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两种提高UMTS系统语音QoS的方法研究与实现

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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。

关键词:TFO;TrFO;UMTS;无二次编解码

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.

作者:白雪飞,黄本雄(华中科技大学电信系 湖北 武汉 4 来源:现代电子技术

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