（通信与信息系统专业论文）分组移动通信系统中服务质量保证若干问题的研究.pdf

摘要 fi n t e r n e f f l p 网络己经成为事实上的宽带分组网络标准，由于i p 网络具有优异的灵 活憾健壮性和可扩展性，随着其对多业务支持的同益成熟，整个第三代通信系统的 全i p 化已经进入标准化阶段。服务质量保证是关系到未来移动通信系统应用前景的核 心问题之一。由于突发差错和位嚣相关差错的影响，无线移动环境中q o s 保证所面临 的挑战比有线环境中更加严峻o ，7 本论文以无线接入网络中的服务质量保证问题作为研 究对象，讨论的内容包括：物理层的中断概率和容量一覆盖，网络层的资源调度和传 输层的无线t c p 性能研究。 1 通过导频信号强度分析，得到了软切换概率；在考虑移动终端发射功率受限的 基础上，详细分析了功率控制等式无可行解概率和功率控制等式有可行解但由于移动 终端功率受限所导致的中断概率，得到了多小区下的中断概率n 在此基础上通过引入 p o i s s j 币n 模型描述用户数的概率分布，得到了相应的单小区和多小区下的容量一覆盖关 弋 系。) 2 提出了一种单服务器模型下的资源调度算法公平性补偿的e d f 调度( f c w e d f ) 。f c w e d f 算法解决了时延界和服务速率的解耦合问题，可以方便地支持不 同q o s 要求的业务，同时e d f 调度提供了时延最优的调度域。、培虑到时效性因素， f c w e d f 中只对非实时流提供公平性补偿，保证了它们公平接入。、为了防止完全补偿 导致“超前”流长期得不到服务，f c w e d f 采用了平缓补偿策略。分析 课表明， f c w e d f 可以提供时延最优调度域、吞吐量保证以及长期和短期公平性。j 3 对多用户多信道下的吞吐量最大化调度进行了分析，结果表明吞吐量最大化调 以将动态规划问题转化为线性规划问题，并证明了均匀分配是接纳控制阶段的最优资 源分配方法。仿真结果表明，基于比例资源分配的调度算法已经接近吞吐量最大化i 周 度的性能，从而说明由动态规划转化为线性规划过程中带来的性能损失是相当小的。j 4 采用t c p 拥塞窗口分析方法研究了无线链路中随机差错对于t c p 性能的影响， 并通过仿真方法验证了有关分折的合理性；对于突发差错下的t c p 性能，主要通过仿 真方法进行了研究。上述分析和仿真结果有助于了解无线环境中影响t c p 性能的主要 因素，对于提高无线i p 网络中各种数据应用的q o s 有一定指导意义。 关键词目服务质量c ；s 火中断概率资源调度接纳控制拥塞控制 f i 劭商 a b s t r a c t i n t e r n e t i pn e t w o r kh a sb e c o m et h ed ef a c t os t a n d a r do ft h eb r o a d b a n dn e t w o r kf o rl t s e x c e l l e n t f l e x i b i l i t y ，r o b u s t n e s s a n d e x t e n d i b i l i t y s u c hi m p r o v e m e n t so fm u l t i s e r v i c e s u p p o r t i ni n t e m e t i p n e t w o r kh a v eb e e nm a d et h a tt h et h i r dg e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ( 3 g ) h a sa l s ob e e nb r o u g h ti n t ot h ea l l i pp h a s e t h eq o s ( q u a l i t y o f s e r v i c e ) s u p p o r ti so n e o f t h ec r i t i c a lo b j e c t i v e sf o r3 g ，b u t c o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo f t h e b u r s ta n dl o c a t i o n d e p e n d e n te r r o r si nw i r e l e s s m o b i l ec h a n n e l ，t h eq o sg u a r a n t e ei ns u c h e n v i r o n m e n ti sv e r yc h a l l e n g i n g i nt h i sd i s s e r t a t i o nw h i c hi sd e d i c a t e dt ot h eq o s g u a r a n t e e i nw i r e l e s sa c c e s sn e t w o r k t h r e ep r o b l e m si e t h eo u t a g ep r o b a b i l i t ya n dc a p a c i t y c o v e r a g e t r a d e o f fi np h y s i c a ll a y e r ，w i r e l e s sr e s o u r c es c h e d u l i n gi nn e t w o r kl a y e ra n dt h ep e r f o r m a n c e o f w i r e l e s st c pi nt r a n s p o r tl a y e rh a v eb e e ns t u d i e d i nt h es e c o n dc h a p t e r t h es o f t h a n d o f rp r o b a b i l i t yh a sb e e nd e r i v e db yt h ea n a l y s i so f t h ep i l o ts t r e n g t h t a k i n gi n t oa c c o u n to ft h et r a n s m i s s i o np o w e rl i m i to ft h em o b i l et e r m i n a l ， t h ea u t h o ra n a l y z e si n d e t a i lt h ep r o b a b i l i t yt h a t p o w e r - c o n t r o le q u a t i o nh a sn of e a s i b l e s o l u t i o na n dt h eo u t a g e p r o b a b i l i t y t h a tt h ep o w c r - c o n h o le q u a t i o nd oh a v ef e a s i b l es o l u t i o n b u tt h et r a n s m i s s i o np o w e rs u r p 婶s e st h ep o w e rl i m i t f r o mt h e s e a n a l y s i s t h e o u t a g e p r o b a b i l i t yi nm u l t i c e l lh a sb e e nd e r i v e d m o r e o v e r ，b yi n t r o d u c i n gt h ep o i s s o nm o d e lt o d e s c r i b et h ep r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o no fu s e r s ，t h ec o v e r a g e - c a p a c i t yt r a d e o f fr e l a t i o ni ns i n g l e c e l la n dm u l t i c e l lh a sb e e no b t a i n e d i nt h et h i r dc h a p t e r , af c w e d f ( f a i m e s sc o m p l e m e n t e dw i r e l e s se d fs c h e d u l i n g ) a l g o r i t h mi sp r e s e n t e d b yd e c o u p l i n gt h ed e l a ya n ds e r v i c er a t eg u a r a n t e e ，f c w e d fc a n s u p p o r td i f f e r e n ts e r v i c ew i t hd i v e r s i t yq o sr e q u i r e m e n t sa n dm e a n w h i l ei t c a np r o v i d et h e d e l a y o p t i m a ls c h d u l a b l er e g i o n c o n s i d e r i n gt h et i m el i m i to fr e a l - t i m es e r v i c e ，f c w e d f p r o v i d e s t h ef a i m e s sc o m p l e m e n t o n l yf o r n o n r e a l - t i m es e r v i c et oe n s u r i n gi t sf a i r n e s sa c c e s s t op r e v e n tf r o ms t a r v i n gt h el e a d i n gf l o wf o ro v e r - c o m p l e m e n t i n g ，f c w e d fa d m i t sa s m o o t h c o m p l e m e n t i n gp o l i c y 1 1 l ca n a l y s i s s h o w st h a tf c w e d fc a r l p r o v i d e t h e d e l a y - o p t i m a ls c h e d u l 曲l er e b i e n ，t h r o u g h p u t 霉墙强m ，m a o r t - t e r m a n d l o n g - t e r mf a i m e s s i nf o u r t hc h a p t e r , t h ea u t h o r a n a l y z e st h et h r o u g h p u t - o p t i m i z a t i o ns c h e d u l i n ga l g o r i t h m i nm u l t i u s e rm u l t i c h a n n e le n v i r o n m e n t t h er e s u l ts h o w st h a t1 h et h r o u g h p u t o p t i m i z a t i o n s c h e d u l i n ga l g o r i t h mc a l lg e tt h es n rg a i na n di ss u i t a b l ef o rp r o v i d i n gn o n - q o s - g u a r a n t e e s e r v i c e b y t h e a n a l y s i so fu s a g e o fc h a n n e l ，t h e q o s - - o r i e n t e do p t i m a ls c h e d u l i n g i s d e v e l o p e d s i n c et h ed y n a m i cp l a n n i n gi sv e r yc o m p l e xt ob ea p p l i c a b l e ；t h ea u t h o rg i v e sa h s c h e d u l i n ga l g o r i t h m b a s e do n p r o p o r t i o n a l r e s o u r c e a l l o c a t i o n ，w h i c hc a nt r a n s l a t e t h e d y n a m i cp l a n n i n gp r o b l e m i n t oal i n e a r p l a n n i n gp r o b l e m s i m u l a t i o ns h o w st h a tt h e p c l f o l i n a n c co fp r o p o r t i o n a lr e s o u r c ea l l o c a t i o nb a s e ds c h e d u l i n gc a na p p r o a c ht h a to f t h e t h r o u g h p u t o p t i m a ls c h e d u l i n g ，w h i c hm e a n st h a tt h el o s si nt h et r a n s l a t i o ni sc o n s i d e r a b l e s m a 1 1 at h ef i f t hc h a p t e r ，ac o n g e s t i o n w i n d o wb a s e da n a l y s i sm e t h o dh a sb e e nu s e dt os t u d y t h er e l a t i o nb e t w e e nt h et c p p e r f o r m a n c ea n dt h er a n d o ml o s so fw i r e l e s sl i n k s i m u l a t i o n r e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h o s ec o m p u t e df r o mt h et h e o r e t i ce x p r e s s i o n s a sf o rt h et c p p e r f o r m a n c e i n b u s t y l o s se n v i r o n m e n t ，s o m es i m u l a t i o n sa r e a c c o m p l i s h e d b o t h t h e t h e o r e t i cr e s u l t sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t s a h e l r i f u l t ot h e q o si m p r o v e m e n t o fd a t a a p p l i c a t i o n si nw i r e l e s si pn e t w o r k k e y w o r d s ：q o s ( q u a l i t y o f s e r v i c e ) a d m i s s i o nc o n t r o l o u t a g ep r o b a b i l i t y r e s o u r c es c h e d u l i n g c o n g e s t i o n c o n t r o l 第一章结论 第一章绪论 i n t e r n e t i p 网络技术和移动通信技术堪称是近年来推动i t 产业飞速发展的两大助 推器。代表着无限信息资源的i n t e r n e t 和能够随时随地接入的移动通信技术 1 1 】的结合 是经济和社会发展的客观要求，这种要求构成了未来无线移动i p 技术发展的强大推动 力。移动通信系统的全i p 化已经不再遥远，相关的标准化工作萨在全面展丌。 现有的t c p i p 体系本身不提供服务质量( q o s ：q u a l i t yo fs e r v i c e ) 支持，如何 在i p 网络中增加q o s 支持和保证能力，目前已经有许多方案，i n t s e r v 和d i f f s e r v 是 其中两种具有代表性的体系，但是这些技术方案尚不能完全满足q o s 保证的要求。 对于分组移动通信系统而言，由于无线移动环境中突发差错和位置相关差错的影 响，q o s 保证所面临的挑战比有线环境中更加严峻。无线资源规划、q o s 协商和再协 商、接纳控制、无线资源分配和调度、用户参数控制、拥塞控制是实现无线移动q o s 保证的主要技术，本论文对于其中的无线资源规划、无线资源分配和调度、拥塞控制 进行了研究。 本章主要介绍了论文的选题背景和相关领域的研究现状，并对论文的内容和章节 安排作了说明。 1 1 选题背景 上世纪的最后十年中，i n t e m e t i p 网络技术和移动通信技术都经历了历史上从未有 过的发展速度，创造出令人侧目的一个个奇迹。在新世纪中如何实现二者的强一强结 合既是业界关注的焦点，也是当前的研究热点。但是由于i p 网络和移动通信系统在应 用环境、设计思路和网络风格等方面的差异，这种结合在理论和实践中仍然面临诸如 服务质量保证、移动性支持、安全认证等闯题。本论文所研究的就是在分组移动通信 系统中为多业务提供q o s 保证涉及到的若干阀题论文中分组的概念主要是指珀分组， 但是除第五章的无线t c p 研究外，其它章节中的分析和讨论并未专门针对i p 分组和 t c p i p 体系，从而保证了有关的方法和结论其有更为广泛的适用性。 1 1 1 q o s 和q o s 保证 服务质量( q o s ) 是指服务性能的综合效果，它可以通过服务的各种性能因素的 组合来表示，如服务的适用性、可获得性、可保持性等【l - l 】。具体到分组网络中，q o s 是指分组在一个或多个网络传输的过程中所表现的各种性能，是对各种性能参数，如 亿，j 变通人学博卜学位论殳 服务町靠性、时延、时延抖动、吞l | l 量、分组丢失率等的描述【l - 3 】。q o s 的最终判断 依掂是用户t 刑服务的满意程度，凶此q o s 保i l l ! f f c jh 标是为各种业务( 包括数据、图像、 语音和多媒体业务等) 提供可靠的端到端的服务质量保证。各性能参数的含义如下： 服务可靠性：指用户和服务连接的可靠性，包括建立时问、保持时间等； 时延：指在两个参考点间，分组从发送到接收之问的时问阳j 隔； 时延抖动：指沿同一路径传输的一个数据流中不同分组传输时延的变化； 吞吐量：指在一个网络中分组的传输速率，这一参数可以用平均速率或峰值速率来 表征； ， 分组丢失率：指某一项业务在网络中传输时，可允许的最大分组丢失率。在有线网 络中，由于网络拥塞而导致的分组丢弃是其主要来源，在无线网络中，除了拥塞外， 传输链路的差错是造成分组丢失的主要原因； 在网络资源一定的条件下，包括吞吐量、时延和分组丢失率在内的各个q o s 指标 之间存在着矛盾，对菜一个q o s 指标的保证和优化实质上是种折衷处理对于不同 业务，优化和折衷的对象是不同的。例如对于实时业务。时延界保证相对于分组丢失 率保证更重要，此时q o s 保证机制的一个合理选择就是部分牺牲分组丢失率指标以换 取时延性能的提高。 q o s 保证分为确定性( d e t e r m i n i s t i c ) q o s 保证和统计性( s t a t i s t i c a l ) q o s 保证。 前者不允许违反q o s 保证，要求按照最坏情况进行充分的资源预留，不考虑业务的统 计复用，因此服务更为可靠，付出的代价是网络资源利用率的下降；后者可以允许以 某种小概率违反q o s 保证，例如给定q o s 坏损概率a ，分组传输时延不超过时延要求 d 的概率至少应该为1 - c t ，对应的q o s 界称为统计界 1 4 】。对于无线网络而言，带 宽资源是非常宝贵的，同时信道容量具有时变特性，确定性q o s 保证代价高昂且难以 实现，因此本论文讨论的是统计性q o s 保证。 1 1 2i p 技术的特点和职q o s 的提出 当前以i n t e m e t 为代表的i p 网络中，全网的资源分配主要是通过用户端的t c p ( t r a n s p o r t c o n t r o lp r o t o c o l ：传输控制协议) 来实现的、这种端到螭的分布式流量控 制机制对于整个阿络的稳定运行起着非常重要的作用，代表着i a t m e t 的网络风格。由 于t c p i p 协议体系的设计目标是通过t c p 实现整个网络的吞吐量优化，因此q o s 只 是一个基于全网的定性的概念，没有针对某个具体业务或者具体用户的定量q o s 。信 源进行数据传输前，无需向网络提交任何q o s 需求信息，网络也无需为它分配资源， 所有应用完全共享网络资源，网络采用“尽力而为”( b e s t - e f f o r t ) 方式提供相同q o s 等级的服务。事实证明，这种资源分配方式确实可以简单高效地支持大量的数据应用。 2 第一章绪论 随着i n t e r n e t 的发展，人疆的实时多媒体业务需求丌始出现，并f 在成为i n t e m e t 进一步发展的推动力；另一力1 面，一个统一的可以满足数据业务和传统电信业务需要 的网络平台将大大节省网络运营者和用户的费用，有着光明的未来，这样的前景也强 烈地刺激了在i p 网络上提供实时业务支持的研究。但是在现有的完全共享、终端控制 的资源分配方式下，即使采片】了性能优良的编码技术、高性能的路由和转发技术、存 储回放技术，i p 网络的带宽和端到端时延变化仍然会大大超出多媒体业务允许的变化 范围，因此在i p 网络中引入璐罄控制机制已经成为必然。 1 1 3 分组移动通信中的q o s 1 移动通信的i p 化趋势 移动通信的发展趋势和有线通信的宽带化、分组化、智能化以及业务综合的发展 方向是一致的，第三代移动通信系统( i m t 2 0 0 0 ，简称3 g ) 将提供目前的第二代移动通 信系统无法提供的宽带多媒体移动通信业务，实现与有线宽带业务的无缝隙互连。为 了同时支持实时业务和数据业务，在第一阶段实现中，3 g 采用的是电路交换和分组交 换两个核心网络的过渡方案。鉴于统一的核心网络在管理维护上和费用上具有优势， 同时考虑到i p 网络优异的灵活性、健壮性和可扩展性，随着其多媒体业务支持能力的 提高，整个3 g 系统的全i p 化趋势已经明朗，目前正处于标准化阶段。在此基础上， 最高可达2 m b p s 的空中接1 ：3 速率已经可以很好地满足现有业务的需要，但是对于分组 交换而言，高数据率并不自然而然地意味着q o s 的保证【1 5 】，同时无线链路资源是十 分宝贵的，资源的合理分配始终是移动遁信中曩为重要的问嚣之一，因此如何在分组 移动通信系统中高效地实现q o s 保证已经成为一个亟待麓决的问题 2 无线分组罔络中q o s 保证酉赣的蚕难 在无线，移动网络提供可与有线网络相媲美的q o s 将面鞭更多的困难，这种困难性 来自于有线固定网络和无线移动网络的几个本质差异： 无线弼络中的频率资源相对于有线两络要贫乏的多- 无线通信囱更高频率的扩展需要付出很大的代价，同时无线通信的开放性和广 播特性降低了频谱的利用率。这种无线频率瓷源相对贫乏的状况在可以预见的 未来不会有根本改变，相反，大容量光通信技术的发展大大加劂了这种不对称。 无线移动信遒相对于有线倜定信遒本质上是不可靠的 无线，移动信道的差错率大大高于有线，固定信道。由于易于受到多径衰落、阴 影衰落、干扰和多普勒效应的影响，其差锩呈现突发和位鬣相关( 1 0 c a t i o n 3 北方交通人学博i 学位论义 d e p e n d e n t ) 特点，即使利用信道编码、交织、分集和功率控制等技术综合提高 传输的可靠性后，仍然无法与有线固定信道相比拟。 通信期内的用户移动将导致在相邻小区洲的切换 随着用户数量的增加和传输速率的提高，小区变得越来越小。微蜂窝化和微微 蜂窝化的趋势使得切换越来越频繁。 上述差异给移动通信系统中的q o s 保证带来了很大挑战：资源的缺乏，使得系统 在进行服务质量和资源折衷( t r a d e o f f ) 时余地很小，这就要求在提供q o s 保证的同时 要保持很高的资源利用效率，资源的预留必须合理；不可靠的信道质量和时变的信道 容量要求基站尽可能准确地了解和预测信道情况，动态调整资源的分配；更加频繁的 切换加剧了资源预留的困难，同时带来了更大的移动性管理开销；t c p 协议是针对高 可靠性的有线信道设计的，直接应用在不可靠的无线移动信道上将带来其性能的严重 下降。这些因素的影响也使得无线接入网络( r a n ：r a d i oa c c e s sn e t w o r k ) 成为整个 移动通信系统中o o s 保证的瓶颈所在。 此外，引入分组交换还会带来分组丢失率的增加。分组交换通过统计复用提高了 资源的利用效率，付出的代价是需要在公共资源的分配时进行排队，受业务和信道突 发特性的双重影响，排队导致的分组丢失是难以避免的。 综上所述随着移动通信技术分组化( i p 化) 趋势的日渐明朗，如何在无线移动环 、境中实现q o s 保证已经成为分组移动通信系统中最关键的问题之一。本论文中所讨论 的分组移动通信系统中的q o s 保证都是指r a n 中的q o s 保证，i p 核心网( c n ：c o r e n e t w o r k ) 的q o s 保证问题不在本论文考虑范围之内。 1 2 q o s 的标准化进展 鉴于q o s 问题的重要性，近年来各个标准化组织也在积极进行相关的标准化工作。 i n t e m e t 工程任务组( i e t f ：i n t e m e te n g i n e 蕊n gt a s kf o r c e ) 是球网络技术的主要标准 化组织，3 g p p 和3 g p p 2 是第三代移动通信系统的两大标准化实体，它们的标准化工 作方向代表着i p 网络和移动通信的发展趋势。 1 2 ii e t f 的i p q o s 标准化工作 i e t f 已经提出的q o s 服务模型和体系中最著名的是；集成服务模型( i n t e g r a t e d s e r v i c e ，简称i n t s e r v 或i s ) 1 卅和区分服务模型( d i f f e r c n t i a t e ds e r v i c e ，简称d i f f s e r v 或d s ) 1 - 7 】。 4 第一章绪论 1 i n t s e r v i n t s e r v 的特点是资源预留。对每一个需要进行q o s 处理的数据流，通过一定的信 令机制，在其经由的每一个路由器上进行资源预留，以实现端到端的q o s 业务。在i n t s e r v 中定义了三种服务类型： 确保型( g u r a n t e e ds e r v i c e s ) ：提供时延有界的端到端传送； 受控负载型( c o n t r o l l e d 1 0 a ds e r v i c e s ) ：在网络拥塞时提供与网络轻载时相似的性 能； 尽力而为型( b e s t - e f f o r ts e r v i c e s ) ：类似于目前i n t e m e t 网上提供的服务，是一种 尽力而为的工作方式，基本上无任何质量保证； 为了实现上面的服务，i n t s e r v 定义了四个功能部件，网络中的每个网络节点路 由器都需要实现这四个部件： r s v p ：r s v p 即资源预留协议，它是i n t e r a c t 上的信令协议 1 - 8 】。通过r s v p ，用 户可以给每个业务流( 或连接) 申请资源预留，包括缓冲区及带宽的大小。这种预留 需要在路径上的每一跳都要进行，这样才能提供端到端的q o s 保证； 接纳控制( a d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) ：它基于用户和网络达成的服务协议，对用户的访 问进行一定的监视和控制： 分类器( c l a s s i f i e r ) ：根据预置的规则，它对进入路由器的每一个分组进行分类。可 能需要查看i p 分组里的某些域如：i p 源地址、口目的地址、上层协议类型、源端 口号、目的端口号；分组经过分类以后被放到不同的队列中等待接收服务； 队列调度器( s c h e d u l e r ) ：它主要是基于一定的调度算法对分类后的分组队列进行调 度服务； i n t s e r v 模型和现有的i n t e r a c t 网络风格不同，它借鉴了现有电信网络的设计思路， 利用接纳控制和资源预留可以对流提供确保型的q o s 。但是由于难以预先了解流的确 切特性，预留带宽往往大于实际所需带宽，从而导致资源利用率下降。此外，由于状 态信息数量与流数目成正比，需要占用大量的路由器存储空间和处理开销，伸缩性差。 2 d 埔啜e n 7 d i i t s e r v 的思想是将q o s 要求相近的各业务流汇聚为类，网络使用p h b ( p e rh o p b e h a v i o r ) 方式对每一类流来提供一定程度上的q o s 保证。通过对i p v 4 头中t o s 字段 ( 对于d i f f s e r v ，称为d s 字段) 的6 个比特进行设置来表示需要低时延、高吞吐量或 低丢失率的服务。对d s 字段的不同标记，以及基于d s 字段的处理，能够产生一些不 同的服务级别。因此，d i f f s e r v 本质上是一种相对优先级策略。 d i f f s e r v 的主要优点是伸缩性较好，d s 字段只是规定了有限数量的业务级别，状 5 北方交通大学博：l ：学位论文 态信息的数量正比于业务类别，而不是正比于流的数量；另外，d i t t s e r v 和现有i n t e m e t 的网络风格一致，易于实现。但是d i f f s e r v 无法提供确保型q o s 。 考虑到i n t s e r v 和d i f t s e r v 各自的优点和缺点，目前学术界比较一致的意见是在网 络规模小，服务质量要求高的边缘网络、接入网络中，采用i n t s e r v ，而在骨干网络中 采用d i f f s e r v 。 除了i n t s e r v 和d i f f s e r v 体系外，m p l s ( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h ：多协议标签 交换) 是另一种重要的q o s 保证体系，由于它兼具高速交换、q o s 保证、流量控制能 力，同时保持了i p 技术的灵活性与扩展性，目前已被广泛看好将成为下一代i p 核心网 技术 1 3 】。 1 2 2 第三代移动通信系统的i p 标准化工作 到目前为止，从1 9 9 7 年开始的3 0 标准化工作已经基本告一段落，尽管i t u 已经 尽了最大努力寻求标准的统一，但事实上两大区域性标准化组织3 g p p 和3 g p p 2 已经 确定了3 g 的未来格局，其中3 g p p 负责制定以g s mm a p 为核心网、w c d m a 和t d s c d m a 作为无线接口的3 g 标准，3 g p p 2 负责制定以i s 4 i 为核一t 3 网、c d m a 2 0 0 0 作 为无线接口的3 g 标准。3 g p p 已在2 0 0 0 年6 月和2 0 0 1 年3 月，分别完成了r e l e a s e 9 9 初版和修订版，t d s c d m a 标准也在2 0 0 1 年3 月完成。3 g p p 2 则在2 0 0 0 年3 月和2 0 0 0 年9 月，分别完成了r e l e a s e a 标准和包含c d m a 2 0 0 0 i x 增强型技术1 x e v d o ( d a t a o n l y ) 的标准。这些标准的完成标志着i m t 2 0 0 0 第一阶段标准已经基本成熟和完善。 3 g p p 和3 g p p 2 两个组织的标准化风格有比较明显的差异：前者秉承了原g s m 体 系在系统结构和参数定义等方面的严谨风格，标准体系全面、完整，后者则更侧重于 借鉴现有的各个相关领域的研究成果，相对来说更简洁实用。 1 i p 核心网 作为3 g 标准核心内容的空中接口技术( r t t ) 形成了w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和 t d s c d m a 三足鼎立的局面；与r 1 v r 技术相比，核心网虽然目前是以g s m m a p 和 a n s i - 4 1 为基础的两大阵营，但是未来的演进趋势是明确的：全i p ( a l li p ) 核心网。 其演变将分为两个阶段进行：第一阶段是在第二代核心网g s mm a p 和a n s i 4 1 的基 础上演进，此阶段的标准化已经比较完善，将在2 0 0 2 年后进入商用阶段；第二阶段为 全i p 核心网，目前其基本结构已经确定，预计在2 0 0 2 年初完成所有的协议和接口标 准，2 0 0 4 年后商用化。3 gr t t 和核心网的相互支持关系如图1 1 所示。 6 第一章绪论 图1 1 ：第三代移动通信系统的r t t 和核心网 2 3 g p p 全i p 网络 目前在数据通信领域占主导地位的是t c p f l p 协议，绝大多数网络应用都是基于 i p 。从终端用户的角度看，无线网络将会成为i n t e m e t i p 网络的自然延伸，区别仅在于 接入和传输方式更适合无线环境，因此3 g p p 在发布r e l e a s e 9 9 后，将在r e l e a s e 0 0 版 本中采用全i p 的核心网结构【1 9 1 1 1 ，如图1 - 2 ( a ) 所示。 图- 2 ( a ) ：3 g p p 牟i p 参考模型 7 北方交通大学博士学位论文 该结构中包含以下几个关键部分 1 1 0 】： 无线网：包括与移动用户有关的设备、无线链路和无线接入网，其中无线接入 网可以是u t r a n 、e r a n 、h i p e r l a n 2 ； g p r s 网：其中g s n 的功能同它在r e l e a s e 9 9 分组交换网中一样，为移动终端 提供移动管理功能和分组数据协议p d p ( p a c k e td a t ap r o t o c 0 1 ) 内容激活服务； h s s ( 归属用户服务器) 保存用户的特征数据，实现原来h l r 的功能； 呼叫控制：由c s c f ( 呼叫状态控制功能) 、m g c f ( 媒体网关控制功能) 、r s g w ( 漫游信令网关) 、m g w ( 媒体网关) 、t s g w ( 传输信令网关) 和m r f ( 媒 体资源功能) 实现； 连接其它网络的网关：与外部网络的互连通过g g s n 、m g c f 、m g w 、r - s g w 和t s g w 实现；与传统移动网络的信令接口通过r - s g w 、c s c f 、m g c f 、t - s g w 和h s s 实现，承载接口通过m g w 实现；与传统陆地电路交换系统的信令接 口通过c s c f 、m g c f 、t s g w 实现，承载通过m g w 实现， 业务结构：与应用和业务的接口由h s s 、s g s n 和c s c f 实现，与非标准业务 的接口通过应用业务层实现： 全i p 网络的主要特点是： 由于所有业务都可以由单一的i p 网络提供，成本将大幅降低； 网络结构基于i p 分组技术，可同时实现实时和非实时业务； 增强所有i p 接口和相关网络接口的功能，可以支持实时多媒体业务 i p 用于所有数据和信令的传输层： ” 提供开放的应用平台，可以快速支持新业务： 核心网由g p r s 网络演进而来； 可以支持多种接入方式：如i 船a n 、e i m n 等； 3 3 g p p 2 的i p 标准化 与3 g p p 建立完整的独有的分组系统结构的方法不同，3 g p p 2 的原则是尽可能利 用通信领域已经取得的成果，通过大量采纳i e t f 建议构造自己的分组数据网络f l ，1 2 ， 1 1 3 】。c d m a 2 0 0 0 系统提供了两种接入互联网的方式：简单i p ( s i m p l ei p ：简称s i p ) 和移动i p ( m o b i l ei p ：简称m i p ) 。两者的区别在于：s i p 只能支持“主叫”业务，即 移动主机主动发起的业务，包括w w w 浏览，电子邮件等，如果要直接向移动主机发 送数据，则必须使用m i p ；此外，s i p 只能支持基本的认证方式，丽m i p 可以满足传 输敏感数据的要求。 图1 - 2 ( b ) 是采用移动i p 技术的c d m a 2 0 0 0 系统网络结构。图1 2 ( b ) 的上半部分包 8 第一章绪论 括v l r 和h l r ，是传统移动通信网的组成部分，在第三代移动通信系统中，这部分经 过适当的升级，成为核心网的电路交换部分。下面的部分是为了支持分组数据业务丽 增加的功能实体，是核心网的分组交换部分。其中h a ( h o m ea g e n t ) 是归属代理， 负责转发给用户的分组数据，它是i p 隧道的起点，也负责对这些分组数据进行加密操 作。r a d i u s ( r e m o t ea u t h e n t i c a t i o nd i a l i nu s e rs e r v i c e ) 负责与用户有关的登记、认 证和计费工作。在某些情况卜，登记和计费信息可能经过一个或多个代理r a d i u s ( b r o k e rr a d i u s ) 转接。移动通信网中的p d s n 作为移动i p 技术中的外部代理f a ( f o r e i g na g e n t ) ，负责登记、计费和转发用户数据等工作【l 1 3 】。 图l - 2 ( b ) ：采用移动l p 技术的c d m a 2 0 0 0 系统网络结构 1 2 3 第三代移动遁信系统中的q o s 1 u m t s q o s 体系 通信网所提供q o s 好坏的最终判断依据是使用者感知的质量。为了实现这种发送 方u e ( u s e re q u i p m e n t ) 到接收方u e 之间的端到端q o s ，3 g p p 定义了一整套层次化 的承载服务( b e a r e rs e r v i c e ) 功能【l - 1 4 】，如图i 3 所示。承载服务包括了为提供约定 q o s 在各层所需要的所有功能。 2 u m t s q o s 分类 3 g p p 主要依据对于时延的敏感程度不同，将业务( q o s ) 划分为四类 1 1 5 1 ：会 话类( c o n v e r s a t i o n a lc l a s s ) 、流类( s t r e a m i n g c l a s s ) 、交互类( i n t e r a c t i v ec 1 a s s ) 和后 台类( b a c k g r o u n dc l a s s ) 。会话类和流类主要是实时业务，二者的区别在于前者对于 时延更加敏感，此外流类业务部是单向传输。交互类和后台类主要是传统i n t e r n e t 应用， 9 北方交通大学博士学位论文 如w w w 、e m a i l 、t e l n c t 、f r p 等。相对于会话类和流类，它们的时延限制较宽松， 差错率较低。其中交互类主要是指用户交互式应用，如w w w ，而后台类则是指一般 业务，包括文件下载等，其优先级最低。 一u m t s 一 图卜3 ：u m t sq o s 体系 表1 - 1 ：u m t s q o s 类 业务类 会话类( 会话实流类( 流实时交互类( 交互式后台类( 后台尽 时型)型) 尽力而为型)力而为型) 素的时间关系；素的时间关系：低误码率；低误码率； 低时廷且时延严 格受限； 典型应用话音视频流w w w 后台文件下载 3 u m t s 的q o s 参数 u m t s 承载服务参数定量描述u m t s 网络提供给用户的服务。 、u e 根据自己的能力形成q o s 参数集，它可以根据需要，使用u m t s 承载服务的 全集或者子集。对上行下行链路要将吞吐量比特率等有关参数分开，以便支持非对 称业务。被叫网络中的u e 或t e 可以在u m t s 服务建立和修改时请求q o s 参数集。 缺省q o s 参数集可以由提供u m t s 承载服务的网络运营商定义，网络给定的q o s 参 数集主要包括时延、分组差错率等服务质量指标的支持范围，表示现在可用的资源或 者其它的网络能力【1 1 5 】。表l - 2