隨著IP協議在世界范圍內的廣泛應用以及CDMA移動通信系統的飛速發展，基于IP網絡架構的CDMA2000系統的設計問題日益受到人們的關注。在設計基于IP的CDMA2000系統時，A接口的設計是關鍵。由于系統核心網絡的全IP化，并引入了控制與業務、傳送與接入分離的軟交換設計思想，在IP上實現A接口協議與在傳統電路交換上實現A接口有所不同，主要是需要設計信令與業務分離的A接口協議棧" title="協議棧">協議棧以及信令流、業務流在IP承載方式下的傳輸。
1 IP架構下CDMA2000系統A接口研究
　　A接口是無線接入網與核心網之間的接口。在CDMA2000系統中A接口包括：A1/A2、A3/A7、A8/A9和A10/A11等接口，它們滿足3GPP2 IOS4.1規范。A1/A2接口是CDMA2000系統移動交換中心(MSC)與基站控制器(BSC)之間的接口，該接口秉承CDMAOne系統。A1接口用于傳輸MSC與BSC之間的信令信息；A2接口用于傳輸MSC與BSC之間的話音信息。MSC與BSC之間的A1/A2接口，傳統上稱之為A接口，下文中如不特殊聲明A接口即指此接口。
1.1 基于IP的CDMA2000系統體系結構
　　目前CDMA系統模型有很多種，這里結合一種基于IP架構的CDMA2000系統討論A接口的設計。本系統采用多種無線傳輸與接入技術、IP網絡技術以及軟交換控制技術等，其核心交換機制為IP交換機制，即利用統一的IP交換平臺在各功能部件間交換信令控制信息和業務數據信息。系統結構如圖1(a)。
　　系統主要劃分為以下幾個模塊：
　　·無線接入單元WAU(Wireless Access Unit)：完成空中接口物理信道的收發處理，建立和維護與無線終端設備之間的無線通道連接。
　　·無線接入服務器WAS(Wireless Access Server)：主要完成與WAU之間接口信令的處理和與CS的交互，輔助CS實現電路型業務的無線資源管理與控制、移動性管理和呼叫控制功能。
　　·呼叫控制服務器CS(Call Server)：主要完成無線資源和呼叫的控制與管理，實現軟交換中媒體網關控制器的功能。
　　·電路媒體網關CMG(Circuit Media Gateway)：實現連接PSTN、ISDN和PLMN的網關功能以及話音壓縮編解碼功能。
　　·呼叫信令網關CSG(Call Signaling Gateway)：為系統中分布的各種應用提供穩定、可靠的信令支持。
　　以及位置寄存器(LR)、分組數據業務網(PDSN)、操作維護中心(OMC)等模塊。
1.2 A接口的網絡架構
　　A接口架構如圖1(b)所示，MSC與BSC之間的接口即為本文所研究的A接口，包含信令和用戶業務兩個子接口，對應標準A接口中的A1/A2接口。CS與WAS之間的接口構成信令子接口;對應標準A接口中的A1接口, 用于傳輸MSC與BSC之間的信令消息；WAS業務部件與CMG之間以及兩個WAS業務部件之間構成了業務子接口，對應標準A接口中的A2接口，用于傳輸MSC與BSC之間的話音業務信息。電路分配單元CDB在CS與CMG的控制關系中起輔助作用，負責選定路由。

2 基于IP的A接口方案設計
2.1 A接口協議棧設計
　　傳統電路交換型CDMA系統中A1接口采用3GPP2的IOS4.1版本規范中規定的七號信令SCCP 0類和2類協議及MTP等作為低層傳輸協議。基于IP的CDMA系統引入軟交換思想，呼叫控制與業務承載分離。而SCCP信令協議又無法分別交換控制和承載的信息，因此需要新的信令系統支持。本系統的A接口采用TCP/IP協議作為低層傳輸協議。
　　協議棧結構如圖2所示。

　　信令和業務子接口協議棧的物理層、數據鏈路層和網絡層協議均采用商售以太網交換機上的標準協議。傳輸層采用本系統的專利技術：RUDP協議代替了傳統的七號信令SCCP。信令子接口應用層內容基本對應3GPP2的IOS4.1版本規范A1接口中的基站管理應用部分(BSMAP)和直接傳遞應用部分(DTAP)；業務子接口應用層內容以媒體數據為主。
　　RUDP協議是“Reliable UDP”的簡稱，是一種自定義的、為UDP引入可靠傳輸機制的簡化協議。它兼顧有TCP的可靠性與UDP的高效性，是本系統可靠傳輸所采用的協議。RUDP的基本思想是在UDP包頭內加入兩個字節的協議頭，即一個字節的前向序號和一個字節的后向序號。圍繞這兩個字節的協議頭，RUDP協議采用了一套證實機制、重發機制、序號對齊機制分別保證了RUDP通信的可靠性、高效性和數據流的有序性。RUDP協議技術保證了系統內信令和業務數據的傳輸性能要求。
2.2 信令子接口設計
2.2.1 信令連接建立方式
　　(1) 傳統的信令連接建立方式
　　傳統CDMA系統A1接口信令采用了七號信令SCCP的0類基本無連接業務和2類基本有連接業務。SCCP通過E1接口傳輸信令消息建立信令連接。E1接口即一個PCM中繼電路，可以同時容納32時隙" title="時隙">時隙×64kbps的語音數據。在32個時隙中，第0時隙被用作幀同步信息，第16時隙作為SCCP的信令通道，其余30個時隙被用作語音通道。這樣，第16時隙就被信令消息全時獨占，無論該時隙空閑與否，均不允許其它消息(語音消息)使用，造成了資源浪費。
　　(2) IP架構下的信令連接建立方式
　　由于協議棧采用了TCP/IP傳輸協議，因此在設計A1接口信令連接方式時取消了基于無連接方式的應用，所有信令均基于有連接方式傳送。
　　在A1接口上以目的設備ID(D_DID)、目的處理ID(D_CID)和源設備ID(S_DID)、源處理ID(S_CID)組成的四元組唯一標識一個信令連接。信令連接以一次握手的機制建立。連接建立方首先發送源處理ID為空的連接起始建立消息，接收方進行處理后回送的第一條消息為本次處理申請的處理ID，雙方連接建立完成。所有信令均基于有連接方式傳送，連接建立的流程如圖3所示。

　　實體1與實體2之間由實體1發起一個基于連接的處理流程，實體1首先申請處理ID，在始發消息的信件頭D_DID中填對端實體2的設備ID，D_CID填空；S_DID填實體1的設備ID，S_CID填本地處理ID。
　　實體2收到D_CID為空的始發消息，確認可以處理后申請處理ID，向對方發送后續處理消息，消息中D_DID、D_CID置對方DID和CID，S_DID、S_CID置本身DID和CID。至此雙方信令連接成功。
2.2.2 消息及消息元素
　　繼承了標準BSAP協議中定義的大部分消息和消息元素，并結合IP網絡特性增加、刪除了部分消息和消息元素。
　　(1) 由于A2接口上用戶業務基于IP傳輸，完全取消了A2接口電路的概念，因此刪除所有地面電路管理類消息和電路識別碼CIC等消息元素；因簡化了清除流程，而刪除呼叫處理類的清除請求消息；
　　(2) 增加兩條用于呼叫建立的新消息。
　　放語音通知：由CS發向WAS，用于向移動臺播放輔助語音；
　　開始語音業務：由CS發向WAS，用于向WAS通告呼叫對端的業務端口地址，開始接入通話狀態。
2.2.3 A1接口上的呼叫處理流程
　　以移動臺(MS)始發語音呼叫為例介紹呼叫建立流程，并以BSC側發起為例介紹了呼叫清除流程。
　　(1) MS始發語音呼叫建立流程
　　流程建立如圖4(a)所示。
　　a.MS發起語音呼叫，WAS收到控制信道上傳來的始發消息，選定某個CS，發送連接管理CM(Connection Management)業務請求消息；
　　b.CS收到CM業務請求消息，確定能夠處理，申請處理ID后向WAS發送連接確認消息，建立IP虛連接；
　　c.CS根據WAS建議的業務選項，發送指配請求消息，請求WAS為MS指配無線業務信道；
　　d.WAS指示WAU與MS交互，完成無線業務信道指配，向CS發送指配完成消息，等待CS進行后續呼叫處理；
　　e.CS進行呼叫接續，發現被叫為本局MS，進行尋呼被叫流程，在被叫開始振鈴后，向WAS發送放語音通知，指示WAS通過帶內音向主叫MS播放回鈴音，提醒主叫MS等待被叫摘機；
　　f.CS收到被叫MS的應答指示，向WAS發送“開始語音業務”消息，通告被叫MS的業務端口，WAS收到后，建立業務鏈路IP虛鏈接，開始交互語音數據包，主被叫雙方進入通話狀態。
　　在步驟e中如果CS進行呼叫接續時發現被叫為外局MS或外網終端，則先通過CMG申請出局中繼電路，將WAS端口與出局電路連接，然后直接向WAS發送“開始語音業務”消息，通告出局電路的業務端口。WAS收到后，與出局電路業務端口建立虛連接，后續呼叫處理提示信息(如回鈴音等)由出局電路通過業務鏈路由帶內音向主叫MS提供。
　　(2) BSC側發起的呼叫清除流程
　　標準A接口協議中，無論是哪一側發起的呼叫清除，都只能由MSC向BSC發送清除命令。如果是BSC側發起的呼叫清除，則BSC必須先向MSC發送清除請求消息，再由MSC通過發送清除命令指示BSC釋放相關專用資源(如地面電路)。
　　在IP架構下，已取消了地面電路概念，因此對呼叫清除流程進行了簡化，取消了清除請求消息，BSC側可以直接向MSC發送清除命令。
　　BSC側發起的清除流程如圖4(b)所示。

　　a.WAS收到移動臺發來的釋放指示或由于其他原因，首先釋放本次呼叫相關資源，然后向CS發送清除命令，指示CS清除本次呼叫；
　　b.CS收到WAS發來的清除命令，釋放本次呼叫相關資源后，向WAS發送清除完成消息，同時釋放處理ID。WAS收到清除完成后也釋放處理ID，完成整個信令連接的釋放。
2.3 業務子接口設計
2.3.1 IP包交換方式
　　因核心網絡基于IP架構，故業務子接口采用IP包交換方式傳輸業務流。IP包交換基于IP包格式的分組交換，是一種非面向連接或無連接的存儲轉發方式。各種語音、數據業務都采用IP包的格式，使用統一的以太網接口及協議，通過網絡交換完成傳輸。它可實現多種速率的交換，能靈活支持帶寬不同的多種業務，并且只在發送時才占用網絡資源，網絡資源可由各個業務共享。
2.3.2 IP包交換下的業務流控制模型
　　業務子接口的資源實體包含WAS業務部件和CMG。WAS業務部件的業務端子稱為WAS端口，它可以輸入輸出IP包媒體流，完成無線接入網與核心網業務流的交互。CMG包括兩種業務端子：中繼端口和聲碼器" title="聲碼器">聲碼器。中繼端口完成PCM語音流的輸入輸出。聲碼器完成PCM流和IP包媒體流的轉換。這三種業務端子的不同組合衍生出不同的業務流控制模型，完成用戶業務流在業務子接口上的傳輸。
　　(1) WAS與WAS相同聲碼器編碼類型
　　主被叫雙方位于同一局且雙方聲碼器類型相同時，呼叫一方產生的業務包可以不經CMG進行編碼類型轉化而直接通過內部IP網絡發送到另一方。雙方業務端口均為WAS業務端口。
　　(2) WAS與WAS不同聲碼器編碼類型
　　主被叫雙方位于同一局但雙方聲碼器類型不同時，呼叫一方產生的業務包必須經本端聲碼器轉換為PCM語音流，再通過將兩端聲碼器的PCM出口對接形成的IP隧道輸入到對端聲碼器中；對端聲碼器將PCM語音流轉化為IP包，再經由網絡發往另一方的WAS端口。
　　(3) WAS與中繼端口
　　主被叫雙方位于不同局且其中一方的業務端口為中繼端口，或一方為漫游用戶、另一方的業務端口為中繼端口時，需要一個聲碼器來完成IP包與PCM語音流的轉化，且此聲碼器與中繼電路須處于同一CMG中。
　　(4) 中繼端口屬于相同CMG
　　呼叫雙方的業務端口皆為中繼端口并且屬于同一CMG時，將兩中繼端口的PCM出口對接即可實現業務交互。
　　(5) 中繼端口分屬不同CMG
　　呼叫雙方的業務端口皆為中繼端口但不屬于同一CMG時，雙方需要在各自中繼端口所屬CMG上申請一個聲碼器以完成PCM語音流與IP包的相互轉化。一方發出的PCM語音流經聲碼器轉化為IP語音包，進行網絡交換后到達另一方所屬CMG的相應聲碼器，再轉換為PCM語音流通過中繼端口發送出去，反之亦然。
　　通過對以上各種模型的分析可知，在無線IP環境下實現移動終端之間的話音業務時，業務流在A接口上無需經過編碼類型轉換而以IP包方式直接交互，節約了聲碼器資源，避免了標準A2接口上固定的聲碼器－中繼－聲碼器連接模式中兩次編解碼變化對語音質量的損失，從而提高了業務質量。
3 指配流程的改進
　　(1) 標準指配流程描述
　　如上所述，在設計A接口協議流程時，繼承了標準流程中的指配流程：即收到CM業務請求或尋呼響應時，WAS并不立即與MS建立無線業務信道，而是收到CS的指配請求消息后，WAS才開始與MS交互并開始建立無線業務信道。
　　(2) 弊端
　　在測試過程中，WAS從收到MS初始信息到收到CS的指配請求最多可能需要6s。而CDMA無線環境是高時變系統，每時每刻都可能因為MS的移動或周邊環境的變化引起無線環境的變化。這樣當WAS收到CS指配請求、開始在MS始發消息帶來的無線環境參數指導下建立業務信道時，以前的測量參數已不完全適合現在的無線環境，這樣基站要俘獲MS只有加大功率反復搜索，對設備資源和系統容量都有很大的負面影響，同時系統呼損率較高。
　　(3) 改進
　　鑒于上面的分析，對指配流程進行改進：在不支持加密業務的前提下，把業務信道建立的時機提前，即只要WAS收到MS的始發消息，就開始俘獲MS建立業務信道；待業務信道成功建立后，WAS再向CS發送A1接口呼叫建立消息，這樣MS就不會在業務信道建立前的間隙逃脫。實踐證明以上流程的修改顯著降低了系統的呼損率。
　　(4) 進一步研究
　　指配流程在標準接口中有兩個作用：指配地面電路、指配無線信道。基于IP的CDMA2000系統取消了地面電路，如果把無線信道的分配提前，則指配流程就完全失去了意義，因此提出了取消指配流程的提前分配流程方案。
　　以MS始發語音呼叫建立流程為例，對這兩種實現方式做對比，如圖5所示。

　　在基于IP架構的CDMA系統中設計實現A接口協議是一項創新性的工作，目前國際、國內相關標準組織和研究機構只有一些概念性的要求，尚無具體規范。因此，本文在這方面的工作具有一定的開拓價值。與傳統的移動通信系統相比，基于IP架構的CDMA系統A接口協議設計簡化了信令流程，提高了業務質量，符合未來移動通信全IP化的發展趨勢。目前本系統的A接口研發成果已通過系統測試，運行狀況良好，表明A接口設計方案的正確性。