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基于UMTS网络的QOS管理模式研究

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第２１期总第１５１期　２００７年１１月　内蒙古科技与经济　

Ｉｎｎｅｒ　Ｍｏｎｇｏｌｉａ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｅｃｏｎｏｍｙ　Ｎｏ．２１．ｔｈｅ　１５１　ｒｈ　ｉｓｓｕｅ　Ｎｏｖ．２００７　

基于ＵＭＴＳ网络的Ｑｏｓ管理模式研究　

张惠民　

（神华包头煤化工有限公司，内蒙古包头０１４０００）　

摘　要：ＵＭＴＳ网络具有应用范围广泛，使用要求不高的特点，ＵＭＴＳ网络中依靠监控用户的ＱｏＳ　

要求，通过性能管理器不断更新系统参数，向用户提供有区别的、有保证的传输质量服务。本文研究了　

更新系统参数的机制，建立了相应的数学模型，可用于下一步确定ＱｏＳ的优化方案。　

关键词：ＵＭＴＳ；ＱｏＳ；承载业务；接入控制器　

中图分类号：ＴＰ３９３．０３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００７－－６９２１（２００７）２１—０３８５—０２　

ＵＭＴＳ网络和有线网络相比，网络的频谱和功　

率资源严格受限；无线信道的特性和终端的地理位　

置分布相关，信道特性相差很大；远近终端的业务要　达到相同的Ｑｏｓ必须付出不同的代价，使得其ＱｏＳ　

控制机制和有线网络的ＱｏＳ控制机制之间存在较　

大的差别。　

服务质量ＱｏＳ是指用户对网络服务的满意程　

度。由于不同的应用对网络性能的要求不同，对网　

络所提供的服务质量的期望值也就不同。各种应用　

对服务质量的不同期望值可以统一用Ｑｏｓ参数进　

行定量描述。不同应用系统可以采用不同的ＱｏＳ　参数集。从ＯＳＩ参考模型来看，通信系统从上到下　

包括应用层到物理层。而从网络结构来看，包括终　

端、传输网络的节点以及链接它们的传输链路，传输　

网络可以由不同的子网组成。一般情况下，通信系　统的各个子网或各层的协议很难全部满足所有ＱｏＳ　

参数，很多子网或协议栈只能尽量达到要求，所以　ＱｏＳ的保障需要由整个系统来解决。如果下层提　

供的ＱｏＳ很好，上层需要做的工作就少一些，反之，　上层负担就会重一些。子网之间也是同样的道理。　

１　ｕＭＴＳ网络的性能管理　

移动通信技术水平的衡量有两个标准：带宽和　

ＱｏＳ，移动通信系统的性能决定于两者。ＱｏＳ是移　

动通信业务性能的综合体现，它决定了用户对业务　

的满意程度。第三代移动通信系统能够保证它所提　

供的业务的ＱｏＳ是它能否取得成功的关键因素。　

ＵＭＴＳ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ　Ｍｏｂｉｌｅ　Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｓｙｓ—　ｔｅｒｎ，通用移动通信系统）是采用ＷＣＤＭＡ空中接　

口的第三代移动通信系统。ＵＭＴＳ网络具有以下　

特点：　１．１　应用范围广泛，使用要求不高　

ＵＭＴＳ网络实际实现时，用户不会在任何时候　

都需要最好的服务。从无线传输的物理限制和网络　

运营的经济性方面考虑，某些偏僻人口稀疏的地区，　

收稿日期：２００７—０８—１２　系统只能支持低速的数据业务。因此，ＵＭＴＳ服务　

要适应不同的数据速率和不同的服务质量。ＵＭＴＳ　

业务建立在标准的业务能力上，对于所有用户和无　线环境都是一样的。即使用户从本地网络漫游到其　

他ＵＭＴＳ网络，也感觉不到太大的变化。这就是虚　

拟本地环境，即不管用户位于何时何地，或以何种方　

式接入，都将保证业务提供者整个环境的传输（包括　

用户的虚拟工作环境）。　

１．２　高速接入　

ＵＭＴＳ可支持高达２Ｍｂ／ｓ的数据速率，与ｌＰ　

结合将更好地支持交互式多媒体业务的其他宽带应　

用（如可视电话和电视会议等）。实际上，只要有足　

够的带宽，ＵＭＴＳ可支持更高的速率。　

１．３实时传输率大　

大多数蜂窝系统都采用电路交换技术进行无线　数据传输，ＵＭＴＳ则将电路交换和分组交换结合，　

为用户提供更加个性化和高性能的通信。　

ＵＭＴＳ定义了端到端的ＱｏＳ体系结构，是一个　

分层多段的层间映射／分段保证机制。承载层服务　

提供约定ＱｏＳ的所有方面，包括控制面信令、用户　

面数据传输和Ｑｏｓ管理功能。　ＵＭＴＳ的控制平台负责提供业务管理、许可／　

能力控制、签约控制和翻泽等ＱｏＳ管理功能。　

ＵＭＴＳ的用户平台负责提供分级控制、资源管理、　

业务量调节和映射功能。　

移动通信系统中基站是通信中枢，它对覆盖范　

围内的用户提供服务。它的主要任务有管理无线电　

资源、安排数据包的发送进度、负责内部及和邻近基　

站的数据交换。　

基站中负责改善ＱｏＳ的实体是性能管理器　

（ＡＰＭ），图ｌ中网络性能监控器不断监控ＱｏＳ措　

施，调整性能管理器的工作模式，性能管理器根据相　

应的模式去更新系统参数，这样的更新每隔固定的　

时间段都会发生。ＱｏＳ措施的当前值由一系列与　

・３８５・

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之相关的事件确定（信息包到达就是计算包损失率　

的相关事件）。　

图１基站系统结构　

２　ＱｏＳ管理模式的数学模型　

２．１　ＱｏＳ管理模式　

ＵＭＴＳ网络依据对延迟要求的不同，把系统中　的分组交换划分成实时服务（ＲＴ）和非实时服务分　组交换（ＮＲＴ）。依照３ＧＰＰ建议，ＲＴ服务属于会　

话（语音业务）和数据流（视频业务），而ＮＲＴ服务　

分成交互式（Ｗｅｂ浏览，数据库查询业务）和后台类　（尽力传送业务）。传输实时业务流，此方式对ＱｏＳ　

的要求最严格。　

交互式主要用于传统的因特网应用，与会话级　和数据流级相比，由于其对时延的要求不严格，因此　

可以通过信道编码和重传，提供更低的差错率。当　终端用户在后台发送和接收数据文件时，通常采用　

背景级业务方式。在移动通话开始之前，用户需要　指定它的通信路径，指定ＱｏＳ要求。然后，根据　

ＱｏＳ的要求和当前的网络状态（由等待队列长度确　定），接入控制器决定接受或拒绝用户请求。　

呼叫允许标准对各服务组是不同的，ＲＴ通话　

中为了符合它的ＱｏＳ要求需指定足够的带宽提供　应用。对于ＮＲＴ通话，接入控制器要考虑ＮＲＴ队　

列允许的自由缓冲间隔，为了防止通话确认后缓冲　

溢出，当前排队长度被设置某一门限。　２．２更新系统参量的数学表达　

接入控制是指对试图通过网络发送数据的连接　的一种硬性决策，在连接发出请求时产生。当某一　

特定类型数据流的可用带宽己经产生溢出，并且己　有新的连接发出请求时，这时的连接请求将被拒绝。　

系统中执行这部分功能的硬件我们叫它接入控制　

器，它的工作方式按照我们对ＱｏＳ的要求不断调　

整。　

设系统Ｓ＝｛（Ｐ　，ｎ。），…，（Ｐ　，ｎ　）｝，其中ＰＩ，　

…，Ｐ　是监控网络中ＱｏＳ的手段，ｎ　一，ｎｍ表示相　

关事件的数量，上一个监控周期的监控值被传达给　

ＡＰＭ用于更新，这里我们一般用函数ｆ表示更新的　系统参量　，ｆ由ＰＩ，…，Ｐ　和上一个　（旧值）确定，　

表示为：　

‘一　＝ｆ（Ｐ　（１），…，Ｐ　（＾），　）　（１）　

（１）中的函数ｆ和ｄ（ｏｌｄ）是相互独立的，所以它　是一个相对独立的更新函数，以相对更新的方法可　

以避免更新系统参量后可能引起的新参量大范围的　波动，通过接人参量控制器执行相应的功能。　

・３８６・　ＵＭＴＳ定义了接入控制器和资源管理器履行　

管理和控制功能。Ｄａｓ等提出了一个在３Ｇ无线网　络进行多媒体服务ＱｏＳ保障的方案方案，根据查寻　

性能信息管理表（Ｐ—ＭＩＢ）。Ｐ—ＭＩＢ可以由按预　定的参量离线模仿实验确定。查表法调整接入控制　器效率比较低，根据数学方法可以高效率地配置系　

统参量，同时确定合适的控制手段。我们通过有效　地运用性能管理功能确保移动用户的ＱｏＳ。　

通过接入控制器能减少信息包损失可能性和转　发失败可能性，定量的分析通过下面几步，首先利用　

等式（１）将Ｐ　一，Ｐｋ定义为ＱｏＳ要求相关的系统　

函数　的参量，则等式（１）可表示：　

（　）　ｆｌ（Ｐ１）＋…＋　（Ｐ＾）　（　）　。　一—————］　———一‘。’　

Ｌ≤ｄ‘一　≤Ｒ　（２）　

（２）中，ｆｉ（Ｐｉ）表示更新后的函数，描述了Ｐｉ作　用于系统参量ｄ　’对ＱｏＳ的影响。ｄ　的系统参量　随之整体更新，需要注意新值　必须被限制在下　

限Ｌ和上限Ｒ范围之内，确保　’计算结果有效。　通过表达式（２），可以反映系统参量更新的影响　

因素，我们可以根据需求制定相应的优化方案，达到　改善ＱｏＳ的目的，省去了通过大量离线仿真实验建　

立查寻性能信息管理表的工作量，同样可以达到好　的效果。　３　结束语　

第三代移动通信系统能否保证它所提供的业务　的ＱｏＳ是它能否取得成功的关键因素，满足用户对　

ＱｏＳ越来越高的要求需不断对ＱｏＳ的管理机制进　行完善，也对系统中参量更新方式提出了新的要求。　通过不断的研究探索，这些问题将被解决。　ＵＭＴＳ的目标是一个全ＩＰ的网络，这也决定　

了ＱｏＳ是不可或缺的部分，服务商能够对ＱｏＳ的有　

效控制，使得他们能够区别于其他竞争对手，能够对　不同的用户群提供有区别的服务，也就能在这一服　

务领域中更快地产生效益。而目前的ＩＳＰ服务商还　

缺乏这种能力，他们提供的服务只能基于先到的先　

服务或最大限度的模式。因此ＱｏＳ的控制成了第　三代移动通信系统最关键的业务热点。　［参考文献］　

［１］　ＣＨＲＩＳＴｏＰＨ　ＬＩＮＤＥⅣ【ＡＮＮ，Ａ　Ｕｎｉｆｉｅｄ　Ａｐ—　

ｐｒｏａｃｈ　ｆｏｒ　Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ＱｏＳ　ａｎｄ　Ｐｒｏｖｉｄｅｒ　Ｒｅｖｅｎ—　

ｕｅ　ｉｎ　３Ｇ　Ｍｏｂｉｌｅ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｍｏｂｉｌｅ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　８，２０９～２２１，２００３．　［２］　Ｓ　Ｄｕｔｎａｌｌ，ＵＭＴＳ—ｔｈｅ　ｍｏｂｉｌｅ　Ｐａｒｔ　ｏｆ　ｂｒｏａｄ—　

ｈａｎｄ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｎｅｘｔｃｅｎｔｕｒｙ．ＢＴ　

Ｔｅｃｈｎｏｌ，１９９８，１６（２）：１２０～１３１．　

１３］　ＹｏＮＧＪＩＮ　ＫＩＭ，ＱｏＳ　Ｐｒｏｖｉｓｉｏｎｉｎｇ　ｗｉｔｈ　Ｎｅｗ　Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ｜　Ｂｕｆｆｅｒ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　

Ｓｃｈｅｍｅ　ｉｎ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ＩＰ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ　Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕ—　

ｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，２００５，２８：２，１６９～８４．　［４］　崔立伟，蒋磊，汤汉屏．利用宽带ＣＤＭＡ技术　

增加蜂窝系统容量研究．移动通信，２０００，　（３）：２３～２５．　［５］　刘国锋．论现代移动通信技术的最新发展．　

移动通信，２，１０～１３，２０００．

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异构网络

异构网络

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一异构网络的融合技术发展现状

近年来，人们已就异构网络融合问题相继提出了不同的解决方案BRAIN提出了WLAN与通用移动通信系统(UMTS)融合的开放体系结构；DRiVE项目研究了蜂窝网和广播网的融合问题；WINEGLASS则从用户的角度研究了WLAN与UMTS的融合；MOBYDICK重点探讨了在IPv6网络体系下的移动网络和WLAN的融合问题；MONASIDRE首次定义了用于异构网络管理的模块。虽然这些项目提出了不同网络融合的思路和方法，但与多种异构网络的融合的目标仍相距甚远。最近提出的环境感知网络和无线网状网络，为多种异构网络融合的实现提供了更为广阔的研究空间。

通信技术近些年来得到了迅猛发展，层出不穷的无线通信系统为用户提供了异构的网络环境，包括无线个域网(如Bluetooth)、无线局域网(如Wi-Fi)、无线城域网(如WiMAX)、公众移动通信网(如2G、3G)、卫星网络，以及Ad Hoc网络、无线传感器网络等。尽管这些无线网络为用户提供了多种多样的通信方式、接入手段和无处不在的接入服务，但是，要实现真正意义的自组织、自适应，并且实现具有端到端服务质量(QoS)保证的服务，还需要充分利用不同网络间的互补特性，实现异构无线网络技术的有机融合。

异构网络融合是下一代网络发展的必然趋势。在异构网络融合架构下，一个必须要考虑并解决的关键问题是：如何使任何用户在任何时间任何地点都能获得具有QoS保证的服务。异构环境下具备QoS保证的关键技术研究无论是对于最优化异构网络的资源，还是对于接入网络之间协同工作方式的设计，都是非常必要的，已成为异构网络融合的一个重要研究方面。目前的研究主要集中在呼叫接入控制(CAC)、垂直切换、异构资源分配和网络选择等资源管理算法方面。传统移动通信网络的资源管理算法已经被广泛地研究并取得了丰硕的成果，但是在异构网络融合系统中的资源管理由于各网络的异构性、用户的移动性、资源和用户需求的多样性和不确定性，给该课题的研究带来了极大的挑战。

IPRAN 技术

IPRAN 技术

IP-RAN 接入技术

RAN的全ip化是UMTS实现全IP架构过程的一部分。在RAN中，最重要的功能之一就是移动性管理。原有的基于ATM的移动性管理技术在全IP的RAN架构中并不适用。在分析全IP的RAN架构中对移动性管理的新的要求基础上，提出了结合MPLS技术和移动IP技术来解决移动性管理的新的开放的应用架构，并且描述了在这种应用架构下移动IP的协议过程；简要分析了这种应用架构带来的好处，提出还需要改进的地方和实现的技术难点。

关键词：移动IP；IP-RAN；MPLS；LSP

一、引言

从GPRS过渡而来的UMTS系统将系统分为2个部分：无线接入网路（RAN）部分和核心网部分。传统的RAN的底层承载采用ATM技术。但是，整个UMTS体系有向全IP方向发展的趋势，RAN的全IP化过程也是其中的一部分。

在RAN中，最为重要的功能之一是移动性管理。传统的移动性管理技术是基于ATM技术来实现，其基本过程为：

(1)如果UE（用户设备）在同一个RNC的不同NODE B之间移动，RNC控制旧NODE B释放原有无线链路，同时控制当前NODE B建立新的无线链路。RNC将切换期间的数据缓存，导入到新的无线链路中传送给UE，达到无损的链路切换；

(2)如果UE在不同的RNC的不同NODE B之间移动，由当前RNC负责控制当前NODE B建立新的无线链路，原RNC负责控制旧的NODE B拆除原有无线链路。原RNC将切换期间的数据通过Iur接口传送到当前RNC中，再由当前RNC传送给UE，达到无损的链路切换。

由此可见，Iur和Iub是解决UE的移动性管理的重要的接口，而且这种移动性管理是通过链路的无损切换（通过复杂的信令保证）达到的，所以也称为第二层移动性管理技术。

当RAN过渡到全IP的架构时，如果仍然采用第二层的移动性管理技术就需要将传统移动性管理的相关信令从基于ATM的信令改为基于IP的信令，同时要采取复杂的协议确保信令传输的可靠性与实时性，这样会使得移动性管理的架构变得很复杂，而且信令的开销很大。另一方面，由于在未来的UMTS全IP结构中，接入网部分不光是WCDMA接入网，而且还可能是WLAN等其他无线接入网络［２］。原有的第二层移动性管理并不能解决不同接入技术的网络之间的互通性问题，也就是说，多模UE从其他网络移动到RAN中时，会导致通信的中断。

LTE中的QoS

LTE中的QoS

LTE中的QoS

▊EPS承载

与3G不同，EPS中只有数据（PS域）业务，用户与网络间必须先建立EPS承载(Bearer) 之后，才能在承载之上使用各种数据业务（如IMS语音业务、上网业务、FTP、游戏。。。）。每种数据业务的业务流，称为一个业务数据流SDF，它可以用一个IP五元组来表示（IP包中的源、目的IP地址、源、目的端口、协议(如TCP、UDP等),IP地址可以支持模糊匹配），这个五元组即TFT过滤器。

EPS完全支持IP协议，而IP是无连接的，为了让EPS数据包在EPS核心网（eNB、SGW、PGW）内进行QOS管理和控制，EEPS承载在移动网络内部动态建立了一条“半固定连接”或“逻辑电路”。EPS Bearer存在于UE和PDN GW之间，贯穿了整个移动网络。它完全取代了3GPP 为2G、3G定义了PDP Context概念。

EPS系统中，QoS控制的基本粒度是EPS承载(Bearer)，即相同承载上的所有数据流将获得相同的QoS保障（如调度策略，缓冲队列管理，链路层配置等），不同的QoS保障需要不同类型的EPS承载来提供。

EPS承载可以视为一个或多个业务数据流SDF的逻辑聚合体（即：多个业务流可以使用一个承载，即聚合在一个承载上），即相同承载上的所有数据流将获得相同的QoS保障或承载级别的转发处理，即：映射到相同EPS承载的SDF们必须具有相同的QCI和 ARP，如：调度策略、缓冲队列管理策略、链路层RLC配置等。

不同的QoS保障需要不同类型的EPS承载来提供。如果两个SDF需要不同的承载级QOS处理，则需要为每个SDF建立一个单独的EPS承载。

在EPS系统中，PDN指的是外部的数据网络（相对于LTE运营商而言），例如Internet，企业专用数据网等。APN（接入点名称）的值作为PDN网络的标识，

PDN GW位于EPC和PDN的边界。EPS Bearer存在于UE和PDN GW之间。通常情况下（GTP Based S5/S8），EPS承载可以看作是UE与分组数据网网关(PDN-GW)之间的逻辑电路，（对于基于PMIP的S5/S8接口，一般认为EPS

异构网络 2

异构网络 2

一 异构网络

异构网络(Heterogeneous Network）是一种类型的网络，其是由不同制造商生产的计算机，网络设备和系统组成的，大部分情况下运行在不同的协议上支持不同的功能或应用。

所谓异构是指两个或以上的无线通信系统采用了不同的接入技术，或者是采用相同的无线接入技术但属于不同的无线运营商。利用现有的多种无线通信系统，通过系统间融合的方式，使多系统之间取长补短是满足未来移动通信业务需求一种有效手段，能够综合发挥各自的优势。由于现有的各种无线接入系统在很多区域内都是重叠覆盖的，所以可以将这些相互重叠的不同类型的无线接入系统智能地结合在一起，利用多模终端智能化的接入手段，使多种不同类型的网络共同为用户提供随时随地的无线接入，从而构成了异构无线网络。

异构网络融合是下一代网络发展的必然趋势。下一代无线网络是异构无线网络融合的重要原因是：基于异构网络融合，可以根据用户的特点（例如车载用户）、业务特点（例如实时性要求高）和网络的特点，来为用户选择合适的网络，提供更好的QoS。一般来说，广域网覆盖范围大，但是数据传输速率低，而局域网正好相反。因此在实际应用中，多模终端可以根据自身的业务特点和移动性，来选择合适的网络接入。与以往的同构网络不同，在异构网络环境下，用户可以选择服务代价小，同时又能满足自身需求的网络进行接入。这是由于这些异构网络之间具有互补的特点，才使异构网路的融合显得非常重要。因此一些组织提出了不同的网络融合标准，这些组织有3GPP（The 3rd Generation Partnership Project）、MIH（The IEEE 802.21 Media Independent Handover working group）和ETSI（The

European Telecommunications Standards Institute）。

通信技术近些年来得到了迅猛发展，层出不穷的无线通信系统为用户提供了异构的网络环境，包括无线个域网(如Bluetooth)、无线局域网(如Wi-Fi)、无线城域网(如WiMAX)、公众移动通信网(如2G、3G、4G、5G)、卫星网络，以及Ad Hoc网络、无线传感器网络等。尽管这些无线网络为用户提供了多种多样的