业务网络运营商

1第三代无线通信网络中业务质量管理谈振辉,金晓军(北方交通大学,北京,100044)[本文摘要]:本文讨论无线通信网络从2G到3G演变过程中UMTS业务质量(QoS)结构及其需求、空中接口、无线接入网和核心网的QoS.
[关键词]:业务质量,无线通信网络QualityManagementofServicein3GWirelessCommunicationNetworksTanZhenhui,JinXiaojun(NorthernJiaotongUniversity,Beijing,100044)[Abstract]:Whileevolvingfrom2Gto3Gcommunicationsystem,theQoSarchitectureanditsrequirementsaswellasQoSofairinterface,wirelessaccessnetworkandcorenetworksarebrieflydiscussed.
[KeyWords]:QoS,WirelessCommunicationNetworks预计到2002年底全球移动通信用户可达10亿,基于分组多媒体业务可占无线业务流量的50%,这就要求在移动网提供更多容量,在无线链路、无线接入网和核心网提供更高带宽.
目前,有众多从现有2G基础设施、网络用户和终端用户演进到能支持3G全球端端IP业务、移动多媒体业务、个人业务和Internet业务的方案.
这些方案都体现权衡考虑用户需求、频谱许可、投资成本、后向兼容和过渡3G等因素的结果,其共同特点是在核心网采取分组传输,而在空中接口与无线接入网采取基于现有技术的改进.
一、UMTS的网络结构、接口和协议TDMAIS-136B/HSUWC-136EGPRSUTMSGPRSHSCSDGPRSEDGE3GPPTD-CDMAHDRIS-95BECSD3GPP2IMT-2000GSMCDMAoneOHGCDMA20001EXTREMEIS-952G(1997-)2.
5G(1998-)3G(2001-)图1向3G演变方案http://www.
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cn2图1示意2G向3G演变的方案.
从图1可知:W-CDMA也称为IMT-2000或UMTS,它成为3G主导标准之一.
其它演变方案有GSM采用160kb/s的GPRS技术,TDMA采用384kb/s的EDGE(EnhancedDatarateforGlobalEvolution),IS-95CDMA采取144kb/s的1XRTT往cdma2000过渡.
还有2.
5Mb/s的HDR(HigherDataRate)和5Mb/s的1EXTREME方案.
UMTS网络结构是适应GSM/GPRS往3G演变,它含有三个子网络即RAN或UMTS地面RAN(UTRAN)、电路交换域(CS——CircuitSwitchedDomains)和分组交换域(PS——PacketSwitchedDomains).
UMTS的网络结构和关键接口如图2所示.
UMTS的1999版仅支持WCDMA接入和ATM传输,而UMTS的2000版具有两种无线接入网技术,即GPRS/EDGE无线接入网(GERAN)和WCDMA无线接入网(UTRAN).
它们均以Iu接口链接到分组交换核心网上,也便于链接到其它如WLAN、BRAN接入网.
UEUEBSS/GERANUTRANSGSNMGWGGSNMGW其它接入网应用与业务服务器、网关和控制/信令旧有移动信令网多媒体IP网PSTN/旧有网络/外部网络服务器、网关和控制应用与业务UmUuIuGbIuGn图2UMTS2000版的网络结构和关键接口UMTS网络结构中不同节点间有些接口是开放的,如UE和UTRAN间Uu接口,UTRAN和CN间Iu接口,3G-SGSN和GGSN间Gn接口.
应用IP、PPP、OSPF等RLCMACL1RLCMACL1GTP-UL1UDP/IPL2RLCL1UDP/IPL2IP、PPP、OSPF等GTP-UL1UDP/IPL2GTP-UL1UDP/IPL2UEUuRNSIuGn3G-SGSNGGSN图3用户平面协议http://www.
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cn中国科技论文在线3图3是含分组数据域和开放接口的用户平面协议结构,此图便于讨论UMTS网络单元和接口的QoS.
二、UMTS的QoS结构和需求UMTS分组业务QoS标准化采取分层业务结构来使UMTS提供保证QoS的端端数据传送,其相关关键问题有:端端业务与UE、UTRAN、核心网、外部IP网所提供业务的映射关系;流量分类及有关QoS参数;QoS功能的位置;QoS会话;数据流复用至网络源;端端数据传送模式;无线承载业务Iu承载业务骨干网业务TEMTUTRANCNIuEDGENODECN网关TE端到端业务UMTS承载业务TE/MT本地承载业务外部本地承载业务无线接入承载业务CN承载业务UTRAFDD/TDD业务物理层承载业务图4UMTS的QoS分层结构图4示意UMTS的QoS分层结构模型.
在电路交换域内,UMTS的端端链接给PSTN和ISDN提供话音通信.
而在分组交换域,IP链接给UMTS移动站和Internet主站间提供网络层业务.
2.
1分层承载QoS业务结构网络承载业务研究确知网络如何通过信令协议、用户平面层传输和QoS管理功能来确保QoS.
在含有多个网络时,端端承载业务研究沿着端端路径上不同网络的业务组成.
UMTS端端承载业务可分解为三个主要成分,它们是:终端设备(TE——TerminalEquipment)/移动终端本地承载业务:负责移动站不同单元间通信,如移动终端承担空中接口与UTRAN物理链接.
外部本地承载业务:利用IP传输或其它技术负责连接UMTS核心网和位于外部网络的终点节点.
UMTS承载业务:利用无线接入承载业务(RAB——RadioAccessBearer)和核心网承载业务(CN——CoreNetwork),其中RAB提供位于MT和CN的Iu侧节点间数据的可靠传输.
该业务是基于无线接口特征来保证移动终端性能.
CN业务以靠近外部网的CN门站来连接UMTShttp://www.
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cn中国科技论文在线4CN的Iu侧节点,有效地控制与利用骨干网来提供UMTS承载业务.
UMTS分组核心网支持不同骨干承载业务来满足QoS不同选择,RAB承担无线承载业务和Iu承载业务,其中无线承载业务采取UTRAFDD/TDD承担无线接口传输,Iu承载业务提供UTRAN和CN间传输.
2.
2QoS需求分层承载业务结构可满足数据连接中不同承载业务对QoS不同需求.
其中TE/MT承载业务和外部本地承载业务已不属于3GPP标准范畴,外部本地承载业务采取IP区分业务(DiffServ)方案.
流量类型依据实时业务需求等级分成会话级、流级、互动级和背景级四类.
就应用而言,会话级为话音,流级为视频图像,互动级为Web浏览,背景级为Email下载.
表1示意UMTS流量类型属性.
表1UMTS承载特性业务类型最大比特率发送次序最大SDU大小SDU格式信息错误SDU的发送残余误比特率SDU出错率传送时延确保的比特率业务处理优先级分配/保留优先级会话类流类互动类背景类***********************************三、3G空中接口的QoS3G无线网络运营商面临着研发市场化电信业务新的挑战,即在任何时间和地点接入Internet并无缝隙地在移动终端获取需求业务.
这就要求3G空中接口具有支持Internet业务的QoS机理.
3G空中接口QoS的框架要灵活地支持新增各类业务,提供业务与用户之间的会话,并且具有低的实施复杂性和简易控制信令等.
3.
1CDMA空中接口ETSI/ARIB的WCDMA、TIA的cdma2000和TD-SCDMA均选择CDMA作为空中接口优选方案.
现有CDMA空中接口的QoS主要满足特定应用的需求,如实时语音应用和非实时分组数据应用的QoS保证.
基于移动链接传输支持分类I实时业务,在分类I业务未使用带宽中,以传输率申请接入方式来支持分类II非实时业务.
3GCDMA空中接口的QoS框架基于业务类型,系统的业务类型分成三类.
最高类业务类型能在任何时间不论是否拥塞干扰或信道质量下降都可提供所需带宽,业务类型的组性能由功率控制和扩频控制实施.
一种实施方案是基于目标信干比的自适应功率控制和自适应扩频因子控制,另一种实施方案是基http://www.
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cn中国科技论文在线5于带宽的控制,这是靠牺牲用户传输速率折衷处理时延和吞吐量之间矛盾.
依据上述思想,3G运营商可以自行定义业务类型,选择实现组性能方案.
应该注意的在是基于带宽控制方案中,还需无线资源分配,多用户接收机和智能天线传输接收技术给以配合来进一步提高CDMA空中接口的容量.
3.
2TDMA空中接口3G无线网络的标准之一是基于TDMA空中接口,如GSM和TDMA向3G演进产物EGPRS,它采用基于TDMA分组交换无线技术和可升级分组交换GPRS核心网.
目前EGPRS仍继续采用GPRS核心网和新的空中接口EDGE来支持高速数据率,EGPRS可在基于IP的GPRS网上传输UMTS定义的四种业务类型,达到网络综合,改进网络利用率和减少运营成本.
为了支持3G的各类业务,TDMA空中接口也在进一步研究,在3GEGPRS中提供多业务类的能力方案之一即在RAN中采用无线分组方案及多时隙分配方案等来适应不同业务需求.
四、接入网的QoSUMTS/IMT-2000的基本概念是从核心网功能中分离出接入功能,给移动终端获取核心网和网络业务提供一个具有无线接入和移动功能的平台.
目前,3GPP中无线接入网有基于WCDMA的UTRAN和基于EDGE的GSM/EDGE.
在3G无线接入网中,为互连诸如基站(BS)、无线网络控制器(RNC)网络元素需研究传输技术,实时、非实时应用所需QoS需求,越区软切换和功率控制等功能所需QoS需求,这些均要求时延、抖动、分组丢失率等不同QoS.
在3GPP标准中,UTRAN实时业务的时延应小于7ms,非实时业务的单向时延应小于25ms,抖动应小于传输时延的10%,传输丢失率应低于空中接口丢失率一个数量级,即话音业务的丢失率为1*10-4,而数据流量丢失率为1*10-7.
4.
1基于ATM传输方案在各种分组网络技术中,ATM仍是支持QoS较成熟技术,ATM/ATM适配层2(AAL2)作为WCDMAUTRAN的传输技术,UTRAN传输层QoS需求由网络规模、流量管理和资源管理来解决,其中流量管理采用公共部分子层(CPS——CommonPartSublayer)分组来处理恒定比特率(CBR)流量.
4.
2基于IP传输方案基于IP传输方案3GRAN中网络元素,诸如基站与无线网络控制器的互连是通过IP网实现的,详见图5.
BSBSRNCIP传输网图5RAN中IP传输http://www.
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cn中国科技论文在线6采用基于IP传输方案的理由是:IP的QoS管理较为成熟,网络层协议IP与链路层、物理层在设计上互相独立,可用于同步光网络(SONET)或波分复用(WDM)网络,IP在网络中成为话音、数据、信令和运行指挥和管理(OAM)分组化基础,还有另一个重要理由是3G核心网是基于IP的.
基于IP传输除需满足3GRAN传输要求外,从QoS来考虑,还需要端端控制和接近零的分组丢失率、时延、抖动等指标.
现在,IP网络主要用于时延非敏感的数据业务场合.
基于IP传输支持数据业务的QoS需包括时延、抖动和丢失率等指标.
支持实时信令传输还需考虑可靠性,安全性和传输效益,这是因为RTP/ODP/IP分组头约60字节,这远大于ATM的5字节,IP的开销也远大于ATM开销.
基于IP传输已作为3GRAN时IETF标准之一,其成果有:用于实时分组流的传输协议RTP;在IP上实时信令传输(SigTran);确保QoS的综合业务结构(IntServ);确保QoS管理的预留指定带宽和路由资源的RSVP;可标量业务区分结构(DiffServ);具有流量工程能力的标签交换MPLS和减少开销而压缩IP分组头的IPHC.
3GRAN中基于IP传输方案由3GPP和MWIF(MobileWirelessInternetForum)来研究,UTRAN中IP传输由3GPPTSGRAN第三工作组负责,MWIF中RANIP技术组负责各种RAN中IP传输技术.
五、核心网的QoS核心网含有电路交换域和分组交换域,而且分组交换域比电路交换域更为重要.
在分组交换域中,3G的SGSN和GGSN通过外部IP网络与UTRAN相连,在L2,有多种方案用于Iu接口,其中最有竞争力的是ATM.
AAL5/ATM的PVC(PermanentVirtualCircuit)可作为UTRAN和核心网IP域间公共第二层资源,PVC可提供负载共享能力和冗余度,IP层提供诸如路由、寻址、负载共享和冗余等Iu网络层业务,UMTS的核心网中用户平面由两个GPRS隧道协议(GTP)隧道组成,即在Iu接口RNC和SGNS间IP/UDP/GTP隧道,及在Gn接口SGSN和GGSN间IP/UDP/GTP隧道.
GTP采用多协议分组便于通过Iu和Gn接口间骨干链路,这样可以分级移动和直接隧道式,把RNC与IP骨干连接起来,确保所有流量通过SGSN.
Iu承载业务和核心网承载业务提供UTRAN和外部IP骨干间传输,在分组流量情况下,Iu和核心网业务在不同QoS下需提供相应的承载业务,在IP层和ATM层实现QoS能力.
基于IP的Iu承载业务采用IETF定义的DiffServ方式.
从UMTSQoS到DiffServ码点的映射是由运营商控制的,映射关系取决于带宽、各种DiffServ的资源.
参考文献[1]SudhirDixit,YileGuo,andZoeAntoniou,"ResourceManagementandQualityofServiceinThird–GenerationWirelessNetworks",IEEECommunicationsMagazine,Feb.
2001,Vol:39,No:2,p125-133[2]赵瑞峰,蒋海林,谈振辉,"基于欧氏距离度量的综合动态的无线资源管理",电子学报,2001,Vol:29,No:5,p641-644[3]谈振辉,"第三代移动通信系统的演进趋势"电信科学2001,Vol:16,No:5,p32-34http://www.
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