摘要:本文對(duì)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(diǎn)討論了Streaming類型業(yè)務(wù)的QoS實(shí)現(xiàn)并提出了綜合解決方案。
1. 序言
在3G網(wǎng)絡(luò)到來之前,GSM的無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將越來越多的被應(yīng)用,EDGE無線分組業(yè)務(wù)將受到更多的要求和關(guān)注?紤]到3G的入網(wǎng)延遲和移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的大量需求,預(yù)計(jì)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(yīng)用,終端用戶也將能體驗(yàn)到更多的新業(yè)務(wù)類型,而QoS是這些高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的保證,它勢必將作為一個(gè)重要的特性出現(xiàn)在EDGE網(wǎng)絡(luò)中并讓終端用戶確實(shí)感覺到它的實(shí)用價(jià)值。目前,很多設(shè)備制造商在最新產(chǎn)品中已經(jīng)引進(jìn)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(lǐng)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(diǎn)討論了Streaming類型業(yè)務(wù)的QoS實(shí)現(xiàn)。
2.QoS在EDGE業(yè)務(wù)中的定義
QoS(Quality of Service)即業(yè)務(wù)質(zhì)量,是指對(duì)于一定的業(yè)務(wù)要求得到一定的服務(wù)質(zhì)量。只有MS,SGSN,BSS都支持QoS特性,要求的業(yè)務(wù)質(zhì)量才能在終端應(yīng)用中最終體現(xiàn)出來。
2.1 QoS協(xié)商[2-3]
實(shí)現(xiàn)R99及以后的版本的設(shè)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(shí)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(jī)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(luò)端,其中攜帶著請(qǐng)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(luò)QoS限制最終決定MS的QoS特性并進(jìn)行CAC(呼叫接入控制)和資源分配。
2) SGSN 請(qǐng)求GGSN創(chuàng)建PDP context。
3) GGSN執(zhí)行內(nèi)部CAC并把相應(yīng)的QoS發(fā)給SGSN。
4) SGSN 通過PFC過程與BSS協(xié)商請(qǐng)求的QoS。BSS進(jìn)行CAC過程。
5) BSS將可以支持的QoS發(fā)給SGSN,如果它與原來請(qǐng)求的QoS不同,SGSN決定是否最終創(chuàng)建其上下文并和GGSN進(jìn)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(luò)端能提供的QoS。
2.2 業(yè)務(wù)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(wù)類型[2]:
conversational class:實(shí)時(shí)會(huì)話。R99不支持。例如VoIP是當(dāng)前非常熱門的話題。
streaming class:流業(yè)務(wù)。例如Video。
interactive class:交互式業(yè)務(wù)。例如傳統(tǒng)的Internet應(yīng)用,web瀏覽。
background class:背景業(yè)務(wù)。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(wù)處理。
PFC(Packet Flow Context)是BSS和SGSN之間協(xié)商的主要內(nèi)容,它是在BSS內(nèi)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(biāo)識(shí)PFC),SGSN和BSS都存儲(chǔ)了這些QoS信息。業(yè)務(wù)所要求的服務(wù)質(zhì)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(rèn)模式還是非確認(rèn)模式。
Traffic Handling priority:對(duì)于交互式業(yè)務(wù),指對(duì)不同媒體的SDU處理的優(yōu)先權(quán)。
Precedence class:同一類業(yè)務(wù)中不同的優(yōu)先等級(jí),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(qǐng)求相關(guān)的QoS的業(yè)務(wù)。網(wǎng)絡(luò)端協(xié)商之后,在Activate PDP context accept中將相關(guān)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(yīng)PFI在本地的PFC中找到對(duì)應(yīng)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(diào)度滿足QoS。
3. QoS在BSS EDGE業(yè)務(wù)中的解決方案
QoS的引進(jìn)目的是支持一定的業(yè)務(wù)能以預(yù)期的效果被終端用戶使用,例如當(dāng)用戶在線看Video時(shí),畫面是連續(xù)的。要保證業(yè)務(wù)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(jí)來保證的,例如在IP傳輸網(wǎng)絡(luò)中比較常用的Diffserv[5],可以將不同的用戶業(yè)務(wù)類型和吞吐量映射成IP傳輸優(yōu)先級(jí),以保證QoS。本文不作介紹。
接入網(wǎng)是BSS內(nèi)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(wù)的QoS解決方案
Streaming業(yè)務(wù)有實(shí)時(shí)質(zhì)量要求,對(duì)于這種業(yè)務(wù),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(wù)的QoS實(shí)現(xiàn)時(shí),可采用把GBR映射成無線資源分配來實(shí)現(xiàn)。無線資源分配體現(xiàn)在分配的時(shí)隙個(gè)數(shù)和在分配的時(shí)隙上和其他MS分享無線時(shí)隙時(shí)的使用份額(比率)。通常情況下,時(shí)隙數(shù)目的分配都是和MS的Multislot class相關(guān)的,而不取決于業(yè)務(wù)類型。因此,對(duì)于無線資源的分配要求主要依靠保證在分配時(shí)隙上的使用份額足夠。這一點(diǎn)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(nèi)的調(diào)度次數(shù)來實(shí)現(xiàn)?梢怨浪忝20毫秒MS的調(diào)度次數(shù)(cr)為:
其中
GBR:業(yè)務(wù)要求的比特率,定義在ABQP中。
:單個(gè)時(shí)隙無線傳輸速率。它與實(shí)時(shí)編碼速率有關(guān)。
TX_EFFICIENCY:傳輸效率,有效傳輸比特百分比?紤]到包丟失對(duì)吞吐量的影響,這個(gè)參數(shù)的引進(jìn)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(diào)度次數(shù)上再留有一定的裕度使得計(jì)算的結(jié)果更為合理。
簡單舉例:如果編碼是MCS9,那么單個(gè)時(shí)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(jī)應(yīng)該在每20ms內(nèi)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(jī)會(huì)。
3.2 QoS綜合解決方案
對(duì)于Interactive、background和best effort業(yè)務(wù),沒有實(shí)時(shí)質(zhì)量的要求,GBR可以不考慮。對(duì)于這些業(yè)務(wù),可以采用給他們定義不同的優(yōu)先級(jí)達(dá)到控制QoS的目的。考慮所有的業(yè)務(wù)類型包括Streaming在內(nèi),根據(jù)用戶的需要為每種業(yè)務(wù)定義不同的優(yōu)先級(jí),使它們?cè)诠蚕碣Y源的情況下,高優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)具有優(yōu)先使用權(quán),同時(shí)又兼顧每種業(yè)務(wù)的特性如Streaming的GBR映射,最終實(shí)現(xiàn)QoS。例如,定義4個(gè)優(yōu)先級(jí),不考慮信令等其他因素,把Streaming定義成最高優(yōu)先級(jí)P1,交互式業(yè)務(wù)為P2,背景業(yè)務(wù)P3,Best Effort為P4,那么在對(duì)共享資源的MS進(jìn)行調(diào)度時(shí),從高優(yōu)先級(jí)到低優(yōu)先級(jí)的MS依次調(diào)度,在完成高優(yōu)先級(jí)的所有MS調(diào)度之后如果還有剩余資源才繼續(xù)調(diào)度低優(yōu)先級(jí)的MS,并且在屬于同一優(yōu)先級(jí)的MS之間進(jìn)行輪流調(diào)度以考慮其公平性,這樣就達(dá)到了控制不同業(yè)務(wù)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(jìn)來,例如對(duì)于ABQP中定義的參數(shù),交互式業(yè)務(wù)還需要考慮THP(Traffic Handling Priority),對(duì)于不同的THP的交互式業(yè)務(wù),應(yīng)該允許定義不同的優(yōu)先級(jí)。另外,可能Precedence Class也是用戶希望能夠考慮的一個(gè)參數(shù),那么對(duì)于每一種業(yè)務(wù)都有三種不同的Precedence(high,middle,low),都可以定義不同的優(yōu)先級(jí)。最終的實(shí)現(xiàn)有多種辦法,例如可以如前所說定義總的優(yōu)先級(jí)4種,每種內(nèi)部又根據(jù)THP或者Precedence class分成子優(yōu)先級(jí);或者,定義更多個(gè)的優(yōu)先級(jí),允許用戶根據(jù)需要對(duì)業(yè)務(wù)、THP、Precedence的組合任意作優(yōu)先級(jí)的映射。
3.3應(yīng)用及其意義
QoS對(duì)于實(shí)現(xiàn)EDGE中的高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)具有重大意義。引進(jìn)QoS的網(wǎng)絡(luò)才能保證各種業(yè)務(wù)的有效應(yīng)用。
這里通過一個(gè)例子來說明上述解決方案在BSS中的應(yīng)用:在一個(gè)無線時(shí)隙上同時(shí)有3個(gè)MS進(jìn)行下行傳輸,MS1進(jìn)行的是streaming,MS2進(jìn)行的是交互式業(yè)務(wù),MS3進(jìn)行的是背景業(yè)務(wù)。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(diào)度29.6/59.2=0.5次。因此MS1占用了該時(shí)隙一半的無線資源。MS2是交互式業(yè)務(wù),具有比背景業(yè)務(wù)高的優(yōu)先級(jí),因此網(wǎng)絡(luò)端總是先滿足MS1的GBR,然后,根據(jù)優(yōu)先級(jí)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(diào)度的結(jié)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?yàn)橘Y源永遠(yuǎn)被高優(yōu)先級(jí)的MS占用了。
可見,相對(duì)應(yīng)傳統(tǒng)的不支持QoS的平均分配資源的方案(每個(gè)MS每60ms被調(diào)度一次),QoS在BSS中的應(yīng)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(wù)比背景式業(yè)務(wù)獲得了相對(duì)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(yù)見這種優(yōu)質(zhì)的業(yè)務(wù)質(zhì)量將會(huì)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(shí)際應(yīng)用價(jià)值,它使得提供QoS的BSS在資源使用上根據(jù)業(yè)務(wù)類型更加優(yōu)化。
需要指出的是本文只是簡單介紹了這個(gè)QoS的解決方案,實(shí)際上一個(gè)完整的QoS解決方案要復(fù)雜的多,例如在上面的例子中,MS3就無法實(shí)現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的功能,這會(huì)導(dǎo)致終端用戶的數(shù)據(jù)傳輸失敗,因此必須引進(jìn)其他機(jī)制保證低優(yōu)先級(jí)的用戶數(shù)據(jù)傳輸不被中斷掉。
4. 結(jié)束語
本文介紹了QoS在EDGE中的概念、業(yè)務(wù)類型以及協(xié)商過程,提出了一種BSS內(nèi)實(shí)現(xiàn)QoS的無線資源分配解決方案,主要針對(duì)Streaming業(yè)務(wù)提出了具體的資源分配算法。同時(shí)考慮多種業(yè)務(wù)的并存提出了QoS綜合解決方案即通過進(jìn)行業(yè)務(wù)和優(yōu)先級(jí)映射實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)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(lǐng)先的QoS解決方案,它使得網(wǎng)絡(luò)能夠非常高效的支持了Streaming業(yè)務(wù),特別是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載高,用戶量大的情況下,相對(duì)于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò),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(dòng)),保證了Streaming業(yè)務(wù)在終端的使用效果,達(dá)到業(yè)界領(lǐng)先水平。
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