基于IP架构的CDMA2000系统A接口协议的设计

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:结合一种基于IP架构的CDMA2000系统,讨论了A接口上信令/业务/控制流的特点和网络组成,提出了在IP网络架构下A接口协议的设计方案,完成了A接口中信令子接口的IP化协议设计,以及业务子接口听控制流模型设计,形成了一个完整的IP化A接口协议体系。对呼叫处理中的指配流程进行改进,降低了系统的呼损率。 关键词:IP COMA A接口 A1/A2 指配流程 随着IP协议在世界范围内的广泛应用以及CDMA移动通信系统的飞速发展,基于IP网络架构的CDMA2000系统的设计问题日益受到人们的关注。在设计基于IP的CDMA2000系统时,A接口的设计是关键。由于系统核心网络的全IP化,并引入了控制与业务、传送与接入分离的中交换设计思想,在IP上实现A接口协议与在传统电路交换上实现A接口有所不同,主要是需要设计信令与业务分离的A接口协议栈以及信令流、业务流在IP承载方式下的传输。 1 IP架构下的CDMA2000的系统A接口研究 A接口是无线接入网与核心网之间的接口。在CDMA2000系统中A接口包括:A1/A2、A3/A7、A8/A9和A10/A11等接口,它们满足3GPP2 IOS4.1规范。A1/A2接口是CDMA2000系列移动交换中心(MSC)与基站控制器(BSC)之间的接口,该接口秉承CDMAOne系统。A1接口用于传输MSC与BSC之间的信令信息;A2接口用于传输MSC与BSC之间的话音信息。MSC与BSC之间的A1/A2接口,传统上称之为A接口,下文中加不特殊声明A接口即指此接口。 1.1 基于IP的CDMA2000系统体系结构 目前CDMA系统模型有很多种,这里结合一种基于IP架构的CDMA2000系统讨论A接口的设计。本系统采用多种无线传输与接入技术、IP网络技术以及软交换控制技术等,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(a)。 系统主要划分为以下几个模块: %26;#183;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。 %26;#183;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。 %26;#183;呼叫控制服务器CS(Call Server):主要完成无线资源和呼叫的控制与管理,实现中交换中媒体网关控制器的功能。 %26;#183;电路媒体网关CMG(Circuit Media Gateway):实现连接PSTN、ISDM和PLMN的网关功能以及话音压缩编解码功能。 %26;#183;呼叫信令网关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。 以及位置寄存器(LR)、分组数据业务网()PDSN、操作维护中心(OMC)等模块。 1.2 A接口的网络架构 A接口架构如图1(b)所示,MSC与BSC之间的接口即为文本所研究的A接口,包含信令和用户业务两个子接口,对应标准A接口 的A1/A2接口。CS与WAS之间的接口构成信令子程序;对应标准A接口中的A1接口,用于传输MSC与BSC之间的信令消息;WAS业务部件与CMG之间 以及两个WAS业务部件之间构成了业务子接口,对应标准A接口中的A2接口,用于传输MSC与BSC之间的语音业务信息。电路分配单元CDB在CS与CMG的控制关系中起辅助作用,负责选定路由。 2 基于IP的A接口方案设计 2.1 A接口协议栈设计 传统电路交换型CDMA系统中A1接口采用3GPP2的IOS4.1版本规范中规定的七号信令SCCP 0类和2类协议及MTP等作为低怪传输协议。基于IP的CDMA系统引入中交换思想,呼叫控制与业务承载分离。而SCCP信令协议又无法分别交换控制和承载的信息,而此需要新的信令系统支持。本系统的A接口采用TCP/IP协议作为低层传输协议。 协议栈结构如图2所示。 信令和业务子接口协议栈的物理层、数据链路层和网络层协议均采用商售以太网交换机上的标准协议。传输层采用本系统的专利技术:RUDP协议代替了传统的七号信令SCCP。信令子 接口应用层内容基本对应3GPP2的IOS4.1版本规范A1接口中的基站管理应用部分(BSMAP)和直接传递应用部分(DTAP);业务子接口应用层内容以媒体数据为主。 RUDP协议是“Reliable UDP”的简称,是一种自定义的、为UDP引入可靠传输机制的简化协议。它兼顾有TCP的可靠性与UDP的高效性,是本系统可靠传输所采用的协议。RUDP的基本思想是在UDP包头内加入两个字节的协议头,即一个字节的前向序号和一个字节的后向序号。围绕这两个字节的协议头,RUDP协议采用了一个套证实机制、重发机制、序号对齐机制分别保证了RUDP通信的可靠性、高效性和数据流的有序性。RUDP协议技术保证了系统内信令和业务数据的传输性能要求。 2.2 信令子接口设计 2.2.1 信令连接建立方式 (1)传统的信令连接建立方式 传统CDMA系统A1接口信令采用了七号信令SCCP的0类基本无连接业务和2类基本有连接业务。SCCP通过E1接口传输信令消息建立信令连接。E1接口即一个PCM中继电路,可以同时容纳32时隙%26;#215;64kbps的语音数据。在32个时隙中,第0时隙被用作帧同步信息,第16时隙作为SCCP的信令通道,其余30个时隙被用作语音时隙被作用语音通道。这样,第16时隙就被信令消息全时独占,无论该时隙空闲与否,均不允许其它消息(语音消息)使用,造成了资源浪费。 (2)IP架构下的信令连接建立方式 由于协议栈采用了TCP/IP传输协议,因此在设计A1接口信令连接方式时取消了基于无连接方式的应用,所有信令均基于有连接方式传送。 在A1接口上以目的设备ID(D_DID)、目的处理ID(D_CID)和源设备ID(S_DID)、源处理ID(S_CID)组成的四元组唯一标识一个信令连接。信令连接以一次握手的机制建立。连接建立方首先发送源处理ID为空的连接起始建立消息,接收方进行处理后回送的第一条消息为本次处理申请的处理ID,双方连接建立完成。所有信令均基于有连接方式传送,连接建立的流程如图3所示。 实体1与实体2之间由实体1发起一个基于连接的处理流程,实体1首先申请处理ID,在始发消息的信件头D_DID中填对端实体2的设备ID,D_CID填空。S_DID填实体1的设备ID,S_CID填本地处理ID。 实体2收到D_CID为空的始发消息,确认可以处理后申请处理ID,向对方发送后续处理消息,消息中D_DID、D_CID置对方DID和CID,S_DID、S_CID置本身DID和CID。至此双方信令连接成功。 2.2.2 消息及消息元素 继承了标准BASP协议中定义的大部分消息和消息元素,并结合IP网络特性增加、删除了部分消息和消息元素。 (1)由于A2接口上用户业务基于IP传输,完全取消了A2接口电路的概念,因此删除所有地面电路管理类消息和电路识别码CIC等消息元素;因简化了清除流程,而删除呼叫处理类的清除请求消息; (2)增加两条用于呼叫建立的新消息。 放语音通知:由CS发向WAS,用于向移动台播放辅助语音; 开始语音业务:由CS发向WAS,用于向WAS通知呼叫对端的业务端口地址,开始接入通话状态。 2.2.3 A1接口上的呼叫处理流程 以移动中(MS)始发语音呼叫为例介绍呼叫建立流程,并以BSC侧发起为例介绍了呼叫清除流程。 (1)MS始发语音呼叫建立流程 流程建立如图4(a)所示。 a.MS发送语音呼叫,WAS收到控制信道上传来的始发消息,选定某个CS,发送连接管理CM(Connection Management)业务请求消息; b.CS收到CM业务请求消息,确定能够处理,申请处理ID后向WAS发送连接确认消息,建立IP虚连接; c.CS根据WAS建立的业务选项,发送指配请示消息,请求WAS为MS指配无线业务信道; d.WAS指示WAU和MS交互,完成无线业务信道指配,向CS发送指配完成消息,等待CS进行后续呼叫处理; e.CS进行呼叫接续,发现被叫为本局MS,进行寻呼被叫流程,在被叫开始振铃后,向WAS发送放语音通知,指示WAS通过带内音向主叫MS播放回铃音,提醒主叫MS等待被叫摘机; f.CF收到被叫MS的应答指示,向WAS发送“开始语音业务”消息,通知被叫MS的业务端口,WAS收到后,建立业务链路IP虚链妆,开始交互语音数据包,主被叫双方进入通话状态。 在步骤e中如果CS进行呼叫连续时发现被叫为外局MS或外网终端,则先通过CMG申请出局中继电路,将WAS端口与出局电路连接,然后直接向WAS发送“开始语音业务”消息,通告出局电路的业务端口。WAS收到后,与出局电路业务端口建立虚连接,后续呼叫处理提示信息(如回铃音等)由出局电路通过业务链路由带内音主叫MS提供。 (2)BSC侧发起的呼叫清除流程 标准A接口协议中,无论是哪一侧发起的呼叫清除,都只能由MSC向BSC发送清除命令。如果是BSC侧发起的呼叫清除,则BSC必须先向MSC发送清除请求消息,再由MSC通过发送清除命令指令BSC释放相关专用资源(如地面电路)。 在IP架构下,已取消了地面电路概念,因此对呼叫清除流程进行了简化,取消了清除请求消息,BSC侧可以直接向MSC发送清除命令。 BSC侧发起的清除流程如图4(b)所示。 a.WAS收到移动台发来的释放指示或由于其他原因,首先释放本次呼叫相关资源,然后向CS发送清除命令,指示CS清除本次呼叫; b.CS收到WAS发来的清除命令,释放本次呼叫相关资源后,向WAS发送清除完成消息,同时释放处理ID。WAS收到清除完成后也释放处理ID,完整整个信令连接的释放。 2.3 业务子接口设计 2.3.1 IP包交换方式 因核心网络基于IP架构,故业务子接口采用IP包交换方式传输业务流。IP包交换基于IP包格式的分组交换,是一种非面向连接或无连接的存储转发方式。各种语音、数据业务都采用IP包的格式,使用统一的以太网接口及协议,通过网络交换完成传输。它可实现多种速率的交换,能灵活支持带宽不同的多种业务,并且只在发送时才占用网络资源,网络资源可由各个业务共享。 2.3.2 IP包交换下的业务流控制模型 业务子接口的资源实体包含WAS业务部件和CMG。WAS业务部件的业务端子称为WAS端口,它可以输入输出IP包媒体流,完成无线接入网与核心网业务流的交互。CMG包括两种业务端子:中继端口和声码器。中继端口完成PCM语音流的输入输出。声码器完成PCM流和IP包媒体流的转换。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,完成用户业务流在业务子接口上的传输。 (1)WAS与WAS相同声码器编码类型 主被叫双方位同一局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直接通过内部IP网络发送到另一方。双方业务端口均为WAS业务端口。 (2)WAS与WAS不同声码器编码类型 主被叫双方位于同一局但双方声码器类型不同时,呼叫一方产生的业务包括必须经本端声码器转换为PCM语音流,再通过将两端声码器的PCM出口对接形成的IP隧道输入到对端声码器中;对端声码器将PCM语音流转化为IP包,再经由网络发往另一方的WAS端口。 (3)WAS与中继端品 主被叫双方位不同局且其中一方的业务端口为中继端口,或一方为漫游用户、另一方的业务端口为中继端口时,需要一个声码器来完成IP与PCM语音流的转化,且此声码器与中继电路须处于同一CMG中。 (4)中断端口属于相同CMG 呼叫双方的业务端口皆为中断端口并且属于同一CMG时,将两中断端口的PCM出口对接即可实现业务交互。 (5)中继端口分属不同CMG 呼叫双方的业务端口皆为中继端口但不属于同一CMG时,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语音流与IP包的相互转化。一方发出的PCM语音流经声码器转化为IP语音包,进行网络交换一到达另一方所属CMG的相应声码器,再转换为PCM语音流通过中继端口发送出去,反之亦然。 通过对以上各种模型的分析可知,在无线IP环境下实现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以IP包方式直接交互,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-声码器连接模式中的两次编解码变化对语音质量的损失,从而提高了业务质量。 3 指配流程的改进 (1)标准指配流程描述 如上所述,在设计A接口协议流程时,继承了标准流程中的指配流程:即收到CM业务请求或寻呼响应时,WAS并不立即与MS建立无线业务信道,而是收到CS的指配请示消息后,WAS才开始与MS交互交开始建立无线业务信道。 (2)弊端 在测试过程中,WAS从收到MS初始信道到收到CS的指配请求最多可能需要6s。而CDMA无线环境是高时变系统,每时每刻都可能因为MS的移动或周边环境的变化引起无线环境的变化。这样当WAS收到CS指配请求、开始在MS始发消息带来的无线环境参数指导下建立业务信道时,以前的测量参数已不完全适合现在的无线环境,这样基站要俘获MS只有加大功率反复搜索,对设备资源和系统容量都有很大的负面影响,同时系统呼损率较高。 (3)改进 鉴于上面的分析,对指配流程进行改进:在不支持加密业务的前提下,把业务信道建立的时机提前,即只要WAS收到MS的始发消息,就开始俘获MS建立业务信道;待业务信道成功建立后,WAS再向CS发送A1接口呼叫建立消息,这样MS就不会在业务信道建立前的间隙逃脱。实践证明以上流程的修改显著降低了系统的呼损率。 (4)进一步研究 指配流程在标准接口中有两个作用:指配地面电路、指配无线信道。基于IP的CDMA2000系统取消了地面电路,如果把无线信道的分配提前,则指配流程就完全失去了意义,因此提出了取消指配流程的提胶分配流程方案。 以MS始发语音呼叫建立流程为例,对这两种实现方式做对比,如图5所示。 在基于IP架构的CDMA系统中设计实现A接口协议是一项创新性的工作,目前国际、国内相关标准组织和研究机构只有一些概念性的要求,尚无具体规范。因此,本文在这方面的工作具有一定的开拓价值。与传统的移动通信系统相比,基于IP架构的CDMA系统A接口协议设计简化了信令流程,提高了业务质量,符合未来移动通信全IP化的发展趋势。目前本系统的A接口研发成果已通过系统测试,运行状况良好,表明A接口设计方案的正确性。
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