数据业务端到端QoS参数映射与优化

爱卫生

本文摘自《通信技术》2012年05期。

【作者】 余轮：（1952-） ，男，博士生导师，主要从事医学图象处理、计算机图象图形系统和无线传输与多媒体通信的研究工作；赵飞龙（1977-） ，男，博士研究生，主要研究方向为无线通信网络规划与优化技术。

【机构】 福州大学物理与信息工程学院； 福州大学计算机图像图形研究所；

【摘要】 在移动通信网内采用业务质量(QoS,Quality of Service)机制实现差异化的业务传输是近年的研究热点。端到端QoS包括非接入层用户和业务的识别、不同承载间QoS的一致性传递和接入层QoS的正确执行。这里以EDGE网络中数据业务传送机制为基础,全面研究了3GPP的QoS框架在UMTS网络的GERAN A/Gb模式和UTRAN Iu模式中的QoS映射,给出一个经过优化的端到端QoS参数映射表,并基于该表,在真实的EDGE网络中验证了QoS参数优化的可行性和参数映射的一致性。实验结果表明,根据不同业务的特点采用差异化的传输策略可以提升业务的感知。

【关键词】 数据业务； QoS； 网络优化；

0 引言

根据中国移动有限公司2010年财务年报[1]，目前分组交换的数据流量已经占全部网络通信流量的50%左右。即使在以语音业务为主的在公众通信网络中，在国内一些发达地区，数据业务的等效话务量也已经超过了语音业务的话务量，成为了网络中主要的业务。随着三网融合的逐步推进，特别是VoIP、IPTV等传统语音、视频等业务的IP化，并最终实现端到端网络的全IP化，数据业务有可能成为网络中唯一的信息载体[2]。

基于电路交换的语音业务和基于分组交换的数据业务，在信息的传送上存在着截然的不同。话音业务在通话过程中同时独占双向两条信道，不允许信道共享，易于在各个协议层次上开展测量，并实现端到端的性能监控。与此不同的是，数据业务双向通信采用相互独立的虚连接，允许信道共享，各协议层间存在多次的复用和解复用、封装与解封装、分段与组合、嵌套与解嵌套等操作[17-18]，因此难以将各协议层次上的测量结果关联在一起，实现端到端的分业务的性能监控。

有关IP网络内的QoS机制和策略实施的相关内容，可参考文献[19-20]。本文将以EDGE网络中的数据业务传送机制为基础，详细研究了UMTS网络中如何实现端到端的QoS映射，包括非接入层用户和业务的识别、不同承载间QoS的一致性传递和接入层QoS的正确执行，并以此为基础探讨了如何开展QoS的优化实现最佳的网络性能。

1 数据业务网络

本节将详细阐述端到端的EDGE分组数据传输涉及到的网元和用户面协议，厘清各网元直接的连接关系和各协议层间的服务访问点（SAP，Service Access Point)映射。通过了解这些内容可以为下一节说明如何实现各业务承载的QoS映射提供基础。有关EDGE网络的技术，请查阅相关规范。

端到端的EDGE分组数据传输涉及到基站(BTS，Base Transceiver Station)、基站控制器(BSC，Base Station Controller)、服务GPRS支持节点（SGSN，Serving GPRS Support Node)、网关GPRS支持节点（GGSN，Gateway GPRS Support Node)、归属位置寄存器（HLR，Home Location Register)、域名系统（DNS，Domain Name System)等网元，如图1所示。

手机（MS，Mobile Station)和BTS之间是Um接口。当位于MS的RR(Radio Resource)实体和位于分组控制单元（PCU，Packet Control Unit)的RR实体之间建立了控制面RR连接后，RR连接将管理一对双向的用户面无线链路控制（RLC，Radio Link Control)连接即临时块流（TBF，Temporary Block Flow)，无线块（RB，Radio Block)是TBF连接在空口传输的协议数据单元（PDU，Protocol Data Unit)，一个RB在一个分组数据业务信道(PDTCH，Packet Data Traffic Channel)无线信道上传输。同一个TBF的多个RB可以在不同的PDTCH上传输，但有相同的临时流标识（TFI，Temporary Flow Indicator)标识。TFI总共只有32个，为保证TFI的使用率，每个分配出去的TFI都有一定的生命期，超期则收回再分配。因此在空口的RLC层，需要采用时间戳、小区全球标识（CGI，Cell Global Identity)、频点、PDTCH信道、上下行方向和TFI才能唯一标识一个用户。RB有多种信道编码方式，其中通用分组无线服务（GPRS，General Packet Radio Service)有4种，EDGE有9种，这些编码方式由工作在层1的BTS上的CCU单元决定。

BTS和BSC之间是Abis口，这是一个非标准化的接口，不同的设备有不同的实现。二者之间通过一条E1连接（以PCM_ID标识），并划分为以16kb/s为最小粒度的时隙，可同时兼容传输一个语音的TRAU帧或一个数据的PCU帧。由于不同大小的RB需要不同数量的Abis时隙，为提高传输的使用效率，采用动态池的技术，在BSC上以DAP-ID唯一标识，由一个NSE管理。

BSC和SGSN之间是Gb接口。PCU是BSC上处理与数据业务有关的物理单元，其中MAC、RLC、RR、BSSGP、NS等协议都与PCU有关。根据PCU的处理能力，可以由多个PCU构成一个NSE实体。在SGSN上一个PAPU可以处理多个NSE实体。对端的NSE实体由相同的NSEI标识，NSE间的永久虚连接NSVC由NSVCI标识。当一个Cell(小区）纳入一个NSE实体进行管理，将在NSE内自动建立一个对应的BSSGP虚连接（BVC)，该虚连接由BVCI标识。该小区下每个用户的LLC连接（由TLLI标识，可能有多个PFC分组流上下文，由不同的SAPI标识）将承载于BVC之上。

SGSN和GGSN之间是Gn接口，采用了GTP隧道来传输控制面的信令和用户面的数据。TEID(隧道端标识）由发送端设置为接收端要求的值，用户面和控制面各有一个TEID，且SGSN侧和GGSN侧的TEID—般不同。TEID在Gn口用于区分不同的用户，以NSAPI区分同一个用户的不同PDP连接，因此在SGSN和GGSN内部需要维护一个TEID和IMSI、PDP地址的对应关系。

2 端到端QoS映射

如图2所示，端到端QoS映射主要体现为上下层承载的QoS映射和同层承载的QoS对接。尽管3GPP为移动网络QoS管理定义了较为超前的端到端QoS体系架构，但是仅明确定义了从UMTS承载业务属性到无线接入承载业务属性的映射，而将从应用属性到UMTS承载业务属性和从UMTS承载业务属性到核心网承载业务属性的映射留给了运营商[4’14]。因此，在网络运维中，运营商需根据业务的特点，将不同的QoS属性赋予不同的业务进行差异化数据传输，做好全网端到端的QoS参数规划，并定期进行QoS参数一致性的检查，以保证网络取得最佳的效益。

2.1应用属性到UMTS承载业务属性的映射

用户的QoS协商是在PDP上下文激活过程中完成的[17-18]，通常取UE请求的QoS、HLR中定义的QoS、SGSN可支持的QoS、GGSN可支持的QoS和BSC/RNC可支持的QoS的最大交集。对于未采用分组业务策略控制技术（PCC)的网络而言，一个用户完成了PDP上下文激活之后，传递的任何业务将都采用同一个QoS属性。即，通过HLR中的定义的QoS属性，QoS可以对用户加以区分但对同一用户的多个业务无法进一步区分。为了实现从业务应用属性到UMTS承载业务属性的映射，在分组网络中还必须引入策略控制服务器（PCRF)和策略控制执行点功能（PCEF)。PCEF对业务加以识别，并将用户属性和业务属性告知RCRF，由PCRF根据市场策略生产网络控制规则一一QoS属性并告知RCEF，RCEF所在的GGSN则发起PDP上下文修改过程通知SGSN、BSC/RNC和UE，通过该方法从而实现了对具体业务的QoS加以区分。

2.2 UMTS承载业务属性到到无线接入承载属性的映射

为了实现QoS参数在不同网元、不同协议层之间的传递，UMTS为每一个终端独立分配了NSAPI/SAPI/PFI(GERANA/Gb模式）和NSAPI/RAB_ID/RB_ID(UTRAN/GERANIu模式）来共同标识一套QoS参数，并完成参数间的映射。

在UMTS承载中，一个MS可以同时激活多个主PDP上下文访问不同位置应用服务器上多个业务，这些主PDP上下文具有不同的PDP地址、APN和QoS属性。对于每个主PDP上下文还可以进一步激活辅PDP上下文，以访问同一个应用服务器下的多个具有不同QoS的业务，主辅PDP上下文的PDP地址和APN相同，但QoS属性不同。对于同一个MS中的多个主辅PDP上下文采用不同的TI、NSAPI标识，NSAPI取值范围0-15，NSAPI=0用于跳转机制，NSAPI=1用于PTM，NSAPI=2-4用于扩展，5-15由GGSN动态分配，因此一个MS最多可以激活11个PDP上下文。

二次激活的主辅PDP上下文较为特殊。对于控制面，在PDP激活过程中通过TI实现关联，并共享一个GTP-C的TEID。对于用户面，通过业务流模板（TFT)区分同一个PDP地址下的多个PDP上下文，且每个PDP上下文有各自独立GTP-U的TEID。

因此采用IMSI+NSAPI或PDP地址+TEID可以分别在控制面和用户面唯一标识一个用户的一个业务。

2.3无线接入承载属性到无线承载属性的映射

对于无线接入承载和无线承载，在不同版本的网络中，实现方式有明显的不同，下面分GERANA/Gb模式（R99之前）如图3和UTRAN/GERANIu模式（R4之后）如图4分别阐述[5]。

(1) GERANA/Gb模式

在无线接入承载中，属于同一个PDP地址的多个具有相同QoS的NSAPI可以复用到一个SAPI，构成一个汇聚BSSQoS属性。SAPI取值范围0-15，SAPI=1用于GMM信令，SAPI=7用于SMS，3/5/9/11用于SNDCP协议4个不同延迟等级的业务，其余保留[12]。因此在LLC层TLLI+SAPI将无法区分具有相同QoS的2个业务。

在无线承载中，同一个PDP地址的多个SAPI(s)可以共享同一个BSS分组流上下文（PFC)——用PFI标识，通常SAPI和PFI是——对应的。PFI取值0-127，PFI=0用于BE类业务，PFI=1用于信令，PFI=2用于SMS，PFI=3用于隧道消息（TOM8)，4-7预留，8-127动态分配[11]。与NSAPI、SAPI不同，PFI通常只出现在TBF的第一个RLC块中，并由RLC块头部的PI域指示是否存在。

在实际网络中，终端通常只能选择一个APN发起主PDP激活，并有可能激活一个辅PDP上下文，并发进行2个业务。这2个PDP上下文由2个不同的NSAPI(5，6)标识，根据QoS是否相同，映射到相同或不同的SAPI和PFI，典型的SAPI取值是3，PFI取值是0。

(2) UTRAN/GERAN Iu模式

在无线接入承载中，一个PDP上下文（由NSAPI标识）映射到一个无线接入承载（RAB)一一由RAB_ID标识，尽管协议规定RAB最多可以有16条，但由于RAB_ID取值NSAPI相同，所以在分组域将只有11条RAB。

RAB到RB的映射是UMTSRRM的内部实现，协议未进行标准化。根据资源使用情况、无线信道条件不同的RB可以满足特定属性的RAB承载要求。对于分组域而言一个RAB只在一个RB中承载[9,16]，因此RAB_ID和RB_ID具有——对应的关系。RB_ID的取值范围0-31，0用于对应CCCH信道的SRB，1-4用于对应DCCH信道的SRB，5-31用于承载业务[10]。

2.4 QoS参数的映射

各业务承载根据本地的QoS参数设置独立执行QoS保证，因此，为了实现端到端的业务QoS保证，必须保证各业务承载的QoS参数之间映射的一致性。3GPP端到端QoS映射表，如表1所示。

一般认为GPRS/EDGE网络仅能承载交互类和背景类的分组业务，HSPA网络也只能承载流类、交互类和背景类的分组业务，同时考虑到各QoS参数的取值范围和对应关系，在实际网络中，可以将业务根据QoS类别划分为5大类，即流类、交互类1、交互类2、交互类3和背景类，分别对应于表1中4、7、11、15和18的5种映射关系。

表1中：①IP承载包括Gi口、Gn口、Gb口、Iu-PS口和Iub口的IP承载[17-18]，有关DiffServ的DSCP编码请参考文献[19-20];②业务处理优先级在R99中只有3级，在R4及以上有15级；③调度步长仅适用于R99以下的网络；④调度级别指示仅适用于R4以上的网络；⑤Iub承载指Iub口用ATM作为传输载体。

3 实验和结果讨论

在本节中，我们通过比较3种不同类型的业务在相同和不同的QoS属性设置下的应用层吞吐率，来说明QoS参数设置对业务性能的影响情况。

3.1实验环境

如图5所示，实验环境由3个手机（OT290，支持上行2时隙和下行4时隙)和一个连接到EDGE网络的基站构成。每个手机作为一个调制解调器连接到便携式计算机，通过电脑控制发起需要的业务并记录应用层的速率，一个手机发起一个业务，分别是视频流、web浏览和彩信。在网络侧，基站只有一个扇区，且只有4个PDTCH信道用于承载分组业务，该扇区位于室内只服务于这3个手机，无线环境良好且不受外部其他呼叫的影响；由于该网络没有采用PCC技术，因此业务的QoS从应用属性到UMTS承载业务属性的映射通过在HLR为相应的IMSI设置不同的QoS属性来实现；网络中其他业务承载的QoS参数按表2设置。

3.2 结果讨论

在仿真中，需要事先做好3台便携式计算机的时钟同步，实验对比的是3种业务共存时，下行吞吐率的情况。对于MMS业务，可以采用自发自收的方式来获得对下行的吞吐率。实验结果如表3和图6所示。

在情景1中，3个具体业务均映射为背景类业务，在网络中采用无差异的方式传输，应用层的吞吐率基本相同。在情景2中，视频流映射为流类业务，Web浏览映射为交互类2业务，MMS映射为背景业务，在网络中采用差异化的方式传输。视频流的吞吐率较情景1时提升了69.52%，120.43kb/s的吞吐率将使视频更流畅。Web浏览的吞吐率略下降了14.29%，但60.21kb/s的吞吐率仍可满足用户的需求。MMS的吞吐率大幅下降了56.66%，但由于MMS业务的下载在后台运行，对时延和速率不敏感，因此并不会影响用户的感知。

实验结果表明：①通过修改HLR的用户QoS属性定义，可以实现对用户的QoS加以区分；②按表1的QoS映射关系，可以实现对不同业务类型做不同的传输；③根据不同业务的特点采用差异化的传输策略可以提升业务的感知。

4 结语

本文全面阐述了一个数据业务的会话在网络中的传输过程和QoS的映射关系，并通过一个实验验证了对不同类型的业务加以区分在网络中进行差异化传输的可行性。可以预见，随着PCC技术的引入，将可以全面实现区分用户和业务的QoS设置，差异化的业务传输不但可以提升业务的客户感知，也可以在一定程度上提升网络的软容量。尽管本文是以EDGE网络为基础，但对GERAN A/Gb和UTRAN Iu两种模式的QoS参数传递和映射都做了详细说明，因此相关的技术同样适用于WCDMA和TD-SCDMA网络。

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