CDMA2000 1x EV-DO网络技术 引言 全IP化是CDMA2000网络的发展趋势，这一趋势首先在核心网的演进中得到体现。3GPP2定义了基于全IP的CDMA2000核心网结构，其中借鉴了IETF有关IP网络的传送、控制和管理机制，并引入了IMS以支持实时多媒体业务。 多媒体业务对CDMA2000网络提出了不同于传统数据应用的QoS要求。CDMA2000网络除了要考虑因特网所面临的IP QoS保证问题，还要考虑无线传播特性和用户移动性等对业务QoS的影响。 1x EV-DO Release 0版本最初是为了提供非实时的高速分组数据业务而设计的，对QoS业务缺乏明确的功能需求；在Release 0增强中增加了对业务或用户的优先级区分功能；在Release A中设计了端到端的QoS业务体系，以支持实时多媒体业务。 QoS评价指标 由于网络带宽的限制、网络处理传送延迟或网络拥塞等原因，数据分组在网络中传送时会造成传送延迟和延迟抖动，使得用户听到的话音或看到的图像会出现不连贯甚至中断的现象。在评价业务服务质量时，也常常从带宽、延迟及延迟抖动等方面进行分析。 带宽表示通信系统在单位时间内传送的平均数据量，它反映了系统的传送能力，有时也作为系统容量的主要评价指标。CDMA系统带宽受限于空中接口带宽，而空中接口带宽是动态变化的，它与用户或业务的种类、无线传播环境以及无线资源分配机制等密切相关。 端到端的延迟是实时业务QoS的关键评价指标，它包括接入层面的延迟和非接入层面的延迟。接入层面的延迟主要包含链路层和物理层的传送处理延迟，非接入层面的延迟主要包括网络传送延迟和媒体格式转换处理延迟等。 数据传送中的延迟抖动也会严重影响实时业务的质量。比如，语音分组以近似等间隔从源端发出，但在网络传送过程中的排队和处理延迟会存在差异，使其不再是等间隔的到达目的端。 差错率表示一段时间内传送出错的数据分组占所传送数据分组的比率，它是衡量信道传送可靠性的关键指标，业务数据的传送形式不同，差错率的表现形式也存在差异，常用的差错率如误帧率、误包率及误比特率等。 QoS服务模型 IETF提出了IntServ（Integrated Service）和DiffServ服务模型，两者可以独立使用，也可以配合使用。IntServ用于网络边缘，DiffServ用于核心网络节点，IntServ与DiffServ相结合可以提供端到端的QoS保证。 IntServ服务模型 IntServ模型定义了为提供端到端的QoS保证，对网络元素进行控制和实现这些控制的行 124
第7章 1x EV-DO QoS机制为。根据应用对延迟的要求，IntServ模型把因特网提供的服务分为尽力而为型服务、质量保证（Guaranteed Service）型服务以及可控负载（Controlled-load Service）型服务等，并且定义了这些服务的资源共享方式和为了保证QoS而采用的策略。 IntServ模型通过RSVP在数据流的发送端和接收端之间实现端到端的资源预留。由发送端或中间路由节点向下一个中间路由节点或接收端发送携带数据流QoS要求的PATH分组；接收端或中间路由节点收到PATH分组后，保存该PATH分组中的路径状态信息，并沿着与源路径相反的方向发送一个RESV分组，该RESV分组中包含对资源预留的描述信息；当接收端或中间路由节点收到RESV分组时，通过准入控制决定是否有足够的资源满足QoS要求。如果有，就进行资源预留和存储数据流的状态信息，并将RESV分组转发给下一个路由器节点或接收端。当接收端和发送端之间所有的路由节点均成功进行资源预留时，端到端的连接就建立起来，接着可以进行数据流的传送。当数据流传送完毕，路由器可以立即释放先前设置的预留资源。 RSVP对资源的预留是端到端的，它涉及到主机和路由器等网络元素。图7-1给出了在主机和路由器中使用RSVP实现IntServ的工作原理。 主机路由器RSVP应用RSVP控路由RSVP控程序制进程进程制进程RSVP策略策略控制控制准入准入控制控制数据数据分组分组分组分组分类器调度分类器调度传输控制传输控制 图7-1 在主机和路由器中通过RSVP实现IntServ的原理图 由图7-1可知，应用数据分组通过主机或路由器的分组分类器，该分类器决定分组的路由和所要求的QoS级别，然后把具有相应路由和所要求的QoS级别的分组交给分组调度器，并按照所要求的QoS进行调度转发。RSVP信令分组通过主机或路由器的准入控制模块和策略控制模块，准入控制模块用于检查用户所请求预留的资源是否大于该节点可供使用的网络资源，策略控制模块用于检查用户所指定资源预留及其预留模式的权限。如果用户的RSVP信令分组通过上述两个控制模块的检查，则可以进入分组分类器和分组调度器设置相应的参数和状态，并控制数据分组的转发。 DiffServ服务模型 为了满足实际应用对网络可扩展性的要求，通过简化网络内部节点的服务机制和服务对象，IETF提出了DiffServ服务模型。该模型在内部节点只进行简单的调度转发，而流监控与状态维护在边界节点进行；内部节点对流聚集（Stream Aggregate）进行传送控制，对单流的 125
CDMA2000 1x EV-DO网络技术控制只在网络边界进行。 边界节点根据流规格（Profile）及其QoS要求，将进入网络的流聚合成不同的流聚集。这种聚集信息存储在IP数据分组包头的DSCP字段中，内部节点根据DSCP设置对数据分组进行调度转发，其外部行为称为PHB（Per Hop Behavior）。边界节点对单流进行聚集和内部节点对聚集流进行转发通过DSCP协同起来。IETF定义了四种PHB服务类型，分别是尽力而为型、快速传送型、确保传送型及IP优先级类选择（Class Selector）型。 DiffServ服务模型可以基于层次化网络结构实现，如图7-2所示。DiffServ域（Domain）由一些相连的DiffServ节点构成，它们遵循统一的服务策略并实现一致的PHB。DiffServ域的边界节点连通DiffServ域和非DiffServ域（或其他DiffServ域），其主要功能为：实现分组分类和调节机制，保存流（单流或聚集流）的状态信息，根据预定的流规格对输入或输出DiffServ域的流进行调节，调节机制包括测量（Metering）、标记（Marking）、整形（Shaping）、丢弃（Dropping）等操作，使输入或输出流符合预定的TCA，并在包头标记DSCP，分类归入行为聚集。内部节点根据分组包头的DSCP选择特定的PHB。内部节点的处理对象是流聚集，流聚集数量有限，因而处理时间和实现复杂度相对较低。连续的DiffServ域构成DiffServ区（Region），区内支持跨越若干个域的区分服务。区内的各个域可能支持不同的PHB，通过SLA与TCA定义域间的调节规则。 出口路由器对输出流进行调节，使其符合与下边界路由器执行传输分区域内部路由器通过调度游区域的TCA类和调节和缓冲区管理实现PHB非DiffServ Region客户网络非DiffServ Region客户网络区域与客户之间通过SLA与TCA确定服务规范区域之间SLA与入口路由器对输入流进TCA进行协商单个DiffServ Domain行调节使其符合TCA多个DiffServ Domain组成DiffServ Region 图7-2 DiffServ服务模型的结构示意图 DiffServ模型定义了边界节点流聚集和内部节点流转发的策略，它本质上是一种基于策略控制的优先级服务模型，网络资源分配由总体服务策略决定，不需要逐跳资源预留，从而克服了IntServ模型分布式资源预留所带来的网络扩展局限性。不过，DiffServ模型无法直接对单个流进行控制，它所采用的服务策略也不能保证流传送期间始终有足够的网络资源供使用，所以它不能提供端到端的QoS机制，通常用于核心网络节点。 IntServ和DiffServ混合模型 IntServ服务模型能够提供端到端的QoS保证，但是难以用于大型骨干网络；DiffServ服务模型可扩展性好，但是难以提供端到端的QoS保证。可以将两者结合起来，共同实现整个网络的端到端的QoS保证。IETF文档RFC 2998中描述了一种在DiffServ网络上实施IntServ 126
第7章 1x EV-DO QoS机制的框架，描述了在IntServ体系架构下DiffServ网络支持端到端的QoS的方法。在该框架中，端到端的QoS通过在一个或多个DiffServ区组成的端到端的网络中应用IntServ模型来提供。DiffServ区被看作连接IntServ路由器和主机的虚链路，从而实现IntServ区与DiffServ区之间的无缝互操作。为了实现这一功能，要求DiffServ区的边界节点必须支持IntServ服务模型，在DiffServ区内部则使用标准的PHB来调用这些服务。注意，DiffServ区可以透传RSVP消息，也可以对RSVP消息进行处理。 端到端的QoS体系结构 多数移动业务是端到端的，系统必须提供从外部网、分组核心网、无线接入网以至终端的整体QoS解决方案，才能提供端到端的QoS保证。3GPP2定义了基于IP的端到端的QoS业务体系结构，如图7-3所示。它是一个多层次的QoS业务体系结构：在应用层描述端到端的QoS业务要求，在网络层描述IP QoS业务要求，在承载层和传输层则描述了底层承载和传送的QoS要求。在不同的QoS业务层次之间，存在QoS参数的映射和传递。 图7-3 3GPP2定义的端到端的QoS业务体系结构 端到端的QoS机制 端到端的QoS对应于端到端的QoS业务体系结构的第一层。通信双方的应用层协商业务的端到端的QoS参数属性，并通过相应的业务数据流、控制流或状态流发送给传送网络 层。 IP QoS机制 IP QoS业务对应于端到端的QoS业务体系结构的第二层。在CDMA2000网络中，要求在终端与核心网实现IP QoS。 网络侧可以考虑采纳DiffServ或IntServ服务模型，终端侧要求支持对IP QoS属性的协 127
CDMA2000 1x EV-DO网络技术商和识别功能。 承载层与传送层QoS机制 承载层QoS位于端到端的QoS体系结构的第三层，它包括外部网承载、分组核心网承载和无线接入网承载三部分。无线接入网承载又分为R-P承载和接入承载。 外部网承载层与核心网承载层的QoS与所采用的链路层传送协议有关。解决R-P承载层和传送层的QoS问题，可以采用过量配置，也可以采用DiffServ服务模型。无线接入网主要采用了以下QoS控制机制： （1）准入控制：根据业务的QoS要求和系统可用资源来判断是否可以满足该业务的要求，要求对系统负载情况有准确的了解。 （2）负载控制：分组业务的突发性给准入控制带来困难，可能导致准入控制不准确；终端移动也会造成系统负载的变化。当系统负载发生变化，需要通过负载控制机制来调整系统的负载。 （3）功率控制：快速精确的功率控制是实现CDMA系统高效工作的基础，CDMA系统的大容量，通话高质量，终端低功耗等许多特性都和功率控制密切相关。功率控制可以克服同频干扰和远近效应，提高网络服务质量。 （4）无线资源管理或预留：为了保证某些高级业务用户的接入和服务质量，可以为其预留资源，比如预留一部分无线资源给软切换。 （5）调度策略：根据业务或用户的优先级决定输出的先后顺序，优先级通常与业务或 用户的类型、QoS要求、对应无线链路的质量、系统可用资源量或队列长度等因素有关。注意，链路层调度优先级与IP QoS优先级不同，前者通常是连续的，而后者只包含少量的等 级。 1x EV-DO QoS实现机制 1x EV-DO QoS简介 1x EV-DO Release 0版本是为了提供对非实时的高速分组数据业务而开发的，系统优化的目标是容量的最大化，它不具有QoS业务提供能力。在美国高通公司提出的Release 0增强版本中，引入了用户间和用户内多种业务优先级的区分功能，并通过软件升级实现，但是缺乏对端到端的QoS业务的支持。 1x EV-DO Release A版本是为了提供高速实时多媒体分组数据业务而开发的，要求提供端到端的QoS业务。3GPP2定义了基于1x EV-DO承载网的端到端QoS业务参考模型，如图7-4所示。它包括承载平面和控制平面，承载层面对应于1x EV-DO承载网络；控制平面主要由IP多媒体域组成，其中包含QoS策略管理和控制功能实体（Policy Decision Function，PDF）。 为了提供端到端的QoS业务，系统可以通过主业务实例和辅助业务实例来协商业务的QoS参数属性。系统为每个业务实例都分配资源。其中主业务实例在业务连接初始建立时创建，缺省的QoS配置为尽力而为类服务；辅助服务实例用于协商高于尽力而为类的QoS属性。QoS属性基于用户的请求，受限于用户的QoS配置和本地策略。根据业务请求的QoS属性，终端可以建立一个或多个辅助服务实例。 128
第7章 1x EV-DO QoS机制 图7-4 3GPP2定义的基于1x EV-DO的端到端的QoS业务参考模型 1x EV-DO终端的形式是多种多样的，其所支持的功能也各异，最基本的QoS要求如下： （1）若终端支持SIP会话功能，则要求支持SIP会话中的QoS预处理； （2）能通过辅助业务实例或专用信令与PDSN进行QoS参数协商，并把IP QoS要求与相关的数据流进行绑定。 Release A版本QoS介绍 与Release 0相比较而言，Release A的QoS得到了较大的增强。结合1x EV-DO互操作规范IS-878-A及CDMA2000无线IP网络规范IS-835-D，Release A版本提出了完整的QoS架构。主要体现在以下几个方面：在空中接口，引入了多IP流及多RLP流的思想，定义了相应的QoS请求机制；在RAN，重点解决多个IP流、RLP流、A8及A10连接情况下彼此间的映射关系；在PDSN，为解决每个IP流的IP QoS的资源申请，提出了业务流模板（Traffic Flow Template，TFT）、QoS规格等概念，规定了基于IP流的资源申请流程；在AAA，为区别不同用户的QoS等级，存储每个用户的QoS规格。这样，在用户进行QoS申请时，RAN会根据AAA的QoS规格来决定是否响应及授权该用户所申请的QoS等级。下面首先简略地描述一下前、反向QoS的处理过程，然后分别介绍各个逻辑实体在其中所起的作用。 从AT向PDSN的反向QoS流处理过程为：首先，AT根据不同业务应用的QoS要求，将各种应用划分为多个IP流的组合，并在每个IP流的数据包头加上DSCP信息域，以标识该数据包在IP网中的路由、处理及资源分配优先级；然后，AT会根据一定的映射关系，将多个IP流映射到一个或多个RLP流上，经过空中接口各协议层数据封装，最后以反向业务信道数据分组的形式通过发射天线发射出去；RAN收到该数据分组后，去掉空中接口各协议层的开销信息后，在RLP层得到RLP流，然后根据其内部的映射算法，将不同RLP流映射 129
CDMA2000 1x EV-DO网络技术到一个或多个A8连接及A10连接上，并发送给PDSN；PDSN收到加入DSCP标识的IP数据分组后，或直接将来自RAN的数据分组路由到IP网中；或重新标注DSCP优先级，然后发送给外部IP网。 从PDSN向AT的前向QoS流处理过程与反向QoS处理大致相同。 1x EV-DO Release A前、反向QoS处理流程如图7-5所示。 图7-5 1x EV-DO Release A前、反向QoS处理流程 空中接口QoS处理 1x EV-DO分组核心网引入了IP流的概念，以支持多种IP QoS业务。具体实现时，将每种业务看成是由一个或多个IP流复合而成的，这样对业务的QoS支持就转化为对相应IP流的QoS支持。 一个IP流是一系列共享某特定IETF协议实例的数据分组集合。例如，一个RTP流包含享有同一RTP/UDP/IP协议实例的数据分组，这些数据分组使用相同的源、目的IP地址和UDP端口号。 在Release A中，每个IP流用一个名为ReservationLabel的参数标识。对于单个用户而言，可以在前向、反向链路分别定义多个ReservationLabel，即单个用户在前、反向可以同时支持多个IP流。 在Release 0中，支持单个RLP流，RLP流QoS的控制通过调整RLP NAK和Abort等定 130
第7章 1x EV-DO QoS机制时器参数来完成；由于Release 0的上层应用不多，因此单一RLP流对业务的QoS影响不大；随着实时IP多媒体应用的发展，将出现许多具有不同QoS要求的新应用类型，若将这些IP流复用在单个RLP流中将会使不同流的QoS的差异性得不到应有的体现，从而影响上层应用的QoS性能。 鉴于上述理由，在Release A中引入了多个RLP流，每个RLP流的参数可以单独设置，以满足不同应用的QoS要求。具体实现时，每个RLP流由FlowID来标识，可以单独设置每个前、反向RLP流的FlowID。 由于每个IP流及RLP流都有多种参数和属性，这些参数和属性彼此间是独立的，因此Release A定义了相应的消息，可以对每个IP流及RLP流的属性单独进行协商和配置。 为了使PDSN知道AT当前所支持的前向IP流情况，AT在建立、更新、删除一个流时，会发送流的上层协议支持情况及IP地址和UDP端口号等信息。这样一个包含流的信息域被称为TFT。TFT的信息是终端通过Resv消息来传递的。每个TFT信息域包含一个或多个分组过滤器，用于指示对不同的前向流的处理。分组过滤器包含FlowID、目的IP地址、目的端口号、协议类型及业务类型等字段。 在3GPP2规范中，定义了RLP流和IP流参数属性的协商消息。其中，IP流的参数属性协商消息使用前缀ReservationKK表示，见表7-1；RLP流的参数属性协商消息使用前缀FlowNN表示，见表7-2。 表7-1 IP流的参数属性协商消息 属 性 含 义 ReservationKKIdleState 指示当空中接口连接关闭时该IP流是否自动进入关闭状态，缺省为开状态 ReservationKKQoSRequestQoS 对于该流的空中接口相关BLOB相关的QoS 资源申请，具体消息格式由IS-835-D定义 ReservationKKQoSResponse AN所授权的该流 BLOB对应的QoS 参数与资源，具体消息格式由IS-835-D定义 表7-2 RLP流的参数属性协商消息 属 性 含 义 FlowNNNakEnableFwd/Rev 允许该流使用NAK确认机制 FlowNNAckEnableFwd/Rev 允许使用ACK确认机制 FlowNNFlowProtocolIDFwd/Rev 允许使用的协议栈，诸如HDLC/PPP，ROHC FlowNNPhysicalLayerNakEnableRev 低层的重传允许 FlowNNActivatedFwd/Rev 流是否被激活 FlowNNSequenceLengthFwd/Rev RLP序列号长度（6、14或22bit） FlowNNFlowProtocolSDUFwd/Rev 该流的 SDU发送方式：基于字节流还是数据包流 FlowNNDataUnitFwd/Rev 该流的RLP序列单位是采用字节流还是帧流来标识 FlowNNRouteProtocolIDFwd/Rev 该流使用的路由协议是ROHC或NULL FlowNNRouteProtocolSDUFwd/Rev 该流使用的路由协议是字节流还是分组流 FlowNNOutOfOrderDeliveryToFlowProtocolFwd 该流对应的RLP层数据包是否允许有序或无序发送 FlowNNOutOfOrderDeliveryToRouteProtocolFwd/Rev 该流对应的路由数据分组是否可以有序或无序发送 FlowNNTimersFwd/Rev 该流对应的RLP Abort、Flush及Ack等定时器的设置 FlowNNReservationFwd/Rev 该流所允许承载的IP流的集合 131
CDMA2000 1x EV-DO网络技术 RAN QoS处理 在多IP流及多RLP流情况下，RAN前反向QoS处理中要解决以下问题：IP流与A10连接之间的映射关系；A10连接与A8连接之间的映射关系；A8连接与RLP流之间的映射关系。 上述各种流之间的映射关系示意图如图7-6所示，其中已经形成以下结论： （1）单个A10连接可以承载一个或多个前向IP流。 （2）A8连接与A10连接是一一对应的。 （3）RLP流与A8连接是一一对应的。 注意，同一个IP流的标识在前向和反向是惟一的。 图7-6 IP流、A10连接、A8连接及RLP流之间的映射关系示意图 PDSN QoS处理 在呼叫建立阶段，当PDSN收到包含TFT信息的终端Resv消息时，PDSN分析该流对应的R-P连接是否建立。如果对应的R-P连接尚未建立，则PDSN返回‘信道不可用’的指示，拒绝该TFT；否则，PDSN返回ResvConf消息，接受该TFT。 在数据传送期间，当PDSN收到反向IP数据分组时，如果AAA中存在该用户的QoS规格，则PDSN检验是否满足QoS规格所允许的DSCP优先级。如果DSCP不满足QoS规格要求，则PDSN根据本地策略重新标识DSCP。如果DSCP没有对应的QoS规格，则PDSN利用QoS规格的缺省设置，重新标注DSCP。 在数据传送期间，当PDSN收到来自外部网络的前向IP数据分组时，PDSN先检测该数 132
第7章 1x EV-DO QoS机制据分组的IP地址是否对应于所存储的某个TFT，若对应于某个TFT，则继续分析该IP地址具体属于哪个流。如果找到对应的流，则PDSN根据RAN送来的该流与对应的A8及A10连接之间的映射关系，转发前向IP数据分组。 QoS申请过程 下面结合CDMA2000终端发起的QoS协商信令流程为例（也适用于1x EV-DO Release A），说明不同逻辑实体的QoS处理过程，如图7-7所示，包含以下步骤。 图7-7 终端发起的QoS协商信令流程 a. 建立起主业务实例（1x EV-DO系统不支持业务实例，改用IP流）。 b. PDSN向AAA发送接入请求消息。 c. AAA向PDSN返回用户所支持的QoS规格。 d. PDSN将QoS用户规格（QoS User Profile）发送给RAN。 e. 终端向基站发送流QoS请求消息（Flow QoS Request Message）。该消息的QoS_SUB_BLOB域包含了流QoS要求。 f. 基站执行QoS鉴权及准入控制，以决定空中接口是否支持该流。 g. 如果空中接口支持该流，基站将向终端发送QoS授权消息（QoS Grated Message），该消息携带了被授权的QoS_BLOB或QoS_SUB_BLOB及无线链路参数（Airlink Parameters）。该步骤会导致两种可能结果：如果空中接口需要一个新的连接来承载该流的话，基站会建立 133
CDMA2000 1x EV-DO网络技术一个新的空中接口连接；如果基站决定用现有的空中接口连接承载该流的话，则基站会重新配置与该空中接口连接的参数以承载该新流。 h. 终端收到QoS授权消息后，向基站发送确认消息。 i. 如果要求建立新的空中接口连接，则需要建立一个新的A10连接。此时PCF会向PDSN发送A11注册请求消息，该消息携带新流所对应的A10连接标识（A10 ID）及所授权的QoS参数，其中包含IP流标识及其传送方向。如果不需要建立新的空中接口连接，PCF仍然会向PDSN发送A11注册请求消息，指示当前连接所对应的A10连接标识、IP流标识及更新的QoS参数。 j. PDSN向PCF返回A11注册应答消息。 k. 终端向PDSN发送资源预留请求消息，该消息携带了该流的TFT信息。 l. PDSN返回资源预留确认消息。 参考文献 1 林闯，单志广，任丰原编著. 计算机网络的服务质量（QoS）. 北京：清华大学出版社，2004 2 RFC2998, A Framework for Integrated Services Operation over DiffServ Networks, 2000 3 3GPP2 -0 , Support for End-to-End QoS - Stage 1 Requirements, 2004 4 1x EV-DO Quality of Service. 5 QoS Support over 1x EV-DO. Qualcomm Technical Document, 2003 6 IS-856, cdma2000 High Rate Packet Data Air Interface Specification, 2000 7 3GPP2 -A, cdma2000 High Rate Packet Data Air Interface Specification, 2004 8 3GPP2 X31-20031013-016, 3GPP2 QoS Procedures: a stage 2 description 9 System QoS Support with DO Release A and IS-835D. Qualcomm Technique Documents, 2005 10 Current 1x EV-DO A QoS Status in 3GPP2 (PPT). Lucent Technique Documents, 2005 134
