移動WiMAX網(wǎng)絡(luò)端到端QoS解決方案的研究

移動WiMAX網(wǎng)絡(luò)端到端QoS解決方案的研究 蔣春元 （中國電信股份有限公司廣東研究院 廣州 510630） 摘　要 本文根據(jù)移動WiMAX的組網(wǎng)特點和業(yè)務(wù)流分類，深入分析了無線承載和IP傳輸承載的QoS機制，給出了一種無線承載和IP傳輸承載的QoS對應(yīng)的映射方案，從而解決移動WiMAX系統(tǒng)中端到端的QoS問題。 關(guān)鍵詞　移動WiMAX；業(yè)務(wù)流； QoS機制 1　引言 在IEEE 802.16標準中，明確定義了移動WiMAX無線空口的QoS類型，但沒有定義端到端的QoS機制，而推廣WiMAX技術(shù)的關(guān)鍵之一是要求能夠為語音、視頻等多媒體業(yè)務(wù)提供端到端的QoS保證。解決這個問題首先需要各網(wǎng)絡(luò)單元有效地管理本地資源，以提供滿足業(yè)務(wù)需要的端到端的服務(wù)承載，同時將應(yīng)用層的QoS參數(shù)映射成本地承載對應(yīng)的特性參數(shù)。移動WiMAX網(wǎng)絡(luò)承載包括兩部分：無線承載和IP傳輸承載。無線承載通過IEEE 802.16的QoS機制提供服務(wù)，IP傳輸承載則采用DiffServ或者IntServ等IP網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)來保證QoS，為用戶提供的語音、視頻等多媒體業(yè)務(wù)需要解決端到端的QoS問題。這就要求移動WiMAX網(wǎng)絡(luò)能夠有效地管理本地資源，并能將業(yè)務(wù)層的QoS參數(shù)映射成本地承載對應(yīng)的特性參數(shù)，以提供滿足業(yè)務(wù)需要的端到端的服務(wù)保障承載。本文首先對無線承載及IP承載的QoS機制進行概述，然后提出如何將無線承載和IP承載的QoS參數(shù)進行映射，實現(xiàn)端到端的QoS。 2　無線承載部分QoS的實現(xiàn) 2.1　業(yè)務(wù)流分類 在移動WiMAX網(wǎng)絡(luò)中，用戶業(yè)務(wù)必須映射成IEEE 802.16e標準中的業(yè)務(wù)流進行傳輸，這些業(yè)務(wù)流可以有不同的QoS屬性。空口協(xié)議中規(guī)定了5種QoS業(yè)務(wù)類型: UGS（主動授予帶寬業(yè)務(wù)）、ertPS（擴展的實時輪詢業(yè)務(wù)）、rtPS（實時輪詢業(yè)務(wù)）、nrtPS（非實時輪詢業(yè)務(wù)）、BE（盡力而為的業(yè)務(wù)）。IEEE 802.16e標準中空口的QoS定義已經(jīng)比較完善，這里只做簡單介紹，不再詳述。 2.2　業(yè)務(wù)流的QoS單元 基于IEEE 802.16標準和WiMAX Forum NWG網(wǎng)絡(luò)規(guī)范第二階段的架構(gòu)參考模型，QoS功能模型包括下列功能單元。 · SS（用戶站）和ASN（接入網(wǎng)絡(luò)）：移動WiMAX網(wǎng)絡(luò)必須支持ASN發(fā)起的業(yè)務(wù)流建立、修改以及刪除。SS可以但不是必須具備這個功能，當然SS必須能夠正確地響應(yīng)ASN發(fā)起的業(yè)務(wù)流行為。 · 歸屬地NSP（H-NSP）的策略功能（policy function，PF）和相關(guān)策略數(shù)據(jù)庫。所有WiMAX QoS 屬性都是通過PF下發(fā)的。統(tǒng)一的QoS Profile被應(yīng)用到GW、BS、SS上。PF根據(jù)這些策略決定業(yè)務(wù)請求是否被許可。 · 應(yīng)用功能（application function，AF）：AF可與SS在應(yīng)用層協(xié)議上交互，從而觸發(fā)業(yè)務(wù)流。 · AAA服務(wù)器：AAA服務(wù)器存儲用戶的QoS Profile以及相關(guān)的策略規(guī)則，這些信息由兩種方式獲得：一是在用戶進入網(wǎng)絡(luò)的時候下載給SFA（service flow authorization，業(yè)務(wù)流授權(quán)）作為鑒權(quán)和授權(quán)過程的一部分，SFA根據(jù)用戶Profile評估業(yè)務(wù)請求；二是提供給歸屬地PF，歸屬地PF根據(jù)用戶Profile評估業(yè)務(wù)請求。 · 業(yè)務(wù)流管理（service flow management,SFM）：SFM邏輯實體位于ASN內(nèi)，它負責創(chuàng)建、許可、激活、修改以及刪除802.16的業(yè)務(wù)流。 · SFA：SFA邏輯實體位于ASN內(nèi)，它基于資源管理策略負責網(wǎng)絡(luò)級的許可控制。 · 網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)允許對業(yè)務(wù)流的定義進行管理。 對于QoS屬性和相關(guān)的策略從AAA下載到SFA的情況，如果這些信息由歸屬AAA服務(wù)器定義，再傳送給歸屬PF，那么QoS屬性值以及QoS策略算法就由NSP自行確定。這些規(guī)定的信息允許PF在收到從AF來的請求時，給出業(yè)務(wù)流類型和相關(guān)參數(shù)。更進一步地，這些規(guī)定的信息必須允許PF對SS發(fā)起的業(yè)務(wù)流做授權(quán)判定。根據(jù)運營商的需求，規(guī)定的信息可以包含用戶優(yōu)先級，以滿足不同的優(yōu)先級需要，例如當系統(tǒng)無線資源超過門限時，可以利用用戶優(yōu)先級考慮先拒絕何種業(yè)務(wù)流。 用戶的QoS屬性用來判斷是否可以授權(quán)SS或者BS發(fā)起的動態(tài)請求，這些動態(tài)請求包括創(chuàng)建、準入、激活以及修改和刪除業(yè)務(wù)流。 3　IP承載部分QoS的實現(xiàn) 現(xiàn)有的IP網(wǎng)絡(luò)主要有如下兩種QoS服務(wù)機制。 IntServ模型?；舅枷胧窃趥魉蛿?shù)據(jù)之前，根據(jù)業(yè)務(wù)的QoS需求進行網(wǎng)絡(luò)資源預(yù)留，從而為該數(shù)據(jù)流提供端到端的QoS保證。在流傳輸路徑上的每個節(jié)點為流預(yù)留并維護資源，并建立和保存該服務(wù)的信息。這種模型的優(yōu)點是能提供端到端的絕對的QoS保證，但耗費的資源很多，目前很少在網(wǎng)絡(luò)中運用。 DiffServ模型?；舅枷胧窃诰W(wǎng)絡(luò)的入口處為每個數(shù)據(jù)包分類，并在數(shù)據(jù)包中標記相應(yīng)的區(qū)分服務(wù)代碼點（DiffServ code point，DSCP），用于指示數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)路徑的中間節(jié)點上被處理的方式。在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的核心路由器中只保存簡單的DSCP與PHB（每跳行為）的對應(yīng)機制，根據(jù)數(shù)據(jù)包頭中的DSCP值對數(shù)據(jù)包進行相應(yīng)的優(yōu)先級轉(zhuǎn)發(fā)，而業(yè)務(wù)流狀態(tài)信息的保存與流量控制機制的實現(xiàn)等都在網(wǎng)絡(luò)邊界節(jié)點進行，內(nèi)部節(jié)點是與狀態(tài)無關(guān)的。 IP DiffServ是目前比較常用的一種IP層QoS保證機制。IP包用什么樣的DiffServ區(qū)分服務(wù)標識是在剛進入網(wǎng)絡(luò)時決定的。網(wǎng)元根據(jù)IP包的DiffServ區(qū)分服務(wù)標識執(zhí)行相應(yīng)的優(yōu)先級。DiffServ方法允許為不同等級的業(yè)務(wù)預(yù)留網(wǎng)絡(luò)資源，而不是像RFC2475中定義的為每個業(yè)務(wù)流預(yù)留資源。 IP DiffServ最有代表性的服務(wù)等級(業(yè)務(wù)類別)如下。 · 快速轉(zhuǎn)發(fā)(EF)：有一個單獨的碼點(DiffServ值)，EF可以把延遲和抖動減到最小，提供符合服務(wù)質(zhì)量的最高等級。 · 保證轉(zhuǎn)發(fā)(AF):有4個等級，每個等級有3個下降過程(總共有12個碼點)。當發(fā)生擁塞時，分組的丟棄優(yōu)先級將決定在某一AF等級中各分組的相對重要性。 在移動WiMAX中，對一個指定的用戶，可以利用IP DiffServ機制實現(xiàn)業(yè)務(wù)流內(nèi)不同IP包的優(yōu)先級，或者根據(jù)DiffServ類別建立業(yè)務(wù)流。舉例來說，某個用戶預(yù)定義的一個業(yè)務(wù)流可以用來攜帶多種不同優(yōu)先級的業(yè)務(wù)，這些業(yè)務(wù)的優(yōu)先級根據(jù)DiffServ區(qū)分服務(wù)標識確定。另一方面，也可以動態(tài)創(chuàng)建攜帶不同DiffServ服務(wù)類別的業(yè)務(wù)流，如動態(tài)建立一個UGS的業(yè)務(wù)流來進行語音呼叫，該語音業(yè)務(wù)用DiffServ的EF類別來標識（在RFC2598中定義）。 在EF情況下，DiffServ區(qū)分服務(wù)標識用來區(qū)別在一個業(yè)務(wù)流內(nèi)IP包的優(yōu)先級并配合完成包的調(diào)度。該方式在BS和SS本地實現(xiàn)。在AF情況下，DiffServ區(qū)分服務(wù)標識僅用來將包分類到不同的業(yè)務(wù)流，這種情況發(fā)生在數(shù)據(jù)包進入BS或SS時，這些數(shù)據(jù)包的區(qū)分服務(wù)標識是應(yīng)用層或其他網(wǎng)絡(luò)實體標記的。 4　端到端QoS的實現(xiàn) 為了更好地說明端到端QoS，把移動WiMAX網(wǎng)絡(luò)端到端的QoS承載分段（見圖1）如下：無線承載（MS與基站之間的空口）、接入網(wǎng)承載（從基站到ASN出口網(wǎng)關(guān)之間的IP數(shù)據(jù)通道）、核心網(wǎng)承載（ASN出口網(wǎng)關(guān)到對端ASN出口網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)通道），對服務(wù)質(zhì)量的需求在網(wǎng)絡(luò)的不同部分被映射到不同的承載，分段進行QoS的保證。 · 用戶簽約時根據(jù)業(yè)務(wù)類型確定對服務(wù)質(zhì)量的要求，并存儲在AAA Server的用戶配置文件中。 · 用戶接入移動WiMAX網(wǎng)絡(luò)認證通過后，ASN-GW根據(jù)AAA授權(quán)用戶簽約信息中的QoS 屬性進行接入控制和資源預(yù)留，接入控制包括檢查BS剩余帶寬是否能滿足用戶接入，接入控制和資源預(yù)留成功后ASN-GW通知BS進行接入控制和資源預(yù)留，BS根據(jù)空口和本地資源情況對業(yè)務(wù)流的建立進行控制和資源預(yù)留，預(yù)留成功后通過動態(tài)帶寬修改流程通知MS建立相應(yīng)空口連接。 · ASN-GW/MS進行業(yè)務(wù)流建立時，會根據(jù)業(yè)務(wù)流的類型及業(yè)務(wù)優(yōu)先級等進行DSCP值或VLAN優(yōu)先級的映射并下發(fā)到轉(zhuǎn)發(fā)面。 GW位于ASN與CSN之間，為了實現(xiàn)端到端的QoS，GW必須實現(xiàn)ASN與CSN間的QoS映射，以保證ASN、CSN間QoS的一致性。 在IP網(wǎng)絡(luò)中，IntServ模型可以提供端到端的絕對QoS保證，但耗費資源多，進而影響網(wǎng)絡(luò)整體性能，在IP網(wǎng)絡(luò)中基本沒有應(yīng)用。結(jié)合現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的實際情況，移動WiMAX網(wǎng)絡(luò)的QoS保證方案主要采用DiffServ機制，移動WiMAX網(wǎng)絡(luò)的各個網(wǎng)元在建立連接前進行接入控制，在各網(wǎng)元上提供QoS保證；在ASN-GW和SS（WiMAX網(wǎng)絡(luò)的兩個邊緣設(shè)備）上支持根據(jù)業(yè)務(wù)QoS Profile映射DSCP值并重標記IP頭ToS域的功能，使IP網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備可以根據(jù)數(shù)據(jù)包頭部的DSCP值對數(shù)據(jù)包進行相應(yīng)的優(yōu)先級轉(zhuǎn)發(fā)，在核心網(wǎng)各段網(wǎng)元都能保證QoS，從而保證相對的端到端QoS。 目前標準組在端到端QoS方面還沒有明確定義，且移動WiMAX還沒有大規(guī)模應(yīng)用，相應(yīng)的端到端解決方案都還在研究當中。綜合考慮移動WiMAX和IP的QoS保障機制，建議在移動WiMAX和核心網(wǎng)之間采用如表1所示的端到端QoS映射規(guī)則。 UGS主要用于包長固定的實時業(yè)務(wù)，在IP網(wǎng)絡(luò)側(cè)可以映射成最高優(yōu)先級，如采用IP DSCP的時候映射成EF，在采用IP ToS的網(wǎng)絡(luò)中映射成0xF0；ertPS主要用于包長不固定的實時業(yè)務(wù)，在IP網(wǎng)絡(luò)側(cè)映射的優(yōu)先級本來可以次之，考慮到業(yè)務(wù)的實時性，也是映射成EF流，在采用IP ToS的網(wǎng)絡(luò)中映射成0x90；對于rtPS，有一定的實時要求，但優(yōu)先級有所降低，所以在IP網(wǎng)絡(luò)側(cè)映射的優(yōu)先級次之，可以映射成AF41流方式，在采用IP ToS的網(wǎng)絡(luò)中映射成0x30，以此類推，形成較完整的映射方案。采用表1的方案后，只要IP網(wǎng)絡(luò)層面能夠提供DiffServ服務(wù)機制，配合移動WiMAX接入的QoS服務(wù)機制，就能夠?qū)崿F(xiàn)端到端的QoS質(zhì)量保證。 另一種映射方案是在IP側(cè)采用IntServ模型。其優(yōu)點是能夠為該數(shù)據(jù)流提供端到端的QoS保證；缺點是需要預(yù)先根據(jù)業(yè)務(wù)的QoS需求進行網(wǎng)絡(luò)資源預(yù)留，而且傳輸路徑上的每個節(jié)點為流預(yù)留并維護資源，對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備要求比較高，不是所有的廠家設(shè)備都支持該協(xié)議，限于篇幅，本文不再展開論述。相信隨著技術(shù)的進步，這種解決方案也有可能得到規(guī)模應(yīng)用。在IP段采用區(qū)分服務(wù)具有實現(xiàn)簡單，擴展性好的特點。目前在IP網(wǎng)中區(qū)分服務(wù)得到了絕大部分廠家的支持，其具體實現(xiàn)技術(shù)包括分類、重標記、速率限制、流量整形、擁塞避免、隊列調(diào)度等，因而對移動WiMAX的QoS業(yè)務(wù)流映射成IP段的區(qū)分服務(wù)的方案是切實可行的。 5　結(jié)束語 綜上所述，移動WiMAX技術(shù)提供了靈活的QoS機制，通過移動WiMAX的QoS與IP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等級的映射，結(jié)合IP網(wǎng)絡(luò)的QoS服務(wù)，進而實現(xiàn)端到端QoS服務(wù)，從而可以方便地開展多種電信業(yè)務(wù)。隨著移動WiMAX標準組織的不懈努力以及標準的不斷完善，相信移動WiMAX技術(shù)一定會得到廣泛的應(yīng)用。 參考文獻 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