第三代移動通信系統的QoS 和資源管理

2019-11-03 09:27:07

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張銀華陳剛南京郵電學院　　【摘要】隨著通信網絡的不斷完善，用戶對網絡所提供的業務性能的要求不斷提高，QoS（服務質量）已經成為通信系統的一個非常重要的指標，決定了用戶的滿意程度。本文概述了第三代移動通信系統（3G）的QoS資源管理，其中著重描述了全球移動通信系統（UMTS）的QoS。

1 引言

　　目前，全球移動通信正以前所未有的高速度發展，而3G的標準也在不斷完善。3G將為移動環境下的終端用戶提供話音、數據以及各種多媒體業務。在ITU-T E.800 建議中，QoS 被定義為業務性能的綜合效果，決定了用戶的滿意程度。QoS 由應用于業務的所有性能因素的組合表示，這些性能因素如業務的可保持性、易獲得性、可超作性、完整性以及安全性等。

2 UMTS QoS

2.1 UMTS QoS 的結構

UMTS QoS 結構如圖1 所示。

　　為了實現網絡的QoS，必須在業務的起點和終點之間建立明確定義了的屬性和功能的承載業務。網絡的承載業務描述了該網絡是如何提供QoS 的，而承載業務由信令協議、用戶平面傳輸和QoS 管理功能來定義。當端到端的業務涉及到多個網絡時，端到端的承載業務由業務所經路徑上不同網絡的承載業務組成。

　　在UMTS 中，端到端的業務可以分解成終端設備/移動終端（TE/MT）局部承載業務、外部承載業務和UMTS 承載業務。TE/MT 局部承載業務負責移動臺（MS）的不同組成部分之間的通信，這些組成部分可以是MT 和一個或幾個相連的TE,其中MT 負責通過空中接口到UMTS 陸地無線接入網（UTRAN）的物理連接。外部承載業務則負責核心網絡（CN）和外部網絡終端的連接。UMTS 承載業務由無線接入承載（RAB）業務和核心網承載業務來實現，這兩種業務反映了在各自蜂窩網絡拓撲上實現UMTS 承載業務的最優方法。

　　RAB 業務在MT 和CN Iu 邊緣節點之間提供信令和用戶數據的保密傳輸，這種傳輸將保證UMTS 承載業務協商的QoS 或信令的缺省QoS。該業務基于無線接口的特性，并且對正在移動的MT 也保持其QoS。

　　CN 承載業務連接UMTS CN Iu 邊緣節點和通向外部網絡的CN 網關，該業務的作用為有效地控制和利用骨干網來提供協商的UMTS 承載業務。UMTS 分組核心網將支持有不同QoS 要求的各種骨干網承載業務。

　　RAB 業務由無線承載業務和Iu 承載業務來實現。無線承載業務覆蓋無線接口傳輸的所有方面，該業務利用UTRA 頻分雙工或時分雙工（UTRA FDD/TDD）業務。Iu 承載業務提供UTRAN 和CN 之間的傳輸，對分組業務，Iu 承載業務將提供有不同QoS 要求的承載業務。

　　CN 承載業務利用通用的骨干網業務。骨干網業務包括網絡第一層和第二層的功能，可以根據運營商的需求來選擇。UMTS 并沒有定義骨干網業務，可以利用現有的標準。

圖1 UMTS QoS 結構

2.2 UMTS QoS 的要求

　　對UMTS QoS 的一般要求可以概括如下：

(1) QoS 的參數不應受到一個或幾個外部QoS 控制機制的限制，但QoS 應該能通過使用UMTS 規定的控制機制來提供不同級別的QoS；

(2) 所有的QoS 參數必須有明確的意義；

(3) QoS 機制必須允許有效的使用無線容量；

(4) 允許核心網和接入網的獨立演進；

(5) 允許UMTS 網的演進；

(6) 所有的QoS 參數組合必須有明確的意義。

(7) UMTS QoS 控制機制應該在MS 和3G 網關節點對等的基礎上提供QoS 參數控制；

(8) UMTS QoS 機制應該在應用需求和UMTS 業務之間提供映射；

(9) UMTS QoS 控制機制應該能夠和現有的QoS 方案之間有效的交互工作；

(10) QoS 應該能夠通過UMTS 定義的控制機制來提供不同級別的QoS；

(11) 在3G 服務節點內，對所有的分組模式通信需要采用基于會話的方法，UMTS QoS必須緊密地鏈接，本質特征為每個地址多個QoS 流；

(12) UMTS 應該提供有限的QoS 定義；

(13) QoS 方案引起的開銷和額外的復雜性應該盡可能的低，網絡中狀態信息的傳輸和存儲也應盡可能的少；

(14) QoS 應該支持頻率的有效利用；

(15) QoS 的參數需要支持不對稱的承載業務；

(16) 應用或MS 和3G 網關節點中的特殊軟件應在其數據傳輸中指明QoS 值；

(17) QoS 的作用應該是動態的；

(18) QoS 的參數數目應盡可能的少。

2.3 UMTS QoS 的分類及其屬性

　　上面的分層結構需要對提及的每一種承載業務定義QoS 屬性（參數組），這些屬性用來把端到端的QoS 要求映射為對每個承載業務的要求。UMTS 承載和無線接入承載的QoS 屬性如表1 所示。

表1 UMTS 的承載和無線接入承載的QoS 屬性

注：*信源統計描述符為無線接入承載的QoS 參數，UMTS 承載沒有。

　　業務級別即QoS 的分類，為基于業務對實時性的要求對業務的分類，共有四種，按照實時性要求從嚴到寬的排列為會話級、交互級、流級和背景級，他們的基本特征和典型應用如表2 所示。從表1 可知，不同的業務級別有不同的QoS 屬性要求。

表2 UMTS QoS 的分類

2.4UMTS QoS 的管理功能

　　所有UMTS 實體的QoS 管理功能將確保UMTS 各承載業務接入點之間協商的業務，同時，通過和UMTS 外部業務之間的翻譯和映射提供端到端的業務。

　　(1) 控制平面UMTS 承載業務的QoS 管理功能, 等同于控制平面的業務建立、更改和保持功能，提供所有用戶平面的QoS 管理功能的相關屬性。業務管理同樣可以在其他情況下提供業務，他可以通過屬性翻譯向下層發出業務請求，也可以通過詢問其他的控制功能實體來接收業務提供的許可信號。

　　翻譯功能，將UMTS 承載業務控制的內部業務原語和外部網絡接口的業務控制所需各種協議進行轉換。包括UMTS 承載業務屬性和外部網絡業務控制協議的QoS 參數的轉換。接入/能力控制，保存所有關于網絡實體的可用資源和分配給UMTS 承載業務的資源信息。預約控制，檢查UMTS 承載業務用戶使用具有特定QoS 屬性的業務請求的管理權限。

　　(2) 用戶平面UMTS 承載業務的QoS 管理功能用戶平面的QoS管理功能將信令和用戶數據業務量保持在一定的限度內，用特定的QoS屬性值來定義。

　　映射功能，為每個數據單元提供一個特定的標記，該標記在承載業務傳送該數據單元時用來接收預期的QoS。

　　分類功能，若MT 已經建立了多個UMTS 承載業務，他根據相關的QoS 屬性將數據單元分配給MT 已經建立的業務。

　　資源管理，將可用資源在共享該資源的所有業務間根據所需的QoS 進行分配。業務量調節器，使業務所協商的QoS 與數據單元業務量相一致。

3 3G 空中接口QoS

　　為了滿足不斷增長的隨時隨地接入因特網的需求，因特網業務必須無縫地擴展到MTs，這就需要在3G 空中接口中引入QoS 機制來優化對Internet 業務的支持。同時，3G 無線網絡也需要對現有的業務以及即將出現的業務提供良好的支持。因此，3G 空中接口QoS 機制必須具有一定的靈活性以便于新業務的推出，還應在業務提供者和終端用戶之間提供一個有效的協商途徑。

3.1 CDMA 空中接口QoS

　　在3G 標準中，空中接口多數采用了成熟的CDMA 技術，現有的CDMA 空中接口QoS方案只滿足特定的應用需要。典型的，他們只為實時的應用提供硬QoS 保護，而對非實時的應用則采用最大努力（best effort）發送機制。

　　為了使優化網絡對Internet 業務的支持和在網絡推出新業務時有一個靈活的QoS機制保護，文獻【3】提出了一種3G CDMA 空中接口QoS 方案，該方案基于對業務的分級。我們可以把一個系統提供的業務分為三個級別：PRemium、gold 和silver，每個級別為他的用戶提供一個特征性能，即組行為（Group Behavior）。Premium 業務可以在任何時候提供協商的帶寬，而不需考慮空中接口的信道特性（阻塞、干擾和衰落等）。其他的兩類業務級別都帶有一個彈性系數，當空中接口出現阻塞時，他們將根據所帶的彈性系數來調整為用戶分配的帶寬，這樣就可以減輕阻塞。

　　一個級別的組行為是由功率控制和擴頻控制來實現的，實現的途徑有多種，如可以通過基于目標信干比（SIR）的自適應功率控制和自適應擴頻因子控制來實現。這一方案既可以用于CDMA系統的上行鏈路，也可以用于下行鏈路，通過使用基于級別的帶寬調度方案來　　實現CDMA空中接口的不同QoS。使用這一QoS 方案，3G 運營商可以定義自己的業務等級集，選擇最恰當的途徑實現組行為，同時可以采用按業務級別計費的方案。由于每組都有特定性能（延遲和吞吐量），很容易實現空中接口的業務協商。

　　需要注意的是，為了控制的方便和上面帶寬調度方案的實現，必須擁有一個能夠表現CDMA 空中接口能力的無線資源分配方案。該無線資源分配方案不僅能夠運用于常規的發送/接收機，也應能夠運用于那些采用了諸如多用戶接收和智能天線等性能增強技術的發送/接收機。

3.2 TDMA 空中接口QoS

　　在3G 無線網絡中，也有基于TDMA的空中接口，如EGPRS（增強通用分組無線業務）。EGPRS 為GSM 和TDMA 的一個演進，采用了基于TDMA 的分組交換無線技術和一個演進的分組交換GPRS 核心網。當前的EGPRS 協議采用的是GPRS 核心網，并引入了一個新的空中接口，EDGE（增強數據全球演進）。

　　為了在3G 無線網絡中支持不同的業務，需要在TDMA 空中接口中引入QoS 機制。文獻【4】對3G EGPRS 中支持不同業務級別的不同調度機制進行了討論，對兩種加權循環類型的調度法進行了研究：無線接入網（RAN）中無線感知（radio-aware）分組調度法和CN 邊緣的常規分組調度法。結果顯示，對于EGPRS 系統，如果在調度時一起使用無線鏈路狀況和無線資源管理能夠提高系統的整個延時性能。但對不同的業務級別使用加權循環調度法并不適用于一個干擾受限環境。同時多時隙的分配也可以用來提供不同的業務。

4 3G RAN 的QoS

　　UMTS/IMT-2000 的基本概念是把接入的功能和核心網功能分開，RAN 為所有的MTs提供了一個接入CN 的平臺。對CN 來說，那些依賴于無線接入技術的功能和移動性功能是不可見的。目前3GPP 定義的接入網有分別基于WCDMA和EDGE無線接入技術的UTRAN和GSM/EDGE 無線接入網（GERAN）。

　　在3G RAN 中，必須有連接諸如基站和無線網絡控制器等網絡單元的傳輸技術。綜合應用自身對QoS 的不同要求和先進的無線控制功能強加于應用的要求，傳輸技術必須為不同級別的業務提供不同的QoS。傳輸承載必須支持多種QoS 的要求和業務特性。

4.1 基于ATM的傳輸方案

　　在當前各種分組網絡技術中，ATM是對QoS 的支持相對成熟的一種方案。在UMTS 的第一個發布版本中，UTRAN 選中了ATM/AAL2（ATM 自適應層2）作為他的傳輸技術。為了滿足UTRAN 傳輸層對QoS 的嚴格的要求，必須對業務管理、資源管理等給以特別的關注。

　　文獻【5】列出了UTRAN 中幾種ATM/AAL2 傳輸的性能及其設計方法，研究了嚴格的延遲要求對ATM/AAL2 傳輸所需帶寬的影響。得出的結論為ATM/AAL2 技術能夠滿足嚴格的WCDMA UTRAN QoS 要求。

4.2 基于ip 的傳輸方案

　　3G RAN 的網絡單元不僅可以通過ATM/AAL2 技術來互連，也可以通過IP 技術來互連。在RAN 中之所以選擇IP 傳輸方案，主要出于下面的考慮：首先，IP QoS 管理機制已經近于成熟；其次，IP 作為一個網絡層協議，是獨立于鏈路層/物理層設計的，所以可以和各種低層協議協同工作；再次，IP 已經成為網絡中各種業務分組的基準；最關鍵的是3G CN 是基于IP 的。

　　目前的IP 網絡都是面向對延遲不敏感的數據應用的，所以，必須加以改進，對基于IP的傳輸方案提供包括延遲、抖動和丟失等QoS 的支持。IETF 在這方面做了許多工作：實時分組流的傳輸協議RTP，IP 網絡上實時信令的傳輸SigTran，具有QoS 保護的集成業務結構IntServ，集成服務/資源預留協議RSVP，業務區分結構DiffServ，減小開銷的IP 頭壓縮IPHC等。

　　3GPP 和移動無線Internet 論壇（MWIF）都在進行這方面的研究，3GPP 的研究結果可以在文獻【6】中獲得，MWIF 的研究成果則可以在文獻【7】中獲得。

5 結束語

　　目前，致力于3G 標準化的兩個組織3GPP 和3GPP2 仍然在對3G 中一些關鍵技術進行研究，并使其中的一些成為標準。雖然現在3G 還沒有在世界范圍內鋪展開，廣泛鋪開的是2G 向3G 的過渡網絡，如GPRS 和CDMA 1x 等。但是隨著時間的推移，業務的需要，3G必將在世界范圍內廣泛鋪開。因為3G 支持各種各樣的業務，而用戶的要求也越來越高，所以必須為業務提供QoS 保護。3G 的最終目標是一個全IP 的網絡，這也決定了QoS 將是是3G 的一個不可或缺的部分。所以3G 的QoS 將是3G 研究工作的一個重點，而3G 的最終建設也必將把保證業務的QoS 放在首位。

參考文獻

[1] 3GPP TS 23.107 V3.6.0. QoS Concept and Architecture. 2001.4.

[2] 3GPP TS 22.105 V3.9.0. Services and Service Capabilities. 2000.6.

[3] JY.Guo and H.Chaskar. A Framework for Quality of Service Differentiation on3G CDMA Air Interface. IEEE WCNC 2000,Chicago,Sept.2000

[4] J.-J.Cai et al. Providing Differentiated Services in EGPRS through PacketSheduling. GLOBECOM 2000,San Franciso,NOV.2000

[5] JS.Nananukul et al.Some Issues in Performance and Design of the ATM/ALL2Transport in the UTRAN. IEEE WCNC 2000,Chicago,Sept.2000

[6] 3GPP TR 25.933. IP Transport in UTRAN Work Task Technical Report. R-00

[7] JMWIF, TR. IP in the RAN as a Transport Option in 3G Mobile System. MTR-006

----《移動通信在線》