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摘 要：本文首先介绍了应用于CDMA系统的声码器，然后结合一种基于IP的CDMA2000系统，描述了语音传输与控制流程，并讨论了在各种业务流控制模型中声码器的管理方法，说明该系统节约了声码器资源、简化了信令流程并提高了业务质量。
关键词：CDMA；声码器；IP；控制方法
一、前言
IP化是移动通信网络发展的必然趋势。在利用IP网络传输语音业务的过程中，移动IP网络要支持灵活的声码器配置和转换功能，包括支持多种声码器、支持不同声码器类型语音包之间的转换，并支持以灵活的方式配置声码器，以便运营商根据需要将声码器配置在网络中最需要和最经济的地方。与传统移动通信系统结构相比，基于IP的CDMA系统的突出优点之一就是节约声码器资源并提高了业务质量。
二、CDMA系统中的声码器
在第三代移动通信系统中，WCDMA使用自适应多速率（AMR）声码器来传送话音，该声码器包括8种不同的声码器速率。因为WCDMA是针对GSM系统而设计的，这种声码器在传输速率的选择上有所限制，通常AMR语音活动因素大约为0.67，所以AMR声码器对CDMA的环境并非完全合适。因此R5要引入新的宽带多速率（WB-AMR）声码器来进一步改善话音质量。
为提高系统的容量，同时又兼顾话音质量，CDMA2000移动通信系统采用3种话音压缩编码标准来实现移动终端的话音编解码处理：EVRC（IS-127）、8K QCELP（IS-96）和13K QCELP（IS-733）。EVRC声码器的语音活动因素只有0.4左右，可使话音质量大幅度的提高，基本达到有线电话的水平。Qualcomm码激励线性预测（QCELP）话音编译码器包括8 kbps和13 kbps的标准。QCELP声码器采用全双工工作方式和可变数据压缩比率以及话音激活检测技术，在话音间隙期，根据不同的信噪比背景分别选择1、1/2、1/4或1/8传输速率，可以使平均速率比最高速率下降2倍以上。CDMA还使用了确定声码器速率的自适应门限，自适应门限根据背景音噪声电平的变化改变声码器的数据速率，这些门限的使用压制了背景音噪声，因而在噪声环境下也能提供清晰的话音。另外，3GPP2已经选用了一种新的声码器可变模式的声码器。与EVRC比较，这种声码器能提供与EVRC相同的或更好的语音质量，同时可使语音容量最多可以增加75%。
三、基于IP的CDMA2000系统体系结构
目前CDMA移动通信系统模型有很多种，这里结合一种基于Intranet结构的CDMA2000无线通信网络系统讨论声码器的管理方法。本系统综合采用了多种无线传输与接入技术、IP网络技术以及软交换控制等技术，其核心交换机制为IP交换机制，即利用统一的IP交换平台在各功能部件间交换信令控制信息和业务数据信息。系统结构如图1所示。
本系统各功能实体的划分和接口定义参照3GPP2的有关功能划分和接口定义，并根据需要作适当的调整和改动，主要包含下列基本组成：
(1)无线接入单元WAU（Wireless Access Unit）：完成空中接口物理信道的收发处理，建立和维护与无线终端设备之间的无线通道连接。
(2)无线接入服务器WAS（Wireless Access Server）：主要完成与WAU之间接口信令的处理和与CS的交互，辅助CS实现电路型业务的无线资源管理与控制、移动性管理和呼叫控制功能。
(3)呼叫控制服务器CS（Call Server）：主要完成呼叫控制和对各种资源的管理，实现软交换中媒体网关控制器的功能。
(4)电路媒体网关CMG（Circuit Media Gateway）：实现连接PSTN、ISDN和PLMN的网关功能以及话音压缩编解码功能。
(5)七号信令网关CSG（Call Signaling Gateway）：为系统中分布的各种应用提供稳定、可靠的信令支持。
(6)位置寄存器（LR）：实现VLR和 HLR的数据库和鉴权AC功能，用于管理移动用户。
(7)分组数据业务网（PDSN）：主要实现移动IP业务。
(8)操作维护中心（OMC）：实现配置、性能、故障、帐务和安全等管理。
声码器子系统隶属于电路媒体网关CMG，并由CS在控制层面对CMG上的声码器资源进行分配和管理。CMG主要通过对语音编译码器、回声抑制器、双音收发码器、会议部件等的控制，完成话音压缩编解码处理和电路连接指配，实现移动终端和PSTN用户以及不同声码器类型的移动终端之间的基本话音业务。
四、语音传输与控制流程
传统移动通信系统中，声码器在功能上被合成到 BSS，通过BSS直接控制声码器，有时为了节省MSC内的电路资源也将声码器实体配置在MSC侧，但功能上仍由BSS控制。在实现移动终端之间的话音业务时，系统需要将用户的话音数据在BSC上通过声码器进行码型变换,并通过MSC 转发至对端的BSC，在空中接口发送话音帧之前，对端声码器重新将编码后的话音解码。完成一次通话一般需要使用2个声码器，而且通话过程中，话音经过了2次声码器处理后才传送到接收者，大大降低了话音质量。
对于移动到移动且声码器类型相同的情况，在3GPP2所制定的应用于CDMA2000的标准的A接口规范中，采用了前后转换免除操作（Tandem Free Operation,TFO），TFO可以通过旁路选择分配单元(Selection/Distribution Unit,SDU)来避免两次声码器的转换。此时，始发端BSC 收到的话音帧不在SDU 中进行码型变换，而是由SDU转换成相应的MSC/BS 信令格式（例如，速率与64K DS0 时隙适配，但不编码），以便通过MSC 传送。对端的MSC 将经过格式转换的话音转发至相应的SDU，再由SDU 将其还原成相应的格式，通过BSC发送给移动台。3GPP也采用了类似的TrFO（Transcoder Free Operation）来避免二次编解码。这种通过信令格式传递语音包的方式虽然可以减少声码器的使用，但在一定程度上增加了信令连接的负荷和复杂度。
在本系统中，声码器配置在MSC一侧，隶属于CMG子系统，由CS控制。在呼叫控制过程中，由CS控制呼叫信令，建立WAS与WAS之间的承载路由，在WAS之间通过内部的IP网络传递话音数据包，不需要码型变换，节约了声码器资源和电路交换资源，并且简化了信令连接（如图2所示）。
五、业务流控制模型
本系统中语音业务的传输主要由无线接入单元WAU、无线接入服务器WAS和电路媒体网关CMG承载。WAS业务部件的业务端子称之为WAS端口，它可以输入输出基于IP包的媒体流，完成无线接入网和核心网业务流的交互。在本系统中WAS端口支持３种媒体流编码算法：EVRC、QCELP 8K、QCELP 13K。CMG包括２种业务端子：中继端口和声码器。中继端口可以完成基于E1传输的PCM流输入输出功能。声码器为一转换器，可以完成PCM流和IP包媒体流的转换，声码器也支持上面提到的三种编码算法。这三种业务端子的不同组合衍生出不同的业务流控制模型，完成不同接续下的用户业务流在A接口业务子接口上的传输。下面对不同情况下的业务流控制模型一一列举并简单分析描述：
（1) WAS与WAS，相同声码器编码类型
当语音主被叫双方都处于本局内部且双方声码器类型相同时，呼叫一方产生的业务包可以不经CMG进行编码类型转化而是通过系统内部的IP网直接发送到呼叫另一方。此时双方业务端口都为WAS业务端口类型，不需要声码器。
（2) WAS与WAS，不同声码器编码类型
当语音主被叫双方都处于本局内部但双方声码器类型不同时，呼叫一方产生的业务包必须经由CMG根据呼叫另一方的声码器类型进行编码类型转化，然后才能转发到呼叫另一方。在这个过程中，需要为主被叫双方（在同一个CMG上）各申请一个和它类型匹配的声码器，然后将两个声码器的PCM出口对接起来形成一个IP隧道，这样由一端发出的语音包须经本端声码器转换为PCM语音流输入到另一个声码器中，然后此声码器将PCM语音流转化为IP包经由网络发往呼叫另一端的WAS端口。
(3) WAS与中继端口
当本局移动台和外网（PLMN/PSTN）终端进行语音呼叫，或呼叫另一方为漫游到外局的移动台时，呼叫另一方的业务端口为一标准的中继端口即64kPCM语音流。这种情况下需要一个声码器来完成IP和PCM语音流的转化，且此声码器和中继电路须处于同一CMG实体中。
(4) 中继端口与中继端口，且属于相同CMG
当本系统MSC做汇接局使用发生呼叫，或外网终端呼叫本网外局漫游移动台须经此MSC呼叫接续时，呼叫双方的业务端口皆为中继端口。如果此两中继端口处于同一CMG实体中，只需将两中继端口的PCM出口对接即可实现业务交互。
(5) 中继端口与中继端口，且分属不同CMG
当本系统MSC做汇接局使用发生呼叫，或外网终端呼叫本网外局漫游移动台须经此MSC呼叫接续时，呼叫双方的业务端口皆为中继端口，但呼叫双方的两个中继端口不属于同一CMG时，业务包须经网络交换才能进行交互。此时呼叫双方需要在各自中继端口所属CMG上申请一个声码器以完成PCM语音流和IP语音包的相互转化。在这个过程中，从一端发出的PCM语音流须经声码器转化为IP语音包进行网络交换后到达另一端所属CMG的相应声码器，然后再转换为PCM语音流通过中继端口发送出去。
通过对以上各种模型的分析可知，移动终端之间的话音业务时，业务流在A接口上无需经过编码类型转换而直接交互，节约了声码器资源，避免了标准A2接口上固定的声码器－中继－声码器连接模式中两次编解码变化对语音质量的损失，从而提高了业务质量。对于中继汇接的情况，应优先在入中继所在CMG上选择出中继电路，这样只需将相应中继端口进行连接，而不需要申请声码器，从而可以减少两个声码器的使用。
六、结束语
在移动骨干网络中引入IP传输技术，从利用IP传输数据业务过渡到利用IP传输包括语音业务在内的所有用户业务，最后将过渡到终端到终端之间的全IP网络，是移动通信发展的必然趋势。与传统的移动通信系统相比，基于IP的CDMA通信系统能够节省声码器资源，简化信令流程，提高业务质量，并且符合未来移动通信全IP化的发展趋势。
参考文献
［1］Abdi R Modarressi. Control and Management in Next-Generation Networks: Challenges and Opportunities［J］.IEEE Communications Magazine, October 2000:94~102.
［2］3GPP2 A.S0001-A v2.0, 3GPP2 Access Network Interface Interoperability Sepcification［S］.
［3］3GPP2 A.S0004-B v2.0, CDMA Tandem Free Operation［S］.
［4］3GPP2 A.S0014-A v2.0.1, Interoperability Specification (IOS) for cdma2000 Access Network Interfaces - Part4 (A1, A2 and A5 Interfaces) ［S］.
［5］3GPP TR 25.953 V4.0.0, Transcoder Free Operation［S］.
作者：王洪建，汤红波，季新生
（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，河南 郑州450002）
