CDMA 2000 1x EVDO Rev.A系統的QoS應用

摘要:隨著數據用戶和數據業務的迅猛發展，運營商網絡的承載壓力不斷加大，如何綜合考慮網絡資源利用最大化和用戶間公平性，是目前網絡運行商面臨的主要問題。文章對QoS概念、QoS模型、3G業務的QoS分類以及CDMA2000 1x EVDO Rev.A 端到端QoS的體系結構進行了說明，并對EVDO Rev.A系統中端到端QoS保證的系統實現進行了介紹。文章認為第三代無線通信技術CDMA2000 1x EVDO Rev.A能提供端到端的QoS解決方案，它不僅增強了對實時業務的支持，還可以大大提升網絡服務性能。

關鍵詞: EVDO Rev.A；用戶間的QoS；用戶內的QoS；端到端QoS業務

Abstract: As the number of data users and services increases, the pressure on operator networks continues to increase. Maximizing resource use and appropriately distributing resources among users are main problems faced by network operators. In this paper, QoS concept, model, and classification of 3G businesses are discussed. A CDMA2000 1x EVDO Rev. A end-to-end QoS architecture and EVDO Rev.A system end-to-end QoS guarantee is proposed. CDMA2000 1x EVDO Rev.A, a third-generation technology, can provide end-to-end QoS that supports real-time business and greatly improves the network services.

Key words: EVDO Rev.A; inter-user QoS; intra-user QoS; end-to-end QoS services

1 EVDO Rev.A QoS概述

1.1 QoS概念

QoS是網絡提供更高、更優先服務的一種能力。端到端的QoS就是保證用戶的數據在整個網絡的傳送過程中（包括從源端到目的端）得到所需要的服務質量，這實際體現了網絡的服務水平及網絡的安全性能。

衡量QoS的幾個核心的指標主要包括：

(1) 帶寬/吞吐量，表征網絡的兩個節點之間某特定應用業務流的平均速率。

(2) 時延，數據包在網絡的兩個節點之間傳送的平均往返時間。

(3) 抖動，時延的變化程度。

(4) 丟包率，在網絡傳輸過程中丟失報文的百分比，用來衡量網絡正確轉發用戶數據的能力。

(5) 可用性，網絡可以為用戶提供服務時間的百分比。

EVDO Rev.A系統的QoS可分為用戶間QoS和用戶內QoS。用戶間QoS就是把用戶區分為不同的用戶等級，高級別的用戶在系統接入、前向MAC調度、反向速率控制和資源控制(T2P)資源分配上比低級別用戶具有更高的優先權。用戶內QoS也就是用戶內不同業務的優先級調度，各種業務級別的優先級關系為加速轉發(EF)>確保發送(AF)>盡力發送(BE)。

1.2 QoS模型

Internet工程任務組(IETF)對于QoS提出兩種服務模型：綜合服務(IntServ)和區分服務(DiffServ)。

(1) IntServ

IntServ模型定義了為提供端到端的QoS保證，對網絡元素進行控制和實現這些控制的行為[1-3]。如圖1所示，IntServ模型通過資源預留協議(RSVP)在數據流的發送端和接收端之間申請端到端的資源預留。若接收端和發送端之間所有的路由節點均成功進行資源預留，則各路由節點為該數據流分配所請求的資源并保存相關的流狀態信息，端到端的連接建立起來后就可以進行數據流的傳送；若中間某路由節點拒絕了該請求，路由節點將發送一個出錯信息給接收方，并中斷信令的處理，數據流連接建立失敗。

(2) DiffServ

DiffServ模型(如圖2所示)定義了邊界節點流分類和內部節點流轉發的策略，它本質上是一種基于策略控制的優先級服務模型，網絡資源分配由總體服務策略決定，不需要逐級資源預留，從而克服了IntServ模型分布式資源預留所帶來的網絡擴展局限性。在DiffServ方案中，在網絡入口處根據服務要求對業務進行分類及流量控制，同時設置差分服務代碼點(DSCP)，并在網絡中根據實施好的QoS機制來區分每一類通信（依據分組的DSCP值）并為之服務（包括資源分配、分組丟棄策略等，統稱為PHB），DiffServ域中的所有節點都將根據分組的DSCP字段來遵守PHB。IETF定義了4種PHB服務類型，分別是盡力而為、加速轉發、確保發送及IP優先級類選擇。

邊界節點將對網絡的進行分類和調節，把進入網絡的流分成不同的類型，并將類型相同的流匯聚進行集束傳輸。因此，在區分服務中，傳輸的是流匯聚而不再是單個的流。每一組流聚集都具有相應的各自不同的流傳輸服務標準，在各個域內根據不同的媒體傳輸要求提供不同的傳輸服務。這一過程是通過區分服務中IP包頭的區分服務標記字段(DS Field)來實現的。

邊界節點通過查詢區分標記字段并將其歸入某一特定的流聚集中。區分服務模型中邊界節點的處理功能主要包括：

·接納控制，判斷是否有足夠的資源來支持相應類型的控制。

·分類器，確定源地址、目的地址、端口字段，包的類型。

·測量器，對包的速率進行測量，并根據測量結果控制標記器對數據包頭進行DSCP標記。

·標記器，對數據包頭進行DSCP標記。

·調節器，對一個分組流中的部分或全部分組進行整形處理，使該分組流符合預先制訂的傳輸調節協議。

·調度器，用來基于服務連接的包的調度發送。

IntServ模型的優點是可提供端到端的QoS保證；缺點是對路由節點的要求較高，實現復雜，對網絡擴展有很大的局限性。DiffServ模型的優點是可擴展性好，便于實現；缺點是難以提供端到端的QoS保證。一般將兩者結合起來，IntServ模型用于網絡邊緣，DiffServ模型用于核心網絡節點，共同實現整個網絡端到端的QoS保證。

1.33G業務的QoS分類

從3G業務的應用特性上進行分析，QoS一般可以分為4類，如表1中所示。

可見，不同的業務類型對QoS的要求也各不相同，EVDO Rev.A必須提供有效、多樣的QoS機制，保障用戶在不同的業務應用中都能保持良好的使用感知。

1.4 EVDO Rev.A端到端的QoS體系

結構

多數移動業務是端到端的，因此系統必須提供從終端、無線接入網、分組核心網、外部公共網的整體QoS解決方案，才能提供端到端的QoS保證[4]。第三代合作伙伴計劃2(3GPP2)定義了基于IP的端到端的QoS業務體系結構，如圖3所示。它是一個多層次的QoS業務體系結構：在應用層描述端到端的QoS業務要求，在網絡層描述IP QoS業務要求，在承載層和傳輸層則描述了底層承載和傳送的QoS要求。在不同的QoS業務層次之間，存在QoS參數的映射和傳遞。

2 EVDO Rev.A的QoS

實現和保證

2.1 EVDO Rev.A的QoS實現機制

1xEV-DO Rev. A QoS解決方案是基于3GPP2無線IP網絡端到端的QoS架構，由無線接入網提供鏈路層的QoS服務。每個用戶允許建立多個具有不同QoS特征的邏輯鏈路，以承載上層不同QoS的IP流。這種邏輯鏈路稱為服務連接。一條服務連接由一條前/反向無線鏈路協議(RLP)流、一條反向業務信道媒體接入控制(RTC MAC)流以及一條A8/A10連接組成的。調度器則是基于服務連接調度的[5]。

1xEVDO Rev.A QoS主要實現機制包括：

(1) 使用ProfileID描述QoS參數。

(2) 信令面，終端通過QoS信令請求基站預留資源，為用戶IP流建立相應的承載鏈路（服務連接）。這個過程涉及QoS授權、服務連接的建立和參數配置、通過RSVP請求分組數據服務節點(PDSN)建立包過濾器、接納控制等。

(3) 媒體面，涉及IP流的分類和承載到服務連接上，以及服務連接的調度。

2.2 EVDO Rev.A的QoS保證

1xEV-DO Rev. A QoS解決方案是基于3GPP2無線IP網絡端到端的QoS架構，需要實現端到端的網絡資源保障。下面從無線鏈路資源管理QoS保證、地面鏈路資源管理QoS保證以及多連接的處理等幾個方面來闡述EVDO Rev.A系統的QoS保證。

2.2.1 無線鏈路資源管理QoS保證

(1) 準入控制。根據業務的QoS要求和系統可用資源來判斷是否可以滿足該業務的要求，即判讀是否準許該業務的接入。一般可采用兩種準入檢測方式：簡單準入控制算法和基于時隙占用率的控制算法。簡單準入控制算法可以分別為EF業務、EF＋AF業務的標稱帶寬總和設置上限；基于時隙占用率的控制算法可以實時計算EF業務、EF+AF業務的占用時隙。應用準入控制，接入網(AN)需要檢查的系統資源有：

·Abis口帶寬

·選擇器和分配單元(SDU)子卡是否過載

·扇區帶寬

·扇區用戶數

（2）前向空口負荷控制。當前向負荷過載時，通過降低部分流的級別來實現專線用戶和其他高優先級流的QoS保證，以達到前向空口負荷可控的目的。

（3）反向空口負荷控制。根據用戶等級和業務等級的不同，設置T2P算法的輸入參數的不同取值，以達到反向負荷控制的目的，實現高優先級用戶和流的QoS保證。

（4）前向空口MAC層調度。可分為多用戶的調度及多流的調度。多用戶調度時，既要考慮系統整體吞吐量的最大化，也要考慮用戶間的公平性。對于多流的調度，不同的EF、AF、BE業務流具有不同的調度權重，優先調度權重最大的業務流。比如將流按照不同流的類型劃分為多個不同的優先級調度隊列，不同的數據流到達信道處理板后，按照類型分別放到對應的優先級隊列中，隊列間則采用優先調度算法，優先處理高優先級隊列數據。

2.2.2 地面鏈路資源管理QoS保證

EVDO Rev.A系統的DiffServ模型，通過對數據包頭的DSCP進行標記，對不同類型的業務流進行了分類聚集；差分服務是業務級別在不同數據流上的直接映射，是網絡層QoS實現的基礎。地面鏈路資源管理包括Abis鏈路管理以及各網絡節點，包括基站(BTS)、基站控制(BSC)、PDSN的流量調度管理。

(1) Abis鏈路擁塞控制

基于流的Abis鏈路擁塞控制，包括前向擁塞控制和反向擁塞控制。由于Abis帶寬可能成為瓶頸，所以Abis鏈路的前反向擁塞控制也是EVDO Rev.A端到端QoS實現中的重要一環。基于不同的Abis口物理承載，具有不同的調度算法。

·基于E1的Abis鏈路支持4個優先級隊列，從高到低分別承載信令、語音、數據和操作維護中心(OMC)報文，它們采用的是絕對優先級的調度策略。

·基于以太網的Abis鏈路也是支持4個優先級隊列，但采用的是加權輪循(WRR)調度算法。

(2) 各節點的流量調節策略

在1xEV-DO Rev.A網絡里，PDSN、BSC、BTS取了不同的流量調節策略，協調提供QoS服務。

·PDSN

PDSN根據包過濾器對前向IP流分類匯聚到A10連接上。對于每一個A10連接，還可對通用路由封裝技術(GRE)包的外部IP標記上相應的DSCP。如果PDSN和BSC之間是DiffServ網絡，那么A10包就可以得到不同的服務。

在反向鏈路中，AT可以給IP包標記上DSCP。PDSN重組反向用戶IP包后，檢查IP包的DSCP是否合法，必要時可以重新標記。如果使用的是反向隧道，用戶IP包則會通過反向隧道發送到歸屬地代理(HA)，PDSN則可以給隧道標記上相應的DSCP。

·BSC

BSC利用漏桶對前、反向RLP流進行流量整形。聚合到RLP流上的IP流，它們的ProfileID所對應的需求速率、峰值速率（突發速率）的總和就是這個RLP流上的需求速率Rrlp_req、峰值速率Rrlp_peak。

在前向鏈路中，BSC將RLP數據封裝到Abis包里，并對Abis包標記上相應的DSCP，以便在BSC和BTS間的傳輸網絡里能得到相應的QoS服務。對于反向，BSC也可以為不同的A10連接的GRE包標記上相應的DSCP。

不同的RLP流在BSC內部有不同的優先級，在前向出口處BSC可以對不同優先級的RLP流采取不同的調度策略。

·BTS

對于前向鏈路，BTS采用自適應加權算法對不同優先級的RLP流進行調度。對于反向，BTS指示AT當前扇區的忙閑程度。

2.3 多服務連接

一個用戶可以有多個服務連接，以承載不同QoS的IP流。服務連接分為主連接和輔連接。

(1) 主連接：在空口業務信道建立后可以自動建立，它是數據傳輸的缺省連接。

(2) 輔連接：當用戶請求QoS服務時，AN將創建起輔連接，用于承載QoS流。

中興通訊1xEV-DO Rev. A定義了若干套QoSClass。QoSClass是按照業務的QoS特征進行的分類，如普通應用(BE)、流媒體、語音、視頻、游戲和信令等[6]。每套QoSClass對應一套參數，包括調度參數、空口協議參數和功率控制參數等，以實現不同應用在EV-DO上的QoS服務。用戶的每個服務連接具有不同的QoSClassID。

如圖4中示所，當AN收到AT請求的ProfileID時，AN查詢OMC配置的ProfileID-QoSClassID映射表，每個QoSClassID將創建一個新服務連接，具有相同QoSClassID的IP流將被聚合到同一服務連接上。AN使用相應的QoSClassID所對應的參數與AT進行協商以建立服務連接，這些參數包括RLP流參數和RTC MAC流參數等。

3 EVDO Rev.A的QoS

應用舉例

3.1 天翼對講應用

天翼對講業務是中國電信推出的基于VoIP的一鍵通(PTT)應用，它使用高通的Qchat平臺，可實現手機對講的功能，并具有永遠在線、一按即通、群呼組呼、專業調度、超強覆蓋、通信保密等優點。

EVDO Rev.A網絡支持的增強型協議及關鍵技術可以滿足低時延、實時交互的VoIP業務對QoS的需求。

EVDO Rev.A支持3GPP2中的如下協議[5]：

·Multi-Flow Packet Application (MFPA)

·Enhanced Idle State Protocol

·Enhanced Access Channel MAC Protocol

·Enhanced Control Channel MAC Protocol

·Subtype 3 Reverse Traffic Channel MAC Protocol

·Enhanced Forward Traffic Channel MAC Protocol

·Subtype 2 Physical Layer Protocol

·Generic Attribute Update Protocol (GAUP)

EVDO Rev.A的增強協議支持如下關鍵技術：

·前向MAC引入多用戶包。由于單語音包比較小（20字節左右），如果一個MAC包只包含一個用戶語音包的話會造成空口帶寬的巨大浪費，所以前向MAC引入了多用戶包，即一個前向MAC包中可包含多個用戶的安全層包。多用戶包的MacIndex標明了包的長度。

·反向物理信道引入“子幀”概念。一個子幀持續4個時隙，前向混合自動重傳請求(HARQ)信道則針對子幀進行了確認，大大縮短了反向空口的傳輸時延（從26.667 ms縮短到了6.667 ms）。

·接入參數消息增加EnhancedAccessParametersIncluded等域。探針的前綴部分的長度可大大減少，由若干幀減少到4或16時隙。

·RLP增加非重傳模式（FlowNNNakEnableFwd/Rev=0）。因為對于話音業務而言，由于時延較為敏感，在允許一定的丟包率條件下，一般去使能重傳機制。

·尋呼更快。增強空閑(IDLE)協議中，尋呼周期可以更短，而不是固定為5.12 s，這更適合于話音業務（尋呼周期也可以更短以便更好地支持PoC業務）。

·虛擬切換更快。反向增加數據資源控制(DSC)子信道，和數據速率控制(DRC)子信道配合使用。

·基于信令信道承載的數據業務。允許使用控制信道、接入信道等非業務信道來傳送業務數據，這使得QChat的起呼信令可以在業務信道建立之前就開始交互。避免了先建立業務信道，再使用業務信道傳送起呼信令這種串行模式所帶來的延遲。

3.2 用戶等級差異化應用

隨著3G用戶的高速增長以及業務應用趨于多樣化、復雜化，如何利用有限的無線資源創造更多的運營價值是電信運營商非常關心的問題。從目前3G網絡用戶的使用情況來看，極少部分的大流量用戶占用了大量的網絡資源，極大增加了網絡的負擔，其結果是其他大部分用戶只能占用少部分的資源，用戶使用感知受到嚴重的影響。對于這部分高流量用戶，有必要減少他們的資源占用。另一方面，一些行業用戶、政企用戶等高端用戶對服務需求有特殊的需求，且高端用戶對運營商可貢獻更多的利潤，對這部分用戶需要提供更好的服務以保證高端用戶對電信運營商的忠誠度以及粘著度。這樣以來，在EVDO Rev.A中就可以通過對用戶的差異化、精細化QoS機制來實現用戶間的QoS應用。

在EVDO Rev.A 中可對用戶分類為專線用戶、普通用戶兩種，其中普通用戶可分為金牌用戶、銀牌用戶、銅牌用戶3個等級。專線用戶的優先級最高，通過配置的最低速率，系統保證專線用戶隨時接入，并保障專線用戶的最低速率體驗。對于普通用戶系統不保證接入，普通用戶中的BE業務可設置為3種用戶等級：

(1) 金牌用戶，具有最高的優先級，享受最高的峰值速率限制，比如可設置最高下行速率為2 Mbit/s。根據市場部門對用戶價值的劃分標準，可以將市場定義的鉆、金用戶中的需要重點保證的個人大客戶、政企優質大客戶等設置為金牌用戶。

(2) 銀牌用戶，具有較高的優先級，享受較高的峰值速率限制，比如可以設置最高下行速率為1 Mbit/s。可將一般普通用戶設置為銀牌用戶。

(3) 銅牌用戶，具有最低的優先級，享受最低的峰值速率限制，比如可設置最高下行速率為500 kbit/s。可將大流量低價值的3G無線寬帶用戶設置為銅牌。

上述3種不同等級的用戶的最高速率可以按需求進行個性化定制，并且滿足如下條件：

金牌用戶最高速率≥銀牌用戶最高速率≥銅牌用戶最高速率。

通過用戶間的QoS設置，可以讓不同等級的用戶在同等的無線環境下（相同C/I）在空口體現為不同的調度優先級。金牌用戶調度優先級要高于銀牌用戶，銀牌用戶的調度優先級又高于銅牌用戶。在中興通訊的CDMA系統中，通過配置UserRankID對應的QoSClass的參數GoSFactor，可使不同等級的用戶在空口得到不同的調度優先級。例如UserRank1的GoSFactor設置為1，UserRank2的GoSFactor設置為2，那么兩類用戶在無線環境相同的情況下，前向吞吐量比為1:2。

為體現網絡可以為金牌用戶提供更優先的服務，在某局同一近點位置（C/I接近）對金牌用戶和普通用戶進行了對比驗證測試，如圖5所示，金牌用戶的C/I=3.405，而普通用戶的C/I=3.936，普通用戶的C/I值比金牌用戶的C/I值還要稍好一些。但從測試結果看，金牌用戶大于300 kbit/s的比例高達79.87%，普通用戶則會大于300 kbit/s的比例僅為74.09%，如圖6中所示。

表2中的測試結果表明：

(1) 金牌用戶的平均速率比普通用戶每秒高130 kbit/s。

(2) 金牌用戶的≥300 kbit/s速率的比例比普通用戶高5.78%。

在同等或者略低的C/I條件下，QoS金牌用戶相對普通用戶的應用層速率有明顯優勢。如果在用戶數較多的情況下，QoS金牌用戶更能體現出“金牌”的效果來。

通過對用戶QoS的差異化設置，保障了高端用戶的使用感知，同時兼顧到低端用戶的公平性，實現了運營商對網絡資源的高效利用，也體現出運營商的精確運營水平。

4 結束語

EVDO Rev.A網絡完善的QoS機制不但可以提供網頁瀏覽、FTP下載等BE類的高速數據業務，同時也支持可視電話、VoIP、PTT等時延敏感業務。隨著3G業務的不斷豐富以及用戶需求的不斷提高，如何充分利用現有的無線資源來滿足業務的發展需要，并給用戶提供滿意的服務質量，是電信運營商需要認真思考的一些問題。

文章闡述了基于EVDO Rev.A網絡的QoS原理，并列舉了兩個目前CDMA業界較為成熟的QoS應用。隨著3G產業鏈的規模化日益成熟，更多的QoS應用會提出來，所以對于差異化QoS的應用及優化研究將是一個長期的過程。

5 參考文獻

[1] BERNET Y, FORD P, YAVATKAR R, et al. A Framework for Integrated Services Operation over DiffServ Networks[R]. IETF. RFC 2998. 2000.

[2] NICHOLS K, BLAKE S, BAKER F, et al. Definition of the Differentiated Services Field (DS field)in the IPv4 and IPv6 Headers[R].IETF. RFC 2474.1998.

[3] BLAKE S, BLACK D, CARLSON M, et al. An Architecture for Differentiated Services[R]. IETF. RFC 2475.1998.

[4] 3GPP2 S.R0079-A.v1.0.Support for End-to-End QoS-Stage 1 Requirements[S]. 2006

[5] 3GPP2 C.S0024-B.v2.0.CDMA2000 High Rate Packet Data Air Interface Specification[S].2007

[6] ZTE Rev.A QoS技術白皮書[S]. 深圳:中興通訊股份有限公司.

收稿日期：2012-02-17

作者簡介

楊召江，廣西大學無線電專業畢業，2009年獲電子科技大學EMBA碩士；中國電信股份有限公司南寧分公司副總經理、工程師；主持南寧電信整體維護工作，從事無線網絡系統維護、優化工作多年，主攻用戶感知提升；組織完成了南寧周邊高速公路DO精品網系統性優化工作，實現了桂海高速（南寧段）全程網絡視頻無縫播放；發表相關論文10篇。