第三代蜂窝网络核心网的QoS技术分析

　　0.引言

　　未来3G系统所采用无线技术应具有高频谱利用率、高业务质量、适应多业务环境等特点，并具有较好的网络灵活性和全覆盖能力。CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA三种技术是未来3G主流应用技术。3GPP组织制订了四个版本，即R99、R4、R5和R6。R99版本的主要特点是核心网方面基于GSM。R4的主要特征是在核心网电路域引入了软交换的概念，即传统MSC分离为媒体网关(MGW)和MSC服务器两部分，实现了控制和承载分离。R5是全IP网，其核心网部分在结构上引入多媒体子系统(IMS)。R4/R5版本的核心网中的网络实体与GSM网络比较有了许多变化，例如将MSC分成两个不同的实体，MSCServer和MGW(MediaGatewayFunction)。但3G与GSM最大的不同是在网络中引入两个全新的节点SGSN(Serving GPRS Support Node)和GGSN(Gateway GPRS Support Node)。

　　第三代移动通信系统的整个核心网络将呈现出和IP技术紧密结合并逐步向全IP网络演进的发展趋势：其中3G电路交换核心网络主要由现有的核心网络(3GMSC(M11)演进，而3G分组核心网络主要从GSM/GPRS核心网络演进，因此对网络服务质量(QoS)提出了更高的要求。如何充分利用网络中的QoS保证使用户获得满意的服务，同时又能有效地利用网络资源成为3G网络建设的一个重要问题。

　　1.3G核心网对QoS的要求及保证技术

　　QoS包括调控不同业务的流量；保证实时业务的带宽、低时延、低丢包率；为不同业务定制相应带宽；减少网络丢包率；平滑网络流量，提高带宽利用率；调整物理接口速率等。对基于IP的语音QoS主要解决以下问题：网络的两个节点之间特定应用业务流的平均速率；数据包在网络的两个节点之间传送的平均往返时间，即时延及时延的变化；网络传输过程中的丢包率；网络的可用性；完成整个呼叫建立过程的时间。针对各种业务对时延灵敏度的不同要求，3GPP规范的QoS的体系结构中大致将其分为四个类别：会话类要求保证数据流传输的连续性，要求低时延，低丢包率；流媒体型要保证连续性的同时减小时延；Web等交互型对时延和数据的正确率有严格要求。后台型业务要保证数据的正确率。

　　3G核心网QoS的保证技术可分为按核心实体划分及版本划分。

　　按核心实体划分：3G核心网中分组域的主要设备是SGSN和GGSN。SGSN将来自MS的QoS需求传送给GGSN；根据网络资源情况实现接纳控制，对于实时业务Conversational、Streaming类进行资源预留，提供保证的QoS；对用户数据监控，保证与TCA的一致性，实现流量监控功能；对承载业务分配共享资源，实现资源管理；根据对应承载的QoS业务能力，进行标记，实现业务映射功能。GGSN根据网络负荷情况，修改商定的QoS参数，并将结果反馈给SGSN，实现接纳控制作用；对承载业务分配共享资源，实现资源管理；对从SGSN来的QoS请求进行权限认证，实现COPS的PEP功能；对用户数据监控，保证与TCA的一致性，实现流量监控功能；根据对应承载的QoS业务能力，进行标记，实现业务映射功能；根据用户业务质量需求，实现业务QoS等级的分类功能；实现Diffserv边缘节点功能(包括RSVP代理功能)，实现与外部网络IP承载业务的互通功能；同时，SGSN和GGSN可以根据业务流类型和业务处理优先级的协商结果，通过Diffserv技术，将不同业务类型所对应的QoS业务按照不同类型映射为相应的码字。

　　在电路交换域中，R4将MSC分离为MSCServer和MGW两个网元，其中MSCServer负责呼叫控制和多媒体网关控制；MGW负责处理用户面的话务。采用Diffserv技术保证电路域话务在IP传输网中的QoS。将IP话务流标注上相应的Diffserv代码，然后再送到IP骨干网中。运营商根据需要修改Diffserv代码的映射方式，也可在信令链路中实施技术。

　　按版本划分：R99版本的QoS保证技术：R99版本中给每个用户引入了PDP上下文，每个PDP对应不同服务质量的会话。GGSN中的TFT(TrafficFlowTemplate)对数据包进行过滤，并将它们发送到正确的PDP上下文中。PDP上下文激活消息从UE接收后，SGSN利用GPRS签约订单检查需要的QoS并从而降低需要的服务质量。修改后的PDP上下文激活信息被SGSN向前传给GGSN。GGSN基于得到的资源降低需要的QoS。修改后的PDP上下文激活消息再被GGSN发回SGSN。SGSN让RNC给需要的QoS建立到UE的RAB(无线接入承载)。

　　不对称PDP上下文将支持R4以上的版本，允许为上下行链路分别设置QoS。这个特性对上下行完全不同QoS需求的流应用非常有用。

　　R4版本的QoS解决方案：3GPPR4版本中，SGSN可以看作GSM进入GPRS核心网的路由器，它将分组数据发送到相关基站子系统。PS域中的SGSN类似GSM中的MSC/VLR的功能，它存放用户的鉴权和位置信息。主要功能是对移动终端进行鉴权和移动性管理，建立移动终端到GGSN的传输通道，接收从UTRAN传送来的移动终端的分组数据，通过GPRS骨干网传送给GGSN或将分组发送到同一服务区内的移动终端。SGSN还可集成计费网关、边缘网关和防火墙功能。

　　GGSN可以看作GPRS网络与外部分组网络互通的边界路由器，它接收移动终端发来的分组数据，转换成其他分组协议数据包并送往相应的外部网络；或接收来自外部数据网络的数据，通过隧道技术发送给相应的SGSN。

图1 3GPPR4结构框图

　　2.3G与固网不同的QoS方案特点

　　由于Intserv为每个流提供质量保证时需要维护的信息量很大，加上在3G核心网中业务流数目巨大，要维护每个流的状态信息很困难。所以，在3G网络建设中，主要用DiffServ模型和MPLS技术来保证核心网的QoS。

　　DiffServ模型被认为是解决IP骨干网QoS问题最有效的技术。DiffServ模型通过IP报头中的TOS字节取值不同来区分业务流，并对每类业务流规定相应的分组转发处理方法(Per-HopBehavior)。DiffServ针对的是业务流的种类，具有良好的可扩展性。它将移动网中的PDP上下文QoS类型映射为DiffServ码字，通过这些信息进行报文的分类、流量整形、流量监管和排队。这种方案由于只需要进行数据包的调度转发，其分类、标记和整形等复杂处理都在网络的边缘完成，因此核心路由器的负荷较轻。它的优点是具有相对较好的扩展性，就发展来看，在目前分组网的基础上，区分业务结构更容易实现。其缺点是需要对服务质量进行分类，如果分类的粒度过细就要增加报文头部DS字段的长度，而且类的数目也会增加；反之又不能充分体现各种业务对服务质量的需求。没有考虑无线网络频带资源有限、无线信道易受外界干扰和用户终端频繁移动的特点。

　　MPLS已被公认为IP骨干网的最佳组网技术。它的优点是将第三层路由和第二层交换有机结合起来，因而既具有良好的扩展性，又支持高速数据转发。MPLS网络可以通过流量工程，最佳利用链路和节点，平衡负荷；它可以将路由、寻址与控制等功能集合，使控制过程大大简化，降低网络成本；增强网络性能，实现路由功能，特别适合基于策略的管理；当主要路径出现故障时，可另选路由疏通业务，缩短业务中断时间；使用域间无级选路(CIDR)群地址概念，适应互联网用户数量快速增长的需要；支持各种传输层与链路层协议，利于接口互联。其缺点是没有考虑无线网络频带资源有限、无线信道易受外界干扰和用户终端频繁移动的特点。

　　在3G网络里，一方面将两种服务模型进行相互映射和结合得到扩展，另一方面，NGN网络中QoS保障模型映射为3G的服务模型也得到深入的研究。例如，在NGN网络中将业务类型字段(TC)定义为DS字段。将DiffServ模型中的业务分类映射到3G网络业务；加速转发型PHB映射为3G网络中的传统业务及数据业务；可靠型转发PHB映射为3G网络中的交互式业务等。可见3G网络的QoS解决方案朝着各种现代通信技术的集成方向发展，如WCDMA核心网在RNC和GGSN之间应用的GTP隧道技术、差分服务模型、多协议流标签技术，以及一些移动通信场景相结合，有助于建立高质量的3G核心网络，并使核心网的QoS业务与无线接入网及其他网络业务相互兼容，实现完整的端到端的QoS解决方案是一个研究的方向。

　　3.R5的QoS体系及遇到的问题

　　IMS(IP多媒体子系统)是3GPP在R5版本提出的支持IP多媒体业务的子系统。IMS的引入提供了保证QoS的基础。提供QoS保证的IMS组成部分是CSCF(CallStateControlFunction)。CSCF是为3G网络的IP终端提供多媒体服务的SIP服务器。

　　P-CSCF(Proxy-CSCF)是在访问网络中与UE的第一个连接。负责IMS会话资源管理。S-CSCF(Serving-CSCF)始终位于签约用户的家乡网络。保存IMS签约订单和与服务平面的接口的一个拷贝。IMS信令和用户数据都在相同GPRS承载网上传输。要求运营商根据业务的优先级分别处理这些包并且计费。

　　目前，一些R5核心网采用MPLS来保证控制数据和用户数据的传输质量。MPLS将二层ATM的性能和业务管理与三层IP的灵活性和可测量性集成于一体。R5的另一个特点是会话层和GPRS承载层的连接有标准化的策略控制接口Go支持。GGSN包括一个策略执行功能PEF，负责管理包传输到IP网络，并根据包分类器从PDP上下文限制一系列可能到达的IP目的地。策略控制由PCF执行，它被认为是R5中P-CSCF的一个逻辑实体。

　　3GR5版本是一个承载(SGSN，GGSN)、会话(P-CSCF，S-CSCF)和服务分离的分层机制。由于RSVP技术会引入无线接口的管理费用。而且IP骨干网不支持端到端RSVP，所以端到端RSVP技术仍然处于3GPP讨论阶段，前景黯淡。现在的一些低端设备不能完成任何现存的IETFQoS协议。在这种情况下，可以让SGSN有DiffServ边界能力，通过它来实现3G核心网中的QoS映射到DiffServ机制上。

　　随着IMS的引入，QoS基础遇到了新的挑战。服务质量通过在GGSN/SGSN和RNC中支持DiffServ及MPLS来提供给基于IP的3G核心网。在3G网络边界，GGSN必须执行3G网络QoS参数和邻近IP网络QoS参数之间的映射。采用在PCSCF／PCF和GGSN引入策略控制机制来使在传输层终端用户需要的QoS和会话层批准的QoS达到同步。