基于UTMS流媒体框架下的QoS技术研究

基于UTMS流媒体框架下的QoS技术研究
分析了UMTS流媒体业务QoS特性并研究了UTMS框架下如何建立端到端传输QoS保证确保业务的流畅度。

并展望了QoS研究领域的发展方向，即以QoE （体验质量）来对QoS进行监测和优化。

标签：UMTS；流媒体；QoS；H.264；DiffServ；IP骨干网
1 引言
移动流媒体业务是3G网络的热点业务，用户在信号覆盖范围之内便可以随时点播观看多媒体内容，满足娱乐学习等多方面需求。

随着移动流媒体业务用户的增多，对于服务提供商来说，抢占更多市场份额必须立足于保证业务的服务质量（QoS）。

无线通信方式与有线相比，性能低、稳定性差且实现方式复杂，有效地实现QoS是一个很大的挑战。

本文将分析UMTS流媒体业务QoS影响因素，并介绍QoS实现机制。

2 UMTS流媒体业务QoS特性与影响因素
从客户观赏的角度来看，流媒体业务的QoS包括画质和流畅度，QoS可以从空间和时间两个不同的向量上来定义，分为空间域质量和时间域质量。

流媒体的空间域质量是指内容数据和控制信息的完整性和准确性，空间域质量损失则引起画面错误或画质降低。

如果接收端在规定时间内没有收到重要内容数据和控制信息则造成时间域质量损失，即某一时刻画面停顿或显示错误帧。

用户可以容忍一定的空间域质量损失但要求较高的时间域质量保证。

流媒体业务QoS要求数据完整按时地被传送到接收端并被正确有序地显示，主要影响因素是延迟和延迟抖动，其次是比特率、丢包率等，QoS被量化为网络性能参数，如表1所示，3GPP规定了UMTS流媒体业务网络性能需求。

表1 UMTS系统流媒体业务网络性能需求
3 传输过程QoS保证机制
客户点播流媒体业务时，数据首先被压缩成RTP（实时传送协议）包在IP 骨干网上传输。

数据流经Gi接口进入UMTS域后，IP包被压缩成PDCP（分组数据集中协议）包通过无线信号传送到客户端。

对于传输网络来说，QoS被定义为能够以保证业务水平方式提供某种服务的网络能力，由比特率、延迟、抖动和丢包率等参数衡量，QoS保证机制即部署QoS参数的过程。

IP骨干网和UMTS 系统利用不同的方法来满足业务的QoS要求，在接口处QoS参数要进行映射来满足一致性要求。

当端到端的QoS建立起来后要对其维护和管理，以维持业务开展时段内的流畅性。

3.1 IP骨干网QoS保证机制
IP QoS在具体实现中常常被简化为CoS（服务等级）的概念，按照预先定义好的服务等级，具有相似QoS要求的业务被划分为一个等级提供相应的网络能力。

IP骨干网采用DiffServ（区分服务）技术提供QoS保证。

DiffServ限定四种基本业务类型将不同业务进行分类，提供相应的转发处理（下一跳PHB）优先级。

有两种转发方式：
EF（加速转发）：提供最高等级的QoS，用于语音会话业务。

AF（保证转发）：可以分成四个子类型，每个子类型包含三个丢弃优先级，每个子类型都分配有相应的网络带宽和缓冲。

DiffServ为流媒体业务提供最高等级的保证转发服务，当链路不能保证带宽时，路由器会丢弃其他类型的数据报，保证流媒体业务所需要的传输能力。

如表2所示，GGSN（网关GPRS支持节点）将DiffServ 类型映射为UMTS 业务类型。

表2 DiffServ 与UMTS 业务类型映射关系
3.2 UMTS系统QoS保证机制
与IP骨干网相似，UMTS系统定义4种业务类别：会话、流、交互和背景，根据延迟的不同要求提供所需的网络能力，以相应的QoS参数值来表示。

参数值包括：业务类型、最大比特率、保证比特率、SDU（最大业务数据单元）、SDU 错误（丢包率）和传输延迟等。

UMTS 系统类各部分通过PDP（分组数据协议）上下文多次协商确定可以共同支持的端到端QoS参数，协商好的参数集由承载来实现。

承载是已分配的网络资源的集合，它形成了一个能实现QoS要求的传输通道。

3GPP定义了端到端承载/QoS体系结构，由下层的承载业务来实现上层的承载业务的QoS要求。

3.3 无线信号传输QoS保证机制
妨碍无线信号传输的原因很多，地形、建筑、天气等外界因素等都会对电波的传播距离、信号强度和衰减产生影响。

无线电波的传输是由RB（无线承载）业务承载的，在无线信号传输时，RNC（无线网络控制器）将RAB（无线接入承载）业务QoS 映射到RB（无线承载业务）。

RB采用RRM（无线资源管理）算法，通过对无线资源的有效管理和共享，保证无线通道的稳定性和无线电波传输过程的QoS。

RRM算法主要包括：切换控制、功率控制、接纳控制、分组调度和信号编码管理。

4 QoS管理机制
当端到端QoS建立后，必须对网络资源进行调整与管理，以应对网络传输能力的变化，确保在业务时段内的流畅性。

OoS管理机制一般包括如下几个部分：
（1）QoS监测：通过收集UMTS域QoS参数（最大比特率、保证比特率、SDU错误率和传输延迟等）、IP骨干网QoS参数（占用链路、丢弃和通过的分组、丢弃和通过的字节）监测是否达到了协商好的QoS要求。

（2）QoS维护：QoS维护机制将监测到的QoS与协商好的QoS进行比较，然后将比较的结果报告发给系统中相关的处理系统，对资源加以调整，以保障所要求的QoS。

（3）QoS缩放：通信过程中，如无法保障期望的QoS，则要求用户自适应地转到系统当前可提供的QoS上继续通信。

这种通信过程中QoS动态地变更称为QoS缩放。

5 结语
本文分析了UMTS系统流媒体业务QoS的特性，总结出QoS影响因素，主要包括：比特率、丢包率、延迟和延迟抖动等。

UMTS系统提供了端到端QoS 保证机制以保证业务传输过程的有效性和时效性。

现有的机制是从网络系统的性能来考虑的，只是一个技术概念。

从消费者的角度来讲，对业务的体验度才是QoS的真实衡量，这样在该领域就引入了QoE（体验质量）的概念。

消费者对一些体验性指标如服务接入性、连续性和系统响应时间等也认为是QoS的一部分。

流媒体服务提供商将QoE作为QoS的衡量指标对QoS进行管理和优化，对如何测量QoE以及QoS与QoE的映射将是该领域的下一步研究重点，以提供更好的QoS。

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