【卫星通信】超低比特率语音编解码器（ULBC）的信道特性评估

引言

随着对卫星通信需求的增长，尤其是在语音通话和实时语音传输方面，对语音编解码器的要求也在不断提高。在这方面，超低比特率语音编解码器（ULBC）作为一种新兴技术，因其编码比特率低和传输延迟短的特性，逐渐成为卫星通信的关键技术之一。ULBC的设计和实施需要深入了解信道特性，特别是在地球静止轨道（GEO）卫星通信环境中。本文将依据华为技术有限公司在3GPP的提案【S4-250818 - [FS_ULBC] On channel characteristics evaluation for ULBC】，全面分析ULBC的信道特性评估，包括其设计所需的信道参数、双工操作以及系统的优化过程等。

1. ULBC的重要性

在卫星通信中，ULBC的开发旨在提高语音通话的质量与可靠性，尤其在网络带宽有限或信道条件不佳的情况下。卫星通信延迟和抗干扰能力相对较差，使得传统的语音编解码器难以满足实时通讯的需求。ULBC能够在极低的比特率下提供可靠的音频质量，这对于偏远地区的通信尤为重要。

1.1 GEO信道特性

GEO卫星通信中的信道特性复杂多变，主要包括信道的平均延迟、丢包率、抖动、信道增益和干扰等。在设计ULBC时，必须充分考虑这些信道特性，以确保其在不同环境下都能稳定运行。

2. 信道特性评估的必要性

在SA#107会议上批准的"超低比特率语音编解码器研究"要求研究者对GEO信道特性及其相关性进行深入分析。具体来说，需要关注的方面包括：

编码器支持的网络比特率
传输延迟及间隔
数据包丢失、延迟和抖动特性（例如，通过轨迹和统计模型来分析）

通过对这些信道特性的综合分析，可以为ULBC设计提供重要信息，以确保其在实际使用中能够满足各种质量和性能要求。

3. 同步与协作的必要性

在进行信道特性评估时，涉及多个工作组（WG）的联合协作是必要的。提案中提到，信道特性、编码器操作和服务特性高度相关，因此单一工作组难以独立得出最终结论。必须与无线接入网络（RAN）及服务架构组（SA2）密切合作，进行联合优化，以便系统各部分在相互作用中实现最佳性能。

3.1 全双工操作的挑战

NB-IoT的无线活动分配是半双工，这意味着上行（UL）和下行（DL）通信不能同时进行。在支持全双工语音通话时，需要将UL/DL编码比特流以时分复用（TDM）的方式映射以便进行空气传输。由于语音服务要求UL和DL方向的吞吐量对称，因此，优化无线接入将更倾向于为DL方向分配更多时间。

通过合理分配无线资源，例如在UL和DL之间分配77%和23%的时间，可以实现对称的2.5kb/s的比特率，而将50%分配给两个方向则会导致DL和UL之间的不平衡，加大了语音质量的风险。因此，合理配置信道参数对ULBC的设计和实现至关重要。

3.2 链路预算的重要性

链路预算是指在设定的一系列参数下，计算通信系统在特定信道条件下的信号强度和接收性能。在GEO卫星通信场景中，链路预算的评估涉及多种因素，包括但不限于：

发射功率：发送端发出的信号强度。
接收灵敏度：接收设施所需的最低信号强度。
路径损耗：信号在传输过程中由于距离和障碍物造成的衰减。
信号干扰：来自其他信号源的干扰造成的额外损失。

通过对这些因素进行全面评估，可以预判在给定的链路条件下，系统能够支持多少并发用户以及如何配置资源以达到最佳的通信效果。

3.3 典型参数设置的模拟

在仿真中，可以通过设置不同的无线链路参数来观察其对吞吐能力的影响。

根据对不同链路预算的评估结果，通常发现:

在较低的载波与噪声比（CNR）情况下，为了达到特定的比特失误率（BLER），需要进行更多的重复传输。这不仅会导致更高的延迟，还会影响到系统的总体吞吐能力。
当UL和DL的无线活动被设定为相同的比例（如50%/50%）时，ULBC的有效比特率会大幅下降。例如，如果下行吞吐能力为0.8kbps，就需要上行链路以300b/s的速度运行，且Ptime为160ms，才能满足语音服务的基本需求。

3.4 对信道优化的启示

从链路预算仿真的结果中，我们可以得出一些关于ULBC设计和优化的启示：

对称吞吐需求：声音服务需求在上下行方向上获得对称的吞吐量。如果不进行合理的无线资源分配，可能导致某个方向的用户体验严重下降。
资源分配的优化：为了实现较好的QoE（质量体验），在全双工操作中，智能的资源均衡分配，例如在DL和UL之间分别分配77%和23%的时间，可以显著提升系统的整体性能。
动态调整能力：链路预算的仿真结果为开发动态调整和适应性机制提供了基础，这样无线接入单元可以在一定的信道条件下灵活配置资源，以保证语音通话的质量和稳定性。

GEO空中接口链路预算的仿真不仅为ULBC的设计提供了稳固的基础，还为将来不同通信环境下的资源优化提供了可靠的数据支持。通过深入理解不同链路参数和其交互效应，设计者将能够实现更高效且可靠的超低比特率语音编解码器，从而满足日益增长的语音通信需求。链接预算的有效评估是实现这一目标的关键步骤之一。

4. 系统优化方案

对ULBC的系统优化涉及两个关键部分：无线接入单元和语音编解码器。这两个系统在非线性关系上互相影响，因此需要采用分阶段的联合优化程序，确保在实际部署中，系统各个组成部分能够有效协同。

4.1 联合优化程序的步骤

系统仿真方法的确认：SA4同意采用系统仿真方法，并获得RAN的确认，从而为后续的优化奠定基础。
参数设置的定义：SA4将定义一系列关键参数（如编码比特率、Ptime和BLER目标）并发送给RAN/SA2，以便进行进一步的优化。
无线接入系统的优化：RAN将根据估算的传输块大小（TBS）、时间槽大小及更新的传输延迟，优化无线接入系统并向SA4提供更准确的比特率。
反馈与调整：SA4将根据RAN提供的数据进行进一步的比特率、Ptime和BLER目标的优化，并在必要时再次与RAN沟通，以实现更高效的网络性能。

5. 结论

3GPP SA4对卫星通信的语音编解码方案ULBC的选型工作非常慎重，前提需要对高轨卫星通信的链路预算和信道参数进行分析和优化；通过对ULBC信道特性进行深入评估和优化，可以为卫星通信中的语音编解码器的选项提供更为可靠的支撑。

未来，在GEO信道特性研究的基础上，ULBC进一步的优化将会对语音服务的质量和用户体验产生积极作用，ULBC在实际应用中必将展现其巨大的潜力，将对卫星通信行业的发展产生深远的影响。