CN100421500C

CN100421500C - 在通用移动通信系统无线接入网中改进服务质量的方法

Info

Publication number: CN100421500C
Application number: CNB038266954A
Authority: CN
Inventors: 刘晟; 赵柏峻; 胡军
Original assignee: UT SIDAKANG (CHINA) CO Ltd
Current assignee: UT SIDAKANG (CHINA) CO Ltd
Priority date: 2003-07-17
Filing date: 2003-07-17
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2023-07-17
Also published as: WO2005009065A1; CN1788514A; AU2003252519A1

Abstract

本发明提供一种在通用移动通信系统(UMTS)无线接入网中改进服务质量的方法，其中所述通用移动通信系统包括：核心网、一个或多个通用移动通信系统无线接入网(UTRAN)以及多个用户设备(UE)，其中核心网被分为电路交换(CS)域和分组交换(PS)域，所述PS域通过Iu-PS接口与UTRAN通信；所述UTRAN通过Uu接口与一个或多个UE通信，所述每个UTRAN包括多个无线网络控制器(RNC)；以及一个或多个通过Iub接口与所述RNC通信的节点B，每个节点B包括一个或多个小区，而RNC之间则通过Iur接口通信，所述方法包括如下步骤：在下行方向将来自Iu-PS的核心网标记的区分服务码点(DSCP)值应用于UTRAN内部分组的分类、调度及区分服务操作。本发明通过利用来自Iu-PS的核心网标记的DSCP值实现对QoS的进一步优化。

Description

在通用移动通信系统无线接入网中改进服务质量的方法

技术领域

本发明涉及一种在UMTS无线接入网(UTRAN)中实现改进的QoS的方法。

背景技术

UMTS(通用移动通信系统)系统是无线技术采用WCDMA的第三代移动通信系统，其标准化工作由3GPP组织完成，到目前为止已经有四个版本，即我们熟知的Release 99、Release 4、Release 5和Release 6。R5版本是全IP(或全分组化)的第一个版本，在无线接入网方面的改进包括以下方面，提出了高速下行分组接入HSDPA技术，使得下行速率可以达到8-10Mbps，大大提高了空中接口的效率；Iu、Iur、Iub接口增加了基于IP的可选传输方式，使得无线接入网实现了IP化。

在图1所示的UMTS(通用移动通信系统)网络系统结构中，核心网(CN)1通过Iu接口与UTRAN(无线接入网)2相连，UTRAN 2则通过Uu接口与UE(用户设备)3相连。图2进一步给出了UTRAN的网络结构，其中，无线网络控制器(RNC)4通过Iu接口与核心网1相连，RNC 4之间则通过Iur接口相连，一个RNC 4则与一个或多个节点B 5(节点B)通过Iub接口相连。一个节点B 5包含一个或多个小区6，而小区6是UE无线接入的基本单元。

在R99的UMTS系统中，核心网划分为电路交换(CS)域和分组交换(PS)域。图3进一步给出了PS域UMTS网络端到端的结构示意图，图中MT 12和TE 11分别表示移动终端和终端设备，SGSN(服务GPRS支持节点)14和GGSN(网关GPRS支持节点)15为PS域核心网的网元，它们之间的接口为Gn接口，SGSN14与UTRAN13的接口为Iu-PS接口，而GGSN15与UMTS网络外部分组数据网(PDN)16的接口为Gi接口。在R99的UMTS系统中，PS域核心网的架构是基于IP(互联网协议)的分组交换网，在R4/R5的UMTS系统中，核心网进一步演变为全IP的架构。由于IP网络是以提供“尽力而为”的服务为特征的，因此，如何保证用户的服务质量(QoS)，就成为UMTS网络中需要重点解决的问题。

在3GPP(第三代合作项目)的标准TS23.107中，定义了UMTS的QoS结构，如图4所示。图中UMTS承载业务由两段组成：无线接入承载(RAB)业务和核心网承载业务，而无线接入承载业务又由无线承载业务和Iu承载业务组成。根据TS23.107，Iu承载业务和核心网承载业务，可采用区分服务(DiffServ)来实现QoS，对无线承载业务，则在无线接口协议中实现QoS的需求。

UMTS承载业务QoS是基于PDP Context(分组数据协议上下文)及其所包含的QoS属性参数来实现的。PDP Context是UE一次会话过程所有相关信息集合的总称，它包括QoS属性参数、PDP类型、分配给该UE的PDP地址(对IP网络即为IP地址)、与外部PDN相连的网关(即GGSN)等信息。一个PDPContext与一个UMTS承载业务是一一对应的，UMTS支持多个使用同一PDP地址的PDP Context，每个PDP Context可以有不同QoS要求。为了区分同一PDP地址的不同QoS需求的PDPContext的分组，在UMTS中采用了TFT(业务流模板)技术。TFT是一组分组滤波器的集合，可以根据DiffServ码点、IPv6流量标记、IP源地址等区分同一PDP地址的各PDP Context的分组。TFT由UE产生并管理，其中上行方向TFT在UE中，下行方向在GGSN中(由PDP Context激活或修改过程从UE传送到GGSN中)。

图5为UE3发起的UMTS承载业务QoS的建立过程的示意图。当UE3中的一个应用要发起一次会话时，它通过API(应用编程接口)接口使下层向SGSN14发起激活PDP Context的请求(步骤S1)，在相应的消息中携带了该应用所需的QoS属性参数，如果已有相同PDP地址的PDP Context，在相应的消息中还包括用于GGSN对下行分组进行分类的TFT。在SGSN/GGSN中，将根据QoS的属性参数分配核心网承载所需的资源，另外，将该PDP Context的QoS参数映射成骨干网中的DSCP(DiffServ码点)值(若骨干网采用DiffServ提供QoS保证)，以及RAB的QoS参数(步骤S2)。之后由SGSN14向RNC4发起RAB分配命令(步骤S3)，由RNC4进一步根据由SGSN14提供的RABQoS参数建立Iu承载和无线承载(步骤S4)。这样，就在UMTS网络中建立了一条针对该UE的一个应用的UMTS承载。

为了进一步阐明本发明提出的方法，下面将简要介绍IP网络中采用的基于区分服务的QoS技术。IETF(因特网工程任务组)提出的IP QoS主要包括综合服务(IntServ)和区分服务(DiffServ)两大类，其中DiffServ因其良好的扩展性能，被认为是解决IP网络QoS问题最有前途的技术。如前所述，在UMTS中，Iu承载业务和核心网承载业务，也主要采用DiffServ来实现QoS。在DiffServ技术中，网络边缘节点对分组进行分类并标记DSCP，中间节点对分组进行分类转发中的“逐跳行为”(PHB)则由DSCP所决定。在IP网络中，DSCP所使用的域，在IPv4中即为IP头中的TOS(服务类型)域，在IPv6中即为IP头中的业务流类型(Traffic Class)域。

在DiffServ中，PHB被分为尽力而为(BE)PHB、迅速转发(EF)PHB和确保转发(AF)PHB三类，如图6所示。其中，BE PHB类的分组无需特别处理，因此是尽力传送服务；标记为EF的分组应以最小时延转发，分组丢失率也应很低；AF PHB又细分为若干子类，用AFxy表示，其中x为AF类别，据此为分组分配不同的队列，y表示分组的丢弃优先级别。同一类别即相同x的AF分组进入同一队列，当网络发生拥塞需要丢弃分组时，同一队列中丢弃优先级越低，即y值越大的分组首先被丢弃。

根据TS23.107，UMTS的业务划分为四种QoS类别，即会话类型、流类型、交互类型和背景类型，对每一种业务类型，又定义了多种反映QoS属性的参数，如图7所示。如前所述，在UMTS承载业务建立过程中，PDP Context的QoS参数被映射成基于DiffServ的骨干网中的DSCP值。3GPP对此并未规定具体的映射方案，而是留给运营商根据其网络配置、运营策略等进行配置，图8给出了典型的DiffServ的PHB类型与UMTS业务类型的映射关系。如图8所示，由于DiffServ的AF PHB类型划分较细，因此，映射为AF类的UMTS业务，还可以根据其它的QoS属性参数，如传输延迟、业务处理优先级等属性参数细分为不同的AF类别。

图9所示为R99中用户面协议栈结构，其中，关于PS域的用户面协议GTP-U/UDP/IP的详细描述，可以参考3GPP的TS23.060、TS29.060等协议；关于Uu无线接口用户面协议PDCP/RLC/MAC的详细描述，可以参考3GPP的TS25.301、TS25.321、TS25.322、TS25.323等协议；关于Iu-PS接口用户面协议GTP-U/UDP/IP/AAL5/ATM，可以参考3GPP的TS25.410、TS25.414、TS25.415、TS29.060等协议。在图9中，标记“*”的IP层表示具有DiffServ的DSCP标记，应当说明，图9中IPDiffServ只是示范性的，而并不排除其它的确保QoS的传输技术，如可以采用MPLS(多协议标签交换)或MPLS与DiffServ相结合的技术。当采用MPLS时，不同QoS的FEC(转发等价类)可以用MPLS标签值来区分，当采用MPLS与DiffServ相结合的技术时，MPLS的EXP域可以用于标记DiffServ的DSCP值。

在上行方向，如果存在同一PDP地址的多个PDP Context，UE根据TFT将来自应用的不同QoS的分组进行区分，并用不同的无线接口的无线承载传送到RNC，根据具体的实现不同，可以由RNC或者SGSN将该UE的上行方向的分组，根据已知的各RAB的QoS属性参数及一定的映射规则，标记上行方向GTP-U/UDP/IP的DSCP值。当上行方向分组到达GGSN后，GGSN还可以将GTP-U/UDP/IP上的DSCP，映射成承载在GTP-U隧道内的送往PDN的分组对应的DSCP值。在下行方向，如果存在同一PDP地址的多个PDP Context，GGSN将利用下行TFT对来自外部PDN的分组进行分类，对不同QoS需求的PDPContext的分组，根据已知的各UMTS承载业务的QoS属性参数等信息及一定的映射规则，标记下行方向GTP-U/UDP/IP的DSCP值，当下行方向分组到达RNC后，RNC利用Iu-PS接口的GTP-U隧道所对应的RAB，将下行方向分组通过无线接口传送到UE。

根据前面的分析，在RNC中可以获得两种与QoS相关的信息，即在RAB建立或修改过程中由SGSN提供的RAB的QoS属性参数，以及来自Iu-PS的核心网标记的DSCP值，其中来自Iu-PS的核心网标记的DSCP值只反映下行方向的该UMTS承载业务的QoS信息。在上述两种与QoS相关的信息中，RAB建立或修改过程中由SGSN提供的RAB的QoS属性参数是静态的，除非该RAB被修改，该参数在该RAB的整个生存期中不会改变。而来自Iu-PS的核心网标记的DSCP值是动态的，因为GGSN对下行方向GTP-U/UDP/IP分组DSCP值的标记，不但取决于该UMTS承载业务的QoS属性，根据具体实现的不同，还可能取决于其它因素，如GGSN可以根据核心网拥塞状况等参数，动态调整UMTS承载业务的QoS属性与DSCP值的映射规则。因此，在下行方向来自Iu-PS的核心网标记的DSCP值能更好地反映该UMTS承载业务的QoS特性。实际上，即使一个UMTS承载业务具有较高的QoS优先级，但如果在某时刻核心网发生拥塞，则在无线接入网中为该业务分配较高的优先级将是不合适的，因为这时该业务的某些分组在核心网中可能已经被丢弃，或产生了较大的时延，在无线接入网中为该业务分配较高的优先级将造成无线资源的浪费。

如前所述，RNC在建立或修改RAB时，根据SGSN提供的该RAB的QoS属性参数，配置相应的无线参数，创建满足其QoS要求的无线承载。但是，在该RAB的生存期中，由于无线资源和RAN中业务的变化，仍需要利用该RAB的QoS相关信息进一步优化QoS。由于在下行方向，来自Iu-PS的核心网标记的DSCP值能更好地反映该UMTS承载业务的QoS动态特性，本发明正是基于此提出了在UMTS无线接入网(UTRAN)中实现改进的QoS的方法。

发明内容

根据本发明，在此提供一种在通用移动通信系统(UMTS)无线接入网中改进服务质量的方法，其中所述通用移动通信系统包括：核心网、一个或多个通用移动通信系统无线接入网(UTRAN)以及多个用户设备(UE)，其中核心网被分为电路交换(CS)域和分组交换(PS)域，所述PS域通过Iu-PS接口与UTRAN通信；所述UTRAN通过Uu接口与一个或多个UE通信，所述每个UTRAN包括多个无线网络控制器(RNC)；以及一个或多个通过Iub接口与所述RNC通信的节点B，每个节点B包括一个或多个小区，而RNC之间则通过Iur接口通信，所述方法包括如下步骤：在下行方向将来自Iu-PS的核心网标记的区分服务码点(DSCP)值应用于UTRAN内部分组的分类、调度或区分服务的操作。

根据本发明一个方面，在通用移动通信系统(UMTS)无线接入网中，在RNC中来自下行方向Iu-PS接口RNC侧的GTP-U处理模块之前，根据来自Iu-PS的核心网标记的区分服务码点(DSCP)值，对经过AAL5/ATM处理后的IP分组进行分类；使得分类之后的IP分组进入不同优先级的IP分组队列；根据IP分组调度方法输出IP分组。

根据本发明的另一个方面，在通用移动通信系统(UMTS)无线接入网中，在下行方向对公共传输信道或共享信道的媒体接入控制(MAC)层分组调度中，利用来自Iu-PS的核心网标记的DSCP值，或将该参数与在RAB建立或修改过程中由SGSN提供的RAB的QoS属性参数相结合，或进一步结合反映当前无线资源状况的有关参数，确定各逻辑信道的优先级；把所确定的各逻辑信道的优先级应用于传输格式组合集合选择方法；以及输出MAC层分组调度。

根据本发明的再一个方面，在通用移动通信系统(UMTS)无线接入网中，所述RNC根据来自Iu-PS的核心网标记的DSCP值，或将该参数与在RAB建立或修改过程中由SGSN提供的RAB的QoS属性参数相结合，或进一步结合当前无线资源相关的信息，对从Iur/Iub接口发送出去的IP分组进行分类；按照预定规则标记DSCP值；输出IP区分服务分组，以确保下行方向的服务质量(QoS)。

由于来自Iu-PS的核心网标记的区分服务码点(DSCP)值更好地反映了相应UMTS承载业务的QoS动态特性，因此本发明通过在下行方向利用来自Iu-PS的核心网标记的DSCP值，而实现对QoS的进一步优化。应当说明，尽管本发明是以上述的三种操作为具体应用进行描述的，但本发明并不限于上述三种操作，即根据本发明，可以将来自Iu-PS的核心网标记的DSCP值单独或者与在RAB建立或修改过程中由SGSN提供的RAB的QoS属性参数相结合，应用于UTRAN中需要运用该RAB的QoS相关的信息的场合，从而实现对QoS的进一步优化。

附图说明

下面参照附图通过举例说明描述本发明的优选实施例。

图1为示出UMTS(通用移动通信系统)网络系统结构的示意图；

图2为示出UTRAN的网络结构的示意图；

图3为PS域UMTS网络端到端的结构示意图；

图4为示出UMTS承载业务QoS的体系结构的示意图；

图5为示出确保QoS的UMTS承载业务建立示意图；

图6示出DiffServ中标准PHB的DSCP建议值；

图7示出UMTS承载业务QoS属性参数；

图8示出典型的DiffServ的PHB类型与UMTS业务类型的映射关系；

图9为示出R99中用户面协议栈结构的示意图；

图10为示出根据本发明的下行方向Iu-PS接口RNC侧GTP-U处理单元前的IP分组队列示意图；

图11为示出根据本发明的下行方向公共传输信道/共享信道MAC层分组调度；

图12示出根据本发明的IP RAN下行方向IP分组的分类与DSCP标记。

具体实施方式

作为本发明具体体现之一，在RNC中来自下行方向Iu-PS接口RNC侧的GTP-U处理模块前，根据来自Iu-PS的核心网标记的DSCP值，对经过AAL5/ATM处理后的IP分组进行分类，以支持不同优先级的IP分组队列。

如图10所示，在RNC中，来自Iu-PS的数据经AAL5/ATM处理单元后，即得到GTP-U/UDP/IP分组(步骤S10)，因此，可以根据其DSCP值进行分类(步骤S11)，分别进入不同优先级的IP分组队列(步骤S12)，基于一定的IP分组调度方法(步骤S13)，输出至GTP-U处理单元(步骤S14)。这样，基于DSCP的不同优先级的IP分组队列，可以更好地保证不同优先级业务的QoS。其中，IP分组调度可以采用现有的技术，典型地如WFQ(加权公平队列)调度方法等，另外，还可以采用现有的队列管理技术，如RED(随机早期检测)等防止队列发生拥塞等。

作为本发明具体体现之一，在下行方向对公共传输信道或共享信道的MAC(媒体接入控制)层分组调度中，利用来自Iu-PS的核心网标记的DSCP值，或将该参数与在RAB建立或修改过程中由SGSN提供的RAB的QoS属性参数相结合，或进一步结合无线资源相关信息，确定各逻辑信道的优先级。

在UMTS中的下行公共传输信道为FACH(前向接入信道)，下行共享信道有DSCH(共享信道)、HS-DSCH(高速共享信道)等。由于不同UE的不同逻辑信道共享一定的传输信道带宽，因此，有效的MAC层分组调度机制是保证各UE的QoS的关键。MAC层分组调度是以在保证备RAB业务优先级和公平性的同时，最优化无线资源的使用为出发点的。图11所示为下行公共传输信道分组调度单元的示意图，首先，来自各不同逻辑信道的分组(S20)进入相应的逻辑信道分组队列(S21)，队列调度及TFC(传输格式组合集合)选择单元(S22)根据一定的算法，在每个传输时间间隔(TTI)调度输出需要发送的分组及相应的TFC(S24)。其中，为了保证QoS，队列调度及TFC选择单元需要反映QoS需求的各逻辑信道优先级作为输入参数，另外，还可以进一步将反映当前无线资源状况的有关参数作为该单元的输入参数，而队列调度及TFC选择的方法，如前所述，应在保证各RAB业务优先级和公平性的同时，最优化无线资源的使用，具体的算法可以采用现有技术中的有关方法。根据本发明，利用反映不同UE的RAB的QoS信息的来自Iu-PS的核心网标记的DSCP值，或将该参数与在RAB建立或修改过程中由SGSN提供的RAB的QoS属性参数相结合，确定各逻辑信道的优先级(S23)。优先级其中，反映当前无线资源状况的有关参数，取决于特定的方法，如在公开号为US2003/0099249A1的专利申请中所提到的所需的发射功率、下行干扰等。

作为本发明具体体现之一，当UTRAN的Iub/Iur接口采用基于IP传输的IP RAN架构时，利用来自Iu-PS的核心网标记的DSCP值，或将该参数与在RAB建立或修改过程中由SGSN提供的RAB的QoS属性参数相结合，或进一步结合该RAB当前的无线资源状况，在下行方向对传输网络层IP分组进行分类，并映射为相应的DiffServ码点，从而提供QoS保证。

基于IP传输的IPRAN架构符合全IP的UMTS发展方向，由于采用IP传输，因此如何保证QoS是其首要面对的问题。根据本发明，如图12所示，在下行方向，RNC根据来自Iu-PS的核心网标记的DSCP值，或将该参数与在RAB建立或修改过程中由SGSN提供的RAB的QoS属性参数相结合，或进一步结合当前无线资源状况(具体使用的参数，如前所述，取决于特定的方法)，对从Iur/Iub接口发送出去的IP分组进行分类(S30)，并按一定的规则标记DSCP值(S31)，输出IP DiffServ分组(S32)，从而确保下行方向的QoS。尽管在上文中已经参照具体的实施例对本发明的原理进行详细描述，但是本发明的范围仅仅由所附权利要求限定，而不限于这些具体实施例，本领域普通技术人员可以根据本发明的精神而做出各种改变和变型，这些改变和变型都被包含在本发明的范围之内。

Claims

1. 一种在通用移动通信系统UMTS无线接入网中改进服务质量的方法，其中所述通用移动通信系统包括：核心网、一个或多个通用移动通信系统无线接入网UTRAN以及多个用户设备UE，其中核心网被分为电路交换CS域和分组交换PS域，所述PS域通过Iu-PS接口与UTRAN通信；所述UTRAN通过Uu接口与一个或多个UE通信，所述每个UTRAN包括多个无线网络控制器RNC；以及一个或多个通过Iub接口与所述RNC通信的节点B，每个节点B包括一个或多个小区，而RNC之间则通过Iur接口通信，所述方法包括如下步骤：

在下行方向，根据来自Iu-PS的核心网标记的区分服务码点DSCP值，对经过AAL5/ATM处理后的IP分组进行分类；利用来自Iu-PS的核心网标记的DSCP值，确定各逻辑信道的优先级；以及根据来自Iu-PS的核心网标记的DSCP值，对从Iur/Iub接口发送出去的IP分组进行分类。

2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述根据来自Iu-PS的核心网标记的DSCP值，对经过AAL5/ATM处理后的IP分组进行分类的步骤在RNC中来自Iu-PS接口下行方向的RNC侧的GTP-U处理模块之前执行；并进一步包括：

使得分类之后的IP分组进入不同优先级的IP分组队列；

根据IP分组调度方法输出IP分组。

3. 根据权利要求2所述的方法，其中所述IP分组调度采用加权公平队列调度方法。

4. 根据权利要求2所述的方法，其中所述IP分组调度采用随机早期检测技术防止队列发生拥塞。

5. 根据权利要求1所述的方法，其中所述利用来自Iu-PS的核心网标记的DSCP值，确定各逻辑信道的优先级的步骤在下行方向对公共传输信道或共享信道的媒体接入控制MAC层分组调度中执行；并进一步包括：

把所确定的各逻辑信道的优先级应用于传输格式组合集合选择方法；以及

输出MAC层分组调度。

6. 根据权利要求5所述的方法，其中还结合无线资源相关信息来确定各逻辑信道的优先级。

7. 根据权利要求5或6所述的方法，其中还结合在RAB建立或修改过程中由SGSN提供的RAB的QoS属性参数来确定各逻辑信道的优先级。

8. 根据权利要求6所述的方法，其中所述无线资源相关信息包括发射功率或下行干扰。

9. 根据权利要求1所述的方法，其中所述根据来自Iu-PS的核心网标记的DSCP值，对从Iur/Iub接口发送出去的IP分组进行分类步骤后进一步包括：

按照预定规则标记DSCP值；

输出IP区分服务分组，以确保下行方向的服务质量QoS。

10. 根据权利要求9所述的方法，其中结合在RAB建立或修改过程中由SGSN提供的RAB的QoS属性参数来对从Iur/Iub接口发送出去的IP分组进行分类。

11. 根据权利要求9或10所述的方法，其中进一步结合当前无线资源相关的信息来对从Iur/Iub接口发送出去的IP分组进行分类。

12. 根据权利要求11所述的方法，其中所述无线资源相关信息包括发射功率、下行干扰。