UMTS對(duì)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的QoS保證

摘要　文章詳細(xì)分析了UMTS（通用移動(dòng)通信系統(tǒng)）的端到端QoS體系架構(gòu)、QoS相關(guān)參數(shù)和屬性以及對(duì)分組數(shù)據(jù)的處理，并討論了分組數(shù)據(jù)在UMTS中的QoS實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，最后得出結(jié)論：通常情況下UMTS可以較好地保證多媒體業(yè)務(wù)的端到端QoS。

1、引言

　　3G UMTS（Universal Mobile Telecommunication Systems）是第一個(gè)真正清晰定義了端到端QoS結(jié)構(gòu)的移動(dòng)通信系統(tǒng)。通過(guò)端到端QoS機(jī)制的具體實(shí)施，終端用戶(hù)可以獲得有QoS保證的服務(wù)，而WCDMA運(yùn)營(yíng)商也能更有效地利用各種資源，提供高利潤(rùn)的新型多媒體服務(wù)，例如流媒體、可視電話(huà)等。

　　然而，移動(dòng)通信系統(tǒng)QoS的實(shí)施是非常復(fù)雜和困難的。R99版本的UMTS系統(tǒng)并沒(méi)有明確定義端到端QoS的實(shí)現(xiàn)方法，只明確了有關(guān)解決方案應(yīng)該具備的能力，如必須能滿(mǎn)足端到端的QoS要求、在移動(dòng)過(guò)程中保持QoS的連貫性等。UMTS為了靈活有效的提供多種業(yè)務(wù)，必然要分階段地實(shí)現(xiàn)向全I(xiàn)P的演進(jìn)，因此本文將就終端上的分組業(yè)務(wù)對(duì)UMTS的QoS保證進(jìn)行分析和探討。

2、UMTS系統(tǒng)的QoS架構(gòu)及參數(shù)

　　2.1　UMTS的QoS架構(gòu)

　　為了實(shí)現(xiàn)端到端QoS，UMTS從業(yè)務(wù)的起點(diǎn)到業(yè)務(wù)的終點(diǎn)都建立和使用具有明確定義的屬性和功能的承載業(yè)務(wù)。UMTS的QoS架構(gòu)如圖1所示。

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圖1　UMTS的QoS框架結(jié)構(gòu)

　　從圖1可以看出，UMTS給出了分層次、分區(qū)域的QoS體系結(jié)構(gòu)，每一層的承載服務(wù)都是通過(guò)其下一層的承載服務(wù)來(lái)提供的。

　　2.2　QoS參數(shù)和屬性

　　在UMTS中，盡管QoS參數(shù)是按層來(lái)定義的，但不同承載業(yè)務(wù)層的QoS參數(shù)基本相似，所以下面僅以UMTS承載業(yè)務(wù)層的QoS參數(shù)為例來(lái)簡(jiǎn)單介紹常用的UMTS定義的QoS參數(shù)：

　　（1）Maximum bit rate（kb/s）：此參數(shù)是為了便于無(wú)線(xiàn)接口下行鏈路碼的預(yù)留。

　　（2）Guaranteed bit rate（kb/s）：此參數(shù)是為了便于基于可用資源的許可控制和資源分配。

　　（3）Maximum SDU size（byte）：用于許可控制。

　　（4）SDU format informa tion：它是可能的SDU尺寸列表，當(dāng)UTRAN以透明RLC協(xié)議模式工作的時(shí)候需要此信息。

　?。?）SDU error ratio：指丟失或者檢測(cè)出差錯(cuò)SDU的比率，用來(lái)配置層二（L2）的重發(fā)協(xié)議和層一（L1）的檢錯(cuò)編碼。

　?。?）Delivery order（y/n）：指明是否要求按照順序傳送SDU，這要根據(jù)用戶(hù)協(xié)議類(lèi)型而定。

　　（7）Residual bit error ratio：指在傳送SDU中未檢測(cè)到的誤碼率，用來(lái)配置L1的信道編碼和檢錯(cuò)編碼。

　　（8）Delivery of erroneous SDUs（y/n/-）：指明是將檢測(cè)出有錯(cuò)的SDU標(biāo)以差錯(cuò)指示后進(jìn)行傳送還是進(jìn)行丟棄，或者根本不考慮差錯(cuò)檢測(cè)就進(jìn)行傳送。

　?。?）Transfer delay（ms）：不同的應(yīng)用有不同的延遲容忍程度，UTRAN可根據(jù)這一參數(shù)來(lái)設(shè)定傳送格式和ARQ參數(shù)。

　?。?0）Traffic handling priority：指對(duì)不同媒體的SDU處理的優(yōu)先權(quán)。對(duì)于同一個(gè)承載業(yè)務(wù)，它和參數(shù)“保證的比特率”不能同時(shí)出現(xiàn)。

　　（11）A1location/Retention Priority：指分配和保持UMTS承載的優(yōu)先權(quán)。

　?。?2）Source statistics descriptor?。╯peech/unknown）：說(shuō)明SDU數(shù)據(jù)源的特征，如果是語(yǔ)音，RAN、SGSN、GGSN和UE可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得出統(tǒng)計(jì)復(fù)用增益，用于許可控制。

　?。?3）Signaling Indication（y/n）：只用于交互級(jí)業(yè)務(wù)，設(shè)為“Yes”，則UE設(shè)Traffic handling priority為“1”，它與其他的交互級(jí)在優(yōu)先級(jí)和時(shí)延上都有所不同。

　　如果業(yè)務(wù)是對(duì)稱(chēng)的，那么前向和反向的QoS參數(shù)應(yīng)該是相同的，但如果業(yè)務(wù)是非對(duì)稱(chēng)的，則需要分別為上下行鏈路定義各自的QoS參數(shù)。

3、分組數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程

　　3G用戶(hù)在使用分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時(shí)，數(shù)據(jù)一般經(jīng)過(guò)四個(gè)設(shè)備才能到達(dá)因特網(wǎng)的服務(wù)器。這四個(gè)設(shè)備分別是：UE（User Equipment）、RNS（Radio Network Subsystem）、SGSN（Serving GPRS Support Node）和GGSN（Gateway GPRS Support Node），其中RNS屬于UTRAN，SGSN和GGSN屬于CN的分組域。

　　根據(jù)UMTS的QoS架構(gòu)，一個(gè)分組業(yè)務(wù)的UMTS承載是由UE和SGSN間的RAB（Radio Access Bearer）承載和SGSN和GGSN間的GTP（GPRS Tunnel Protocol）隧道承載組成。RAB又由RNC和SGSN之間的GTP隧道以及RNC與UE間的RB（Radio Bear）組成，一個(gè)分組業(yè)務(wù)與以上承載是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。圖2給出了分組數(shù)據(jù)通過(guò)四個(gè)主要設(shè)備經(jīng)過(guò)的協(xié)議棧：

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圖2　UMTS的分組域用戶(hù)面協(xié)議棧

　　◆PDCP：分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議，只對(duì)分組域的業(yè)務(wù)進(jìn)行處理，即透明地傳輸網(wǎng)絡(luò)層的分組，以支持多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。另外，PDCP提供的頭壓縮算法能有效壓縮網(wǎng)絡(luò)層分組冗余的首部，提高無(wú)線(xiàn)信道的利用率。

　　◆RLC：無(wú)線(xiàn)鏈路控制協(xié)議，為用戶(hù)和控制數(shù)據(jù)提供分段/重組、檢錯(cuò)、流量控制和重傳等功能。對(duì)所有的RLC模式，CRC錯(cuò)誤檢測(cè)在物理層上執(zhí)行，CRC檢測(cè)結(jié)果連同數(shù)據(jù)一起傳遞給RLC。RLC層向高層主要提供三種模式的數(shù)據(jù)傳輸：TM（Transparent Mode，透明數(shù)據(jù)傳輸）、UM（Unacknowledged Mode，非確認(rèn)模式數(shù)據(jù)傳輸）、AM（Acknowledged Mode，確認(rèn)模式數(shù)據(jù)傳輸）。透明模式對(duì)高層的數(shù)據(jù)流不加任何處理，但可以包含分組／重組功能。非確認(rèn)模式提供檢測(cè)傳輸錯(cuò)誤和唯一性的功能。確認(rèn)模式提供自動(dòng)重傳請(qǐng)求機(jī)制來(lái)糾正傳輸錯(cuò)誤，通過(guò)設(shè)置最大重傳次數(shù)或超時(shí)時(shí)間來(lái)限制重傳次數(shù)。確認(rèn)模式支持無(wú)錯(cuò)傳遞、唯一傳遞、順序傳遞和無(wú)序傳遞。從透明模式、非確認(rèn)模式到確認(rèn)模式，傳輸可靠性依次增強(qiáng)，傳輸效率依次降低。另外，在UM和AM模式下，RLC通過(guò)在特定的TTI（Transmit Time Interval）內(nèi)發(fā)送特定個(gè)PDU來(lái)實(shí)現(xiàn)流量控制。對(duì)于每個(gè)RLC實(shí)體，有：

　　RLC的數(shù)據(jù)速率=RLC每個(gè)TTI發(fā)送的PDU個(gè)數(shù)÷TTI

　　◆MAC：媒體接入控制，執(zhí)行無(wú)線(xiàn)鏈路層提供的邏輯信道向物理層提供的傳輸信道間的映射。MAC層主要根據(jù)RRC（Radio Resource Control）層的QoS設(shè)置，通過(guò)設(shè)置映射時(shí)的優(yōu)先級(jí)、傳輸信道的傳送格式來(lái)實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)流的QoS保證。

　　GTP-U：GTP的傳輸平面。GTP將上層數(shù)據(jù)包重新封裝發(fā)送，通過(guò)包頭提供路由信息，使封裝的數(shù)據(jù)能夠通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)傳遞。GTP協(xié)議分為信令平面GTP-C和傳輸平面GTP-U，其信令平面主要包含路徑管理、隧道管理、位置管理、移動(dòng)性管理四大類(lèi)，傳輸平面則提供了SGSN之間、SGSN和RNC、SGSN和GGSN間數(shù)據(jù)包傳送的隧道。其中隧道管理圍繞PDP（Packet Data Protocol）上下文展開(kāi)，是PS域會(huì)話(huà)過(guò)程的核心。

　　UDP、IP、ATM都是在現(xiàn)在的寬帶網(wǎng)絡(luò)中充分應(yīng)用的技術(shù)，這里就不敖述了。

4、UMTS分組業(yè)務(wù)的QoS實(shí)現(xiàn)

　　UMTS對(duì)分組業(yè)務(wù)承載的建立及QoS設(shè)置是通過(guò)控制面中的會(huì)話(huà)管理SM來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其中QoS設(shè)置主要涉及上述QoS參數(shù)。

　　4.1　會(huì)話(huà)管理SM

　　SM實(shí)現(xiàn)QoS架構(gòu)中的UMTS承載業(yè)務(wù)，負(fù)責(zé)協(xié)商和設(shè)置分組數(shù)據(jù)在UMTS網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)的QoS，并映射到無(wú)線(xiàn)接入承載和CN承載。

　　SM存在于連接管理層CM。CM位于層三（非接入層），由GMM（GPRS Mobile Management）、SM、SMS（Short Message Service）組成，CM在控制協(xié)議中的位置如圖3所示。其中GMM層為SM和SMS提供信令傳送，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)和網(wǎng)絡(luò)側(cè)的連接管理。SM位于移動(dòng)性管理和用戶(hù)面之間，向用戶(hù)面提供服務(wù)。它一方面完成核心網(wǎng)絡(luò)SGSN到GGSN之間的隧道建立修改和釋放的控制功能，另一方面完成SGSN和UE之間的RAB建立、修改和釋放的控制功能。

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圖3　UMTS的分組域控制面協(xié)議棧

　　SM通過(guò)PDP上下文的激活、修改去激活信令流程實(shí)現(xiàn)會(huì)話(huà)管理，一個(gè)分組業(yè)務(wù)和一個(gè)PDP上下文對(duì)應(yīng)。PDP上下文存在于UE、SGSN、GGSN，內(nèi)容包括分組業(yè)務(wù)在各個(gè)實(shí)體的標(biāo)志，業(yè)務(wù)進(jìn)行隧道轉(zhuǎn)發(fā)的所有信息，RNC、SGSN、GGSN的IP地址、隧道標(biāo)識(shí)和QoS設(shè)置等。

　　用戶(hù)請(qǐng)求一個(gè)分組業(yè)務(wù)時(shí)，首先通過(guò)SM根據(jù)用戶(hù)的簽約服務(wù)激活一個(gè)PDP上下文，并在UE、RNC、SGSN、GGSN之間進(jìn)行QoS協(xié)商，使各節(jié)點(diǎn)提供的服務(wù)質(zhì)量保持統(tǒng)一。由于整個(gè)QoS設(shè)置的過(guò)程非常復(fù)雜，所以下面在用戶(hù)和系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定的前提下，結(jié)合各接口對(duì)分組數(shù)據(jù)的處理對(duì)相關(guān)參數(shù)設(shè)置進(jìn)行說(shuō)明。

　　4.2　Uu接口

　　在Uu接口上，IP分組往下傳，首先PDCP層對(duì)IP分組的首部進(jìn)行壓縮，然后RLC層在一定的模式下傳輸PDCP-PDU，對(duì)它進(jìn)行分段、加密、重傳等可能的處理來(lái)保證一定的可靠性，將RLC-PDU傳到指定的邏輯信道，接著MAC層按一定傳輸格式組合TFC和一定的優(yōu)先順序?qū)⑦壿嬓诺赖臄?shù)據(jù)流映射到傳輸信道，物理層對(duì)每個(gè)傳輸信道的數(shù)據(jù)流進(jìn)行CRC差錯(cuò)檢測(cè)、交織、分段、速率匹配、復(fù)用等處理后擴(kuò)頻調(diào)制發(fā)送。

　　RB參數(shù)通過(guò)RRC實(shí)現(xiàn)。RRC設(shè)置好QoS參數(shù)，映射到以下各層的QoS參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)：

　?。?）對(duì)于業(yè)務(wù)可靠性方面的主要設(shè)置

　　SDU錯(cuò)誤率：主要通過(guò)RLC的傳輸模式和物理層的檢錯(cuò)編碼來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　SDU格式：設(shè)置RLC透明模式傳輸時(shí)RLC-PDU的大小。

　　殘余比特錯(cuò)誤率：通過(guò)設(shè)置物理層的信道編碼和檢錯(cuò)編碼來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　傳輸順序：如果是按序傳輸則設(shè)置為RLC確認(rèn)模式的按序傳輸，否則其它模式都可以。

　?。?）對(duì)于業(yè)務(wù)時(shí)延或抖動(dòng)方面的主要設(shè)置

　　傳輸時(shí)延：通過(guò)設(shè)置傳送格式和RLC的傳輸模式來(lái)實(shí)現(xiàn)。同個(gè)用戶(hù)的多個(gè)數(shù)據(jù)流是以一定格式復(fù)用到物理層的一幀中的，這通過(guò)設(shè)置RLC的TTI和每個(gè)TTI發(fā)送的PDU個(gè)數(shù)、MAC每個(gè)TTI映射到物理信道的傳輸塊個(gè)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，RLC每個(gè)TTI發(fā)送的PDU個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)MAC每個(gè)TTI將相應(yīng)的傳輸信道映射到物理信道的傳輸塊個(gè)數(shù)。TTI越大，PDU個(gè)數(shù)越小，傳輸塊個(gè)數(shù)越小，時(shí)延就越大，但同時(shí)時(shí)延抖動(dòng)就越小，RLC層的緩存就越大。RLC的確認(rèn)模式的最大重傳次數(shù)的設(shè)置越大，允許的傳輸時(shí)延就越大，但實(shí)際的傳輸時(shí)延取決于信道條件。

　　優(yōu)先級(jí)：通過(guò)設(shè)置傳送格式來(lái)實(shí)現(xiàn)，多個(gè)數(shù)據(jù)流時(shí)優(yōu)先級(jí)越高的吞吐量就越大，傳輸試驗(yàn)就越小。

　?。?）對(duì)于業(yè)務(wù)吞吐量方面的主要設(shè)置

　　最大數(shù)據(jù)速率、保證數(shù)據(jù)速率：都是通過(guò)設(shè)置傳送格式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　4.3　Iu接口和Gn接口

　　對(duì)于Iu接口，用戶(hù)IP數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)GTP-U、UDP、IP、鏈路層ALL5和ATM、物理層的處理。GTP-U主要是保證IP數(shù)據(jù)流在RNC、SGSN和GGSN間的連貫傳輸，尤其在用戶(hù)移動(dòng)導(dǎo)致RNC、SGSN切換的情況下。所以GTP-U對(duì)分組數(shù)據(jù)有可靠性方面的保證。但I(xiàn)u接口的用戶(hù)面協(xié)議UP的功能是附加在GTU-U上實(shí)現(xiàn)的，所以Iu上的GTP-U支持透明模式和預(yù)定義SDU大小模式。透明模式下，GTP-U不對(duì)數(shù)據(jù)流做另外的處理；預(yù)定義模式下，GTP-U按預(yù)定義的SDU大小將數(shù)據(jù)流以UP幀為單位發(fā)送，并具有檢錯(cuò)、速率控制、幀質(zhì)量分類(lèi)等功能，可實(shí)現(xiàn)吞吐量、可靠性方面的QoS保證。UDP對(duì)數(shù)據(jù)流沒(méi)有QoS保證。IP網(wǎng)可通過(guò)采用IETF提出的Diff Serv和IntServ模型，實(shí)現(xiàn)吞吐量、可靠性和時(shí)延方面的QoS保證。ALL5主要針對(duì)對(duì)錯(cuò)誤敏感的業(yè)務(wù)，所以鏈路層主要實(shí)現(xiàn)可靠性方面的保證。

　　對(duì)于Gn接口，用戶(hù)IP數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)GTP-U、UDP、IP、鏈路層、物理層的處理，沒(méi)有對(duì)鏈路層和物理層進(jìn)行規(guī)定。除了GTU-U沒(méi)有附加的UP層功能外，GTP-U、UDP、IP的QoS保證與Iu口類(lèi)似。

　　通過(guò)以上分析，可以看出R99版的UMTS提出了一個(gè)全面的框架來(lái)落實(shí)QoS保證，從核心網(wǎng)到接入網(wǎng)都有相應(yīng)的協(xié)議和設(shè)置從時(shí)延抖動(dòng)、錯(cuò)誤率和吞吐量三方面來(lái)保證分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的質(zhì)量。核心網(wǎng)方面，ATM網(wǎng)絡(luò)的可靠傳輸使得錯(cuò)誤率已經(jīng)不是問(wèn)題，IP網(wǎng)絡(luò)采用DiffServ和IntServ模型的結(jié)合，所以用戶(hù)的時(shí)延抖動(dòng)和系統(tǒng)的吞吐量也得到了解決。接入網(wǎng)方面，移動(dòng)通信環(huán)境導(dǎo)致Uu接口的時(shí)延抖動(dòng)、錯(cuò)誤率和吞吐量是制約業(yè)務(wù)QoS的瓶頸。對(duì)此，UMTS采用的WCDMA擴(kuò)頻技術(shù)和快速功控技術(shù)較好地解決了用戶(hù)吞吐量和系統(tǒng)容量的問(wèn)題，采用的RLC層通過(guò)適當(dāng)?shù)膫鬏斈Ｊ降脑O(shè)置可以保證分組業(yè)務(wù)的時(shí)延抖動(dòng)和錯(cuò)誤率。但同時(shí)應(yīng)看到，在某些極端情況下，業(yè)務(wù)的QoS難以得到保證。比如，UMTS在核心網(wǎng)負(fù)荷重時(shí)，不能完全保證用戶(hù)的時(shí)延抖動(dòng)，雖可以通過(guò)加大IP網(wǎng)的帶寬冗余來(lái)暫時(shí)緩解，但長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看可以通過(guò)接納控制機(jī)制得到解決。再如，在惡劣的無(wú)線(xiàn)信道條件下，UMTS不能完全保證對(duì)錯(cuò)誤和時(shí)延抖動(dòng)都敏感的多媒體業(yè)務(wù)的QoS，但這可通過(guò)多媒體的錯(cuò)誤隱藏和抖動(dòng)平滑技術(shù)來(lái)解決。

5、總結(jié)

　　3G網(wǎng)絡(luò)的QoS控制能力是運(yùn)營(yíng)商間競(jìng)爭(zhēng)制勝的關(guān)鍵。由分析可知，在一般情況下UMTS可以較好的保證多媒體業(yè)務(wù)的端到端QoS，但QoS保證功能仍有待進(jìn)一步加強(qiáng)。