WCDMA核心网的QoS关键技术研究

论文摘要

无线通信网络的发展正处于3G的前夜,基于电路交换的无线通信系统将最终演变成以IP有线网为核心,无线网作为接入方式的全IP网络。WCDMA是3G的主要标准,WCDMA网络的增值业务的发展对3G中的QoS保障机制提出了迫切的需求,3G核心网中QoS的研究成为网络设计者和运营商日益关注的重点。本文围绕“WCDMA核心网中的QoS的关键技术”这一中心展开。针对WCDMA核心网PS域中主要的网元节点都是基于网络处理器的硬件平台这一特点,以实现WCDMA核心网QoS的DIFFSERV模型为目的,有针对性的展开对在网络处理器的并行性,网络处理器编程模型,网络处理器的队列管理算法,分组调度算法,报文分类算法的研究。本文首先概述了WCDMA核心网的发展进程,分析了WCDMA核心网的网元节点GGSN,SGSN的硬件体系结构,指出网络处理器技术是实现核心网QoS的关键,同时对WCDMA核心网的QoS和网络处理器的研究现状进行了简要的论述。通过对WCDMA核心网的QoS进行了深入的分析,本文将传统的区分服务模型(DIFFSERV)和集成服务模型(INTSERV)进行比较分析,得出区分服务模型是实现WCDMA核心网QoS的理想模型的结论。在分析了网络处理器IXP2400的硬件结构及硬件并行特性的基础上,本文将网络处理器的开发模型划分为线程池模型(Pool of Threads POTs),超级任务链模型(Hyper Task Chaining HTC),采用分布式缓存技术,折叠技术,AISR技术解决了包处理过程中的资源互斥和包排序问题,同时针对WCDMA核心网的区分服务模型实现过程中的需求,灵活的将两种编程模型进行合理组合,分别映射到不同的QoS管理模块缓冲管理算法,分组调度算法,报文(流)分类算法是网络服务质量控制的核心算法,当前,对这些算法的研究还主要局限于通用处理器平台和仿真环境,要实现WCDMA核心网的QoS保证,必须结合WCDMA核心网的分组域的特点以及网络处理器的硬件平台的特点,提出新的切实可行的算法。本文在这方面进行了一些有益尝试和探索。我们将网络处理器队列管理分为缓冲管理和分组调度分别进行了讨论。针对传统RED丢弃算法对参数敏感的问题提出了一种自适应的缓冲管理算法PAFD,该算法兼顾了公平性和吞吐量,利用平滑的缓冲区占用率函数进行参数调节,实验证明该算法具有平滑了流量曲线,在公平性和网络吞吐量之间取得较好的平衡效果,针对核心网的多业务情况文中还提出并实现了该算法的多业务支持模型。针对网络处理器多CPU多线程的硬件特点,传统的分组调度算法无法发挥出其强大的并行特性,文中提出一种新的分组调度算法:PWFQ,分组调度中同时考虑CPU的占用率的和带宽的占用情况,为了便于在网络处理器平台上实现,改进了传统系统虚拟时间函数的计算方法,提高了该算法在网络处理器平台上实现的效率。常用的逼近GPS算法虽然有很好的公平性,但是其实现较为复杂,由于IXP2400的代码空间有限,为了实现较高代码功能比,同时为获得更高的转发速率,文中提出了针对WCDMA核心网QoS要求进行了优化的基于WRR算法的UOWRR分组调度算法,该算法针对WCDMA核心网多业务的特点,采用优先级和队列分离机制,为会话类和流类应用提供延时保证,对交互类和背景类业务保证预定带宽,该算法特别适用网络处理器平台。针对网络处理器高速并行性以及对内存访问延迟敏感的特点本文提出了多维报文分类算法CBNP算法。该算法在维数压缩的基础上,并行进行元组表查找,有效减少了内存访问次数和存储空间,提供了较好的时间和空间复杂度。为验证实际的效果,本文设计了一种具体的区分服务模型的核心网QoS控制模型,提出了相应的业务映射、队列调度、流量调整方案,将全文所研究的报文分类,缓冲管理,分组调度算法在该模型中进行了实际应用,在实际运行中取得理想的效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 WCDMA 核心网的发展进程
• 1.2 WCDMA 核心网络架构及核心网的网元实体
• 1.3 GGSN 设备的功能实体及模块结构
• 1.4 SGSN 设备的功能实体及模块结构
• 1.5 国内外研究现状概述
• 1.6 关键技术及本文的主要工作
• 1.7 本文的内容安排
• 2 WCDMA 核心网的DIFFERSERV 模型
• 2.1 WCDMA 网络的QOS 体系结构
• 2.2 DIFFSERVE 模型的采用
• 2.3 DIFFSERVE 模型的实现框架和机制
• 2.4 DIFFSERV 在WCDMA 核心网QOS 中的应用
• 2.5 本章小结
• 3 网络处理器技术
• 3.1 网络处理器的硬件结构
• 3.2 IXP2400 网络处理器并行性分析
• 3.3 IXP2400 微引擎的编程模型研究
• 3.4 本章小结
• 4 队列管理技术及其在网络处理器上的实现
• 4.1 队列管理概述
• 4.2 网络处理器缓冲管理算法
• 4.3 网络处理器分组调度算法
• 4.4 本章小结
• 5 报文分类技术及其在网络处理器上的实现
• 5.1 报文分类算法概述
• 5.2 当前的报文分类算法
• 5.3 CBNP 算法及其在网络处理器上的实现
• 5.4 实验测试结果
• 5.5 本章小结
• 6 WCDMA 核心网QOS DIFFSERV 模型的实现
• 6.1 使用IXP2400 硬件平台实现WCDMA QOS 的优点
• 6.2 WCDMA QOS 交换技术概述
• 6.3 基于IXP2400 的WCDMA QOS 系统架构设计
• 6.4 WCDMA QOS 的DIFFSERV 各个模块详细设计
• 6.5 本章小结
• 7 结论
• 7.1 主要研究内容和成果
• 7.2 进一步的工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表的论文目录
• 附录2 攻读学位期间获得的专利
• 附录3 略语表