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南京理工大学硕士论文e d g e 网络b s s 端q o s 实现算注研究 摘要 随着3 g 时代脚步的日益临近，越来越多的运营商已经构建或即将开始构建 3 g 网络。但是，由于用户需求不旺，3 g 移动运营商陷入了困境。目前，绝大多 数的3 g 移动运营商都同时拥有3 g 和g p r s 网络，有的移动运营商还拥有e d g e 网络。这就使得利用e d g e 网络培养3 g 用户成为可能。 相对于g p r s 网络而言，e d g e 网络将数据传输速率从1 7 1 2 k b i t s 提高到 3 8 4 k b i t s 5 0 0 k b i t s ，提供了近似于3 g 网络的数据传输速率，这样可以为3 g 网络培养潜在的用户。 对于e d g e 网络而言，数据业务的q o s 控制至关重要。因为，数据传输业务 的o o s 将影响最终用户对e d g e 的使用体验。e d g e 网络数据业务的o o s 必须由核 心网和无线接入网共同协作完成。其中，由于在无线通信过程中无线信道干扰的 存在，无线接入网中的无线数据传输速率很难保证。因此，对于e d g e 网络而言， 无线接入网的q o s 保证是e d g e 网络能否成功的关键。但是，到目前为止没有公 开资料显示对e d g e 无线接入网上q o s 的保证。 本文先介绍了e d g e 网络的逻辑和信令结构，对e d g e 网络中的每一个网络元 素都进行了介绍。对无线接入网中数据传输的重要网络元素p c u 的功能进行 了详细的描述，阐述了无线接入网中无线数据传输的原理。基于对e d g e 网络数 据传输质量的分析，分析了e d g eq o s 控制在e d g e 无线接入网中的瓶颈，详细描 述了e d g eq o s 在核心网和无线接入网的q o s 协商过程，并建立了q o s 协商的逻 辑模型。并且对e d g eq o s 的属性和e d g eq o s 在无线接入网的实现进行了详细的 研究。 针对e d g e 无线接入网对e d g eq o s 的g b r ( 保证比特传输率) 的保证问题， 本文提出了对e d g eq o s 的g b r 保证的整体解决方案从无线资源分配到无线 资源调度控制的管理方法，解决了e d g e 无线接入网中对q o s 中g b r 属性的保证 的实现问题，实现了e d g e 网络对q o s 的全网支持。本文在最后对无线接入网对 e d g eo o s 中g b r 保证的解决方案进行了实验验证。 本方案解决了e d g e 网络中对q o s 中g b r 保证的难题，特别是在无线干扰较 大的情况下，本方案能够很好的保证g b r 。在无线干扰较小的情况下，本方案能 够节约无线资源以提高系统服务质量。同时也可以作为3 g 网络无线接入网q o s 控制的参考。 关键字：e d g e ，服务质量，保证比特传输率，调度算法 南京理工大学硕士论文 e d g e 网络b s s 端o o s 实现算法研究 a b s t r a c t n o wt h e3 gt i m ei s c o m i n g ，m o r ea n dm o r em o b i l ec o m m u n i c a t i o n o p e r a t o r sh a v eb u i l to rw i i ib u i l d3 gn e t w o r k b u t b e c a u s eo ft h e r e q u i r e m e n tf r o m3 gc u s t o m e r sa r ev e r y1 i m i t e d ，t h e3 go p e r a t o r sf a l li n t o t r o u b l e n o w ，m o s to f3 go p e r a t o r so w nb o t h3 ga n dg p r sc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k s ， s o m eo ft h e mh a v e e d g ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k 。t o o s o c u l t i v a t i n g3 gc u s t o m e r st h r o u g he d g ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r kb e c o m e s r e a l i z a b l ea n di m p o r t a n t c o m p a r e dw i t h g p r sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，t h er a t eo fu s e rd a t a t r a n s m i s s i o ni ne d g en e t w o r kh a sb e e ni m p r o v e df r o m1 7 1 2 k b i t si ng p r s n e t w o r kt o3 8 4 k b i t s 5 0 0 k b i t s t h ei m p r o v e m e n ti sg r e a t ，a n dt h e t r a n s m i s s i o nr a t ei sn e a rt ot h e3 gn e t w o r k t h u se d g en e t w o r kc a n c u l t i v a t et h ep o t e n t i a lc u s t o m e r sf o r3 g i n 印g ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t h eq o sf o rp ss e r v i c ei sav e r y i m p o r t a n ti s s u e m e a n w h i l et h eg u a r a n t e ef o rq o si ne d g en e t w o r kw i i i i m p a c to nt h ee n du s e ru s i n ge x p e r i e n c e e d g eq o sm u s tb es u p p o r t e db y b o t he d g ec o r en e t w o r ka n de d g er a d i oa c c e s sn e t w o r k b e c a u s et h e r ei s r a d i on o i s ei nt h er a d i oc o m m u n i c a t i o np r o c e d u r e ，i ti sd i f f i c u l tt o g u a r a n t e et h er a d i ot r a n s m i s s i o nr a t e i ne d g en e t w o r k ，t h eg u a r a n t e ef o r e d g eq o si st h ek e yf a c t o rt oi t ss u c c e s s b u tt h e r ei sn oo f f i c i a ld o c u m e n t t os h o wt h ei m p e m e n t a t i o no ft h ee d g eo o sg b rg u a r a n t e e a tt h ef i r s t ，t h ee d g en e t w o r kl o g i c a la n ds i g n a lc o n s t r u c ti s i n t r o d u c e d ，i n c l u d i n ge a c hn e t w o r ke l e m e n ti ne d g en e t w o r k t h ef u n c t i o n o fp c u ，t h ei m p o r t a n tn e t w o r ke l e m e n ti ne d g er a d i oa c c e s sn e t w o r ki nu s e r d a t at r a n s m i s s i o np r o c e d u r e ，i sd e s c r i b e d t h ep r i n c i p l eo fr a d i od a t a t r a n s m i s s i o ni ne d g er a d i oa c c e s sn e t w o r ki si n t r o d u c e d 。t o o b a s e do n t h ea n a l y s i so fe d g en e t w o r kd a t at r a n s m i s s i o nq u a l i t y ，t h eb o t t l e n e c k i nt h ee d g er a d i oa c c e s sn e t w o r kh a sb e e nl o c a t e d i nt h i sp a p e r ，t h eq o s n e g o t i a t i o np r o c e d u r eb e t w e e ne d g ec o r en e t w o r ka n de d g er a d i oa c c e s s n e t w o r kh a sb e e ns t u d i e d ，a n dt h el o g i c a lm o d e lf o rt h en e g o t i a t i o ni s e s t a b l i s h e d a n dt h es t u d yt ot h ee d g eq o sa t t r i b u t e sa n di t s i m p l e m e n t a t i o ni nr a d i oa c c e s sn e t w o r kh a sb e e nd o n e a i m i n ga tt h ee d g eq o sg b rg u a r a n t e ep r o b l e mi ne d g er a d i oa c c e s s i i 南京理工大学硕士论文e d g e 网络b s s 端q o s 实现算 盖研究 n e t w o r k ，t h ec o m p l e t es o l u t i o nh a sb e e np r e s e n t e d ，a n dt h es o l u t i o nc o v e r s t h er a d i or e s o u r c ea l l o c a t i o na n dr a d i or e s o u r c es c h e d u l i n gm a n a g e m e n t ， a n dt h es o l u t i o nc a ns o l v et h ei m p l e m e n t a t i o no ft h eg u a r a n t e eo fe d g e q o sg b ri nr a d i oa c c e s sn e t w o r k t h e nt h ee d g eq o sc a nb es u p p o r t e di n t h ew h o l en e t w o r k a tt h el a s t ，t h et e s t sa r ed o n ei nr a d i oa c c e s sn e t w o r k t ov e r if yt h es o l u t i o n i nt h i ss o l u t i o n ，t h ep r o b l e mt og u a r a n t e et h eg b ri ne d g eq o sh a s b e e ns o l v e d e s p e c i a l l yi nt h eb a dr a d i oc o n d i t i o n ，t h es o l u t i o nc a n e n s u r et h eg b rw e l l ：i nt h eg o o dr a d i oc o n d i t i o n ，i tc a ns a v er a d i o r e s o u r c et oi m p r o v es y s t e ms e r v i c eq u a l i t y a tt h es a m et i m e t h es o l u t i o n c a bb et a k e na sr e f e r e n c et o3 gn e t w o r kq o sc o n t r o li nr a d i oa c c e s s n e t w o r k k e yw o r d s ：e d g e ，q o s ，g b r ，s c h e d u li n ga l g o r i t h m i i l 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：耋室选ly 。6 年6 月f 。日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：整塞迷)塑里圣翌塑l y 。6 年易月i 。日 南京理工大学硕士论文 e d g e 网络b s s 端o o s 实现算法研究 1 绪论 1 1g p r s 和e d g e 介绍 1 1 1g p r s 介绍 g p r s 的英文全称是g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，即通用无线分组业务， 是一种基于g s m 系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线i p 连接。 g p r s 采用分组模式传输高速和低速的数据及信令，能提供比现有g s m 网 9 6 k b i t s 更高的数据速率。g p r s 采用与g s m 相同的频段、频带宽度、b u r s t 结 构、无线调制标准、跳频规则以及相同的t d 姒帧结构。因此，在g s m 系统的基 础上构建g p r s 系统时，g s m 系统中的绝大部分部件都不需要作硬件改动，只需 作软件升级。g p r s 是移动通信从第二代迈向第三代的一个至关重要的一步，通 常被称为第2 5 代的无线通信。 1 1 1 1g p r s 的历史发展 1 9 9 9 2 0 0 0 年是g p r s 的实验阶段，各大运营商开始建设g p r s 实验网，为 用户提供实验性g p r s 业务。2 0 0 1 年g p r s 终端投放市场，g p r s 业务全面展开， 部分运营商进入商业运营阶段。2 0 0 2 年以后，g p r s 业务开始进入多样化阶段， 网络解决方案进一步完善，多功能终端的面市使提供给用户的应用越来越丰富， g p r s 市场得到蓬勃发展。 1 1 1 2g p r s 的主要特点 ( i )g p r s 采用分组交换技术，高效传输高速或低速数据和信令，用户只有在 发送或接收数据时才占用资源，优化了对网络资源和无线资源的利用。 ( 2 )定义了新的g p r s 无线信道，且分配方式十分灵活；每个t d m a 帧可分配1 到8 个无线接口时隙。时隙能为用户所共享，且上行链路和下行链路的分 配是独立的。 ( 3 ) 支持中、高速率数据的传输，可以提供9 0 5 一1 7 1 2 k b i t s 的数据传输速 率( 每用户) 。g p r s 采用了与g s m 不同的信道编码方案，定义了c s l ，c s 2 ， c s 3 ，c s 4 四种信道编码方案。 南京理工大学硕士论文 e d g e 网络b s s 端o o s 实现算法研究 g p r s 网络接入速度快，提供了与现有数据网的无缝连接。 g p r s 支持基于标准数据通信协议的应用，可以和i p 网、x 2 5 网互联互 通。支持特定的点到点和点到多点服务，以实现一些特殊应用如远程信息 处理。g p r s 也允许短消息业务( s m s ) 经g p r s 无线信道传输。 g p r s 的设计使得它既能支持间歇的突发式数据传输，又能支持偶尔的大 量数据的传输。它支持四个方面的o o s 级别。g p r s 能在0 5 1 秒之内恢 复数据的重新传输。g p r s 的计费一般以数据传输量为依据。 在g s mp l m n 中，g p r s 引入两个新的网络节点：一个是g p r s 服务支持节 点( s g s n ) ，它和m s c 在同一等级水平，并跟踪单个m s 的存储单元，实现 安全功能和接入控制。节点s g s n 通过帧中继连接到基站系统。另一个是 g p r s 网关支持节点g g s n ，g g s n 支持与外部分组交换网的互通，并经由基 于i p 的g p r s 骨干网和s g s n 连通。 g p r s 的安全功能同现有的g s m 安全功能一样。身份认证和加密功能由s g s n 来执行。其中的密码设置程序的算法、密钥和标准与目前g s i d 中的一样， 不过g p r s 使用的密码算法是专门为分组数据传输所优化过的。g p r s 移动 设备( m e ) 可通过s i m 访问g p r s 业务，不管这个s i m 是否具备g p r s 功能。 蜂窝选择可由一个m s 自动进行，或者基站系统指示m s 选择某一特定的蜂 窝。m s 在重选择另一个蜂窝或蜂窝组( 即一个路由区) 时会通知网络。 g p r s 可以实现基于数据流量、业务类型及服务质量等级( q o s ) 的计费功 能，计费方式更加合理，用户使用更加方便。 g p r s 的核心网络层采用i p 技术，底层还可使用多种传输技术，很方便地 实现与高速发展的i p 网无缝连接。 1 1 1 3g p r s 的应用 g p r s 基本原理是：当有数据传送需要时，将利用分组在网络中传送数据， 而非利用固定电路连接。在无线接口内，多个用户可共享一个时隙，或者一个用 户最多可使用八个时隙。在传输时，数据信息被包封到很短的分组里，每一分组 都含有一个报头，报头中包括了分组的始发地址和目标地址。来自多用户的分组 可交错传输，所以可按需分配传输容量，并在没有分组可传时释放容量。这促进 了多用户间对网络资源的共享，并允许运营商最优地使用现有设备，同时利用己 安装的设备创造新的收入来源。 g p r s 的应用包括：企业电子邮件、信息业务、远程l a n 访问、文件传输、 w e b 浏览、静态图像、文件共享协同工作、音频、网上交谈等。 2 南京理工大学硕士论文 e d g e 网络b s s 端q o s 实现算法研究 1 1 2e d g e 介绍 随着不断推陈出新的移动新业务对带宽要求的持续增长，频谱利用率高的高 速无线数据技术愈来愈成为移动领域关注的焦点。作为g p r s 的增强型演进技术， r 9 9 规范定义的e d g e 在3 g 频谱资源匮乏的地区或经济发展相对较慢的地区，可 以作为第二代移动网络向第三代移动网络的过渡方案；e d g e 可与u m t s 共用核心 网，将原有基站子系统b s s 演变成g s m e d g e 无线接入网g e r a n ，与u m t s 陆地无 线接入网u t i t a n 并存，能提供“类3 g 的高速数据业务，在未来可能的二、三 代网络设施并存的时期内为终端用户提供实用、连续的高速数据业务。 1 1 2 1e d g e 简述 e d g e 是英文e n h a n c e dd a t ar a t ef o rg s me v o l u t i o n 的缩写，即增强型数 据速率g s m 演进技术。e d g e 也是一种从g s m 到3 g 的过渡技术，它主要是在g s m 系统中采用了一种新的调制方法，即最先进的多时隙操作和8 p s k 调制技术。由 于8 p s k 每时隙的总比特率达到了6 9 6 k b i t s ，而g m s k 只有2 2 8 k b i t s ，因此 大大地提高了频谱利用率。 之所以称e d g e 为g p r s 到第三代移动通信的过渡性技术方案，主要原因是这 种技术能够充分利用现有的g s m 资源。因为它除了采用现有的g s m 频率外，同时 还利用了大部分现有的g s m 设备，而只需对网络软件及硬件做一些较小的改动， 就能够使运营商向移动用户提供诸如互联网浏览、视频电话会议和高速电子邮件 传输等无线多媒体服务，即在第三代移动网络商业化之前提前为用户提供个人多 媒体通信业务。e d g e 还能够与以后的w c d m a 制式共存，这也正是其所具有的弹 性优势。 e d g e 技术主要影响现有g s m 网络的无线访问部分，即收发基站( b t s ) 和g s m 中的基站控制器( b s c ) ，而对基于电路交换和分组交换的应用和接口并没有太大 的影响。因此，网络运营商可最大限度地利用现有的无线网络设备，只需少量的 投资就可以部署e d g e ，并且通过移动交换中心( m s c ) 和服务g p r s 支持节点( s g s n ) 还可以保留使用现有的网络接口。事实上，e d g e 改进了这些现有g s m 应用的性 能和效率并且为将来的宽带服务提供了可能。e d g e 技术有效地提高了g p r s 信道 编码效率及其高速移动数据标准，它的最高速率可达3 8 4 k b i t s ，在一定程度上 节约了网络投资，可以充分满足未来无线多媒体应用的带宽需求。从长远观点看， 它将会逐步取代g p r s 成为与第三代移动通信系统最接近的一项技术。 南京理工大学硕士论文e d g e 网络b s s 端o o s 实现算法研究 1 1 2 2e d g e 在调制技术上的革命 以相同干扰受限传播环境下、4 + 1 移动台的姗s 业务为例，传送同样一份 1 2 5 k b y t e s 的包含文本、高清晰度图像和h i p 3 音频的文件，e d g e 只需1 5 秒，g p r s 需要5 0 秒：而在1 分钟内，e d g e 足可以传送一份4 8 0 k b y t e s 的包含文本和视频 录像的文件。 e d g e 的“高速数据吞吐率”主要得益于采用了8 p s k ( 8 相键控) 调制技术。 在2 调制周期内定义8 个均分的不同相位来区分每个传送符号，而8 种不同相 位则可表示3 个比特的信息量( o o o - 1 1 1 ) ，传输速率提高到g s m g p r s 系统采用的 g m s k ( 高斯最小移频键控) 的三倍；同时，结合不同纠、检错能力的信道编码方案， e d g e 可提供9 种不同的“调制编码方案埘c s ”，较之使用单一调制技术的 g p r s 提供的四种“编码方案c s ”，e d g e 可以适应更恶劣、更广泛的无线传 播环境；在相同带宽内，e d g e 最高可以提供6 倍于g p r s 的数据速率。 9 种m c s 根据相互之间的相关特性被分为3 组，即f a m i l ya ( m c s - 3 、m c s 一6 、 m c s 一8 、m c s 一9 ) 、f a m i l yb ( m c s 一2 、m c s 一5 、m c s 一7 ) 和f a m i l yc ( m c s l 、m c s 一4 ) 。 各组内的几种编码方案的结构之间具有相互包含或被包含的关系，更易于实现编 码速率的转换。实际应用中需要平衡有效信息的传递速率和有效的传递质量两项 因素，传送有效信息较少而包含较多的冗余纠错比特的低速信道编码方案更适用 于传输质量较差的环境，如在小区边界更适宜使用速率偏低的g m s k 调制方式下 的m c s l 4 以补偿较差的链路质量；在传播条件较好的小区中心区域，可以采用 信息速率较高的m c s 。 1 1 2 3e d g e 在数据重发机制的改进 e d g e 在数据发送和重发机制上采用了“链路适配”( l i n ka d a p t a t i o n ) 和 “增量冗余”功能，数据重发成功率较之g p r s 平均提高1 0 2 0 。 “链路适配”功能在不同m c s 之间，可根据实时的无线链路质量及时调整最 适合的眦s 方案。在正确情况下，正常数据块传输转换可以在9 种数据速率之间 进行以获得传输质量与吞吐率的最佳平衡。当无线环境恶化而导致数据块错传而 须重传时，编码速率可以但只能在同一组内的具有包含关系的几种m c s 之间互相 转换，前后数据块所携带的冗余信息因此具有足够的相关性以便于解调：而g p r s 没有链路状况适配机制，且仅能按照前次c s 重发，因此重发成功的概率完全被 动地依赖于无线环境的变化，在多数情况下只会加重网络的负担、浪费网络资源 且无法改善传输质量而导致不断重发、系统效率急剧恶化。 4 南京理工大学硕士论文e d g e 两络b s s 端q o s 实现算法研究 “增量冗余”是e d g e 在重发信息中加入更多的冗余信息从而提高接收端正 确解调的概率。当接收端检测到故障帧时，g p r s 会删除收到的故障数据块，并 要求发送端再次重发相同的数据块( 使用相同的c s ) ，即简单的混合自动重发请 求( h a r q ) 类型一。h a r q 结合了简单的前向纠错机制f e c 和接收端只检错的自动 重发机制a r q ，类型一即前后信息伴随的冗余比特之间没有相关性。得益于同组 m c s 之间的包容性，e d g e 采用的重发机制实际上就是全增量混合重发请求 啪a r q 类型二，即在前后相继的若干个数据块中加入的冗余纠错比特具有部 分相关性，因此e d g e 会在接收端存储故障数据块而不是删除，发送端重发一个 使用同组内不同m c s 数据块，接收端综合前次故障数据块中的信息比特、冗余信 息，本次信息比特、冗余信息等多方信息进行综合纠、检错分析后作相关解调接 收，以“冗余”的信息量提高接收成功率。 另外，数据传输的信息窗口大小也是影响数据重发效率的一个重要因素。 g p r s 仅能提供最大值为6 4 的r l c 窗口，当传播环境急剧恶化时，如快速移动环 境下，对于多时隙能力的m s 便会出现窗口迟后效应( w i n d o ws t a l l ) ，导致大量 的重发现象。e d g e 可以提供基于不同时隙支持能力的m s 所分配的时隙数而定义 相应的数据重传窗口大小，变化范围从对应于一个业务时隙的最大6 4 个r l c 块 到对应于8 个业务时隙的1 0 2 4 个r l c 块，弱化了快速移动时对数据吞吐速率的 影响。 1 1 2 4e d g e 在网络实施方面的考虑 ( 1 ) g p r s 向e d g e 的平滑过渡 分组数据业务信道可以同时被e d g e 和g p r s 业务动态共享，允许实际网络中 m s 渗透率从偏重g p r s 平滑地逐步过渡到偏重e d g e ，在不影响话音业务的前提下 稳步提高数据吞吐率。分组控制单元p c u 通过识别终端的业务支持能力、小区配 置、收发信机t r x 支持e d g e 与否，配合b s c 结合当前资源使用状况合理分配分 组无线信道，e d g em s 将被首选分配在支持e d g e 的信道上；e d g e 惦也可以根据 当前服务小区的支持能力自动选择工作在e g p r s 或g p r s ( 无e d g e 服务时) 模式 下。 ( 2 ) 增加的数据速率对传输网络的影响 如何高效率地调整陆地链路的时隙分配也是支持e d g e 引入的更高数据速 率的重要考虑因素之一。高速的数据还需要网络提供相应于空中接口速率的的链 路承载能力，e d g e 需要更新a b i s 和a t e r 等陆地链路接口的时隙分配管理机制。 话音或低速的g p r sc s l 2 每t r x 业务量最大可能映射到2 个6 4 k 的p c m 时隙上 南京理工大学硕士论文e d g e 网络b s s 端o o s 实现算法酽究 传输；而e d g e 每t r x 业务量最大可能映射到8 个6 4k 的p c m 时隙上传输。e d g e 中采用了定义每基站动态公共时隙的办法，从而降低了e d g e 所带来的增加的数 据量对a b i s 接口链路配置的影响。 ( 3 ) 设备支持能力 新的调制技术和先进线性放大技术要求更换全新的基站收发信机设备。新的 链路管理和无线资源分配机制需要更新b s c 能力。e d g e 的演进虽然不涉及核心 网，但配合智能化的核心网可以将e d g e 的效能发挥到极致。 手机等移动终端设备也需支持e d g e ，到目前为止，e d g e 手机的品种已经非 常丰富。 1 1 2 5e d g e 的全球应用现状及展望 从过去及未来若干年的用户发展分析及预测可以看到，数据用户的增长速率 是话音用户增长速率的6 7 倍。虽然即将到来的3 g 网络的巨额投资可能会淡化 g s m 运营商对e d g e 的接受程度，然而在恰当的商业模式运作之下，e d g e 可以为 部分运营商以较低的成本投资换取高容量的宽带数据服务而与u 灯s 系统相辅相 成。北美市场由于3 g 频段缺乏的限制，促使e d g e 成为连接2 g ( g s m t d m a ) 和 3 g ( u m t s ) 的桥梁；其主要的t d m a 运营商已决定向g s m 转型并实施 g s m g p r s e d g e 。而在欧洲3 g 频谱虽已具备，但e d g e 可以在现有g s m g p r s 覆盖 的基础上、u m t s 全面铺开之前为终端用户提供质量较好的数据服务体验，欧洲 各主要运营商亦打算将e d g e 作为u m t s 的有效补充。 1 2g p r s 和e d g e 的q o s 现状 近年来由于3 g 的快速发展，人们对3 g 有着极高的期望。因为，相对手“窄 带”的g p r s 而言，3 g 将提供2 m 的基本带宽，这似乎很容易使人们感觉到在3 g 网络中进行q o s 控制更有意义。所以，相关人员考虑得更多的是如何在第三代与 第二代网络间进行q o s 控制的协调问题，而忽略了对e d g eq o s 实现的研究。 例如，在爱立信的解决方案中的系统间流量控制包括两个部分：自适应流量 控制( a t c ) 和自配置系统( s c s ) 。自适应流量控制是一组特性和功能，将根据覆 盖或阻塞、以及服务质量( q o s ) 和用户类别等准则来执行话音和数据业务的系 统控制和切换。例如，可在h l r 中将用户定义为高优先级。从而在各种流量情况 下，根据以上准则将会使用最高效的接入方式。自配置系统( g s m 和w c d m a ) 将可 自动设置小区和相邻参数，系统间特性( 服务质量控制) 和差别服务，以控制系 统流量。 6 南京理工大学硕士论文e d g e 网络b s s 端o o s 实现算法研究 由于e d g e 在不改变网络结构的基础上提供了介于g p r s 和3 g 之间的数据传 输速率。同时，在世界移动运营商中，第二代网络的数量相对于3 g 网络是庞大 的，提供更好的数据服务是他们的客观需要，同时也是消费者的需要。所以，在 e d g e 网络中，q o s 的合理控制可以提高网络无线资源的利用率，并且可以同时容 纳更多的数据用户。在相应的移动设备制造商中，爱立信提供了e d g eq o s 的支 持，并且有很多基于队列理论、使用频率理论为基础的e d g e 核心网络的q o s 控 制方法的研究洲1 3 1 ，也有基于d i f f s e r v e l 理论模型的接入控制研究“5 m “。 但是，到目前为止没有公开资料显示在无线链路上( 无线接入网) q o s 控制的实 现。 1 3 本文的主要研究工作和本文结构 本论文是本人在上海贝尔阿尔卡特公司m f s 部门经过一年的学习和研究完 成的。在这一年中，部门正处于e d g e 网络m f sb 9 项目软件的歼发和测试阶段， 本人在该项目中有幸参与了无线端q o s 实现代码的研发和测试，以下是本论文的 主要研究工作： 1 对e d g e 的网络结构和各个网元的功能进行了研究。同时对无线数据传 输的原理、编码方式和p c u 协议层的功能也做了仔细的研究。最后对e d g e 网络 性能进行了分析。 。 2 建立了一套高质量的无线资源分配算法。在一个数据业务链路建立之前， 网络会被要求对此数据业务链路分配合理的无线资源。无线资源分配不合理，不 但会造成大量无线资源的浪费，而且会直接影响到用户的服务体验。本论文提出 的这套算法是在无线资源管理功能层和核心网协商的过程中实现的。它根据数据 业务所申请的各项q o s 指标，合理的确定各业务的优先等级、延迟等级、可靠性 等级，并合理地为它们分配无线资源。同时，在本算法中，保留了很多0 m 参数， 允许运营商根据实际情况，在有效的范围内自行设定这些参数值，从而大大的增 加了运营商对网络进行管理和维护的灵活性。 3 建立了一套高效的无线调度算法。上述协商过程结束以后，各数据业务 链路被分配了合适的无线资源，此时，这些数据链路就可以被成功建立起来了。 在数据链路建立起来以后，采用何种有效的无线调度算法，来保证与峰值吞吐量 和平均吞吐量等级相关的“保证比特传输率”( g b r ) ，也直接影响到用户的服务 体验。如果资源分配足够了，但是调度频率没有跟上，会造成大量资源的浪费； 反过来如果资源分配不足，但是调度频率过大，又会造成网络拥塞，影响别的数 据业务的正常进行。本论文中的这套无线调度算法，由无线资源管理层协调无线 7 南京理工大学硕士论文e d g e 同络b s s 端o o s 实现算法研究 链路控制层( r l c 层) 和媒体接入控制层( 1 h a c 层) 来实现。这套调度算法的实 现基于上面的无线资源分配算法，因此能够充分的利用网络资源，不但不会对网 络资源造成浪费，而且对于网络拥塞的问题，也得到了很好的控制。 4 编写测试程序，在传输资源充足和传输资源不足两种情况下，对本论文 提出的无线资源分配算法和无线资源调度算法进行了综合而系统的验证，并通过 最终的测试结果，分析了本算法的一些不足 本论文总共分为五章。 第一章是绪论，介绍了本论文的实际背景，介绍了当前g p r s 和e d g e 的o o s 现状，同时介绍了本文要研究的工作。 ， 第二章对e d g e 网络结构和各个网元的功能进行了介绍。同时介绍了无线数 据传输的原理、编码方式和p c u 协议层的功能。最后对e d g e 网络性能进行了分 析。 第三章是本文的重点。首先对e d g eo o s 的进行了研究，着重研究了e d g eq o s 属性的定义、作用和e d g eo o s 的协商过程，并且分析了e d g e 网络性能对e d g eq o s 的影响：其次详细介绍了保证e d g eq o s 中g b r 的算法：首先是在无线资源分配 上考虑g b r 的要求，为无线链路的建立预留足够的无线资源；其次是在无线资源 的调度频率控制上考虑无线数据效率因素，通过动态调整无线资源的调度频率来 消除无线干扰的负面影响。 第四章通过一组实验对本算法进行了验证，并对每组实验数据进行了分析。 第五章是总结，对本课题的研究过程和本方案的不足进行了分析与描述。 南京理t 大学硕t 论文e d g e 网络b s s 端o o s 实现算泣研究 2e d g e 的网络结构 2 1e d g e 的网络构架 由于g p r s 和e d g e 的网络构架完全相同，所以下面所涉及的g p r s 的网络构 架就是e d g e 的网络构架。为了书写简便，本章所涉及的g p r s 网络就是e d g e 网 络。 g p r s e d g e 的网络构架口儿8 1 如图2 1 所示： 图2 1g p r s e d g e 网络逻辑结构 g p r s e d g e 业务的提供涉及m s ，b s s ，s g s n ，g g s n ，h l r 以及外部p d n 等实 体，还可能涉及m s c v l r ，s m s - g m s c 等实体。g p r s e d g e 的主要功能是由 s g s n ，g g s n 与m s ，h l r ，p d n 等相关实体配合实现的，其中主要实体的功能如下： s g s n ( s e r v i n gg p r ss u p p o r tn o d eg p r s 服务支持节点) ：为移动台服 务，主要实现下述功能： a ) 、维护s g s n 删( m o b i l i t ym a n a g e m e n t 移动性管理) 上下文，提供移动 性管理； b ) 、维护s g s np d p ( p a c k e td a t ap r o t o c 0 1 分组数据协议) 上下文，提供 9 南京理工大学硕十论文e d g e 同络b s s 端q o s 实现算法研究 路由功能； c ) 、鉴权、加密等； d ) 、数据传输、计费。 g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d eg p r s 支持网关节点) ：是g p r s 网络 与外部p d n ( p u b l i cd a t an e t w o r k s 公共数据网) 相连的网关，主要实 现下述功能： a ) 、维护g g s np d p 上下文，提供路由选择功能，分配i p 地址； b ) 、实现与外部网络协议等的转换： c ) 、数据传输、计费。 移动台( m s ) ：一个完整的移动台由“移动设备( m e ：m o b i l ee q u i p m e n t ) ” 和“s i m ( s u b s c r i b e ri n d e n t i t ym o d u l e 用户识别模块) 卡”组成。 m e 又包括移动终端( m o b i l et e r m i n a t e d 移动台终端) 和终端设备 ( t e r m i n a le u q i p m e n t 终端设备) 。同时，移动台分为三种： a 类：此类设备可以同时连接到g s m 和g p r s ( e d g e ) 网络，并同时提供数据 交换业务和电路交换业务。 b 类：此类设备可以同时连接到g s m 和g p r s ( e d g e ) 网络，但在某一时刻只 能提供数据交换业务或电路交换业务。 c 类：在某一时刻只能提供数据交换业务或电路交换业务，需要人工进行业 务的切换。 基站子系统( b s s ) ：b s s 由一个基站系统控制器( b a s es t a t i o n c o n t r o l l e r ) 和一个或多个基站收发信机( b a s et r a n s c e i v e rs t a t i o n ) 组成。在b s c 中有专门处理分组数据及无线分组信道管理的分组控制单 元( p a c k e tc o n t r o lu n i t ) 。分组数据的传输、控制均在p c u 内完成。 p d n ：外部数据网。如i p 、x 2 5 x 7 5 网等。m s 通过g p r s ( e d g e ) 接入 不同的p d n 时，采用不同的分组数据协议地址( p d p 地址) ，如：接入i p 网时采用i p 地址，接入x 2 5 x 7 5 网时采用x 2 5 x 7 5 地址。每个p d p 地址对应一个p d p 上下文。 图2 2 所示为e d g e 网的主要接口”： 1 0 南京理工大学硕士论文 e d g e 网络b s s 端o o s 实现算法研究 s i g n a l l i n gi n t e r f a c e 圈2 2g p r s e d g e 网络主要接口 各个网元的参考点或接口的定义表如下： 表2 ie d g e 网络接口、参考点定义 接口或参考点 说明 g b s g s n 与b s s 之间的接口 g c g g s n 与h l r 之间的接口 g d s m s g m s c 之问的接口，s m s i w m s c 与s g s n 之间的接口 g i g p r s 与外部分组数据之间的参考点 g n 同一g s m 网络中两个g s n 之间的接口 g p 不同g s m 网络中两个g s n 之间的接口 g rs g s n 与h l r 之间的接口 g ss g s n 与m s c v l r 之间的接口 g f s g s n 与e i r 之间的接口 2 1 1e d g e 网络的无线部分和核心网部分 根据3 g p p 国际标准，e d g e 网络的构成分为两部分：无线接入部