CT技术培训专栏:应用篇

2G到3G无线网络进化对回声取消器
和语音质量增强设备的影响

　　1.1 3G宣传和承诺　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　任何人，当他观看最新的电视商业节目时，都无法不注意到"铺天盖地"的有关即将来临的3G无线时代的辞藻。"通过您的便携式电话，可以在运动中高速浏览Web"，言过其实的技术人员声称道。"你可以在自己的便携式电话上观赏电影"，沉醉于此的企业家们预期道，期待着您惊讶地合不拢嘴。"它代表着令人惊异的政治改革"，社会头面人物气喘吁吁地说。"想象吧，单一的标准，目前的GSM和TDMA（IS-54）用户在具有强大竞争力的CDMA面前缴械投降"，3G狂热者齐声颂到。尽管这些辞藻具有很强的鼓动性和诱惑力，但它们仅仅是道听途说，最多只有一半是正确的。

　　考虑到其复杂性，在无线数据传输速率方面，需要花费数年的时间，早期的3G网络才能与现有的有线DSL（数字用户线）和电缆调制解调器相媲美。目前，3G的理论速率因实施起来的复杂程度受到了极大限制。

　　3G IMT-2000、UMTS以及CDMA-2000^①的能力建立在预期的和规划的业务能力之上，它们需要宽带虚拟信道，这样才能传输完整的运动视频并以很高的速率传输数据。考虑到带宽限制，对于宽带虚拟信道，唯一可行的实施方案是通过信息包技术，在信息包技术中采用了资源共享，能够最大程度地利用稀少的频谱资源。同样，在处理"猝发性"通信量时，其中包库奥需要在相对短的时间内用到大量频谱资源的呼叫，这时，信息包通信技术也是理想的选择。

　　人口稠密的中心地带通常配备了充足带宽的基础设施，能够同时支持大量的用户。与此同时，也允许单个用户在短时间内使用宽带信息包"猝发"服务。在都市区域，大量用户集中在相对较小的地理区域内，在宽带基础设施方面进行投资支持高人口区域，这是经济的选择。相反，在乡村地带或人口稀疏的地区部署宽带容量可能是一种浪费，而且从经济上讲也不具有吸引力。按照预期，这些地区的活动水平相对较低，在相当长的一段时间内，乡村宽带基础设施容量的相当一部分会处于闲置状态（部分甚至会完全闲置），这种可能性非常高。带宽是传输宽带信息包猝发的限制因素，因此对于人口稀疏的乡村地带来说，由于配备的宽带基础设备水平较低，无法提供这类服务。其结果是，乡村用户无法像人口稠密地区用户那样，享受到高容量宽带信息包猝发服务所带来的益处。

　　宽带命名，如W-CDMA，表明其信道带宽为5MHz。它是cdmaOne带宽的4倍，GSM的25倍。宽带信道服务所选择的带宽为的是高速传输数据。与cdmaOne不同（它会将所有的比特发送64次），W-CDMA（例如）会根据信号强度调整增益。也就是说，每个比特的发送次数介于4到128之间，当信号较强时，采用较低的速率。这意味着，在具有更强信号特征的区域，可用带宽更大。信号强度主要由移动终端和站（BTS）之间的距离决定。因此，在人口密度更高的区域，由于移动用户和BTS之间的距离较短，信号强度也趋于更强。

　　考虑到所有的因素，在乡村和都市区域之间，数据通信速率的变化程度很大。都市中央将享受到更丰富的频谱资源，乡村城镇可能不会享受到潜在的带宽增加所带来的好处（即使在相对成熟的3G网络内）。其暗指的含义相当明显：3G基础设施将包含2G和2.5G组件的组合。因此，在一次语音或数据会话过程中，移动电话用户能够游畅在纯粹的3G、增强的2.5G和标准的2G骨干网络之间。考虑到这种情况，仅当各种基础设施区间之间的变迁是半透明的时，通信质量和服务的一致性才能得到维护。关于这一重要事宜，将在本文件的第4部分中予以详细分析，并讨论了可能的补救措施。

　　即使按照夸夸其谈的广告宣传，考虑到其所作的所有承诺，在微小的蜂窝电话屏幕上观赏电影可能也不会像在大屏幕上那样流行。它或许会被追捧者视为迷人的新生事物，但大多数无线用户可能会对之感到厌倦。便携式电话是为移动、便利、以及相对较短的强化式交互应用而设计的。相比之下，观赏足本电影需要集中注意力，需要两小时的安静时间。或许3G电话会像无线摄像机一样找到更实际的用途：将视频图像发送到远程桌面计算机（或便携式计算机）屏幕上，供另一位用户观看。对于商业和业务应用来说，这种功能的吸引力更大，在这类商业应用当中，即使显示图像很有价值（如安全、新闻、广告、不动产、制造等）。

　　对于正在出现的3G标准，在设计时，考虑到了向后的兼容性。如其所指，3G便携式电话必须能够在完全的2G、2.5G和3G环境下使用。不仅如此，在世界各地3G通信的频谱安排还不统一，早期标准的芯片速率（cdmaOne、GSM、和TDMA设备）也各不相同。因此，如果打算使3G无线接口的低层结构与其前辈的结构保持相容，就必须将3G便携式电话设计成多带、多标准终端。3G标准正在演变为两类主要的CDMA版本。第1个版本W-CDMA被指定为继GSM和TDMA之后的标准。类似地，cdma-2000被视为cdmaOne的继任者。

　　3G数据和视频通信具有信息包传输的特征。然而，3G网络上的语音传输很可能用到信息包技术和线路交换技术。线路交换是2G和2.5G网络在传输语音信号时所采用的唯一媒介，3G应与嵌入式技术相容，这是一个基本要求。因此，3G演化必须采用混合技术，部分是慢速技术，部分是从"建立在线路之上的语音"向"建立在信息包之上"的语音过渡。不仅如此，如果所有的便携式电话均需要唯一的IP地址，那么其捆绑的IP地址数目会迅速超过现有编号系统的限度。显然，增大已有IP地址格式的新建议最终将得到认可，然而，一旦核准了该建议，会导致世界范围的升级事宜，这不禁让我们回忆起2000年"两位数字年?quot;所面临的难题。

　　显而易见，在通往3G的历程中，将会穿越2G和2.5G的组合阶段。2.5G标准是为了增强数据处理能力而设计的，它融合了两种不同的无线接口：GSM和cdmaOne。2.5G标准能够提供通用无线数据业务（GPRS），它是为了增进GSM而设计的，而cdmaTwo将是cdmaOne的下一个版本。在本文档第3部分中，详细讨论了这两种不同的体系结构，它们的关系，以及它们对话音通信的影响。

　　3G基础设施的实施方案降回到了新的现实基础。两种主要的限制因素显现了出来，通过对实施方案的重新评估，这两种限制因素促使人们放慢了前行的步伐。下面详细介绍了笼罩在目前状况上方的这些因素。

　　首先，竞争激烈的3G频谱投标（尤其是在欧洲），使得中标价格达到了如珠穆朗玛峰一般的高度。投标过程中的疯狂之举终于带来了后果，潜在的服务提供商面临了严重的财务危机。考虑到频谱竞标的首轮花费，经过客观的业务分析后发现，如果不是不可企及的话，它也相当棘手，很难证明它是有利可图的。与此同时，显而易见的是，2.5G"绿色应用"（即GPRS和cdmaTwo）能够提供相当一部分3G的功能，所需投资仅仅是3G一揽子部署总投资中可以忽略的部分。因此，2.5G成为拖延3G部署实施的主要力量。而且，作为通往纯粹3G基础设施的的踏脚石，它已得到了广泛的人同。因此，2.5G被定位为一种有吸引力的前进形式，它还能提供令人惬意的喘息空间，服务提供商在获得临时休整的同时，能够再次焕发活力。

　　第二，在服务提供商通往3G完全实施的路途上，却在美国的无线市场上面临了一个重大的障碍。与世界上的其他地区不同，美国的频谱资源已完全分配给了2G和其他无线电应用。由于美国没有专为3G通信而保留的频谱资源，实施3G时，只能通过与已有的2G分配交换带宽来进行。如果在行进过程中匆忙行事，同时转换相当大的一部分2G频谱资源，会造成严重的服务中断。由此导致的结果是，在美国，转向3G的步伐将是缓慢的，将求助于规定的行动过程，在整个迁移转换过程中，一次只能将一少部分2G资源转为3G的基础设施，同时还要保持足够的2G服务水平。

　　相对于以前的"2000年"计划，目前的3G进度显著滞后。截至目前为止，按照预期，到2002年，在日本将启用有限的商业3G基础设施，在欧洲要到2003年，而在美国则要推迟到2004年。类似地，不少2.5G基础设施（尤其是GPRS部署）很可能会在2001年投入使用，并迅速在现有的GSM网络中推广开来。与此同时，预计cdmaTwo（后面是1XMC）安装实例也将在cdmaOne基础设施内迅速蔓延。

二．2G网络（包括VQE）体系结构

　　2.1 2G应用

　　现有的基础设施由电路交换网络主宰，目前的2G无线系统［GSM、TDMA（北美）、以及CDMA（cdmaOne）］对其进行了补充。对于每一次通信会话过程，语音和数据（主要）通信体系结构均采用了专用的设备。所有这些标准的基础带宽均根植于单独的16kbps信道，每个信道中都有一部分用于系统开销。出于这种基本原因，无论是无线语音还是无线数据，都无法支持甚至接近常规长途（交换式）语音网络、DSL、或传统电缆调制解调器数据连接的质量水平。无线用户已经习惯为了移动带来的好处而放弃部分质量，但这种牺牲有一个临界点。如果越过了可用性这个临界点，低质量的语音连接和缓慢的数据链路不会被用户接受。面临嘈杂的无线语音呼叫时，消费者们?quot;挂断"、重拨、甚至转向替代连接（有线）。但也会有极少一部分全心全意的狂热者们仍会忍受缓慢和/或有限的无线数据容量。

　　使消费者满意并不断扩大用户基数，抱着这一目的，很多无线服务提供商求助于补救措施，对2G的缺点进行补偿。与此同时，数字无线语音与PSTN（公共交换电话网）的连接要求用到电回声抑制器（EEC），基于这一事实，人们将VQE ^②（语音质量增强）功能部件融合到了EEC设备中，从而通过单一装置，就能提供包容一切的信号处理功能。

　　2.2 2G网络拓扑

　　由于电回声来自2线/4线混合组件，只有对于"移动到PSTN"（公共电话网络）的连接来说，才需要用到EEC功能。同样，由于声学回声，对于"移动到移动"呼叫来说（也受益于"移动到PSTN"应用），VQE更加重要。GSM和CDMA/TDMA从两个不同的方面，处理了该事宜，请参见下面的介绍。

　　GSM实施了A-Interface（空中接口）体系结构。在图1中，给出了部署A-Interface战略的通用GSM网络配置。如图所示，这种拓扑方案在A-Interface上采用了VQE（EC-1和EC-2）功能，在PSTN接口处仅采用了EEC（EC-3）功能。这种方案给出了一种技术出众的格局。EC-3组件消除了源自"PSTN到移动"呼叫所致的电气（混合）回声，而EC-1和EC-2部件则在每一次的"移动对移动"以及"移动到PSTN"呼叫上提供了VQE（语音质量增强）功能。

　　然而，在高层次图（参见图1）上看上去良好的东西并非总能方便地转换为现实。对于在A-Interface上实施VQE的新GSM安装实例，人们发现了一个经济可行的解决方案，它由一个集成了VQE和EEC功能的组件构成。当将这个单一引擎安装在A-Interface上时（替代了EC-1和EC-2，并取消了EC-3），它能为每一次的"移动对移动"以及"移动对PSTN"呼叫提供了VQE（语音质量增强）和EEC功能。如果将单一集成组件安装在"PSTN对移动"连接上（取代了EC-3，消除了EC-1和EC-2），则仅能为"PSTN对移动"呼叫提供VQE（语音质量增强）和EEC功能。因此，在这种情况下，对于"移动对移动"呼叫，VQE功能不可用，因而"移动对移动"呼叫的语音质量将是不完善的。

　　CDMA/TDMA拓扑未采用A-Interface配置。在图2中，给出了一个典型的CDMA/TDMA配置。在EC-3组件中包含EEC和VQE功能，而且仅在"移动到PSTN"连接上部署了它。EC-1和EC-2组件局限于VQE功能范围内，仅用于"移动到移动"连接。EC-1和EC-2 VQE组件（移动到移动路径）无法与"移动到PSTN"连接共享通信量负载。因此，必须事先为每种呼叫类别分配容量，与A-Interface方案相比（即在A-Interface上部署了单一的集成式ECC和VQE组件），在非高峰期间，其闲置资源的总量很高。

　　3.1 3.1 2.5G语音和数据网络拓扑

　　2.5G体系结构不影响基本的语音传输或VQE概念。2.5G所提供的主要改进体现在其速度较高的数据通信能力上。在基站控制器（BSC处），将源自移动终端的无线传输路径（共享语音与数据）分离为语音和数据路径，如图3所示。分离后，通过一条单独的链路将数据传输给PCU（信息包控制单元），PCU负责将信号从无线协议转换为信息包协议（IP或ATM协议）。从这个观点上看，数据信号能通过因特网继续其路程，并抵达其最终目的地。

　　3.2 GSM数据-GPRS

　　2.5G技术和GSM一样得到了很好的定义，在2.5G技术中，数据应用完全由GPRS控制。其中，数据应用由GPRS（通用信息包无线电服务）支配。通过在众多用户之间共享14.4kbps GSM信道带宽，它实现了较高的通信速率。由于GSM将一个给定的频分多路复用（FDM）信道分成了8个TDMA时隙，GPRS所提供的理论带宽为115.2 kbps（8x14.4 kpbs）。然而，到目前，这种理论最大速度尚无法达到。现实情况决定了，其平均数据速率不会好于已有的电路交换业务，如HSCSD（高速电路交换数据），而后者的理论速率为57.6 kbps。由于目前移动单元电池技术的局限，这些理论速度限制令人难以捉摸，当数据速率大于14.4 kbps时，会导致严重的电池过热问题。

　　3.3 CDMA数据-cdmaTwo

　　符合cdmaOne标准的移动电话能够以16 kbps的速度收发数据。尽管在大多数这类数据都是重复信息，但却并非一定要这样。cdmaTwo标准（也称为IS-95b）采用了4个沃尔什码，能够生成64 kbps的最大速率（而不是使用单一沃尔什编码的cdmaOne所提供的16 kbps）。cdmaTwo标准支持CDMA 2.5G的数据能力（等同于 GSM GPRS）。其语音服务的体系结构与cdmaOne的相同，因此，可以使用如图2所示的相同拓扑，安放VQE（语音质量增强）设备。

①	国际移动电信-2000（IMT-2000），全球移动电话系统（UMTS），以及码分多路访问-2000（CDMA-2000）无线标准。（引"一－1.1"）
②	VQE功能部件：AEC（声回声控制）、NR（降噪）、AGC（自动增益控制）、NC（噪音补偿）、TFO（级联式自由操作）、A-Interface禁止等。（引"二-2.1"）

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