（计算机应用技术专业论文）amr语音在ip上承载的理论研究和实现.pdf

摘要 学科专业：计算机应用 论文题目：a m r 语音在i p 上承载的理论研究和实现 硕士生：赵华( 9 9 s 6 5 5 )导师：黄迪明教授 f 无线网络使用的语音传输速率低于固定网络的6 4 k b p s 。传统的g s m ( 2 g ) 系统 由于存在带宽利用率低、承载业务少等缺陷，难以满足未来市场的需求。为有效利 用无线资源，1 9 97 年以来，国内外有关第三代移动通信的研究逐渐成为移动通讯领 、 域的研究热点。o 在第三代移动通讯中将使用a m r 作为语音压缩方式，将a m r 语音承载于i p 之上， 是3 ga l li p 方案的关键技术。利用i p 网络承载a m r 语音，具有压缩技术先进、带宽 利用率高，通信费用低等优点，具备很大的经济优势、技术优势和时代特征。 本课题正是针对这一点，在3 q 嫂p m a 方案中，从理论上研究并仿真实现了在r 4 m g w 中a m r 语音的i p 承载技术，其中我主要完成了以下模块的设计工作： 1 ) i u 接口模块：将从i u 接口收到的语音包从a a l 2 层分离以及i u u p 层处理j 2 ) t c 模块：将i u u p 帧恢复为a m r 语音帧；需要的话进行编码变换； 3 ) n b 接口模块：将经过编解码变换的语音帧打包成n b u p 帧；并将n b u p 帧承载 于r t p u d p i p 之上j 4 ) r t p 包头压缩模块：单纯的r t p 包头压缩处理； 5 ) r t p u d p i p 联合包头压缩模块：r t p u d p i p 联合包头的压缩处理 ( 本课题经过仿真系统进行了模拟验证，实际结果表明，课题达到了预期的效果 和目标。 本论文详细介绍了课题的理论研究和设计开发的过程，以及各个模块中一些关 键的实现技术。3 关键词：媒体网关：编解码器：n a s 、v o i p 、a m r 、t r f o t f o a b s t r a c t s p e c i a l t y ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o n t i t l e ：t h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o n o ft h ei pb e a r e ro fa m rv o i c e m a s t e r ：z h a oh u a ( 9 9 s 6 - 5 5 ) a d v i s o r ：p r o f h u a n gd i m i n g t h ev o i c e v e l o c i t yo ft h ew i r e l e s sn e t w o r k i sa l w a y si n f e r i o rt ot h e6 4 k b p so ft h ef i x e d n e t w o r k t h et r a d i t i o n a lg s m ( 2 g ) s y s t e mc a nn o ts a t i s f yt h ef u t u r er e q u i r e m e n td u et oi t s l o wu s eo ft h eb a n d w i t ha n d s c a r c i t yo ft h e s e r v i c et h a ti tc a no f f e r i no r d e rt og e tt h ef u l lu s e o ft h et r a n s f e rn e t w o r k ，t h es t u d yo f3 gh a sb e e nb e c o m i n gt h eh o t s p o t o ft h em o b i l e c o m m u n i c a t i o nr e a l ms i n c e19 9 7 i n3 gs y s t e m ，i ti st h ek e ys k i l lt h a th o wt ot r a n s f e ra m rv o i c ei ni pn e t w o r ki ti s p r o v i d e dw i t hp r o d i g i o u se c o n o m ya d v a n t a g e ，t e c h n o l o g ya d v a n t a g ea n d t h ec h a r a c t e ro f t h et i m e sd u et oi t sa d v a n c e dc o m p r e s s e df o r m a t ，h i g hu s a g eo ft h eb a n d w i t ha n dl o w c h a r g e t h i st a s kt a k e sa i ma tt h i sb l u ep r i n ta n da c c o m p l i s h t h et h e o r yr e s e a r c ha n dd e t a i l d e s i g no fr 4m g w t h e r e i n t o ，ih a v ei m p l e m e n t e d t h e s e p a r t sa sf o l l o w s ： 1 ) l u i n t e r f a c em o d u l e ：p e e lo f ft h ep a c k a g eh e a d e ro fa a l 2l a y e ra n dh a n d l et h e p a y l o a di nl u u pl a y e r ； 2 ) t c m o d u l e ：r e s u m et h ea m rf r a m ef r o mt h ep a y l o a do fl u u pf r a m e ；a n dd o s o m e c o d i n gt r a n s f o r mi fn e c e s s a r y ； 3 1n bi n t e r f a c em o d u l e ：c o n v e r tt h ev o i c ef r a m ei n t on b u pm o d e ，a n d t r a n s f e ri ti n r t p ，u d p 门pp a c k a g e ； 4 )r t p _ h e a d e rc o m p r e s sm o d u l e ：c o m p r e s st h er t ph e a d e r ； 5 ) u n i t e dr t p u d p i p h e a d e rc o m p r e s sm o d u l e ：c o m p r e s st h eu n i t e d r t p u d p i ph e a d e r t h er e s u l ts h o w st h a tt h et a s ki ss u c c e s s f u la n dg e tt h ee x p e c t a n tg o a l t h i sa r t i c l ed e s c r i b e st h ep o c e s so fp r o j e c ta n a l y s i s ，d e s i g na n di m p l e m e n ti nd e t a i l s ， a n di n t r o d u c e ss o m e k e y s k i l li nt h em o d u l ed e s i g n k e y w o r d s ：m g w ( m e d i ag a t e w a y ) 、t c ( t r a n s c o d e r ) 、v o l p ( v o i c e o v e ri p ) 、n a s ( n o n a c c e s ss t r a t u m ) 、a m r ( a d a p t i v em u l t i r a t e ) 、t r f o t f o ( t r a n s c o d e rf r e eo p e r a t i o n ) a m r 语音在驴上承载的理论研究和实现 第一章引言 1 1 第三代移动通讯系统简介 当今的i n t e r n e t 不断地变化着自己的角色，网络中流动的“比特”所代表的内 容由原来单纯的数据逐渐向多媒体演变。基于i n t e r n e t 的各种业务的发展更是令人 眼花缭乱。近几年来，i p 技术及其业务的迅速发展，对传统电信业务特别是国际、 国内长途电信业务造成了很大冲击，并逐步渗入到移动通讯领域。 近年来，移动通讯业务之所以得到迅猛发展，主要是因为它满足了人们在任何 时间，任何地点可以与任何人进行通信的愿望。第二代移动通讯系统( 2 g ) g s m 已经 经历了近十年的发展历程，其应用主要以语音业务为主，提供低速电路型数据业务， 目前分组速率超过1 0 0 k b p s 。但随着用户密度的急剧增长以及对数据业务需求的提 高，特别是多媒体业务需求的兴起，导致了对带宽需求愈发无止境。由于受到空中 接口以及网络能力的限制，2 g 系统难以满足未来市场的需求，作为2 g 系统的继任者 第三代移动通讯系统( 3 g ) 应运而生。 第三代移动通信系统是建立在i t ui m t 一2 0 0 0 建议基础上的、工作在2 g h z 频段的 宽带移动通信系统，它区别于现有的第一代和第二代移动通讯系统，其主要特点概 括为： ( 1 ) 支持多媒体业务，特别是支持i n t e r n e t 业务。现有的移动通讯系统主要以 提供语音业务为主，g s m 演进到最高阶段的数据服务能力为3 8 4 k b p s ；3 g 业务支持从话音到分组数据，甚至多媒体业务，并根据需要提供带宽。各 种业务可以有不同的参数和属性。 ( 2 ) 全球普及和全球无缝漫游。2 g 系统一般为区域或国家标准，而3 g 是全球范 围内覆盖和使用的系统。他将使用共同的频段。 ( 3 ) 便于过渡、演进。3 g 在2 g 系统基础上灵活演进而成，并与固定网络兼容。 ( 4 ) 高频谱效率。 ( 5 ) 高服务质量。 ( 6 ) 低成本。 a m r 语音在p 上承载的理论研究和实现 t ( 7 ) 高保密性。 ( 8 ) 能适应各种无线运营环境( 包括地面与卫星环境) 的要求。 1 2 a m r 语音在i p 上承载的研究与开发 移动通信界已经花了相当大的精力，要在第三代移动通讯系统中定义一个新的 信号和介质传输的机制集，将移动通讯所使用的压缩语音在i p 网络上传输，以获得 同p s t n 相当质量的传输语音和话音带宽信号。这些工作主要集中在两个领域： 1 ) 开发3 g 移动通讯的信令服务； 2 ) 开发以最高质量传输介质流的传输机制。 第三代移动通信系统主要分两种制式：w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 。其中w c d m a 是欧洲制式，也是3 g 的主流制式。 w c d m a 系统分三个部分：核心网( m s c ) 、无线接入网( r a n ) 和终端。它实 现电路域控制和承载相分离的结构，3 g p pr 4 规范中，将m s c 分成m s cs e r v e r 和 m g w 两个逻辑独立的功能实体，通过标准接口m c 连接。其中，m s cs e r v e r 主要完 成控制部分功能，m g w 完成业务承载功能。 不管m s cs e r v e r 使用什么信令技术，都必须有足够的参数设置m g w ，使它支持正 确的介质编码和典型的电话特性，如呼叫转发等等。信令是与介质流完全独立的动 作集合，用于控制呼叫过程使用的介质类型。呼叫建立后，信令没有必要终止，直 到呼叫参与者中的一个或多个离开为止。信令可以在呼叫处于活动时发生，如修改 会话参数，也可以与介质流并发。 介质的传输是基于包的，无论用于建立呼叫的信令协议是什么，语音服务选择 的承载方法都是实时传输协议r t p ( r e a lt i m ep r o t o c 0 1 ) ，而使用实时传输控制协 议r t c p ( r e a lt i m ec o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 为呼叫中的参与者提供q o s 信息。 语音的传输可能经过多个m g w 。在m g w 和m g w 之间可以使用各种传输技术， 如t d m ，a t m ，i p 。由于a t m 和i p 技术在某些方面优于t d m ，移动核心网络的连接 层将是a t m 或l p 为主流。从i n t e r n e t 的普及和l p 技术的成熟等种种因素考虑，实现 a l p 结构将成为3 g 业务的最终目标。考虑到和各种网络的互通，由位于p s t n 和 i s d n 边缘的m g w 完成到a t m 厂r d m 网络和l p 网络之间的转换。 在3 g 系统中，话音采用a m r 编码方式。a m r 即多速率自适应编码方式，可提 4 a m r 语音在口上承载的理论研究和实现 供从5 7 k b p s 至0 1 2 2 k b p s 共8 种不同速率，可根据空中信道的质量情况随时调整不同 的速率，以达到最佳的传输质量。本论文主要分析m g w 女i ：i 何将a m r 话音数据转化为 以m 承载，并在m g w 中进行交换，而后送到口核心网上，送去目的地。 将a m r 话音数据承载在i p 上，并完成交换功能，这是a l li p 的关键技术。因用i p 承载a m r 话音，会带来延迟、抖动等一系列问题，严重影响话音质量。如何有效地 解决这一问题，从而开发出真正合适商用的a l li p 产品，是目前各大通信厂家都面 临的问题。各大通信厂家均投入了大量人力进行研究，开发实验系统进行验证。 该关键技术的研究，首先进行a m r 话音编码和p 承载话音技术的研究，再开发 样机进行验证、测试，在明确关键技术已掌握的基础上，最终开发出商用产品。该 样机的开发会依托于华为公司已有的产品进行：u m s c ( 移动交换中一t k , ) s g s n ( 分 组业务支持节点) ，并全面借鉴公司在数据通信方面的研究成果，华为公司在v o i p 方面已积累了丰富的经验。 1 3 使用i p 承载a m r 语音的优势 使用p 来承载a m r 语音有很多优势，简要概括为： 1 ) 口网传输交换。采用i p 网作为传输交换平台，遵守t c p i p 协议，信息根据i p 协议被分为一个个分组进行传送，每个分组都带有目的地址和分组的顺序号， 分组可以沿不同的路径到达目的地后在目的地重组为原来的信息。 2 ) 压缩技术先进。a m r 语音使用c e l p 压缩技术，可以将话音信息压缩到 1 0 k b p s 以下，占用带宽只有传统通信带宽的1 徭甚至更少。 3 ) 带宽利用率高。传统电话给每一次成功的呼叫都提供6 4 k b p s 的固定信道，只 要主叫不挂机，这条信道就不能被别的呼叫占用，即使在没有说话或是语音 停顿期间。使用口网络，话音信息不占用固定的信道，只是在有信息时才传送， 因此带宽利用率远远高于传统电话。 4 ) 语音通信费用低。对于用户来说，使用口承载的最大优势在于它的费用便宜。 5 ) 承载的业务多。使用口，不但可以承载语音，还提供视频、文本等多媒体技 术的平台，还可以为用户提供呼叫转移、呼叫等候、呼叫阻塞、来电显示等 附加功能。 6 ) 通信质量不断提高。用户关心的除了费用和功能，还有话音的质量如何。目 a m r 语音在口上承载的理论研究和实现 前使用i p 承载语音的质量还无法同传统电话相比，但随着i p 专网的不断增加和 扩大，通信质量也在不断改善，服务质量( q o s ) 也日趋完善。 目前，移动通讯的网络和业务的化才刚刚起步，3 g 移动通信的步伐正在 迈出，未来的移动通信网最终将成为一种宽带口数据通信网。 1 4 本课题的来源及开发价值 本课题是华为公司无线业务部3 gw c d m a 研发项目中核心网部分m g w 中的一 个子项目，主要负责研究和实现电路域( c s ) 中，将从i u 接口获得的a a l 2 承载的 a m r 语音变换为口承载，最终在m 网络中传输并送往目的地。 在3 g 的研究工作中，语音的承载占有举足轻重的地位，能否满足用户增长的需 求并保证高质量的话音效果，是世界各大移动通讯厂商都关心的问题。本项目在确 定目标切实可行的基础上，选择了一条较为稳妥、又具有一定灵活性的技术路线， 经过系统分析、概要设计、详细设计、编码、测试等分阶段完成，在经过研究论证 后将开发样机进行测试和使用，最终完善后将投入市场商用。 a m r 语音在口上承载的理论研究和实现 第二章a m r 语音在工p 上承载的理论研究与分析 2 1 系统结构 3 g 中的v o i p 业务可分为电路域和i m 域两个层次。其中i m 域的很多标准还未 完善，本文暂不提及，主要讨论电路域v o l p 的承载问题。 在r 4 标准中，由于电路域采用控制和承载分离的结构，在核心网部分a m r 语音的承载主要由m g w 实现。m g w 在移动网络中的位置如下( 采用h 3 2 3 中物理 上分离的多媒体网关结构) ： 。s i g n a l l i n g i n t e r f a c e 。一s i g n a l l i n ga n dd a t at r a n s f e r i n t e r f a c e 图2 13 g 核心网的总体结构 对于语音业务，呼叫由b s c 或r n c 传递给m s cs e r v e r ，由m s cs e r v e r 完成相 应的信令协议处理，r q c 通过r a n a p 协议接人m s cs e r v e r ，在m s cs e r v e r 之间( n c 接口) 通过b i c c 协议进行通讯。m s cs e r v e r 通过h 2 4 8 协议控制m g w 来分配承载的 资源，或者传递相应的呼叫承载控制信令。当m g w 收到m s cs e r v e r 发来的h 2 4 8 p + 息要求建立承载时，连接处理器建立状态逻辑，并从资源数据库中申请可用的资源 单元( e g ：t e r m i n a t i o n ) 。这些端点( t e r m i n a t i o n ) 互连，使得某个流从一个网络通 过该m g w 传到另一个网络。m g w 之间通过呼叫承载控制协议来建立承载通道( 其 中可能包含q o s 信令的传递以及q o s 措施的建立) 。 2 2m g w 的逻辑设计与分析 a m r 语音在i p 上承载的理论研究和实现 m g w 内部的连接模型见下图 图2 2 媒体网关内部结构框图 注 端点( t e r m i n a t i o n ) ：是m g w 中的逻辑实体，用来l l 殳，发一个o r 多个流( 媒体流a n d o r 控 制流) 。媒体流参数和承载参数都封装在端点内。每个端点都有唯一的t e r m i n a t i o n l d ，在创建时由 m g w 随机分配，可用多个代表属性进行描述 注- j 上下文( c o n t e x t ) ：一组t e r m i n a t i o n 之间的联合关系；它描述了组台中有超过两个的 t e r m i n a t i o n 时的拓扑结构以及媒体混台交换的参数。 在r 9 9 规范中，a n 和c n 之间的i u 接u 所使用的传输层协议足基于a a l 2 ，a t m 的，r 4 的j u 接口的p 传输标准( 作为a a l 2 的可选项) 仍在制定。因此，在靠近r a n 的m g w 中，应当具备将语音从a t m 传输转换到m 传输的功能。另外，在3 g i p c n - - 3 ga t mc n 的关e i m g w 上，也应当具备将语音从a t m 传输转换到i p 传输的功能。 下图为压缩语音从i u 接口到n b 接口的承载变换示意： 图2 3 从i u 接u 到n b 接e l 的承载变换 a m r 语音在上承载的理论研究和实现 其中，m g wa 应当具备将语音承载从a t m 承载转换到口承载的协议转换功 能，其承载协议栈为： 当一条呼叫路径上所有的m g w 都按照某种规则建立好承载且进行了双向连 接之后，主被叫用户即可以开始通话过程。本课题主要负责研究和实现在m g w 中 将a m r 语音承载于口上的关键技术，包括a t m 承载到p 承载的变换过程。 2 3a m r 语音编码分析 2 3 1a m r 语音编码概述 a m r 是移动通讯中普遍使用的一种语音压缩方式，使用c e l p ( c o d ee x c i t e d l i n e a rp r e d i c t i o n ，代码激励线性预测器) 的变速率声码器算法a c e l p ，把采样频 率为8 0 0 0 h z 的的至少1 3 b i t 量化动态范围的均匀p c m j 吾音“自适应，地压缩到8 种可能： 4 7 5 、5 15 、5 9 0 、6 7 0 、7 4 0 、7 9 5 、1 0 2 和1 2 2 k b p s ，对应的语音帧所传的语 音比特分别为9 5 、1 0 3 、儿8 、l3 4 、1 4 8 、1 5 9 、20 2 、2 4 4 b i t ( 一个语音帧长为20 m s ) 。 a m r 速率选择的原则是： 当信道环境差时，选用低速率的语音编码方式，以加大信道编码的比特数，从 而降低误码率，保证传输语音的质量( 可懂度) 。当信道环境好时，选用高速率的 语音编码方式，以增强合成语音的音质( 自然度) 。 当前信道环境是用载干比进行评估的。a m r 编码端将当前计算的载干比与一组 a m r 语音在上承载的理论研究和实现 门限比较，从而选择最适速率。 3 g p p 中定义了8 种语音编解码算法协议，分别适合于g s m 和u m t s 系统：g s m 全速 率 i n t e r f a c e 收发各种流的逻辑接口。可能是t u 接口或者n b 接口。 m o w 中数据流方向： 1 ) 普通语音呼叫情况：i n t e r f a c e - - t c 一 交换中，1 2 - - t c - - i n t e r f a c e ； 2 ) 在t r f o 情况下( 见圉中点线路径) 可以省略两端的t c ：i n t e r f a c e 一 交换中心 一 i n t e r f a c e 。 a m r 语音在p 上戢戟的理论研究和宴现 在完成r 上述m g w 逻辑模型的设计后，经过反复的推敲，进一步兰田化设计后 最后采用如下3 gr 4m g w 软件模型来实现将a m r 语音承载千t p ，r ， 图3 3 3 gr 4 媒体网关的软件总体结构 3 gr 4 媒体网关的软件总体结构如上图所示它由主控模块，m c 接口模块，i u 接 口模块。n b 接口模块。以及各种资源模块如e c 。t c ，t w f 和信号音资源模块组成。 其中主控模块负责媒体控制、设备管理、数据库维护等工作。m c 接口模块负责 处理m c 接口的消息传输在3 g 中，m c 接口的传输协议使用的是s c t p s p ，由于h2 4 9 的消息流量比较大，在设计时，需要多块单板处理，因此需要一个消息的分发模块， 由于该模块功能只是一个实现算法，放在了m c 接口模块上，它只是对进入n g w 的m c 接l j 消息进行分发，由m g w 送到m s cs e r v e r 的m 萌l 口消息不用。i u 接口板和n b 接口板 分别负责处理i u 接口和n b 接口伽议。 a m r 语音在i p 上承载的理论研究和实现 各种资源模块，如e c 、t c 、i w f 和信号资源，是媒体网关提供的用户面的资源， 它们只是在业务需要的时候，由主控模块调用。 n g w 中和语音承载相关的模块主要有i u u p 接口模块、t c 模块和n b u p 接几模块。在 控制面完成资源的申请并双向联网之后，用户面就可以进行媒体流的收发了。语音 流从i u 接口进八，经过z u u p z 块的处理后，i u 模块把媒体流负载以及s t z e w l i d 发给 指定的t c 模块，t c 模块根据$ r e a m i d ，匹配需要使用的资源的端口号以及进行的操 作，然后把处理后的媒体流和s t g e d m l d 发给指定的n b 接口模块，n b 接口模块同样以 s r r e a m l d 匹配该媒体流应该使用的接口资源，一般来说该接口资源已经预先配置 好了目的地址并建立了连接，n b 接口模块只需要把该媒体流发向事先预留的连接资 源即可。反向的媒体流处理也一样。 以下详细介绍语音承载的各个模块( i u 接口模块、t c 模块和n b 接口模块) 的实 现方案。 3 3 i u 接口模块的实现 a m r n 音数据及控制数据在i u 接口上将使用i u u 嗽议预定义s d u 大小的支持模 式的帧格式传输并承载于a a l 2 之上。要获得一个完整的a 心语音包，首先要将a a l 2 包头去除并根据包头内容进行相应的处理。 下面是i u 接口模块的软件组成： 图3 4l u 接口模块的软件组成 如图，对于a m r 语音在i u 接口模块需要a a l 2s a r 处理子模块和i u u p 处理子模块 来进行处理。 a m r 语音在口上承载的理论研究和实现 3 3 1a a l 2s a r 层的处理 3 3 1 1a a l 2 层采用的数据结构 在a a l 2 层需要两种数据结构，c p s p a c k e t 和c p s p d u 。 c p s p a c k e t 用来标识微信元，其包头定义如下： t y p e d e fs t r u c t ( u n s i g n e dc h a rc i d ； u n s i g n e dc h a rl i ：6 ； u n s i g n e dc h a ru u i ：5 j u n s i g n e dc h a rh e c ：5 ； ) c p s _ p a c k e th d r ； 其中，c i d 表示信道编号( c h a n n e li d ) ，取值在0 25 5 之间，可以静态或者动 态分配，此处采用静态分配方案。l i 为微信元长度指示，缺省为4 5 b y t e ，最大可以 通过协商定义为6 4 b y t e ，一旦分配好后信道长度将不再改变。u u i 用于标示是否为最 后的微信元。h e c 是差错校验比特。 微信元将封装在c p s p d u 中，其包头定义如下： t y p e d e fs t r u c t ( u n s i g n e dc h a ro s f ：6 ； u n s i g n e dc h a rs n ：l ； u n s i g n e dc h a rp ：1 j ) c p sp d u _ h d r j 整个c p s p d u 的头部域也称为s t f ( s t a r tf i e l d ) ，一个c p s p d u 中只有一个s t f ， 包括偏移量( o s f ) 、顺序域( s n ) 和奇偶位( p ) 。 3 3 1 2a a l 2s a r 层分离语音包的算法 微信元和a l q m 信元的整个适配过程见下例 幽重壅竺圭至茎! ! 堡塑塞塑苎婴 图3 5 微信元的适配过程 如图，高层送给c p s 四个数据单元，分别为4 5 、1 9 、1 8 、2 2 字节长，h a c p s 一 分组头成为微信元，装入3 个a t m 信元的净荷域中并设置好指针进行传送。由图也 可以看出装入的微信元的比堂不相等，且微信元的个数在上限值限制的范围内也可 a m r 语音在口上承载的理论研究和实现 变。这样a t m 网络上建立的一个( 或多个) v c n 再是按固定的速率来分配带宽 可以用v b r r t 为话音服务。 根据以上适配规则，在从a t e 层收到包时，a a l 2 模块处理的算法流程图为： 1 ) 接口板上进行的预处理： 图3 6a a l 2 接口板的处理流程图 在接口板上处理判断需要注意的几点原则是： 4 5 a m r 语音在球上承载的理论研究和实现 a ) s n 是简单的顺序编码，只在0 和l 之间转换； b ) 奇偶校验位p 保持整个8 b i t 开始域( s n ，p ，o s f ) 的奇对称； c ) o s f = 4 7 表示p d u 中已经没有包，后面为填充域； d ) c i d 值在8 2 5 5 之间表示有效话音，1 用于层管理，其余值无效：一个c i d 值标 示一路话音； e ) 重组微信元时，同一个c p s _ p d u 中，第一个微信元( c p s p a c k e t ) 的起始位 置由o s f 指定，以后微信元的开始位置根据上一个微信元的起始位置及其长度域 ( u ) 计算得出；第一个微信元之前的内容组装到上一个微信元的尾部( 在前一个 c p s _ p d u 中的最后微信元) 。 2 ) 处理板上的处理( 各个处理板处理流程均相同) ： 处理板上a a l 2 部分的处理流程相对简单，主要是将微信元恢复为上层( i u u p 层) 的数据包，为此需要大容量的空间和高速的并行处理器。 需要注意的几点原则 图3 7a a l 2 处理流程图 a m r 语音在印上承载的理论研究和实现 u u i 取值在0 2 6 范围内任意一个值表示是最后一个c p s 一分组，可以组装：u u i 取值为2 7 表示后面还有c p s 一分组，不能组装。 3 3 2 u p 层传输k m r 语音所用到的数据结构 i u u p 和n b u p 都使用p d ut y p eo 格式进行传送，其头部格式定义为： t y p e d e fs t r u c t u n s l g n e dc h a rp d u _ t y p e ：4 j u n s l g n e dc h a rf n ：4 ； u n s i g n e dc h a rf q c ：2 ； u n s i g n e dc h a rr f c i ：6 ； u n s l g n e ds h o r tc r c h e a d e r ：6 ； u n s l ( 。n e ds h o r tc r c p a y l o a d ：1 0 ； ) u p _ p d u _ t y p e 0 _ h d r ； 3 3 3 u p 层传输a m r 语音所用到功能模块的划分和相关模块的定义 3 3 3 1u p 层的功能模块划分 按照i u u p 层和n b u p 层的功能，将u p 层划分为三个功能模块：帧处理器功能模块、 过程控制功能模块和n a s 数据流特定功能模块。 这三个功能模块具体执行的职能有： 1 帧处理器功能模块：该功能负责i uu p 协议帧不同部分的成帧与解帧。该功 能获取i uu p 协议帧的不同部分并将控制域设置成正确值，包括处理帧号。它也保 证帧控制部分语义正确。该功能负责同传输层相互作用，也负责i uu p 帧头部的c r c 校验。头部c r c 校验错误的i uu p 帧将被丢弃。 2 过程控制功能模块：这组功能对在i uu p 协议层次上处理的过程进行控制。 这些功能负责i uu p 帧的过程控制部分。这些过程主要包括： a m r 语音在m 上承载的理论研究和实现 速率控制：该过程在i uu p 上，控制所允许的速率集合。速率的集合由一 个r f c i 指示和( 当适用时) 下行链路发送时间间隔表示。控制该过程的功能与i u u p 协议层外的功能相互作用。 初始化：该过程控制初始化信息的交换，s m p s n u 操作需要这类信息。这类 信息中可以包含r f c i 集合，r f c i 集合将一直使用直到连接终止或下一次初始化过 程。 时间对准：该过程控制i u 接口发往r n c 下行链路数据的定时。控制该过程 的功能与i uu p 协议层外的功能相互作用。 错误事件处理：该过程控制与故障监测相关的信息在i u 上进行交换。控制 该过程的功能与i uu p 协议层外的功能相互作用。 3 n a s 数据流特定功能模块：这组功能负责有效载荷的有限操作和帧号一致 性检查。如果在接收帧号中发现帧丢失( 对于每个r a b ，帧号同时间无关。) ，这种 情况将报告给过程控制功能。 这组功能还负责i uu p 帧有效载荷部分的c r c 检验与计算，也负责帧质量分类 处理。这些功能与高层相互作用，交换l uu p 帧有效载荷的l u 数据流块。当需要时， 也执行i uu p 帧有效载荷的填充和去填充的功能。并且该功能同过程控制功能相互作 用，为过程控制功能提供对高层的访问。 3 3 3 2u p 层所定义的数据结构 能。 根据i uu p 和n bu p 层的功能划分，定义了三个类来分别完成以上三个模块的功 1 帧处理器功能模块： c l a s sf r a m e h a n d l e r ( p u b l i c ： f r a m e h a n d l e r ( u pp d ut y p e o _ h d r & ) j + 构造函数+ f r a m e a n d l e r ( ) ；+ 构析函数+ v o i ds e t v a l u e ( ) ；获取u p 帧的不同部分设置控制域* 4 8 a m r 语音在上承载的理论研究和实现 v o i ds e t f n ( i n n ) ； v o i ds e n d f r a m e ( ) j v o i dr e c e i v e f r a m e v o i dc h e c k c r c ( ) ； * 帧号处理+ * 形成一帧并发送到下层+ * 收到帧以及解帧+ * u p 帧的头部c r c 校验* p r i v a t e ： u p p d u j 追p e 0 蔓d ru p h e a d e r j 2 过程控制功能模块：此模块在a m r 语音的传输过程中负责检查r f c i 是否正确， 是否和u p 帧的负荷匹配。相关部分在其类中的定义为： c l a s sp r o c c o n 七r o p u b l i c ： p r o c c o n t r o ( i n t ) ；+ 构造函数。 p r o c c o n t r o l ( ) ；构析函数。 v o i de r r o r h a n d l e ( ) ；+ 差错处理+ i n tc h e c k r f c l ( ) ；* 检查r f c i ，正确返回1 ，否则o + p r i v a t e ： i n ti n r f c i ；t 帧处理器单元送来的r f c i 值+ ) 3 n a s 数据流特定功能模块 c l a s sn a s _ d s s p e c p u b l i c ： n a s d s _ s p e c ( ) - n a sm s s p e c ( v o i dc h e c k c r c * 构造函数t * 构析函数+ * 负荷c r c 校验+ a m r 语音在上承载的理论研究和实现 t 移去冗余部分* * r f c i 和净荷送交上层* p r l v a t e ： u n s i g n e ds h o r ti n c r c ；* 帧处理器模块送来的c r c 值+ ， 4 其它重要数据结构 下层送来的i u u p 帧以及组装好的准备下传的n b u p 帧，其头部由于三个模块都需 要使用，故使用全局变量定义： u p _ p d u _ t y p e 0 _ h d rh d r i u u p ： u p _ p d ut y p e 0 一h d rh d r n b u p ； 使用全局变量进行定义的好处是三个模块都可以使用共同的资源，而不必要每 个模块自己定义，这些变量是u p 层共有的并且在u p 层是唯一的。 3 3 4i u u p 层处理的实现方案 3 3 4 1i u u p 层的处理过程 a m r 语音在i u u p n b u p 的支持模式下进行传送。从i u 接口收到的a m r 语音包都是封 装在i u u p 包中再承载于a a l 2 上的。在经过了a a l 2 层的一系列处理后，i u u p 层从 t n l s a p 收到的语音包为i u u pp d ut y p eo 格式的包。 i u u p 层收到下层送来的用户数据帧后，在i u u p 层进行的处理如下： 1 帧处理器功能模块检查帧头的连续性，正确时存储帧号，并将i u u p 帧负荷以 及相应的c r c 送给n a s 数据流特定功能模块，r f c i 送过程控制功能模块。 2 n a s 数据流特定功能模块检查负荷c r c ，如果过程控制功能模块只是r f c i 正确 且和i u u p 帧负荷匹配，n a s 数据流特定功能模块根据r f c i 信息移去填充比特和冗余部 分信息，然后将r f c i 和净荷送上层( n a s 层) 。 语音的成功传送过程如下图： 5 0 詈)眦 ； 阻 垤 n & l 舱 舱 讯 坩 a m r 语音在m 上承载的理论研究和实现 图3 8 用户数据的成功传输 如果携带用户数据的i uu p 帧没有正确成帧，或不能被接收l uu p 协议层正确 处理，l uu p 协议层或放弃该帧，或将该帧同指示该帧故障的帧分类信息一起传送至 高层。该决定基于针对特定r a b 的i uu p 实现的配置数据( 即：r a b 是否要求发送故 障帧) 。此处由于是传送a m r 语音，故采用发送故障帧的方案。 如果l uu p 协议层通过收到的帧号序列出现间隙检测到帧丢失，则接收l uu p 协 议层将向过程控制功能报告这种情况。 图3 9 用户数据非成功传输 ( 注：图中的1 ) 故障帧，2 ) 检测到帧丢失。) 垒坚! 堕重壅里圭垦墼塑理笙塑壅塑塞望 3 3 4 2 i u u p 层处理的实现算法 上一节简单描述了i u u p 层接收帧时成功和失败的情况，下面是i u u p 层处理工作 的具体流程图。 图3 1 0i u u p 层处理流程图 在上图中，有几点需要说明： 其一是帧号的检查。检查帧号是为了避免帧的丢失。由于帧号的增加可以基于 两种策略：基于时间和基于p d u 。此处采用的是帧号应基于时间( 按照i t i ：i ut i m i n g i n t e r v a l ，某个r a b 发送p d u 的最小时间间隔) 增加。 a m r 语音在口上承载的理论研究和实现 其二是出错的处理，此处采用向上层汇报的方式。这是因为由于传送的是a m r 语音，m s cs e r v e r 在指示m g w 建立承载时在其参数中已经强制要求了这种出错处理的 方式( “d e i v e r yo fe r r o n e o u ss d u s ”设置为? e s ”) 。 最后，判断r f c i 和帧负荷是否匹配时，此处只做一个简单的判断，即帧的有效 载荷对于r f c i 来讲不是太短即可。 3 3 4 3r f c i 以及r f c 的设置 从上图还可以看出，要从i u u p 帧中恢复出a m r 语音，r f c i 是一个关键参数。在u p 的上层( n a s 层) 存在a m r 语音帧和i u u p n b u p 帧的映射表，r f c i 是重要的索引线索。 此映射表也可以放在u p 层中，但考虑到i u u p 和n b u p 都要分别保存一份，这在两个u p 层有相同映射的情况下会浪费资源，同时引起不必要的时延，因而此处采用前一种 映射方式，即映射表放置在n a s 层中，后面在n a s 层处理的实现过程一节再详细讲述。 r f c i 是在i u u p n b u p 初始化过程中由r n c 分配的，r f c i 及其各自的s d u 尺寸值的列 表组成r f cs e t ，在i u u p n b u p 初始化帧( 使用u pp d ut y p e1 4 格式) 中传送并保存 在呼叫途中的各个节点。 传送a m 嚆音时，u p 层的初始化帧中的s d u 尺寸值对应于a m r 语音的不同级别设 置。 下面以1 2 2 k b p s 的a m r 编码为例来说明u p 初始化帧中一个r f c 的设置方法。 对于1 2 2 k b p s 的a m r 语音编码，一帧中共含有2 4 4 比特。根据其编码规则，可以 分为三个等级：c l a s sa ，c l a s sb ，c l a s sc 。 三个等级分别放于三个r a b 子流中传送： c l a s sa ：8 1b i t s 一一r a b 子流1 c l a s sb ：1 0 3b i t s 一一r a b 子流2 c l a s sc ：6 0b i t s 一一r a b 子流3 这三个子流就对应于一个r f c ，其r f