移动WiMAX网络端到端QoS解决方案的研究

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1、移动WiMAX网络端到端QoS解决方案的研究 蒋春元 （中国电信股份有限公司广东研究院 广州 510630） 摘　要 本文根据移动WiMAX的组网特点和业务流分类，深入分析了无线承载和IP传输承载的QoS机制，给出了一种无线承载和IP传输承载的QoS对应的映射方案，从而解决移动WiMAX系统中端到端的QoS问题。 关键词　移动WiMAX；业务流； QoS机制 1　引言 在IEEE 802.16标准中，明确定义了移动WiMAX无线空口的QoS类型，但没有定义端到端的QoS机制，而推广WiMAX技术的关键之一是要求能够为语音、视频等多媒体业务提供端到端的QoS保证。解决

2、这个问题首先需要各网络单元有效地管理本地资源，以提供满足业务需要的端到端的服务承载，同时将应用层的QoS参数映射成本地承载对应的特性参数。移动WiMAX网络承载包括两部分：无线承载和IP传输承载。无线承载通过IEEE 802.16的QoS机制提供服务，IP传输承载则采用DiffServ或者IntServ等IP网络的技术来保证QoS，为用户提供的语音、视频等多媒体业务需要解决端到端的QoS问题。这就要求移动WiMAX网络能够有效地管理本地资源，并能将业务层的QoS参数映射成本地承载对应的特性参数，以提供满足业务需要的端到端的服务保障承载。本文首先对无线承载及IP承载的QoS机制进行概述，然后提出

3、如何将无线承载和IP承载的QoS参数进行映射，实现端到端的QoS。 2　无线承载部分QoS的实现 2.1　业务流分类 在移动WiMAX网络中，用户业务必须映射成IEEE 802.16e标准中的业务流进行传输，这些业务流可以有不同的QoS属性。空口协议中规定了5种QoS业务类型: UGS（主动授予带宽业务）、ertPS（扩展的实时轮询业务）、rtPS（实时轮询业务）、nrtPS（非实时轮询业务）、BE（尽力而为的业务）。IEEE 802.16e标准中空口的QoS定义已经比较完善，这里只做简单介绍，不再详述。 2.2　业务流的QoS单元 基于IEEE 802.16标准和WiMAX For

4、um NWG网络规范第二阶段的架构参考模型，QoS功能模型包括下列功能单元。 · SS（用户站）和ASN（接入网络）：移动WiMAX网络必须支持ASN发起的业务流建立、修改以及删除。SS可以但不是必须具备这个功能，当然SS必须能够正确地响应ASN发起的业务流行为。 · 归属地NSP（H-NSP）的策略功能（policy function，PF）和相关策略数据库。所有WiMAX QoS 属性都是通过PF下发的。统一的QoS Profile被应用到GW、BS、SS上。PF根据这些策略决定业务请求是否被许可。 · 应用功能（application function，AF）：AF可与SS在应用

5、层协议上交互，从而触发业务流。 · AAA服务器：AAA服务器存储用户的QoS Profile以及相关的策略规则，这些信息由两种方式获得：一是在用户进入网络的时候下载给SFA（service flow authorization，业务流授权）作为鉴权和授权过程的一部分，SFA根据用户Profile评估业务请求；二是提供给归属地PF，归属地PF根据用户Profile评估业务请求。 · 业务流管理（service flow management,SFM）：SFM逻辑实体位于ASN内，它负责创建、许可、激活、修改以及删除802.16的业务流。 · SFA：SFA逻辑实体位于ASN内，它基于资源

6、管理策略负责网络级的许可控制。 · 网络管理系统允许对业务流的定义进行管理。 对于QoS属性和相关的策略从AAA下载到SFA的情况，如果这些信息由归属AAA服务器定义，再传送给归属PF，那么QoS属性值以及QoS策略算法就由NSP自行确定。这些规定的信息允许PF在收到从AF来的请求时，给出业务流类型和相关参数。更进一步地，这些规定的信息必须允许PF对SS发起的业务流做授权判定。根据运营商的需求，规定的信息可以包含用户优先级，以满足不同的优先级需要，例如当系统无线资源超过门限时，可以利用用户优先级考虑先拒绝何种业务流。 用户的QoS属性用来判断是否可以授权SS或者BS发起的动态请求，这些动

7、态请求包括创建、准入、激活以及修改和删除业务流。 3　IP承载部分QoS的实现 现有的IP网络主要有如下两种QoS服务机制。 IntServ模型。基本思想是在传送数据之前，根据业务的QoS需求进行网络资源预留，从而为该数据流提供端到端的QoS保证。在流传输路径上的每个节点为流预留并维护资源，并建立和保存该服务的信息。这种模型的优点是能提供端到端的绝对的QoS保证，但耗费的资源很多，目前很少在网络中运用。 DiffServ模型。基本思想是在网络的入口处为每个数据包分类，并在数据包中标记相应的区分服务代码点（DiffServ code point，DSCP），用于指示数据包在网络转发路径

8、的中间节点上被处理的方式。在网络内部的核心路由器中只保存简单的DSCP与PHB（每跳行为）的对应机制，根据数据包头中的DSCP值对数据包进行相应的优先级转发，而业务流状态信息的保存与流量控制机制的实现等都在网络边界节点进行，内部节点是与状态无关的。 IP DiffServ是目前比较常用的一种IP层QoS保证机制。IP包用什么样的DiffServ区分服务标识是在刚进入网络时决定的。网元根据IP包的DiffServ区分服务标识执行相应的优先级。DiffServ方法允许为不同等级的业务预留网络资源，而不是像RFC2475中定义的为每个业务流预留资源。 IP DiffServ最有代表性的服务等级(

9、业务类别)如下。 · 快速转发(EF)：有一个单独的码点(DiffServ值)，EF可以把延迟和抖动减到最小，提供符合服务质量的最高等级。 · 保证转发(AF):有4个等级，每个等级有3个下降过程(总共有12个码点)。当发生拥塞时，分组的丢弃优先级将决定在某一AF等级中各分组的相对重要性。 在移动WiMAX中，对一个指定的用户，可以利用IP DiffServ机制实现业务流内不同IP包的优先级，或者根据DiffServ类别建立业务流。举例来说，某个用户预定义的一个业务流可以用来携带多种不同优先级的业务，这些业务的优先级根据DiffServ区分服务标识确定。另一方面，也可以动态创建携带不同D

10、iffServ服务类别的业务流，如动态建立一个UGS的业务流来进行语音呼叫，该语音业务用DiffServ的EF类别来标识（在RFC2598中定义）。 在EF情况下，DiffServ区分服务标识用来区别在一个业务流内IP包的优先级并配合完成包的调度。该方式在BS和SS本地实现。在AF情况下，DiffServ区分服务标识仅用来将包分类到不同的业务流，这种情况发生在数据包进入BS或SS时，这些数据包的区分服务标识是应用层或其他网络实体标记的。 4　端到端QoS的实现 为了更好地说明端到端QoS，把移动WiMAX网络端到端的QoS承载分段（见图1）如下：无线承载（MS与基站之间的空口）、接入网承

11、载（从基站到ASN出口网关之间的IP数据通道）、核心网承载（ASN出口网关到对端ASN出口网关数据通道），对服务质量的需求在网络的不同部分被映射到不同的承载，分段进行QoS的保证。 · 用户签约时根据业务类型确定对服务质量的要求，并存储在AAA Server的用户配置文件中。 · 用户接入移动WiMAX网络认证通过后，ASN-GW根据AAA授权用户签约信息中的QoS 属性进行接入控制和资源预留，接入控制包括检查BS剩余带宽是否能满足用户接入，接入控制和资源预留成功后ASN-GW通知BS进行接入控制和资源预留，BS根据空口和本地资源情况对业务流的建立进行控制和资源预留，预留成功后通过动态

12、带宽修改流程通知MS建立相应空口连接。 · ASN-GW/MS进行业务流建立时，会根据业务流的类型及业务优先级等进行DSCP值或VLAN优先级的映射并下发到转发面。 GW位于ASN与CSN之间，为了实现端到端的QoS，GW必须实现ASN与CSN间的QoS映射，以保证ASN、CSN间QoS的一致性。 在IP网络中，IntServ模型可以提供端到端的绝对QoS保证，但耗费资源多，进而影响网络整体性能，在IP网络中基本没有应用。结合现有网络的实际情况，移动WiMAX网络的QoS保证方案主要采用DiffServ机制，移动WiMAX网络的各个网元在建立连接前进行接入控制，在各网元上提供QoS保证；

13、在ASN-GW和SS（WiMAX网络的两个边缘设备）上支持根据业务QoS Profile映射DSCP值并重标记IP头ToS域的功能，使IP网络上的设备可以根据数据包头部的DSCP值对数据包进行相应的优先级转发，在核心网各段网元都能保证QoS，从而保证相对的端到端QoS。 目前标准组在端到端QoS方面还没有明确定义，且移动WiMAX还没有大规模应用，相应的端到端解决方案都还在研究当中。综合考虑移动WiMAX和IP的QoS保障机制，建议在移动WiMAX和核心网之间采用如表1所示的端到端QoS映射规则。 UGS主要用于包长固定的实时业务，在IP网络侧可以映射成最高优先级，如采用IP DSCP

14、的时候映射成EF，在采用IP ToS的网络中映射成0xF0；ertPS主要用于包长不固定的实时业务，在IP网络侧映射的优先级本来可以次之，考虑到业务的实时性，也是映射成EF流，在采用IP ToS的网络中映射成0x90；对于rtPS，有一定的实时要求，但优先级有所降低，所以在IP网络侧映射的优先级次之，可以映射成AF41流方式，在采用IP ToS的网络中映射成0x30，以此类推，形成较完整的映射方案。采用表1的方案后，只要IP网络层面能够提供DiffServ服务机制，配合移动WiMAX接入的QoS服务机制，就能够实现端到端的QoS质量保证。 另一种映射方案是在IP侧采用IntServ模型。其优

15、点是能够为该数据流提供端到端的QoS保证；缺点是需要预先根据业务的QoS需求进行网络资源预留，而且传输路径上的每个节点为流预留并维护资源，对网络设备要求比较高，不是所有的厂家设备都支持该协议，限于篇幅，本文不再展开论述。相信随着技术的进步，这种解决方案也有可能得到规模应用。在IP段采用区分服务具有实现简单，扩展性好的特点。目前在IP网中区分服务得到了绝大部分厂家的支持，其具体实现技术包括分类、重标记、速率限制、流量整形、拥塞避免、队列调度等，因而对移动WiMAX的QoS业务流映射成IP段的区分服务的方案是切实可行的。 5　结束语 综上所述，移动WiMAX技术提供了灵活的QoS机制，通过移

16、动WiMAX的QoS与IP网络服务等级的映射，结合IP网络的QoS服务，进而实现端到端QoS服务，从而可以方便地开展多种电信业务。随着移动WiMAX标准组织的不懈努力以及标准的不断完善，相信移动WiMAX技术一定会得到广泛的应用。 参考文献 1 IEEE 802.16-2004 (Revision of IEEE 802.16-2001). IEEE standard for local and metropolitan area networks part 16: air interface for fixed broadband wireless access systems 1，2004 2 WiMAX forum .WiMAX end-to-end network systems architecture，2006 3 Tackles broadband wireless QoS, 4 IEEE standard 802.16: a technical overview of the wirelessman air interface for broadband wireless access, http://circuit.ucsd.edu/~curts/courses/ECE284_F05/references/Ekl02.pdf