UMTS对分组数据业务的QoS保证

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摘要：文章详细分析了UMTS（通用移动通信系统）的端到端QoS体系架构、QoS相关参数和属性以及对分组数据的处理，并讨论了分组数据在UMTS中的QoS实现问题，最后得出结论：通常情况下UMTS可以较好地保证多媒体业务的端到端QoS。
    1、引言
    3G UMTS（Universal Mobile Telecommunication Systems）是第一个真正清晰定义了端到端QoS结构的移动通信系统。通过端到端QoS机制的具体实施，终端用户可以获得有QoS保证的服务，而WCDMA运营商也能更有效地利用各种资源，提供高利润的新型多媒体服务，例如流媒体、可视电话等。
    然而，移动通信系统QoS的实施是非常复杂和困难的。R99版本的UMTS系统并没有明确定义端到端QoS的实现方法，只明确了有关解决方案应该具备的能力，如必须能满足端到端的QoS要求、在移动过程中保持QoS的连贯性等。UMTS为了灵活有效的提供多种业务，必然要分阶段地实现向全IP的演进，因此本文将就终端上的分组业务对UMTS的QoS保证进行分析和探讨。
    2、UMTS系统的QoS架构及参数
    2.1UMTS的QoS架构
    为了实现端到端QoS，UMTS从业务的起点到业务的终点都建立和使用具有明确定义的属性和功能的承载业务。UMTS的QoS架构如图1所示。

    图1 UMTS的QoS框架结构

    从图1可以看出，UMTS给出了分层次、分区域的QoS体系结构，每一层的承载服务都是通过其下一层的承载服务来提供的。
    2.2QoS参数和属性
    在UMTS中，尽管QoS参数是按层来定义的，但不同承载业务层的QoS参数基本相似，所以下面仅以UMTS承载业务层的QoS参数为例来简单介绍常用的UMTS定义的QoS参数：
    （1）Maximumbitrate（kb/s）：此参数是为了便于无线接口下行链路码的预留。
    （2）Guaranteedbitrate（kb/s）：此参数是为了便于基于可用资源的许可控制和资源分配。
    （3）MaximumSDUsize（byte）：用于许可控制。
    （4）SDUformatinformation：它是可能的SDU尺寸列表，当UTRAN以透明RLC协议模式工作的时候需要此信息。
    （5）SDUerrorratio：指丢失或者检测出差错SDU的比率，用来配置层二（L2）的重发协议和层一（L1）的检错编码。
    （6）Deliveryorder（y/n）：指明是否要求按照顺序传送SDU，这要根据用户协议类型而定。
    （7）Residualbiterrorratio：指在传送SDU中未检测到的误码率，用来配置L1的信道编码和检错编码。
    （8）DeliveryoferroneousSDUs（y/n/-）：指明是将检测出有错的SDU标以差错指示后进行传送还是进行丢弃，或者根本不考虑差错检测就进行传送。
    （9）Transferdelay（ms）：不同的应用有不同的延迟容忍程度，UTRAN可根据这一参数来设定传送格式和ARQ参数。
    （10）Traffichandlingpriority：指对不同媒体的SDU处理的优先权。对于同一个承载业务，它和参数“保证的比特率”不能同时出现。
    （11）A1location/RetentionPriority：指分配和保持UMTS承载的优先权。
    （12）Sourcestatisticsdescriptor（speech/unknown）：说明SDU数据源的特征，如果是语音，RAN、SGSN、GGSN和UE可根据经验得出统计复用增益，用于许可控制。
    （13）SignalingIndication（y/n）：只用于交互级业务，设为“Yes”，则UE设Traffichandlingpriority为“1”，它与其他的交互级在优先级和时延上都有所不同。
    如果业务是对称的，那么前向和反向的QoS参数应该是相同的，但如果业务是非对称的，则需要分别为上下行链路定义各自的QoS参数。
    3、分组数据的传输过程
    3G用户在使用分组数据业务时，数据一般经过四个设备才能到达因特网的服务器。这四个设备分别是：UE（UserEquipment）、RNS（RadioNetworkSubsystem）、SGSN（Serving GPRS Support Node）和GGSN（Gateway GPRS Support Node），其中RNS属于UTRAN，SGSN和GGSN属于CN的分组域。
    根据UMTS的QoS架构，一个分组业务的UMTS承载是由UE和SGSN间的RAB（RadioAccessBearer）承载和SGSN和GGSN间的GTP（GPRSTunnel Protocol）隧道承载组成。RAB又由RNC和SGSN之间的GTP隧道以及RNC与UE间的RB（Radio Bear）组成，一个分组业务与以上承载是一一对应的关系。图2给出了分组数据通过四个主要设备经过的协议栈：

    图2 UMTS的分组域用户面协议栈

    ◆PDCP：分组数据汇聚协议，只对分组域的业务进行处理，即透明地传输网络层的分组，以支持多种网络层协议。另外，PDCP提供的头压缩算法能有效压缩网络层分组冗余的首部，提高无线信道的利用率。
    ◆RLC：无线链路控制协议，为用户和控制数据提供分段/重组、检错、流量控制和重传等功能。对所有的RLC模式，CRC错误检测在物理层上执行，CRC检测结果连同数据一起传递给RLC。RLC层向高层主要提供三种模式的数据传输：TM（TransparentMode，透明数据传输）、UM（UnacknowledgedMode，非确认模式数据传输）、AM（AcknowledgedMode，确认模式数据传输）。透明模式对高层的数据流不加任何处理，但可以包含分组／重组功能。非确认模式提供检测传输错误和唯一性的功能。确认模式提供自动重传请求机制来纠正传输错误，通过设置最大重传次数或超时时间来限制重传次数。确认模式支持无错传递、唯一传递、顺序传递和无序传递。从透明模式、非确认模式到确认模式，传输可靠性依次增强，传输效率依次降低。另外，在UM和AM模式下，RLC通过在特定的TTI（Transmit Time Interval）内发送特定个PDU来实现流量控制。对于每个RLC实体，有：
    RLC的数据速率=RLC每个TTI发送的PDU个数÷TTI
    ◆MAC：媒体接入控制，执行无线链路层提供的逻辑信道向物理层提供的传输信道间的映射。MAC层主要根据RRC（RadioResourceControl）层的QoS设置，通过设置映射时的优先级、传输信道的传送格式来实现不同数据流的QoS保证。
    GTP-U：GTP的传输平面。GTP将上层数据包重新封装发送，通过包头提供路由信息，使封装的数据能够通过互联网络传递。GTP协议分为信令平面GTP-C和传输平面GTP-U，其信令平面主要包含路径管理、隧道管理、位置管理、移动性管理四大类，传输平面则提供了SGSN之间、SGSN和RNC、SGSN和GGSN间数据包传送的隧道。其中隧道管理围绕PDP（PacketDataProtocol）上下文展开，是PS域会话过程的核心。
    UDP、IP、ATM都是在现在的宽带网络中充分应用的技术，这里就不敖述了。
    4、UMTS分组业务的QoS实现
    UMTS对分组业务承载的建立及QoS设置是通过控制面中的会话管理SM来实现的，其中QoS设置主要涉及上述QoS参数。
    4.1会话管理SM
    SM实现QoS架构中的UMTS承载业务，负责协商和设置分组数据在UMTS网络中传输时的QoS，并映射到无线接入承载和CN承载。
    SM存在于连接管理层CM。CM位于层三（非接入层），由GMM（GPRSMobileManagement）、SM、SMS（ShortMessage Service）组成，CM在控制协议中的位置如图3所示。其中GMM层为SM和SMS提供信令传送，实现用户和网络侧的连接管理。SM位于移动性管理和用户面之间，向用户面提供服务。它一方面完成核心网络SGSN到GGSN之间的隧道建立修改和释放的控制功能，另一方面完成SGSN和UE之间的RAB建立、修改和释放的控制功能。

    图3 UMTS的分组域控制面协议栈

    SM通过PDP上下文的激活、修改去激活信令流程实现会话管理，一个分组业务和一个PDP上下文对应。PDP上下文存在于UE、SGSN、GGSN，内容包括分组业务在各个实体的标志，业务进行隧道转发的所有信息，RNC、SGSN、GGSN的IP地址、隧道标识和QoS设置等。
    用户请求一个分组业务时，首先通过SM根据用户的签约服务激活一个PDP上下文，并在UE、RNC、SGSN、GGSN之间进行QoS协商，使各节点提供的服务质量保持统一。由于整个QoS设置的过程非常复杂，所以下面在用户和系统相对稳定的前提下，结合各接口对分组数据的处理对相关参数设置进行说明。
    4.2Uu接口
    在Uu接口上，IP分组往下传，首先PDCP层对IP分组的首部进行压缩，然后RLC层在一定的模式下传输PDCP-PDU，对它进行分段、加密、重传等可能的处理来保证一定的可靠性，将RLC-PDU传到指定的逻辑信道，接着MAC层按一定传输格式组合TFC和一定的优先顺序将逻辑信道的数据流映射到传输信道，物理层对每个传输信道的数据流进行CRC差错检测、交织、分段、速率匹配、复用等处理后扩频调制发送。
    RB参数通过RRC实现。RRC设置好QoS参数，映射到以下各层的QoS参数来实现：
    （1）对于业务可靠性方面的主要设置
    SDU错误率：主要通过RLC的传输模式和物理层的检错编码来实现。
    SDU格式：设置RLC透明模式传输时RLC-PDU的大小。
    残余比特错误率：通过设置物理层的信道编码和检错编码来实现。
    传输顺序：如果是按序传输则设置为RLC确认模式的按序传输，否则其它模式都可以。
    （2）对于业务时延或抖动方面的主要设置
    传输时延：通过设置传送格式和RLC的传输模式来实现。同个用户的多个数据流是以一定格式复用到物理层的一帧中的，这通过设置RLC的TTI和每个TTI发送的PDU个数、MAC每个TTI映射到物理信道的传输块个数来实现，RLC每个TTI发送的PDU个数对应MAC每个TTI将相应的传输信道映射到物理信道的传输块个数。TTI越大，PDU个数越小，传输块个数越小，时延就越大，但同时时延抖动就越小，RLC层的缓存就越大。RLC的确认模式的最大重传次数的设置越大，允许的传输时延就越大，但实际的传输时延取决于信道条件。
    优先级：通过设置传送格式来实现，多个数据流时优先级越高的吞吐量就越大，传输试验就越小。
    （3）对于业务吞吐量方面的主要设置
    最大数据速率、保证数据速率：都是通过设置传送格式来实现。
    4.3Iu接口和Gn接口
    对于Iu接口，用户IP数据流经过GTP-U、UDP、IP、链路层ALL5和ATM、物理层的处理。GTP-U主要是保证IP数据流在RNC、SGSN和GGSN间的连贯传输，尤其在用户移动导致RNC、SGSN切换的情况下。所以GTP-U对分组数据有可靠性方面的保证。但Iu接口的用户面协议UP的功能是附加在GTU-U上实现的，所以Iu上的GTP-U支持透明模式和预定义SDU大小模式。透明模式下，GTP-U不对数据流做另外的处理；预定义模式下，GTP-U按预定义的SDU大小将数据流以UP帧为单位发送，并具有检错、速率控制、帧质量分类等功能，可实现吞吐量、可靠性方面的QoS保证。UDP对数据流没有QoS保证。IP网可通过采用IETF提出的DiffServ和IntServ模型，实现吞吐量、可靠性和时延方面的QoS保证。ALL5主要针对对错误敏感的业务，所以链路层主要实现可靠性方面的保证。
    对于Gn接口，用户IP数据流经过GTP-U、UDP、IP、链路层、物理层的处理，没有对链路层和物理层进行规定。除了GTU-U没有附加的UP层功能外，GTP-U、UDP、IP的QoS保证与Iu口类似。
    通过以上分析，可以看出R99版的UMTS提出了一个全面的框架来落实QoS保证，从核心网到接入网都有相应的协议和设置从时延抖动、错误率和吞吐量三方面来保证分组数据业务的质量。核心网方面，ATM网络的可靠传输使得错误率已经不是问题，IP网络采用DiffServ和IntServ模型的结合，所以用户的时延抖动和系统的吞吐量也得到了解决。接入网方面，移动通信环境导致Uu接口的时延抖动、错误率和吞吐量是制约业务QoS的瓶颈。对此，UMTS采用的WCDMA扩频技术和快速功控技术较好地解决了用户吞吐量和系统容量的问题，采用的RLC层通过适当的传输模式的设置可以保证分组业务的时延抖动和错误率。但同时应看到，在某些极端情况下，业务的QoS难以得到保证。比如，UMTS在核心网负荷重时，不能完全保证用户的时延抖动，虽可以通过加大IP网的带宽冗余来暂时缓解，但长远来看可以通过接纳控制机制得到解决。再如，在恶劣的无线信道条件下，UMTS不能完全保证对错误和时延抖动都敏感的多媒体业务的QoS，但这可通过多媒体的错误隐藏和抖动平滑技术来解决。
    5、总结
    3G网络的QoS控制能力是运营商间竞争制胜的关键。由分析可知，在一般情况下UMTS可以较好的保证多媒体业务的端到端QoS，但QoS保证功能仍有待进一步加强。