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北京邮电大学硕士论文 t d s c d m a 网络q o s 性能研究及仿真 摘要 t d s c d m a 是由我国提出的第三代移动通信系统标准，采用一系 列先进技术，具有较高的系统性能和频谱利用率。中国即将启动3 g 的网络建设，t d s c d m a 必将扮演重要角色。本课题就是利用n s 2 仿真软件，对t d s c d m a 系统的网络性能进行仿真分析。 论文首先对第三代移动通信的发展以及t d s c d m a 系统做了简 要的介绍，接下来给出了一些q o s 的背景知识。在此基础上，对核心 网采用d i f f s e r v 方案进行深入研究并利用n s 。2 仿真；对接入网侧，针 对t c p 在无线环境中存在的问题，采用基站配置s n o o p 的方案并稍加 改进，紧接着通过仿真给出结论。最后，通过对一款t d 。s c d m a 数 据卡的测试，呈现一些统计结果，给读者以直观感觉。 第三代移动通信系统的显著特点在于能够支持语音、数据以及多 媒体等多种业务的应用。不同业务之间的特征相差较大，要求的承载 特性也不同，网络需要利用各种控制机制和传送机制来满足不同业务 的q o s 要求。所以q o s 问题是第三代移动通信系统的一个重要技术问 题。本论文介绍了t d s c d m a 系统的q o s 的概念、体系结构和业务 分类。并分别针对核心网和接入网部分给出q o s 解决方案，利用n s 2 软件，搭建了有线无线混合网络的基本模型，并进行仿真，从而给出 结论。 关键词：q o s 、区分服务、s n o o p 、t c p 协议 北京邮电大学硕士论文 q o sp e r f o r m a n c e r e s e a r c ha n ds i m u l a t i o ni n t d s c d m as y s t e m a bs t r a c t t d s c d m ai sa3 mg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d p r o p o s e db yc h i n a ，i ta s s u m e ss o m ea d v a n c e dt e c h n i q u e sw h i c hm a d ei t h i g hp e r f o r m a n c ea n ds p e c t r u me f f i c i e n c y f o r3g n e t w o r kc o n s t r u c t i o ni s a b o u tt ob ei n i t i a l i z e db yc h i n e s eg o v e r n m e n t ，t d s c d m am u s tm a k ea n i m p o r t a n tr o l et h e n t h i s a r t i c l ei sa i m e da ta n a l y z i n ga n de v a l u a t i n g t d s c d m as y s t e mp e r f o r m a n c ew i t ht h eh e l po fn s 一2 s i m u l a t i o n s o f t w a r e t h i sa r t i c l ef i r s tm a k ea no v e r v i e w o ft h ed e v e l o p m e n to f3 埘 g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o na n dt d s c d m as y s t e m ，t h e ng i v e s o m en e c e s s a r yb a c k g r o u n do fq o st e c h n o l o g y a tc ns i d e d i f 俗e r v s c h e m ei sd e e p l yr e s e a r c h e da n dr e l a t e ds i m u l a t i o ni sd o n eb a s e do nt h e r e s e a r c h ；a tr a ns i d e ，f o rt h ep r o b l e mo ft c pp r o t o c o la p p l i e di nw i r e l e s s e n v i r o n m e n t s n o o ps c h e m ei sc o n f i g u r e di nt h eb a s es t a t i o na n dm a d e s o m ei m p r o v e m e n t ，i nt h ef o l l o w i n g ，c o n c l u s i o ni sg i v e nt h r o u g h s i m u l a t i o n a tl a s t ，a ni n t u i t i o n i s t i cf e e l i n gw i l lb ep r e s e n t e dt h r o u g ha t e s t i n go fat d s c d m ad a t ac a r d t h ep r o m i n e n tc h a r a c t e r i s t i co ft h e3 mg 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 mi st h es u p p o r to fm u l t is e r v i c e ss u c ha sv o i c e 、d a t a 、 m u l t i m e d i ae t c a st h ed i f f e r e n c eb e t w e e nd i f f e r e n ts e r v i c e s ，t h eb e a r r e q u i r e m e n ti sa l s od i f f e r e n t s ov a r i o u sc o n t r o la n dt r a n s m i s s i o nm e t h o d i s r e q u i r e dt om a k es u r et h eq o sp e r f o r m a n c ef o rd i f f e r e n ts e r v i c e s a sa r e s u l t ，q o s i sa ni m p o r t a n t q u e s t i o n i nt h e3 砌g 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 t h i sa r t i c l e g i v e s a ni n t r o d u c t i o no fq o s c o n c e p t i o n 、s t r u c t u r ea n ds e r v i c ec l a s s i f yo ft d s c d m as y s t e m ，a n dt h e n a i m e da tc na n dr a n ，p r o p o s e dr e l a t e ds o l u t i o nr e s p e c t i v e l y , i nt h e f o l l o w i n g a n w i r e d a n d w i r e l e s sm i x e de n v i r o n m e n ti sc o n s t r u c t e d 2 北京邮电大学硕士论文 a n ds i m u l a t i o ni sm a d eb yn s 一2s o f t w a r e ，i nt h ee n d ，c o n c l u t i o ni sg i v e n b a s e do nt h er e s e a r c ha n ds i m u l a t i o n k e y w o r d s ：q o s 、d i f f s e r v ，s n o o p 、t c pp r o t o c o l 3 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名：_ 二壶孕钮l 本人承担一切相关责任。 日期：塑星：多! 丝 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名：襞阁i 日期： 日期：争jj 2 1 6 , 北京邮电大学硕士论文 第一章绪论 移动通信是当代通信领域发展最快、前景最好的部分之一。移动通信系统已 从以t a c s ，a m p s 为代表的第一代模拟制式，发展到现在的g s m 、c d m a 为代 表的第二代数字制式。随着人们物质文化生活水平的提高，人们对移动通信业务 的需求也不断增大。目前广泛使用的第二代移动通信系统已经逐渐不能满足社会 的巨大需求。第三代移动通信系统成为发展的必然趋势。我国抓住这个发展机遇， 提出了t d s c d m a 第三代移动通信标准并被接纳为国际标准，为我国通信产业 的腾飞创造了有利条件。目前中国还没有正式启动3 g 建设，t d s c d m a 还没有 大规模的商用网络。网络仿真技术在新网络建设之际，能够为网络规划设计提供 客观可靠的定量依据，提高了建设中决策的科学性，成为网络规划不可缺少的环 节。本文就是利用n s 2 仿真软件，对t d s c d m a 系统的q o s 问题进行仿真分析。 随着第三代移动技术的实现和移动通信与i p 网的融合，尤其是用户对多媒体 业务需求的高速增长，具有明确的q o s 要求已成为3 g 网络的一个重大特征。3 g 核心网的端到端q o s 问题早已成为运营商们关注和研究的重点。各大国际标准化 组织都针对该问题制定了相关标准，在制定的各版3 g 标准中，都对q o s 进行了 相应的规划。本文对区分服务技术进行了系统介绍并通过一个有线无线混合环境 下对区分服务方案的仿真，给出了一个核心网q o s 问题的解决方案。 随着第三代移动通信技术的发展和日益成熟，无线技术正在全球的i n t e m e t 结构中占据了越来越重要的位置。在这种情况下，t c p 在无线网络中也得到了越 来越多的应用。而无线信道低带宽、高误码率和高分组丢失率，以及移动用户的 越区切换等特点导致t c p 在无线网络中性能的急剧降低。本文通过在基站上配置 s n o o p 功能实体，减小无线链路和有线链路之间的耦合，从而降低无线链路恶劣 环境对t c p 协议的影响。同时给出了性能仿真对比结果。 文章的最后，结合本人实习阶段对一款t d s c d m a 数据卡的测试结果，对 产业界t d s c d m a 产品的q o s 性能给出分析和评价。 2 北京邮电大学硕士论文 1 1 课题的背景 1 1 1 第三代移动通信发展概述 自2 0 世纪8 0 年代以来，移动通信在全球范围内得到了迅速发展。截至2 0 0 7 年6 月，我国的移动用户数量已经超过5 亿，而且仍然具有良好的发展势头。 到目前为止，移动通信经历了第一代的模拟通信系统和第二代的数字移动通 信系统，现在正在向第三代移动通信系统发展。第一代模拟系统采用的是频分多 址( f d m a ) 接入技术，其典型系统如美国的a m p s ，北欧的n m t - 4 5 0 9 0 0 ，英国的 t a c s 等。第二代窄带数字系统的接入技术分为时分多址( t d m a ) 和码分多址 f c d m a ) 两种，前者典型的如欧洲的g s m 系统，北美的i s 1 3 6 系统，后者如美国 的i s 9 5 系统。 无论是第一代还是第二代，主要都是解决话音通信的问题。虽然第二代数字 移动通信系统较之第一代模拟移动通信系统有了很大的改进，但是仍然存在很多 问题：例如没有统一的国际标准，频谱利用率低较低，不能经济的提供高速数据 和多媒体业务，不能有效地支持i n t e m e t 业务等。随着社会信息化进程的加快，对 移动通信业务的需求也越来越大，目前第二代移动通信系统在容量和业务能力方 面均不能满足日益增长的社会需要，第三代移动通信系统成为发展的必然趋势。 国际电信联盟( i t u ) 早在1 9 8 5 年就提出了未来陆地移动通信系统，即 f p l m t s 。19 9 6 年f p l m t s 正式更名为i m t - 2 0 0 0 ( i n t e m a t i o n a lm o b i l e t e l e c o n u n u n i c a t i o n ) ，其用意在于希望2 0 0 0 年左右，最高传输频率可达2 0 0 0 k b i f f s ， 工作于2 0 0 0 m h z 频段的第三代移动系统可以提供商用服务。其基本特征如下： 提供全球无缝覆盖和漫游； 提供高质量话音、可变速率的数据和多媒体业务，快速移动环境最高通 信速率达1 4 4 k b i t s ，步行环境最高通信速率达3 8 4 k b i t s ，室内环境最高通 信速率达2 m b i t s ； 具有较高的频谱利用率和较大的系统容量； 能根据具体的业务需要，提供必要的带宽，支持大范围、可变速率的信 息传递； 高保密性以及较低的成本。 世界上多个地区、国家、公司和标 技术标准。经过充分协商和融合，最后 3 准化组织先后提出了十多种无线传输 形成的主流标准主要有三个，即美国提 北京邮电大学硕十论文 出的c d m a 2 0 0 0 ，欧洲和日本提出的w c d m a 以及中国提出的t d s c d m a 。它 们具有频谱利用率高、覆盖范围广、性能好、可以适应宽带多媒体通信要求等共 同特点。 表l 一1 ：三种主流第三代移动通信系统主要技术性能比较 w c d m at d s c d m ac d m a 2 0 0 0 频率间隔( m h z ) 51 61 2 5 码片速率( m c s ) 3 8 41 2 81 2 2 8 8 双工方式 f d dt d df d d 帧长( m s ) 1 0 1 0 ( 分为两子帧) 2 0 基站同步不需要需要 。 需要，典型的用 g p s 功率控制快速功控：上 0 2 0 0 h z 反向：8 0 0 h z 下行1 5 0 0 h z前向：慢速、快速 功控 检测方式相干解调联合检测相干解调 信道估计公共导频 d w p c h 、u p p c h 、 前向、反向导频 中间码 每载波频宽( m h z l 1 01 62 6 目前第三代移动通信标准的细节主要由3 g p p 和3 g p p 2 两个国际组织根据 i t u 的建议来进一步完成。3 g p p 是由欧洲的e t s i 、日本的a r i b 、美国的t i 、韩 国的t t a 和中国的c w t s 为核心成员发起的，负责完成基于g s mm a p 核心网 的w c d m a 和c d m a t d d 的标准细节；3 g p p 2 是由美国的t i a 、日本的a r i b 、 韩国的1 队和中国的c w t s 为核心发起的，负责完成基于i s 4 1 核心网的 c d m a 2 0 0 0 的标准细节。目前这两个标准组织也在积极地进行兼容和接口互联互 通工作。 负责w c d m a 和t d s c d m a 标准细节的3 g p p ，从1 9 9 8 年成立以后， 4 北京邮电大学硕士论文 己经发布了r e l e a s e 9 9 、r e l e a s e 4 、r e l e a s e 5 、r e l e a s e 6 、r e l e a s e 7 等标准版本，并 于g s m 系统标准融合，形成了一个统一的整体，这为第三代移动通信网络的平滑 演迸和业务的逐步开展奠定了很好的基础。 随着i n t e r n e t 的发展，必然会使移动用户对移动数据业务的接入需求也迅速增 加。即未来的移动通信网络将向口化方向演进，未来的移动通信网络将是一个全 1 p 的分组网络。对此，两个主要的第三代移动通信标准化组织3 g p p 和3 g p p 2 ， 都将第三代移动通信发展的目标设定为全i p 网。h u 也认为，可以将i m t - 2 0 0 0 重新定义为i m t - i n t e m e tm o b i l e l m u l t i m e d i at e l e c o m m u n i c a t i o n s 即“互联网移动多 媒体通信”。可以预见，未来的移动通信核心网络将采用宽带i p 网络，在此网 上，承载从实时话音、视频到w e b 浏览、电子商务等多种业务，它将是一个电信 级的多业务统一网络，在无线部分使用宽带无线接入技术。未来的移动通信网络 将真正实现移动和i p 的融合。 1 1 2t d s c d m a 系统简介 从i t u 向全世界征求i m t 2 0 0 0 无线传输技术方案开始，我国就意识到对第三 代移动通信标准研究的重要性，积极参与第三代移动通信系统标准的研究和制定。 1 9 9 8 年6 月3 0 日，由大唐电信集团( 电信科学技术研究院) 代表中国提出的 t d s c d m a 第三代移动通信系统标准，经国家主管部门批准，提交国际电联。2 0 0 0 年5 月，在土耳其伊斯坦布尔召开的国际电联大会上，t d s c d m a 被国际电联接 纳并成为第三代移动通信系统三大主流标准之一。2 0 0 1 年3 月1 6 日，在美国加 利福尼亚州举行的3 g p pt s gr a n 第1 1 次全会将t d s c d m a 列为第三代移动通 信系统标准之一，写入3 g p pr e l e a s e 4 中。这表明该标准已经被世界上许多运营商 和设备厂商所接受。在这之后，t d s c d m a 标准进入了相对稳定和改进、发展的 阶段。 t d s c d m a 使用时分双工方式( t d d ) 的第三代移动通信系统标准，同时采用 了上行同步、智能天线、联合检测、动态信道分配和软件无线电等一系列高新技 术，这使得系统在性能上有了较大程度的提高。它对频谱资源的利用也要比f d d 系统更为灵活，f d d 系统的上下行信道要同时占用相同的带宽( 如w c d m a ，其 上下行各需5 m 的带宽) 。而且上下行之间需要有几十兆赫兹的频率间隔作为保护。 而移动通信系统面临的一个重大的问题就是频谱资源极度紧张，在这种条件下， 要找到符合要求的对称频段是非常困 模式，单载波仅占1 6 m h z ，不需要成 5 难的。而t d s c d m a 系统采用t d d 对的工作频段，可以充分利用分散、零 北京邮电人学硕士论文 碎的空闲频段，从而能够灵活有效的利用现有的频率资源。t d s c d m a 能够提供 第三代移动通信系统标准所规定的各种业务，包括高质量的语音、宽带数据和多 媒体业务，同时t d d 系统可以根据业务的具体要求，灵活的分配时隙和码道， 因而t d s c d m a 系统更容易满足不对称业务的需要，尤其适合今后将迅速发展 的口数据业务。同时由于节约了大量昂贵的频谱资源，采用低码片速率，并且对 基站射频部件设计采取有效措施，显著地降低了硬件设备制造的技术难度，整个 网络的投资费用大幅度降低。 在系统组网方面，由于3 g p p 在制定第三代标准时已充分考虑了己有的第二 代网络的投资，因此t d s c d m a 系统与3 g p p 制定的标准在高层取得一致，以便 更好地实现第二代网络向第三代网络的演进与过渡。我国和世界上大多数国家广 泛使用g s m 系统，t d s c d m a 系统能够完全兼容g s m 系统，支持与g s mm a p 核心网连接( 以后还支持c d m a 的i s 4 1 核心网) ，网络能够由g s m 平滑过渡到 t d s c d m a 。同时，t d s c d m a 与w c d m a 具有相同的高层信令和网络结构， 两种制式可以使用同一个核心网。对于用户终端，在建网的第一阶段可以使用 t d s c d m a 和g s m g p r s 的双频双模，第二阶段则可以基于软件无线电的概念， 在一个硬件平台上实现多模、多频段工作，实现全国乃至全世界范围内的自动漫 游。t d s c d m a 系统同样支持第三代移动通信系统核心网逐步向全口方向发展。 表l 一2 给出了几种系统的频谱利用率对比的情况，可以看出t d s c d m a 系 统在频谱利用率方面具有明显的优势。 表1 2 ：移动通信系统的频谱利用率对比( 2 】 g s mi s 9 5c d m a 2 0 0 0w c d m at d s c d m a 频率复用系数 711l1 每载波频宽 o 42 52 51 01 6 ( m h z ) 每载波同时工 82 02 06 04 8 ， 作信道数 频谱利用率 2 88863 0 ( 语音) 6 北京邮电大学硕士论文 最大数据传输 2 542 速率( 8 p s k ) ( m b p s ) 频谱利用率1 0o 4 1 2 5 ( 数据) ( 其中定义语音通信的频谱利用率为“同时工作信道数m h z b 区”，数据通信的频谱利用率为“最大传输数据速 率m h z 4 、区”) 我国于2 0 0 2 年1 0 月公布了第三代移动通信业务的频率分配情况，分为主要 工作频段和补充工作频段： 主要工作频段 频分双工方式( f d d ) ：1 9 2 0 一- - 1 9 8 0 m h z 、2 11 0 - 2 1 7 0 m h z 时分双工方式( t d d ) ：l8 8 0 - - 一1 9 2 0 m h z 、2 0 1 0 2 0 2 5 m h z 补充工作频段 频分双工方式( f d d ) ：1 7 5 5 1 7 8 5 m h z 、1 8 5 0 - 1 8 8 0 m h z 时分双工方式( t d d ) ：2 3 0 0 2 4 0 0 m h z 以上频谱划分情况表明，t d s c d m a 成为世界标准，获得了国家政策方面的 强力支持，为其划分出共计1 5 5 m h z 的非对称频段资源。3 g 标准融合过程中，经 过优胜劣汰的激烈角逐，最终确定了欧洲提出的u t r at d d 和中国提出的 t d s c d m a 为t d d 国际标准。而在后续的产业开发中，由于t d s c d m a 明显 的技术优势，使得原来从事u t r at d d 开发的公司也转而投向了t d s c d m a 的 开发。也就是说，目前世界上顺利进行产业化开发的t d d 国际标准只有 t d s c d m a ，也就意味着国际上统一划分的t d d 频段将全部由t d s c d m a 技术 使用。这对t d s c d m a 产业实现全国乃至向全世界范围发展无疑是一个得天独 厚的机会。 7 北京邮电人学硕士论文 1 2 研究内容介绍 本文主要针对t d s c d m a 系统支持包括语音，数据，多媒体等业务的特点， 对核心网及接入网部分对不同业务q o s 的保障方案进行研究，并利用n s 2 仿真 软件对其性能进行仿真。为了更直观地了解产业界t d s c d m a 发展情况，在本 文的末尾将结合本人实习阶段对一款t d s c d m a 数据卡的测试结果，对其进行 分析和评价。 本文共分为六章，具体安排如下： 第一章绪论。对本课题的研究背景以及本论文的主要研究内容给以简要的介 绍。首先是对第三代移动通信系统进展的介绍；在此基础上，对中国自主研发的 t d s c d m a 系统的提出及发展加以叙述，重点强调了t d s c d m a 系统在提高频 谱效率方面的优势。 第二章q o s 背景知识。首先简要介绍了q o s 的概念和体系结构；其次给出了 四种u m t s t d s c d m a 服务质量类：会话类，流类，交互类，背景类，并对各 个服务质量类进行简要介绍；接下来列举了对无线网络决定q o s 的主要因素；最 后针对t d s c d m a 系统，分别描述了有线承载和无线承载部分的q o s 技术。 第三章d i f f s e r v 的无线环境仿真。本章首先对d i f f s e r v 的引入背景给予简要 介绍；其次描述了d i f f s e r v 的概念及体系结构；紧接着介绍了1 pq o s 的实现机制， 重点介绍了d i f f s e r v 的业务处理机制及d i f f s e r vp h b 业务级别分类；最后简要描 述了d i f f s e r v 技术的进展以及在无线环境下的应用，并通过搭建一个有线无线混 合网络对d i f f s e r v 性能进行仿真，给出仿真结果以及本章结论。 第四章t c p 协议的无线环境性能改善。本章首先是对t c p 协议的概述，包括 其拥塞控制机制、重传机制以及快速恢复算法；其次分析了无线链路的特点及其 对t c p 协议的影响，重点分析了t c p 协议在无线环境下面临的问题；紧接着给出 了目前有线无线混合网络改善t c p 性能的基本解决方案，包括端到端解决方案， 分段解决方案和链路层解决方案；基于这些方案，本章重点介绍了基站配置s n o o p 功能实体的方法，并对此方法潜在的问题进行改进，在此基础上搭建了一个有线 无线混合网络进行仿真；最后是对仿真结果的分析以及本章得到的结论。 第五章，给出本人实习阶段对一款t d s c d m a 数据卡的测试情况，包括测 试目的、测试方法和测试结果，并对测试结果加以分析。 8 北京邮电人学硕士论文 第二章q o s 背景知识 在过去几年中，通信领域的一个主要发展趋势就是数据业务应用的不断蔓延。 用户越来越多的使用他们的无线设备作为业务平台，不仅用于打电话，同时还用 于发短信、下载邮件、玩游戏等等。3 g 的引入更使得高速分组数据业务成为可能， 各式各样的业务特性意味着为了满足终端的期望就需要支持个性化的质量需求。 例如：与电子邮件业务相比，在因特网上听广播需要更低的延时，而电子邮件业 务对可靠性的需求比音频广播业务更高。 在这种情况下，服务质量( q o s ) 显得更加重要。服务质量管理的基本原理 就是面向每个数据流进行分类，差异化以及提供特别处理方案。q o s 的最终目标 就是当终端用户使用一个特定服务时可以得到最好的体验。在无线网络中，无线 资源通常要比固定网络的资源更加昂贵和缺乏，因此如何有效地管理资源是十分 重要的。时延、带宽、可靠性等参数被作为q o s 的属性而广泛使用。q o s 在支持 下一代因特网和移动业务应用中起着至关重要的作用，例如视频流和其他实时业 务。 2 1q o s 的动机 研究q o s 的出发点包括两个方面。 1 为用户提供满足他们预期的业务体验，使他们能够再次使用业务并向朋友 和同事进行推荐。 2 使运营商的网络获得最优的负载状况，每个用户都能得到期望的用户体 验，并且能最充分地使用网络资源。 在早期的数据业务市场，很多用户是在旅途中被迫使用移动业务的。然而， 这种情况已经成为过去，用户中的绝大部分开始基于业务如何满足他们的需要和 预期对业务进行评估。例如，短消息被设计成一种存储转发式的业务。在2 0 世纪 9 0 年代中期，大多数运营商也是按照这种方法提供短消息业务的，短消息在被发 送前有时会被延迟几个小时。用户已经认为这种业务是在没有必要通话时与朋友 和同事沟通的一种快速有效的通信方式。为了满足这种需要，我们预期消息的传 送几乎是即时传送。当需要的商业和社会信息通过短信传送时，几个小时的传 送时延是无法接受的。从这个例子可以看到，用户对业务的期望指明了他们对 9 北京邮电大学硕士论文 这种业务好用或者不好用的观点。这种期望也就成为成功与否的关键因素，如果 这种业务被认为是好用的，网络必须能够重新传递未送达的信息。 当考虑网络质量时，值得注意的是业务经常是在两个终端或一个终端与一个 服务器之间运行的，成功的关键因素则作用于整个连接过程。 网络是否能够达到成功评价的主要要素： 无线网络性能无线网络接口上是否产生很多错误； 网络容量一是否有足够的网络容量传递好的服务； 网络设计在系统中是否有太多的延时? 是否有足够可用的端到端容 量； 应用设计在移动通信环境中是否使用了正确的协议； 业务的支持业务增强技术是否进行了正确的配置。 2 1 1 无线网络性能 对于一个规划良好的无线网络，在空中接口的数据错误率已经最小化，在大 多数情况下，将提高应用的性能。如果有很多传输错误存在，就需要重传，这将 降低协议比如t c p 能够传输的信息量( 将在第四章详细讨论) 。无线网络上的错 误，将在所有的终端、服务器之间的会话中引入额外的时延，减慢应用的响应时 间。 2 1 2 网络容量 设计良好的移动网络，在网络忙时有刚刚够用的容量。任何多余的网络容量 都会增加网络成本，并降低运营商的盈利空间。过小的网络容量和用户容量都会 导致应用不能得到足够的网络资源从而使用户的体验变得很糟。然而，准确的预 言系统所需的网络负载是极困难的事，因为需求在每年、每月、每天甚至每个小 时都在不断变化，并且随时间不断增长。因此，任何一个运营商要想提供给用户 良好的业务体验从而鼓励业务的使用和增长，就必须增加网络容量来避免拥塞。 为了克服这个问题，3 g 标准中已经定义了q o s 的概念并开始应用到网络设备中。 q o s 概念所包含的主要思想是：依据所承载的业务，不同的数据流应该在网络上 得到不同的处理。理想情况是，一种需要更快响应时间的业务具有特定的q o s 标 记，在网络发生拥塞时，将比其他业务得到更高的优先级。相反地，一种能忍受 合理时延的业务将比其他业务流具有较低的优先级。通过对不同业务分配 1 0 北京邮电大学硕士论文 不同q o s ，在拥塞时，业务流量将在时间域有效得到平滑，高优先级的业务将以 较低时延传送，低优先级的业务将被延迟直到有可用的网络容量。因此，网络发 生拥塞时，提供q o s 的网络能够在现有网络资源的条件下最大程度满足用户业务 体验。通过这种方式，运营商可以利用q o s 更有效地平衡网络负载，因为他们能 忍受暂时的拥塞，同时能够保证为用户提供满足他们预期的良好的业务体验。 不过，值得注意的是，q o s 机制是针对网络发生暂时拥塞的时候发生作用的， 低优先级业务能够被延迟而又不影响其业务体验。如果发生严重拥塞，网络阻塞 的周期过长，那么也不能依靠q o s 来保证用户体验。在这种情况下，需要进一步 增加网络容量，网络也需要进行重新设计规划，以保证只有暂时的拥塞现象发生。 2 1 4 网络设计 网络设计主要通过以下几点影响业务性能： 系统延迟：每一个端到端的延迟片段都会降低应用“会话性”。对于用户需要 低响应时间的业务，如果这些业务需要严格的“会话性”，这些延迟可能会使业务 不可用。 系统设计：运营商可以选择两种方式建立数据链路，一种是当一个电话开机 时，运营商就建立一个数据链路，并要求只要电话开机，就保持资源分配状态； 或者当一个业务激活的时候，才建立数据链路，不过要增加额外的时延。 设备：某个节点可能一直是系统的瓶颈。理解哪里可能成为瓶颈并且在什么 情况下出现是很重要的。 2 1 5 应用设计 应用设计可以在两个方面影响业务性能。首先，用户接口的设计可以减小网 络性能对用户的影响。其次，应用可以被设计成更适合在无线连接下进行通信。 特别需要关注应用设计中的以下内容： 使用的协议- t c p 假设在某个确定时问内没有到达的包是因为阻塞丢失 了，因此在某个时刻能够传输的信息量是有限的。在无线网络中，“丢包”可能与 拥塞没有关系，可能只是暂时的持续几毫秒的无线链路不稳定造成的。因此建立 新业务所使用的协议需要仔细斟酌。 “会话”型结构为了传递一个业务，应用的终端和服务器一般会有一个对 话来传输业务需要的信息，如应用的请求、业务传输的格式等。如果对话 北京邮电人学硕士论文 是连续的，在下一个比特传输和确认之前，必须有一个信息比特进行传输和确认。 在具有高延时的移动通信网络中，所有的延迟是可加的，这将影响整体性能。从 用户观点看，这将导致不可接受的业务时延。理想情况下，应该是尽可能多的动 作并行来获得良好性能。 2 1 6 业务增强技术 业务增强技术的目标是通过克服无线环境所导致的无线系统中的限制提高数 据业务质量。业务增强技术的例子有： 净荷压缩通过无线接口传输的数据先进行压缩，使之能够花费更少的时 间通过无线连接进行传输。 可控制的质量降低高质量和高解析意味着更大的文件长度，特别是对于 图片，这样就需要更长的传输时间。当传输的终点是屏幕解析度有限的移动终端 时，除了正常的压缩外，图像还可以被降级或者缩小尺寸，这样仍能够分辨并更 好地适合移动终端的屏幕尺寸。这个处理是有损失的压缩，可以在网络设备中进 行处理。 代理代理可以在本地存储w e b 页面的副本，当页面被请求时，代理能够 立刻提供w e b 页面内容而不产生进一步的时延，因为代理尽可能避免每一次都从 因特网上获得w e b 页面。由于w e b 页面可能由很多部分组成，可能需要一系列请 求，代理通过搜集组件并本地存储，能够明显减少端到端时延，这对减少页面下 载时间有明显影响。 协议优化通常，为了使协议更适合在无线环境使用就需要优化。最常用 的优化是与承载主要w e b 流量的t c p 协议相关的。优化的目标是阻止t c p 确认 信息产生延迟而导致速率下降。 总之，业务性能优化的目标是提供给用户更好的业务体验，以满足用户的预 期并使网络资源的利用最大化。提供好的业务性能需要运营商检查如何在多个系 统中传递业务以及在系统层面如何进行优化。 2 2q o s 的概念及体系结构 服务质量q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 是一个抽象的概念，用来说明用户和服务 者之间，发送方和接收方之间有关信息传递的约定。从用户的角度来说， 1 2 北京邮电人学硕+ 论文 是用户对网络提供的服务的满意程度，而从服务者的角度来说，是网络向用户业 务所提供的带宽，时延和丢包率等参数。在第三代移动通信系统中对q o s 提出了 明确的要求，其核心和关键在“必须能够满足端到端的q o s 要求”。服务( s e r v i c e ) 主要指网络提供给终端用户的各种端到端通信( e n d t o e n dc o n m u n i c a t i o n ) ，如 p s t n ，i p 电话，电子邮件，f t p 等。质量通常指以可靠方式提供服务，传送数据， 保证数据无丢失或少丢失，尽可能少的引入时延，及提供小的时延抖动，并且以 最有效的方式分配和使用网络资源。q o s 是业务性能的总体效果。 网络业务通常是一种端对端的业务。每一个端对端的业务都有一定的q o s 要 求，以便网络可以为用户提供相应的服务质量，而最终由用户来决定对此服务是 否满意。为了实现一个特定网络业务的q o s ，需要在服务的源端和目的端建立一 个具有清晰特征和功能性定义的承载。为了更好的实现对业务端对端q o s 的控制 和业务端对端q o s 的实现，3 g p p 定义了端对端q o s 的结构模型，以便设备商在 具体实现设备和网络方案中采用。t d s c d m a 是u m t s 中的t d d 模式，其q o s 体系也采用图2 1 所示的分层结构，来为业务提供端到端的q o s 保证。从图中 可以看出，端到端的q o s 由u m t sq o s ，外部网络q o s 和本地承载q o s 组成。 u m t sq o s 又由接入网q o s 和核心网q o s 组成，其中接入网q o s 分为两个部分： 空中接1 5 1 和i u 接1 5 1 ，而核心网q o s 只由骨干网提供。每一特定层上的承载都可以 根据下层提供的承载服务来为用户提供相应的服务，各个部分息息相关，任何一 部分没有达到应有的q o s 要求都会导致端到端的q o s 不能实现。 r _ u m t s 1 1 3 北京邮电大学硕十论文 图2 1 ：u m t sq o s 体系1 3 g p p 在r 9 9 中首次对q o s 提出了明确的要求，其核心和关键在于“必须能 够满足端到端的q o s 要求”。为实现端到端的q o s ，必须考虑从终端到接入网再 到核心网的各个层面，并做统一的规划和部署。由于移动网络的接入层相关实体 ( 如r n c 、n o d e b 、m g w 及s g s n ) 均拥有完善的基于事务的q o s 保证机制，使 得3 g 接入网在资源配置足够的情况下，基本可以提供很好的q o s 保障。而在核 心网内仍然不能确保端到端的q o s 。因为端到端的q o s 涉及到业务数据途经的 所有功能实体( 包括应用层和承载网络) ，应用层是网络资源的申请者和消耗者，而 承载网络是资源的提供者，所以在执行业务时，应用层要从承载网络中领取相应 的资源，而目前缺乏的就是这种资源调用时的映射关系和管理办法，造成了业务 的不确定和资源的浪费，导致抖动、延迟的出现。 3 g p p 从r 9 9 开始定义q o s 体系，至今已推出4 个相关标准，分别是： 1 ) 3 g p pt s2 3 1 0 7 ( ( q o s 的概念与体系结构。该版本详细说明了q o s 需求， 并给出了u m t s 承载业务和无线接入承载业务的相关属性，标准首次提出了 u m t s 中的q o s 保证机制。 。2 ) 3 g p pt s2 3 2 0 7 端到端q o s 的概念与体系结构。该版本描述了q o s 在 网络中的管理职能，以及相关节点设备的功能。在完善t s2 3 1 0 7 的基础上定义 了基于g p r s 的o o s 构架。 同t s2 3 1 0 7 相比，该版本只适用于g p r s 包交换服务，包括i m s 、p s t n 和 其他网络的互联。而不涉及电路交换接入服务。 3 ) 3 g p pt r2 3 8 0 2 端到端q o s 的架构增强。t s2 3 2 0 7 定义的端到端q o s 方案不能够充分保证外部主干i p 网络互联时端到端q o s ，该版本在t s2 3 2 0 7 基 础上进行改进，以提供互联主干网络问的端到端i pq o s 机制。 4 13 g p pt r2 3 8 3 6 ( ( 3 g p p 无线局域网的q o s 策略。 本论文对q o s 的讨论都是建立在t s2 3 1 0 7 基础上的。 2 2 1 端到端服务和u m t s 承载服务 在从一个终端设备到另一个终端设备的路径中，业务必须通过网络的不同承 载服务。终端设备是通过移动终端连接到u m t s 网络中去的。端到端服务是通过 终端设备移动终端本地承载服务、u m t s 承载服务和外部承载服务共同 来实现的，其中由u m t s 运营商提供的u m t s 承载服务为用户提供u m t s 1 4 北京邮电大学硕士论文 的q o s 保证。u m t s 承载服务是由无线接入承载服务和核心网承载服务两部分组 成。 2 2 2 无线接入承载服务和核心网承载服务 无线接入承载服务在移动终端和核心网i u 边界节点之间提供了可靠的信令和 用户数据的传输服务，并且保证协商好的u m t s 承载服务的q o s 需求以及信令的 缺省q o s 需求。无线接入承载服务是基于无线接口的特征参数来提供，并通过无 线承载服务和i u 承载服务来实现的。 u m t s 核心网络的核心网承载服务通过核心网络网关将u m t s 核心网i u 边界 节点和外部网络连接起来，并通过有效地控制和使用骨干网络来提供协商好的 u m t s 承载服务。u m t s 分组核心网络应该支持具有不同q o s 需求的骨干网承载 服务。 2 2 3 无线承载服务和i u 承载服务 无线承载服务包括了无线接口传输的所有方面，使用u t r af d d 和u t r a t d d 两种模式。i u 承载服务和物理层承载服务共同提供在u t r a n 和c n 之间的 信息传输。i u 承载服务能够为不同q o s 需求的分组业务提供不同的承载服务。 2 2 4 骨干网服务 核心网承载服务通过骨干网络服务实现。骨干网服务包括层1 、层2 的功能 性，可以通过运营商的选择来实现核心网承载业务的q o s 需求。 2 3u m t s t d s c d m a 服务质量类 将数据业务根据其q o s 需求来进行合理的分类