cdma2000-1x系统中的短消息业务与控制信道

一、短消息业务概述

　　短消息作为一项极具吸引力和人气的增值业务，愈来愈成为以话音业务为主导的移动通信网络的另一个重要卖点。种类繁多的数据增值业务是基于短消息这种移动数据通信手段的，如手机银行、手机证券、信息点播、移动OICQ业务、无线电子邮件、无线数据和传真等。我们在这里把这些业务统称为短信息业务。据有关调查表明：目前全球1个月的短信息发送量已达到150亿条。率先开展此项业务的欧洲，每天发送的短消息为2000万条，GSM运营商8％至20％的收入来自短消息。短信息业务像风暴一样席卷欧洲大陆。在中国，两大移动运营商正逐步实现短消息的互连互通。短消息和基于短消息的各种新业务层出不穷。短信息服务具有开通方便、收费低廉、内容丰富、应用广泛等特点，迅速获得了移动用户的青睐。据预测，至2005年底，中国移动用户将达到3.84亿，无线数据用户达1.87亿。短信所蕴涵的巨大的潜在商机受到运营商们的高度重视。

　　现有短消息以支持短文本为主。今后，短消息内容将朝多媒体内容发展。这类增强型短消息服务（EMS）最大的特色是支持多媒体消息，可以传送视频片段、图片、声音和文字，传送方式除了在手机间传送外，还可以是手机与电脑之间的传送。多媒体短消息业务与高速宽带的cdma2000-1x系统将极大推动短消息增值业务的发展。

二、短消息服务协议描述

　　1．网络参考模型

　　短消息服务（SMS）的网络参考模型提供了执行一定功能的实体和实体之间的接口参考点，它们从功能上包含了一个无线网络。这是一个抽象的模型，具体实现根据实体在设备中分布的不同而不同。

　　MS(Mobile Station): 移动台
　　UIM(User Identity Module): 用户身份模块
　　ME(Mobile Equipment): 移动设备
　　PSTN(Public Switched Telephone Network): 公众交换电话网

　　这个模型中的基站（BS）包含收发器设备（如天线）、移动交换中心（MSC）和与其它设备连接的接口。模型中的消息中心（MC）执行通用的SMS消息中心功能。N参考点表示一个SMS消息中心和一个BS之间的一个或多个标准化接口，位于BS内部。终端设备（TE）是语音和数据设备（如计算机），直接或间接的与消息中心相连。消息中心包含于基站中或与基站同在一地。这样移动台或终端发出的短消息可以在消息中心指挥下通过基站或市话网的帮助转发到相应的移动台或终端。

　　2．SMS协议

　　每个实体包含一定的协议层，以实现实体之间的正常通信。在cdma2000-1x系统中，SMS 协议堆栈表示了一个传送SMS的网络的简化图。移动台发出的消息经过基站转发到消息中心，或方向相反。基站作为唯一的中间传递者（SMS消息中继点）。从理论上讲，可以有任意多个中继点，都包含类似于基站的SMS协议堆栈。

　　SMS系统负责在消息中心和移动用户设备间传送消息，而SMS承载业务是SMS系统的一部分。承载业务由SMS传输层和SMS中继层提供。SMS传输层是承载业务协议的最高层。传输层管理端到端的消息传送，相当于引路员。在中继点的实体里，传输层负责从下面的SMS中继层接收SMS传输层消息，翻译目标地址和其它路由信息，并要求下面的SMS中继层按地址转发消息。在终止点的实体里，传输层提供介于SMS电信业务和SMS承载业务间的接口，相当于把消息最终交给接收者使用。SMS中继层作为传输层和链路层间的中介。链路层完成一些底层的功能，为SMS中继层服务。

三、cdma2000-1x控制信道对SMS的支持

　　SMS提供了位于移动台上的一个应用（如发一个短消息）和位于网络内的一个应用（如MC上收一个短消息）间的短消息传递，MSC和BS相当于两个应用间的短消息输送管道。

　　cdma2000-1x系统支持三类基本的短消息：移动台发起的点到点、移动台终止点到点和广播（点到多点）。移动台发起和终止的短消息可以要求短消息在移动台与基站间的两个空中接口方向上交换。因此，一个激活的移动台能够在任意时刻收发短消息。能传送的最大短消息字符数目，依照所使用的空中接口和电信业务类型而变化。每个短消息应在MSC-BS接口上的一个单一消息内传送，不提供短消息的分块和组装。

　　1．短消息业务与系统容量性能的相互影响

　　为了更好的支持短信业务的开展，同时保证话音业务仍能正常提供，两种业务对无线接入系统的影响必须加以认真的研究。在移动台发送（MO）模式下，短消息通过业务信道或控制信道发送；而在移动台接收（MT）模式下，短消息通过业务信道或寻呼信道发送。一方面，由于CDMA系统是干扰受限系统。因为短消息业务产生的信号与其它业务（如话音）所产生信号的相互干扰，系统容量受到干扰大小的限制。另一方面，短消息业务要使用接入和寻呼信道资源，而这些公共控制信道为呼叫接入、手机注册、软切换等系统功能服务，当业务繁忙时，大量短信息对这些信道带来的压力会影响其它业务，例如使呼损增加。因此需认真考虑短消息业务使用公共控制信道对系统性能和容量带来的影响。

　　2．空中信道对移动台发起SMS（SMS-MO）的支持

　　SMS-MO消息从MS发送到BS，既可以使用控制信道（接入信道）也可以使用业务信道。一个已占用业务信道的MS（如正在通话的用户）将使用那个业务信道来发送一条SMS-MO消息。一个空闲的MS可依据消息的长度，如100bytes，选择信道。当小于此值，可以使用接入信道传送，否则需请求一个业务信道来发送一条SMS-MO消息。

　　（1）SMS-MO消息在控制信道上的传送

　　比起IS-95A系统，cdma2000-1x系统增加了增强接入信道。短消息可以在增强接入信道的预留接入模式下发送。预留接入模式的接入过程是增强接入探头由一个先导和一个增强接入报头构成。增强接入报头包含数据速率指示等信息。移动台在获得基站的确认（EACAM）后，在指定的反向公共控制信道（RCCCH）上发送短消息，同时在前向公共功率控制信道的帮助下对发送实施闭环功率控制。预留接入模式这种短消息传送方式选择在增强接入信道上传送信令消息，在公共控制信道上来传送短消息。其它控制和信令在其它前向控制信道上传送。比起IS-95系统，cdma2000系统对利用接入信道传送消息的机制作了重要改进。一是接入信道的各个时隙采用不同的长码掩码（可起区分作用）进行调制，减少了接入探头碰撞的概率，接入成功率大大提高。而IS-95系统中，只要所发的不同帧在时间上有一点重叠，就会发生碰撞。碰撞的结果是使碰撞的双方（也可能是多方）所发送的数据都出现差错，因而都必须进行重发，效率很低。二是短消息数据部分通过其它信道传送，减轻了接入信道负荷和减少了接入信道产生的干扰。三是采用了闭环功率控制，可实现软切换功能，提高了数据正确率，并提高了反向链路性能。

　　（2）SMS-MO消息在业务信道上的发送-无已分配的业务信道

　　当MS闲时，如果MS认为消息过长，就决定使用业务信道来传送。SMS自一个空闲移动台在业务信道上的发送分为接入、数据传送和信道撤消三个过程：手机发送一个初始信息，其中的服务选项信息单元包括短消息服务选项号。此后，BS对请求予以确认，并把相关的服务请求信息发送到MSC。然后建立MS与BS间的业务信道。数据突发将通过反向业务信道传送到BS，BS送出确认，并通过ADDS转发消息到MSC。获得MSC的确认后，BS通过公共信道告知MS释放业务信道，MS给以确认。之后，各自释放信道资源。这种方式将使用大量的控制和信令信息，消耗额外的公共控制信道、业务信道资源，还产生了较大的信号干扰，从而加重系统负担。而且信道建立和释放过程将产生很长的延时，一般空中接口部分（MS-BS）产生的延时大于0.5秒。对于延时严格受限的短消息，不适合通过这种方式来发送。但由于业务信道采用了闭环功率控制，能较好的保证传送数据的正确性。因此这种传送方式适合很长且延时要求不严格的消息。

　　(3)SMS-MO消息在业务信道上的发送-有已分配的业务信道

　　短消息可以通过反向业务信道的数据突发消息来传送。在收到短消息后，基站在前向业务信道发送层2确认消息加以确认。因此，这种传送方式利用了已有的专用信道，几乎不占用控制信道，节省了信道资源，减小了信号干扰。而且交互次数少，保证传送的时延较小。同时，由于业务信道采用了闭环功率控制，能够较好的保证数据传送的质量。而且比起通过寻呼信道传送，短消息长度的上限大大增加。但这种方式要求发短消息的移动台正在对业务信道的控制当中，但这个条件并不总是存在。

　　3．空中信道对移动台接收SMS（SMS-MT）的支持

　　当短消息从基站发出时，如果目标移动台处于业务信道上，短消息通过这个业务信道发送。如果移动台空闲，并且短消息长度较小，可以通过寻呼信道发送，否则需要建立业务信道来发送。

　　在寻呼信道上主要有三类与呼叫处理和业务相关的消息。第一类是系统的开销消息，这些参数定期被更新。第二类是普通的寻呼消息。当收到呼叫或业务请求时，寻呼消息将在所有小区的寻呼信道上广播。第三类消息是定制的寻呼消息，包括信道分配消息，命令消息、SMS消息等，它们只在目标扇区和寻呼信道上发送。寻呼信道负荷过重时必须及时减荷。短消息虽然只在一个小范围（如一个扇区）上发送，但业务量大时，对寻呼信道功能会产生不良影响。

　　(1)SMS-MT消息在寻呼信道上的发送

　　cdma2000-1x系统的寻呼信道采用80ms时隙结构。由于任何消息都不能占用三个以上的连续的寻呼信道时隙，短消息最多可占用两个连续时隙。当寻呼信道速率为9600bit/s，两个时隙可容纳192bytes。而除去开销后，可容纳的短消息数据长度实际上更小，例如只有140bytes。

　　一般SMS-MT消息在寻呼信道传送时，基站可以直接发送包含短消息的寻呼信道递送消息。移动台监视寻呼信道并在收到消息后，在反向接入信道上发送层2确认消息予以确认。这种方式不需要建立专用信道，占用信道资源较少，信号干扰较小。交互次数很少，延时相对较短。缺点就是各个移动台的信道条件和距离基站远近彼此不同，而寻呼信道采用统一的功率发送，在没有功率控制的情况下，数据的正确性无法保证。而且，当寻呼信道负荷较重时，短消息继续通过寻呼信道发送使系统性能恶化，并导致短消息传送延时增加。

　　(2) SMS-MT消息在业务信道上的发送-已分配的业务信道

　　短消息可以通过前向业务信道传送。在收到消息后，移动台在反向业务信道上发送层2确认消息加以确认。因此，这种传送方式利用了已有的专用信道，几乎不占用控制信道资源，节省了信道资源，减小了信号干扰。交互次数很少又使得传送的时延很小。同时，由于业务信道采用了闭环功率控制，能够较好的保证数据传送的质量。比起通过寻呼信道传送，短消息长度的上限大大增加。但要求发送短消息时移动台处于对业务信道的控制当中，而这个条件并不总是存在。

　　(3) SMS-MT消息在业务信道上的发送-无已分配的业务信道

　　 SMS到一个空闲移动台在业务信道上的发送。当MSC决定发送一条SMS点到点消息到一个空闲移动台，并且短消息很长不适合通过寻呼信道发送，则MSC将选择用一个业务信道来发送。消息传送的总过程如图5，分为接入、数据传送和信道撤消三个过程：MSC发送一个寻呼请求消息，其中的服务选项信息单元中包括短消息服务选项号。此后，BS发送一个寻呼消息给移动台,然后建立MS与BS间的业务信道。信道建立以后，MSC发送一个包含短消息数据的ADDS递送消息给BS。BS将通过前向业务信道把包含短消息的数据突发消息发送给MS。MS在反向业务信道上用层2确认消息加以确认。如果Bearer Reply Option包括在SMS点到点消息中，则BS发送SMS确认消息给MSC。

　　这种传送方式需占用较多的控制信道和业务信道资源，而且产生较大的信号干扰，使系统性能变差。且由于信道建立和释放过程，延时相对很长。但由于业务信道采用了闭环功率控制，能较好的保证数据的正确性。因此这种传送方式适合很长且延时要求不严格的消息。

　　4．空中信道对多媒体消息的支持

　　多媒体消息的内容，如声音、动画、图片等，采用二进制的编码，并且长度一般远远大于目前短消息文本的长度。由于现有SMS标准本身的限制，即使在业务信道上，短消息长度（包括开销）最长只能达到255byte，并且无法识别二进制的编码。

　　增强的消息服务（EMS）可以实现多媒体消息的传送。EMS采用了用户数据头（TP-UDH），其中包含了各种多媒体二进制数据在用户数据块中的位置、属性等格式化信息，因此可以在一个一般的短消息中包含二进制数据，传送多媒体消息。EMS采用了短消息链接机制，链接消息的拆分和拼装一般在移动台实现。在发送端，可以把超长消息拆分为多个正常长度的短消息。每个短消息以TP-UDH开头，TP-UDH中包含了链接短消息参考号（用以区分不同的链接短消息）、链接短消息中的最大短消息数、当前短消息序列号（接收端用此按顺序拼接）等。在接收端，可以根据这些编号信息及发起地址信息、消息中心信息等把多个短消息重新组合起来。最大可以链接255个短消息，按每个消息包含用户数据为140bytes，链接短消息可传送的最大用户数据长度为34.8kbytes。

　　由于多媒体消息一般很长，要利用EMS的拆分拼接功能，使用业务信道来传送。虽然业务信道的建立和释放产生一定的延时，占用一些控制信道资源，但可以避免频繁的接入和寻呼过程，减轻公共控制信道压力，提高接入和寻呼信道的工作效率。同时，由于采用专用信道来传送消息，可以较好的保证消息数据传送的正确性。

----《通信世界》

作者：北京邮电大学无线通信实验室 常耀中、杨大成