基于IP架构的CDMA2000系统A接口协议的设计

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：

　　·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。



　　·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。

　　·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。

　　·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。

　　·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×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。