關(guān)鍵詞:IP COMA A接口 A1/A2 指配流程
隨著IP協(xié)議在世界范圍內(nèi)的廣泛應(yīng)用以及CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)的飛速發(fā)展,基于IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的CDMA2000系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題日益受到人們的關(guān)注。在設(shè)計(jì)基于IP的CDMA2000系統(tǒng)時(shí),A接口的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。由于系統(tǒng)核心網(wǎng)絡(luò)的全I(xiàn)P化,并引入了控制與業(yè)務(wù)、傳送與接入分離的中交換設(shè)計(jì)思想,在IP上實(shí)現(xiàn)A接口協(xié)議與在傳統(tǒng)電路交換上實(shí)現(xiàn)A接口有所不同,主要是需要設(shè)計(jì)信令與業(yè)務(wù)分離的A接口協(xié)議棧以及信令流、業(yè)務(wù)流在IP承載方式下的傳輸。
1 IP架構(gòu)下的CDMA2000的系統(tǒng)A接口研究
A接口是無(wú)線接入網(wǎng)與核心網(wǎng)之間的接口。在CDMA2000系統(tǒng)中A接口包括:A1/A2、A3/A7、A8/A9和A10/A11等接口,它們滿(mǎn)足3GPP2 IOS4.1規(guī)范。A1/A2接口是CDMA2000系列移動(dòng)交換中心(MSC)與基站控制器(BSC)之間的接口,該接口秉承CDMAOne系統(tǒng)。A1接口用于傳輸MSC與BSC之間的信令信息;A2接口用于傳輸MSC與BSC之間的話(huà)音信息。MSC與BSC之間的A1/A2接口,傳統(tǒng)上稱(chēng)之為A接口,下文中加不特殊聲明A接口即指此接口。
1.1 基于IP的CDMA2000系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
目前CDMA系統(tǒng)模型有很多種,這里結(jié)合一種基于IP架構(gòu)的CDMA2000系統(tǒng)討論A接口的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)采用多種無(wú)線傳輸與接入技術(shù)、IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及軟交換控制技術(shù)等,其核心交換機(jī)制為IP交換機(jī)制,即利用統(tǒng)一的IP交換平臺(tái)在各功能部件間交換信令控制信息和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1(a)。
系統(tǒng)主要?jiǎng)澐譃橐韵聨讉€(gè)模塊:
·無(wú)線接入單元WAU(Wireless Access Unit):完成空中接口物理信道的收發(fā)處理,建立和維護(hù)與無(wú)線終端設(shè)備之間的無(wú)線通道連接。
·無(wú)線接入服務(wù)器WAS(Wireless Access Server):主要完成與WAU之間接口信令的處理和與CS的交互,輔助CS實(shí)現(xiàn)電路型業(yè)務(wù)的無(wú)線資源管理與控制、移動(dòng)性管理和呼叫控制功能。
·呼叫控制服務(wù)器CS(Call Server):主要完成無(wú)線資源和呼叫的控制與管理,實(shí)現(xiàn)中交換中媒體網(wǎng)關(guān)控制器的功能。
·電路媒體網(wǎng)關(guān)CMG(Circuit Media Gateway):實(shí)現(xiàn)連接PSTN、ISDM和PLMN的網(wǎng)關(guān)功能以及話(huà)音壓縮編解碼功能。
·呼叫信令網(wǎng)關(guān)CSG(Call Signaling Gateway):為系統(tǒng)中分布的各種應(yīng)用提供穩(wěn)定、可靠的信令支持。
以及位置寄存器(LR)、分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)網(wǎng)()PDSN、操作維護(hù)中心(OMC)等模塊。
1.2 A接口的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
A接口架構(gòu)如圖1(b)所示,MSC與BSC之間的接口即為文本所研究的A接口,包含信令和用戶(hù)業(yè)務(wù)兩個(gè)子接口,對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)A接口 的A1/A2接口。CS與WAS之間的接口構(gòu)成信令子程序;對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)A接口中的A1接口,用于傳輸MSC與BSC之間的信令消息;WAS業(yè)務(wù)部件與CMG之間 以及兩個(gè)WAS業(yè)務(wù)部件之間構(gòu)成了業(yè)務(wù)子接口,對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)A接口中的A2接口,用于傳輸MSC與BSC之間的語(yǔ)音業(yè)務(wù)信息。電路分配單元CDB在CS與CMG的控制關(guān)系中起輔助作用,負(fù)責(zé)選定路由。
2 基于IP的A接口方案設(shè)計(jì)
2.1 A接口協(xié)議棧設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)電路交換型CDMA系統(tǒng)中A1接口采用3GPP2的IOS4.1版本規(guī)范中規(guī)定的七號(hào)信令SCCP 0類(lèi)和2類(lèi)協(xié)議及MTP等作為低怪傳輸協(xié)議。基于IP的CDMA系統(tǒng)引入中交換思想,呼叫控制與業(yè)務(wù)承載分離。而SCCP信令協(xié)議又無(wú)法分別交換控制和承載的信息,而此需要新的信令系統(tǒng)支持。本系統(tǒng)的A接口采用TCP/IP協(xié)議作為低層傳輸協(xié)議。
協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖2所示。
信令和業(yè)務(wù)子接口協(xié)議棧的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議均采用商售以太網(wǎng)交換機(jī)上的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。傳輸層采用本系統(tǒng)的專(zhuān)利技術(shù):RUDP協(xié)議代替了傳統(tǒng)的七號(hào)信令SCCP。信令子 接口應(yīng)用層內(nèi)容基本對(duì)應(yīng)3GPP2的IOS4.1版本規(guī)范A1接口中的基站管理應(yīng)用部分(BSMAP)和直接傳遞應(yīng)用部分(DTAP);業(yè)務(wù)子接口應(yīng)用層內(nèi)容以媒體數(shù)據(jù)為主。
RUDP協(xié)議是“Reliable UDP”的簡(jiǎn)稱(chēng),是一種自定義的、為UDP引入可靠傳輸機(jī)制的簡(jiǎn)化協(xié)議。它兼顧有TCP的可靠性與UDP的高效性,是本系統(tǒng)可靠傳輸所采用的協(xié)議。RUDP的基本思想是在UDP包頭內(nèi)加入兩個(gè)字節(jié)的協(xié)議頭,即一個(gè)字節(jié)的前向序號(hào)和一個(gè)字節(jié)的后向序號(hào)。圍繞這兩個(gè)字節(jié)的協(xié)議頭,RUDP協(xié)議采用了一個(gè)套證實(shí)機(jī)制、重發(fā)機(jī)制、序號(hào)對(duì)齊機(jī)制分別保證了RUDP通信的可靠性、高效性和數(shù)據(jù)流的有序性。RUDP協(xié)議技術(shù)保證了系統(tǒng)內(nèi)信令和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸性能要求。
2.2 信令子接口設(shè)計(jì)
2.2.1 信令連接建立方式
(1)傳統(tǒng)的信令連接建立方式
傳統(tǒng)CDMA系統(tǒng)A1接口信令采用了七號(hào)信令SCCP的0類(lèi)基本無(wú)連接業(yè)務(wù)和2類(lèi)基本有連接業(yè)務(wù)。SCCP通過(guò)E1接口傳輸信令消息建立信令連接。E1接口即一個(gè)PCM中繼電路,可以同時(shí)容納32時(shí)隙×64kbps的語(yǔ)音數(shù)據(jù)。在32個(gè)時(shí)隙中,第0時(shí)隙被用作幀同步信息,第16時(shí)隙作為SCCP的信令通道,其余30個(gè)時(shí)隙被用作語(yǔ)音時(shí)隙被作用語(yǔ)音通道。這樣,第16時(shí)隙就被信令消息全時(shí)獨(dú)占,無(wú)論該時(shí)隙空閑與否,均不允許其它消息(語(yǔ)音消息)使用,造成了資源浪費(fèi)。
(2)IP架構(gòu)下的信令連接建立方式
由于協(xié)議棧采用了TCP/IP傳輸協(xié)議,因此在設(shè)計(jì)A1接口信令連接方式時(shí)取消了基于無(wú)連接方式的應(yīng)用,所有信令均基于有連接方式傳送。
在A1接口上以目的設(shè)備ID(D_DID)、目的處理ID(D_CID)和源設(shè)備ID(S_DID)、源處理ID(S_CID)組成的四元組唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)信令連接。信令連接以一次握手的機(jī)制建立。連接建立方首先發(fā)送源處理ID為空的連接起始建立消息,接收方進(jìn)行處理后回送的第一條消息為本次處理申請(qǐng)的處理ID,雙方連接建立完成。所有信令均基于有連接方式傳送,連接建立的流程如圖3所示。
實(shí)體1與實(shí)體2之間由實(shí)體1發(fā)起一個(gè)基于連接的處理流程,實(shí)體1首先申請(qǐng)?zhí)幚鞩D,在始發(fā)消息的信件頭D_DID中填對(duì)端實(shí)體2的設(shè)備ID,D_CID填空。S_DID填實(shí)體1的設(shè)備ID,S_CID填本地處理ID。
實(shí)體2收到D_CID為空的始發(fā)消息,確認(rèn)可以處理后申請(qǐng)?zhí)幚鞩D,向?qū)Ψ桨l(fā)送后續(xù)處理消息,消息中D_DID、D_CID置對(duì)方DID和CID,S_DID、S_CID置本身DID和CID。至此雙方信令連接成功。
2.2.2 消息及消息元素
繼承了標(biāo)準(zhǔn)BASP協(xié)議中定義的大部分消息和消息元素,并結(jié)合IP網(wǎng)絡(luò)特性增加、刪除了部分消息和消息元素。
(1)由于A2接口上用戶(hù)業(yè)務(wù)基于IP傳輸,完全取消了A2接口電路的概念,因此刪除所有地面電路管理類(lèi)消息和電路識(shí)別碼CIC等消息元素;因簡(jiǎn)化了清除流程,而刪除呼叫處理類(lèi)的清除請(qǐng)求消息;
(2)增加兩條用于呼叫建立的新消息。
放語(yǔ)音通知:由CS發(fā)向WAS,用于向移動(dòng)臺(tái)播放輔助語(yǔ)音;
開(kāi)始語(yǔ)音業(yè)務(wù):由CS發(fā)向WAS,用于向WAS通知呼叫對(duì)端的業(yè)務(wù)端口地址,開(kāi)始接入通話(huà)狀態(tài)。
2.2.3 A1接口上的呼叫處理流程
以移動(dòng)中(MS)始發(fā)語(yǔ)音呼叫為例介紹呼叫建立流程,并以BSC側(cè)發(fā)起為例介紹了呼叫清除流程。
(1)MS始發(fā)語(yǔ)音呼叫建立流程
流程建立如圖4(a)所示。
a.MS發(fā)送語(yǔ)音呼叫,WAS收到控制信道上傳來(lái)的始發(fā)消息,選定某個(gè)CS,發(fā)送連接管理CM(Connection Management)業(yè)務(wù)請(qǐng)求消息;
b.CS收到CM業(yè)務(wù)請(qǐng)求消息,確定能夠處理,申請(qǐng)?zhí)幚鞩D后向WAS發(fā)送連接確認(rèn)消息,建立IP虛連接;
c.CS根據(jù)WAS建立的業(yè)務(wù)選項(xiàng),發(fā)送指配請(qǐng)示消息,請(qǐng)求WAS為MS指配無(wú)線業(yè)務(wù)信道;
d.WAS指示W(wǎng)AU和MS交互,完成無(wú)線業(yè)務(wù)信道指配,向CS發(fā)送指配完成消息,等待CS進(jìn)行后續(xù)呼叫處理;
e.CS進(jìn)行呼叫接續(xù),發(fā)現(xiàn)被叫為本局MS,進(jìn)行尋呼被叫流程,在被叫開(kāi)始振鈴后,向WAS發(fā)送放語(yǔ)音通知,指示W(wǎng)AS通過(guò)帶內(nèi)音向主叫MS播放回鈴音,提醒主叫MS等待被叫摘機(jī);
f.CF收到被叫MS的應(yīng)答指示,向WAS發(fā)送“開(kāi)始語(yǔ)音業(yè)務(wù)”消息,通知被叫MS的業(yè)務(wù)端口,WAS收到后,建立業(yè)務(wù)鏈路IP虛鏈妝,開(kāi)始交互語(yǔ)音數(shù)據(jù)包,主被叫雙方進(jìn)入通話(huà)狀態(tài)。
在步驟e中如果CS進(jìn)行呼叫連續(xù)時(shí)發(fā)現(xiàn)被叫為外局MS或外網(wǎng)終端,則先通過(guò)CMG申請(qǐng)出局中繼電路,將WAS端口與出局電路連接,然后直接向WAS發(fā)送“開(kāi)始語(yǔ)音業(yè)務(wù)”消息,通告出局電路的業(yè)務(wù)端口。WAS收到后,與出局電路業(yè)務(wù)端口建立虛連接,后續(xù)呼叫處理提示信息(如回鈴音等)由出局電路通過(guò)業(yè)務(wù)鏈路由帶內(nèi)音主叫MS提供。
(2)BSC側(cè)發(fā)起的呼叫清除流程
標(biāo)準(zhǔn)A接口協(xié)議中,無(wú)論是哪一側(cè)發(fā)起的呼叫清除,都只能由MSC向BSC發(fā)送清除命令。如果是BSC側(cè)發(fā)起的呼叫清除,則BSC必須先向MSC發(fā)送清除請(qǐng)求消息,再由MSC通過(guò)發(fā)送清除命令指令BSC釋放相關(guān)專(zhuān)用資源(如地面電路)。
在IP架構(gòu)下,已取消了地面電路概念,因此對(duì)呼叫清除流程進(jìn)行了簡(jiǎn)化,取消了清除請(qǐng)求消息,BSC側(cè)可以直接向MSC發(fā)送清除命令。
BSC側(cè)發(fā)起的清除流程如圖4(b)所示。
a.WAS收到移動(dòng)臺(tái)發(fā)來(lái)的釋放指示或由于其他原因,首先釋放本次呼叫相關(guān)資源,然后向CS發(fā)送清除命令,指示CS清除本次呼叫;
b.CS收到WAS發(fā)來(lái)的清除命令,釋放本次呼叫相關(guān)資源后,向WAS發(fā)送清除完成消息,同時(shí)釋放處理ID。WAS收到清除完成后也釋放處理ID,完整整個(gè)信令連接的釋放。
2.3 業(yè)務(wù)子接口設(shè)計(jì)
2.3.1 IP包交換方式
因核心網(wǎng)絡(luò)基于IP架構(gòu),故業(yè)務(wù)子接口采用IP包交換方式傳輸業(yè)務(wù)流。IP包交換基于IP包格式的分組交換,是一種非面向連接或無(wú)連接的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式。各種語(yǔ)音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)都采用IP包的格式,使用統(tǒng)一的以太網(wǎng)接口及協(xié)議,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換完成傳輸。它可實(shí)現(xiàn)多種速率的交換,能靈活支持帶寬不同的多種業(yè)務(wù),并且只在發(fā)送時(shí)才占用網(wǎng)絡(luò)資源,網(wǎng)絡(luò)資源可由各個(gè)業(yè)務(wù)共享。
2.3.2 IP包交換下的業(yè)務(wù)流控制模型
業(yè)務(wù)子接口的資源實(shí)體包含WAS業(yè)務(wù)部件和CMG。WAS業(yè)務(wù)部件的業(yè)務(wù)端子稱(chēng)為WAS端口,它可以輸入輸出IP包媒體流,完成無(wú)線接入網(wǎng)與核心網(wǎng)業(yè)務(wù)流的交互。CMG包括兩種業(yè)務(wù)端子:中繼端口和聲碼器。中繼端口完成PCM語(yǔ)音流的輸入輸出。聲碼器完成PCM流和IP包媒體流的轉(zhuǎn)換。這三種業(yè)務(wù)端子的不同組合衍生出不同的業(yè)務(wù)流控制模型,完成用戶(hù)業(yè)務(wù)流在業(yè)務(wù)子接口上的傳輸。
(1)WAS與WAS相同聲碼器編碼類(lèi)型
主被叫雙方位同一局且雙方聲碼器類(lèi)型相同時(shí),呼叫一方產(chǎn)生的業(yè)務(wù)包可以不經(jīng)CMG進(jìn)行編碼類(lèi)型轉(zhuǎn)化而直接通過(guò)內(nèi)部IP網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到另一方。雙方業(yè)務(wù)端口均為WAS業(yè)務(wù)端口。
(2)WAS與WAS不同聲碼器編碼類(lèi)型
主被叫雙方位于同一局但雙方聲碼器類(lèi)型不同時(shí),呼叫一方產(chǎn)生的業(yè)務(wù)包括必須經(jīng)本端聲碼器轉(zhuǎn)換為PCM語(yǔ)音流,再通過(guò)將兩端聲碼器的PCM出口對(duì)接形成的IP隧道輸入到對(duì)端聲碼器中;對(duì)端聲碼器將PCM語(yǔ)音流轉(zhuǎn)化為IP包,再經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)發(fā)往另一方的WAS端口。
(3)WAS與中繼端品
主被叫雙方位不同局且其中一方的業(yè)務(wù)端口為中繼端口,或一方為漫游用戶(hù)、另一方的業(yè)務(wù)端口為中繼端口時(shí),需要一個(gè)聲碼器來(lái)完成IP與PCM語(yǔ)音流的轉(zhuǎn)化,且此聲碼器與中繼電路須處于同一CMG中。
(4)中斷端口屬于相同CMG
呼叫雙方的業(yè)務(wù)端口皆為中斷端口并且屬于同一CMG時(shí),將兩中斷端口的PCM出口對(duì)接即可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)交互。
(5)中繼端口分屬不同CMG
呼叫雙方的業(yè)務(wù)端口皆為中繼端口但不屬于同一CMG時(shí),雙方需要在各自中繼端口所屬CMG上申請(qǐng)一個(gè)聲碼器以完成PCM語(yǔ)音流與IP包的相互轉(zhuǎn)化。一方發(fā)出的PCM語(yǔ)音流經(jīng)聲碼器轉(zhuǎn)化為IP語(yǔ)音包,進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)交換一到達(dá)另一方所屬CMG的相應(yīng)聲碼器,再轉(zhuǎn)換為PCM語(yǔ)音流通過(guò)中繼端口發(fā)送出去,反之亦然。
通過(guò)對(duì)以上各種模型的分析可知,在無(wú)線IP環(huán)境下實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端之間的話(huà)音業(yè)務(wù)時(shí),業(yè)務(wù)流在A接口上無(wú)需經(jīng)過(guò)編碼類(lèi)型轉(zhuǎn)換而以IP包方式直接交互,節(jié)約了聲碼器資源,避免了標(biāo)準(zhǔn)A2接口上固定的聲碼器-中繼-聲碼器連接模式中的兩次編解碼變化對(duì)語(yǔ)音質(zhì)量的損失,從而提高了業(yè)務(wù)質(zhì)量。
3 指配流程的改進(jìn)
(1)標(biāo)準(zhǔn)指配流程描述
如上所述,在設(shè)計(jì)A接口協(xié)議流程時(shí),繼承了標(biāo)準(zhǔn)流程中的指配流程:即收到CM業(yè)務(wù)請(qǐng)求或?qū)ず繇憫?yīng)時(shí),WAS并不立即與MS建立無(wú)線業(yè)務(wù)信道,而是收到CS的指配請(qǐng)示消息后,WAS才開(kāi)始與MS交互交開(kāi)始建立無(wú)線業(yè)務(wù)信道。
(2)弊端
在測(cè)試過(guò)程中,WAS從收到MS初始信道到收到CS的指配請(qǐng)求最多可能需要6s。而CDMA無(wú)線環(huán)境是高時(shí)變系統(tǒng),每時(shí)每刻都可能因?yàn)镸S的移動(dòng)或周邊環(huán)境的變化引起無(wú)線環(huán)境的變化。這樣當(dāng)WAS收到CS指配請(qǐng)求、開(kāi)始在MS始發(fā)消息帶來(lái)的無(wú)線環(huán)境參數(shù)指導(dǎo)下建立業(yè)務(wù)信道時(shí),以前的測(cè)量參數(shù)已不完全適合現(xiàn)在的無(wú)線環(huán)境,這樣基站要俘獲MS只有加大功率反復(fù)搜索,對(duì)設(shè)備資源和系統(tǒng)容量都有很大的負(fù)面影響,同時(shí)系統(tǒng)呼損率較高。
(3)改進(jìn)
鑒于上面的分析,對(duì)指配流程進(jìn)行改進(jìn):在不支持加密業(yè)務(wù)的前提下,把業(yè)務(wù)信道建立的時(shí)機(jī)提前,即只要WAS收到MS的始發(fā)消息,就開(kāi)始俘獲MS建立業(yè)務(wù)信道;待業(yè)務(wù)信道成功建立后,WAS再向CS發(fā)送A1接口呼叫建立消息,這樣MS就不會(huì)在業(yè)務(wù)信道建立前的間隙逃脫。實(shí)踐證明以上流程的修改顯著降低了系統(tǒng)的呼損率。
(4)進(jìn)一步研究
指配流程在標(biāo)準(zhǔn)接口中有兩個(gè)作用:指配地面電路、指配無(wú)線信道。基于IP的CDMA2000系統(tǒng)取消了地面電路,如果把無(wú)線信道的分配提前,則指配流程就完全失去了意義,因此提出了取消指配流程的提膠分配流程方案。
以MS始發(fā)語(yǔ)音呼叫建立流程為例,對(duì)這兩種實(shí)現(xiàn)方式做對(duì)比,如圖5所示。
在基于IP架構(gòu)的CDMA系統(tǒng)中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)A接口協(xié)議是一項(xiàng)創(chuàng)新性的工作,目前國(guó)際、國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)組織和研究機(jī)構(gòu)只有一些概念性的要求,尚無(wú)具體規(guī)范。因此,本文在這方面的工作具有一定的開(kāi)拓價(jià)值。與傳統(tǒng)的移動(dòng)通信系統(tǒng)相比,基于IP架構(gòu)的CDMA系統(tǒng)A接口協(xié)議設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了信令流程,提高了業(yè)務(wù)質(zhì)量,符合未來(lái)移動(dòng)通信全I(xiàn)P化的發(fā)展趨勢(shì)。目前本系統(tǒng)的A接口研發(fā)成果已通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試,運(yùn)行狀況良好,表明A接口設(shè)計(jì)方案的正確性。
評(píng)論
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