摘要：本文介紹了基于IP架構的分組語音核心網的TrFO特性，并結合自行開發的cdma2000 1x系統，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具有重要意義。
關鍵詞：全IP移動通信網；cdma2000 1x系統；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

在傳統的基于電路交換的移動通信系統中，系統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，影響語音質量。在移動通信系統發展初期，系統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，而且影響系統性能。為此，改進聲碼器配置管理的網絡結構和策略成為人們研究的熱點問題。

在GSM網絡和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實現話音的透傳，以減少語音編解碼造成的話音質量損傷。隨著全IP移動通信技術的發展，以更低成本、更靈活有效的方式支持傳統話音業務和分組數據業務是全IP移動通信技術發展的主要驅動力。在支持傳統的語音業務時，全IP移動通信網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。在移動通信系統中實現TrFO特性，要求基站子系統BSS與分組語音核心網之間支持語音分組交換。在3GPP定義的基于分組的語音網絡中，接入網和核心網的Iu－CS業務承載接口為ATM，因此編解碼單元TC可進一步推到網絡邊緣，可以實現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系統對TrFO的支持意義重大。本文結合基于IP的cdma2000移動通信系統的研發工作，介紹了TrFO特性的設計以及實現，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系統結構

目前3GPP2定義的cdma2000分組語音核心網的網絡結構如圖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，與傳統電路核心網保持一致。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議。國家交換系統工程技術研究中心（NDSC）和環宇移動公司從2000年起專注于基于IP的cdma2000 1x移動通信系統的研究開發工作，對目前的cdma2000移動通信系統的結構進行了修正，提出了一種全新的系統架構，如圖2所示。

該系統利用統一的IP交換平臺在各功能部件間交換信令控制信息和業務數據信息。WAU（無線接入單元）和WAS（無線接入服務器）組成BSS，核心網分組域包括PDSN（分組數據服務器）、AAA服務器和HA（歸屬代理），核心網電路域包括CS（呼叫服務器）、CMG（電路媒體網關）、CSG（七號公共信令網關）、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。該系統結構支持BSS的功能單元直接以IP接口連入IP核心網絡，提供了BSS與分組語音核心網間的分組承載功能，從而可將聲碼器配置在CMG中，實現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，實現呼叫控制與業務傳輸相分離，這樣系統從總體上節約了聲碼器資源，節省了聲碼器的配置，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量的損失，從而提高了業務質量。下面將詳細介紹在該系統架構中如何實現TrFO特性。

三、TrFO特性的設計與實現

1.聲碼器分配策略

移動通信系統中的呼叫類型大致可以分為局內相同聲碼器移動終端間呼叫、局內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用戶。在基于IP的cdma2000 1x移動系統中實現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）局內終端間呼叫

當兩移動終端都處于本局內時，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根據主叫終端聲碼器類型，指示被叫WAS和被叫終端協商聲碼器，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，局間組網協議采用基于IP的控制和業務承載協議，則處理策略和局內基本相同，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采用電路接口方式，則本局終端呼叫外局終端或固網用戶時，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絡的消息傳遞。語音業務信息在本局以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商的內容，因為目前3GPP2關于這些尚處在研究中，無標準協議。

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傳輸的IP語音包。

2.多聲碼器靈活配置的設計與實現

系統要實現TrFO特性，還需要支持多種聲碼器功能。系統可以采用固定配置多種聲碼器方案，即系統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結構簡單，實現方便，但設備冗余量大，組網不方便，因此在現代的移動通信系統中很少采用固定配置的方式。

我們研發的基于IP的cdma20001x移動系統支持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字信號處理（DSP）芯片上已得到了實現。課題中使用基于TI TMS320C5410的通用DSP平臺實現這3種聲碼器。由于芯片內存空間等原因，每種DSP程序只能支持一種聲碼器算法，DSP芯片（聲碼器端子）根據加載DSP程序的不同類型可以動態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）系統初始時根據每種聲碼器終端的使用概率分別設定各種聲碼器端子數量，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據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程序動態加載。初始化時，根據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，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，而且整個系統中支持每種編解碼算法的無限終端的使用概率不同，根據這些特點可以采取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，增加系統的負擔。這里采用猜測法，DSP根據系統中下次呼叫的聲碼器類型的概率以及系統中空閑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。系統中下次呼叫的編解碼類型的概率可以動態地根據系統中的大量呼叫歷史記錄進行統計。采用這種策略，可以從總體上減少DSP程序加載次數，也就減少了程序加載時間，提高系統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，40為聲碼器數量臨界值，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量，可以根據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，實現靜態支持多種聲碼器的功能，這將是最靈活經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移動通信系統中TrFO特性的設計與實現，詳細了分析多聲碼器靈活配置方式的實現策略。這些策略都能有效節約聲碼器資源，并且在我們研制開發的系統中已得到實現，取得了較為理想的效果。