基于IP的CDMA系統(tǒng)中聲碼器的控制方法

　　摘　要：本文首先介紹了應用于CDMA系統(tǒng)的聲碼器，然后結合一種基于IP的CDMA2000系統(tǒng)，描述了語音傳輸與控制流程，并討論了在各種業(yè)務流控制模型中聲碼器的管理方法，說明該系統(tǒng)節(jié)約了聲碼器資源、簡化了信令流程并提高了業(yè)務質量。

　　關鍵詞：CDMA；聲碼器；IP；控制方法

一、前言

　　IP化是移動通信網(wǎng)絡發(fā)展的必然趨勢。在利用IP網(wǎng)絡傳輸語音業(yè)務的過程中，移動IP網(wǎng)絡要支持靈活的聲碼器配置和轉換功能，包括支持多種聲碼器、支持不同聲碼器類型語音包之間的轉換，并支持以靈活的方式配置聲碼器，以便運營商根據(jù)需要將聲碼器配置在網(wǎng)絡中最需要和最經濟的地方。與傳統(tǒng)移動通信系統(tǒng)結構相比，基于IP的CDMA系統(tǒng)的突出優(yōu)點之一就是節(jié)約聲碼器資源并提高了業(yè)務質量。

二、CDMA系統(tǒng)中的聲碼器

　　在第三代移動通信系統(tǒng)中，WCDMA使用自適應多速率（AMR）聲碼器來傳送話音，該聲碼器包括8種不同的聲碼器速率。因為WCDMA是針對GSM系統(tǒng)而設計的，這種聲碼器在傳輸速率的選擇上有所限制，通常AMR語音活動因素大約為0.67，所以AMR聲碼器對CDMA的環(huán)境并非完全合適。因此R5要引入新的寬帶多速率（WB-AMR）聲碼器來進一步改善話音質量。

　　為提高系統(tǒng)的容量，同時又兼顧話音質量，CDMA2000移動通信系統(tǒng)采用3種話音壓縮編碼標準來實現(xiàn)移動終端的話音編解碼處理：EVRC（IS-127）、8K QCELP（IS-96）和13K QCELP（IS-733）。EVRC聲碼器的語音活動因素只有0.4左右，可使話音質量大幅度的提高，基本達到有線電話的水平。Qualcomm碼激勵線性預測（QCELP）話音編譯碼器包括8 kbps和13 kbps的標準。QCELP聲碼器采用全雙工工作方式和可變數(shù)據(jù)壓縮比率以及話音激活檢測技術，在話音間隙期，根據(jù)不同的信噪比背景分別選擇1、1/2、1/4或1/8傳輸速率，可以使平均速率比最高速率下降2倍以上。CDMA還使用了確定聲碼器速率的自適應門限，自適應門限根據(jù)背景音噪聲電平的變化改變聲碼器的數(shù)據(jù)速率，這些門限的使用壓制了背景音噪聲，因而在噪聲環(huán)境下也能提供清晰的話音。另外，3GPP2已經選用了一種新的聲碼器可變模式的聲碼器。與EVRC比較，這種聲碼器能提供與EVRC相同的或更好的語音質量，同時可使語音容量最多可以增加75%。��

三、基于IP的CDMA2000系統(tǒng)體系結構

　　目前CDMA移動通信系統(tǒng)模型有很多種，這里結合一種基于Intranet結構的CDMA2000無線通信網(wǎng)絡系統(tǒng)討論聲碼器的管理方法。本系統(tǒng)綜合采用了多種無線傳輸與接入技術、IP網(wǎng)絡技術以及軟交換控制等技術，其核心交換機制為IP交換機制，即利用統(tǒng)一的IP交換平臺在各功能部件間交換信令控制信息和業(yè)務數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)結構如圖1所示。��

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　　本系統(tǒng)各功能實體的劃分和接口定義參照3GPP2的有關功能劃分和接口定義，并根據(jù)需要作適當?shù)恼{整和改動，主要包含下列基本組成：

　　(1)無線接入單元WAU（Wireless Access Unit）：完成空中接口物理信道的收發(fā)處理，建立和維護與無線終端設備之間的無線通道連接。

　　(2)無線接入服務器WAS（Wireless Access Server）：主要完成與WAU之間接口信令的處理和與CS的交互，輔助CS實現(xiàn)電路型業(yè)務的無線資源管理與控制、移動性管理和呼叫控制功能。

　　(3)呼叫控制服務器CS（Call Server）：主要完成呼叫控制和對各種資源的管理，實現(xiàn)軟交換中媒體網(wǎng)關控制器的功能。

　　(4)電路媒體網(wǎng)關CMG（Circuit Media Gateway）：實現(xiàn)連接PSTN、ISDN和PLMN的網(wǎng)關功能以及話音壓縮編解碼功能。

　　(5)七號信令網(wǎng)關CSG（Call Signaling Gateway）：為系統(tǒng)中分布的各種應用提供穩(wěn)定、可靠的信令支持。

　　(6)位置寄存器（LR）：實現(xiàn)VLR和 HLR的數(shù)據(jù)庫和鑒權AC功能，用于管理移動用戶。

　　(7)分組數(shù)據(jù)業(yè)務網(wǎng)（PDSN）：主要實現(xiàn)移動IP業(yè)務。

　　(8)操作維護中心（OMC）：實現(xiàn)配置、性能、故障、帳務和安全等管理。

　　聲碼器子系統(tǒng)隸屬于電路媒體網(wǎng)關CMG，并由CS在控制層面對CMG上的聲碼器資源進行分配和管理。CMG主要通過對語音編譯碼器、回聲抑制器、雙音收發(fā)碼器、會議部件等的控制，完成話音壓縮編解碼處理和電路連接指配，實現(xiàn)移動終端和PSTN用戶以及不同聲碼器類型的移動終端之間的基本話音業(yè)務。��

四、語音傳輸與控制流程

　　傳統(tǒng)移動通信系統(tǒng)中，聲碼器在功能上被合成到 BSS，通過BSS直接控制聲碼器，有時為了節(jié)省MSC內的電路資源也將聲碼器實體配置在MSC側，但功能上仍由BSS控制。在實現(xiàn)移動終端之間的話音業(yè)務時，系統(tǒng)需要將用戶的話音數(shù)據(jù)在BSC上通過聲碼器進行碼型變換,并通過MSC 轉發(fā)至對端的BSC，在空中接口發(fā)送話音幀之前，對端聲碼器重新將編碼后的話音解碼。完成一次通話一般需要使用2個聲碼器，而且通話過程中，話音經過了2次聲碼器處理后才傳送到接收者，大大降低了話音質量。

　　對于移動到移動且聲碼器類型相同的情況，在3GPP2所制定的應用于CDMA2000的標準的A接口規(guī)范中，采用了前后轉換免除操作（Tandem Free Operation,TFO），TFO可以通過旁路選擇分配單元(Selection/Distribution Unit,SDU)來避免兩次聲碼器的轉換。此時，始發(fā)端BSC 收到的話音幀不在SDU 中進行碼型變換，而是由SDU轉換成相應的MSC/BS 信令格式（例如，速率與64K DS0 時隙適配，但不編碼），以便通過MSC 傳送。對端的MSC 將經過格式轉換的話音轉發(fā)至相應的SDU，再由SDU 將其還原成相應的格式，通過BSC發(fā)送給移動臺。3GPP也采用了類似的TrFO（Transcoder Free Operation）來避免二次編解碼。這種通過信令格式傳遞語音包的方式雖然可以減少聲碼器的使用，但在一定程度上增加了信令連接的負荷和復雜度。

　　在本系統(tǒng)中，聲碼器配置在MSC一側，隸屬于CMG子系統(tǒng)，由CS控制。在呼叫控制過程中，由CS控制呼叫信令，建立WAS與WAS之間的承載路由，在WAS之間通過內部的IP網(wǎng)絡傳遞話音數(shù)據(jù)包，不需要碼型變換，節(jié)約了聲碼器資源和電路交換資源，并且簡化了信令連接（如圖2所示）。��



五、業(yè)務流控制模型

　　本系統(tǒng)中語音業(yè)務的傳輸主要由無線接入單元WAU、無線接入服務器WAS和電路媒體網(wǎng)關CMG承載。WAS業(yè)務部件的業(yè)務端子稱之為WAS端口，它可以輸入輸出基于IP包的媒體流，完成無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)業(yè)務流的交互。在本系統(tǒng)中WAS端口支持３種媒體流編碼算法：EVRC、QCELP 8K、QCELP 13K。CMG包括２種業(yè)務端子：中繼端口和聲碼器。中繼端口可以完成基于E1傳輸?shù)腜CM流輸入輸出功能。聲碼器為一轉換器，可以完成PCM流和IP包媒體流的轉換，聲碼器也支持上面提到的三種編碼算法。這三種業(yè)務端子的不同組合衍生出不同的業(yè)務流控制模型，完成不同接續(xù)下的用戶業(yè)務流在A接口業(yè)務子接口上的傳輸。下面對不同情況下的業(yè)務流控制模型一一列舉并簡單分析描述：

　�。�1) WAS與WAS，相同聲碼器編碼類型

　　當語音主被叫雙方都處于本局內部且雙方聲碼器類型相同時，呼叫一方產生的業(yè)務包可以不經CMG進行編碼類型轉化而是通過系統(tǒng)內部的IP網(wǎng)直接發(fā)送到呼叫另一方。此時雙方業(yè)務端口都為WAS業(yè)務端口類型，不需要聲碼器。

　�。�2) WAS與WAS，不同聲碼器編碼類型��

　　當語音主被叫雙方都處于本局內部但雙方聲碼器類型不同時，呼叫一方產生的業(yè)務包必須經由CMG根據(jù)呼叫另一方的聲碼器類型進行編碼類型轉化，然后才能轉發(fā)到呼叫另一方。在這個過程中，需要為主被叫雙方（在同一個CMG上）各申請一個和它類型匹配的聲碼器，然后將兩個聲碼器的PCM出口對接起來形成一個IP隧道，這樣由一端發(fā)出的語音包須經本端聲碼器轉換為PCM語音流輸入到另一個聲碼器中，然后此聲碼器將PCM語音流轉化為IP包經由網(wǎng)絡發(fā)往呼叫另一端的WAS端口。��

　　(3) WAS與中繼端口��

　　當本局移動臺和外網(wǎng)（PLMN/PSTN）終端進行語音呼叫，或呼叫另一方為漫游到外局的移動臺時，呼叫另一方的業(yè)務端口為一標準的中繼端口即64kPCM語音流。這種情況下需要一個聲碼器來完成IP和PCM語音流的轉化，且此聲碼器和中繼電路須處于同一CMG實體中。

　　(4) 中繼端口與中繼端口，且屬于相同CMG

　　當本系統(tǒng)MSC做匯接局使用發(fā)生呼叫，或外網(wǎng)終端呼叫本網(wǎng)外局漫游移動臺須經此MSC呼叫接續(xù)時，呼叫雙方的業(yè)務端口皆為中繼端口。如果此兩中繼端口處于同一CMG實體中，只需將兩中繼端口的PCM出口對接即可實現(xiàn)業(yè)務交互。

　　(5) 中繼端口與中繼端口，且分屬不同CMG

　　當本系統(tǒng)MSC做匯接局使用發(fā)生呼叫，或外網(wǎng)終端呼叫本網(wǎng)外局漫游移動臺須經此MSC呼叫接續(xù)時，呼叫雙方的業(yè)務端口皆為中繼端口，但呼叫雙方的兩個中繼端口不屬于同一CMG時，業(yè)務包須經網(wǎng)絡交換才能進行交互。此時呼叫雙方需要在各自中繼端口所屬CMG上申請一個聲碼器以完成PCM語音流和IP語音包的相互轉化。在這個過程中，從一端發(fā)出的PCM語音流須經聲碼器轉化為IP語音包進行網(wǎng)絡交換后到達另一端所屬CMG的相應聲碼器，然后再轉換為PCM語音流通過中繼端口發(fā)送出去。

　　通過對以上各種模型的分析可知，移動終端之間的話音業(yè)務時，業(yè)務流在A接口上無需經過編碼類型轉換而直接交互，節(jié)約了聲碼器資源，避免了標準A2接口上固定的聲碼器－中繼－聲碼器連接模式中兩次編解碼變化對語音質量的損失，從而提高了業(yè)務質量。對于中繼匯接的情況，應優(yōu)先在入中繼所在CMG上選擇出中繼電路，這樣只需將相應中繼端口進行連接，而不需要申請聲碼器，從而可以減少兩個聲碼器的使用。

六、結束語

　　在移動骨干網(wǎng)絡中引入IP傳輸技術，從利用IP傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務過渡到利用IP傳輸包括語音業(yè)務在內的所有用戶業(yè)務，最后將過渡到終端到終端之間的全IP網(wǎng)絡，是移動通信發(fā)展的必然趨勢。與傳統(tǒng)的移動通信系統(tǒng)相比，基于IP的CDMA通信系統(tǒng)能夠節(jié)省聲碼器資源，簡化信令流程，提高業(yè)務質量，并且符合未來移動通信全IP化的發(fā)展趨勢。


參考文獻

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［5］3GPP TR 25.953 V4.0.0, Transcoder Free Operation［S］.

作者：王洪建，湯紅波，季新生

（解放軍信息工程大學 國家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術研究中心，河南 鄭州450002）