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摘要：本文對QoS在EDGE中的概念及現(xiàn)狀作了介紹，主要研究了在BSS中的無線資源分配的解決方案，重點討論了Streaming類型業(yè)務的QoS實現(xiàn)并提出了綜合解決方案。
1. 序言
在3G網(wǎng)絡到來之前，GSM的無線數(shù)據(jù)業(yè)務將越來越多的被應用，EDGE無線分組業(yè)務將受到更多的要求和關注�？紤]到3G的入網(wǎng)延遲和移動數(shù)據(jù)業(yè)務的大量需求，預計能帶來高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)腅DGE將在不久的將來在現(xiàn)網(wǎng)被大規(guī)模地推廣和應用，終端用戶也將能體驗到更多的新業(yè)務類型，而QoS是這些高速數(shù)據(jù)業(yè)務的保證，它勢必將作為一個重要的特性出現(xiàn)在EDGE網(wǎng)絡中并讓終端用戶確實感覺到它的實用價值。目前，很多設備制造商在最新產(chǎn)品中已經(jīng)引進了QoS的支持，特別是上海貝爾阿爾卡特支持QoS的EDGE產(chǎn)品已經(jīng)領先一步在歐洲市場商用，并取得較好的商用效果。
本文主要集中在BSS中的無線資源分配的QoS解決方案上并重點討論了Streaming類型業(yè)務的QoS實現(xiàn)。
2.QoS在EDGE業(yè)務中的定義
QoS（Quality of Service）即業(yè)務質量，是指對于一定的業(yè)務要求得到一定的服務質量。只有MS，SGSN，BSS都支持QoS特性，要求的業(yè)務質量才能在終端應用中最終體現(xiàn)出來。
2.1 QoS協(xié)商[2-3]
實現(xiàn)R99及以后的版本的設備才支持QoS，在R99中，引入了在SGSN、GGSN和MS，SGSN和BSS之間的QoS協(xié)商（如圖1所示），并通過在核心網(wǎng)的傳輸控制和BSS的無線資源分配最終實現(xiàn)了QoS。
圖1.QoS協(xié)商
QoS協(xié)商過程是在PDP激活的過程中完成的，以MS發(fā)起的PDP上下文建立為例，QoS的協(xié)商過程如圖2所示：
圖2. 手機發(fā)起的PDP上下文激活過程
1) MS發(fā)送PDP context activation request給網(wǎng)絡端，其中攜帶著請求的QoS參數(shù)。SGSN根據(jù)MS要求的QoS特性，存在HLR中的用戶QoS參數(shù)以及網(wǎng)絡QoS限制最終決定MS的QoS特性并進行CAC（呼叫接入控制）和資源分配。
2) SGSN 請求GGSN創(chuàng)建PDP context。
3) GGSN執(zhí)行內部CAC并把相應的QoS發(fā)給SGSN。
4) SGSN 通過PFC過程與BSS協(xié)商請求的QoS。BSS進行CAC過程。
5) BSS將可以支持的QoS發(fā)給SGSN，如果它與原來請求的QoS不同，SGSN決定是否最終創(chuàng)建其上下文并和GGSN進行更新。
6) SGSN通知MS PDP上下文的創(chuàng)建完成包括最終網(wǎng)絡端能提供的QoS。
2.2 業(yè)務類型及其QoS參數(shù)[1-4]
規(guī)范中主要定義了四種QoS業(yè)務類型[2]：
conversational class：實時會話。R99不支持。例如VoIP是當前非常熱門的話題。
streaming class：流業(yè)務。例如Video。
interactive class：交互式業(yè)務。例如傳統(tǒng)的Internet應用，web瀏覽。
background class：背景業(yè)務。例如e-mail 下載，SMS，或者ftp下載。
其他的都可作為Best effort flow業(yè)務處理。
PFC(Packet Flow Context)是BSS和SGSN之間協(xié)商的主要內容，它是在BSS內部描述QoS特性的上下文。SGSN向BSS提供所有的PFC參數(shù)，包括ABQP（Aggregate BSS QoS Profile）和PFI（Packet Flow Identifier：標識PFC），SGSN和BSS都存儲了這些QoS信息。業(yè)務所要求的服務質量是以ABQP定義的，它出現(xiàn)在所有QoS協(xié)商的消息中，它主要包括如下參數(shù)：
Traffic class：前面提到的四種
Guaranteed bitrate：要求得到保證的比特速率。
Delivery order：是否要求順序發(fā)送SDU。
Reliability class：確認模式還是非確認模式。
Traffic Handling priority：對于交互式業(yè)務，指對不同媒體的SDU處理的優(yōu)先權。
Precedence class：同一類業(yè)務中不同的優(yōu)先等級，分高、中、低。
在MS發(fā)起的PDP激活過程中，MS在Activate PDP context request中攜帶了ABQP來請求相關的QoS的業(yè)務。網(wǎng)絡端協(xié)商之后，在Activate PDP context accept中將相關的QoS參數(shù)通知給ＭS，其中包括PFI。MS收到之后再發(fā)起建立TBF(Temporary Block Flow)的過程，并且在PRR(Packet Resource Request)中指示PFI。BSS收到PRR之后，根據(jù)相應PFI在本地的PFC中找到對應的QoS參數(shù)，并據(jù)此分配無線資源以滿足QoS要求。如果BSS允許MS接入，將分配的資源通知MS，MS則切換到新資源上工作，BSS通過控制上下行的調度滿足QoS。
3. QoS在BSS EDGE業(yè)務中的解決方案
QoS的引進目的是支持一定的業(yè)務能以預期的效果被終端用戶使用，例如當用戶在線看Video時，畫面是連續(xù)的。要保證業(yè)務的QoS需要在接入網(wǎng)和核心網(wǎng)都保證QoS。核心網(wǎng)是通過傳輸優(yōu)先級來保證的，例如在IP傳輸網(wǎng)絡中比較常用的Diffserv[5]，可以將不同的用戶業(yè)務類型和吞吐量映射成IP傳輸優(yōu)先級，以保證QoS。本文不作介紹。
接入網(wǎng)是BSS內通過分配足夠的無線資源保證用戶的QoS。這是本文討論的主要問題。
3.1 Streaming 業(yè)務的QoS解決方案
Streaming業(yè)務有實時質量要求，對于這種業(yè)務，在ABQP中，GBR是必須要考慮的重要參數(shù)，它要求的比特速率必須得到滿足。在這種業(yè)務的QoS實現(xiàn)時，可采用把GBR映射成無線資源分配來實現(xiàn)。無線資源分配體現(xiàn)在分配的時隙個數(shù)和在分配的時隙上和其他MS分享無線時隙時的使用份額（比率）。通常情況下，時隙數(shù)目的分配都是和MS的Multislot class相關的，而不取決于業(yè)務類型。因此，對于無線資源的分配要求主要依靠保證在分配時隙上的使用份額足夠。這一點可以通過將GBR折算成在以20毫秒為單位的無線數(shù)據(jù)塊傳輸周期內的調度次數(shù)來實現(xiàn)�？梢怨浪忝�20毫秒MS的調度次數(shù)(cr)為：
其中
GBR：業(yè)務要求的比特率，定義在ABQP中。
：單個時隙無線傳輸速率。它與實時編碼速率有關。
TX_EFFICIENCY：傳輸效率，有效傳輸比特百分比�？紤]到包丟失對吞吐量的影響，這個參數(shù)的引進使得估算更加精確。
QoS_SAFETY_MARGIN：考慮其他因素的影響而給MS的調度次數(shù)上再留有一定的裕度使得計算的結果更為合理。
簡單舉例：如果編碼是MCS9，那么單個時隙的編碼速率是59.2Kb/s，如果GBR是119.4并且考慮丟包（TX_EFFICIENCY＝90%），Margin為10％那么該手機應該在每20ms內得到119.4×(1+10%)/ (59.2×90％)=2.4次發(fā)送或者接受數(shù)據(jù)的機會。
3.2 QoS綜合解決方案
對于Interactive、background和best effort業(yè)務，沒有實時質量的要求，GBR可以不考慮。對于這些業(yè)務，可以采用給他們定義不同的優(yōu)先級達到控制QoS的目的�？紤]所有的業(yè)務類型包括Streaming在內，根據(jù)用戶的需要為每種業(yè)務定義不同的優(yōu)先級，使它們在共享資源的情況下，高優(yōu)先級的業(yè)務具有優(yōu)先使用權，同時又兼顧每種業(yè)務的特性如Streaming的GBR映射，最終實現(xiàn)QoS。例如，定義4個優(yōu)先級，不考慮信令等其他因素，把Streaming定義成最高優(yōu)先級P1，交互式業(yè)務為P2，背景業(yè)務P3，Best Effort為P4，那么在對共享資源的MS進行調度時，從高優(yōu)先級到低優(yōu)先級的MS依次調度，在完成高優(yōu)先級的所有MS調度之后如果還有剩余資源才繼續(xù)調度低優(yōu)先級的MS，并且在屬于同一優(yōu)先級的MS之間進行輪流調度以考慮其公平性，這樣就達到了控制不同業(yè)務的吞吐量的目的。此外，其他參數(shù)也可以用這種方法綜合考慮進來，例如對于ABQP中定義的參數(shù)，交互式業(yè)務還需要考慮THP（Traffic Handling Priority），對于不同的THP的交互式業(yè)務，應該允許定義不同的優(yōu)先級。另外，可能Precedence Class也是用戶希望能夠考慮的一個參數(shù)，那么對于每一種業(yè)務都有三種不同的Precedence（high，middle，low），都可以定義不同的優(yōu)先級。最終的實現(xiàn)有多種辦法，例如可以如前所說定義總的優(yōu)先級4種，每種內部又根據(jù)THP或者Precedence class分成子優(yōu)先級；或者，定義更多個的優(yōu)先級，允許用戶根據(jù)需要對業(yè)務、THP、Precedence的組合任意作優(yōu)先級的映射。
3.3應用及其意義
QoS對于實現(xiàn)EDGE中的高速數(shù)據(jù)業(yè)務具有重大意義。引進QoS的網(wǎng)絡才能保證各種業(yè)務的有效應用。
這里通過一個例子來說明上述解決方案在BSS中的應用：在一個無線時隙上同時有3個MS進行下行傳輸，MS1進行的是streaming，MS2進行的是交互式業(yè)務，MS3進行的是背景業(yè)務。MS1的GBR是29.6Kb/s，根據(jù)估算，如果用MCS9發(fā)送數(shù)據(jù)的話，大概需要每20ms調度29.6/59.2=0.5次。因此MS1占用了該時隙一半的無線資源。MS2是交互式業(yè)務，具有比背景業(yè)務高的優(yōu)先級，因此網(wǎng)絡端總是先滿足MS1的GBR，然后，根據(jù)優(yōu)先級允許在已經(jīng)滿足MS1的情況下，允許MS2發(fā)送數(shù)據(jù)，如果仍然有資源剩余，則允許MS3發(fā)送數(shù)據(jù)。調度的結果可能是：MS1每40ms發(fā)一次下行數(shù)據(jù)，MS2也是每40ms發(fā)送一次下行數(shù)據(jù)，但是MS3從來沒有數(shù)據(jù)發(fā)送，因為資源永遠被高優(yōu)先級的MS占用了。
可見，相對應傳統(tǒng)的不支持QoS的平均分配資源的方案（每個MS每60ms被調度一次），QoS在BSS中的應用使得Streaming獲得了更高的傳輸速率并保證了GBR，也使得交互式業(yè)務比背景式業(yè)務獲得了相對比較高的傳輸速率。他們體現(xiàn)在終端用戶那里，Video的播放非常平滑以及網(wǎng)頁瀏覽的速度較高�？梢灶A見這種優(yōu)質的業(yè)務質量將會吸引到更多的用戶。此外也可以看到，本文提出的方案非常簡單、直接并具有實際應用價值，它使得提供QoS的BSS在資源使用上根據(jù)業(yè)務類型更加優(yōu)化。
需要指出的是本文只是簡單介紹了這個QoS的解決方案，實際上一個完整的QoS解決方案要復雜的多，例如在上面的例子中，MS3就無法實現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的功能，這會導致終端用戶的數(shù)據(jù)傳輸失敗，因此必須引進其他機制保證低優(yōu)先級的用戶數(shù)據(jù)傳輸不被中斷掉。
4. 結束語
本文介紹了QoS在EDGE中的概念、業(yè)務類型以及協(xié)商過程，提出了一種BSS內實現(xiàn)QoS的無線資源分配解決方案，主要針對Streaming業(yè)務提出了具體的資源分配算法。同時考慮多種業(yè)務的并存提出了QoS綜合解決方案即通過進行業(yè)務和優(yōu)先級映射實現(xiàn)不同業(yè)務的QoS區(qū)分。目前，上海貝爾阿爾卡特公司的Edge產(chǎn)品采用業(yè)界領先的QoS解決方案，它使得網(wǎng)絡能夠非常高效的支持了Streaming業(yè)務，特別是在網(wǎng)絡負載高，用戶量大的情況下，相對于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡，吞吐量最多可提高4至5倍，并且非常穩(wěn)定（基本上沒有抖動），保證了Streaming業(yè)務在終端的使用效果，達到業(yè)界領先水平。
參考文獻：
［1］:3GPP 44.060: “GPRS; MS-BSS interface; RLC/MAC protocol”
［2］: 3GPP 48.018: “GPRS; BSS-SGSN;GGSN ”
［3］: 3GPP 24.008: “Mobile radio interface Layer 3 specification; Core network protocols; Stage 3”
［4］:楊留清 張閩申 徐菊英，數(shù)字移動通信系統(tǒng)，人民郵電出版社
［5］:崔鴻雁 徐海博 張平，第三代蜂窩網(wǎng)絡核心網(wǎng)的QoS技術分析，數(shù)據(jù)通信，2006年01期
