摘要　文章詳細分析了UMTS（通用移動通信系統）的端到端QoS體系架構、QoS相關參數和屬性以及對分組數據的處理，并討論了分組數據在UMTS中的QoS實現問題，最后得出結論：通常情況下UMTS可以較好地保證多媒體業務的端到端QoS。

1、引言

　　3G UMTS（Universal Mobile Telecommunication Systems）是第一個真正清晰定義了端到端QoS結構的移動通信系統。通過端到端QoS機制的具體實施，終端用戶可以獲得有QoS保證的服務，而WCDMA運營商也能更有效地利用各種資源，提供高利潤的新型多媒體服務，例如流媒體、可視電話等。

　　然而，移動通信系統QoS的實施是非常復雜和困難的。R99版本的UMTS系統并沒有明確定義端到端QoS的實現方法，只明確了有關解決方案應該具備的能力，如必須能滿足端到端的QoS要求、在移動過程中保持QoS的連貫性等。UMTS為了靈活有效的提供多種業務，必然要分階段地實現向全IP的演進，因此本文將就終端上的分組業務對UMTS的QoS保證進行分析和探討。

2、UMTS系統的QoS架構及參數

　　2.1　UMTS的QoS架構

　　為了實現端到端QoS，UMTS從業務的起點到業務的終點都建立和使用具有明確定義的屬性和功能的承載業務。UMTS的QoS架構如圖1所示。

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圖1　UMTS的QoS框架結構

　　從圖1可以看出，UMTS給出了分層次、分區域的QoS體系結構，每一層的承載服務都是通過其下一層的承載服務來提供的。

　　2.2　QoS參數和屬性

　　在UMTS中，盡管QoS參數是按層來定義的，但不同承載業務層的QoS參數基本相似，所以下面僅以UMTS承載業務層的QoS參數為例來簡單介紹常用的UMTS定義的QoS參數：

　　（1）Maximum bit rate（kb/s）：此參數是為了便于無線接口下行鏈路碼的預留。

　　（2）Guaranteed bit rate（kb/s）：此參數是為了便于基于可用資源的許可控制和資源分配。

　　（3）Maximum SDU size（byte）：用于許可控制。

　　（4）SDU format informa tion：它是可能的SDU尺寸列表，當UTRAN以透明RLC協議模式工作的時候需要此信息。

　　（5）SDU error ratio：指丟失或者檢測出差錯SDU的比率，用來配置層二（L2）的重發協議和層一（L1）的檢錯編碼。

　　（6）Delivery order（y/n）：指明是否要求按照順序傳送SDU，這要根據用戶協議類型而定。

　　（7）Residual bit error ratio：指在傳送SDU中未檢測到的誤碼率，用來配置L1的信道編碼和檢錯編碼。

　　（8）Delivery of erroneous SDUs（y/n/-）：指明是將檢測出有錯的SDU標以差錯指示后進行傳送還是進行丟棄，或者根本不考慮差錯檢測就進行傳送。

　　（9）Transfer delay（ms）：不同的應用有不同的延遲容忍程度，UTRAN可根據這一參數來設定傳送格式和ARQ參數。

　　（10）Traffic handling priority：指對不同媒體的SDU處理的優先權。對于同一個承載業務，它和參數“保證的比特率”不能同時出現。

　　（11）A1location/Retention Priority：指分配和保持UMTS承載的優先權。

　　（12）Source statistics descriptor　（speech/unknown）：說明SDU數據源的特征，如果是語音，RAN、SGSN、GGSN和UE可根據經驗得出統計復用增益，用于許可控制。

　　（13）Signaling Indication（y/n）：只用于交互級業務，設為“Yes”，則UE設Traffic handling priority為“1”，它與其他的交互級在優先級和時延上都有所不同。

　　如果業務是對稱的，那么前向和反向的QoS參數應該是相同的，但如果業務是非對稱的，則需要分別為上下行鏈路定義各自的QoS參數。

3、分組數據的傳輸過程

　　3G用戶在使用分組數據業務時，數據一般經過四個設備才能到達因特網的服務器。這四個設備分別是：UE（User Equipment）、RNS（Radio Network Subsystem）、SGSN（Serving GPRS Support Node）和GGSN（Gateway GPRS Support Node），其中RNS屬于UTRAN，SGSN和GGSN屬于CN的分組域。

　　根據UMTS的QoS架構，一個分組業務的UMTS承載是由UE和SGSN間的RAB（Radio Access Bearer）承載和SGSN和GGSN間的GTP（GPRS Tunnel Protocol）隧道承載組成。RAB又由RNC和SGSN之間的GTP隧道以及RNC與UE間的RB（Radio Bear）組成，一個分組業務與以上承載是一一對應的關系。圖2給出了分組數據通過四個主要設備經過的協議棧：

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圖2　UMTS的分組域用戶面協議棧

　　◆PDCP：分組數據匯聚協議，只對分組域的業務進行處理，即透明地傳輸網絡層的分組，以支持多種網絡層協議。另外，PDCP提供的頭壓縮算法能有效壓縮網絡層分組冗余的首部，提高無線信道的利用率。

　　◆RLC：無線鏈路控制協議，為用戶和控制數據提供分段/重組、檢錯、流量控制和重傳等功能。對所有的RLC模式，CRC錯誤檢測在物理層上執行，CRC檢測結果連同數據一起傳遞給RLC。RLC層向高層主要提供三種模式的數據傳輸：TM（Transparent Mode，透明數據傳輸）、UM（Unacknowledged Mode，非確認模式數據傳輸）、AM（Acknowledged Mode，確認模式數據傳輸）。透明模式對高層的數據流不加任何處理，但可以包含分組／重組功能。非確認模式提供檢測傳輸錯誤和唯一性的功能。確認模式提供自動重傳請求機制來糾正傳輸錯誤，通過設置最大重傳次數或超時時間來限制重傳次數。確認模式支持無錯傳遞、唯一傳遞、順序傳遞和無序傳遞。從透明模式、非確認模式到確認模式，傳輸可靠性依次增強，傳輸效率依次降低。另外，在UM和AM模式下，RLC通過在特定的TTI（Transmit Time Interval）內發送特定個PDU來實現流量控制。對于每個RLC實體，有：

　　RLC的數據速率=RLC每個TTI發送的PDU個數÷TTI

　　◆MAC：媒體接入控制，執行無線鏈路層提供的邏輯信道向物理層提供的傳輸信道間的映射。MAC層主要根據RRC（Radio Resource Control）層的QoS設置，通過設置映射時的優先級、傳輸信道的傳送格式來實現不同數據流的QoS保證。

　　GTP-U：GTP的傳輸平面。GTP將上層數據包重新封裝發送，通過包頭提供路由信息，使封裝的數據能夠通過互聯網絡傳遞。GTP協議分為信令平面GTP-C和傳輸平面GTP-U，其信令平面主要包含路徑管理、隧道管理、位置管理、移動性管理四大類，傳輸平面則提供了SGSN之間、SGSN和RNC、SGSN和GGSN間數據包傳送的隧道。其中隧道管理圍繞PDP（Packet Data Protocol）上下文展開，是PS域會話過程的核心。

　　UDP、IP、ATM都是在現在的寬帶網絡中充分應用的技術，這里就不敖述了。

4、UMTS分組業務的QoS實現

　　UMTS對分組業務承載的建立及QoS設置是通過控制面中的會話管理SM來實現的，其中QoS設置主要涉及上述QoS參數。

　　4.1　會話管理SM

　　SM實現QoS架構中的UMTS承載業務，負責協商和設置分組數據在UMTS網絡中傳輸時的QoS，并映射到無線接入承載和CN承載。

　　SM存在于連接管理層CM。CM位于層三（非接入層），由GMM（GPRS Mobile Management）、SM、SMS（Short Message Service）組成，CM在控制協議中的位置如圖3所示。其中GMM層為SM和SMS提供信令傳送，實現用戶和網絡側的連接管理。SM位于移動性管理和用戶面之間，向用戶面提供服務。它一方面完成核心網絡SGSN到GGSN之間的隧道建立修改和釋放的控制功能，另一方面完成SGSN和UE之間的RAB建立、修改和釋放的控制功能。

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圖3　UMTS的分組域控制面協議棧

　　SM通過PDP上下文的激活、修改去激活信令流程實現會話管理，一個分組業務和一個PDP上下文對應。PDP上下文存在于UE、SGSN、GGSN，內容包括分組業務在各個實體的標志，業務進行隧道轉發的所有信息，RNC、SGSN、GGSN的IP地址、隧道標識和QoS設置等。

　　用戶請求一個分組業務時，首先通過SM根據用戶的簽約服務激活一個PDP上下文，并在UE、RNC、SGSN、GGSN之間進行QoS協商，使各節點提供的服務質量保持統一。由于整個QoS設置的過程非常復雜，所以下面在用戶和系統相對穩定的前提下，結合各接口對分組數據的處理對相關參數設置進行說明。

　　4.2　Uu接口

　　在Uu接口上，IP分組往下傳，首先PDCP層對IP分組的首部進行壓縮，然后RLC層在一定的模式下傳輸PDCP-PDU，對它進行分段、加密、重傳等可能的處理來保證一定的可靠性，將RLC-PDU傳到指定的邏輯信道，接著MAC層按一定傳輸格式組合TFC和一定的優先順序將邏輯信道的數據流映射到傳輸信道，物理層對每個傳輸信道的數據流進行CRC差錯檢測、交織、分段、速率匹配、復用等處理后擴頻調制發送。

　　RB參數通過RRC實現。RRC設置好QoS參數，映射到以下各層的QoS參數來實現：

　　（1）對于業務可靠性方面的主要設置

　　SDU錯誤率：主要通過RLC的傳輸模式和物理層的檢錯編碼來實現。

　　SDU格式：設置RLC透明模式傳輸時RLC-PDU的大小。

　　殘余比特錯誤率：通過設置物理層的信道編碼和檢錯編碼來實現。

　　傳輸順序：如果是按序傳輸則設置為RLC確認模式的按序傳輸，否則其它模式都可以。

　　（2）對于業務時延或抖動方面的主要設置

　　傳輸時延：通過設置傳送格式和RLC的傳輸模式來實現。同個用戶的多個數據流是以一定格式復用到物理層的一幀中的，這通過設置RLC的TTI和每個TTI發送的PDU個數、MAC每個TTI映射到物理信道的傳輸塊個數來實現，RLC每個TTI發送的PDU個數對應MAC每個TTI將相應的傳輸信道映射到物理信道的傳輸塊個數。TTI越大，PDU個數越小，傳輸塊個數越小，時延就越大，但同時時延抖動就越小，RLC層的緩存就越大。RLC的確認模式的最大重傳次數的設置越大，允許的傳輸時延就越大，但實際的傳輸時延取決于信道條件。

　　優先級：通過設置傳送格式來實現，多個數據流時優先級越高的吞吐量就越大，傳輸試驗就越小。

　　（3）對于業務吞吐量方面的主要設置

　　最大數據速率、保證數據速率：都是通過設置傳送格式來實現。

　　4.3　Iu接口和Gn接口

　　對于Iu接口，用戶IP數據流經過GTP-U、UDP、IP、鏈路層ALL5和ATM、物理層的處理。GTP-U主要是保證IP數據流在RNC、SGSN和GGSN間的連貫傳輸，尤其在用戶移動導致RNC、SGSN切換的情況下。所以GTP-U對分組數據有可靠性方面的保證。但Iu接口的用戶面協議UP的功能是附加在GTU-U上實現的，所以Iu上的GTP-U支持透明模式和預定義SDU大小模式。透明模式下，GTP-U不對數據流做另外的處理；預定義模式下，GTP-U按預定義的SDU大小將數據流以UP幀為單位發送，并具有檢錯、速率控制、幀質量分類等功能，可實現吞吐量、可靠性方面的QoS保證。UDP對數據流沒有QoS保證。IP網可通過采用IETF提出的Diff Serv和IntServ模型，實現吞吐量、可靠性和時延方面的QoS保證。ALL5主要針對對錯誤敏感的業務，所以鏈路層主要實現可靠性方面的保證。

　　對于Gn接口，用戶IP數據流經過GTP-U、UDP、IP、鏈路層、物理層的處理，沒有對鏈路層和物理層進行規定。除了GTU-U沒有附加的UP層功能外，GTP-U、UDP、IP的QoS保證與Iu口類似。

　　通過以上分析，可以看出R99版的UMTS提出了一個全面的框架來落實QoS保證，從核心網到接入網都有相應的協議和設置從時延抖動、錯誤率和吞吐量三方面來保證分組數據業務的質量。核心網方面，ATM網絡的可靠傳輸使得錯誤率已經不是問題，IP網絡采用DiffServ和IntServ模型的結合，所以用戶的時延抖動和系統的吞吐量也得到了解決。接入網方面，移動通信環境導致Uu接口的時延抖動、錯誤率和吞吐量是制約業務QoS的瓶頸。對此，UMTS采用的WCDMA擴頻技術和快速功控技術較好地解決了用戶吞吐量和系統容量的問題，采用的RLC層通過適當的傳輸模式的設置可以保證分組業務的時延抖動和錯誤率。但同時應看到，在某些極端情況下，業務的QoS難以得到保證。比如，UMTS在核心網負荷重時，不能完全保證用戶的時延抖動，雖可以通過加大IP網的帶寬冗余來暫時緩解，但長遠來看可以通過接納控制機制得到解決。再如，在惡劣的無線信道條件下，UMTS不能完全保證對錯誤和時延抖動都敏感的多媒體業務的QoS，但這可通過多媒體的錯誤隱藏和抖動平滑技術來解決。

5、總結

　　3G網絡的QoS控制能力是運營商間競爭制勝的關鍵。由分析可知，在一般情況下UMTS可以較好的保證多媒體業務的端到端QoS，但QoS保證功能仍有待進一步加強。