摘要：本文介紹了基于IP架構的分組語音核心網(wǎng)的TrFO特性，并結合自行開發(fā)的cdma2000 1x系統(tǒng)，討論了TrFO特性在基于IP架構的cdma2000 1x移動通信中的具體實現(xiàn)方案，詳細討論了多種聲碼器的靈活配置策略，并對各種策略進行了模擬比較，模擬結果對實際工程實現(xiàn)具有重要意義。
關鍵詞：全IP移動通信網(wǎng)；cdma2000 1x系統(tǒng)；TrFO特性；聲碼器

Design and Implementation of TrFO in IP-based cdma2000 1x System

WANG Jing，LIU Cai-xia，JI Xin-sheng
（National Digital Switching System Engineering & Technological R&D Center, Zhengzhou450002,China)
Ａｂｓｔｒａｃｔ：The TrFO characteristic in the IP-based packet speech core network(CN) is introduced. Taking the self-developed system as an example, a scheme for implementing TrFO in the IP-based cdma2000 1x system is discussed, strategies of multi-vocoder unbended configuration are explained and simulated.The results are very important for the practical work.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：IP-based mobile communication system; cdma2000 1x system;TrFO characteristic;Vocoder

一、引言

在傳統(tǒng)的基于電路交換的移動通信系統(tǒng)中，系統(tǒng)的交換均集中在移動交換中心(MSC)以電路交換形式完成，所以一般把聲碼器功能置于基站控制器（BSC）處，使得空中語音包落地后，先解碼變換成電路方式，再進行交換處理。這種方式不僅會造成同一個基站控制的兩個語音終端的“話務回程”現(xiàn)象，而且使相同終端的語音呼叫也要附加解碼、編碼過程，影響語音質(zhì)量。在移動通信系統(tǒng)發(fā)展初期，系統(tǒng)中的語音呼叫主要集中在移動用戶與固定用戶之間，上述影響尚不明顯。話務統(tǒng)計表明，目前移動用戶間的呼叫已占主導地位，原有的聲碼器配置方式不僅增加設備成本，而且影響系統(tǒng)性能。為此，改進聲碼器配置管理的網(wǎng)絡結構和策略成為人們研究的熱點問題。

在GSM網(wǎng)絡和3GPP的R99版本的標準中，為了改善聲碼器操作性能，提出了所謂的TFO（Tandem Free Operation）特性，可通過TFO實現(xiàn)話音的透傳，以減少語音編解碼造成的話音質(zhì)量損傷。隨著全IP移動通信技術的發(fā)展，以更低成本、更靈活有效的方式支持傳統(tǒng)話音業(yè)務和分組數(shù)據(jù)業(yè)務是全IP移動通信技術發(fā)展的主要驅動力。在支持傳統(tǒng)的語音業(yè)務時，全IP移動通信網(wǎng)面臨著一個如何以更低成本支持多種聲碼器使用的問題，即所謂的免（無）聲碼器操作TrFO（Transcoder Free Operation）特性支持問題。

TrFO特性，即從移動終端UE到UE的呼叫可不經(jīng)過兩次語音編碼器（TC）編解碼的語音傳輸過程。在移動通信系統(tǒng)中實現(xiàn)TrFO特性，要求基站子系統(tǒng)BSS與分組語音核心網(wǎng)之間支持語音分組交換。在3GPP定義的基于分組的語音網(wǎng)絡中，接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的Iu－CS業(yè)務承載接口為ATM，因此編解碼單元TC可進一步推到網(wǎng)絡邊緣，可以實現(xiàn)TrFO特性。

相比于3GPP有關標準中對TrFO已有較明確的支持而言，3GPP2目前對TrFO還處在研究階段，因此研究探討cdma2000系統(tǒng)對TrFO的支持意義重大。本文結合基于IP的cdma2000移動通信系統(tǒng)的研發(fā)工作，介紹了TrFO特性的設計以及實現(xiàn)，詳細討論了多種聲碼器的靈活配置策略。

二、基于IP架構的cdma2000 1x系統(tǒng)結構

目前3GPP2定義的cdma2000分組語音核心網(wǎng)的網(wǎng)絡結構如圖1。

其中，MSCe完成控制功能，MGW、MRFP完成話音承載轉換功能，如不同分組承載之間或分組承載和電路承載之間的轉換，MRFP提供所需資源，如放音、多方會議電話等資源。由于BSC與MGW（Media GateWay）間的業(yè)務承載接口27目前仍是基于TDM電路方式，編解碼單元TC歸屬于BSC，BSC與MGW之間傳送G.711 PCM語音，兩個移動終端之間的語音通信，必然存在著從空口編解碼到G.711 PCM再到空口編解碼的轉換，與傳統(tǒng)電路核心網(wǎng)保持一致。因此，在cdma2000 LMSD的第一階段，不能提供TrFO特性。在LMSD的后續(xù)階段，3GPP2提出的A接口可基于IP承載，可以提供TrFO特性，但目前還尚未有具體的協(xié)議。國家交換系統(tǒng)工程技術研究中心（NDSC）和環(huán)宇移動公司從2000年起專注于基于IP的cdma2000 1x移動通信系統(tǒng)的研究開發(fā)工作，對目前的cdma2000移動通信系統(tǒng)的結構進行了修正，提出了一種全新的系統(tǒng)架構，如圖2所示。

該系統(tǒng)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。WAU（無線接入單元）和WAS（無線接入服務器）組成BSS，核心網(wǎng)分組域包括PDSN（分組數(shù)據(jù)服務器）、AAA服務器和HA（歸屬代理），核心網(wǎng)電路域包括CS（呼叫服務器）、CMG（電路媒體網(wǎng)關）、CSG（七號公共信令網(wǎng)關）、VLR（拜訪位置寄存器）、HLR/AC（歸屬位置寄存器及鑒權認證中心）等。其中CS在功能上等同于MSCe，CMG功能等同于MGW和MRFP。該系統(tǒng)結構支持BSS的功能單元直接以IP接口連入IP核心網(wǎng)絡，提供了BSS與分組語音核心網(wǎng)間的分組承載功能，從而可將聲碼器配置在CMG中，實現(xiàn)TrFO特性。利用軟交換思想，由CS在控制層面對CMG上的聲碼器資源進行分配和管理，實現(xiàn)呼叫控制與業(yè)務傳輸相分離，這樣系統(tǒng)從總體上節(jié)約了聲碼器資源，節(jié)省了聲碼器的配置，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(zhì)量的損失，從而提高了業(yè)務質(zhì)量。下面將詳細介紹在該系統(tǒng)架構中如何實現(xiàn)TrFO特性。

三、TrFO特性的設計與實現(xiàn)

1.聲碼器分配策略

移動通信系統(tǒng)中的呼叫類型大致可以分為局內(nèi)相同聲碼器移動終端間呼叫、局內(nèi)不同聲碼器移動終端間呼叫、本局移動終端呼叫外局終端或固網(wǎng)用戶。在基于IP的cdma2000 1x移動系統(tǒng)中實現(xiàn)TrFO特性，要求提供按需分配聲碼器的能力，關鍵是要處理好呼叫流程中聲碼器的分配情況。

（1）局內(nèi)終端間呼叫

當兩移動終端都處于本局內(nèi)時，呼叫控制信息以IP包的形式在下述路徑上傳遞：主叫WAU<-->主叫WAS<-->CS<-->被叫WAS<-->被叫WAU。

CS根據(jù)主叫終端聲碼器類型，指示被叫WAS和被叫終端協(xié)商聲碼器，如被叫終端支持使用和主叫終端同樣的聲碼器，則語音包落地后直接以IP包形式在主叫WAU<-->主叫WAS<-->被叫WAS<-->被叫WAU間傳遞，其間網(wǎng)絡不再使用聲碼器進行變換。

如被叫終端不支持使用和主叫終端同樣的聲碼器，則CS指示CMG分配聲碼器端子，語音包落地后以IP包形式在主叫WAU<-->主叫WAS<-->CMG<-->被叫WAS<-->被叫WAU間傳遞，其間CMG完成主被叫不同聲碼器的格式轉換。

（2）本局移動終端呼叫外局終端或固網(wǎng)用戶

本局終端呼叫外局終端時，如果外局同樣采用基于IP的cdma2000 1x系統(tǒng)，局間組網(wǎng)協(xié)議采用基于IP的控制和業(yè)務承載協(xié)議，則處理策略和局內(nèi)基本相同，主要變化是在消息控制路徑上增加被叫CS，即：主叫WAU<-->主叫WAS<-->主叫局CSv被叫局CS<-->被叫WAS<-->被叫WAU。業(yè)務路徑變化不大，只是被叫WAS、被叫WAU屬于外局而已。

如果外局和本局的組網(wǎng)采用電路接口方式，則本局終端呼叫外局終端或固網(wǎng)用戶時，控制信息在本局以IP包形式在如下路徑傳遞：主叫WAU<-->主叫WAS<-->主叫局CS<-->主叫局CSG，然后由CSG完成對外部七號信令網(wǎng)絡的消息傳遞。語音業(yè)務信息在本局以IP包形式在如下路徑傳遞：主叫WAU<-->主叫WAS<-->主叫局CMG，然后由CMG完成聲碼器和電路語音流的轉換和外局互通。

（3）主要接口協(xié)議說明

主要信令接口包括WAU和WAS間接口、WAS間接口、WAS和CS間接口、CS和CMG間接口、CS間接口、CS和CSG間接口。所有接口底層基于SCTP/IP傳輸，應用層參照3GPP2有關標準接口內(nèi)容，在CS和WAS間接口、CS和CMG間接口、CS間接口中增加部分自定義的關于聲碼器協(xié)商的內(nèi)容，因為目前3GPP2關于這些尚處在研究中，無標準協(xié)議。

主要語音承載接口包括WAU和WAS間接口、WAS間接口、WAS和CMG間接口等，均為基于RTP/IP傳輸?shù)腎P語音包。

2.多聲碼器靈活配置的設計與實現(xiàn)

系統(tǒng)要實現(xiàn)TrFO特性，還需要支持多種聲碼器功能。系統(tǒng)可以采用固定配置多種聲碼器方案，即系統(tǒng)中配置多個不同種類的聲碼器，每種聲碼器固定支持一種聲碼器算法。這種配置方式下的系統(tǒng)結構簡單，實現(xiàn)方便，但設備冗余量大，組網(wǎng)不方便，因此在現(xiàn)代的移動通信系統(tǒng)中很少采用固定配置的方式。

我們研發(fā)的基于IP的cdma20001x移動系統(tǒng)支持EVRC、QCELP8K、QCELP13K三種空中壓縮語音編碼，需要EVRC、QCELP8K、QCELP13K三種聲碼器。QCELP和EVRC聲碼器在某些通用數(shù)字信號處理（DSP）芯片上已得到了實現(xiàn)。課題中使用基于TI TMS320C5410的通用DSP平臺實現(xiàn)這3種聲碼器。由于芯片內(nèi)存空間等原因，每種DSP程序只能支持一種聲碼器算法，DSP芯片（聲碼器端子）根據(jù)加載DSP程序的不同類型可以動態(tài)支持三種聲碼器算法（加載一次程序只能支持一種算法）。

在這種DSP動態(tài)支持多種聲碼器算法的方案中，DSP芯片必須先將DSP程序加載到指定的RAM空間地址后才能執(zhí)行相應聲碼器算法，DSP芯片的利用率以及工作效率成為影響語音業(yè)務關鍵因素。DSP的利用率直接關系到呼叫建立的成功率，工作效率直接影響DSP編解碼效率。由于DSP的工作時間分為程序加載時間和語音編解碼時間，要提高DSP的工作效率就必須設法縮短程序加載時間。這里我們將討論三種DSP的配置策略，分析每種策略下DSP的利用率及工作效率。

（1）系統(tǒng)初始時根據(jù)每種聲碼器終端的使用概率分別設定各種聲碼器端子數(shù)量，加載相應DSP程序，在使用過程中不再改變每個聲碼器端子類型。這種策略雖然實現(xiàn)簡單，可以減少DSP的程序加載時間，提高DSP的工作效率，但由于每片DSP只能支持一種聲碼器算法，CS建立呼叫時對一個壓縮語音數(shù)據(jù)包只能在支持此壓縮算法的有限個聲碼器端子中進行資源分配，支持其他算法的聲碼器端子即使處于空閑狀態(tài)也不能被選擇。這樣就大大降低了DSP的利用率，同時還會造成DSP負載不均衡的結果。

（2）采用DSP浮動配置技術，即DSP芯片中的DSP程序動態(tài)加載。初始化時，根據(jù)每種聲碼器終端的使用概率分別設定各種的聲碼器端子數(shù)量，加載相應DSP程序。此后CS建立呼叫時，在所有的DSP資源中進行選擇，若找到一個支持此次呼叫聲碼器類型的DSP資源且處于空閑狀態(tài)，就將此DSP分配給此次呼叫，DSP可直接對語音包進行編解碼，不需加載相應的程序；否則就找一個空閑的DSP，將其分配給此呼叫，這時DSP必須先加載相應的DSP程序，然后才能對語音包進行編解碼。此策略中DSP芯片處理完一次呼叫的語音業(yè)務包后，不釋放其DSP程序，減少了DSP程序加載時間，大大提高了DSP的利用率和工作效率。這種浮動配置要求每片DSP在初始化時一定要進行程序加載，此后DSP中保存了最近一次使用的DSP程序，從另一個角度可以認為是預取了一種DSP程序，但這只是根據(jù)最近的一次歷史通話情況進行的預取，局限性很大。由于DSP程序類型是有限的，而且整個系統(tǒng)中支持每種編解碼算法的無限終端的使用概率不同，根據(jù)這些特點可以采取DSP程序預取浮動配置策略。

（3）DSP程序預取浮動配置策略。所謂的預取就是在使用前DSP芯片預先加載DSP程序，以提高DSP工作效率［3］。如何選擇預取程序的類型是此策略的關鍵，若預取的程序不合適，DSP將進行兩次程序加載，增加系統(tǒng)的負擔。這里采用猜測法，DSP根據(jù)系統(tǒng)中下次呼叫的聲碼器類型的概率以及系統(tǒng)中空閑DSP的程序配置比例進行程序預取。在每次判斷過程中，先選擇概率最大的類型，然后判斷系統(tǒng)中空閑DSP的此類型DSP程序配置比例是否大于此概率，若是則選擇概率次大的類型進行上述操作，否則加載此類DSP程序。系統(tǒng)中下次呼叫的編解碼類型的概率可以動態(tài)地根據(jù)系統(tǒng)中的大量呼叫歷史記錄進行統(tǒng)計。采用這種策略，可以從總體上減少DSP程序加載次數(shù)，也就減少了程序加載時間，提高系統(tǒng)DSP的工作效率。

表1是對以上3種DSP配置策略的模擬比較結果。假設話音呼叫到達時間間隔和通話時間均服從指數(shù)分布，平均到達間隔為3s，平均通話時間為2min，模擬時間為24h。

在假設條件下，一個用戶通話期間最多有40個用戶進入系統(tǒng)，40為聲碼器數(shù)量臨界值，大于40時，呼叫成功率明顯提高。三種策略中，后兩種呼叫成功率遠大于策略1，聲碼器端子空閑率小于策略1，說明后兩種策略中聲碼器的利用率高。策略3較策略2程序加載率低，增加了DSP的工作效率。在實際工程中具體使用的聲碼器配置策略和配置數(shù)量，可以根據(jù)實際工程特點和需要來決定。

隨著DSP芯片容量及處理能力的提高，在一塊DSP中將能夠同時裝載多種聲碼器算法，實現(xiàn)靜態(tài)支持多種聲碼器的功能，這將是最靈活經(jīng)濟的多種聲碼器配置方式。

四、結束語

本文介紹了基于IP的cdma2000移動通信系統(tǒng)中TrFO特性的設計與實現(xiàn)，詳細了分析多聲碼器靈活配置方式的實現(xiàn)策略。這些策略都能有效節(jié)約聲碼器資源，并且在我們研制開發(fā)的系統(tǒng)中已得到實現(xiàn)，取得了較為理想的效果。