摘要：本文介绍了基于IP架构的分组语音核心网的TrFO特性，并结合自行开发的cdma2000 1x系统，讨论了TrFO特性在基于IP架构的cdma2000 1x移动通信中的具体实现方案，详细讨论了多种声码器的灵活配置策略，并对各种策略进行了模拟比较，模拟结果对实际工程实现具有重要意义。
关键词：全IP移动通信网；cdma2000 1x系统；TrFO特性；声码器

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

在传统的基于电路交换的移动通信系统中，系统的交换均集中在移动交换中心(MSC)以电路交换形式完成，所以一般把声码器功能置于基站控制器（BSC）处，使得空中语音包落地后，先解码变换成电路方式，再进行交换处理。这种方式不仅会造成同一个基站控制的两个语音终端的“话务回程”现象，而且使相同终端的语音呼叫也要附加解码、编码过程，影响语音质量。在移动通信系统发展初期，系统中的语音呼叫主要集中在移动用户与固定用户之间，上述影响尚不明显。话务统计表明，目前移动用户间的呼叫已占主导地位，原有的声码器配置方式不仅增加设备成本，而且影响系统性能。为此，改进声码器配置管理的网络结构和策略成为人们研究的热点问题。

在GSM网络和3GPP的R99版本的标准中，为了改善声码器操作性能，提出了所谓的TFO（Tandem Free Operation）特性，可通过TFO实现话音的透传，以减少语音编解码造成的话音质量损伤。随着全IP移动通信技术的发展，以更低成本、更灵活有效的方式支持传统话音业务和分组数据业务是全IP移动通信技术发展的主要驱动力。在支持传统的语音业务时，全IP移动通信网面临着一个如何以更低成本支持多种声码器使用的问题，即所谓的免（无）声码器操作TrFO（Transcoder Free Operation）特性支持问题。

TrFO特性，即从移动终端UE到UE的呼叫可不经过两次语音编码器（TC）编解码的语音传输过程。在移动通信系统中实现TrFO特性，要求基站子系统BSS与分组语音核心网之间支持语音分组交换。在3GPP定义的基于分组的语音网络中，接入网和核心网的Iu－CS业务承载接口为ATM，因此编解码单元TC可进一步推到网络边缘，可以实现TrFO特性。

相比于3GPP有关标准中对TrFO已有较明确的支持而言，3GPP2目前对TrFO还处在研究阶段，因此研究探讨cdma2000系统对TrFO的支持意义重大。本文结合基于IP的cdma2000移动通信系统的研发工作，介绍了TrFO特性的设计以及实现，详细讨论了多种声码器的灵活配置策略。

二、基于IP架构的cdma2000 1x系统结构

目前3GPP2定义的cdma2000分组语音核心网的网络结构如图1。

其中，MSCe完成控制功能，MGW、MRFP完成话音承载转换功能，如不同分组承载之间或分组承载和电路承载之间的转换，MRFP提供所需资源，如放音、多方会议电话等资源。由于BSC与MGW（Media GateWay）间的业务承载接口27目前仍是基于TDM电路方式，编解码单元TC归属于BSC，BSC与MGW之间传送G.711 PCM语音，两个移动终端之间的语音通信，必然存在着从空口编解码到G.711 PCM再到空口编解码的转换，与传统电路核心网保持一致。因此，在cdma2000 LMSD的第一阶段，不能提供TrFO特性。在LMSD的后续阶段，3GPP2提出的A接口可基于IP承载，可以提供TrFO特性，但目前还尚未有具体的协议。国家交换系统工程技术研究中心（NDSC）和环宇移动公司从2000年起专注于基于IP的cdma2000 1x移动通信系统的研究开发工作，对目前的cdma2000移动通信系统的结构进行了修正，提出了一种全新的系统架构，如图2所示。

该系统利用统一的IP交换平台在各功能部件间交换信令控制信息和业务数据信息。WAU（无线接入单元）和WAS（无线接入服务器）组成BSS，核心网分组域包括PDSN（分组数据服务器）、AAA服务器和HA（归属代理），核心网电路域包括CS（呼叫服务器）、CMG（电路媒体网关）、CSG（七号公共信令网关）、VLR（拜访位置寄存器）、HLR/AC（归属位置寄存器及鉴权认证中心）等。其中CS在功能上等同于MSCe，CMG功能等同于MGW和MRFP。该系统结构支持BSS的功能单元直接以IP接口连入IP核心网络，提供了BSS与分组语音核心网间的分组承载功能，从而可将声码器配置在CMG中，实现TrFO特性。利用软交换思想，由CS在控制层面对CMG上的声码器资源进行分配和管理，实现呼叫控制与业务传输相分离，这样系统从总体上节约了声码器资源，节省了声码器的配置，避免了标准A2接口上固定的声码器－中继－声码器连接模式中两次编解码变化对语音质量的损失，从而提高了业务质量。下面将详细介绍在该系统架构中如何实现TrFO特性。

三、TrFO特性的设计与实现

1.声码器分配策略

移动通信系统中的呼叫类型大致可以分为局内相同声码器移动终端间呼叫、局内不同声码器移动终端间呼叫、本局移动终端呼叫外局终端或固网用户。在基于IP的cdma2000 1x移动系统中实现TrFO特性，要求提供按需分配声码器的能力，关键是要处理好呼叫流程中声码器的分配情况。

（1）局内终端间呼叫

当两移动终端都处于本局内时，呼叫控制信息以IP包的形式在下述路径上传递：主叫WAU<-->主叫WAS<-->CS<-->被叫WAS<-->被叫WAU。

CS根据主叫终端声码器类型，指示被叫WAS和被叫终端协商声码器，如被叫终端支持使用和主叫终端同样的声码器，则语音包落地后直接以IP包形式在主叫WAU<-->主叫WAS<-->被叫WAS<-->被叫WAU间传递，其间网络不再使用声码器进行变换。

如被叫终端不支持使用和主叫终端同样的声码器，则CS指示CMG分配声码器端子，语音包落地后以IP包形式在主叫WAU<-->主叫WAS<-->CMG<-->被叫WAS<-->被叫WAU间传递，其间CMG完成主被叫不同声码器的格式转换。

（2）本局移动终端呼叫外局终端或固网用户

本局终端呼叫外局终端时，如果外局同样采用基于IP的cdma2000 1x系统，局间组网协议采用基于IP的控制和业务承载协议，则处理策略和局内基本相同，主要变化是在消息控制路径上增加被叫CS，即：主叫WAU<-->主叫WAS<-->主叫局CSv被叫局CS<-->被叫WAS<-->被叫WAU。业务路径变化不大，只是被叫WAS、被叫WAU属于外局而已。

如果外局和本局的组网采用电路接口方式，则本局终端呼叫外局终端或固网用户时，控制信息在本局以IP包形式在如下路径传递：主叫WAU<-->主叫WAS<-->主叫局CS<-->主叫局CSG，然后由CSG完成对外部七号信令网络的消息传递。语音业务信息在本局以IP包形式在如下路径传递：主叫WAU<-->主叫WAS<-->主叫局CMG，然后由CMG完成声码器和电路语音流的转换和外局互通。

（3）主要接口协议说明

主要信令接口包括WAU和WAS间接口、WAS间接口、WAS和CS间接口、CS和CMG间接口、CS间接口、CS和CSG间接口。所有接口底层基于SCTP/IP传输，应用层参照3GPP2有关标准接口内容，在CS和WAS间接口、CS和CMG间接口、CS间接口中增加部分自定义的关于声码器协商的内容，因为目前3GPP2关于这些尚处在研究中，无标准协议。

主要语音承载接口包括WAU和WAS间接口、WAS间接口、WAS和CMG间接口等，均为基于RTP/IP传输的IP语音包。

2.多声码器灵活配置的设计与实现

系统要实现TrFO特性，还需要支持多种声码器功能。系统可以采用固定配置多种声码器方案，即系统中配置多个不同种类的声码器，每种声码器固定支持一种声码器算法。这种配置方式下的系统结构简单，实现方便，但设备冗余量大，组网不方便，因此在现代的移动通信系统中很少采用固定配置的方式。

我们研发的基于IP的cdma20001x移动系统支持EVRC、QCELP8K、QCELP13K三种空中压缩语音编码，需要EVRC、QCELP8K、QCELP13K三种声码器。QCELP和EVRC声码器在某些通用数字信号处理（DSP）芯片上已得到了实现。课题中使用基于TI TMS320C5410的通用DSP平台实现这3种声码器。由于芯片内存空间等原因，每种DSP程序只能支持一种声码器算法，DSP芯片（声码器端子）根据加载DSP程序的不同类型可以动态支持三种声码器算法（加载一次程序只能支持一种算法）。

在这种DSP动态支持多种声码器算法的方案中，DSP芯片必须先将DSP程序加载到指定的RAM空间地址后才能执行相应声码器算法，DSP芯片的利用率以及工作效率成为影响语音业务关键因素。DSP的利用率直接关系到呼叫建立的成功率，工作效率直接影响DSP编解码效率。由于DSP的工作时间分为程序加载时间和语音编解码时间，要提高DSP的工作效率就必须设法缩短程序加载时间。这里我们将讨论三种DSP的配置策略，分析每种策略下DSP的利用率及工作效率。

（1）系统初始时根据每种声码器终端的使用概率分别设定各种声码器端子数量，加载相应DSP程序，在使用过程中不再改变每个声码器端子类型。这种策略虽然实现简单，可以减少DSP的程序加载时间，提高DSP的工作效率，但由于每片DSP只能支持一种声码器算法，CS建立呼叫时对一个压缩语音数据包只能在支持此压缩算法的有限个声码器端子中进行资源分配，支持其他算法的声码器端子即使处于空闲状态也不能被选择。这样就大大降低了DSP的利用率，同时还会造成DSP负载不均衡的结果。

（2）采用DSP浮动配置技术，即DSP芯片中的DSP程序动态加载。初始化时，根据每种声码器终端的使用概率分别设定各种的声码器端子数量，加载相应DSP程序。此后CS建立呼叫时，在所有的DSP资源中进行选择，若找到一个支持此次呼叫声码器类型的DSP资源且处于空闲状态，就将此DSP分配给此次呼叫，DSP可直接对语音包进行编解码，不需加载相应的程序；否则就找一个空闲的DSP，将其分配给此呼叫，这时DSP必须先加载相应的DSP程序，然后才能对语音包进行编解码。此策略中DSP芯片处理完一次呼叫的语音业务包后，不释放其DSP程序，减少了DSP程序加载时间，大大提高了DSP的利用率和工作效率。这种浮动配置要求每片DSP在初始化时一定要进行程序加载，此后DSP中保存了最近一次使用的DSP程序，从另一个角度可以认为是预取了一种DSP程序，但这只是根据最近的一次历史通话情况进行的预取，局限性很大。由于DSP程序类型是有限的，而且整个系统中支持每种编解码算法的无限终端的使用概率不同，根据这些特点可以采取DSP程序预取浮动配置策略。

（3）DSP程序预取浮动配置策略。所谓的预取就是在使用前DSP芯片预先加载DSP程序，以提高DSP工作效率［3］。如何选择预取程序的类型是此策略的关键，若预取的程序不合适，DSP将进行两次程序加载，增加系统的负担。这里采用猜测法，DSP根据系统中下次呼叫的声码器类型的概率以及系统中空闲DSP的程序配置比例进行程序预取。在每次判断过程中，先选择概率最大的类型，然后判断系统中空闲DSP的此类型DSP程序配置比例是否大于此概率，若是则选择概率次大的类型进行上述操作，否则加载此类DSP程序。系统中下次呼叫的编解码类型的概率可以动态地根据系统中的大量呼叫历史记录进行统计。采用这种策略，可以从总体上减少DSP程序加载次数，也就减少了程序加载时间，提高系统DSP的工作效率。

表1是对以上3种DSP配置策略的模拟比较结果。假设话音呼叫到达时间间隔和通话时间均服从指数分布，平均到达间隔为3s，平均通话时间为2min，模拟时间为24h。

在假设条件下，一个用户通话期间最多有40个用户进入系统，40为声码器数量临界值，大于40时，呼叫成功率明显提高。三种策略中，后两种呼叫成功率远大于策略1，声码器端子空闲率小于策略1，说明后两种策略中声码器的利用率高。策略3较策略2程序加载率低，增加了DSP的工作效率。在实际工程中具体使用的声码器配置策略和配置数量，可以根据实际工程特点和需要来决定。

随着DSP芯片容量及处理能力的提高，在一块DSP中将能够同时装载多种声码器算法，实现静态支持多种声码器的功能，这将是最灵活经济的多种声码器配置方式。

四、结束语

本文介绍了基于IP的cdma2000移动通信系统中TrFO特性的设计与实现，详细了分析多声码器灵活配置方式的实现策略。这些策略都能有效节约声码器资源，并且在我们研制开发的系统中已得到实现，取得了较为理想的效果。

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