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摘要：本文对QoS在EDGE中的概念及现状作了介绍，主要研究了在BSS中的无线资源分配的解决方案，重点讨论了Streaming类型业务的QoS实现并提出了综合解决方案。
1. 序言
在3G网络到来之前，GSM的无线数据业务将越来越多的被应用，EDGE无线分组业务将受到更多的要求和关注。考虑到3G的入网延迟和移动数据业务的大量需求，预计能带来高速数据传输的EDGE将在不久的将来在现网被大规模地推广和应用，终端用户也将能体验到更多的新业务类型，而QoS是这些高速数据业务的保证，它势必将作为一个重要的特性出现在EDGE网络中并让终端用户确实感觉到它的实用价值。目前，很多设备制造商在最新产品中已经引进了QoS的支持，特别是上海贝尔阿尔卡特支持QoS的EDGE产品已经领先一步在欧洲市场商用，并取得较好的商用效果。
本文主要集中在BSS中的无线资源分配的QoS解决方案上并重点讨论了Streaming类型业务的QoS实现。
2.QoS在EDGE业务中的定义
QoS（Quality of Service）即业务质量，是指对于一定的业务要求得到一定的服务质量。只有MS，SGSN，BSS都支持QoS特性，要求的业务质量才能在终端应用中最终体现出来。
2.1 QoS协商[2-3]
实现R99及以后的版本的设备才支持QoS，在R99中，引入了在SGSN、GGSN和MS，SGSN和BSS之间的QoS协商（如图1所示），并通过在核心网的传输控制和BSS的无线资源分配最终实现了QoS。
图1.QoS协商
QoS协商过程是在PDP激活的过程中完成的，以MS发起的PDP上下文建立为例，QoS的协商过程如图2所示：
图2. 手机发起的PDP上下文激活过程
1) MS发送PDP context activation request给网络端，其中携带着请求的QoS参数。SGSN根据MS要求的QoS特性，存在HLR中的用户QoS参数以及网络QoS限制最终决定MS的QoS特性并进行CAC（呼叫接入控制）和资源分配。
2) SGSN 请求GGSN创建PDP context。
3) GGSN执行内部CAC并把相应的QoS发给SGSN。
4) SGSN 通过PFC过程与BSS协商请求的QoS。BSS进行CAC过程。
5) BSS将可以支持的QoS发给SGSN，如果它与原来请求的QoS不同，SGSN决定是否最终创建其上下文并和GGSN进行更新。
6) SGSN通知MS PDP上下文的创建完成包括最终网络端能提供的QoS。
2.2 业务类型及其QoS参数[1-4]
规范中主要定义了四种QoS业务类型[2]：
conversational class：实时会话。R99不支持。例如VoIP是当前非常热门的话题。
streaming class：流业务。例如Video。
interactive class：交互式业务。例如传统的Internet应用，web浏览。
background class：背景业务。例如e-mail 下载，SMS，或者ftp下载。
其他的都可作为Best effort flow业务处理。
PFC(Packet Flow Context)是BSS和SGSN之间协商的主要内容，它是在BSS内部描述QoS特性的上下文。SGSN向BSS提供所有的PFC参数，包括ABQP（Aggregate BSS QoS Profile）和PFI（Packet Flow Identifier：标识PFC），SGSN和BSS都存储了这些QoS信息。业务所要求的服务质量是以ABQP定义的，它出现在所有QoS协商的消息中，它主要包括如下参数：
Traffic class：前面提到的四种
Guaranteed bitrate：要求得到保证的比特速率。
Delivery order：是否要求顺序发送SDU。
Reliability class：确认模式还是非确认模式。
Traffic Handling priority：对于交互式业务，指对不同媒体的SDU处理的优先权。
Precedence class：同一类业务中不同的优先等级，分高、中、低。
在MS发起的PDP激活过程中，MS在Activate PDP context request中携带了ABQP来请求相关的QoS的业务。网络端协商之后，在Activate PDP context accept中将相关的QoS参数通知给ＭS，其中包括PFI。MS收到之后再发起建立TBF(Temporary Block Flow)的过程，并且在PRR(Packet Resource Request)中指示PFI。BSS收到PRR之后，根据相应PFI在本地的PFC中找到对应的QoS参数，并据此分配无线资源以满足QoS要求。如果BSS允许MS接入，将分配的资源通知MS，MS则切换到新资源上工作，BSS通过控制上下行的调度满足QoS。
3. QoS在BSS EDGE业务中的解决方案
QoS的引进目的是支持一定的业务能以预期的效果被终端用户使用，例如当用户在线看Video时，画面是连续的。要保证业务的QoS需要在接入网和核心网都保证QoS。核心网是通过传输优先级来保证的，例如在IP传输网络中比较常用的Diffserv[5]，可以将不同的用户业务类型和吞吐量映射成IP传输优先级，以保证QoS。本文不作介绍。
接入网是BSS内通过分配足够的无线资源保证用户的QoS。这是本文讨论的主要问题。
3.1 Streaming 业务的QoS解决方案
Streaming业务有实时质量要求，对于这种业务，在ABQP中，GBR是必须要考虑的重要参数，它要求的比特速率必须得到满足。在这种业务的QoS实现时，可采用把GBR映射成无线资源分配来实现。无线资源分配体现在分配的时隙个数和在分配的时隙上和其他MS分享无线时隙时的使用份额（比率）。通常情况下，时隙数目的分配都是和MS的Multislot class相关的，而不取决于业务类型。因此，对于无线资源的分配要求主要依靠保证在分配时隙上的使用份额足够。这一点可以通过将GBR折算成在以20毫秒为单位的无线数据块传输周期内的调度次数来实现。可以估算每20毫秒MS的调度次数(cr)为：
其中
GBR：业务要求的比特率，定义在ABQP中。
：单个时隙无线传输速率。它与实时编码速率有关。
TX_EFFICIENCY：传输效率，有效传输比特百分比。考虑到包丢失对吞吐量的影响，这个参数的引进使得估算更加精确。
QoS_SAFETY_MARGIN：考虑其他因素的影响而给MS的调度次数上再留有一定的裕度使得计算的结果更为合理。
简单举例：如果编码是MCS9，那么单个时隙的编码速率是59.2Kb/s，如果GBR是119.4并且考虑丢包（TX_EFFICIENCY＝90%），Margin为10％那么该手机应该在每20ms内得到119.4×(1+10%)/ (59.2×90％)=2.4次发送或者接受数据的机会。
3.2 QoS综合解决方案
对于Interactive、background和best effort业务，没有实时质量的要求，GBR可以不考虑。对于这些业务，可以采用给他们定义不同的优先级达到控制QoS的目的。考虑所有的业务类型包括Streaming在内，根据用户的需要为每种业务定义不同的优先级，使它们在共享资源的情况下，高优先级的业务具有优先使用权，同时又兼顾每种业务的特性如Streaming的GBR映射，最终实现QoS。例如，定义4个优先级，不考虑信令等其他因素，把Streaming定义成最高优先级P1，交互式业务为P2，背景业务P3，Best Effort为P4，那么在对共享资源的MS进行调度时，从高优先级到低优先级的MS依次调度，在完成高优先级的所有MS调度之后如果还有剩余资源才继续调度低优先级的MS，并且在属于同一优先级的MS之间进行轮流调度以考虑其公平性，这样就达到了控制不同业务的吞吐量的目的。此外，其他参数也可以用这种方法综合考虑进来，例如对于ABQP中定义的参数，交互式业务还需要考虑THP（Traffic Handling Priority），对于不同的THP的交互式业务，应该允许定义不同的优先级。另外，可能Precedence Class也是用户希望能够考虑的一个参数，那么对于每一种业务都有三种不同的Precedence（high，middle，low），都可以定义不同的优先级。最终的实现有多种办法，例如可以如前所说定义总的优先级4种，每种内部又根据THP或者Precedence class分成子优先级；或者，定义更多个的优先级，允许用户根据需要对业务、THP、Precedence的组合任意作优先级的映射。
3.3应用及其意义
QoS对于实现EDGE中的高速数据业务具有重大意义。引进QoS的网络才能保证各种业务的有效应用。
这里通过一个例子来说明上述解决方案在BSS中的应用：在一个无线时隙上同时有3个MS进行下行传输，MS1进行的是streaming，MS2进行的是交互式业务，MS3进行的是背景业务。MS1的GBR是29.6Kb/s，根据估算，如果用MCS9发送数据的话，大概需要每20ms调度29.6/59.2=0.5次。因此MS1占用了该时隙一半的无线资源。MS2是交互式业务，具有比背景业务高的优先级，因此网络端总是先满足MS1的GBR，然后，根据优先级允许在已经满足MS1的情况下，允许MS2发送数据，如果仍然有资源剩余，则允许MS3发送数据。调度的结果可能是：MS1每40ms发一次下行数据，MS2也是每40ms发送一次下行数据，但是MS3从来没有数据发送，因为资源永远被高优先级的MS占用了。
可见，相对应传统的不支持QoS的平均分配资源的方案（每个MS每60ms被调度一次），QoS在BSS中的应用使得Streaming获得了更高的传输速率并保证了GBR，也使得交互式业务比背景式业务获得了相对比较高的传输速率。他们体现在终端用户那里，Video的播放非常平滑以及网页浏览的速度较高。可以预见这种优质的业务质量将会吸引到更多的用户。此外也可以看到，本文提出的方案非常简单、直接并具有实际应用价值，它使得提供QoS的BSS在资源使用上根据业务类型更加优化。
需要指出的是本文只是简单介绍了这个QoS的解决方案，实际上一个完整的QoS解决方案要复杂的多，例如在上面的例子中，MS3就无法实现传输数据的功能，这会导致终端用户的数据传输失败，因此必须引进其他机制保证低优先级的用户数据传输不被中断掉。
4. 结束语
本文介绍了QoS在EDGE中的概念、业务类型以及协商过程，提出了一种BSS内实现QoS的无线资源分配解决方案，主要针对Streaming业务提出了具体的资源分配算法。同时考虑多种业务的并存提出了QoS综合解决方案即通过进行业务和优先级映射实现不同业务的QoS区分。目前，上海贝尔阿尔卡特公司的Edge产品采用业界领先的QoS解决方案，它使得网络能够非常高效的支持了Streaming业务，特别是在网络负载高，用户量大的情况下，相对于传统的网络，吞吐量最多可提高4至5倍，并且非常稳定（基本上没有抖动），保证了Streaming业务在终端的使用效果，达到业界领先水平。
参考文献：
［1］:3GPP 44.060: “GPRS; MS-BSS interface; RLC/MAC protocol”
［2］: 3GPP 48.018: “GPRS; BSS-SGSN;GGSN ”
［3］: 3GPP 24.008: “Mobile radio interface Layer 3 specification; Core network protocols; Stage 3”
［4］:杨留清 张闽申 徐菊英，数字移动通信系统，人民邮电出版社
［5］:崔鸿雁 徐海博 张平，第三代蜂窝网络核心网的QoS技术分析，数据通信，2006年01期
