3G中的编解码协商技术

3G中的编解码协商技术 2006-10-12 编解码协商操作旨在避免传统上移动台(MS)呼叫MS(基于GSM系统)、MS呼叫用户设备(UE)(基于GSM/3G系统)或UE呼叫UE(基于3G系统)的通话过程中要做的两次语音编解码。在UE呼UE的情况下话音信号首先在起始UE中进行编码并发送到空中接口，在本端码型变换器中解码成64 kb/s的G.711 A律或μ律脉冲调制编码(PCM)语音格式并在固定网络中传送，对端码型变换器将PCM信号重新作一次编码，通过空中接口传送到对端UE，最后由对端UE解码得到重建后的话音。整个过程如图1所示。在这种呼叫情况下，两对语音编码/解码器处于二次语音编解码级连操作(TO)。在TO下话音信号作了两次编码和解码，导致语音质量变差，尤其在低速率通信情况下质量变化更是明显。

如果本端UE和对端UE使用同样的编解码，如图2所示，话音信号就能在编码域从本端UE透明传输到对端UE，而不用激活本端和远端网络中的码型变换功能。

编解码协商具有如下优点：  避免网络内做二次语音编解码，提高语音质量。

 协商后采用压缩的编解码，从而节省链路资源。

 码型变换单元不用再执行码型变换功能，故可节省处理能力。

 可以减少端到端的传输时延。

目前主要的编解码协商技术有3种：一种是呼叫建立过程中通过带外呼叫控制信令对语音编解码方式进行协商的无码型变换器操作(TrFO)呼叫，另一种是带内的编解码协商协议无二次编解码操作(TFO)，还有一种是3G核心网络和下一代网络(NGN)核心网络进行互连互通时，NGN网络的关口局通过审计网络质量的方法来优选编解码。 1 TrFO技术 TrFO呼叫是一种呼叫建立过程中通过带外呼叫控制信令(OoBTC)对语音编解码方式进行协商的技术。TrFO呼叫因为不需要插入语音编解码器，所以可以提高话音质量，节约编解码器资源，并且在分组核心网中可以节约网络带宽(因为话音是以自适应多速率编码(AMR)后的速率而不是64 kb/s速率在核心网中传输)，另外编解码协商在承载建立之前完成，可以保证呼叫使用适当的承载资源。 1.1 TrFO机制描述 文献[1]指出当两个或更多呼叫控制节点协商已统一传输的编解码时，TrFO机制将会被优先选取，具体流程如下：

 源呼叫控制节点发送其网关支持的编解码列表，该列表中各编解码已按其优先级进行了排序。

 转接呼叫控制节点分析编解码列表，从中删除自身不支持的编解码，并将其继续向前传送。但对编解码

的优先级不进行改变。  终结呼叫控制节点分析编解码列表，从中删除自身不支持的编解码，并从中选取最高优先级的编解码。

图3是在R4体系中通用移动通信系统(UMTS)到UMTS进行TrFO连接的一个呼叫模型，当然中间可能存在许多转接节点。一般编解码协商会发生在呼叫建立阶段，当然在呼叫过程中也可能会由于切换或者重定位等原因而再次发起编解码的修改。

1.2 BICC呼叫建立过程中的编解码协商 图4描述的是承载无关呼叫控制(BICC)呼叫建立的一个简单信令流程。由图4可看出编解码协商在承载建立之前进行，因此可选出最适合本次呼叫的承载资源。文献[2]中建议源移动交换中心(O-MSC)在发送初始地址消息(IAM)时开始编解码协商，将支持的编解码列表发给转接节点。转接节点将丢弃不支持的编解码类型后再发送。终移动交换中心(T-MSC)将优选的编解码连同最终的编解码列表通过应用传送消息(APM)带回给源移动交换中心(O-MSC)。 1.3 对媒体网关的控制 TrFO呼叫使端到端(如无线网络控制器(RNC)到RNC或者RNC到其他压缩语音终端)的全程通信都使用压缩的语音流，文献[3-4]中详细说明了核心网中Nb接口和Iu接口关于压缩语音帧传输的流程。若要用户面支持编解码协商，必须使其工作在支持模式下。

对于TrFO呼叫，RNC和媒体网关(MGW)必须支持至少一种具有TrFO能力的用户面版本，也就是Iu接口和Nb接口必须都支持用户面版本2。如果RNC只支持用户面版本1而没有TrFO能力，移动交换中心服务器就必须在RNC和MGW之间插入码形变换器(TC)。 当然，不是RNC和MGW物理上支持版本2就行了，还要移动交换中心服务器在向RNC请求无线接入承载(RAB指派)和向MGW请求建立终端(ADD请求)中指明使用该版本，因为在用户面初始化帧协商过程中，需要带上移动交换中心服务器在RAB指派/ADD请求中指明的版本信息与其他MGW/RNC协商，以选择共同支持的版本信息。

用户面的初始化方向永远是前向的，它与承载的建立方向没有任何联系。当用户面需要初始化时，只有当承载已建并且用户面初始化完成后才向移动交换中心服务器发通告(Notify)消息告知用户面承载已准备完成。而移动交换中心服务器中的导通消息(COT)则只有在收到Notify消息和前向送来的COT消息后才会向后发送。

1.4 TrFO实现后的用户面数据流 对于同一MGW内部的TrFO呼叫，其用户数据流向如图5蓝线所示。通过接口板接入的Iu接口用户数据，经过ATM适配层2(AAL2)适配(对于ATM承载)或实时传送协议/实时传送控制协议(RTP/RTCP)处理(对于IP承载)，再依据转发表送到某个Iu接口用户面(IuUP)实例进行上行处理，然后送到对端用户对应的IuUP实例进行下行处理，最后通过Iu接口板处理并送到Iu接口上。整个流程无需经过AMR编解码和时分复用(TDM)交换。 对于不同MGW之间的TrFO呼叫，其用户数据流向如图5黄线所示。在一个MGW上，通过接口板接入的Iu接口用户数据，经过AAL2适配(对于ATM承载)或RTP/RTCP处理(对于IP承载)，再依据转发表送到某个Iu接口的IuUP实例进行上行处理，然后送到Nb接口对应的Nb接口用户面(NbUP)实例进行下行处理，最后通过Nb接口板处理并送到Nb接口上。在另一个MGW上，通过Nb接口接入的用户数据在接口板上完成AAL2或RTP/RTCP后，送到相应的NbUP实例进行上行处理，然后送到相应的IuUP实例进行下行处理，最后送到Iu接口板处理，并最终发到Iu接口上。整个流程无需经过AMR编解码和TDM交换。

从图5可清楚地看出TrFO呼叫的优势，由于RNC的编解码类型、编解码速率集完全一致，因此在核心网侧不需要进行编解码，只需要透传用户面数据包。

2 TFO技术 TrFO是呼叫建立过程中优选的一种机制，它尝试去建立UE到UE的无需使用码形变换器(TC)的连接，如果成功，将无需使用TC，并且能够最有效地使用带宽。但是并非所有情况都能使用TrFO技术，当中间出现TDM承载或者必须与2G系统的用户通信时，将不得不加入TC，而TFO作为TrFO的备用技术这时将发挥作用。 TFO是一种带内的编解码协商协议。TFO在呼叫建立之后在两个语音编解码器之间进行编解码协商，协商成功后发送方的解码器和接收方的编码器被旁路，直接将空中接口中使用的话音帧覆盖在G.711帧上传送给接收方。因为用户面码流不再需要通过语音编解码器的压缩、解压缩处理，可以改善话音质量。TFO在标准的64 kb/s链路的基础上，提取一定数量的比特，组成子信道，用来传输TFO信令和话音帧。

2.1 TFO的基本原理 在TFO建立之前，TC之间传输64 kb/s的脉冲编码调制(PCM)话音信息。利用每16个语音样点提取一个最低位(相当于一个0.5 kb/s的通道)来传递TC之间协商的控制信息。TC之间交换TFO消息来进行TFO协商。一旦发现两端编解码器类型和配置相匹配，TC将自动激活TFO。TFO建立后，TC利用每个话音样点的最低位(相当于8 kb/s的通道)或最低两位(相当于16 kb/s的通道)来传输携带压缩语音的TFO帧。为了避免TFO帧与PCM帧转换时对语音质量和延时的影响，PCM语音样点(非压缩格式)的高6位或高7位仍然保持不变并发送到对端。在呼叫建立以后，TC单元通过处理TFO协议来完成TFO的建立，所以TC单元不可以被旁路，这也是TFO与TrFO的最主要区别。

2.2 TFO的实现步骤 文献[5]中详细地描述了TFO处理的全过程，步骤如下： (1)路径内设备的预同步 当本端的TC收到或发送语音帧，并且TFO已被激活，则TC会发TFO_FILL消息预同步路径内设备(IPE)，使得IPE能够确保TFO带内信令的透明传输，不会将其作为语音信号进行放大。当然对端也会同时预同步IPE。 (2)TFO协商 当对端也支持TFO功能，并且IPE被预同步通路能够透明地传输时，TFO协商开始了。两端的TC会同时发TFO_REQ消息，将自身已激活的编解码列表(ACL)和自身的标识符带给对端，若对端的ACL与其有交集，则会回发TFO_ACK消息，否则编解码不匹配的处理方案将会被启动。 (3)编解码不匹配方案 当两端TC激活的编解码列表(ACL)没有交集但是支持的编解码列表(SCL)有交集时，会发起此过程。通过TFO_REQ_L消息和TFO_ACK_L消息交互选出公共的编解码列表和选择的编解码，然后告知移动交换中心服务器。各端服务器根据重新确定的编解码列表和选择的编解码重新发起编解码修改，以使全程的编解码统一。由于这个过程需要交互很多的信令消息，多数情况下可能难以支持此功能。当没有公共的ACL时，很多时候会选择放弃TFO。 (4)TFO的建立 当协商完毕，TC会发送TFO_TRANS消息告知对端，这时两个TC间将开始传送压缩的语音流，带宽仍是不变的。 (5)编解码的优化 在TFO呼叫建立以后，有可能由于切换或者其他补充业务导致编解码优化过程，如果支持编解码修改的话，TC会通过TFO_REQ_L消息和TFO_ACK_L消息交互选出公共的编解码列表和编解码，整个过程和编解码不匹配时的处理极其类似。同样因为编解码优化带来的语音质量的改善并不明显，但是会导致大量的信令消息交互，加重了信令的处理负荷，所以此功能没有被广泛采用。 (6)TFO的终结 TFO会在以下几种情况下终结：其中一个TC丧失了TFO处理能力、呼叫释放、业务发生改变(从语音业务变成了数据业务)、发生切换并且切换到的TC不支持TFO、切换到的局所支持的编解码与远端局没有交集。 TFO终结后，TC将停止发放TFO帧，退回到普通模式，并通过TFO_NORMAL消息告知IPE。 3 审计网络质量优选编解码技术

随着网络拓扑的发展，3G核心网需要和NGN核心网络进行互联互通，以达到移动网络和NGN固定网络互通的要求。但是由于3G核心网络的编解码和NGN核心网络的编解码差别很大，3G核心网一般支持3GPP协议支持的编解码类型(如各种类型各种速率的AMR编码等)，而NGN网络只支持ITU的编解码类型(如G.711、G.729、G.723等)，可见两种网络之间基本没有共同的编解码，因此不可能建立TrFO或TFO呼叫。当插入TC造成的时延和语音质量下降已不可能减少时，人们希望能从灵活性上发挥编解码协商的优势。 G.711是传统的64 kb/s的编码，由于采样点密集，量化误差小，所以使用这种编解码时语音质量很好，缺点是占用的带宽大。而G.729编码正好相反，由于压缩的缘故引入了噪声，语音质量较差，但是