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【摘要】隨著通信網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，用戶對網(wǎng)絡(luò)所提供的業(yè)務(wù)性能的要求不斷提高，QoS（服務(wù)質(zhì)量）已經(jīng)成為通信系統(tǒng)的一個非常重要的指標(biāo)，決定了用戶的滿意程度。本文概述了第三代移動通信系統(tǒng)（3G）的QoS資源管理，其中著重描述了全球移動通信系統(tǒng)（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(fā)展，而3G的標(biāo)準(zhǔn)也在不斷完善。3G將為移動環(huán)境下的終端用戶提供話音、數(shù)據(jù)以及各種多媒體業(yè)務(wù)。在ITU-T E.800 建議中，QoS 被定義為業(yè)務(wù)性能的綜合效果，決定了用戶的滿意程度。QoS 由應(yīng)用于業(yè)務(wù)的所有性能因素的組合表示，這些性能因素如業(yè)務(wù)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(jié)構(gòu)
UMTS QoS 結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
為了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的QoS，必須在業(yè)務(wù)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(yè)務(wù)。網(wǎng)絡(luò)的承載業(yè)務(wù)描述了該網(wǎng)絡(luò)是如何提供QoS 的，而承載業(yè)務(wù)由信令協(xié)議、用戶平面?zhèn)鬏敽蚎oS 管理功能來定義。當(dāng)端到端的業(yè)務(wù)涉及到多個網(wǎng)絡(luò)時，端到端的承載業(yè)務(wù)由業(yè)務(wù)所經(jīng)路徑上不同網(wǎng)絡(luò)的承載業(yè)務(wù)組成。
在UMTS 中，端到端的業(yè)務(wù)可以分解成終端設(shè)備/移動終端（TE/MT）局部承載業(yè)務(wù)、外部承載業(yè)務(wù)和UMTS 承載業(yè)務(wù)。TE/MT 局部承載業(yè)務(wù)負責(zé)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(zé)通過空中接口到UMTS 陸地?zé)o線接入網(wǎng)（UTRAN）的物理連接。外部承載業(yè)務(wù)則負責(zé)核心網(wǎng)絡(luò)（CN）和外部網(wǎng)絡(luò)終端的連接。UMTS 承載業(yè)務(wù)由無線接入承載（RAB）業(yè)務(wù)和核心網(wǎng)承載業(yè)務(wù)來實現(xiàn)，這兩種業(yè)務(wù)反映了在各自蜂窩網(wǎng)絡(luò)拓撲上實現(xiàn)UMTS 承載業(yè)務(wù)的最優(yōu)方法。
RAB 業(yè)務(wù)在MT 和CN Iu 邊緣節(jié)點之間提供信令和用戶數(shù)據(jù)的保密傳輸，這種傳輸將保證UMTS 承載業(yè)務(wù)協(xié)商的QoS 或信令的缺省QoS。該業(yè)務(wù)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(yè)務(wù)連接UMTS CN Iu 邊緣節(jié)點和通向外部網(wǎng)絡(luò)的CN 網(wǎng)關(guān)，該業(yè)務(wù)的作用為有效地控制和利用骨干網(wǎng)來提供協(xié)商的UMTS 承載業(yè)務(wù)。UMTS 分組核心網(wǎng)將支持有不同QoS 要求的各種骨干網(wǎng)承載業(yè)務(wù)。
RAB 業(yè)務(wù)由無線承載業(yè)務(wù)和Iu 承載業(yè)務(wù)來實現(xiàn)。無線承載業(yè)務(wù)覆蓋無線接口傳輸?shù)乃蟹矫�，該業(yè)務(wù)利用UTRA 頻分雙工或時分雙工（UTRA FDD/TDD）業(yè)務(wù)。Iu 承載業(yè)務(wù)提供UTRAN 和CN 之間的傳輸，對分組業(yè)務(wù)，Iu 承載業(yè)務(wù)將提供有不同QoS 要求的承載業(yè)務(wù)。
CN 承載業(yè)務(wù)利用通用的骨干網(wǎng)業(yè)務(wù)。骨干網(wǎng)業(yè)務(wù)包括網(wǎng)絡(luò)第一層和第二層的功能，可以根據(jù)運營商的需求來選擇。UMTS 并沒有定義骨干網(wǎng)業(yè)務(wù)，可以利用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)。
圖1 UMTS QoS 結(jié)構(gòu)
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(shù)不應(yīng)受到一個或幾個外部QoS 控制機制的限制，但QoS 應(yīng)該能通過使用UMTS 規(guī)定的控制機制來提供不同級別的QoS；
(2) 所有的QoS 參數(shù)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(wǎng)和接入網(wǎng)的獨立演進；
(5) 允許UMTS 網(wǎng)的演進；
(6) 所有的QoS 參數(shù)組合必須有明確的意義。
(7) UMTS QoS 控制機制應(yīng)該在MS 和3G 網(wǎng)關(guān)節(jié)點對等的基礎(chǔ)上提供QoS 參數(shù)控制；
(8) UMTS QoS 機制應(yīng)該在應(yīng)用需求和UMTS 業(yè)務(wù)之間提供映射；
(9) UMTS QoS 控制機制應(yīng)該能夠和現(xiàn)有的QoS 方案之間有效的交互工作；
(10) QoS 應(yīng)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(wù)節(jié)點內(nèi)，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(zhì)特征為每個地址多個QoS 流；
(12) UMTS 應(yīng)該提供有限的QoS 定義；
(13) QoS 方案引起的開銷和額外的復(fù)雜性應(yīng)該盡可能的低，網(wǎng)絡(luò)中狀態(tài)信息的傳輸和存儲也應(yīng)盡可能的少；
(14) QoS 應(yīng)該支持頻率的有效利用；
(15) QoS 的參數(shù)需要支持不對稱的承載業(yè)務(wù)；
(16) 應(yīng)用或MS 和3G 網(wǎng)關(guān)節(jié)點中的特殊軟件應(yīng)在其數(shù)據(jù)傳輸中指明QoS 值；
(17) QoS 的作用應(yīng)該是動態(tài)的；
(18) QoS 的參數(shù)數(shù)目應(yīng)盡可能的少。
2.3 UMTS QoS 的分類及其屬性
上面的分層結(jié)構(gòu)需要對提及的每一種承載業(yè)務(wù)定義QoS 屬性（參數(shù)組），這些屬性用來把端到端的QoS 要求映射為對每個承載業(yè)務(wù)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(tǒng)計描述符為無線接入承載的QoS 參數(shù)，UMTS 承載沒有。
業(yè)務(wù)級別即QoS 的分類，為基于業(yè)務(wù)對實時性的要求對業(yè)務(wù)的分類，共有四種，按照實時性要求從嚴(yán)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(yīng)用如表2 所示。從表1 可知，不同的業(yè)務(wù)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(yè)務(wù)接入點之間協(xié)商的業(yè)務(wù)，同時，通過和UMTS 外部業(yè)務(wù)之間的翻譯和映射提供端到端的業(yè)務(wù)。
(1) 控制平面UMTS 承載業(yè)務(wù)的QoS 管理功能, 等同于控制平面的業(yè)務(wù)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(guān)屬性。業(yè)務(wù)管理同樣可以在其他情況下提供業(yè)務(wù)，他可以通過屬性翻譯向下層發(fā)出業(yè)務(wù)請求，也可以通過詢問其他的控制功能實體來接收業(yè)務(wù)提供的許可信號。
翻譯功能，將UMTS 承載業(yè)務(wù)控制的內(nèi)部業(yè)務(wù)原語和外部網(wǎng)絡(luò)接口的業(yè)務(wù)控制所需各種協(xié)議進行轉(zhuǎn)換。包括UMTS 承載業(yè)務(wù)屬性和外部網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)控制協(xié)議的QoS 參數(shù)的轉(zhuǎn)換。接入/能力控制，保存所有關(guān)于網(wǎng)絡(luò)實體的可用資源和分配給UMTS 承載業(yè)務(wù)的資源信息。預(yù)約控制，檢查UMTS 承載業(yè)務(wù)用戶使用具有特定QoS 屬性的業(yè)務(wù)請求的管理權(quán)限。
(2) 用戶平面UMTS 承載業(yè)務(wù)的QoS 管理功能用戶平面的QoS管理功能將信令和用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量保持在一定的限度內(nèi)，用特定的QoS屬性值來定義。
映射功能，為每個數(shù)據(jù)單元提供一個特定的標(biāo)記，該標(biāo)記在承載業(yè)務(wù)傳送該數(shù)據(jù)單元時用來接收預(yù)期的QoS。
分類功能，若MT 已經(jīng)建立了多個UMTS 承載業(yè)務(wù)，他根據(jù)相關(guān)的QoS 屬性將數(shù)據(jù)單元分配給MT 已經(jīng)建立的業(yè)務(wù)。
資源管理，將可用資源在共享該資源的所有業(yè)務(wù)間根據(jù)所需的QoS 進行分配。業(yè)務(wù)量調(diào)節(jié)器，使業(yè)務(wù)所協(xié)商的QoS 與數(shù)據(jù)單元業(yè)務(wù)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(wǎng)的需求，因特網(wǎng)業(yè)務(wù)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(yōu)化對Internet 業(yè)務(wù)的支持。同時，3G 無線網(wǎng)絡(luò)也需要對現(xiàn)有的業(yè)務(wù)以及即將出現(xiàn)的業(yè)務(wù)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(yè)務(wù)的推出，還應(yīng)在業(yè)務(wù)提供者和終端用戶之間提供一個有效的協(xié)商途徑。
3.1 CDMA 空中接口QoS
在3G 標(biāo)準(zhǔn)中，空中接口多數(shù)采用了成熟的CDMA 技術(shù)，現(xiàn)有的CDMA 空中接口QoS方案只滿足特定的應(yīng)用需要。典型的，他們只為實時的應(yīng)用提供硬QoS 保護，而對非實時的應(yīng)用則采用最大努力（best effort）發(fā)送機制。
為了使優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)對Internet 業(yè)務(wù)的支持和在網(wǎng)絡(luò)推出新業(yè)務(wù)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(yè)務(wù)的分級。我們可以把一個系統(tǒng)提供的業(yè)務(wù)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(yè)務(wù)可以在任何時候提供協(xié)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(yè)務(wù)級別都帶有一個彈性系數(shù)，當(dāng)空中接口出現(xiàn)阻塞時，他們將根據(jù)所帶的彈性系數(shù)來調(diào)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(xiàn)的，實現(xiàn)的途徑有多種，如可以通過基于目標(biāo)信干比（SIR）的自適應(yīng)功率控制和自適應(yīng)擴頻因子控制來實現(xiàn)。這一方案既可以用于CDMA系統(tǒng)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(diào)度方案來 實現(xiàn)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(yè)務(wù)等級集，選擇最恰當(dāng)?shù)耐緩綄崿F(xiàn)組行為，同時可以采用按業(yè)務(wù)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(xiàn)空中接口的業(yè)務(wù)協(xié)商。
需要注意的是，為了控制的方便和上面帶寬調(diào)度方案的實現(xiàn)，必須擁有一個能夠表現(xiàn)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(guī)的發(fā)送/接收機，也應(yīng)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(shù)的發(fā)送/接收機。
3.2 TDMA 空中接口QoS
在3G 無線網(wǎng)絡(luò)中，也有基于TDMA的空中接口，如EGPRS（增強通用分組無線業(yè)務(wù)）。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(shù)和一個演進的分組交換GPRS 核心網(wǎng)。當(dāng)前的EGPRS 協(xié)議采用的是GPRS 核心網(wǎng)，并引入了一個新的空中接口，EDGE（增強數(shù)據(jù)全球演進）。
為了在3G 無線網(wǎng)絡(luò)中支持不同的業(yè)務(wù)，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(yè)務(wù)級別的不同調(diào)度機制進行了討論，對兩種加權(quán)循環(huán)類型的調(diào)度法進行了研究：無線接入網(wǎng)（RAN）中無線感知（radio-aware）分組調(diào)度法和CN 邊緣的常規(guī)分組調(diào)度法。結(jié)果顯示，對于EGPRS 系統(tǒng)，如果在調(diào)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(tǒng)的整個延時性能。但對不同的業(yè)務(wù)級別使用加權(quán)循環(huán)調(diào)度法并不適用于一個干擾受限環(huán)境。同時多時隙的分配也可以用來提供不同的業(yè)務(wù)。
4 3G RAN 的QoS
UMTS/IMT-2000 的基本概念是把接入的功能和核心網(wǎng)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(shù)的功能和移動性功能是不可見的。目前3GPP 定義的接入網(wǎng)有分別基于WCDMA和EDGE無線接入技術(shù)的UTRAN和GSM/EDGE 無線接入網(wǎng)（GERAN）。
在3G RAN 中，必須有連接諸如基站和無線網(wǎng)絡(luò)控制器等網(wǎng)絡(luò)單元的傳輸技術(shù)。綜合應(yīng)用自身對QoS 的不同要求和先進的無線控制功能強加于應(yīng)用的要求，傳輸技術(shù)必須為不同級別的業(yè)務(wù)提供不同的QoS。傳輸承載必須支持多種QoS 的要求和業(yè)務(wù)特性。
4.1 基于ATM的傳輸方案
在當(dāng)前各種分組網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，ATM是對QoS 的支持相對成熟的一種方案。在UMTS 的第一個發(fā)布版本中，UTRAN 選中了ATM/AAL2（ATM 自適應(yīng)層2）作為他的傳輸技術(shù)。為了滿足UTRAN 傳輸層對QoS 的嚴(yán)格的要求，必須對業(yè)務(wù)管理、資源管理等給以特別的關(guān)注。
文獻【5】列出了UTRAN 中幾種ATM/AAL2 傳輸?shù)男阅芗捌湓O(shè)計方法，研究了嚴(yán)格的延遲要求對ATM/AAL2 傳輸所需帶寬的影響。得出的結(jié)論為ATM/AAL2 技術(shù)能夠滿足嚴(yán)格的WCDMA UTRAN QoS 要求。
4.2 基于IP 的傳輸方案
3G RAN 的網(wǎng)絡(luò)單元不僅可以通過ATM/AAL2 技術(shù)來互連，也可以通過IP 技術(shù)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(jīng)近于成熟；其次，IP 作為一個網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，是獨立于鏈路層/物理層設(shè)計的，所以可以和各種低層協(xié)議協(xié)同工作；再次，IP 已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)中各種業(yè)務(wù)分組的基準(zhǔn)；最關(guān)鍵的是3G CN 是基于IP 的。
目前的IP 網(wǎng)絡(luò)都是面向?qū)ρ舆t不敏感的數(shù)據(jù)應(yīng)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(xié)議RTP，IP 網(wǎng)絡(luò)上實時信令的傳輸SigTran，具有QoS 保護的集成業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)IntServ，集成服務(wù)/資源預(yù)留協(xié)議RSVP，業(yè)務(wù)區(qū)分結(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)束語
目前，致力于3G 標(biāo)準(zhǔn)化的兩個組織3GPP 和3GPP2 仍然在對3G 中一些關(guān)鍵技術(shù)進行研究，并使其中的一些成為標(biāo)準(zhǔn)。雖然現(xiàn)在3G 還沒有在世界范圍內(nèi)鋪展開，廣泛鋪開的是2G 向3G 的過渡網(wǎng)絡(luò)，如GPRS 和CDMA 1x 等。但是隨著時間的推移，業(yè)務(wù)的需要，3G必將在世界范圍內(nèi)廣泛鋪開。因為3G 支持各種各樣的業(yè)務(wù)，而用戶的要求也越來越高，所以必須為業(yè)務(wù)提供QoS 保護。3G 的最終目標(biāo)是一個全IP 的網(wǎng)絡(luò)，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(shè)也必將把保證業(yè)務(wù)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 on
3G 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》
