３Ｇ中的編解碼協商技術

摘要：由于在接入網和核心網傳送的碼流格式不一致，造成話音信號進行兩次編碼和解碼，導致語音質量降低。因此必須采用編解碼協商技術來統一全程的編解碼。編解碼協商技術主要有無碼型變換器操作(TrFO)、無二次編解碼操作(TFO)和審計網絡質量優選編解碼技術。TrFO是呼叫建立過程中優選的一種機制，它嘗試去建立用戶設備(UE)到UE的無需使用碼形變換器(TC)的連接，如果成功，能夠最有效地使用帶寬；TFO作為TrFO的備用技術，是一種帶內的編解碼協商協議，因為用戶面碼流不再需要通過語音編解碼器的壓縮、解壓縮處理，可以改善話音質量；審計網絡質量優選編解碼技術依據呼叫的接入數來靈活地選擇采用G.711或G.729來編解碼，作到既不過分加重網絡的負擔，同時又可以接入新的呼叫。

關鍵詞：二次語音編解碼級連操作；無碼型變換器操作；無二次編解碼操作；初始地址消息；碼形變換器；路徑內設備

Abstract:The different formats of codec stream transported in the radio access network and the core network makes tandem operation necessary， which results in poor quality of voice. Accordingly， negotiation technology for encoding and decoding is necessary for unifying encoding and decoding in the whole process. Transcoder Free Operation (TrFO)， Tandem Free Operation (TFO)， and network-quantity deciding technology are leading negotiation technologies for encoding and decoding. TrFO is a mechanism for optimum selection during the establishment of a call. It tries to establish connection between User Equipment (UE) without Transcoder (TC). Its successful fulfillment enables the efficiency of bandwidth. TFO， a standby technology for TrFO， is an in-band negotiation technology for encoding and decoding. With it， the user codec stream is free from the compression and decompression by the voice codec， and the quality of voice can accordingly be improved. The network-quantity deciding technology adopts G.711 or G.729 flexibly according to the number of accessed calls. This allows access of new calls while won’t increase the load of network too much.

Key words:TO; TrFO; TFO; initial address message; transcoder; IPE

編解碼協商操作旨在避免傳統上移動臺(MS)呼叫MS(基于GSM系統)、MS呼叫用戶設備(UE)(基于GSM/3G系統)或UE呼叫UE(基于3G系統)的通話過程中要做的兩次語音編解碼。在UE呼UE的情況下話音信號首先在起始UE中進行編碼并發送到空中接口，在本端碼型變換器中解碼成64 kb/s的G.711 A律或μ律脈沖調制編碼(PCM)語音格式并在固定網絡中傳送，對端碼型變換器將PCM信號重新作一次編碼，通過空中接口傳送到對端UE，最后由對端UE解碼得到重建后的話音。整個過程如圖1所示。在這種呼叫情況下，兩對語音編碼/解碼器處于二次語音編解碼級連操作(TO)。在TO下話音信號作了兩次編碼和解碼，導致語音質量變差，尤其在低速率通信情況下質量變化更是明顯。

如果本端UE和對端UE使用同樣的編解碼，如圖2所示，話音信號就能在編碼域從本端UE透明傳輸到對端UE，而不用激活本端和遠端網絡中的碼型變換功能。

編解碼協商具有如下優點：

●避免網絡內做二次語音編解碼，提高語音質量。

●協商后采用壓縮的編解碼，從而節省鏈路資源。

●碼型變換單元不用再執行碼型變換功能，故可節省處理能力。

●可以減少端到端的傳輸時延。

目前主要的編解碼協商技術有3種：一種是呼叫建立過程中通過帶外呼叫控制信令對語音編解碼方式進行協商的無碼型變換器操作(TrFO)呼叫，另一種是帶內的編解碼協商協議無二次編解碼操作(TFO)，還有一種是3G核心網絡和下一代網絡(NGN)核心網絡進行互連互通時，NGN網絡的關口局通過審計網絡質量的方法來優選編解碼。

1 TrFO技術

TrFO呼叫是一種呼叫建立過程中通過帶外呼叫控制信令(OoBTC)對語音編解碼方式進行協商的技術。TrFO呼叫因為不需要插入語音編解碼器，所以可以提高話音質量，節約編解碼器資源，并且在分組核心網中可以節約網絡帶寬(因為話音是以自適應多速率編碼(AMR)后的速率而不是64 kb/s速率在核心網中傳輸)，另外編解碼協商在承載建立之前完成，可以保證呼叫使用適當的承載資源。

1.1 TrFO機制描述

文獻^[1]指出當兩個或更多呼叫控制節點協商已統一傳輸的編解碼時，TrFO機制將會被優先選取，具體流程如下：

●源呼叫控制節點發送其網關支持的編解碼列表，該列表中各編解碼已按其優先級進行了排序。

●轉接呼叫控制節點分析編解碼列表，從中刪除自身不支持的編解碼，并將其繼續向前傳送。但對編解碼的優先級不進行改變。

●終結呼叫控制節點分析編解碼列表，從中刪除自身不支持的編解碼，并從中選取最高優先級的編解碼。

圖3是在R4體系中通用移動通信系統(UMTS)到UMTS進行TrFO連接的一個呼叫模型，當然中間可能存在許多轉接節點。一般編解碼協商會發生在呼叫建立階段，當然在呼叫過程中也可能會由于切換或者重定位等原因而再次發起編解碼的修改。

1.2 BICC呼叫建立過程中的編解碼協商

圖4描述的是承載無關呼叫控制(BICC)呼叫建立的一個簡單信令流程。由圖4可看出編解碼協商在承載建立之前進行，因此可選出最適合本次呼叫的承載資源。文獻^[2]中建議源移動交換中心(O-MSC)在發送初始地址消息(IAM)時開始編解碼協商，將支持的編解碼列表發給轉接節點。轉接節點將丟棄不支持的編解碼類型后再發送。終移動交換中心(T-MSC)將優選的編解碼連同最終的編解碼列表通過應用傳送消息(APM)帶回給源移動交換中心(O-MSC)。

1.3 對媒體網關的控制

TrFO呼叫使端到端(如無線網絡控制器(RNC)到RNC或者RNC到其他壓縮語音終端)的全程通信都使用壓縮的語音流，文獻^[3-4]中詳細說明了核心網中Nb接口和Iu接口關于壓縮語音幀傳輸的流程。若要用戶面支持編解碼協商，必須使其工作在支持模式下。

對于TrFO呼叫，RNC和媒體網關(MGW)必須支持至少一種具有TrFO能力的用戶面版本，也就是Iu接口和Nb接口必須都支持用戶面版本2。如果RNC只支持用戶面版本1而沒有TrFO能力，移動交換中心服務器就必須在RNC和MGW之間插入碼形變換器(TC)。 當然，不是RNC和MGW物理上支持版本2就行了，還要移動交換中心服務器在向RNC請求無線接入承載(RAB指派)和向MGW請求建立終端(ADD請求)中指明使用該版本，因為在用戶面初始化幀協商過程中，需要帶上移動交換中心服務器在RAB指派/ADD請求中指明的版本信息與其他MGW/RNC協商，以選擇共同支持的版本信息。

用戶面的初始化方向永遠是前向的，它與承載的建立方向沒有任何聯系。當用戶面需要初始化時，只有當承載已建并且用戶面初始化完成后才向移動交換中心服務器發通告(Notify)消息告知用戶面承載已準備完成。而移動交換中心服務器中的導通消息(COT)則只有在收到Notify消息和前向送來的COT消息后才會向后發送。

1.4 TrFO實現后的用戶面數據流

對于同一MGW內部的TrFO呼叫，其用戶數據流向如圖5藍線所示。通過接口板接入的Iu接口用戶數據，經過ATM適配層2(AAL2)適配(對于ATM承載)或實時傳送協議/實時傳送控制協議(RTP/RTCP)處理(對于IP承載)，再依據轉發表送到某個Iu接口用戶面(IuUP)實例進行上行處理，然后送到對端用戶對應的IuUP實例進行下行處理，最后通過Iu接口板處理并送到Iu接口上。整個流程無需經過AMR編解碼和時分復用(TDM)交換。

對于不同MGW之間的TrFO呼叫，其用戶數據流向如圖5黃線所示。在一個MGW上，通過接口板接入的Iu接口用戶數據，經過AAL2適配(對于ATM承載)或RTP/RTCP處理(對于IP承載)，再依據轉發表送到某個Iu接口的IuUP實例進行上行處理，然后送到Nb接口對應的Nb接口用戶面(NbUP)實例進行下行處理，最后通過Nb接口板處理并送到Nb接口上。在另一個MGW上，通過Nb接口接入的用戶數據在接口板上完成AAL2或RTP/RTCP后，送到相應的NbUP實例進行上行處理，然后送到相應的IuUP實例進行下行處理，最后送到Iu接口板處理，并最終發到Iu接口上。整個流程無需經過AMR編解碼和TDM交換。

從圖5可清楚地看出TrFO呼叫的優勢，由于RNC的編解碼類型、編解碼速率集完全一致，因此在核心網側不需要進行編解碼，只需要透傳用戶面數據包。

2 TFO技術

TrFO是呼叫建立過程中優選的一種機制，它嘗試去建立UE到UE的無需使用碼形變換器(TC)的連接，如果成功，將無需使用TC，并且能夠最有效地使用帶寬。但是并非所有情況都能使用TrFO技術，當中間出現TDM承載或者必須與2G系統的用戶通信時，將不得不加入TC，而TFO作為TrFO的備用技術這時將發揮作用。

TFO是一種帶內的編解碼協商協議。TFO在呼叫建立之后在兩個語音編解碼器之間進行編解碼協商，協商成功后發送方的解碼器和接收方的編碼器被旁路，直接將空中接口中使用的話音幀覆蓋在G.711幀上傳送給接收方。因為用戶面碼流不再需要通過語音編解碼器的壓縮、解壓縮處理，可以改善話音質量。TFO在標準的64 kb/s鏈路的基礎上，提取一定數量的比特，組成子信道，用來傳輸TFO信令和話音幀。

2.1 TFO的基本原理

在TFO建立之前，TC之間傳輸64 kb/s的脈沖編碼調制(PCM)話音信息。利用每16個語音樣點提取一個最低位(相當于一個0.5 kb/s的通道)來傳遞TC之間協商的控制信息。TC之間交換TFO消息來進行TFO協商。一旦發現兩端編解碼器類型和配置相匹配，TC將自動激活TFO。TFO建立后，TC利用每個話音樣點的最低位(相當于8 kb/s的通道)或最低兩位(相當于16 kb/s的通道)來傳輸攜帶壓縮語音的TFO幀。為了避免TFO幀與PCM幀轉換時對語音質量和延時的影響，PCM語音樣點(非壓縮格式)的高6位或高7位仍然保持不變并發送到對端。在呼叫建立以后，TC單元通過處理TFO協議來完成TFO的建立，所以TC單元不可以被旁路，這也是TFO與TrFO的最主要區別。

2.2 TFO的實現步驟

文獻[5]中詳細地描述了TFO處理的全過程，步驟如下：

(1)路徑內設備的預同步

當本端的TC收到或發送語音幀，并且TFO已被激活，則TC會發TFO_FILL消息預同步路徑內設備(IPE)，使得IPE能夠確保TFO帶內信令的透明傳輸，不會將其作為語音信號進行放大。當然對端也會同時預同步IPE。

(2)TFO協商

當對端也支持TFO功能，并且IPE被預同步通路能夠透明地傳輸時，TFO協商開始了。兩端的TC會同時發TFO_REQ消息，將自身已激活的編解碼列表(ACL)和自身的標識符帶給對端，若對端的ACL與其有交集，則會回發TFO_ACK消息，否則編解碼不匹配的處理方案將會被啟動。

(3)編解碼不匹配方案

當兩端TC激活的編解碼列表(ACL)沒有交集但是支持的編解碼列表(SCL)有交集時，會發起此過程。通過TFO_REQ_L消息和TFO_ACK_L消息交互選出公共的編解碼列表和選擇的編解碼，然后告知移動交換中心服務器。各端服務器根據重新確定的編解碼列表和選擇的編解碼重新發起編解碼修改，以使全程的編解碼統一。由于這個過程需要交互很多的信令消息，多數情況下可能難以支持此功能。當沒有公共的ACL時，很多時候會選擇放棄TFO。

(4)TFO的建立

當協商完畢，TC會發送TFO_TRANS消息告知對端，這時兩個TC間將開始傳送壓縮的語音流，帶寬仍是不變的。

(5)編解碼的優化

在TFO呼叫建立以后，有可能由于切換或者其他補充業務導致編解碼優化過程，如果支持編解碼修改的話，TC會通過TFO_REQ_L消息和TFO_ACK_L消息交互選出公共的編解碼列表和編解碼，整個過程和編解碼不匹配時的處理極其類似。同樣因為編解碼優化帶來的語音質量的改善并不明顯，但是會導致大量的信令消息交互，加重了信令的處理負荷，所以此功能沒有被廣泛采用。

(6)TFO的終結

TFO會在以下幾種情況下終結：其中一個TC喪失了TFO處理能力、呼叫釋放、業務發生改變(從語音業務變成了數據業務)、發生切換并且切換到的TC不支持TFO、切換到的局所支持的編解碼與遠端局沒有交集。

TFO終結后，TC將停止發放TFO幀，退回到普通模式，并通過TFO_NORMAL消息告知IPE。

3 審計網絡質量優選編解碼技術

隨著網絡拓撲的發展，3G核心網需要和NGN核心網絡進行互聯互通，以達到移動網絡和NGN固定網絡互通的要求。但是由于3G核心網絡的編解碼和NGN核心網絡的編解碼差別很大，3G核心網一般支持3GPP協議支持的編解碼類型(如各種類型各種速率的AMR編碼等)，而NGN網絡只支持ITU的編解碼類型(如G.711、G.729、G.723等)，可見兩種網絡之間基本沒有共同的編解碼，因此不可能建立TrFO或TFO呼叫。當插入TC造成的時延和語音質量下降已不可能減少時，人們希望能從靈活性上發揮編解碼協商的優勢。

G.711是傳統的64 kb/s的編碼，由于采樣點密集，量化誤差小，所以使用這種編解碼時語音質量很好，缺點是占用的帶寬大。而G.729編碼正好相反，由于壓縮的緣故引入了噪聲，語音質量較差，但是它所使用的帶寬卻很經濟，只有16 kb/s。因此人們希望依據呼叫的接入數來靈活選擇編解碼，當用戶較少，網絡質量較好時采用G.711編碼以達到較好的語音質量；當接入用戶較多，網絡質量變差時，使用G.729編碼。這樣既不會過分加重網絡的負擔，同時又可以接入新的呼叫。

實踐中，在NGN的關口局審計網絡質量，并跟工作人員設置的值進行比較，當未達到此值時，認為網絡質量較好而采用G.711編碼，否則認為網絡已有擁塞而改用G.729以節約帶寬、緩解擁塞。

4 實驗結果

為了給予驗證，我們進行了TrFO和VoIP的測試，鑒于TrFO的優勢涵蓋了TFO，沒有對TFO另外進行單獨測試，測試環境如圖6所示。

語音測試儀是GL公司的一體化語音儀。測試時，選用語音儀中單語音源。網絡加擾儀IP-WAVE被用來模擬丟包、抖動、延時等IP傳輸特性。每一項平均測試30～35輪，采用基于聽覺模型的客觀話音質量評定(PESQ)取平均值。

對TrFO測試時，將語音儀串接在兩端的UE間，對VoIP測試時，則將其與PSTN網相接，測試中語音源經由語音儀GL-VQT的一端發出，經過兩個MGW的處理(且兩個MGW之間還有IP加擾儀)，再返回到GL-VQT的另一端錄音，然后GL-VQT將接收到的語音和發出的語音源進行比較計算，得出PESQ值。

TrFO是在網絡質量很好的情況下測試的，分別對話音質量和延時進行測試，測試結果表明：語音質量，TrFO優于非TrFO；延時，TrFO小于非TrFO。TrFO的優勢顯而易見。

在VoIP的測試中，對G.711和G.729編碼分別在3種網絡條件進行測試，測試結果如表1所示。

對測試結果應該從兩個方向進行分析，橫向看出G.711的話音質量明顯優于G.729的話音質量，這正是優選G.711編碼的原因?？v向上看出當網絡條件變差后，如果繼續接入使用高帶寬的G.711編碼，網絡的質量會下降得很快，但是對于運營商來說他們并不希望因此而拒絕新呼叫的接入，而窄帶寬的G.729此時正顯出優勢。

5 結束語

本文介紹了在3G核心網絡中幾種編解碼協商技術。實驗結果顯示目前采用了編解碼協商技術后提高了語音質量，節省了鏈路資源，提高了交換機的處理能力，減少了端到端的傳輸時延，尤其審計網絡質量優選編解碼方式能夠通過審計信道質量實時根據網絡質量進行調整。但是由于編解碼協商需要傳輸大量的信令，同時在呼叫和通話過程中進行編解碼協商和編解碼修改的情況會經常出現，再加上通常編解碼列表會比較大，因此在大話務量時，編解碼協商會占用很大的控制信道帶寬，這有待通過進一步完善加以解決。另外編解碼的全程統一性與靈活性目前無法同時滿足，因此如何實現既統一又根據實際情況能靈活改變的編解碼技術，是今后需要深入研究的問題。

6 參考文獻

[1] 3GPP TS 23.153 3rd Generation partnership project: Technical specification group core network and terminals: Out of band transcoder control: Stage 2(Release 4)[S]. 2001.

[2] ITUT Recommendation Q.765.5 Signalling system No.7: Application transport mechanism: Bearer Independent Call Control (BICC)[S]. 2000.

[3] 3GPP TS 29.232 Media Gateway Controller (MGC): Media Gateway (MGW) interface: Stage?3[S]. 2001.

[4] 3GPP TS 25.415 3rd Generation partnership project: Technical specification group radio access network: UTRAN Iu interface user plane protocols[S]. 2002.

[5] 3GPP TS 28.062 Inband Tandem Free Operation (TFO) of speech codecs: Service description: Stage 3[S]. 2004.

收稿日期：2006-03-12

作 者 簡 介

陳翼，華中科技大學電子與信息工程系在讀碩士研究生，目前在中興通訊股份有限公司網絡事業部實習，主要研究內容為局間BICC信令。

高潔，華中科技大學電子與信息工程系副教授，湖北省儀器儀表學會秘書長。長期從事教學與實驗工作，已出版教材2部，發表論文12篇。

喻莉，華中科技大學電子與信息工程系教授，國家“數字視音頻編解碼技術標準”系統組負責人，中國圖形圖像學會會員。長期從事計算機網絡、移動通信、多媒體信息處理、數據壓縮編碼等方面的研究和開發工作。已發表論文30余篇。