（电路与系统专业论文）提高GPRS综合业务QoS的监管算法研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

硕士学位论文 摘要 通用分组无线业务( g p r s ) 网络是一种数字技术，通常被人们称作2 5 g 技 术。g p r s 技术是在g s m 网络和技术上发展起来的系统，它基于t d m a 方式的 g s m 系统实现，充分利用了g s m 系统的无线结构，通过在g s m 网络中引入分 组交换模式，将无线数据通信和数据网络的融合推迸了一大步。g p r s 系统业务 种类包括实时业务( 如话音和视频) 和非实时业务( 如数据) ，由于各类业务服务 质量( q o s ) 要求不同，g p r s 网络有发生拥塞的可能，这将严重影响网络的服务 质量，因此，必须采用有效的办法进行流量控制。流量控制就是通过对信源实施 一定的控制策略使得用户的数据流量与网络资源相匹配。本文讨论g p r s 环境下 综合业务的流量控制。 本文主要分为两大部分。第一部分，首先综述了g p r s 移动通信系统及其q o s 的要求和结构。接着较为详细地介绍了g p r s 网络的相关技术，主要包括网络单元， 网络接口，传输平台，空中接口和协议等和g p r s 系统的q o s 分类、结构特性及其 分类的性能要求和应用。针对g p r s 网络中综合业务的问题，在这一部分中对其性 质和分类作了比较详细的介绍。第二部分，重点讨论了g p r s 中的网络监管算法， 通过对6 p r s 中的综合业务的分析，本文提出了适用于g p r s 网络综合业务的两种 漏桶算法包括单速率漏桶算法和双速率漏桶算法。分析采用三种业务模型来仿真 数据源，即非实时数据业务通常采用p o i s s o n 模型；g p r s 网络中的实时分组话音 则采用通一断( o n o f f ) 模型，因为它是分句、分段或分帧传送的；g p r s 中分 组视频则采用离散状态，连续时间的生一灭m a r k o v 过程模型。通过流体流法的 分析方法在理论上得出了实时业务和非实时业务的漏捅性能与输入业务统计参数 及漏捅参数之间的关系。最后通过m a t l a b 仿真的结果表明这两种算法保证了实时 业务的服务质量，而且在总的业务流量不超出协议规定值的情况下，数据业务也 获得了较高的信道利用率，通过选用合适的漏桶参数可以进行有效的控制。该算 法能较好的满足g p r s 的综合业务q o s 要求。 关键词：综合业务：服务质量：监管算法：单速率漏桶：双速率漏桶 提高g p r s 综合业务q o s 的监管算法研究 a b s t r a c t g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ( g p r s ) i sad i g i t a lt e c h n o l o g y , w h i c hi sc a l l e d 2 5 g o r i g i n a l l yt h e r ew a ss o m et h o u g h tt oe x t e n dg p r st oc o v e ro t h e rs t a n d a r d s ， b u ti n s t e a dt h o s en e t w o r k sa r eb e i n gc o n v e r t e dt ou s et h eg s ms t a n d a r d ，s ot h a ti s t h eo n l yk i n do fn e t w o r kw h e r eg p r si si nu s e i tp r o v i d e sm o d e r a t es p e e dd a t a t r a n s f e r ，b yu s i n g u n u s e dt d m ac h a n n e l sg s mn e t w o r k g p r sa d d s p a c k e t s w i t c h i n gm o d et og s mn e t w o r k b a s e do ng s mn e t w o r ka n dt e c h n o l o g y , g p r s m a k ef u l lu e so ft h ew i r e l e s ss t r u c t u r eo fc s m s y s t e ma n di tg r e a t l ya c c e l e r a t e st h e c o n v e r g e n c eo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dd a t an e t w o r k i n gb yi n r r o d u c i n gp a c k e t s w r i t c h i n gm o d e t og s mn e t w o r k g p r ss y s t e mi n c l u d e sr e a l t i m es e r v i c e ( i n c l u d i n g a u d i oa n dv i d e o ) a n du n r e a l t i m es e r v i c e ( i n c l u d i n gd a t a ) b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n c e o fq o s ，t h eg p r sm a yc o n g e s t t om e e tt h ed e m a n do fq o si ng p r ss y s t e m ，t h e f l o wa n dc o n g e s t i o no fg p r sn e t w o r k sb e c o m ev e r yi m p o r t a n t t h i st h e s i sd i s c u s s e s t h ef l o wc o n t r o lo fi n t e g r a t e d s e r v i c ei ng p r s t h i sp a p e rm a i n l yc o n s i s t so ft w op a r t s i nt h ef i r s tp a r t ，f i r s t l yig i v ear e v i e w o ft h eg p r sm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dt h er e q u e s ta n ds t r u c t u r eo fq o si n g p r s t h e nii n t r o d u c ei nd e t a i ls o m er e l e v a n t t e c h n o l o g yi n g p r sn e t w o r k s i n c l u d i n gn e t w o r k su n i t s ，i n t e r f a c e ，t e r r a c ea n dp r o t o c o le t c ，a r m i n ga tt h ep r o b l e mo f t h ei n t e g r a t e d s e r v i c ei ng p r s ，id i s c u s si t sn a t r u ea n dc l a s s i f i c a t i o ni nd e t a i l i nt h e s e c o n dp a r t ，t h ef o c u si so nt h en e t w o r kp o l i c i n ga l g o r i t h mi ng p r sa n dih a v e p r o p o s e dt w oa l g o r i t h m sf o ri n t e g r a t e d t r a f f i ci ng p r sn e t w o r k s ，o n ei st h es i n g l e v e l o c i t yl e a k yb u c k e ta l g o r i t h ma n dt h eo t h e ri st h ed u a lv e l o c i t yl e a k yb u c k e t a l g o r i t h m t h r e es i m u l a t e dm o d e lh a v eb e e nu s e d ，p o i s s o nm o d e lf o rd a t as e r v i c e ， o n o f fm o d e lf o ra u d i oa n dm a r k o vm o d e lf o rv i d e o b ya n a l y z i n gt h e s et w o a l g o r i t h m sw i t hq u e u et h e o r y ，w eo b t a i nt h ea n a l y t i c a le x p r e s s i o no ft h er e l a t i o n a m o n gt h el e a k yb u c k e tp e r f o r m a n c e 、t h el e a k yb u c k e tp a r a m e t e ra n dt h es t a t i s t i c a l p a r a m e t e ro fi n p u tt r a f f i c s i m u l a t i o n w i t hm a t l a bi n d i c a t e st h a t q o sc a nb e g u a r a n t e e db yt h e s et w oa l g o r i t h m sa n dt h ed a t as e r v i c ec a ng e tah i g hc h a n n e l u t i l i z a t i o nr a t i oo nt h ec o n d i t i o nt h a tt h et o t a ls e r v i c ef l o wc a n n o te x c e e dt h ev a l u e s t i p u l a t e db yt h ep r o t o c 0 1 t h e s et w oa l g o r i t h m sw i l lm e e tt h ed e m a n do fq o si n g p rsb e t t e r k e yw o r d s ：i n t e g r a t e d s e r v i c e ；q u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) ；p o l i c i n ga l g o r i t h m ；s i n g l e v e l o c i t yl e a k yb u c k e ta l g o r i t h m ；d u a lv e l o c i t yl e a k yb u c k e ta l g o r i t h m i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：蜀乏轭日期：2 口莎年年月g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 数日期：舫年4 月名目 锄乞 日期：。历巧年争月孑日 硕士学位论文 1 1 选题的背景及意义 第1 章绪论 1 1 1g p r s 综合业务及其监管现状 对互联网业务的需求从2 0 世纪末呈现出爆炸性的增长，但大部分互联网的接 入是固定的。于是人类期待着有一天，互联网也可以移动起来，像话音业务一样 不论何时何地，一切都在掌握中。世纪之交开启的通用分组无线业务一一g p r s ， 作为迈向第3 代移动通信系统的重要里程碑，使得移动网络和数据网络合二为一， 为人们移动互联愿望的实现带来了一片曙光。g p r s 是一种从2 g 到3 g 的过渡性技 术，被人们称作2 5 g 技术，它通过现有的g s m 网络基础上叠加一套分组交换系统， 使得固定i p 业务得以引入广阔的移动市场，同时也使得现有的基于电路交换的 g s m 移动网络能够提供更加丰富多彩的数据增值业务。 g s m 是一种提供多种服务的系统，它允许多种业务类型的通信，如话音业 务、数据业务、短消息业务、补充业务等。其中话音业务是最重要的业务，这种 业务使g s m 用户在任何地点能同其它电话网的用户通话，通话是双向的。现在数 据分组交换网已日益普及，有必要在移动通信中增加与数据分组交换网的接口。 考虑到把g s m 系统全部转化为数据分组方式付出的代价太大，e t s i 采取折衷的方 法。提出了g p r s 系统。g p r s 系统利用g s m 系统的全部基础设施，覆盖g s m 的全 部功能并提供分组服务。在网络的硬件方面，仅增加少量功能设备以完成数据分组 功能：而在软件方面，则增加多个功能层来达到这一目的。 g p r s 是一组新的g s m 承载业务“1 ，是以分组模式在p l m n 和与外部网络互通 的内部网上传输。在有g p r s 承载业务支持的标准化网络协议的基础上，g p r s 网 络管理可以提供( 或支持) 一系列的交互式电信业务。g p r s 承载的业务丰富多样， 其主要有： 1 承载业务 支持在用户与网络接入点之间的数据传输的性能。提供点对点业务、点对多 点业务两种承载业务。 ( 1 ) 点对点业务( p t p ) 点对点业务在两个用户之间提供一个或多个分组的传输。由业务请求者启动， 被接收者接收。包括两种点到点业务。 ( 2 ) 点对多点业务( p t m ) 点对多点业务是将单一信息传送到多个用户。g p r sp t m 业务能够提供一个用 堡j 璧f 竺坚堡盒些堑坐! 竺些笪茎鎏旦壅 ： 户将数据发送给具有单一业务需求的多个用户的能力。包括有三种p t m 业务： 点对多点广播( p t m m ) 业务是将信息发送给当前位于某一地区的所有 用户的业务。 点对多点群呼( p t m g ) 业务是将信息发送给当前位于某一区域的特定 用户子群的业务。 i p 多点传播( i p m ) 业务一是定义为i p 协议序列一部分的业务。 2 用户终端业务 g p r s 支持电信业务，提供完全的通信业务能力，包括终端设备能力。用户终 端业务可以分为基于p t p 的用户终端业务和基于p t m 的用户终端业务。 3 附加业务 g s m 第2 阶段附加业务支持所有的g p r s 基本业务p t p - c o n s 、p t p c l n s 、i p - m 和p t m g 的c f u ( 无条件呼叫转送) 。g s m 第2 阶段附加业务不适用于p t m - m 。 g p r s 业务主要有以下应用。 ( 1 ) 信息业务 传送给移动电话用户的信息内容广泛，如股票价格、体育新闻、天气预报、 航班信息、新闻标题、娱乐、交通信息等等。 ( 2 ) 交谈 人们更加喜欢直接进行交谈，而不是通过枯燥的数据进行交流。目前因特网 聊天组是因特网上非常流行的应用。有共同兴趣和爱好的人们已经开始使用非话 音移动业务进行交谈和讨论。由于g p r s 与因特网的协同作用，g p r s 将允许移动 用户完全参与到现有的因特网聊天组中，而不需要建立属于移动用户自己的讨论 组。因此，g p r s 在这方面具有很大的优势。 ( 3 ) 网页浏览 移动用户使用电路交换数据进行网页浏览无法获得持久的应用。由于电路交 换传输速率比较低，因此数据从因特网服务器到浏览器需要很长的一段时间。因 此g p r s 更适合于因特网浏览。 ( 4 ) 文件共享及协同性工作 移动数据使文件共享和远程协同性工作变得更加便利。这就可以使在不同地 方工作的人们可以同时使用相同的文件工作。 ( 5 ) 分派工作 非话音移动业务能够用来给外出的员工分派新的任务并与他们保持联系。同 时业务工程师或销售人员还可以利用它使总部及时了解用户需求的完成情况。 ( 6 ) 企业e - m a i l 在一些企业中，往往由于工作的缘故需要大量员工离开自己的办公桌，因此 通过扩展员工办公室里的p c 上的企业e - m a i l 系统使员工与办公室保持联系就非 常重要。g p r s 能力的扩展，可使移动终端接转p c 机上的e - m a i l ，扩大企业e - m a i l 应用范围。 ( 7 ) 因特网e m a i l 因特网e - m a i l 可以转变成为一种信息不能存储的网关业务，或能够存储信息 的信箱业务。在网关管业务的情况下，无线m a i l 平台将信息从s m t p 转化成s m s ， 然后发送到s m s 中心。 ( 8 ) 交通工具定位 该应用综合了无线定位系统，该系统告诉人们所处的位置，并且利用短消息 业务转告其他人其所处的位置。任何一个具有g p s 接收器的人都可以接收他们的 卫星定位信息以确定他们的位置。且对被盗车辆进行跟踪等功能。 ( 9 ) 静态图像 例如照片、图片、明信片、贺卡和演讲稿等静态图像能在移动网络上发送和 接收。使用g p r s 可以将图像从与一个g p r s 无线设备相连接的数字相机直接传送 到因特网站点或其他接收设备，并且可以实时打印。 ( 1 0 ) 远程局域网接入 当员工离开办公桌外出工作时，他们需要与自己办公室的局域网保持连接。 远程局域网包括所有应用的接入。 ( 1 1 ) 文件传送 文件传送业务包括从移动网络下载量比较大的数据的所有形式。 g p r s 网络存在着这许多不同的业务种类，这要求g p r s 必须能在维持较高资 源利用率的基础上满足不同业务的服务质量q o s 要求，并在网络中进行相应的q o s 管理。q o s 管理算法决定了网络是否能有效地利用资源，对接入网络的数据提供 有效地监管手段，满足用户的服务质量要求，是服务质量机制中最重要的部分。 现有q o s 管理的各种机制和实现的算法，包括业务源描述、整形( s h a p i n g ) n 管 ( p o l i c i n g ) 、调度( s c h e d u l i n g ) 和链接接纳控制( c a c ：c a l l c o n n e c t i o n a d m i s s i o n a c c e p t a b l ec o n t r 0 1 ) 四种。g p r s 网络为了充分利用网络资源，它采 用了统计复用技术，各个输入业务峰值速率的总和大于输出信道速率，但是如果 在网络中不加入适当的监视、控制机制，网络所提供的q o s 将会由于输入业务随 机波动或网络节点、链路损坏而大大的下降产生拥塞。为了保证用户呼叫的业务 流量和网络分配给他的带宽保持一致，必须对网络的业务流量进行监视和控制。 1 1 2 本课题的意义 g p r s 系统业务种类包括实时业务( 如话音和视频) 和非实时业务( 如数据) ， 由于各类业务服务质量要求( q o s ) 不同，g p r s 网络有发生拥塞的可能。网络发 生拥塞会导致数据包的传输时延变大，网络节点的缓存队列长度变长，网络的吞 3 提高g p r s 综合业务q o s 的监管算法研究 吐量下降，严重时还会出现数据包丢失， 生并尽快消除拥塞对于保证网络的正常， o fs e r v i c e ，q o s ) 来说至关重要。 网络死锁等现象。因而，防止拥塞的发 稳定运行和确保用户的业务质量( q u a l i t y 本文提出的漏桶算法是一种有效的网络监管算法，可以对分组业务流量进行 监管，调整和平滑，保证分组平均速率不超过被接纳入网时的预先设置速率，并 满足实时业务和非实时业务的服务质量要求。 1 2 研究的内容及方法 1 2 1 研究内容 1 通向3 g 的必然之路一一g p r s 网络的体系结构，分析其业务； 2 基于第三代移动通信技术下的多种业务规范和综合业务开发分析； 3 在参阅国内外已有的成果基础上，结合新技术、新观点，构造了基于g p r s 网络综合业务的单速率漏桶算法和双速漏桶算法，并比较他们的优缺点； 4 分析讨论了g p r s 网络的q o s 描述： 5 回顾现有的一些o o s 管理算法，包括业务源描述、整形和监管、调度算法 和c a c 算法。并重点对其中的漏桶算法进行了分析和总结； 6 利用m a t l a n 仿真这两种算法对于g p r s 综合业务监管的有效性； 7 使用仿真软件，验证了提出了两种算法对综合业务监管的执行效果。 1 2 2 研究方法 1 立足高起点，研究通向3 g 的必有之路g p r s 系统，以达到国内外先进水 平为目标，结合己有的研究成果进一步开拓计算和移动通信理论和实践研究。 2 找准突破口，由于现在g p r s 综合业务q o s 达不到期望的要求，所以重点 研究针对g p r s 综合业务的漏桶算法。 3 以严密的数学分析为基础，联系实际实际出适合g p r s 综合业务监管的漏 桶算法。 4 以科学实验的结论为依据，通过对算法仿真确定研究的先进可行性。 1 3 本文的结构、特色和创新点 本文第二章对g p r s 网络做了比较详尽的论述，以便让大家对g p r s 网络问题 有一个总体的了解。为此，首先简要介绍了g p r s 网络构建的基础g s m 网络，然后 较为详细地介绍了g p r s 网络的相关技术，主要包括网络单元，网络接口，传输平 台，空中接口和协议等和g p r s 和外部网络的连接情况；接着对g p r s 网络中综合 业务的分类和性质作了比较详细的介绍，最后对g p r s 网络存在的优点和缺点作了 堡重! 坠! 堑耋些茎! 鐾墼竺茎量篁塑垒 吐量r 降，严重时主会山现数据包丢失 生井尽快消除拥塞对于保证网络的正常 o fs e r v i c e ，q o s ) 来说至关重要。 州络死锁等现象。凼而，防止拥塞的发 稳定运行和确保用户的业务质量( q u a l i t y 本文提出的漏桶算法是一种有效的网络监管算法，可以对分组业务流量进行 临管，调整和平滑，保证分组平均速率不超过被接纳入网时的预先设置速率，并 满足实时业务和非实时业务的服务质量要求。 1 2 研究的内容及方法 1 2 1 研究内容 1 通向3 g 的必然之路一一g p r s 网络的体系结构，分析其业务； 2 基于第三代移动通信技术下的多种业务规范和综合业务开发分析； 3 在参阅国内外已有的成果基础上结合新技术、新观点，构造了基于g p r s 网络综合业务的单速率漏桶算法和双速漏桶算法，并比较他们的优缺点； 4 分析讨论了( m r s 网络的q o s 描述： 5 回顾现有的些q o s 管理算法，包括业务源描述、整形和监管、调度算法 和c a c 算法。并重点对其中的漏桶算法进行了分析和总结； 6 利用m a t l a n 仿真这两种算法对于g p r s 综合业务监管的有效性； 7 使用仿真软件，验证了提出了两种算法对综合业务监管的执行效果。 1 2 2 研究方法 1 立足商起点，研究通向3 g 的必有之路g p r s 系统，以达到国内外先进水 平为目标，结合已有的研究成果进一步丌拓计算和移动通信理论和实践研究。 2 找准突破口，由于现在g p r s 综合业务o o s 达不到期望的要求，所以重点 研究针对g p r s 综合业务的漏桶算法。 3 以，密的数学分析为基础，联系实际实际出适合g p r s 综合业务监管的漏 桶算法。 4 以科学实验的结论为依据，通过对算法仿真确定研究的先进可行性。 1 3 本文的结构、特色和创新点 本文第二章对g p r s 网络做了比较详尽的论述，阻便让大家对g p r s 网络问题 有一个总体的了解。为此，首先简要介绍了g p r s 网络构建的基础g s m 网络，然后 较为详细地介绍了g p r s 网络的相关技术，主要包括网络单元，网络接u ，传输平 台，空中接口和协议等和g p i t s 和外部网络的连接情况：接着对g p r s 网络中综合 业务的分类和性质作了比较详细的介绍，最后对g p r s 网络存在的优点和缺点作了 业务的分类和性质作了比较详细的介绍，最后对g p r s 网络存在的优点和缺点作了 提高g p r s 综合业务q o s 的监管算法研究 吐量下降，严重时还会出现数据包丢失， 生并尽快消除拥塞对于保证网络的正常， o fs e r v i c e ，q o s ) 来说至关重要。 网络死锁等现象。因而，防止拥塞的发 稳定运行和确保用户的业务质量( q u a l i t y 本文提出的漏桶算法是一种有效的网络监管算法，可以对分组业务流量进行 监管，调整和平滑，保证分组平均速率不超过被接纳入网时的预先设置速率，并 满足实时业务和非实时业务的服务质量要求。 1 2 研究的内容及方法 1 2 1 研究内容 1 通向3 g 的必然之路一一g p r s 网络的体系结构，分析其业务； 2 基于第三代移动通信技术下的多种业务规范和综合业务开发分析； 3 在参阅国内外已有的成果基础上，结合新技术、新观点，构造了基于g p r s 网络综合业务的单速率漏桶算法和双速漏桶算法，并比较他们的优缺点； 4 分析讨论了g p r s 网络的q o s 描述： 5 回顾现有的一些o o s 管理算法，包括业务源描述、整形和监管、调度算法 和c a c 算法。并重点对其中的漏桶算法进行了分析和总结； 6 利用m a t l a n 仿真这两种算法对于g p r s 综合业务监管的有效性； 7 使用仿真软件，验证了提出了两种算法对综合业务监管的执行效果。 1 2 2 研究方法 1 立足高起点，研究通向3 g 的必有之路g p r s 系统，以达到国内外先进水 平为目标，结合己有的研究成果进一步开拓计算和移动通信理论和实践研究。 2 找准突破口，由于现在g p r s 综合业务q o s 达不到期望的要求，所以重点 研究针对g p r s 综合业务的漏桶算法。 3 以严密的数学分析为基础，联系实际实际出适合g p r s 综合业务监管的漏 桶算法。 4 以科学实验的结论为依据，通过对算法仿真确定研究的先进可行性。 1 3 本文的结构、特色和创新点 本文第二章对g p r s 网络做了比较详尽的论述，以便让大家对g p r s 网络问题 有一个总体的了解。为此，首先简要介绍了g p r s 网络构建的基础g s m 网络，然后 较为详细地介绍了g p r s 网络的相关技术，主要包括网络单元，网络接口，传输平 台，空中接口和协议等和g p r s 和外部网络的连接情况；接着对g p r s 网络中综合 业务的分类和性质作了比较详细的介绍，最后对g p r s 网络存在的优点和缺点作了 硕士学芷论文 简要的概括。 第三章着重介绍了g p r s 网络的q o s 定义。由于g p r s 网络承载很多业务，各 种业务有不同的服务质量要求，所以在第三章中首先介绍了现有q o s 管理的各种 机制和实现的算法，包括业务源描述、整形( s h a p i n g ) 监管( p o l i c i n g ) 、调度 ( s c h e d u l i n g ) 和链接接纳控制( c a c ：c a l l c o n n e c t i o na d m i s s i o n a c c e p t a b l e c o n t r 0 1 ) 四种。接着通过对g p r s 标准中服务质量的各种规定的回顾，分析了q o s 管理机制在g p r s 中的应用。 第四章是本文的核心，也是创新所在。在对g p r s 综合业务各种业务模型的分 析基础上，提出了针对g p r s 综合业务监管的漏桶算法。并通过流体流法在理论上 分析了单速率漏桶算法和双速率漏桶算法针对综合业务的有效性。得出了实时业 务和非实时业务的分组丢失率和分组时延。 第五章利用m a t l a b 仿真了这两种算法，首先时延仿真了单速率漏桶算法对于 实时业务和非实时业务监管的有效性；接着通过单速率漏桶算法和双速率漏桶算 法实验结果的比较证明了双速率漏桶具有更好的执行效果。 最后一章是对本文的总结。 提高g p r s 综含业务q o s 的监管算法研究 第2 章g p r s 网络单元和协议规程 通用分组无线业务( g p r s ) 系统是基于g s m 网络的数据业务支持单元，它通 过在g s m 无线网络中增加g s n 和p c u 等数据处理单元提供无线系统上的数据业务 平台。g s m 系统是我们通常所说的基于时分交换的无线移动系统中的第二代系统， 它以提供话音业务为主；g p r s 系统作为移动2 5 g 系统，则主要用于提供低速数 据业务；目前还处于试验和测试阶段的第三代系统( 如w c d m a ) 则主要用于提供 高速数据业务。g p r s 系统在向第三代移动通信系统演进的过程中至关重要，因为 第三代系统可以充分利用g p r s 网络中的核心网络系统，g p r s 系统充分体现了数 据业务与无线业务的融合，其中采用了众多的协议类型和接口方式。如帧中继协 议，i p 协议，以及g n 接口、g b 接口、g i 接口等。 g p r s 系统0 1 通过在原有的g s m 系统中引用分组数据单元来提供无线系统上的 数据业务。作为承载网络，g p r s 系统本身采用i p 网络结构，并对用户分配独立 地址如i p 地址或者x 1 2 1 地址，将用户作为独立的数据用户，从而实现了从网络 到移动用户端到端的数据应用。 2 1 g s m 网络 g s m 系统”“4 1 主要由三个标准接口组成，三个标准接口分别是空中接口( u m ) 、 a b i s 接口和a 接口。g s m 主要接口示意图见图2 1 ，这里所指的接口是各单元之 间逻辑上的，而未必是点对点物理上的连接。 图2 1g s m 网络接口 g s m 系统具体组成如上图所示，分为m s ( 移动台) 、n s s ( 网络子系统) 、b s s ( 基站子系统) 、o s s ( 操作维护子系统) 等几个主要部分。 移动台移动用户( m s ) 硕士学位论文 移动台是整个系统中直接由用户使用的设备，在g s m 系统中，物理设备与移 动用户是互相独立的。用户的所有信息都存储在s i m 卡( 用户识别卡) 上，系统 中的任何一个移动台都可以利用s i m 卡来识别移动用户。由网络来进行相关的认 证，保证使用移动网的是合法用户，移动台有自己的识别码i m e i ，称为国际移动 台设备识别号。每个移动台的i m e i 都是唯一的，网络对之进行检查，可以保证移 动台的合法性。 基站子系统( b s s ) 基站子系统包括了g s m 数字移动通信系统中无线通信部分的所有基础设施， 它通过无线接口直接与移动台实现通信连接，同时又连到网络端的交换机，为移 动台和交换机子系统提供传输通路，因此，b s s 可以看作移动台与交换机之间的 桥梁。b s s 由两个基本部分组成：通过无线接口与移动台一侧相连的基站收发信 机( b t s ) 和与交换机一侧相连的基站控制器( b s c ) 。b t s 主要负责无线传输，b s c 主要负责控制和管理。在g s m 规范中，一个基站子系统是由一个b s c 以及由它所 管辖的所有b t s 组成，而不是一个交换机所带的无线系统。移动用户通过空中接 口与b t s 相连，b s c 通过b t s 和移动台的远端命令管理所有的无线接口，主要是 进行无线信道的分配，释放以及越区信道切换的管理等，起着b s s 系统中交换设 备的作用。 网络与交换子系统( n s s ) 网络与交换子系统包括实现g s m 的交换功能的交换中心以及管理用户数据和 移动性所需的数据库，有时也称之为交换子系统，它由一系列功能实体构成，各 功能实体之间以及n s s 与b s s 之间通过符合c c i t t 信令系统n o 7 协议规范的7 号信令互相通信。它的主要作用是管理g s m 用户和其他网络用户之间的通信。n s s 分为以下几个功能单元； ( 1 ) 移动业务交换中心m s c ：m s c 是网络的核心，它完成最基本的交换功能。 即实现移动用户之间及其与其他网络用户之间的通信连接。为此，它提供向系统 其他功能实体的接口、到其他网络的接口以及与其他膳s c 互连的接口。 m s c 从h l r 、v l r 、a u c 这三种数据库中取得处理用户呼叫请求所需的全部数据， 同时这三个数据库也会根据m s c 最新信息进行自我更新。m s c 为用户提供承载业 务、基本业务与补充业务等一系列服务。作为网络的核心，m s c 还支持位置登记、 越区切换和自动漫游等移动性能及其他网络功能。 ( 2 ) 客户位置寄存器v l r ：v l r 存储进入其覆盖区的所有用户的全部有关信 息，为已经登记的移动用户提供建立呼叫连接的必要条件。v l r 是一个动态数据 库，需要随时与有关的h l r 进行大量的数据交换以保证数据的有效性。当用户离 开其覆盖区时，用户的有关信息被删除。v l r 在物理实体上总是与m s c 一体，这 样可以尽量避免由于m s c 与v l r 之间频繁联系所带来的连接时延。 提高g p r s 综合业务q o s 的监管算法研究 ( 3 ) 归属位置寄存器h l r ：h l r 是系统的中央数据库，存放与用户有关的所 有信息，包括用户的漫游权限、基本业务、补充业务及当前位置信息等，从而为 m s c 提供建立呼叫所需的路由信息等相关数据。一个h l r 可以覆盖几个移动交换 区域甚至整个移动网。 ( 4 ) 鉴权中心a u c ：a u c 存储用户的加密信息，用以保护用户在系统中的合 法地位不受侵犯。由于空中接口的开放性，经由空中接口传送的信息很容易受到 侵犯，因此g s m 采用了严格的保密措旋如用户鉴权、信息的加密等，这些鉴权信 息和加密密匙等均放在a u c 中，因此，a u c 是一个受到严格保护的数据库。在物 理实体上，a u c 与h l r 共存。 ( 5 ) 设备识别寄存器e i r ：e i r 存储与移动台i m e i 有关的信息。它可以对移 动台的i m e i 进行核查，以确定移动台的合法性，防止未经许可的移动台设备使用 移动网。 操作与维护予系统o s s o s s 是操作人员与系统设备之间的中介，它实现了系统的集中操作与维护， 完成包括移动用户管理、移动设备管理以及网络操作维护等功能。它的一侧与设 备相连，另一侧是作为人机接口的计算机工作站。这些专门用于操作维护的设备 被称为操作维护中心o m c 。g s m 系统的每个组成部分都可以通过特有的网络连接到 o m c ，从而实现集中维护。o m c 也可以作为进入更高一层管理网络的关口设备。 2 2g p r s 网络 g p r s ( g e n e r a lp a c k e t r a d i os e r v i c e ，即：通用分组无线业务) 是 相对于传统的g s m 传送方式，具有“高速传输”、“永远在线”、“按量计费” 和“自如切换”等优点，全面提升移动数据通信质量。 高速传输一一快捷：峰值传输可达5 3 6 k b p s ，超过g s m 技术3 5 倍( 与网络 情况有关) 永远在线一一方便：只要激活g p r s 应用后，将一直保持在线状态。 按量计费一一实惠：g p r s 服务虽然一直在线，但您不必担心费用问题，只有 产生数据流量才计费( 也可选择包月方式) ，城市问漫游也不再收费。 自如切换一一灵活：支持话音和数据业务，随时切换、交替使用。 2 2 1g p r s 网络单元 为了实现数据承载，g p r s 系统引入了几种新的网络单元( 如p c u ，s g s n ，g g s n ) 和其他辅助进行数据业务管理与应用的单元( 如d n s 和d h c p 服务器、网络时间协 议( n t p ) 、计费网关( c g ) 等。典型的g p r s 网络结构如图2 2 ： 8 硕士学位论文 图2 2g p r s 系统网络结构 简单来讲，g p r s 系统中新引入的网络单元可以区分为无线部分和数据部分两 大类。其中，p c u 属于无线管理部分，s g s n 属于无线管理和数据管理公用部分， g g s n 则完全属于数据管理部分，其他一些辅助单元虽然在g p r s 系统中未给出定 义，但在数据网络中必不可少，因而也是g p r s 网络的一部分，如域名解析服务器 ( d n s ) 、动态地址分配服务器( d h c p ) 、网络时间协议( n t p ) 服务器、认证与鉴 权服务器r a d i u s 等。 ( 1 ) p c u ：p c u 是分组数据处理单元，它与b s c 协同作用，提供无线数据的 处理功能，如逻辑链路与物理链路的映射、数据包的拆封、数据包的确认、无线 数据信道的分配等。p c u 可作为模块单元插入b s c 中，或者作为独立于b s c 的单 元存在，p c u 主要完成信道指配和无线信道管理等工作，包括广播控制信道和功 率控制等。原来电路业务仍通过b s c 走向m s c ，而分组数据业务则是通过p c u 走 向s g s n 。它与b s c 之间的接口方式未给出定义。p c u 与s g s n 之间g b 接口采用帧 中继协议。p c u 具有g b 接口管理的功能。 ( 2 ) s g s n ：s g s n 即为g p r s 服务支持节点，它通过g b 接口提供与无线分组 控制器p c u 的连接，进行移动数据的管理，如用户身份识别、加密、压缩等；通 过g r 接口与h l r 相连，进行用户数据库的访问及接入控制；通过g n 接口与g g s n 相连，提供i p 数据包到无线单元的传输通路和协议变换等功能；s g s n 还可以提 供与m s c 的g s 接口连接，以及与s m s c 的g d 接口连接，用以支持数据业务和电路 业务的协同工作和短信收发等。 ( 3 ) g g s n ：g g s n 负责g p r s 网络与外部数据网的连接，提供g p r s 与外部数 据网之间的传输通路，进行移动用户和外部数据网之间的数据传送。 提高g p r s 综合业务q o s 的监管算法研究 g g s n 起到路由器的作用，它与其他相关网络单元如p i x ，d n s ，d h c p ，r a d i u s 等 设备协同实现数据业务的接入和传送等功能。 g g s n 与s g s n 之间的接口是g n 接口，采用g t p 协议类型；g g s n 与外部数据网 之间的接口是g i 接口，采用i p 协议类型。 对于网络发起的数据单元传送业务，g g s n 需要通过g c 接口到h l r 查询用户 相关信息；对于计费信息的传送工作，g g s n 通过g a 接口完成。 ( 4 ) d n s 服务器：d n s 协议用于提供域名解析功能，负责进行网络域名和i p 地址之间的映射和转换。g p r s 系统中，d n s 服务器主要用以进行g p r s 网络接入点 名称( a p n ) 与相关g g s n 地址之间的转换、内部网元i p 地址与名称之间的解析、 切换时位置区信息和相关s g s n 地址之间的转换。g p r s 系统中所用到的专用域名 包括a p n 、r a c 区等。 ( 5 ) 动态地址分配服务器( d h c p 服务器) ：不同的a p n 或企业网可采用不同 的地址段，d h c p 服务器则根据a p n 信息进行地址段的分配管理，从而保证了地址 使用的灵活性和高效性。g p r s 系统采用动态地址池对接入网络的移动用户进行动 态地址的分配和管理，以提供用户地址空间的有效利用，d h c p 协议用以完成这种 功能。 ( 6 ) 防火墙( f i r e w a l l ) ：防火墙用以提供g p r s 网络与外部网络之间的安全 管理功能，它通过过滤机制或者加密认证进行某些类型数据包的过滤，以防止某 些网络地址或规程的非法接入，从而保证g p r s 网络的安全性。 ( 7 ) 网络时间协议服务器( n t p 服务器) ：n t p 用以提供网络的统一时钟，保 证数据流的同步。 ( 8 ) 计费网关：g p r s 系统中计费数据包括s g s n 和g g s n 所产生的计费信息， 如s g s n 中与移动相关的m - c d r 以及与进程处理相关的s - c d r ，g g s n 中的g - c d r 。 计费网关用以提供系统中各网元内部计费数据的收集，并进行网络与计费系统之 间的数据转发工作。 ( 9 ) 操作维护系统( o m c ) ：操作维护系统( o m c ) 提供方便的系统告警处理、 维护管理、统计分析、性能管理等功能、通过友好的用户界面实现操作的简便性 及维护的灵活性，是系统维护和管理的得力助手。 2 2 2g p r s 主要接口 g p r s 网络中存在很多的