（计算机应用技术专业论文）无线分组网的qos控制技术.pdf

摘要 移动通信具有独有的灵活性和随意性而能满足人们的实际需要，是目前发展 最快的通信系统之一。在分组交换迅速发展的大趋势下，移动网络也同样面临着 向下一代分组网络融合和演进的问题。 移动通信和i p 两个发展最快的领域的结合，无疑是移动通信的发展方向。 i p 网和无线网的多媒体业务将是未来的主流，传送有一定的q o s ( 服务质量) 保 证的实时视频流是多媒体应用的主要内容。如何合理地、有效地利用无线分组网 络的资源，以得到更好的数据传输性能，进而为多媒体业务的服务质量提供保障， 就成了一个十分突出的问题。 在文章中，分别从调度排队和资源预留两方面论述了在无线分组网上保证 q o s 的方法。 文章中，首先对g p s ，w f q ，w f 2 q 等一系列信道状态无关的调度算法进行了比 较和分析，然后对i w f q ，e 2 w f q 等基于无线分组网的调度技术进行了总结和评估， 并指出了这些方法在调度性能上的不足之处。 本文在前人对无线分组网的q o s 研究的基础上，提出了一种分布式的调度模 型，并对这一模型进行了仿真实验。这种模型集中基站调度和终端调度的优点， 而且解决了很多基于基站调度不可能解决的性能问题。这种分布式的调度结构更 适合于无线分组网的信道情况和交换方式，极大的提高了调度的灵活性，丰富了 无线分组网上进行有效q o s 控制的手段。 终端在蜂窝之间切换时，可能由于资源不够造成o o s 损失，可以采用资源预 测保留的方法解决这一问题。文章还对无线资源预留的必要性和方法进行了论 述。 关键字： 无线分组网，服务质量，调度，资源预留，蜂窝 第l 页 a bs t r a c t b y r e a s o no ft h e f l e x i b i l i t y a n dt h ec o n v e n i e n c eo ft h e m o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e r n i th a sd e v e l o p e dq u i c k l yi nr e c e n ty e a r s w i t ht h e m a t u r i t yo ft h ep a c k e ts w i t c ht e c h n o l o g y m o b i l en e t w o r k sa r ea l s of a c e dw i t h t h ep r o b l e mo fu p g r a d i n gt on e x tg e n e r a t i o np a c k e tn e t w o r k s t h em e r g e n c eo fm o b i l en e t w o r k sa n dt h el pn e t w o r k s w h i c hh a v e d e v e l o p e dd r a m a t i c a l l y , i st h ed i r e c t i o no ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n a tt h e s a m et i m e 。t h em u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n so fi pa n dw i r e l e s sn e t w o r k sa r ev e r y i m p o r t a n ti nt h e f u t u r e t h et r a n s m i t t i n go fr e a l - t i m ev i d e os t r e a m sw i t hs o m e s p e c i f i cq o sr e q u i r e m e n t si s t h em a j o rc o n t e n to fm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n s a c c o r d i n g l y , h o wt o a c h i e v et h e t r a n s m i t t i n gp e r f o r m a n c er e a s o n a b l ya n d e f f i c i e n t l yw i t hi i m i t e dw i r e l e s sr e s o u r c e a n dg u a r a n t e e t h eq o so fm u l t i m e d i a a p p l i c a t i o n si sas 协n d o u tp r o b l e m i nt h i si i t e r a t u r e t h ea p p r o a c ho fa c h i e v i n gg u a r a n t e e so ft h eq o si n w i r e l e s sp a c k e tn e t w o r k si sd i s c u s s e df r o mt w od i r e c t i o n s ：s c h e d u l i n ga n d q u e u i n g ，r e s o u r c ep r e d i c t i v er e s e r v a t i o n i nm y p a p e r , s o m ec h a n n e l s t a t e i n d e p e n d e n ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m s s u c h a sg p s w f qa n dw f 。q ，a r ec o m p a r e da n da n a l y z e d s o m es c h e d u l i n g t e c h n o l o g i e sb a s e do nw i r e l e s sp a c k e tn e t w o r k ss u c ha si w f q a n de f q a r ea l s os t u d i e da n de v a l u a t e d t h e s h o r t a g e s o ft h e s e a l g o r i t h m s o n s c h e d u l i n gp e r f o r m a n c e a r ea l s od i s c u s s e d o nt h eb a s i so fp r e v i o u ss t u d i e so nt h eq o si nw i r e l e s sp a c k e tn e t w o r k s a n e wd i s t r i b u t e ds c h e d u l i n gm o d e i sp r o p o s e da n ds i m u l a t e d t h i sm o d e ih a s t h ea d v a n t a g e so fb o t hs c h e d u l i n gi nb a s es t a t i o na n ds c h e d u l i n gi nt e r m i n a l s a n do v e r c o m es o m es h o r t a g e so ft h es c h e d u l i n gc o n c e n t r a t e do nab a s e s t a t i o n t h i sm o d e li sm o r ef i tf o rt h ec h a n n e ic h a r a c t e r i s t i c sa n dt h es w i t c h m e t h o do fw i r e l e s s p a c k e tn e t w o r k s 。w h i c h e n h a n c e st h e f l e x i b i l i t y o f s c h e d u l i n g a n de x p a n dt h e w a yt o c o n t r o it h eq o si nw i r e l e s s p a c k e t n e t w o r k s w h e nm o b i l et e r m i n a l ss w i t c hb e t w e e nc e l l s t h eq o s m i g h tb ed e g r a d e d b e c a u s eo fi n s u f f i c i e n tr e s o u r c e ，w h i c hc o u l db es o l v e di nt h e w a y o fp r e d i c t i v e r e s e r v a t i o n t h i sl sa l s od i s c u s s e di nt h i sl i l e r a t u r e k e y w o r d s ： w i r e l e s s p a c k e tn e t w o r k s q u a l i t y o fs e r v i c e ( q o s ) ，s c h e d u l i n g r e s o u r c e r e s e r v a t i o n ，c e l l s 第2 页 1 服务质量( q u a l i t y o f - s e r v i c e ，q o s ) 1 服务质量( q u a l i t y o f - s e r v i c e ，q o s ) 1 1 服务质量的概念 所谓服务质量( q u a l i t y o f s e r v i c e ，q o s ) ，是指服务性能的聚集效应，它 决定用户对特定服务的满意程度。它是网络于用户之间以及网络上互相通信的用 户之间关于信息传输与共享的质的约定。从网络提供的角度来说，可以通过控制 一些具体的、可度量的、可量化的参数来提供服务质量，如传输时延、抖动、丢 失率、带宽要求、吞吐量等指标。 服务质量不单单是网络的事情，而是应用程序、用户终端、网络、服务器各 部分的综合效应。如图 1 ，个用于远程视频播放的端到端活动，就可能由以 下几部分组成：从媒体服务器获得视频，在源地进行压缩，通过网络将其传送到 目的地，在目的地进行解压缩，并根据播放窗口的大小对视频按比例进行调整， 最后在视频窗口播放。在端到端路径上，任何一个环节不符合o o s 的要求，都会 影响播放的完整性。 图 1 远程视频播放 q o s 并不代表一切，就是说q o s 仅是用优化的方法分配资源，而不是产生资 源。o o s 技术既不能解决网络带宽不足的问题，也不能提高本来属于低速网络设 备的速度。因此，实现高性能网络设计所必须解决的一个潜在问题是；所有的网 络硬件设祭必须能以线速运行。通过专门的q o s 策略管理软件，精确地划分上数 据分组的类裂以及应用的端口来建立网络内部的规则使得数据流的传送变得有 1 服务质量( q u m i h - o 矗s e r v i c c ，q o s ) 序，这样才能满足优化网络整体性能的需要。 1 。2 q o s 的各项量化指标 q o s 是由一系列具体的、可度量的、可量化的参数来表征的，这些参数称为 服务质量的量化指标。服务质量的量化指标主要可以分为两类： ( 1 ) 呼叫与连接建立的速度 用户感知到的服务质量的一个重要方面，是其服务流量所经历的时延。时延 是数据分组在网络的两个节点之间传送的平均往返时间。时延主要从以下方面对 不同服务产生不同的影响：端到端时延( e n d t o - e n dd e l a y ) ；时延变化( 即抖 动，j i t t e r ) 。 交互式的实时应用程序( 如语音通信等) 对端到端时延和抖动很敏感。如果 时延大，则对通信的交互性有所削弱。 非交互式的实时应用程序( 如单向广播等) 对端到端时延不敏感，但对抖动 敏感。 非实时应用程序往往对时延不敏感。不过，由于这些应用可能采用时延指标 来控制其流量速率( 如t c p ) ，或在应用得到响应前需要对数据进行缓存( 如f t p ) ， 所以时延和抖动也可能影响这些应用的质量。 端到端的时延可以分成两个部分：固定时延和可变时延。固定时延包括编码 解码时延和打包时延。固定时延是和采用的压缩算、打包的语音数据量相关的。 这部分时延优化的可能性不大，通过选择合适的压缩算法，减少打包数据壁，合 理分配数字信号处理( d i g i t a j s i g n a lp r o c e s s i n g ，d s p ) 的负荷，采用设计良 好的流水线处理流程等方法可以改进这部分的时延。 可变时延包括：排队缓存时延，串行化时延，去抖时延。这些和设备的端 日速率，网络的负载情况，经过的网络路径、设备对o o s 的支持方式、实现的 q o s 算法等密切相关。特别是去抖时延与承载网络的抖动指标密切相关，通过采 用合适的网络技术可以昆著降低语音通过网络时引入的抖动，从而减少去抖时 延。 另外一个比较重要的参数是端到端的时延抖动边界。在连续的多媒体回放 中，理想的情况是网络能提供一个固定不变的时延，或者说是零抖动。在网络中， 得到有界时延抖动的服务意味着目标节点可以计算出缓冲区的数目以消除抖动。 抖动边界的越小，则需要的缓冲空间越少。因为提供端到端的时延和抖动边界比 平均时延的降低更重要，所以分组过早的到达在这种情况下并不一定是好事。事 1 服务质量( q u a l i t y - o f - s e r v i c e tq o s ) 实上，分组的到达越早于时延边界或者回放点，它就要越长时间的占用缓冲区。 这是保证性能服务和传统计算机网络提供的尽力而为的服务之间最大的不同。后 者更注重于平均的性能指标，而对于前者，有界的性能参数是非常重要的。 ( 2 ) 网络数据的传送速度( 吞吐量) 吞吐量的主要指标是应用可用的带宽大小。吞吐量决定应用可以在网络传输 的流量速率。吞吐量取决于以下因素：链路特性：带宽，出错率；节点特性：缓 冲区容量，处理机能力。 分组丢失率也是比较重要的指标。分组的丢失一般发生在缓冲溢出或者是超 过时延边界。传输过程中丢失某些分组不可避免，而视频和音频数据的实时性不 允许其数据分组重发，这样的情况下也会增加分组丢失率。对接收端而言，数据 包丢失率是质量的重要衡量指标。 终端主机、链路、交换机路由器等网络元素的特性，通过时延和吞吐量的 尺度，共同决定了提供给应用的服务质量。下表是本文主要读者讨论的各项主要 q o s 参数指标的比较说明。 q o s 参数定义主要应用 时延数据包在节点双工的语音、视频通信等 ( d e l a y )之间传送的平 均往返时间 抖动时延的变化多媒体广播等 ( j i t t e r ) 吞吐量应用可用的带多媒体通信，对速度要求较高的数据通信等 ( t h r o u g h p u t )宽大小 分组丢失率丢失的分组占全如远程医疗等对实时性和准确性要求都很高的应用 ( l o s sr a t e ) 部分组的比例 服务质量( q u a l i t y o f - s e r v i c e q o s ) 1 3 q o s 的分类 对q o s 进行分类和定义的目的是使网络可以根据不同类型的q o s 进行管理和 分配资源。如，给实时服务分配较大的带宽和较多的c p u 处理时间等，另一方面， 对q o s 进行分类定义也方便用户根据不同的应用提出q o s 需求。从q o s 的严格程 度来分，可以认为q o s 有以下几个种类： ( 1 ) 确定型( d e t e r m i n i s t i c ) q o s 承诺 在通信过程中，提供q o s “硬”保证，确保通信各方协商好的各q o s 参数值， 不允许有任何违背，否则可能会造成严重后果。这类服务一般用于硬实时应用。 例如，远程医疗诊断这样的分布式多媒体应用，就需要这类服务来支持诸如患者 的x 射线影像数据的实时无差错传送。 ( 2 ) 统计型( s t a t i s t i c a l ) q o s 承诺 在通信过程中，提供q o s “软”保证，允许对通信各方协商好的备q o s 参数 值有一定比例的违约，适合于软实时应用。例如，对于分布式多媒体信息点播服 务中的影片点播来说，用户通常可以容忍一定数量的比特错和帧丢失。 ( 3 ) 尽全力型( b e s t e f f o r t s ) q o s 承诺 不提供任何量化的q 。s 保证，只承诺提供所能给予的最好服务。这并不是严 格意义上的q o s 。目前由于带宽的限制，广域网( 如i n t e r n e t ) 中的分布式多媒 体服务多属于这类服务。在这种网络中，服务是相当低质量且不可靠的。 1 4 q o s 的框架结构 要建立一个支持q o s 保证的分布式系统必须建立统一的o o s 框架，这个框架 包括q o s 体系结构和统一的q o s 说明分类。 q o s 体系结构完成把复杂的资源对象结合起来，依次来建立复杂高效的分布 式系统。 q o s 说明分类是在详细研究q o s 参数和它们之间的相互关系的基础上，建立 统一的q o s 参数，详细定义q o s 参数的含义、表示、度量单位和相互关系，最终 使得在分布式的各个系统资源组件之间，在o o s 层次上进行统一的转换即 q o s 映射。 1 服务质量( q u a l i 呻乒s e r v i c c tq o s ) 这样建立的基于q o s 框架将是下一代分布式多媒体和实时系统的基础。所以， 人们越来越关注q o s 的分类技术，对各类别的q o s 参数进行统一分类，来简化 q o s 说明分类，使得q o s 的映射得到简化和易于实现，从而为建立统一的分布式 多媒体和实时系统打下基础。 1 5 q o s 研究现状及相关技术 现在，如何提供服务质量q o s 支持这一问题现已成为业界关注的焦点。对于 由q o s 控制来实现q o s 保证，国际上不同组织和团体提出了不同的控制机制和策 略，比较著名的有： ( 1 ) i s o o s i 提出了基于o d p 分布式环境的q o s 控制，但至今仍只停留在只 给出了用户层的q o s 参数说明和变成接口阶段，具体实现q o s 控制策略并未提出； ( 2 ) a t m 论坛提出了q o s 控制的策略和实现，a t m 控制是“连接预定”型 ( c o n n e c t i o na n dr e s e r v a t i o n ) ，它的核心内容是在服务建立之前，通过接纳 控制和资源预留来提供服务的q o s 保证，而在服务交互的过程中，用户进程和网 络要严格按照约定的o o s 实现服务q o s 保证； ( 3 ) i e t f 组织也已经提出了多种服务模型和机制来满足对q o s 的需求，其中 比较典型的有：r f c 2 1 1 5 ，r f c 2 1 1 7 以及1 9 9 8 、1 9 9 9 年提出的r f c 2 6 x x 系列中的 综合业务模型( i n t e g r a t e ds e r v i c e s ，i n t s e r v ) 、区分业务模型( d i f f e r e n t i a t e d s e r v i c e s ，d i f f s e r v ) 、多协议标签m p l s 技术( m u l t i - p r o t o c o ll a b e l s w i t c h i n g ) 、流量工程( t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) 和q o s 路由( q o s b a s e dr o u t i n g ) 等均用于解决i n t e r n e t 网络的q o s 控制和管理。 2 无线分组网 2 无线分组网 2 1 正在发展中的移动通信网 2 1 1 i p 网的q o s 技术 当前主要的i pq o s 技术有集成服务( i n t s e r v ) ，区分服务( d i f f s e r v ) ，q o s 路由和m p 乙s 。 1 集成服务( i n t s e r v ) 集成服务的基本思想是在传送数据之前，根据业务的q o s 需求进行网络资源 预留，从而为该数据流提供端到端的q o s 保证。 资源预留协议r s v p 是集成服务的核心。这是一种信令协议，用来通知网络 节点预留资源。如果资源预留失败，r s v p 协议会向主机发回拒绝消息。 集成服务能够在i p 网上提供端到端的q o s 保证。但是，集成服务对路由器 的要求很高，当网络中的数据流数量很大时，路由器的存储和处理能力会遇到很 大的压力。因此，集成服务可扩展性很差，难以在i n t e r n e t 核心网络实施，目 前普遍认为集成服务有可能会应用在网络的边缘上。 2 区分服务( d i f f s e r v ) 区分服务的基本思想是将用户的数据流按照服务质量要求来划分等级，任何 用户的数据流都可以自由进入网络，但是当网络出现拥塞时，级别高的数据流在 排队和占用资源时比级别低的数据流有更高的优先权。区分服只承诺相对的服务 质量，而不对任何用户承诺具体的服务质量指标。 在区分服务机制下，用户和网络管理部门之间需要预先商定服务等级合约 ( s l a ) ，根据s i a ，用户的数据流被赋予一个特定的优先等级，当数据流通过网 络时，路由器会采用相应的方式( 称为每跳行为p h b ) 来处理流内的分组。 区分服务只包含有限数量的业务级别，状态信息的数量少，因此实现简单， 扩展性较好。它的不足之处是很难提供基于流的端到端的质量保证。目前，区分 服务是被认同的i p 骨干网的q o s 解决方案，但是由于标准还不够详尽。不同运 营商的d i f f s e r v 网络之间的互通还存在困难。 2 无线分组网 3 q o s 路由 现在的i n t e r n e t 路由协议( o s p f 、r i p 等) 都采用单个测度( 如跳数、成本) 来计算最短路由，没有考虑多个q o s 参数的要求。q o s 路由根据多种不同的度量 参数( 如带宽、成本、每一跳开销、时延、可靠性等) 来选择路由。q o s 路由包 括三个主要功能：链路状态信息发布，路由计算和路由表存储。 q o s 路由能够满足业务的q o s 要求，同时提高网络的资源利用率。但是q o s 路由的计算十分复杂，增加了网络的开销，目前实用的q o s 路由算法还不多见。 4 m p l s 多协议标签交换( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h ，m p l s ) 并不是主要的q o s 机制，也不是q o s 的体系结构，但m p l s 的显式路由功能大大增强了在i p 网络中 实施流量工程的能力。对于骨干网业务提供者来说，这是目前使用最普遍，可实 现性最强的种q o s 机制。 以上四种q o s 技术可以结合使用。例如i n t s e r v 和d i f f s e r v 结合，在核心 网采用d i f f s e r v ，在接入网采用i n t s e r v 。又如m p l s 和d i f f s e r v 结合，或m p l s 和q o s 路由结合。目前m p l s + d i f f s e r v 技术最有可能被广泛使用。 2 1 2 i p 技术与移动通信网 移动通信具有独有的灵活性和随意性丽能满足人们的实际需要，是目前发展 最快的通信系统之一。 移动通信和i p 两个发展最快的领域的结合( 移动多媒体通信) ，无疑是移动 通信的发展方向。现有的第二代技术能力仅能满足话音和低、中速数据业务的需 求：而以提供移动多媒体业务为特征的第三代移动通信，能提供高达2 m b i t s 速率的业务，而且在频谱利用率和业务能力上都有明显提高。 i p 分组网和无线网的多媒体业务将是未来的主流，传送有一定的q o s ( 服务 质量) 保证的实时视频流是多媒体应用的主要内容。移动通信系统的共同点是误 码率很高，因此在无线通信系统开展视频业务十分困难，要求视频编解码和传输 系统能够克服信道的高误码比、分组丢失以提供q o s 保证。 移动互联网的拓扑结构和资源都在动态变化，要提供服务质量保证比固定网 更为困难。目前，根据无线和移动环境的特点，人们对原有的q o s 技术作了改进。 2 无线分组嗣 1 移动环境下的i n t s e r v 和r s v p 目前的r s v p 不适合于移动i p 网络，主要原因是它无法感知主机的移动，因 而不能在移动主机即将访问的位置上提前预留资源，当主机移动到新的予网后往 往因缺乏资源而形成服务质量下降。另外，目前的r s v p 不支持经过i p 隧道的资 源预留，因此不能适应移动i p 网利用隧道传送数据时的服务质量要求。为了克 服r s v p 的缺陷，相关研究提出了以下4 种解决方案： ( 1 ) m r s v p m r s v p 协议要求预测主机未来可能到达的位置，并在这些位置提前预留资源。 在m r s v p 中有主动和被动两种资源预留方式，主动资源预留用于移动主机当前所 在的予网，被动资源预留用于未来访问的子网。被动预留的资源可以被子网中其 他业务流使用，但当移动主机移动到该子网时，网中被动预留的资源即转变为主 动预留资源，供移动主机使用，而原来使用这些资源的业务流需要立亥0 释放所占 有的资源。 ( 2 ) 支持隧道的r s v p 该方案建议在隧道的两个端点之间为通过隧道的总业务量预留资源，这样， 端到端的r s v p 会话经过隧道时，就没有必要再考虑隧道中的资源预留。 ( 3 ) 基于组播的r s v p 在这个方案中，每个移动主机用一个组播地址来标识，所有移动主机发送、 接收r s v p 消息和i p 数据包都通过组播方式进行，主机的移动可视为组播组成员 的变动。该方案还采用了类似于m r s v p 的运动预测机制，由移动代理将移动主机 下一步将要访问的位置提前加入到组播树中，并预留资源。另一方面，用剪枝的 方法将主机已经离开的位置从树上删除。 ( 4 ) d r s v p d r s v p 是一种支持可变服务质量的动态资源预留协议，它使用户能够根据网 络资源的变化动态调整服务质量要求。d r s v p 的主要做法是在r e s v 消息中增加 参数来描述业务流的适应范围，通报上、下游的资源“瓶颈”，并引入新的带宽 分配算法，以适应网络资源的动态变化。这个方案的优点是允许预留的资源有一 个波动范围，从而灵活地支持服务质量需求，并使网络资源利用率也褥到提高。 2 移动环境下的d i f f s e r v 2 无线分组网 目前的d i f f s e r v 不能满足移动i p 网的要求，主要原因有两个：一是没有信 令，不能做到实时控制。另一个原因是不能动态配置服务质量参数。 无线环境下的d i f f s e r v 框架要对d i f f s e r v 的功能进行了以下扩展： ( 1 ) 增加信令协议，用于在移动终端和基站之间传送控制消息及相关参数( 如移 动终端的能量、当前的丢失率等) 。 ( 2 ) 增加对移动性的支持，为移动主机预留带宽，或者赋予移动主机高优先级， 使其在切换时能够抢占低优先级业务的带宽，或使用预留带宽来补偿无线链路的 高误码损失。 ( 3 ) 要求基站能够过滤掉部分不重要信息，以解决有线和无线链路速率不匹配的 问题，或减少终端的能耗。 移动环境下的q o s 策略的发展趋势是在核心网采用d i f f s e r v ，在无线接入网 既可采用i n t s e r v 也可采用d i f f s e r v ；无线接入网内用信令协议支持动态资源 分配；资源分配信令可以和移动主机位置管理信令相结合，以加快资源分配过程， 减少信令开销。另外，动态资源分配可以和接纳控制和无线分组调度等技术结合， 更好地解决q o s 问题。 2 1 3 第三代数字通信系统( 3 g ) 3 g 系统是一种全球平台和发送融合服务( 不管是移动或固定、语音或数据、 电信、内容还是计算) 的必要基础设施。3 g 与前两代的主要区别是在传输声音和 数据的速度上的提升，它能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包 括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。目前，关于第三代移动通信 系统( 3 g ) 的研究开发工作正在全球范围加速进行。 3 g 系统是当今世界上先进的通信、计算机技术的大汇聚。3 g 网络q o s 体系 集合了a t m 网络、i p 网络、第二代g s m 网络的q o s 机制，因此需要构架一个可 不断演进的、能够实现与现存各种网络互操作的q o s 体系结构。随着实时i p 网 络技术在未来两年内即将成熟并在骨干网上使用，目前3 g 的网络构架也面临重 大的改变：首先在有线接入段使用i p o v e rs d h ，迸一步实现无线承载部分高层 的i p 传输，最终实现“全i p ”的网络结构。基于“全i p ”的q o s 体系结构将是 一个看起来更为“单纯”的，也更为新颖、更赋挑战意义的构架。 2 无线分组网 在3 g 网络中不同类型业务对网络性能要求是千差万别的，以客户为中心， 满足不同层次的业务质量是3 g 网络的一大特征。对于这样一个全球范围内提供 综合业务支持的移动通信系统，其业务服务质量( q o s ) 保证体系的研究是非常 关键的问题。 2 2 分组交换技术 分组交换也叫包交换。 分组交换是将用户传送的数据划分成一定的长度，每个部分叫做一个分组或 数据包。在每个分组的前面加上一个包头，用以指明该分组发往何地址，然后由 交换机根据每个分组的地址标志，将他们转发至目的地，这一过程称为分组交换。 进行分组交换的通信网称为分组交换网。 分组交换采用统计时分复用技术实现通信线路的资源共享。利用统计时分复 用技术，单独一个用户所用传输速率可以是零到最大的中继电路带宽。不同的分 组类型是依靠分组类型识别符的编码格式来区分的。 2 2 1 交换技术的发展历史 从交换技术的发展历史看，数据交换经历了电路交换、报文交换、分组交换 发展过程。 1 电路交换 电路交换就是计算机终端之间通信时，方发起呼叫，独占一条物理线路。 当交换机完成接续，对方收到发起端的信号，双方即可进行通信。在整个通信过 程中双方一直占用该电路。它的特点是实时性强，时延小，交换设备成本较低。 但同时也带来线路利用率低，电路接续时间长，通信效率低，不同类型终端用户 之间不能通信等缺点。电路交换比较适用于信息量大、长报文，经常使用的固定 用户之间的通信。 2 报文交换 将用户的报文存储在交换机的存储器中。当所需要的输出电路空闲时，再将 该报文发向接收交换机或终端，它以“存储转发”方式在网内传输数据。报 文交换的优点是中继电路利用率高，可以多个用户同时在一条线路上传送，可实 现不同速率、不同规程的终端问互通。但它的缺点也是甚而易见的。以报文为单 2 无线分组网 位进行存储转发，网络传输时延大，且占用大量的交换机内存和外存，不能满足 对实时性要求高的用户。报文交换适用于传输的报文较短、实时性要求较低的网 络用户之间的通信，如公用电报网。 3 分组交换 分组交换实质上是在“存储转发”基础上发展起来的。它兼有电路交换 和报文交换的优点。分组交换在线路上采用动态复用技术传送按一定长度分割为 许多小段的数据分组。每个分组标识后，在一条物理线路上采用动态复用的 技术，同时传送多个数据分组。把来自用户发端的数据暂存在交换机的存储器内， 接着在网内转发。到达接收端，再去掉分组头将各数据字段按顺序重新装配成完 整的报文。分组交换比电路交换的电路利用率高，比报文交换的传输时延小，交 互性好。 2 2 2 分组交换的优势 在分组交换方式中，由于能够以分组方式进行数据的暂存交换，经交换机处 理后，很容易地实现不同速率、不同规程的终端间通信。分组交换的特点主要有： 1 线路利用率高 分组交换以虚电路的形式进行信道的多路复用，实现资源共享，可在一条物 理线路上提供多条逻辑信道，极大地提高线路的利用率，使传输费用明显下降。 图 2 是典型情况下，使用m p e g 压缩的图像帧长度随时间变化的图表。可以 看出，视频码速是很不相当均匀的。如果按照峰值速率去分配资源，这些资源在 多数时间是闲置的，不仅会造成很大的浪费，也会给用户带来不必要的费用：而 如果不这样做的话，又无法满足视频服务的质量要求。传统的电路交换技术很难 解决这样的问题，对于分组交换来说，动态的分配带宽是很容易的。在视频业务 中，带宽可以在很大的范围内浮动，而对于时延，抖动，丢包率的要求则相当严 格。 2 无线分组网 图 2 m p e g 压缩的图像帧长度 2 信息传输可靠性高 在网络中每个分组进行传输时，在节点交换机之间采用差错校验与重发的功 能，因而在网中传送的误码率大大降低。而且在网内发生故障时，网络中的路由 机制会使分组自动地选择一条新的路由避开故障点，不会造成通信中断。 3 分组多路通信 由于每个分组都包含有控制信息，所以分组型终端可以同时与多个用户终端 进行通信，可把同一信息发送到不同用户。 4 计费与传输距离无关 网络计费按时长、信息量计费。与传输距离无关，特别适合那些非实时性， 而通信量不大的用户。 2 2 3 使用分组交换技术的移动通信网 在分组交换迅速发展的大趋势下，移动网络也同样面临着向下一代网络 ( n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k s ，n g n ) 融合和演进的问题。就移动网络而言，其 发展方向是分组化、智能化和宽带化的第三代通信网络( 3 g ) 。 g s m 对话音、f k 务提供了很好的支持，但不适合数据应用的开展。而把分组交 2 无线分纽网 换引入g s m 所形成的g p r s ，则可以适应移动数据业务的发展，其突出的特点是 多个用户可以共享一个信道，可以充分利用网络资源，另外，g p r s 可以按照用 户的需要来提供带宽，在无线接口上采用了宽带c d m a 技术，以及大幅度提高数 据传输速率。 g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的英文简称， 是在现有的g s m 系统上发展出来的一种新的分组数据承载业务。g p r s 与现有的 g s m 语音系统最根本的区别是，g s m 是一种电路交换系统，而g p r s 是一种分组交 换系统。因此，g p r s 特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输， 也适用于偶尔的大数据量传输。这一特点正适合大多数移动互联的应用。 相对原来的g s m 的拨号方式的电路交换数据传送方式，g p r s 的分组交换技 术，具有“实时在线”、“按量计费”、“快捷登录”、“高速传输”、“自如切换”的 优点。 ( 1 ) 实时在线 即用户随时与网络保持联系； ( 2 ) 按量计费 用户可以一直在线，按照用户接收和发送数据包的数量来收取费用，没有数 据流量的传递时，用户即使连接在网上，也是不收费的； ( 3 ) 快捷登录 g p r s 的用户开机之后，就始终连接在g p r s 网络上，每次使用时只需一个激 活的过程； ( 4 ) 高速传输 g p r s 采用分组交换的技术，数据传输速率最高理论值能达1 7 1 2 k b s ，但实 际速度受到编码的限制和手机终端的限制，可能会有所不同； ( 5 ) 自如切换 g p r s 还具有数据传输与话音传输可同时进行或切换进行的优势。也就是说用 户在用移动电话上网的同时，可以接收语音电话。 g p r s 属于2 5 代的技术，是移动通信过渡代产品，是一种高速分组数据交换 技术，同时支持两种主流的分组数据网络协议：i p 和x 2 5 。它改良了现有的g s m 网络系统，使得g s m 系统可以在第三代移动通信系统得到实际应用之前实现同时 捉供i u 路交换和分组交换两利t 承载业务。极大地提高了移动用户的移动通信能 2 无线分组两 力，而且由于分组交换是基于统计复用的原理，它大大地提高了无线信道和核。l i , 网络的使用效率。 2 3 无线综合业务网中的q o s 需求 当前在i n t e r n e t 上的业务类型已经很丰富了，从传送数据到传送语音、视 频信息等。人们也很自然地有了在无线网上传送不同类型业务的需求，并且希望 无线网能像固定的有线网络一样为不同业务的服务质量提供不同程度的保障。然 而，与固定的有线网络不同，在无线网中，无线链路的带宽相对较低，移动节点 的内存、能量等资源都相对受限。因此，如何合理地、有效地利用无线网络的资 源，以得到更好的数据传输性能，进而为多媒体业务的服务质量提供保障，就成 了一个十分突出的问题。 随着i n t e r n e t 成为全球通信的基础，必须开发新的q o s 服务模型和算法， 从而把i n t e r n e t 改进为一个真正的综合业务网络。与此同时，做为一种接入网 络技术，无线数据网正在成为i n t e r n e t 的一个组成部分。因此，将用于有线网 络的q o s 模型和算法进行改进，以适应无线网络的需要是一个重要的研究命题。 3 在无线分组网中实现q o s 3 在无线分组网中实现q o s 3 1 无线资源管理技术 目前国际上提高网络容量的方式可分为两类。一种是传统的无线链路本身的 性能提高，即由点到点调制和解调、编码和解码等各个方面提高单一链路的数据 传输量。这种方式的问题是收发信机可能变得很复杂，也意味着造价很高。另一 种是把蜂窝网络看作一个整体，即应用无线资源管理技术，使用简单的收发信机， 而以优化分配有限的无线资源来提高网络的整体容量。 蜂窝网的无线资源管理问题是指对于一个进入网络的移动用户，网络需要分 配适当的基站、信道、发信功率，以使具有固定硬件设备的无线网络获得更高容 量的同时，满足用户的质量要求( q o s ) 。可以看出蜂窝网的q 。s 实现问题是与它 的资源管理问题紧密相关的。 3 1 1 无线资源管理技术的范畴和分类 3 1 1 1 无线资源管理问题 无线资源管理的问题涉及移动用户与基站之间建立无线链路，包括选择基 站、信道分配、上行( 手机到基站) 和下行( 基站到手机) 发信功率控制。 这种操作统称为资源分配规则( r a a ，r e s o u r c ea l l o c a t i o na l g o r i t h m ) 。 无线资源管理的核心问题是在保证网络服务质量的前提下，提高频谱利用率。其 基本出发点是在网内流量分布不均匀，且信道的状态因信号衰落和干扰而起伏变 化的状况下，设法灵活地分配和及时调整可用资源。 3 1 1 2 信道分配方式 在蜂窝网络中，随着用户密度的增加，信道分配对网络容量直接起着至关重 要的作用。信道可以是多重含义：在f d 姒中，指频率或无线载波：在t d m a 中， | 乜时隙；在c d m a 中，指f 交码或p n 码。而信道分配本身的范畴为其中的任何一 种或两种以上的合成。目前有三种分配方式，即固定信道分配( f i x e dc h a n n e l 3 在无线分组隔中实现q o s a 1 l o c a t i o n ，f c a ) 、动态信道分配( d y n a m i cc h a n n e la 1 l o c a t i o n ，d c a ) 和随 机信道分配( r a n d o mc h a n n e la l l o c a t i o n ，r c a ) 。 其中，f c a 是最传统的一种信道分配方式，普遍应用在第一和第二代移动通 信系统中。它根据网络设计的要求，考虑在最差情况下所需要的频率复用距离， 由此制定频率规划。由于缩短复用距离可提高频谱利用率，而这种最差情况的考 虑又限制了复用距离的缩短，所以f c a 不能满足高频谱利用率的要求。从另一方 面说，它却很简单。 r c a 是在用户通话过程中随机地更换信道。例如有一个信道质量不好( 例如 受到同频干扰) ，那么就有一个用户得不到好信道。随机信道分配的结果是同一 小区内的每个用户得到同样的信道质量，即平均好的和坏的信道。在无法获得信 道质量信息时，r c a 不失为一种好方法。但其负面影响是，没有一个用户可以得 到真正好的信道。在实际系统中，g s i d 采用慢速跳频。可理解为随机信道分配的 个例子。不同的调频方式也对系统性能有影响。 在d c a 动态信道分配中，系统根据实时测试或估测到的信道质量( 通常为信 噪比) 或话务情况重新安排信道。还是在上面的例子中，在任何一个小区内可根 据以上情况使用任何信道。动态信道分配方式较前两种方式需要更多的信息，这 样增加了控制信道的信息量，但它可以使用高智能的算法得到另两种方式所达不 到的网络容量。d c a 领域与数学的优化问题爨密相连。但由于其高度复杂性和很 长的运算时间( 尤其是对于大型的蜂窝网络) ，除理论上给出网络可达到的最佳 容量外，实际中并不常应用。 3 1 2 3 g 系统对无线资源管理的要求 第二代系统的设计主要针对电路交换和低速数据业务。在第三代系统设计 中，一些非常重要的新话务特性消除了无线资源管理上的差别。 l 高频宽带 由于未来无线系统的高数据速率，或高峰值数据速率将是最主要的特性之 一。如，e d g e 可达到的最高峰值数据速率是3 8 4 k b s ；w c d m a 为2 m b s l 它们均 在个人通信网络的范围内。其特点是大范围的覆盖、中高速率。随着移动用户对 无线多媒体的需求的增加，目前第三代的峰值数据速率仍然有待提高。另