Источник: Журнал «Мобильные телекоммуникации» №02 (2003 г.)

Андрей Абрамов, Игорь Быков.

ОБЕСПЕЧЕНИЕ QoS В СЕТЯХ cdma2000

     Развитие существующих сетей мобильной связи к третьему поколению идет в двух основных направлениях: GSM GPRS EDGE WCDMA и cdmaOne cdma2000. Сети 3-го поколения нацелены на предоставление целого набора услуг - от традиционной телефонии и беспроводного доступа в Интернет до мультимедийных пакетных услуг. Мультисервисность предполагает новые функциональные возможности сетевой инфраструктуры, и поэтому вопросы качества предоставления услуг приобретают особую важность. Это связано с тем, что многие услуги по своей природе требуют больших полос пропускания и крайне чувствительны к временным задержкам или их девиациям. Рассмотрим сначала аспекты обеспечения качества предоставления услуг (QoS) в мобильной сети, не зависящие от способа доступа, а затем опишем специфические особенности реализации этих механизмов в сетях радиодоступа cdma2000.
     Общие принципы обеспечения QoS
     Очевидно, что обеспечение высокого и одинакового качества для всех услуг - и пакетных услуг с выраженной временной неравномерностью, и голосовых услуг с их повышенными требованиями к задержкам - является экономически неэффективным. В этом случае при проектировании и строительстве сети пришлось бы ориентироваться на предоставление услуг с наиболее высокими требованиями, а следовательно, создавать сети с большим "запасом качества", что автоматически привело бы к удорожанию услуг и ограничило их массовое использование.
     В сетях 3-го поколения все услуги делятся на несколько групп с соответствующими атрибутами качества. Так, в документах и Проекта 3GPP, и Проекта 3GPP2 [1 и 2] определены следующие классы услуг: разговорные, потоковые, интерактивные и фоновые. Определение принадлежности услуги к определенному классу и присвоение ей соответствующего профиля QoS является основой обеспечения заданного качества обслуживания в сетях 3-го поколения.
     На примере упрощенной модели рассмотрим, как обеспечивается качество предоставления услуг с точки зрения конечного пользователя. На своем пути от мобильной станции сигнал проходит сеть радиодоступа, опорную и внешнюю сеть с хост-узлом, к которому обращается пользователь услуги (рис. 1).

Рис. 1. Обеспечение QoS на всем пути следования сигнала

     Таким образом, задача обеспечения сквозного (end-to-end) уровня качества может быть разделена на несколько подзадач:
     Обеспечение требуемых характеристик сети радиодоступа.
     Каждая услуга, предоставляемая конечному пользователю, требует определенных качественных параметров сети радиодоступа, которые определяются так называемой Услугой переноса информации (Access Bearer Service). Выбор конкретной Access Bearer Service означает, что для предоставляемой услуги будут выдержаны такие, например, параметры, как максимальная полоса пропускания и задержка сигнала. Механизмы, которые управляют сетью радиодоступа в соответствии с выбранной Access Bearer Service специфичны для каждой технологии.
     Обеспечение требуемых характеристик опорной сети оператора.
     Эта задача решается с помощью установления так называемых Внешних услуг переноса (External Bearer Service). Опорная сеть может строиться на основе различных технологий с присущими им механизмами. Например, услуги External Bearer Services для IP-сетей базируются на IETF-технологиях, таких как DiffServ, IntServ, MPLS.
     Сквозные соединения, устанавливаемые при предоставлении каких-либо услуг, как правило, характеризуются такими параметрами, как начальный и конечный IP-адреса, начальный и конечный UDP/TCP-порты и т. д. Каждое такое соединение соответствует определенному QoS-требованию, выражаемому в значении требуемой ширины полосы, допустимой задержки, приоритета и т. д. Например, в SIP-сессии каждая медиа-компонента (видео, голос и т. д.) соответствует своему соединению (по крайней мере, если требования QoS для них различны).
     Обеспечение характеристик внешней сети, например сети интернет-провайдера.
     В том случае, если соответствующий узел услуг или абонент находится вне зоны контроля оператора, качественные показатели на этом участке обеспечиваются совместными соглашениями о качестве обслуживания.
     Ключевая роль шлюзового элемента в обеспечении QoS состоит в установлении соответствия между Access Bearer Service и External Bearer Service (см. рис. 1), что делает возможным применение в опорной сети, например, механизмов DiffServ. Таким образом, учет специфических параметров радиодоступа заканчивается на шлюзовом элементе. Шлюзовой элемент выполняет также ряд других задач, например, аутентификацию запроса абонента на предоставление услуги.
     Пограничный элемент, например маршрутизатор, обрабатывает входящий трафик в соответствии с соглашениями о качестве обслуживания, агрегирует и классифицирует его, а также выполняет ряд других задач в рамках обеспечения заданного параметра External Bearer Service.
     Качество обслуживания в сетях радиодоступа cdma2000
     В полной мере требованиям, предъявляемым к сетям 3-го поколения при использовании радиодоступа cdma2000, отвечает стандарт cdma2000 1xEV-DV. Для анализа обеспечения качества предоставляемых услуг полезно вспомнить путь эволюции радиодоступа cdma2000 (рис. 2).

Рис. 2. Развитие технологии CDMA

     Стандарт IS-95-A был разработан для поддержки голосовых сервисов в режиме коммутации каналов с кодовым мультиплексированием. Главная задача разработчиков состояла в обеспечении низкой задержки и постоянной скорости передачи для предоставления всем пользователям одинакового качества обслуживания. При этом скорость передачи данных составляла 9,6-14,4 кбит/c.
     Эволюция этого стандарта до cdma2000 1X опиралась на уже упомянутое выше кодовое мультиплексирование. Голосовая емкость была увеличена за счет изменения модуляции сигнала, применения более помехоустойчивого кодирования и улучшения алгоритма контроля мощности. Пиковая скорость передачи данных была повышена до 153,6 кбит/c за счет использования меньшего коэффициента сжатия сигнала для пользователей, находящихся в данный момент в благоприятных условиях (с низким уровнем потерь и помех в радиоканале).
     Важным фактором дальнейшей эволюции cdma2000 1X являлась невозможность в рамках cdma2000 1X обеспечить работу пакетных приложений, требующих гарантированного качества обслуживания (например, VoIP). Действительно, критерий выбора скорости пакетного трафика по качеству радиоканала применим лишь для приложений, не требующих каких-либо гарантий по задержке и скорости (т. е. трафика типа Best Effort), например, мобильного Интернета.
     Кроме того, ни в стандарте IS-95, ни в cdma2000 1X не возможна максимизация пропускной способности сети даже для трафика, не требующего гарантии качества. Известно, что передача пакетного трафика в условиях больших потерь и/или помех в радиоканале требует более высокой мощности передачи. Повысить скорость и пропускную способность общего радиоканала сети позволил бы учет вероятностного характера распространения сигнала, когда все мощностные ресурсы сети выделяются для обслуживания абонента, находящегося в наиболее благоприятных условиях с точки зрения отношения сигнал/помеха. Такое временное мультиплексирование (в отличие от кодового), основанное на учете вероятностного характера распространения сигнала для трафика, не требующего гарантии качества, является наиболее оптимальным. Для приложений реального времени (например, VoIP) такой подход не применим, и кодовое мультиплексирование является единственно возможным.
     Эти обстоятельства и были использованы при создании семейства стандартов cdma2000 1X Evolution - cdma2000 1xEV-DO (Data Only - только данные) и cdma2000 1xEV-DV (Data and Voice - данные и голос). В стандарте cdma 2000 1xEV-DO реализована максимизация пропускной способности общего радиоканала с использованием упомянутого выше временного мультиплексирования. В cdma2000 1xEV-DV предоставление приложений реального времени (например, голоса) и высокоскоростной передачи пакетного трафика на одной несущей достигается объединением кодового мультиплексирования cdma200 1X для приложений, требующих гарантированного качества обслуживания, и временного мультиплексирования cdma2000 1xEV-DO для трафика без гарантии качества.

Рис. 3. Распределение мощности между каналами для обеспечения услуг реального времени и пакетных услуг без гарантии качества

     Такой подход позволяет назначить более высокий приоритет приложениям реального времени путем уменьшения доли мощности, выделенной для существующих на текущий момент других соединений (скорость трафика без гарантии качества будет уменьшена). В этом случае динамическое распределение общего сетевого ресурса (выходной мощности) между приложениями, требующими разного качества обслуживания, будет оперативно отслеживать спрос на те или иные услуги в различных участках сети, в разное время суток и т. д. Распределение мощности между каналами кодового и временного мультиплексирования в зависимости от спроса на различные услуги показано на рис. 3.
     Архитектура QoS для сети радиодоступа cdma2000 приведена на рис. 4. В обеспечение QoS сети радиодоступа вовлечены следующие услуги переноса, формирующие логическое соединение:
     – услуги уровня сети радиодоступа (Radio Bearer);
     – услуги уровня операционной совместимости (IOS Bearer);
     – услуги уровня PPP (PPP Link Service).
     При этом функцию шлюзового элемента к опорной сети в стандарте cdma2000 выполняет узел коммутации пакетных данных (PDSN).

Рис. 4. Архитектура QoS сети радиодоступа cdma2000

     Уровень радиодоступа обеспечивает для опорной сети сервис переноса с соответствующими атрибутами QoS, или Экземпляр сервиса (Service Instance). Мобильная станция может иметь до шести Экземпляров сервиса, которые могут быть активизированы через Опции сервиса (Service Options) путем использования специальных сообщений сигнализации. Для пакетных услуг, не требующих гарантированного качества обслуживания, выбирается, например, Опция сервиса SO 33.
     Активизированному Экземпляру или группе экземпляров с одинаковыми атрибутами QoS присваивается физический радиоканал. Качество сервиса определяется гарантированным или негарантированным режимом. Негарантированный режим в основном применяется для передачи интернет-трафика и в случае введения приоритизации приводит к уменьшению полосы пропускания. Гарантированный режим вводит определенный уровень QoS. Контрольными параметрами являются минимальная и ожидаемая скорости. Услуги реального времени используют кодовое мультиплексирование радиоканалов версии cdma2000 1Х, в то время как услуги потоковые или интернет-доступа используют временное мультиплексирование версии cdma2000 1xEV-DO.
     Таким образом осуществляется связь между категориями высокого уровня (Экземплярами сервиса), QoS и физическими каналами интерфейса CDMA.
     На уровне операционной совместимости контроллер BSC осуществляет передачу трафика с определенным Экземпляром сервиса на интерфейс A10, который определен в эталонной модели CDMA как отвечающий за передачу пользовательских данных к узлу PDSN (рис. 5). Разрешение на установку нового Экземпляра сервиса выдается узлом PDSN. Сеть IP, обеспечивающая соединение A10, может быть рассчитана "с запасом" или иметь механизмы дифференцированных услуг.

Рис. 5. Интерфейсы сети CDMA

     На уровне PPP Link Service обеспечивается связь между потоками IP-данных и опциями сервиса CDMA, а также осуществляется контроль очередности доступа к радиоинтерфейсу.
     От услуг без гарантии качества к высокодоходным мультимедийным услугам
     Повышение скорости пакетных услуг при ограниченных возможностях контроля качества их предоставления является первым этапом на пути внедрения сетей 3-го поколения. Сети cdma2000 1Х позволяют предоставлять, например, такие услуги, как высокоскоростной доступ в Интернет, удаленная загрузка музыкального контента. Вместе с тем эволюция cdma2000 1X предполагает внедрение целого ряда встроенных механизмов (включая механизмы QoS), дающих оператору дополнительные возможности предоставления как простых пакетных услуг Интернета, так и мультимедийных услуг реального времени.
     Предоставление широкого спектра высокодоходных мультимедийных услуг в сетях cdma2000 становится возможным при внедрении стандарта cdma2000 1xEV-DV. CDMA-решения компании Ericsson, основывающиеся на высокопроизводительных платформах AXE810 и Cello, которые применяются и для технологии WCDMA, стандарт cdma2000 1xEV-DV полностью поддерживают.

ЛИТЕРАТУРА