组话音的正常通信无须信道完全正确传输，即信道纠错译码后仍存在不大的误码时，话音仍可正常通信。

　　在本协议中，分组话音的掉字率Pw主要与以下因素有关：

　　（1）位同步码同步成功率Paa；

　　（2）帧同步码同步成功率Pmec；

　　（3）分组话报文包头传输成功率Psec。

　　当以上任一部分传输失败时，分组话音报文会整包丢失或出错，导致连续500ms话音信息丢失，产生掉字。

　　（1-Pp）可近似地认为是BCH+RS级联码译码后报文的错误概率，则分组话报文包头传输成功率Psec近似为：

　　（9）

　　其中，n表示分组话报文总长度，n=200；m表示分组话报文包头长度，m=28；Pp表示数据包译码成功率。

　　分组话音的掉字率Pw为：

　　Pw（Pe）=1-Paa·Pmec·Psec（10）

　　当分组话报文中AMBE声码话信息部分（共150byte）的个别字节因信道误码错误不会造成整包分组话报文的丢失，单个字节的错误只会造成20ms/6byte=3.33ms话音的错误，对话音的可懂度影响很小。分组话音的可懂概率Pd近似为：

　　（11）

　　其中，n表示分组话报文总长度，n=200；m表示分组话报文中AMBE声码话信息长度，m=150；Pp表示数据包译码成功率。

　　计算结果如表4所示：

　　由表4可知，当信道误码率在9×10-2以下时，分组话音通话正常，话音清晰可懂，话音质量为4～5分；当信道误码率在1×10-1时，分组话音通话正常，话音可懂，偶有噪声或掉字现象，话音质量为3分左右。

　　4结束语

　　本文结合工程实践的实际情况，对分组话音在窄带无线信道的传输协议进行了设计和分析。针对窄带无线信道带宽有限、误码率较高的特点，采用了抗误码能力强的同步码设计和级联信道编码设计，选取合适的声码话编码并进行合理组包，使得分组话音对信道的适应性大大增强。在保证较低话音延时和较优话音质量的前提下，可使信道误码率达到9×10-2，基本达到窄带无线信道话音组网应用的极限，为分组话音在窄带无线信道上的传输提供了一套可行的方案。

　　参考文献：

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