cdma2000系統話音分組服務質量研究

2019-11-03 09:16:42

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供稿：網友

劉寧軍　唐曉梅　吳益清
解放軍信息工程大學國家數字交換系統工程技術研究中心

　　摘要本文首先介紹了基于ip技術的CDMA系統，然后說明了系統中話音分組的QoS（Quality of Service服務質量）要求和目標，根據其要求分析了BSC部分的軟件層次結構，提出了針對相應問題的解決策略。

　　關鍵詞 cdma 2000 基站控制器 IP 服務質量

1 介紹

　　隨著Internet規模的不斷增大，各種各樣的網絡服務爭相涌現，先進的多媒體系統層出不窮。由于實時業務對網絡傳輸時延、延時抖動等特性較為敏感，當網絡上有突發性高的FTP或者含有圖像文件的HTTP等業務時，實時業務就會受到很大影響；另一方面，多媒體業務占去了大量的帶寬，這樣，現有網絡要保證的關鍵業務就難以得到可靠的傳輸。這就要求網絡管理者對不同的服務區別管理，而不能對所有的數據包一視同仁。于是各種QoS技術應運而生。這些QoS都是在IP協議本身上面作優化改進以達到提高服務質量的目的。在一個基于IP的CDMA系統中，由于IP協議以及網絡本身帶寬的限制，會在實際系統實現時出現一些特有的問題，比如系統抖動、消息遲延等等，這就需要在實現中予以解決，盡力保證用戶數據能夠正確傳輸。這就是基于IP的CDMA系統中話音分組的服務質量設計的基本目標。

2 CDMA系統概述

2.1 系統構成

　　cdma 2000系統構整個系統由移動終端MT（Mobile Terminal）、基站收發信機BTS（Base Transceiver）、基站控制器BSC（Base Station Control）和移動交換中心MSC（Mobile Switching Center）、分組控制功能PCF（Packet Control Function）模塊及分組數據服務節點PDSN（Packet Data Sever Node）等部分組成。一個集中的BSC和若干個BTS組成基站子系統（BSS），簡稱基站BS（Base Station）。BTS完成無線信號的接收和發送，BSC的功能是對BTS進行控制，使基站和移動臺能相互可靠的傳輸語音數據與信令，實現對空中信道的分配管理，完成呼叫控制、移動性管理和功率控制等功能。一個BSC可控制一個或多個BTS。BTS和BSC間的接口（Abis）、BSC和MSC間的接口是基于ATM網絡的，BSC/PCF和PDSN、Internet間則是通過IP相連的。不管是話音分組數據還是普通話音都要通過ATM網絡從BTS到BSC、再從BSC到MSC或PCF。

　　按照標準協議的要求系統需要架設ATM專用網絡，ATM技術作為一項成熟的技術，極有可能成為標準數據傳輸方式，但是其造價非常昂貴。而當今已經發展的非常成熟的IP技術，其在成本方面的優勢是ATM所無法望其項背的，且網絡本身的高帶寬適于多媒體數據的實時傳輸也可以提供安全方面的保障，因此我們可以構建一個基于IP網絡的CDMA系統，如將Abis和A1/A2/A5接口都改造成為基于IP，BTS、BSC和MSC、PCF間都通過以太網相連，使用IP協議來傳輸各種業務。在該系統中采用UDP進行語音包傳送。但由于IP網絡上的業務流量和繁忙時段是不斷變化，會極大影響話音業務包的均衡傳送，而UDP是基于不可靠無連接的端口傳輸服務，因而必須采取有效措施來滿足話音傳輸的質量要求。

2.3 基于IP的CDMA系統話音傳輸的QoS要求

　　對于話音業務，我們知道，影響通話質量的因素有：編碼方法、時延、時延抖動、丟包、比特差錯、協議處理。在基于IP的CDMA系統中，可以用業務可用性、延遲、可變延遲、吞吐量、丟包率等參數來描述通話質量：

　　因此從用戶的需求和系統設計目標來講，對話音分組的服務質量要求歸納如下：

　　（1）對話音分組時延的質量保證。

　　電話語音傳輸往返最大時延是300ms，這就是說150ms單向時延是可以接受的。本系統中，根據不同的應用場景語音業務包在BTS、BSC、MSC、PSTN間穿過。以基站部分為例，在這種情況下，在BSC部分最多允許40ms的時延，也就是說，當BSC在負荷內正常工作時，一幀業務數據從進入BSC到處理完畢最多只可耗用40ms，這個時間就是一幀話音數據在BSC中的最長停留時間。

　　（2）減少系統抖動和時延。仍以基站部分為例，會出現如下情況：

　　從同一個MT發出的數據幀是均勻的，即每間隔20ms發出一幀。由于IP網絡業務量的不均，經由BTS的不同扇區或不同BTS到達BSC以后，它們到達BSC的時間間隔則不再是均勻間隔20ms，而且可能會丟幀，這樣從BSC這一側看來就出現系統抖動。這個問題會影響到正常通話的進程，解決不好，會引起話音的斷續或失真。

　　（3）提高話音質量。在CDMA系統中，軟切換技術是越區切換時保證話音質量的一項重要措施。在基于IP的CDMA系統中，又會有以下情況：

　　在軟/更軟切換發生時，MT發出同一幀數據從空中被不同的BTS收到后，經由不同路徑到達BSC，到達時間可能不同，而IP網絡本身的遲滯作用使得這個差異有可能被放大，這對BSC的選擇功能帶來較大影響。如果在質量保證措施中沒有對上述問題有效解決，極有可能在終端發生軟切換期間錯將一些“壞”幀送往上層，這樣可能會引起切換期間手機掉話或是誤導功率控制造成系統上的資源浪費。

3 基于IP的CDMA系統話音分組QoS機制及實現

　　上面已經討論了系統的話音數據需要的QoS要求。實際上，對協議層采用的處理機制也在一定程度上對其產生影響。所以下面將以基站控制器為例進行詳細描述。

　　參考文獻[2]中指出媒體接入控制（MAC）層包含的功能之一是在軟切換發生時在來自不同鏈路的相同幀數據中選擇相對的"好"幀進行下一步處理，這即是反向鏈路的選擇功能。在選擇MAC功能的實現中，采用如下策略可以改進協議處理的效能：

　　（1）緩沖區管理策略機制。為進入BSC的業務數據設置隊列緩沖區，只要是到來的業務數據都要進入緩沖區排隊。在軟切換發生時，這種排隊等待策略正好可以消除前面提到的系統抖動問題。隊列中有相同幀（以幀序號為準），則比較，較好幀進入隊列；若無相同幀，根據具體情況選擇丟棄或是進入隊列。對于第一類抖動問題，只要等待時間足夠，則“好”幀實際上都是可以到達的。

　　（2）系統時間約定機制。這一點需要從硬件和軟件兩方面進行保障，硬件方面統一整個系統的時鐘（采用GPS時鐘），而軟件方面就可以在數據包中加入時間戳等標記。在統一系統時間以后，當在BSC處收到來自BTS的業務數據時，就可以根據數據幀中的時間戳讀出數據在BTS部分的實際時延，再確定策略1中的等待時間，以保證BSC對數據幀的時延不會過長但是又足夠可以消除大部分由網絡業務不均引起的系統抖動。

　　（3）話音優先機制。由于BSC中既要處理話音，又要處理數據和信令。由于話音的實時性要求較高，因而在話音、數據、信令并存的情況下，優先處理話音。參考文獻[2]中有詳細描述，此處不再贅述。

4 結束語

　　本文從介紹基于IP技術的CDMA系統結構入手，討論了該系統中話音分組數據的服務質量要求和目標，并提出了初步的解決方案。相信隨著IP技術的迅速發展和CDMA系統的擴展，關于IP協議在第三代移動通信系統中的使用會越來越深入，比如由IETF提出的SIP（session Initiation PRotocol）協議，在此協議的基礎上可以開發大量的應用于第三代移動通信領域的全IP通信業務。這項技術通過一致的協議將Internet和移動電話連接起來，使將來的移動終端和其他連接到Internet上的設備更直接地通過IP數據流進行通信。在這些優化IP協議的基礎上設計CDMA系統，其中QoS的問題將會得到更廣泛的關注和更深入的研究。

參考文獻

[1] 3GPP2, A.S0003 v1.0.0, "Abis interface Technical Specification for cdma2000 Spread Spectrum Systems", 2000.3

[2] 3GPP2, C.S0003-A v5.0, "Medium access Control (MAC) Standard for cdma2000 Spread Spectrum Systems", 2001.7

[3] 3GPP2, C.S0001-A v5.0, "cdma2000 - Introduction", 2001.7(文獻類型：國際標準)

[4] 楊大成、啜剛、楊鴻文等著，《cdma2000技術》，北京郵電大學出版社，2000.11

　　劉寧軍，女，1980年生，本科，2001年獲得解放軍信息工程大學計算機應用專業學士學位，現為在讀無線通信系統專業碩士研究生，主要研究方向是基于IP的第三代移動通信系統；

　　唐曉梅，女，副教授，主要研究方向：第三代移動通信系統；

　　吳益清，男，副教授，碩士生導師，主要研究方向：計算機通信。

----《中國數據通信》