两种提高UMTS系统语音QoS的方法研究与实现

admin

摘要    描述了UMTS系统中移动到移动语音呼叫时两种提高语音质量的方法，即TFO(Tandem Free Operation)和TrFO(Transcoder Free Operation)机制。分析了他们的操作原理后，本文的主要贡献在于对二者的性能和优缺点做了深入的比较研究，并且就实现问题，给出了几种解决方案。
    在一般的UMTS系统中，考虑移动到移动的语音呼叫情况，原始信号首先在发起侧UE中编码，经过无线接口的传送，在本地代码转换机中转换成A律或者μ律PCM编码(符合ITU-TG.711制式标准)后，在核心网中向远端传输；在远端代码转换机中再次进行代码转换，将PCM语音格式转换成为一种适合在无线接口上传送的编码格式，以便在远端无线接口上发送，最后在终结的UE中解码，这种呼叫连接在核心网内进行两次代码转换，通常称为级联配置［1］。这种配置中存在一个致命的缺点，编解码器的级联引入的两次代码转换降低了语音质量，当语音编解码器低速率工作时，这种影响尤为明显。
    本文介绍TFO(Tandem Free Operation)和TrFO(TranscoderFree Operation)机制。他们的应用可以避免核心网内的两次代码转换，从而大大地提高了语音QoS［2］。本文只讨论移动到移动的呼叫，行文中若没有特殊说明，一般所说的呼叫都指这种情况。
1　TFO和TrFO机制
    1．1　借鉴GSM的TFO方法
    在GSM网络发展的后期，出现了TFO机制，他是一种呼叫配置，在信号链路上物理地存在代码转换设备，但代码转换功能被绕过。这种做法被第三代移动通信系统 UMTS网络继承，但具体实现时又有差异，他的操作原理如下所描述［1］。
    在两端的呼叫建立阶段完成之后，媒体网关中的代码转换机设备交换根据ITU-T G。711 A律或μ律编码的传统64 kb/s PCM语音抽样。代码转换机通过窃取(stealing)每第16个抽样中的一个最不重要的比特位，交换TFO消息，进行两端UE中编解码器的协商。
    如果两端的UE中应用了兼容的语音编解码类型，代码转换机自动激活TFO，传输压缩语音的信道被映射在64 kb/s的PCM编码的最不重要的比特位上。
    如果应用了不兼容的语音编解码类型，TFO就不能被立即激活，呼叫回到一般的代码转换级联操作模式下。但是，代码转换机还一直监视PCM信号中是否含有带内协商编解码的TFO消息，如果由于某种呼叫配置的改变，例如，远端发生了切换等，可能满足TFO建立的条件时，代码转换机将再次尝试发起和建立TFO。
    1．2　UMTS系统中的TrFO
    TrFO是3G系统所特有的，他同样要求移动两端所用的编解码器类型相一致，但他所进行的编解码协商是一种带外机制，图1是3GPPR4版本中UMTS到UMTS的TrFO连接结构［3］。
    如图1所示，编解码器的协商发生在呼叫建立阶段，也可能发生在呼叫中(由于其他某种原因，如切换等)，下面简述TrFO的建立过程[4]。
         
    首先在呼叫发起时，进行编解码器的协商，以试图建立TrFO操作。发起侧的UE在IAM消息中携带其所支持的编解码器类型列表，通过无线接口、Iu接口(RNC和MSC之间)到达发起MSCServer，发起MSCServer从列表中剔除不支持的编解码类型后再将其发给传输网络；同样地，传输网络也从中剔除他不支持的类型后继续发向终结的MSCServer，终结MSCServer也执行同样的操作后将该列表发向终结UE，由终结UE结合此列表和自身的编解码情况选择一个最优公共的编解码类型，并依次向前返回给终结MSCServer、传输网络、发起MSCServer和UE，通知他们当前所选用的编解码类型，这样在此编解码器基础上，开始分配建立承载。
    如果终结UE在选择最优公共编解码器时失败，即没 有公共的编解码器可供使用，那么就选择缺省的PCM编码格式，发起侧MSC应在来自发起侧UE的路径上插入一个代码转换机。此时，对终结UE的编解码器选择在终结MSC中选择，他独立于发起侧MSC，这就是TrFO建立失败时的情况。
    若成功的建立承载，在Iu接口用户平面上开始初始化过程［5］，以确定传输压缩语音的帧格式，初始化信息从发起的RNC向后传向终结的RNC，在此链路上确定统一的帧格式，包括Nb接口(2个媒体网关之间的接口)，初始化完成后，压缩语音就可以在用户平面内传送，至此，移动到移动的TrFO的连接就完全建立起来了。
2　两种机制性能的比较分析
    TFO和TrFO机制都采用核心网内传输压缩语音的思想，都避免了移动到移动呼叫时网络内的两次代码转换，并提高了语音QoS，但他们之间却存在着明显的区别。
    首先，TFO机制是由GSM系统发展起来的，并被3G系统所继承。而TrFO机制采用的是承载独立的思想，是3G系统特有的，在3GPP发布的R99版本协议中，还不支持此种机制，R4及其以后的版本才全面支持TrFO。
    其次，带内的尝试建立TFO连接是在呼叫建立后进 行，而带外尝试建立TrFO连接是在呼叫建立前进行，如果建立TrFO的尝试失败并且已经插入了需要的代码转换机，则在呼叫建立完成后可以使用带内TFO。带内TFO必须是代码转换机不能避免时的一种退却机制，可以在呼叫建立后或者通信阶段建立。同时，UMTS系统必须使用带内TFO和GSM系统交互，这是由于GSM系统不支持带外协商机制的原因。
    再者，TFO机制采用带内信令协议传送消息并进行编解码器的协商，此时代码转换机完全处理和终止TFO协议，因此，TFO机制中代码转换设备不能被绕过；而在TrFO机制中，编解码协商由带外BICC协议控制并执行，此时，代码转换设备完全不需要插入在链路中，这是TFO和TrFO区别的显著特征。
    最后，还需要说明的是，带内TFO机制不节约核心网内的带宽资源，他还是以64 kb/s进行传输；而TrFO机制不同，他完全传送压缩语音，若在多局之间采用复用技术，那么他带来的收益更加可观。
3　在UMTS系统中的应用与实现
    在UMTS系统中应用带内TFO的主要限制是，MSC后PCM链路的数字透明性不能在所有的移动到移动呼叫配置中都能保证。由于GSM网络不支持带外协商，所以在GSM-3G(和3G-GSM)呼叫中，虽说只要UMTS系统中应用相同的TFO协议，就可以实现互通，然而这种互通毕竟属于异构网络之间的互通，因此就变得复杂化。
    相比于TFO来讲，UMTS系统中实现TrFO较为容易，他可以借助于BICC协议，因此，建议在UMTS系统实现时首先考虑实现TrFO机制，实现TrFO机制主要解决以下几个问题：
    (1)速率控制算法
    速率控制是由Iu UP(Iu接口用户平面协议)协议通过带内信令实现的。
    一般地，Iu UP上的Iu速率控制过程是由UTRAN(Universal Terrestrial Radio Access Network)上速率控制功能实体完成的，即SRNC(服务RNC)。SRNC可以向CN发送速率控制帧控制下行数据速率；也可以向UE发送速率控制帧控制上行速率。两个方向上的速率控制过程是完全独立的，即上下行可以有不同的速率。
    但是，考虑在TrFO情况下，2个对等的Iu UP协议实体间直接透明地传送压缩语音，这样上下行数据速率应完全同步。因此，SRNC也会收到来自CN的速率控制帧以控制上行数据速率，在一个方向上，仅仅使用那些两端都允许的速率，如图2所示。
         
    因此，就需要对一般模式下的SRNC速率控制实体进行修改，增加判断机制，结合这两种控制帧，将二者中允许的较低最大速率发向UE，下面以上行速率控制为例，说明判决算法如下，下行类似：

    最后，需要说明的是，由于TFO连接情况下，也同样需要两端压缩语音传输速率同步，因此该速率控制过程也同样适用于UMTS系统的TFO情况中。
    (2)帧协议模式匹配策略
    TrFO操作中，由于需要旁路调媒体网关设备中的代码转换机，在Nb接口上也采用用户平面帧协议传输压缩语音，因此就需要MSCServer告知媒体网关设备一些用户平面初始化的信息(从Iu UP的初始化过程中获得)，即RFCI(RAB子流组合指示，每一种RFCI对应与一种传输格式和速率)的值和初始化方向等，有了这些信息后，在该接口上就可以开始Nb UP的初始化工作。
    因此，在实现时，就需要Nb UP的协议实体做好RFCI值的存储，并且在适当的时候建立媒体网关出入2个端口之间RFCI值的映射。同时，还应当注意的是，MSCServer告知媒体网关用户平面信息时，是通过MEGACO命令的形式，因此，还需要定义H．248的扩展包，以支持TrFO机制，在R4及其以后的3GPP规范中，这些扩展包都定义在3GUP包中。
    以上讨论的是TrFO机制的实现，但是UMTS系统为了和GSM互通，或者是TrFO不支持的情况下为了提高语音质量，也需要实现TFO操作。由于TFO操作控制和承载没有分离，因此相对于实现TrFO困难更大，他对UMTS系统的几个接口均有影响，主要需要解决以下几个问题：
    (1)IPE链路透明化
    媒体网关后PCM链路的数字透明性不能在所有的移动到移动呼叫配置中都能保证。当使用数字线时，非透明性主要是由于链路中设备IPE(In Path Equipments)。
    因此，实现时就需要对IPE进行修改，以使带内TFO可以不加改变的通过他们，并且在进行带内协商之前，首先应发消息给IPE，通知他使以后的TFO消息都能够透明通过，这样才可以顺利进行编解码器协商。
    (2)MSCServer对TFO的处理策略
    MSCServer负责和接入网与核心网的信令交互，选择呼叫建立、切换和补充业务所有的编解码器类型。TFO协议完全由媒体网关中的代码转换机控制，而媒体网关又受控于MSCServer。
    切换时，MSCServer对编解码器选择的一般原则是： 除非有绝对的必要，否则呼叫配置不应该被改变，这是因为在TFO时，每一个本地的变化都将直接影响到远端。
    因此，为了体现这一原则，就需要在发生切换时的编解码协商流程中需要增加一个判断机制：若目前的编解码配置满足TFO的条件，就不改变他，尽管他可能是切换后非最优的编解码器；若必须改变他，并且切换后的呼叫配置不在具有TFO的兼容性，那么呼叫控制层CC模块应负责保证在切换前完全终止TFO，这个动作需要MSCServer通知媒体网关关闭TFO。
4　结语
    当前，在各大移动运营商竞争日益激烈的情况下，能否为用户提供更高的QoS成为影响其成败的一个关键因素，3GPP组织在R4及其以后的协议规范中推出的TFO和TrFO两种机制无疑是一种提高语音QoS的有效途径。随着语音编码方式的增加，以及R5，R6版本全IP核心网技术的成熟，TFO和TrFO机制在UMTS系统中的应用也有着广阔的前景。
参考文献
    ［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．