3G网络通信技术与业务管理 毕业论文.doc

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1、1 目 录 第一章 3G 通信 QOS 现阶段的发展 .1 1.1 3G 通信与 QoS(服务质量)的内涵 .2 1.1.1 3G 通信的内涵 .2 1.1.2 QoS(服务质量)的内涵 2 1.2 3G 网络的特征和其 QoS 特点 .2 1.2.1 3G 网络的特征 .2 1.2.2 3GqoS 的特点分析 3 1.3 3G 时代的用户需求特点 .4 第二章 主要 3G 通信 QoS 的比较分析 7 2.1 UMTS 的 QoS 分析 .7 2.2 3GPP2 的 GoS 分析 .8 第三章 改善 3GqoS(服务质量)的措施探讨 11 3.1 加强对 3GQoS 自适应调整算法 11 3

2、.1.1 首先遍历网络中正在 服务的经济型业务； 12 3.2 建立 3G 核心网与因特网相融合的网络平台 .13 3.3 加强对 QoS 自适应调整算法的计算 14 3.4 对 3GqoS 流程进行合理设计 15 2 3G 网络通信技术与业务管理 第一章 3G 通信 QOS 现阶段的发展 3G 网络是一个不断演进的网络，从而对承载其业务的传输网络在不同的 演进阶段有着不同的要求。虽然目前 3GPP(Third Generation Partnership Proiect)推荐无线接入采用 ATM 技术但无线接口技术应向着更高的带宽、 更大的容量、更好的服务质量(QOS)的目标发展而核心网目前

3、正在向全 IP 的网络架构方向发展。因此如何为不同的业务提供与之相匹配的 QOS (Quality of Service)保障，从而尽可能满足用户的个性化需求，同时使收 费更加合理化是 3G 发展过程中的一个关键性问题。 1.1 3G 通信与 QOS (服务质量)的内涵 1.1.1 3G 通信的内涵 3G 通信是英文 3rdGeneration 的缩写，指第三代移动通信技术。 ，是指 将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。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。 1.1.2QOS (服务质量)的内涵 服务质量（Q

4、uality of Service） ，指在不同类型网络平台上，如 ATM、 以太网、环形网、IP 网络等，为不同要求的数据流提供不同类型服务的能力。 服务能力一般指网络能够保证的性能，如数据传输可靠性、网络吞吐率、延 3 迟等。不同服务质量需求对这些性能参数要求也各不相同。而保证服务质量 就是保证当前的网络状况能够达到数据流服务质量请求中所要求的性能参数。 1.2 3G 网络的特征和其 QOS 特点 1.2.1 3G 网络的特征 在大多数移动通信网络中网络结构主要由接入网和核心网组成3G 网 络也不例外这是建设 3G 传输网络的重要前提。原有的 2G 传输网络主要是 作为话音的配套网络体现出

5、分层建设的特点：骨干层传输设备常常位于网 络的骨干或核心节点具有大容量的业务调度功能，强调业务的中继和传送 能力：接人层传输设备覆盖在城域的各热点地区完成业务的接入，体现出 低成本、业务处理能力弱的特点；汇聚层设备连接骨干层和接入层完成 MADM 之间的业务整合和汇聚功能。这种金字塔型的传输网络模型是 3G 业务 网络所需的。同时也为移动网络的平滑演进创造了客观条件。 传统 3G 的传输机制中，移动终端 MS 或服务 GPRS 支持结点 SGSN，对移动 终端提出的业务类型进行区分，执行区分服务的边缘标记功能，并且 MS 或 SGSN 提供区分服务与 PDP(Packet Data Proto

6、col，相关分组数据协议)上下 文之间的互通转换功能，完成 QOS 自适应调节，这就是传统的端到端 QOS 自 适应调节。其实现是通过 PDP 上下文、因特网骨干网的区分服务及远端网络 的 QOS 保证机制等，同时与 PDP 上下文联的 IP 聚合流在 UMTS 网络内的传送 需要低层的 QOS 机制支持，构成了一个完整的传输体系。这种端到端的结构 使 3G 核心网缺乏对网络重负载的预处理能力；以及对用户盲目扩大自己的 4 需求给全网造成的负载加重，缺乏有效的管理；并且当前 3G 网关基于多媒 体流量多少的计费方式，也无法反映用户是否得到满意的多媒体业务。而作 为 3G 核心网与外部 Inte

7、rnet 连接的关键节点，3G 网关目前完成的工作只是 简单的内外网之间的协议转换，网关的剩余处理能力没有得到充分利用。 1.2.2 3GQOS 的特点分析 移动网络提供 QOS，除了需面对固定网络面临的问题外，还需考虑移动 性环境下的特殊问题： 1.无线信道的高误码率 通过空中接口上的分集技术、差错控制(前向纠错、CRC 校验)及反馈重 传机制来克服，但是反馈再传会引入一定的时延，需要权衡。另外，信道高 误码率及切换造成的分组丢失，破坏了“五包是因为网络拥塞造成的”这个 基本的 TCP 拥塞机制设计假设，研究适应于移动环境的 TCP 协议很有必要。 2.无线资源的有限性 在兼顾资源使用效率前

8、提下，为保证业务的误码率、时延等 QOS 参数要 求，采用多址技术及复杂的 MAC 层防议米合理地配置和管理有限的资源。 3.3G 移动性问题 由于 Ms 位置改变，造成通往 Ms 的分组路由改变，需要研究移动分组路 由技术。移动分组路由技术可以用 IP 层下的具体网络技术来解决，此时蜂 窝网范围内的移动性对 IP 层保持透明；也可以用 IP 层技术来解决，如移动 IP。移动分组路由技术对 QOS 影响体现在两个方面：一是 IP 层移动分组路 由技术会对适用于固定路由情形的 QOS 机制产生难以预料的影响，如隧道技 术及改变 IP 转交地址对 RS，的影响；二是 IP 层以下与具体网络相关的移

9、 5 动路由技术对 IP 层 QOS 机制保持透明，对具体网络(L2 层)的 QOS 机制有影 响。 1.3 3G 时代的用户需求特点 首先，3G 时代的用户需求,很多分析人员首先会想到的是各种各样的数 据 应用 服务功能,如视像通话、在线浏览、互动游戏、高速下载等,但事实 上我们必须承认的是,即使是在数据业务高度普及的 3G 时代,语音通信仍然 会是最大的用户需求。欧洲以及日、韩 3G 运营商的运营数据表明,数据业务 ARPU (Average Revenue Per User)所占比例上升的同时,用户的 MOU (Minutes of Usage) 并没有出现下降的趋势,相反,在一些价格竞

10、争激烈的 地区 MOU 仍然会有所上升。这说明用户对使用语音通信的需求并没有因为对 数据业务的需求上升而降低，如表 1-1 所示。 其次,与欧、美市场不同,中国移动通信用户对于短信(SMS)有着更为强 烈的需求,SMS 可说是当之无愧的增值业务“杀手级应用” (Killer Application)。在 3G 时代,消费者的这种消费习惯将在很大程度上获得延续,因 此我们认为用户对 3G 手机的第二项主要需求在相当长的一段时期内是 SMS 应用。在 SMS 的输入、存储、转发方面具有独到优势的手机终端仍然会受到 市场欢迎。 最后，3G 业务的最突出的特点是多媒体数据通信,除了 3G 的典型应用可

11、 视电话以外,3G 终端还需要支持各类丰富的数据业务应用,因此从功能上,3G 手机需要具备彩色高清晰度显示屏、摄像头、大容量及可扩展内存,从设计 上,要考虑到用户使用多媒体业务与语音业务的不同特点,按键及菜单设计要 方便简捷。 6 表 1-1 3G 通信 QOS 的主要类别 7 第二章 主要 3G 通信 QOS 的比较分析 2.1 UMTS 的 QOS 分析 UMTS（通用移动通信系统）为用户提供所要求的端到端服务，为此 UMTS 必须建立一个端到端的、有明确特性和功能要求的承载服务，这种服务定义 端到端服务质量的特性和功能。控制面信令完成承载建立，此承载需满足用 户业务要求的服务质量；用户面

12、传送和服务质量管理功能由承载支持。一个 承载服务通过控制信令、用户面传送协议、服务质量管理功能提供事先协商 好的。UMTS 的承载服务是分层结构，每一层的承载服务接受下层提供给它的 服务，同时向上层提供服务。 UMTS 承载服务的层次结构如图 2 所示，用户业务要通过网络进行传送， 必须由若干不同层次的承载服务实现。端到端服务属于应用层，直接面向用 户。下层的承载服务包括 TE/MT 本地承载服务、外部承载服务和 UMTS 承载 服务。 图 2-1UMTS 承载服务的层次结构 TE/MT 本地承载服务处于终端设备和移动终端间，为这两者提供服务质 量保证。外部承载服务位于核心网网关和终端设备间，

13、它可以由多个网络 （ATM、IP 等）服务组成，提供核心网网关和终端设备间服务质量保证。 8 UMTS 承载服务由无线接入承载服务与核心网承载服务等部分组成，前者实现 移动终端和核心网 LU 接口边缘结点间用户数据传送，并提供通用陆地无线 接入网中事先协商好或缺省配置的服务质量保证。无线接入承载服务由两部 分组成：无线承载服务负责无线接口的传输；LU 承载服务负责 LU 接口的传 输。 2.2 3GPP2 的 QOS 分析 3GPP2（第三代合作伙伴计划 2）核心网的信令交互采用 ANSI-41 规范， 电路交换业务由网络实体 MSCVLR 和 HLR 处理。对于分组数据业务，其着 眼于为移动

14、用户提供互联网移动接人功能。3GPP2 的分组网部分直接采用 IP 作为其网络层协议，其核心网本身就是互联网的一部分。3GPP2 的 QOS 结构 比较简单，仅包括空中接口 QOS 和 A 系列接口(接入网) QOS，见图 2-2 9 图 2-2 3GPP2QoS 流程图 MSGCSN(PDSN)之间的 3G 网络尽管有很多中间节点，但只是端到端的 IP 连接的一个单跳链路。3G 网络对端到端 IP 数据流提供透明承载，端到端的 IP QOS 对 3G 网络内部节点透明，3G 网络中间节点只能通过移动网络特定信 令(如 3cPP PDP 上下文)过程才能知道端到端 IP(聚合)流的 QOS 信

15、息。这样 导致 3c 网络的 QOS 重叠层次比较多，效率低下且不利于保证 00s。对 3GPP 来说，从上到下有 3 层 QOS 机制：端到端 IP QOS 机制、PDP 上下文机制、 3GPP 内部网络的 IP Di 鹏 e机制。3GPP 通过这些机制可以比较有效地保证 端到端 IP(聚合)流在 3GPP 网络部分的 QOS。 对 3GPP2 来说，用 PPP 承载端到端 IP 包。PPP 要求 PPP 帧按顺序发送， 不管其承载的是什么业务产生的 IP 包，所以 3GPP2 在 PPP 子层上不具备 QOS 保障机制。另外 3GPP2 空中接口不能区分处理属于同一 IP 地址的不同 IP

16、 流。 比较起来，垂直方向上看，3GPP 网络 Q0s 机制比较全面、复杂；而 3GPP2 网 络 Q0s 机制不太完善，但比较简单；水平方向上看，3GPP2 核心网直接与外 部 Internet 骨干网集成，只有 1 个移动网络特定的分组支持节点 PDSN(3GPP 有 2 个)，减少了需要 3GPP2QOS 技术保证的内部网络段数。 触发 QOS 自适应算法的条件是网络资源发生改变，有两种事件可导致网 络资源发生改变： 2.2.1 系统中被处理的业务完成服务，释放资源，离开系统，网络上可 使用的资源增加，此时的自适应协商流程是 1.队列空，调用 QOS 自适应优化 OPTIMIZEQOS

17、优化网络上正在服务的业务，优先优化奖赏型业务，提高奖赏 型业务的 QOS 等级，如奖赏型业务都优化到最高级别还有剩余奖赏，再考虑 优化经济型业务。2.队列未空，此时网络上正在运行的业务等级必然都是用 10 户可同意的最低级别，不能通过优化算法降低，查看当前网络可使用的资源 是否能够为队列中奖赏型业务服务，如可以，则调用服务子函数为其服务， 如当前可使用的资源不能为等待中所有的奖赏型服务，可再查看是否可为经 济型服务，否则继续等待。 2.2.2 有新的业务请求加入系统，也就是业务到达子函数构造了一个仿 真业务，此时可能发生的情形有下列 4 种：1.系统中有充分的资源可供新业 务使用，调用服务子函

18、数为新业务服务；2.系统中可使用的资源不足以提供 新业务的服务且等 2.待队列为空，调用 QOS 自适应优化子函数 OPTIMIZEQOS，如优化后网络上正在运行的所有业务其 QOS 都降到了用户可 同意的最低级别，此时当前网络上可使用的资源还是不能为新业务服务时， 新业务入队等待；3.系统中资源不足、队列非空且队列未满，即缓存还有空 间，新构造的业务入队等待；4.系统中资源不足、队列已满即缓存中没有空 间，这种情形下新业务发生溢出丢失。 11 第三章 改善 3GQOS(服务质量)的措施探讨 为了克服传统 3G 端到端的 OPTIMIZEQOS 体系不足，可以考虑对 QOS 实 现方法进行优化

19、，但为了最大限度的保护 ISP 在当前网络上的投入，这种改 进不能对框架做实质性变动。本文的 3G 网络边缘的 QOS 自适应机制和标准 3G QOS 机制相比，改动主要集中在 3G 网络的边缘网关上增加 QOS 自适应协 商控制能力。基于 3G 网络边缘的含义是针对传统的 QOS 协商调整是在端到 端实现而言，本文中的 QOS 协商机制是在 3G 网络的边缘网关上实现；QOS 自 适应的含义是指网络中业务的 QOS 等。 3.1 加强对 3GQOS 自适应调整算法 当系统中可使用的资源不足以提供新业务使用时，就会触发资源调整, 被服务的业务完成后，释放资源时也会触发资源调整，原理类似，限于篇

20、幅， 不做展开，调用优化模块进行优化。优化算法 OPTIMIZEQOS 主要是对网络上 正在服务的业务 进行 QOS 等级调整，首先对经济型用户进行调整，如果调整后资源(带 宽)仍不够用，再对奖赏型(VIP)用户进行调整。在调整过程中如果发现资源 够用了，就立即返回，两种用户调整的最低级别都可以设置但不得低于表 1 所示的最低级别。 12 图 3-1 3G 网络 QOS 协商机制 下面描述优化算法降低 QOS 指标的具体实现流程，运行降低 QOS 指标的条件 是系统资源不能为新业务服务且队列空的情况。 3.1.1 首先遍历网络中正在服务的经济型业务； 1.检查其 QOS 级别是否为最低，是最低

21、级别就检查下一个业务，不是最 低时则降一级，同时检查资源是否能够为新业务服务，仍然不够时检查下一 个业务，如资源已够用，则直接到（5）退出 QOS 优化过程； 2.历完一遍后，判断是否还需要进行遍历的条件是遍历中有业务被调整 过且资源不够还需要继续优化，如满足上述条件，继续进入(1)遍历，否则 进入(5)； 3.调整完经济型业务后，资源仍不能为新业务服务时，着手调整奖赏型 13 业务，调整流程同(1)(3)； 4.退出 QOS 优化过程； 5.经过上述 QOS 优化后，如果仍不能满足新业务的最低使用资源需求， 业务进入等待队列，如果队列满，则新业务不可接入，业务溢出丢失。 3.2 建立 3G

22、核心网与因特网相融合的网络平台 UMTS 系统能为用户带来最高 2 Mbs(理论值)的数据传输速率，它通过 有效地利用带宽，能顺畅地处理语音、视频和数据(或静态图片)业务。本文 中 QOS 等级的论述主要涉及这三类业务。根据网络可提供奖赏型和经济型两 种有区别的服务，奖赏型用户通过支付更多费用获得高质量的服务，服务质 量参数可通过呼叫阻塞率、译码率以及多媒体服务的格式等一系列参数来测 量(表 3-1)。 表 3-1QoS 等级设计测试结果 表 3-1 中，显示了对于奖赏型和经济型每种媒体的编码率和编码格式可能的 组合。静止图片和文本当作同一种媒体对待，具有相同的编码率，但具有不 同的编码格式。

23、一旦媒体被指定为经济型则可选择的 QOS 等级为 l-4。而对 14 于奖赏型用户而言，无论哪种媒体，其可选的 QOS 等级都比经济型用户要高。 由于高的 QOS 等级与更高的编码率和更好的编码格式相关联的，可以看出随 着 QOS 等级的增大，媒体的编码率也增大，同时 QOS 等级增加媒体的编码格 式也在改善，如对于图片的编码格式 JPEG 可以保存几百万种颜色，而 GIF 仅限于 256 种颜色，色彩丰富的图片 GIF 的图片色彩过渡生硬，而 JPEG 格 式的图片则色彩过渡自然。所以由奖赏类的用户请求的业务在同一网络上会 得到比经济类用户高的服务质量。当然奖赏类的用户比经济类的用户的支出

24、费用也要高点，但是他们获得了高优先级的服务质量。此外，一旦网络拥塞， 奖赏型用户的流量的优先级别的下降和经济型用户相比缓和的多。进一步， 奖赏型用户比经济型用户而言拥有更高的进入网络的优先权限。 3.3 加强对 QOS 自适应调整算法的计算 当系统中可使用的资源不足以提供新业务使用时，就会触发资源调整 (被服务的业务完成后，释放资源时也会触发资源调整，原理类似，限于篇 幅，不做展开)，调用优化模块进行优化。优化算法 OPTIMIZEQOS 主要是对 网络上正在服务的业务进行 QOS 等级调整，首先对经济型用户进行调整，如 果调整后资源带宽仍不够用，再对奖赏型(VIP)用户进行调整。在调整过程

25、中如果发现资源够用了，就立即返回，两种用户调整的最低级别都可以设置 但不得低于表 1 所示的最低级别。下面描述优化算法降低 QOS 指标的实现流 程，运行降低 QOS 指标的条件是系统资源不能为新业务服务且队列空的情况。 15 3.4 对 3GQOS 流程进行合理设计 QOS 自适应算法处理流程设计需要 QOS 自适应机制主要处理用户需求的 参数调整策略问题 HJ。QOS 自适应机制是 QOS 保证的范畴，可以定义为以用 户(应用)提出的 QOS 请求策略为约束条件，根据对系统和网络资源状况及环 境的检测，选择相应的应用策略，实施适当行为来保证用户可接受的 QOS 请 求(图 1)。本文的 Q

26、OS 自适应协商主要基于以下几条原则： 1.避免端到端路径包括无线链路的拥塞。 2.相对经济类型用户而言奖赏型用户会获得优先的处理。 3.无论哪种类型的用户，要确保每个流的 QOS 参数都能得到维持。 4.最大化链路的利用率并且允许在网络上的用户数也要最多。 16 图 3-2QoS 自适应处理过程 参考文献 1 李刚 3G 无线网络中的 QOS 研究 2011 年 2 谈振辉 第三代无线通信网络中业务质量管理 2010 年 3 彭伟刚 3GUMTS 网络中的 QOS 2010 年 4 张浩亮 移动通信网络的服务质量段炼 2010 年 5 朱春梅 UMTS 的端到端 QOS 体系结构与保证机制 2010 年