cdma2000-1x系統中的短消息業務與控制信道

一、短消息業務概述

　　短消息作為一項極具吸引力和人氣的增值業務，愈來愈成為以話音業務為主導的移動通信網絡的另一個重要賣點。 種類繁多的數據增值業務是基于短消息這種移動數據通信手段的，如手機銀行、手機證券、信息點播、移動OICQ業務、無線電子郵件、無線數據和傳真等。我們在這里把這些業務統稱為短信息業務。據有關調查表明：目前全球1個月的短信息發送量已達到150億條。率先開展此項業務的歐洲，每天發送的短消息為2000萬條，GSM運營商8％至20％的收入來自短消息。短信息業務像風暴一樣席卷歐洲大陸。在中國，兩大移動運營商正逐步實現短消息的互連互通。短消息和基于短消息的各種新業務層出不窮。短信息服務具有開通方便、收費低廉、內容豐富、應用廣泛等特點，迅速獲得了移動用戶的青睞。據預測，至2005年底，中國移動用戶將達到3.84億，無線數據用戶達1.87億。短信所蘊涵的巨大的潛在商機受到運營商們的高度重視。

　　現有短消息以支持短文本為主。今后，短消息內容將朝多媒體內容發展。這類增強型短消息服務（EMS）最大的特色是支持多媒體消息，可以傳送視頻片段、圖片、聲音和文字，傳送方式除了在手機間傳送外，還可以是手機與電腦之間的傳送。多媒體短消息業務與高速寬帶的cdma2000-1x系統將極大推動短消息增值業務的發展。

二、短消息服務協議描述

　　1．網絡參考模型

　　短消息服務（SMS）的網絡參考模型提供了執行一定功能的實體和實體之間的接口參考點，它們從功能上包含了一個無線網絡。這是一個抽象的模型，具體實現根據實體在設備中分布的不同而不同。

　　MS(Mobile Station): 移動臺
　　UIM(User Identity Module): 用戶身份模塊
　　ME(Mobile Equipment): 移動設備
　　PSTN(Public Switched Telephone Network): 公眾交換電話網

　　這個模型中的基站（BS）包含收發器設備（如天線）、移動交換中心（MSC）和與其它設備連接的接口。模型中的消息中心（MC）執行通用的SMS消息中心功能。N參考點表示一個SMS消息中心和一個BS之間的一個或多個標準化接口，位于BS內部。終端設備（TE）是語音和數據設備（如計算機），直接或間接的與消息中心相連。消息中心包含于基站中或與基站同在一地。這樣移動臺或終端發出的短消息可以在消息中心指揮下通過基站或市話網的幫助轉發到相應的移動臺或終端。

　　2．SMS協議

　　每個實體包含一定的協議層，以實現實體之間的正常通信。在cdma2000-1x系統中，SMS 協議堆棧表示了一個傳送SMS的網絡的簡化圖。移動臺發出的消息經過基站轉發到消息中心，或方向相反。基站作為唯一的中間傳遞者（SMS消息中繼點）。從理論上講，可以有任意多個中繼點，都包含類似于基站的SMS協議堆棧。

　　SMS系統負責在消息中心和移動用戶設備間傳送消息，而SMS承載業務是SMS系統的一部分。承載業務由SMS傳輸層和SMS中繼層提供。SMS傳輸層是承載業務協議的最高層。傳輸層管理端到端的消息傳送，相當于引路員。在中繼點的實體里，傳輸層負責從下面的SMS中繼層接收SMS傳輸層消息，翻譯目標地址和其它路由信息，并要求下面的SMS中繼層按地址轉發消息。在終止點的實體里，傳輸層提供介于SMS電信業務和SMS承載業務間的接口，相當于把消息最終交給接收者使用。SMS中繼層作為傳輸層和鏈路層間的中介。鏈路層完成一些底層的功能，為SMS中繼層服務。

三、cdma2000-1x控制信道對SMS的支持

　　SMS提供了位于移動臺上的一個應用（如發一個短消息）和位于網絡內的一個應用（如MC上收一個短消息）間的短消息傳遞，MSC和BS相當于兩個應用間的短消息輸送管道。

　　cdma2000-1x系統支持三類基本的短消息：移動臺發起的點到點、移動臺終止點到點和廣播（點到多點）。移動臺發起和終止的短消息可以要求短消息在移動臺與基站間的兩個空中接口方向上交換。因此，一個激活的移動臺能夠在任意時刻收發短消息。能傳送的最大短消息字符數目，依照所使用的空中接口和電信業務類型而變化。每個短消息應在MSC-BS接口上的一個單一消息內傳送，不提供短消息的分塊和組裝。

　　1．短消息業務與系統容量性能的相互影響

　　為了更好的支持短信業務的開展，同時保證話音業務仍能正常提供，兩種業務對無線接入系統的影響必須加以認真的研究。在移動臺發送（MO）模式下，短消息通過業務信道或控制信道發送；而在移動臺接收（MT）模式下，短消息通過業務信道或尋呼信道發送。一方面，由于CDMA系統是干擾受限系統。因為短消息業務產生的信號與其它業務（如話音）所產生信號的相互干擾，系統容量受到干擾大小的限制。另一方面，短消息業務要使用接入和尋呼信道資源，而這些公共控制信道為呼叫接入、手機注冊、軟切換等系統功能服務，當業務繁忙時，大量短信息對這些信道帶來的壓力會影響其它業務，例如使呼損增加。因此需認真考慮短消息業務使用公共控制信道對系統性能和容量帶來的影響。

　　2．空中信道對移動臺發起SMS（SMS-MO）的支持

　　SMS-MO消息從MS發送到BS，既可以使用控制信道（接入信道）也可以使用業務信道。一個已占用業務信道的MS（如正在通話的用戶）將使用那個業務信道來發送一條SMS-MO消息。一個空閑的MS可依據消息的長度，如100bytes，選擇信道。當小于此值，可以使用接入信道傳送，否則需請求一個業務信道來發送一條SMS-MO消息。

　　（1）SMS-MO消息在控制信道上的傳送

　　比起IS-95A系統，cdma2000-1x系統增加了增強接入信道。短消息可以在增強接入信道的預留接入模式下發送。預留接入模式的接入過程是增強接入探頭由一個先導和一個增強接入報頭構成。增強接入報頭包含數據速率指示等信息。移動臺在獲得基站的確認（EACAM）后，在指定的反向公共控制信道（RCCCH）上發送短消息，同時在前向公共功率控制信道的幫助下對發送實施閉環功率控制。預留接入模式這種短消息傳送方式選擇在增強接入信道上傳送信令消息，在公共控制信道上來傳送短消息。其它控制和信令在其它前向控制信道上傳送。比起IS-95系統，cdma2000系統對利用接入信道傳送消息的機制作了重要改進。一是接入信道的各個時隙采用不同的長碼掩碼（可起區分作用）進行調制，減少了接入探頭碰撞的概率，接入成功率大大提高。而IS-95系統中，只要所發的不同幀在時間上有一點重疊，就會發生碰撞。碰撞的結果是使碰撞的雙方（也可能是多方）所發送的數據都出現差錯，因而都必須進行重發，效率很低。二是短消息數據部分通過其它信道傳送，減輕了接入信道負荷和減少了接入信道產生的干擾。三是采用了閉環功率控制，可實現軟切換功能，提高了數據正確率，并提高了反向鏈路性能。

　　（2）SMS-MO消息在業務信道上的發送-無已分配的業務信道

　　當MS閑時，如果MS認為消息過長，就決定使用業務信道來傳送。SMS自一個空閑移動臺在業務信道上的發送分為接入、數據傳送和信道撤消三個過程：手機發送一個初始信息，其中的服務選項信息單元包括短消息服務選項號。此后，BS對請求予以確認，并把相關的服務請求信息發送到MSC。然后建立MS與BS間的業務信道。數據突發將通過反向業務信道傳送到BS，BS送出確認，并通過ADDS轉發消息到MSC。獲得MSC的確認后，BS通過公共信道告知MS釋放業務信道，MS給以確認。之后，各自釋放信道資源。這種方式將使用大量的控制和信令信息，消耗額外的公共控制信道、業務信道資源，還產生了較大的信號干擾，從而加重系統負擔。而且信道建立和釋放過程將產生很長的延時，一般空中接口部分（MS-BS）產生的延時大于0.5秒。對于延時嚴格受限的短消息，不適合通過這種方式來發送。但由于業務信道采用了閉環功率控制，能較好的保證傳送數據的正確性。因此這種傳送方式適合很長且延時要求不嚴格的消息。

　　(3)SMS-MO消息在業務信道上的發送-有已分配的業務信道

　　短消息可以通過反向業務信道的數據突發消息來傳送。在收到短消息后，基站在前向業務信道發送層2確認消息加以確認。因此，這種傳送方式利用了已有的專用信道，幾乎不占用控制信道，節省了信道資源，減小了信號干擾。而且交互次數少，保證傳送的時延較小。同時，由于業務信道采用了閉環功率控制，能夠較好的保證數據傳送的質量。而且比起通過尋呼信道傳送，短消息長度的上限大大增加。但這種方式要求發短消息的移動臺正在對業務信道的控制當中，但這個條件并不總是存在。

　　3．空中信道對移動臺接收SMS（SMS-MT）的支持

　　當短消息從基站發出時，如果目標移動臺處于業務信道上，短消息通過這個業務信道發送。如果移動臺空閑，并且短消息長度較小，可以通過尋呼信道發送，否則需要建立業務信道來發送。

　　在尋呼信道上主要有三類與呼叫處理和業務相關的消息。第一類是系統的開銷消息，這些參數定期被更新。第二類是普通的尋呼消息。當收到呼叫或業務請求時，尋呼消息將在所有小區的尋呼信道上廣播。第三類消息是定制的尋呼消息，包括信道分配消息，命令消息、SMS消息等，它們只在目標扇區和尋呼信道上發送。尋呼信道負荷過重時必須及時減荷。短消息雖然只在一個小范圍（如一個扇區）上發送，但業務量大時，對尋呼信道功能會產生不良影響。

　　(1)SMS-MT消息在尋呼信道上的發送

　　cdma2000-1x系統的尋呼信道采用80ms時隙結構。由于任何消息都不能占用三個以上的連續的尋呼信道時隙，短消息最多可占用兩個連續時隙。當尋呼信道速率為9600bit/s，兩個時隙可容納192bytes。而除去開銷后，可容納的短消息數據長度實際上更小，例如只有140bytes。

　　一般SMS-MT消息在尋呼信道傳送時，基站可以直接發送包含短消息的尋呼信道遞送消息。移動臺監視尋呼信道并在收到消息后，在反向接入信道上發送層2確認消息予以確認。這種方式不需要建立專用信道，占用信道資源較少，信號干擾較小。交互次數很少，延時相對較短。缺點就是各個移動臺的信道條件和距離基站遠近彼此不同，而尋呼信道采用統一的功率發送，在沒有功率控制的情況下，數據的正確性無法保證。而且，當尋呼信道負荷較重時，短消息繼續通過尋呼信道發送使系統性能惡化，并導致短消息傳送延時增加。

　　(2) SMS-MT消息在業務信道上的發送-已分配的業務信道

　　短消息可以通過前向業務信道傳送。在收到消息后，移動臺在反向業務信道上發送層2確認消息加以確認。因此，這種傳送方式利用了已有的專用信道，幾乎不占用控制信道資源，節省了信道資源，減小了信號干擾。交互次數很少又使得傳送的時延很小。同時，由于業務信道采用了閉環功率控制，能夠較好的保證數據傳送的質量。比起通過尋呼信道傳送，短消息長度的上限大大增加。但要求發送短消息時移動臺處于對業務信道的控制當中，而這個條件并不總是存在。

　　(3) SMS-MT消息在業務信道上的發送-無已分配的業務信道

　　 SMS到一個空閑移動臺在業務信道上的發送。當MSC決定發送一條SMS點到點消息到一個空閑移動臺，并且短消息很長不適合通過尋呼信道發送，則MSC將選擇用一個業務信道來發送。消息傳送的總過程如圖5，分為接入、數據傳送和信道撤消三個過程：MSC發送一個尋呼請求消息，其中的服務選項信息單元中包括短消息服務選項號。此后，BS發送一個尋呼消息給移動臺,然后建立MS與BS間的業務信道。信道建立以后，MSC發送一個包含短消息數據的ADDS遞送消息給BS。BS將通過前向業務信道把包含短消息的數據突發消息發送給MS。MS在反向業務信道上用層2確認消息加以確認。如果Bearer Reply Option包括在SMS點到點消息中，則BS發送SMS確認消息給MSC。

　　這種傳送方式需占用較多的控制信道和業務信道資源，而且產生較大的信號干擾，使系統性能變差。且由于信道建立和釋放過程，延時相對很長。但由于業務信道采用了閉環功率控制，能較好的保證數據的正確性。因此這種傳送方式適合很長且延時要求不嚴格的消息。

　　4．空中信道對多媒體消息的支持

　　多媒體消息的內容，如聲音、動畫、圖片等，采用二進制的編碼，并且長度一般遠遠大于目前短消息文本的長度。由于現有SMS標準本身的限制，即使在業務信道上，短消息長度（包括開銷）最長只能達到255byte，并且無法識別二進制的編碼。

　　增強的消息服務（EMS）可以實現多媒體消息的傳送。EMS采用了用戶數據頭（TP-UDH），其中包含了各種多媒體二進制數據在用戶數據塊中的位置、屬性等格式化信息，因此可以在一個一般的短消息中包含二進制數據，傳送多媒體消息。EMS采用了短消息鏈接機制，鏈接消息的拆分和拼裝一般在移動臺實現。在發送端，可以把超長消息拆分為多個正常長度的短消息。每個短消息以TP-UDH開頭，TP-UDH中包含了鏈接短消息參考號（用以區分不同的鏈接短消息）、鏈接短消息中的最大短消息數、當前短消息序列號（接收端用此按順序拼接）等。在接收端，可以根據這些編號信息及發起地址信息、消息中心信息等把多個短消息重新組合起來。最大可以鏈接255個短消息，按每個消息包含用戶數據為140bytes，鏈接短消息可傳送的最大用戶數據長度為34.8kbytes。

　　由于多媒體消息一般很長，要利用EMS的拆分拼接功能，使用業務信道來傳送。雖然業務信道的建立和釋放產生一定的延時，占用一些控制信道資源，但可以避免頻繁的接入和尋呼過程，減輕公共控制信道壓力，提高接入和尋呼信道的工作效率。同時，由于采用專用信道來傳送消息，可以較好的保證消息數據傳送的正確性。