WiMAX网络下动态语音与影像串流服务之策略应用

本文作者:admin       点击: 2009-04-16 00:00
前言:
前言

随着WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)技术逐渐成熟,全球众多电讯业者也接续取得WiMAX执照且着手进行建置。然面对将来的实际营运,在现今强调使用者服务的时代,QoS(Quality of Service)成了不可或缺的关键网络技术。所谓的QoS指的是计算机网络流量的服务质量,也就是针对不同的客户给予不同的优先级与带宽,来保证服务流的效能达到一定的水平,在容量有限的网络环境,更张显其重要性,特别是对于语音及影像串流等多媒体应用,例如VoIP(Voice over IP)、Video Streaming 与IP-TV,因为这些应用常常需要固定的传输率,对延迟(Latency)也比较敏感。

当然WiMAX技术也在IEEE 802.16e与WiMAX Forum所制定的标准中,针对不同多媒体应用规范适当的QoS,如UGS(Unsolicited Grant Service,适用VoIP)、rtPS(Real-Time Polling Service,适用VoD与IP-TV)、nrtPS(Non-Real-Time Polling Service,适用FTP)、BE(Best Effort Service)与ertPS(Extended rtPS)等5种机制。

虽然IEEE 802.16e与WiMAX Forum制定了R1(移动客户端与基地台间的无线接口通信协议,为IEEE 802.16e所制定)、R6(基地台与ASN-GW间的协议,包含控制和乘载数据协议的流程,WiMAX Forum所制定)的QoS相关机制但对于End-to-End的QoS与动态建立QoS的问题尚未详细规范,因为已有太多的有线网络QoS管理机制,而设备商与系统商可以任意选择End-to-End QoS机制来实现。

WiMAX动态QoS之策略应用

WiMAX标准对于建立释放QoS服务流,规范了静态与动态两种模式。静态模式为客户端进入WiMAX网络后,立即建立所需要的服务流,客户端在离开WiMAX网络后,才释放此服务流,其优点是容易进行管理,而缺点则是易造成有限的带宽及资源浪费。动态模式为服务流的建立,是依据服务应用的特性,例如拨打VoIP电话时才建立此服务流,挂断VoIP电话时即释放此服务流,其优点为有效率使用有限的带宽及资源。不同的服务应用需要的QoS资源也不同,如VoIP电话重视的是低传输延迟与固定的传输率,而Video Streaming重视的是影音编码所需要的带宽,因此,需要建构出完善的动态End-to-End QoS服务流环境与策略应用,将带宽与资源做最佳利用。

WiMAX技术虽然提供高无线传输速度与高覆盖范围,但站在消费者的立场,关心的是各种应用服务质量是否良好,因此在WiMAX网络环境下要求语音、影像串流与网络电视(IP-TV)等多媒体服务,达到动态End-to-End QoS保证,是推广WiMAX产业的关键技术之一,也是WiMAX服务吸引用户的重要功能。而如何对WiMAX应用服务的QoS定义、部署、监控管理与计费,已成为设备商与系统商需关注与重视的课题。

WiMAX设备大厂“阿尔卡特-朗讯”于2008年初与台湾地区“经济部”合作,在中国台湾地区设立“阿尔卡特-朗讯台湾WiMAX应用研发及互连测试中心”,致力WiMAX应用服务开发与协助台湾地区终端设备厂商,进行WiMAX产品与应用的互通测试(IOT;Interoperability Testing)与研发相关产品,以促进全球WiMAX产业的成熟与发展。当然“阿尔卡特-朗讯”也有针对End-to-End QoS,保证于WiMAX环境提出了对应的应用策略,其方法与架构是利用3GPP组织,针对如何动态建立释放End-to-End QoS服务流而制定的,Gq通信协议来沟通WiMAX基础网络与已经发展完善的NGN(Next Generation Network)/IMS(IP Multimedia Subsystem)网络,达到End-to-End的动态QoS服务流之建立与释放。以下将介绍“阿尔卡特-朗讯”提出对应策略之架构与流程。

简介Gq通信协议

Gq通信协议为3GPP组织所制定,可视为Diameter协议的沿伸,其功能是沟通AF(Application Function)与PDF(Policy Decision Function)之间的动态QoS服务流相关信息,目的为了在各种基础环境中达到动态建立与释放End-to-End QoS服务流(如:VoIP Call与Video Streaming)。
Gq协议相关网络组件如下:
AF:位于核心网络中(如:IMS/NSN),主要为应用层界面并根据应用层的特性透过Gq协议来触发PDF,进而建立符合需求的服务流。
PDF:位于基础网络中(如:UMTS/GPRS或WiMAX基础网络),主要包含一个Policy数据库储存AAA服务器所提供的使用者QoS相关参数,并透过Gq协议接受AF指令来建立符合需求的服务流。
Gq协议相关信息定义如下:
AAR(AA-Request command):是由AF传送给PDF,主要目的是请求PDF配置及授权VoIP或Streaming相关QoS资源。
AAA(AA-Answer command):是由PDF传送给AF,主要目的是回复AF其请求VoIP或Streaming相关QoS相关资源已配置成功与否。
RAR(Re-Auth-Request command):是由PDF传送给AF,主要目的是要求AF进行重新认证与授权。
RAA(Re-Auth-Answer command):是由AF传送给PDF,主要目的是回复PDF重新认证与授权成功与否。
STR(Session-Termination-Request command):是由AF传送给PDF,主要目的是请求PDF释放VoIP或Streaming相关QoS资源。
STA(Session-Termination-Answer command):是由PDF传送给AF,主要目的是回复AF其已释放VoIP或Streaming相关QoS资源。
ASR(Abort-Session-Request command):是由PDF传送给AF,主要目的是告知AF已经没有足够的QoS资源可被使用。
ASA(Abort-Session-Answer command):是由AF传送给PDF,主要目的是回复PDF已经收到ASR。

WiMAX与IMS/NGN网络整合环境

WiMAX与IMS/NGN网络整合环境(如图1),可知WiMAX网络下的MS(Mobile Station)是需要具备VoIP/Video Streaming客户端应用程序,并可透过SBC(Session Border Controller)向IMS/NGN网络下的SIP Server/Video Streaming Server进行注册等。且WiMAX网络中的ASN-GW必须具备PDF功能组件,而NWN/IMS网络中的SBC必须具有AF功能组件。此外,ASN-GW与SBC的网络则可连通,以传送Gq通信协议的各种信息。至于Gq通信协议,是否透过因特网来连结ASN-GW和SBC,则由设备商与系统商自行决定。
SBC(Session Border Controller)
SBC是确保 VoIP 安全与持续通信,并提供多媒体服务的重要组件。SBC位于IMS网络边缘,作为IMS网络的SIP和RTSP代理服务器,客户端和IMS网络之间的所有SIP信息以及客户端之间的所有RTSP信息,都需要经过SBC进行转送,实现地址转换和传输控制等功能。客户端存取IMS网络入口点地址将是SBC地址。

动态建立与释放QoS之多媒体服务流

要达到在WiMAX网络中动态建立与释放QoS服务流的目的,首先PDF组件必需先取得并储存使用者之QoS相关参数,再透过SIP(Session Initiation Protocol)或RTSP(Real Time Streaming Protocol)动态的建立与释放QoS服务流。以下会分别介绍在“阿尔卡特-朗讯台湾WiMAX应用研发及互连测试中心”提供的WiMAX结合NSG/IMS网络环境下,实际操作具有QoS功能的VoIP与Video Streaming应用服务流程,包含取得用户QoS相关信息、动态建立与释放VoIP 的QoS服务流及动态建立与释放Video Streaming的QoS服务流。
取得用户之QoS相关信息
当WiMAX客户端在进行Initial Network Entry中的认证授权阶段时,AAA Server会将使用者所拥有的QoS相关信息,透过Radius协议里的Access-Accept信息传送给ASN-GW,此时ASN-GW在将使用者所拥有的QoS相关信息纪录再PDF数据库中,如图2所示。
动态建立具备QoS之VoIP服务流
由发话端MS-1拨电话给受话端MS-2之动态QoS服务流的建立流程,如图3所示;其详细流程如下:
Step-0:MS-1与MS-2皆为WiMAX用户且已透过SBC向SIP Server注册。
Step-1:MS-1透过SBC转送SIP-Invite信息给SIP Server,SIP Server确认MS-2已注册后再透过SBC转送SIP-Invite信息给MS-2。
Step-2:MS-2收到SIP-Invite信息后,则透过SBC回复180-Ringing信息给SIP Server,SIP Server再透过SBC转送给MS-1。
Step-3:此时MS-1已开始响铃,当接起电话时,则传送200-OK信息给SBC。
Step-4:SBC接收到200-OK信息后,则传送AAR信息给ASN-GW,并请求与授权MS-1服务流的QoS相关资源。
Step-5:ASN-GW收到AAR信息后,ASN-GW透过WiMAX所制定的R1及R6标准与MS-1建立ertPS或UGS服务流。
Step-6:当与MS-1服务流建立成功后,ASN-GW就会传送AAA信息给SBC,告知此服务流的QoS相关资源已建立。
Step-7:当SBC收到后AAA信息后,则传送200-OK信息给SIP Server,SIP Server收到后转送200-OK信息给SBC。
Step-8:当SBC接收到200-OK信息,则传讯AAR给ASN-GW并请求及授权MS-2服务流的QoS相关资源。
Step-9:ASN-GW收到AAR信息后,ASN-GW透过WiMAX所制定的R1及R6标准与MS-2建立ertPS或UGS的服务流。
Step-10:当与MS-2服务流建立成功后,ASN-GW就会传送AAA信息给SBC,告知此服务流的QoS相关资源已建立。
Step11:当SBC接收到AAA信息后,则转发200-OK信息给MS-2,此时通话已经建立完成。
动态释放具备QoS之VoIP服务流
由MS-1结束与MS-2通话之动态QoS服务流建立流程,如图4所示,其详细流程如下:
Step-0:MS-1与MS-2皆为WiMAX用户且通话已联机。
Step-1:MS-1透过SBC转送BYE信息给SIP Server。
Step-2:当SBC收到BYE信息后,则传送STR信息给ASN-GW要求释放与MS-1服务流的QoS相关资源。
Step-3:当ASN-GW收到STR信息后,则透过WiMAX所制定的R1及R6标准释放MS-1服务流的相关QoS资源。
Step-4:当释放MS-1服务流后,ASN-GW则回复STA信息给SBC告知MS-1服务流的QoS相关资源已释放。
Step-5:当SIP Server收到BYE信息时则转送给SBC。
Step-6:当SBC收到BYE信息后,则传送STR信息给ASN-GW要求释放与MS-2服务流的QoS相关资源。
Step-7:当ASN-GW收到STR信息后,则透过WiMAX所制定的R1及R6标准释放MS-2服务流的相关QoS资源。
Step-8:当释放与MS-2服务流后,ASN-GW则回复STA信息给SBC告知MS-2服务流的QoS资源已释放。
Step-9:当SBC收到STA信息后,则传送BYE信息给MS-2。
Step-10:当MS-2收到BYE后,则回复200 -OK信息给MS-1完成结束通话。
动态建立具备QoS之Video Streaming服务流
由Video Streaming客户端透过SBC,向Video Streaming Server建立串流联机之动态QoS服务流建立流程,如图5所示,其详细流程如下:
Step-0:MS为WiMAX用户且具备Video Streaming客户端应用程序。
Step-1~Step-5:MS使用RTSP协议,并透过SBC来要求Streaming Server提供串流服务。
Step-6:当SBC收到Play信息后,则传送AAR信息给ASN-GW并,请求与授权MS服务流的QoS相关资源。
Step-7:当ASN-GW收到AAR信息后,ASN-GW透过WiMAX所制定的R1及R6标准分别与MS建立Audio与Video 两条Down-Link的rtPS服务流。
Step-8:当与MS服务流建立成功后,ASN-GW就会传送AAA信息给SBC,告知此服务流的QoS相关资源已建立。
Step-9:SBC接收到AAA信息后,则转送PLAY信息给Video Streaming Server。
Step-10:Video Streaming Server收到PLAY信息后,则透过SBC转送200-OK信息给MS;此时,MS已可接收Video Streaming Server所传送的RTP封包。
动态释放具备QoS之Video Streaming服务流
由Video Streaming 客户端透过SBC向Video Streaming Server取消串流联机之动态QoS服务流建立流程,如图6所示,其详细流程如下:
Step-0:MS为WiMAX用户且具备Video Streaming客户端应用程序,串流联机已建立。
Step-1:MS透过SBC发送TEARDOWN信息给Video Streaming Server。
Step-2:Video Streaming Server透过SBC回复200-OK信息给MS,结束串流联机。
Step-3:SBC收到200-OK后,则传送STR信息给ASN-GW要求释放与MS服务流的QoS相关资源。
Step-4:当ASN-GW收到STR信息后,则透过WiMAX所制定的R1及R6标准释放MS服务流的相关QoS资源
Step-5:当释放与MS-2服务流后,ASN-GW则回复STA信息给SBC告知MS-2服务流的QoS资源已释放。

结语

WiMAX基础网络采用的OFDMA技术具备了非视距(Non-Line of Sight)传输能力,并且采用了智能天线(Smart Antenna)技术来提高覆盖能力,其所能提供的最高传输速度为每秒70Mbps,WiMAX提供了相当多的QoS机制,来支持使用者关心的VoIP、Video Streaming与网络电视等应用服务。虽然在WiMAX标准中并未对End-to-End QoS机制详细规范,透过3GPP组织所制定的Gq通信协议,即可与NGN/IMS网络沟通进而达到End-to-End QoS机制的效能。此外,令使用者满意的End-to-End QoS机制,或许将是促进WiMAX技术往前迈进的关键技术。

WiMAX标准除了制定QoS技术外,还于NWG 1.5版中定义了多媒体广播服务(MBS,Multicast Broadcast Service),而最常与MBS一起讨论的服务即为网络电视服务,相信具备End-to-End QoS的网络电视服务会是另一项令使用者满意及推广WiMAX产业的关键技术。