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(yīng)用于CDMA系統(tǒng)的聲碼器，然后結(jié)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(wù)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(jiǎn)化了信令流程并提高了業(yè)務(wù)質(zhì)量。

　　關(guān)鍵詞：CDMA；聲碼器；IP；控制方法

一、前言

　　IP化是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì)。在利用IP網(wǎng)絡(luò)傳輸語音業(yè)務(wù)的過程中，移動(dòng)IP網(wǎng)絡(luò)要支持靈活的聲碼器配置和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換，并支持以靈活的方式配置聲碼器，以便運(yùn)營商根據(jù)需要將聲碼器配置在網(wǎng)絡(luò)中最需要和最經(jīng)濟(jì)的地方。與傳統(tǒng)移動(dòng)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，基于IP的CDMA系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)之一就是節(jié)約聲碼器資源并提高了業(yè)務(wù)質(zhì)量。

二、CDMA系統(tǒng)中的聲碼器

　　在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，WCDMA使用自適應(yīng)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?yàn)閃CDMA是針對(duì)GSM系統(tǒng)而設(shè)計(jì)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(dòng)因素大約為0.67，所以AMR聲碼器對(duì)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(jìn)一步改善話音質(zhì)量。

　　為提高系統(tǒng)的容量，同時(shí)又兼顧話音質(zhì)量，CDMA2000移動(dòng)通信系統(tǒng)采用3種話音壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)移動(dòng)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(dòng)因素只有0.4左右，可使話音質(zhì)量大幅度的提高，基本達(dá)到有線電話的水平。Qualcomm碼激勵(lì)線性預(yù)測(cè)（QCELP）話音編譯碼器包括8 kbps和13 kbps的標(biāo)準(zhǔn)。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(cè)技術(shù)，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(yīng)門限，自適應(yīng)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(jīng)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(zhì)量，同時(shí)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(jié)構(gòu)

　　目前CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)模型有很多種，這里結(jié)合一種基于Intranet結(jié)構(gòu)的CDMA2000無線通信網(wǎng)絡(luò)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(shù)、IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及軟交換控制等技術(shù)，其核心交換機(jī)制為IP交換機(jī)制，即利用統(tǒng)一的IP交換平臺(tái)在各功能部件間交換信令控制信息和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。��

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　　本系統(tǒng)各功能實(shí)體的劃分和接口定義參照3GPP2的有關(guān)功能劃分和接口定義，并根據(jù)需要作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和改動(dòng)，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(hù)與無線終端設(shè)備之間的無線通道連接。

　　(2)無線接入服務(wù)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(shí)現(xiàn)電路型業(yè)務(wù)的無線資源管理與控制、移動(dòng)性管理和呼叫控制功能。

　　(3)呼叫控制服務(wù)器CS（Call Server）：主要完成呼叫控制和對(duì)各種資源的管理，實(shí)現(xiàn)軟交換中媒體網(wǎng)關(guān)控制器的功能。

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

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

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

　　(7)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)網(wǎng)（PDSN）：主要實(shí)現(xiàn)移動(dòng)IP業(yè)務(wù)。

　　(8)操作維護(hù)中心（OMC）：實(shí)現(xiàn)配置、性能、故障、帳務(wù)和安全等管理。

　　聲碼器子系統(tǒng)隸屬于電路媒體網(wǎng)關(guān)CMG，并由CS在控制層面對(duì)CMG上的聲碼器資源進(jìn)行分配和管理。CMG主要通過對(duì)語音編譯碼器、回聲抑制器、雙音收發(fā)碼器、會(huì)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(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端和PSTN用戶以及不同聲碼器類型的移動(dòng)終端之間的基本話音業(yè)務(wù)。��

四、語音傳輸與控制流程

　　傳統(tǒng)移動(dòng)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(shí)為了節(jié)省MSC內(nèi)的電路資源也將聲碼器實(shí)體配置在MSC側(cè)，但功能上仍由BSS控制。在實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端之間的話音業(yè)務(wù)時(shí)，系統(tǒng)需要將用戶的話音數(shù)據(jù)在BSC上通過聲碼器進(jìn)行碼型變換,并通過MSC 轉(zhuǎn)發(fā)至對(duì)端的BSC，在空中接口發(fā)送話音幀之前，對(duì)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(gè)聲碼器，而且通話過程中，話音經(jīng)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(zhì)量。

　　對(duì)于移動(dòng)到移動(dòng)且聲碼器類型相同的情況，在3GPP2所制定的應(yīng)用于CDMA2000的標(biāo)準(zhǔn)的A接口規(guī)范中，采用了前后轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換。此時(shí)，始發(fā)端BSC 收到的話音幀不在SDU 中進(jìn)行碼型變換，而是由SDU轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的MSC/BS 信令格式（例如，速率與64K DS0 時(shí)隙適配，但不編碼），以便通過MSC 傳送。對(duì)端的MSC 將經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換的話音轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的SDU，再由SDU 將其還原成相應(yīng)的格式，通過BSC發(fā)送給移動(dòng)臺(tái)。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(fù)荷和復(fù)雜度。

　　在本系統(tǒng)中，聲碼器配置在MSC一側(cè)，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(nèi)部的IP網(wǎng)絡(luò)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(jiǎn)化了信令連接（如圖2所示）。��



五、業(yè)務(wù)流控制模型

　　本系統(tǒng)中語音業(yè)務(wù)的傳輸主要由無線接入單元WAU、無線接入服務(wù)器WAS和電路媒體網(wǎng)關(guān)CMG承載。WAS業(yè)務(wù)部件的業(yè)務(wù)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(wù)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(wù)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(zhuǎn)換器，可以完成PCM流和IP包媒體流的轉(zhuǎn)換，聲碼器也支持上面提到的三種編碼算法。這三種業(yè)務(wù)端子的不同組合衍生出不同的業(yè)務(wù)流控制模型，完成不同接續(xù)下的用戶業(yè)務(wù)流在A接口業(yè)務(wù)子接口上的傳輸。下面對(duì)不同情況下的業(yè)務(wù)流控制模型一一列舉并簡(jiǎn)單分析描述：

　�。�1) WAS與WAS，相同聲碼器編碼類型

　　當(dāng)語音主被叫雙方都處于本局內(nèi)部且雙方聲碼器類型相同時(shí)，呼叫一方產(chǎn)生的業(yè)務(wù)包可以不經(jīng)CMG進(jìn)行編碼類型轉(zhuǎn)化而是通過系統(tǒng)內(nèi)部的IP網(wǎng)直接發(fā)送到呼叫另一方。此時(shí)雙方業(yè)務(wù)端口都為WAS業(yè)務(wù)端口類型，不需要聲碼器。

　�。�2) WAS與WAS，不同聲碼器編碼類型��

　　當(dāng)語音主被叫雙方都處于本局內(nèi)部但雙方聲碼器類型不同時(shí)，呼叫一方產(chǎn)生的業(yè)務(wù)包必須經(jīng)由CMG根據(jù)呼叫另一方的聲碼器類型進(jìn)行編碼類型轉(zhuǎn)化，然后才能轉(zhuǎn)發(fā)到呼叫另一方。在這個(gè)過程中，需要為主被叫雙方（在同一個(gè)CMG上）各申請(qǐng)一個(gè)和它類型匹配的聲碼器，然后將兩個(gè)聲碼器的PCM出口對(duì)接起來形成一個(gè)IP隧道，這樣由一端發(fā)出的語音包須經(jīng)本端聲碼器轉(zhuǎn)換為PCM語音流輸入到另一個(gè)聲碼器中，然后此聲碼器將PCM語音流轉(zhuǎn)化為IP包經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)發(fā)往呼叫另一端的WAS端口。��

　　(3) WAS與中繼端口��

　　當(dāng)本局移動(dòng)臺(tái)和外網(wǎng)（PLMN/PSTN）終端進(jìn)行語音呼叫，或呼叫另一方為漫游到外局的移動(dòng)臺(tái)時(shí)，呼叫另一方的業(yè)務(wù)端口為一標(biāo)準(zhǔn)的中繼端口即64kPCM語音流。這種情況下需要一個(gè)聲碼器來完成IP和PCM語音流的轉(zhuǎn)化，且此聲碼器和中繼電路須處于同一CMG實(shí)體中。

　　(4) 中繼端口與中繼端口，且屬于相同CMG

　　當(dāng)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(dòng)臺(tái)須經(jīng)此MSC呼叫接續(xù)時(shí)，呼叫雙方的業(yè)務(wù)端口皆為中繼端口。如果此兩中繼端口處于同一CMG實(shí)體中，只需將兩中繼端口的PCM出口對(duì)接即可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)交互。

　　(5) 中繼端口與中繼端口，且分屬不同CMG

　　當(dāng)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(dòng)臺(tái)須經(jīng)此MSC呼叫接續(xù)時(shí)，呼叫雙方的業(yè)務(wù)端口皆為中繼端口，但呼叫雙方的兩個(gè)中繼端口不屬于同一CMG時(shí)，業(yè)務(wù)包須經(jīng)網(wǎng)絡(luò)交換才能進(jìn)行交互。此時(shí)呼叫雙方需要在各自中繼端口所屬CMG上申請(qǐng)一個(gè)聲碼器以完成PCM語音流和IP語音包的相互轉(zhuǎn)化。在這個(gè)過程中，從一端發(fā)出的PCM語音流須經(jīng)聲碼器轉(zhuǎn)化為IP語音包進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)交換后到達(dá)另一端所屬CMG的相應(yīng)聲碼器，然后再轉(zhuǎn)換為PCM語音流通過中繼端口發(fā)送出去。

　　通過對(duì)以上各種模型的分析可知，移動(dòng)終端之間的話音業(yè)務(wù)時(shí)，業(yè)務(wù)流在A接口上無需經(jīng)過編碼類型轉(zhuǎn)換而直接交互，節(jié)約了聲碼器資源，避免了標(biāo)準(zhǔn)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(duì)語音質(zhì)量的損失，從而提高了業(yè)務(wù)質(zhì)量。對(duì)于中繼匯接的情況，應(yīng)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(yīng)中繼端口進(jìn)行連接，而不需要申請(qǐng)聲碼器，從而可以減少兩個(gè)聲碼器的使用。

六、結(jié)束語

　　在移動(dòng)骨干網(wǎng)絡(luò)中引入IP傳輸技術(shù)，從利用IP傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)過渡到利用IP傳輸包括語音業(yè)務(wù)在內(nèi)的所有用戶業(yè)務(wù)，最后將過渡到終端到終端之間的全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)，是移動(dòng)通信發(fā)展的必然趨勢(shì)。與傳統(tǒng)的移動(dòng)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(jiǎn)化信令流程，提高業(yè)務(wù)質(zhì)量，并且符合未來移動(dòng)通信全I(xiàn)P化的發(fā)展趨勢(shì)。


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作者：王洪建，湯紅波，季新生

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