兩種提高UMTS系統(tǒng)語(yǔ)音QoS的方法研究與實(shí)現(xiàn)

摘　要：描述了UMTS系統(tǒng)中移動(dòng)到移動(dòng)語(yǔ)音呼叫時(shí)兩種提高語(yǔ)音質(zhì)量的方法，即TFO(Tandem Free Operation)和TrFO(Transcoder Free Operation)機(jī)制。分析了他們的操作原理后，本文的主要貢獻(xiàn)在于對(duì)二者的性能和優(yōu)缺點(diǎn)做了深入的比較研究，并且就實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，給出了幾種解決方案。

關(guān)鍵詞：TFO；TrFO；UMTS；無(wú)二次編解碼

在一般的UMTS系統(tǒng)中，考慮移動(dòng)到移動(dòng)的語(yǔ)音呼叫情況，原始信號(hào)首先在發(fā)起側(cè)UE中編碼，經(jīng)過(guò)無(wú)線接口的傳送，在本地代碼轉(zhuǎn)換機(jī)中轉(zhuǎn)換成A律或者μ律PCM編碼(符合ITU-TG.711制式標(biāo)準(zhǔn))后，在核心網(wǎng)中向遠(yuǎn)端傳輸；在遠(yuǎn)端代碼轉(zhuǎn)換機(jī)中再次進(jìn)行代碼轉(zhuǎn)換，將PCM語(yǔ)音格式轉(zhuǎn)換成為一種適合在無(wú)線接口上傳送的編碼格式，以便在遠(yuǎn)端無(wú)線接口上發(fā)送，最后在終結(jié)的UE中解碼，這種呼叫連接在核心網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行兩次代碼轉(zhuǎn)換，通常稱(chēng)為級(jí)聯(lián)配置［1］。這種配置中存在一個(gè)致命的缺點(diǎn)，編解碼器的級(jí)聯(lián)引入的兩次代碼轉(zhuǎn)換降低了語(yǔ)音質(zhì)量，當(dāng)語(yǔ)音編解碼器低速率工作時(shí)，這種影響尤為明顯。

本文介紹TFO(Tandem Free Operation)和TrFO(TranscoderFree Operation)機(jī)制。他們的應(yīng)用可以避免核心網(wǎng)內(nèi)的兩次代碼轉(zhuǎn)換，從而大大地提高了語(yǔ)音QoS［2］。本文只討論移動(dòng)到移動(dòng)的呼叫，行文中若沒(méi)有特殊說(shuō)明，一般所說(shuō)的呼叫都指這種情況。

1　TFO和TrFO機(jī)制

1．1　借鑒GSM的TFO方法

在GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的后期，出現(xiàn)了TFO機(jī)制，他是一種呼叫配置，在信號(hào)鏈路上物理地存在代碼轉(zhuǎn)換設(shè)備，但代碼轉(zhuǎn)換功能被繞過(guò)。這種做法被第三代移動(dòng)通信系統(tǒng) UMTS網(wǎng)絡(luò)繼承，但具體實(shí)現(xiàn)時(shí)又有差異，他的操作原理如下所描述［1］。

在兩端的呼叫建立階段完成之后，媒體網(wǎng)關(guān)中的代碼轉(zhuǎn)換機(jī)設(shè)備交換根據(jù)ITU-T G。711 A律或μ律編碼的傳統(tǒng)64 kb/s PCM語(yǔ)音抽樣。代碼轉(zhuǎn)換機(jī)通過(guò)竊取(stealing)每第16個(gè)抽樣中的一個(gè)最不重要的比特位，交換TFO消息，進(jìn)行兩端UE中編解碼器的協(xié)商。

如果兩端的UE中應(yīng)用了兼容的語(yǔ)音編解碼類(lèi)型，代碼轉(zhuǎn)換機(jī)自動(dòng)激活TFO，傳輸壓縮語(yǔ)音的信道被映射在64 kb/s的PCM編碼的最不重要的比特位上。

如果應(yīng)用了不兼容的語(yǔ)音編解碼類(lèi)型，TFO就不能被立即激活，呼叫回到一般的代碼轉(zhuǎn)換級(jí)聯(lián)操作模式下。但是，代碼轉(zhuǎn)換機(jī)還一直監(jiān)視PCM信號(hào)中是否含有帶內(nèi)協(xié)商編解碼的TFO消息，如果由于某種呼叫配置的改變，例如，遠(yuǎn)端發(fā)生了切換等，可能滿(mǎn)足TFO建立的條件時(shí)，代碼轉(zhuǎn)換機(jī)將再次嘗試發(fā)起和建立TFO。

1．2　UMTS系統(tǒng)中的TrFO

TrFO是3G系統(tǒng)所特有的，他同樣要求移動(dòng)兩端所用的編解碼器類(lèi)型相一致，但他所進(jìn)行的編解碼協(xié)商是一種帶外機(jī)制，圖1是3GPPR4版本中UMTS到UMTS的TrFO連接結(jié)構(gòu)［3］。

如圖1所示，編解碼器的協(xié)商發(fā)生在呼叫建立階段，也可能發(fā)生在呼叫中(由于其他某種原因，如切換等)，下面簡(jiǎn)述TrFO的建立過(guò)程[4]。

　　首先在呼叫發(fā)起時(shí)，進(jìn)行編解碼器的協(xié)商，以試圖建立TrFO操作。發(fā)起側(cè)的UE在IAM消息中攜帶其所支持的編解碼器類(lèi)型列表，通過(guò)無(wú)線接口、Iu接口(RNC和MSC之間)到達(dá)發(fā)起MSCServer，發(fā)起MSCServer從列表中剔除不支持的編解碼類(lèi)型后再將其發(fā)給傳輸網(wǎng)絡(luò)；同樣地，傳輸網(wǎng)絡(luò)也從中剔除他不支持的類(lèi)型后繼續(xù)發(fā)向終結(jié)的MSCServer，終結(jié)MSCServer也執(zhí)行同樣的操作后將該列表發(fā)向終結(jié)UE，由終結(jié)UE結(jié)合此列表和自身的編解碼情況選擇一個(gè)最優(yōu)公共的編解碼類(lèi)型，并依次向前返回給終結(jié)MSCServer、傳輸網(wǎng)絡(luò)、發(fā)起MSCServer和UE，通知他們當(dāng)前所選用的編解碼類(lèi)型，這樣在此編解碼器基礎(chǔ)上，開(kāi)始分配建立承載。

如果終結(jié)UE在選擇最優(yōu)公共編解碼器時(shí)失敗，即沒(méi) 有公共的編解碼器可供使用，那么就選擇缺省的PCM編碼格式，發(fā)起側(cè)MSC應(yīng)在來(lái)自發(fā)起側(cè)UE的路徑上插入一個(gè)代碼轉(zhuǎn)換機(jī)。此時(shí)，對(duì)終結(jié)UE的編解碼器選擇在終結(jié)MSC中選擇，他獨(dú)立于發(fā)起側(cè)MSC，這就是TrFO建立失敗時(shí)的情況。

若成功的建立承載，在Iu接口用戶(hù)平面上開(kāi)始初始化過(guò)程［5］，以確定傳輸壓縮語(yǔ)音的幀格式，初始化信息從發(fā)起的RNC向后傳向終結(jié)的RNC，在此鏈路上確定統(tǒng)一的幀格式，包括Nb接口(2個(gè)媒體網(wǎng)關(guān)之間的接口)，初始化完成后，壓縮語(yǔ)音就可以在用戶(hù)平面內(nèi)傳送，至此，移動(dòng)到移動(dòng)的TrFO的連接就完全建立起來(lái)了。

2　兩種機(jī)制性能的比較分析

TFO和TrFO機(jī)制都采用核心網(wǎng)內(nèi)傳輸壓縮語(yǔ)音的思想，都避免了移動(dòng)到移動(dòng)呼叫時(shí)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的兩次代碼轉(zhuǎn)換，并提高了語(yǔ)音QoS，但他們之間卻存在著明顯的區(qū)別�！　�

首先，TFO機(jī)制是由GSM系統(tǒng)發(fā)展起來(lái)的，并被3G系統(tǒng)所繼承。而TrFO機(jī)制采用的是承載獨(dú)立的思想，是3G系統(tǒng)特有的，在3GPP發(fā)布的R99版本協(xié)議中，還不支持此種機(jī)制，R4及其以后的版本才全面支持TrFO。

其次，帶內(nèi)的嘗試建立TFO連接是在呼叫建立后進(jìn) 行，而帶外嘗試建立TrFO連接是在呼叫建立前進(jìn)行，如果建立TrFO的嘗試失敗并且已經(jīng)插入了需要的代碼轉(zhuǎn)換機(jī)，則在呼叫建立完成后可以使用帶內(nèi)TFO。帶內(nèi)TFO必須是代碼轉(zhuǎn)換機(jī)不能避免時(shí)的一種退卻機(jī)制，可以在呼叫建立后或者通信階段建立。同時(shí)，UMTS系統(tǒng)必須使用帶內(nèi)TFO和GSM系統(tǒng)交互，這是由于GSM系統(tǒng)不支持帶外協(xié)商機(jī)制的原因。

再者，TFO機(jī)制采用帶內(nèi)信令協(xié)議傳送消息并進(jìn)行編解碼器的協(xié)商，此時(shí)代碼轉(zhuǎn)換機(jī)完全處理和終止TFO協(xié)議，因此，TFO機(jī)制中代碼轉(zhuǎn)換設(shè)備不能被繞過(guò)；而在TrFO機(jī)制中，編解碼協(xié)商由帶外BICC協(xié)議控制并執(zhí)行，此時(shí)，代碼轉(zhuǎn)換設(shè)備完全不需要插入在鏈路中，這是TFO和TrFO區(qū)別的顯著特征。

最后，還需要說(shuō)明的是，帶內(nèi)TFO機(jī)制不節(jié)約核心網(wǎng)內(nèi)的帶寬資源，他還是以64 kb/s進(jìn)行傳輸；而TrFO機(jī)制不同，他完全傳送壓縮語(yǔ)音，若在多局之間采用復(fù)用技術(shù)，那么他帶來(lái)的收益更加可觀。

3　在UMTS系統(tǒng)中的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

在UMTS系統(tǒng)中應(yīng)用帶內(nèi)TFO的主要限制是，MSC后PCM鏈路的數(shù)字透明性不能在所有的移動(dòng)到移動(dòng)呼叫配置中都能保證。由于GSM網(wǎng)絡(luò)不支持帶外協(xié)商，所以在GSM-3G(和3G-GSM)呼叫中，雖說(shuō)只要UMTS系統(tǒng)中應(yīng)用相同的TFO協(xié)議，就可以實(shí)現(xiàn)互通，然而這種互通畢竟屬于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的互通，因此就變得復(fù)雜化。

相比于TFO來(lái)講，UMTS系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)TrFO較為容易，他可以借助于BICC協(xié)議，因此，建議在UMTS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)首先考慮實(shí)現(xiàn)TrFO機(jī)制，實(shí)現(xiàn)TrFO機(jī)制主要解決以下幾個(gè)問(wèn)題：

(1)速率控制算法

速率控制是由Iu UP(Iu接口用戶(hù)平面協(xié)議)協(xié)議通過(guò)帶內(nèi)信令實(shí)現(xiàn)的。

一般地，Iu UP上的Iu速率控制過(guò)程是由UTRAN(Universal Terrestrial Radio Access Network)上速率控制功能實(shí)體完成的，即SRNC(服務(wù)RNC)。SRNC可以向CN發(fā)送速率控制幀控制下行數(shù)據(jù)速率；也可以向UE發(fā)送速率控制幀控制上行速率。兩個(gè)方向上的速率控制過(guò)程是完全獨(dú)立的，即上下行可以有不同的速率。

但是，考慮在TrFO情況下，2個(gè)對(duì)等的Iu UP協(xié)議實(shí)體間直接透明地傳送壓縮語(yǔ)音，這樣上下行數(shù)據(jù)速率應(yīng)完全同步。因此，SRNC也會(huì)收到來(lái)自CN的速率控制幀以控制上行數(shù)據(jù)速率，在一個(gè)方向上，僅僅使用那些兩端都允許的速率，如圖2所示。

因此，就需要對(duì)一般模式下的SRNC速率控制實(shí)體進(jìn)行修改，增加判斷機(jī)制，結(jié)合這兩種控制幀，將二者中允許的較低最大速率發(fā)向UE，下面以上行速率控制為例，說(shuō)明判決算法如下，下行類(lèi)似：

　　最后，需要說(shuō)明的是，由于TFO連接情況下，也同樣需要兩端壓縮語(yǔ)音傳輸速率同步，因此該速率控制過(guò)程也同樣適用于UMTS系統(tǒng)的TFO情況中。

(2)幀協(xié)議模式匹配策略

TrFO操作中，由于需要旁路調(diào)媒體網(wǎng)關(guān)設(shè)備中的代碼轉(zhuǎn)換機(jī)，在Nb接口上也采用用戶(hù)平面幀協(xié)議傳輸壓縮語(yǔ)音，因此就需要MSCServer告知媒體網(wǎng)關(guān)設(shè)備一些用戶(hù)平面初始化的信息(從Iu UP的初始化過(guò)程中獲得)，即RFCI(RAB子流組合指示，每一種RFCI對(duì)應(yīng)與一種傳輸格式和速率)的值和初始化方向等，有了這些信息后，在該接口上就可以開(kāi)始Nb UP的初始化工作。

因此，在實(shí)現(xiàn)時(shí)，就需要Nb UP的協(xié)議實(shí)體做好RFCI值的存儲(chǔ)，并且在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候建立媒體網(wǎng)關(guān)出入2個(gè)端口之間RFCI值的映射。同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)注意的是，MSCServer告知媒體網(wǎng)關(guān)用戶(hù)平面信息時(shí)，是通過(guò)MEGACO命令的形式，因此，還需要定義H．248的擴(kuò)展包，以支持TrFO機(jī)制，在R4及其以后的3GPP規(guī)范中，這些擴(kuò)展包都定義在3GUP包中。

以上討論的是TrFO機(jī)制的實(shí)現(xiàn)，但是UMTS系統(tǒng)為了和GSM互通，或者是TrFO不支持的情況下為了提高語(yǔ)音質(zhì)量，也需要實(shí)現(xiàn)TFO操作。由于TFO操作控制和承載沒(méi)有分離，因此相對(duì)于實(shí)現(xiàn)TrFO困難更大，他對(duì)UMTS系統(tǒng)的幾個(gè)接口均有影響，主要需要解決以下幾個(gè)問(wèn)題：

(1)IPE鏈路透明化

媒體網(wǎng)關(guān)后PCM鏈路的數(shù)字透明性不能在所有的移動(dòng)到移動(dòng)呼叫配置中都能保證。當(dāng)使用數(shù)字線時(shí)，非透明性主要是由于鏈路中設(shè)備IPE(In Path Equipments)。

因此，實(shí)現(xiàn)時(shí)就需要對(duì)IPE進(jìn)行修改，以使帶內(nèi)TFO可以不加改變的通過(guò)他們，并且在進(jìn)行帶內(nèi)協(xié)商之前，首先應(yīng)發(fā)消息給IPE，通知他使以后的TFO消息都能夠透明通過(guò)，這樣才可以順利進(jìn)行編解碼器協(xié)商。

(2)MSCServer對(duì)TFO的處理策略

MSCServer負(fù)責(zé)和接入網(wǎng)與核心網(wǎng)的信令交互，選擇呼叫建立、切換和補(bǔ)充業(yè)務(wù)所有的編解碼器類(lèi)型。TFO協(xié)議完全由媒體網(wǎng)關(guān)中的代碼轉(zhuǎn)換機(jī)控制，而媒體網(wǎng)關(guān)又受控于MSCServer。

切換時(shí)，MSCServer對(duì)編解碼器選擇的一般原則是： 除非有絕對(duì)的必要，否則呼叫配置不應(yīng)該被改變，這是因?yàn)樵赥FO時(shí)，每一個(gè)本地的變化都將直接影響到遠(yuǎn)端。

因此，為了體現(xiàn)這一原則，就需要在發(fā)生切換時(shí)的編解碼協(xié)商流程中需要增加一個(gè)判斷機(jī)制：若目前的編解碼配置滿(mǎn)足TFO的條件，就不改變他，盡管他可能是切換后非最優(yōu)的編解碼器；若必須改變他，并且切換后的呼叫配置不在具有TFO的兼容性，那么呼叫控制層CC模塊應(yīng)負(fù)責(zé)保證在切換前完全終止TFO，這個(gè)動(dòng)作需要MSCServer通知媒體網(wǎng)關(guān)關(guān)閉TFO。

4　結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，在各大移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的情況下，能否為用戶(hù)提供更高的QoS成為影響其成敗的一個(gè)關(guān)鍵因素，3GPP組織在R4及其以后的協(xié)議規(guī)范中推出的TFO和TrFO兩種機(jī)制無(wú)疑是一種提高語(yǔ)音QoS的有效途徑。隨著語(yǔ)音編碼方式的增加，以及R5，R6版本全I(xiàn)P核心網(wǎng)技術(shù)的成熟，TFO和TrFO機(jī)制在UMTS系統(tǒng)中的應(yīng)用也有著廣闊的前景。

參考文獻(xiàn)

［1］3GPP TS 28.062 V4.1.1(2001-08):Inband tandem free operation(TFO)of speech codecs；service description；stage 3．

［2］MelBale．Voice and Internet multimedia in UMTS networks ．BT Technol J，January 2001，Vol．19(NO．1)：48-66．

［3］3GPP TR 25.953 V4.0.0(2001-03): Transcoder free operation．

［4］3GPP TS 23.153 V4.4.0(2001-12):Out of band transcoder control；stage 2．

［5］3GPP TS 25.415 V4.2.0(2001-09):UTRAN Iu interface user plane protocols．

作者：白雪飛，黃本雄(華中科技大學(xué)電信系　湖北 武漢　4 來(lái)源：現(xiàn)代電子技術(shù)