cdma2000系统话音分组服务质量研究

2019-11-03 09:16:42

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供稿：网友

刘宁军　唐晓梅　吴益清
解放军信息工程大学国家数字交换系统工程技术研究中心

　　摘要本文首先介绍了基于ip技术的CDMA系统，然后说明了系统中话音分组的QoS（Quality of Service服务质量）要求和目标，根据其要求分析了BSC部分的软件层次结构，提出了针对相应问题的解决策略。

　　关键词 cdma 2000 基站控制器 IP 服务质量

1 介绍

　　随着Internet规模的不断增大，各种各样的网络服务争相涌现，先进的多媒体系统层出不穷。由于实时业务对网络传输时延、延时抖动等特性较为敏感，当网络上有突发性高的FTP或者含有图像文件的HTTP等业务时，实时业务就会受到很大影响；另一方面，多媒体业务占去了大量的带宽，这样，现有网络要保证的关键业务就难以得到可靠的传输。这就要求网络管理者对不同的服务区别管理，而不能对所有的数据包一视同仁。于是各种QoS技术应运而生。这些QoS都是在IP协议本身上面作优化改进以达到提高服务质量的目的。在一个基于IP的CDMA系统中，由于IP协议以及网络本身带宽的限制，会在实际系统实现时出现一些特有的问题，比如系统抖动、消息迟延等等，这就需要在实现中予以解决，尽力保证用户数据能够正确传输。这就是基于IP的CDMA系统中话音分组的服务质量设计的基本目标。

2 CDMA系统概述

2.1 系统构成

　　cdma 2000系统构整个系统由移动终端MT（Mobile Terminal）、基站收发信机BTS（Base Transceiver）、基站控制器BSC（Base Station Control）和移动交换中心MSC（Mobile Switching Center）、分组控制功能PCF（Packet Control Function）模块及分组数据服务节点PDSN（Packet Data Sever Node）等部分组成。一个集中的BSC和若干个BTS组成基站子系统（BSS），简称基站BS（Base Station）。BTS完成无线信号的接收和发送，BSC的功能是对BTS进行控制，使基站和移动台能相互可靠的传输语音数据与信令，实现对空中信道的分配管理，完成呼叫控制、移动性管理和功率控制等功能。一个BSC可控制一个或多个BTS。BTS和BSC间的接口（Abis）、BSC和MSC间的接口是基于ATM网络的，BSC/PCF和PDSN、Internet间则是通过IP相连的。不管是话音分组数据还是普通话音都要通过ATM网络从BTS到BSC、再从BSC到MSC或PCF。

　　按照标准协议的要求系统需要架设ATM专用网络，ATM技术作为一项成熟的技术，极有可能成为标准数据传输方式，但是其造价非常昂贵。而当今已经发展的非常成熟的IP技术，其在成本方面的优势是ATM所无法望其项背的，且网络本身的高带宽适于多媒体数据的实时传输也可以提供安全方面的保障，因此我们可以构建一个基于IP网络的CDMA系统，如将Abis和A1/A2/A5接口都改造成为基于IP，BTS、BSC和MSC、PCF间都通过以太网相连，使用IP协议来传输各种业务。在该系统中采用UDP进行语音包传送。但由于IP网络上的业务流量和繁忙时段是不断变化，会极大影响话音业务包的均衡传送，而UDP是基于不可靠无连接的端口传输服务，因而必须采取有效措施来满足话音传输的质量要求。

2.3 基于IP的CDMA系统话音传输的QoS要求

　　对于话音业务，我们知道，影响通话质量的因素有：编码方法、时延、时延抖动、丢包、比特差错、协议处理。在基于IP的CDMA系统中，可以用业务可用性、延迟、可变延迟、吞吐量、丢包率等参数来描述通话质量：

　　因此从用户的需求和系统设计目标来讲，对话音分组的服务质量要求归纳如下：

　　（1）对话音分组时延的质量保证。

　　电话语音传输往返最大时延是300ms，这就是说150ms单向时延是可以接受的。本系统中，根据不同的应用场景语音业务包在BTS、BSC、MSC、PSTN间穿过。以基站部分为例，在这种情况下，在BSC部分最多允许40ms的时延，也就是说，当BSC在负荷内正常工作时，一帧业务数据从进入BSC到处理完毕最多只可耗用40ms，这个时间就是一帧话音数据在BSC中的最长停留时间。

　　（2）减少系统抖动和时延。仍以基站部分为例，会出现如下情况：

　　从同一个MT发出的数据帧是均匀的，即每间隔20ms发出一帧。由于IP网络业务量的不均，经由BTS的不同扇区或不同BTS到达BSC以后，它们到达BSC的时间间隔则不再是均匀间隔20ms，而且可能会丢帧，这样从BSC这一侧看来就出现系统抖动。这个问题会影响到正常通话的进程，解决不好，会引起话音的断续或失真。

　　（3）提高话音质量。在CDMA系统中，软切换技术是越区切换时保证话音质量的一项重要措施。在基于IP的CDMA系统中，又会有以下情况：

　　在软/更软切换发生时，MT发出同一帧数据从空中被不同的BTS收到后，经由不同路径到达BSC，到达时间可能不同，而IP网络本身的迟滞作用使得这个差异有可能被放大，这对BSC的选择功能带来较大影响。如果在质量保证措施中没有对上述问题有效解决，极有可能在终端发生软切换期间错将一些“坏”帧送往上层，这样可能会引起切换期间手机掉话或是误导功率控制造成系统上的资源浪费。

3 基于IP的CDMA系统话音分组QoS机制及实现

　　上面已经讨论了系统的话音数据需要的QoS要求。实际上，对协议层采用的处理机制也在一定程度上对其产生影响。所以下面将以基站控制器为例进行详细描述。

　　参考文献[2]中指出媒体接入控制（MAC）层包含的功能之一是在软切换发生时在来自不同链路的相同帧数据中选择相对的"好"帧进行下一步处理，这即是反向链路的选择功能。在选择MAC功能的实现中，采用如下策略可以改进协议处理的效能：

　　（1）缓冲区管理策略机制。为进入BSC的业务数据设置队列缓冲区，只要是到来的业务数据都要进入缓冲区排队。在软切换发生时，这种排队等待策略正好可以消除前面提到的系统抖动问题。队列中有相同帧（以帧序号为准），则比较，较好帧进入队列；若无相同帧，根据具体情况选择丢弃或是进入队列。对于第一类抖动问题，只要等待时间足够，则“好”帧实际上都是可以到达的。

　　（2）系统时间约定机制。这一点需要从硬件和软件两方面进行保障，硬件方面统一整个系统的时钟（采用GPS时钟），而软件方面就可以在数据包中加入时间戳等标记。在统一系统时间以后，当在BSC处收到来自BTS的业务数据时，就可以根据数据帧中的时间戳读出数据在BTS部分的实际时延，再确定策略1中的等待时间，以保证BSC对数据帧的时延不会过长但是又足够可以消除大部分由网络业务不均引起的系统抖动。

　　（3）话音优先机制。由于BSC中既要处理话音，又要处理数据和信令。由于话音的实时性要求较高，因而在话音、数据、信令并存的情况下，优先处理话音。参考文献[2]中有详细描述，此处不再赘述。

4 结束语

　　本文从介绍基于IP技术的CDMA系统结构入手，讨论了该系统中话音分组数据的服务质量要求和目标，并提出了初步的解决方案。相信随着IP技术的迅速发展和CDMA系统的扩展，关于IP协议在第三代移动通信系统中的使用会越来越深入，比如由IETF提出的SIP（session Initiation PRotocol）协议，在此协议的基础上可以开发大量的应用于第三代移动通信领域的全IP通信业务。这项技术通过一致的协议将Internet和移动电话连接起来，使将来的移动终端和其他连接到Internet上的设备更直接地通过IP数据流进行通信。在这些优化IP协议的基础上设计CDMA系统，其中QoS的问题将会得到更广泛的关注和更深入的研究。

参考文献

[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(文献类型：国际标准)

[4] 杨大成、啜刚、杨鸿文等著，《cdma2000技术》，北京邮电大学出版社，2000.11

　　刘宁军，女，1980年生，本科，2001年获得解放军信息工程大学计算机应用专业学士学位，现为在读无线通信系统专业硕士研究生，主要研究方向是基于IP的第三代移动通信系统；

　　唐晓梅，女，副教授，主要研究方向：第三代移动通信系统；

　　吴益清，男，副教授，硕士生导师，主要研究方向：计算机通信。

----《中国数据通信》