摘要　文章詳細分析了UMTS（通用移動通信系統(tǒng)）的端到端QoS體系架構、QoS相關參數(shù)和屬性以及對分組數(shù)據(jù)的處理，并討論了分組數(shù)據(jù)在UMTS中的QoS實現(xiàn)問題，最后得出結論：通常情況下UMTS可以較好地保證多媒體業(yè)務的端到端QoS。

1、引言

　　3G UMTS（Universal Mobile Telecommunication Systems）是第一個真正清晰定義了端到端QoS結構的移動通信系統(tǒng)。通過端到端QoS機制的具體實施，終端用戶可以獲得有QoS保證的服務，而WCDMA運營商也能更有效地利用各種資源，提供高利潤的新型多媒體服務，例如流媒體、可視電話等。

　　然而，移動通信系統(tǒng)QoS的實施是非常復雜和困難的。R99版本的UMTS系統(tǒng)并沒有明確定義端到端QoS的實現(xiàn)方法，只明確了有關解決方案應該具備的能力，如必須能滿足端到端的QoS要求、在移動過程中保持QoS的連貫性等。UMTS為了靈活有效的提供多種業(yè)務，必然要分階段地實現(xiàn)向全IP的演進，因此本文將就終端上的分組業(yè)務對UMTS的QoS保證進行分析和探討。

2、UMTS系統(tǒng)的QoS架構及參數(shù)

　　2.1　UMTS的QoS架構

　　為了實現(xiàn)端到端QoS，UMTS從業(yè)務的起點到業(yè)務的終點都建立和使用具有明確定義的屬性和功能的承載業(yè)務。UMTS的QoS架構如圖1所示。

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圖1　UMTS的QoS框架結構

　　從圖1可以看出，UMTS給出了分層次、分區(qū)域的QoS體系結構，每一層的承載服務都是通過其下一層的承載服務來提供的。

　　2.2　QoS參數(shù)和屬性

　　在UMTS中，盡管QoS參數(shù)是按層來定義的，但不同承載業(yè)務層的QoS參數(shù)基本相似，所以下面僅以UMTS承載業(yè)務層的QoS參數(shù)為例來簡單介紹常用的UMTS定義的QoS參數(shù)：

　　（1）Maximum bit rate（kb/s）：此參數(shù)是為了便于無線接口下行鏈路碼的預留。

　　（2）Guaranteed bit rate（kb/s）：此參數(shù)是為了便于基于可用資源的許可控制和資源分配。

　　（3）Maximum SDU size（byte）：用于許可控制。

　?。?）SDU format informa tion：它是可能的SDU尺寸列表，當UTRAN以透明RLC協(xié)議模式工作的時候需要此信息。

　?。?）SDU error ratio：指丟失或者檢測出差錯SDU的比率，用來配置層二（L2）的重發(fā)協(xié)議和層一（L1）的檢錯編碼。

　　（6）Delivery order（y/n）：指明是否要求按照順序傳送SDU，這要根據(jù)用戶協(xié)議類型而定。

　　（7）Residual bit error ratio：指在傳送SDU中未檢測到的誤碼率，用來配置L1的信道編碼和檢錯編碼。

　?。?）Delivery of erroneous SDUs（y/n/-）：指明是將檢測出有錯的SDU標以差錯指示后進行傳送還是進行丟棄，或者根本不考慮差錯檢測就進行傳送。

　　（9）Transfer delay（ms）：不同的應用有不同的延遲容忍程度，UTRAN可根據(jù)這一參數(shù)來設定傳送格式和ARQ參數(shù)。

　?。?0）Traffic handling priority：指對不同媒體的SDU處理的優(yōu)先權。對于同一個承載業(yè)務，它和參數(shù)“保證的比特率”不能同時出現(xiàn)。

　?。?1）A1location/Retention Priority：指分配和保持UMTS承載的優(yōu)先權。

　?。?2）Source statistics descriptor　（speech/unknown）：說明SDU數(shù)據(jù)源的特征，如果是語音，RAN、SGSN、GGSN和UE可根據(jù)經(jīng)驗得出統(tǒng)計復用增益，用于許可控制。

　　（13）Signaling Indication（y/n）：只用于交互級業(yè)務，設為“Yes”，則UE設Traffic handling priority為“1”，它與其他的交互級在優(yōu)先級和時延上都有所不同。

　　如果業(yè)務是對稱的，那么前向和反向的QoS參數(shù)應該是相同的，但如果業(yè)務是非對稱的，則需要分別為上下行鏈路定義各自的QoS參數(shù)。

3、分組數(shù)據(jù)的傳輸過程

　　3G用戶在使用分組數(shù)據(jù)業(yè)務時，數(shù)據(jù)一般經(jīng)過四個設備才能到達因特網(wǎng)的服務器。這四個設備分別是：UE（User Equipment）、RNS（Radio Network Subsystem）、SGSN（Serving GPRS Support Node）和GGSN（Gateway GPRS Support Node），其中RNS屬于UTRAN，SGSN和GGSN屬于CN的分組域。

　　根據(jù)UMTS的QoS架構，一個分組業(yè)務的UMTS承載是由UE和SGSN間的RAB（Radio Access Bearer）承載和SGSN和GGSN間的GTP（GPRS Tunnel Protocol）隧道承載組成。RAB又由RNC和SGSN之間的GTP隧道以及RNC與UE間的RB（Radio Bear）組成，一個分組業(yè)務與以上承載是一一對應的關系。圖2給出了分組數(shù)據(jù)通過四個主要設備經(jīng)過的協(xié)議棧：

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圖2　UMTS的分組域用戶面協(xié)議棧

　　◆PDCP：分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議，只對分組域的業(yè)務進行處理，即透明地傳輸網(wǎng)絡層的分組，以支持多種網(wǎng)絡層協(xié)議。另外，PDCP提供的頭壓縮算法能有效壓縮網(wǎng)絡層分組冗余的首部，提高無線信道的利用率。

　　◆RLC：無線鏈路控制協(xié)議，為用戶和控制數(shù)據(jù)提供分段/重組、檢錯、流量控制和重傳等功能。對所有的RLC模式，CRC錯誤檢測在物理層上執(zhí)行，CRC檢測結果連同數(shù)據(jù)一起傳遞給RLC。RLC層向高層主要提供三種模式的數(shù)據(jù)傳輸：TM（Transparent Mode，透明數(shù)據(jù)傳輸）、UM（Unacknowledged Mode，非確認模式數(shù)據(jù)傳輸）、AM（Acknowledged Mode，確認模式數(shù)據(jù)傳輸）。透明模式對高層的數(shù)據(jù)流不加任何處理，但可以包含分組／重組功能。非確認模式提供檢測傳輸錯誤和唯一性的功能。確認模式提供自動重傳請求機制來糾正傳輸錯誤，通過設置最大重傳次數(shù)或超時時間來限制重傳次數(shù)。確認模式支持無錯傳遞、唯一傳遞、順序傳遞和無序傳遞。從透明模式、非確認模式到確認模式，傳輸可靠性依次增強，傳輸效率依次降低。另外，在UM和AM模式下，RLC通過在特定的TTI（Transmit Time Interval）內發(fā)送特定個PDU來實現(xiàn)流量控制。對于每個RLC實體，有：

　　RLC的數(shù)據(jù)速率=RLC每個TTI發(fā)送的PDU個數(shù)÷TTI

　　◆MAC：媒體接入控制，執(zhí)行無線鏈路層提供的邏輯信道向物理層提供的傳輸信道間的映射。MAC層主要根據(jù)RRC（Radio Resource Control）層的QoS設置，通過設置映射時的優(yōu)先級、傳輸信道的傳送格式來實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)流的QoS保證。

　　GTP-U：GTP的傳輸平面。GTP將上層數(shù)據(jù)包重新封裝發(fā)送，通過包頭提供路由信息，使封裝的數(shù)據(jù)能夠通過互聯(lián)網(wǎng)絡傳遞。GTP協(xié)議分為信令平面GTP-C和傳輸平面GTP-U，其信令平面主要包含路徑管理、隧道管理、位置管理、移動性管理四大類，傳輸平面則提供了SGSN之間、SGSN和RNC、SGSN和GGSN間數(shù)據(jù)包傳送的隧道。其中隧道管理圍繞PDP（Packet Data Protocol）上下文展開，是PS域會話過程的核心。

　　UDP、IP、ATM都是在現(xiàn)在的寬帶網(wǎng)絡中充分應用的技術，這里就不敖述了。

4、UMTS分組業(yè)務的QoS實現(xiàn)

　　UMTS對分組業(yè)務承載的建立及QoS設置是通過控制面中的會話管理SM來實現(xiàn)的，其中QoS設置主要涉及上述QoS參數(shù)。

　　4.1　會話管理SM

　　SM實現(xiàn)QoS架構中的UMTS承載業(yè)務，負責協(xié)商和設置分組數(shù)據(jù)在UMTS網(wǎng)絡中傳輸時的QoS，并映射到無線接入承載和CN承載。

　　SM存在于連接管理層CM。CM位于層三（非接入層），由GMM（GPRS Mobile Management）、SM、SMS（Short Message Service）組成，CM在控制協(xié)議中的位置如圖3所示。其中GMM層為SM和SMS提供信令傳送，實現(xiàn)用戶和網(wǎng)絡側的連接管理。SM位于移動性管理和用戶面之間，向用戶面提供服務。它一方面完成核心網(wǎng)絡SGSN到GGSN之間的隧道建立修改和釋放的控制功能，另一方面完成SGSN和UE之間的RAB建立、修改和釋放的控制功能。

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圖3　UMTS的分組域控制面協(xié)議棧

　　SM通過PDP上下文的激活、修改去激活信令流程實現(xiàn)會話管理，一個分組業(yè)務和一個PDP上下文對應。PDP上下文存在于UE、SGSN、GGSN，內容包括分組業(yè)務在各個實體的標志，業(yè)務進行隧道轉發(fā)的所有信息，RNC、SGSN、GGSN的IP地址、隧道標識和QoS設置等。

　　用戶請求一個分組業(yè)務時，首先通過SM根據(jù)用戶的簽約服務激活一個PDP上下文，并在UE、RNC、SGSN、GGSN之間進行QoS協(xié)商，使各節(jié)點提供的服務質量保持統(tǒng)一。由于整個QoS設置的過程非常復雜，所以下面在用戶和系統(tǒng)相對穩(wěn)定的前提下，結合各接口對分組數(shù)據(jù)的處理對相關參數(shù)設置進行說明。

　　4.2　Uu接口

　　在Uu接口上，IP分組往下傳，首先PDCP層對IP分組的首部進行壓縮，然后RLC層在一定的模式下傳輸PDCP-PDU，對它進行分段、加密、重傳等可能的處理來保證一定的可靠性，將RLC-PDU傳到指定的邏輯信道，接著MAC層按一定傳輸格式組合TFC和一定的優(yōu)先順序將邏輯信道的數(shù)據(jù)流映射到傳輸信道，物理層對每個傳輸信道的數(shù)據(jù)流進行CRC差錯檢測、交織、分段、速率匹配、復用等處理后擴頻調制發(fā)送。

　　RB參數(shù)通過RRC實現(xiàn)。RRC設置好QoS參數(shù)，映射到以下各層的QoS參數(shù)來實現(xiàn)：

　　（1）對于業(yè)務可靠性方面的主要設置

　　SDU錯誤率：主要通過RLC的傳輸模式和物理層的檢錯編碼來實現(xiàn)。

　　SDU格式：設置RLC透明模式傳輸時RLC-PDU的大小。

　　殘余比特錯誤率：通過設置物理層的信道編碼和檢錯編碼來實現(xiàn)。

　　傳輸順序：如果是按序傳輸則設置為RLC確認模式的按序傳輸，否則其它模式都可以。

　?。?）對于業(yè)務時延或抖動方面的主要設置

　　傳輸時延：通過設置傳送格式和RLC的傳輸模式來實現(xiàn)。同個用戶的多個數(shù)據(jù)流是以一定格式復用到物理層的一幀中的，這通過設置RLC的TTI和每個TTI發(fā)送的PDU個數(shù)、MAC每個TTI映射到物理信道的傳輸塊個數(shù)來實現(xiàn)，RLC每個TTI發(fā)送的PDU個數(shù)對應MAC每個TTI將相應的傳輸信道映射到物理信道的傳輸塊個數(shù)。TTI越大，PDU個數(shù)越小，傳輸塊個數(shù)越小，時延就越大，但同時時延抖動就越小，RLC層的緩存就越大。RLC的確認模式的最大重傳次數(shù)的設置越大，允許的傳輸時延就越大，但實際的傳輸時延取決于信道條件。

　　優(yōu)先級：通過設置傳送格式來實現(xiàn)，多個數(shù)據(jù)流時優(yōu)先級越高的吞吐量就越大，傳輸試驗就越小。

　?。?）對于業(yè)務吞吐量方面的主要設置

　　最大數(shù)據(jù)速率、保證數(shù)據(jù)速率：都是通過設置傳送格式來實現(xiàn)。

　　4.3　Iu接口和Gn接口

　　對于Iu接口，用戶IP數(shù)據(jù)流經(jīng)過GTP-U、UDP、IP、鏈路層ALL5和ATM、物理層的處理。GTP-U主要是保證IP數(shù)據(jù)流在RNC、SGSN和GGSN間的連貫傳輸，尤其在用戶移動導致RNC、SGSN切換的情況下。所以GTP-U對分組數(shù)據(jù)有可靠性方面的保證。但Iu接口的用戶面協(xié)議UP的功能是附加在GTU-U上實現(xiàn)的，所以Iu上的GTP-U支持透明模式和預定義SDU大小模式。透明模式下，GTP-U不對數(shù)據(jù)流做另外的處理；預定義模式下，GTP-U按預定義的SDU大小將數(shù)據(jù)流以UP幀為單位發(fā)送，并具有檢錯、速率控制、幀質量分類等功能，可實現(xiàn)吞吐量、可靠性方面的QoS保證。UDP對數(shù)據(jù)流沒有QoS保證。IP網(wǎng)可通過采用IETF提出的Diff Serv和IntServ模型，實現(xiàn)吞吐量、可靠性和時延方面的QoS保證。ALL5主要針對對錯誤敏感的業(yè)務，所以鏈路層主要實現(xiàn)可靠性方面的保證。

　　對于Gn接口，用戶IP數(shù)據(jù)流經(jīng)過GTP-U、UDP、IP、鏈路層、物理層的處理，沒有對鏈路層和物理層進行規(guī)定。除了GTU-U沒有附加的UP層功能外，GTP-U、UDP、IP的QoS保證與Iu口類似。

　　通過以上分析，可以看出R99版的UMTS提出了一個全面的框架來落實QoS保證，從核心網(wǎng)到接入網(wǎng)都有相應的協(xié)議和設置從時延抖動、錯誤率和吞吐量三方面來保證分組數(shù)據(jù)業(yè)務的質量。核心網(wǎng)方面，ATM網(wǎng)絡的可靠傳輸使得錯誤率已經(jīng)不是問題，IP網(wǎng)絡采用DiffServ和IntServ模型的結合，所以用戶的時延抖動和系統(tǒng)的吞吐量也得到了解決。接入網(wǎng)方面，移動通信環(huán)境導致Uu接口的時延抖動、錯誤率和吞吐量是制約業(yè)務QoS的瓶頸。對此，UMTS采用的WCDMA擴頻技術和快速功控技術較好地解決了用戶吞吐量和系統(tǒng)容量的問題，采用的RLC層通過適當?shù)膫鬏斈Ｊ降脑O置可以保證分組業(yè)務的時延抖動和錯誤率。但同時應看到，在某些極端情況下，業(yè)務的QoS難以得到保證。比如，UMTS在核心網(wǎng)負荷重時，不能完全保證用戶的時延抖動，雖可以通過加大IP網(wǎng)的帶寬冗余來暫時緩解，但長遠來看可以通過接納控制機制得到解決。再如，在惡劣的無線信道條件下，UMTS不能完全保證對錯誤和時延抖動都敏感的多媒體業(yè)務的QoS，但這可通過多媒體的錯誤隱藏和抖動平滑技術來解決。

5、總結

　　3G網(wǎng)絡的QoS控制能力是運營商間競爭制勝的關鍵。由分析可知，在一般情況下UMTS可以較好的保證多媒體業(yè)務的端到端QoS，但QoS保證功能仍有待進一步加強。