В этой статье мы рассмотрим принципы и методы использования т.н. профилей качества предоставляемых сервисов — QoS, применительно к пакетной передаче данных в сетях мобильных операторов, основанных на технологиях GPRS/EDGE.

Intro

Совершенно естественно, что различные приложения и услуги, которые основаны на пакетной передаче данных в мобильных сетях, реализуемые с помощью технологий GPRS/EDGE предъявляют существенно отличные требования к таким параметрам передачи как: вероятность ошибки при передачи, скорость передачи (максимальная и средняя), временные задержки при передаче данных, и т.д., поэтому во время активации пакетных услуг, абоненту назначается т.н. профиль обслуживания — GPRS QoS* [Quality of service], но насколько эффективно можно использовать концепцию профилей качества в столь разнородной, со стороны физических (радиопередача, каналы связи, опорная сеть) коммуникаций передачи данных для сети, коей является архитектура GPRS?

* — изначально профиль QoS хранится как в памяти самого мобильного терминала, так и в его основном профиле на HLR'е, но при активировании PDP Context'а мобильный терминал может запрашивать «обновленный» профиль QoS исходя из того, какое приложение верхнего уровня будет использовать PDP Context для передачи данных, но сеть в свою очередь, также может отказать в запрашиваемом QoS профиле и назначить на свое «усмотрение» новый профиль QoS, что очень часто и происходит. Более детально об этих процесса можно прочитать в статьях: GPRS изнутри. Часть 1 и GPRS изнутри. Часть 2.

Давайте немного вспомним, что же эта технология представляет из себя в целом…

В целом технологию GPRS абстрактно можно представить в виде блочного строения, которое состоит из нескольких в принципе независимых блоков, «соединенных» между собой с помощью определенных интерфейсов. Внутри, каждому отдельному блоку присущ свой дизайн, т.е. уровень качества, который он может предоставить — QoS, «навязанный» ему его же интерьером — технологией реализации. Причем все блоки этого же строения должны представлять собой единую неделимую и целостную конструкцию (см. схему ниже).

Как мы уже знаем, подсистема BSS распределяет радиоресурсы между пакетными (PS — Packet Switched) и голосовыми (CS — Circuit Switched) сервисами динамически, исходя из текущей нагрузки, но естественно в сторону приоритета голосовых сервисов. Поэтому внедрение GPRS/EDGE технологий никоим образом не отразилось на качестве предоставляемого голосового сервиса, а вот обратное влияние приоритета CS данных на QoS пакетных данных исключать нельзя. Единственный возможный выход — это обеспечение т.н. гарантированной емкости под пакетные данные на самих сотах, т.е. резервирование определенного количества тайм-слотов (TS) под пакетную передачу, концепция т.н. GPRS Territory (см. схему ниже).

Профиль QoS под GPRS в теории должен характеризоваться параметрами, которые максимальным образом отвечают требованиям конкретных приложений. Возможные варианты этих параметров могут базироваться на следующих признаках:

приоритет (Precendence Class)
задержки передачи (Delay Class)
надежность (Reliability Class)
пиковая пропускная способность (Peak Throughput Class)
средняя пропускная способность (MeanThroughput Class)

Соответственно путем комбинации этих групп параметров можно достичь необходимого уровня обслуживания, предоставляемого абоненту или приложению, но еще более эффективная модель профилей, в принципе должна базироваться на основании реалистичных параметров передачи данных в пакетной сети, таких как:

задержка пакетов
средний джиттер
пропускная способность
степень ошибок

Но это все в теории…

Так что же из себя представляет GPRS QoS на практике?

Как ни это не странно, но не существует даже точного определения самого понятия GPRS QoS. В общих чертах это:

общее качество предоставляемых сервисов в опорной сети
количество успешных реализаций сервисов для абонентов
эффективное радиопокрытие GPRS сети оператора

При этом очень сильное влияние на качество предоставляемых сервисов на основании технологии GPRS, связанно с используемыми протоколами и стеками. Например, скорость передачи данных можно поднять на величину от 50% до 300% лишь путем компрессии данных на L2/L3 уровнях передачи, что говорит о том, что верхние протоколы в стеке GPRS просто «не знают» об механизмах оптимизации, предоставляемых/назначаемых абонентам в профилях QoS (поэтому есть довольно эффективные программы «сжимающие» GPRS трафик). К тому же общая пропускная способность передачи данных через GPRS очень сильно связанна с радиодоступом. Отсюда можно сделать вывод, что эффективное применение профилей QoS для GPRS/EDGE архитектуры возможно лишь в целостной цепи, начиная от радиодоступа и заканчивая протоколами верхних уровней для приложений.

А пока операторы предоставляют мнимые, я бы даже назвал маркетинговые профили QoS качества, на практике абоненты все также будут ругаться на технологию GPRS/EDGE и приложения основаны на их базе. Например, в одной статей на хабре зашел разговор о ping'е хостов через GPRS. Пытаясь разобраться мы выяснили, что среднее время находится на уровне 400-700 ms, причем не зависимо от времени суток, т.е. исключили интервалы повышенной нагрузки на пакетную сеть. Тогда я все еще думал, что дело в емкости сети, общей нагрузке в дневное время, и т.д., но сейчас я все более склоняюсь, что дело именно в «обобщенных» профилях качества QoS, которые многие операторы назначают «по умолчанию» для всех абонентов, что в свою очередь ведет к общей потере качества на всей пакетной сети оператора.

Для сравнения, все тот же ping для других беспроводных пакетных технологий передачи данных (сразу камнями закидывать не нужно, это среднестатистические данные):

WLAN: порядка 50-200 ms
UMTS: порядка 100-250 ms

Не говоря уже о том, что для проводного LAN ping будет находиться на уровне 5-20 ms.

Это уже говорит, о том что в этих архитектурах (WLAN, UMTS) концепция профилей качества реализована уже на более высоком уровне и охватывает практически всю цепочку коммуникаций, через которые проходят пакеты абонента, по крайней мере об этом можно уже говорить по отношению к технологии UMTS, хотя и здесь не все так гладко как хотелось бы.

Немаловажную роль в этой цепи, также играет GGSN, который фактически выступает шлюзом во все внешние сети. Для эффективного применения QoS профилей, он должен выполнять следующие функции:

согласование уровней предоставляемых сервисов
управление обнаружением/исправлением ошибок передачи данных
генерирование логов QoS событий

Атрибуты и классы QoS

Следует отметить, что разработка и совершенствование методов классификации предоставляемого качества не стоит на месте и с новыми спецификациями профили QoS «обрастают» новыми, все более дискретными характеристиками, но ключевые параметры классов и атрибутов QoS были заложены в нескольких основных спецификациях, например основные параметры QoS, которые были представлены в спецификациях Rel 97/98:

Reliability class

Спецификациями GSM определённы 5 основных классов надежности для GPRS, при этом надежность данных определяется с точки зрения вероятности:
- утери данных (probability of data loss)
- дублирования доставленных данных (probability of duplicate data delivery)
- искажения данных (probability of corrupted data)
В зависимости от класса надежности, значения этих параметров могут составлять от 10^-9 до 10^-4. Класс надежности определяет требования к сетевым протоколам различных уровней. Для обеспечения требований по классу надежности устанавливают соответствующую комбинацию режимов передачи (Mode) на уровнях GTP(en), LLC и RLC. Для передачи сигнализации, т.е. служебных данных (GMM — [GPRS Mobility Management]/SM) и SMS используют 3-й класс надежности, но не факт что все PLMN сети операторов могут поддерживать этот класс при перемещении абонента между сетями.

Частично этот класс связан с необходимостью передачи данных: от 1 (Class A) — приложения, «чувствительные» к появлению ошибок, до 5 — для non-real-time приложений, которые могут компенсировать появление ошибок.
Delay class

В спецификации GSM Rec. 02.60 выделяют 4 класса по предоставлению возможных задержек в передаче данных, но тем не менее на сети оператора можно реализовать лишь часть из них, например одним из возможных вариантов является предоставление т.н. "best effort delay class" (класса с наименьшей задержкой при заданных условиях), соответствующего Class 4. При этом общие временные задержки через всю опорную пакетную сеть GPRS по прежнему не классифицированы в спецификациях, т.к. при «переходах» пакетов данных например, от радиоинтерфейса до опорной сети могут появиться свои временные задержки. Требования к максимальной задержке зависят от длины пакетов, например при передаче коротких пакетов требования к задержке несколько жестче.
Precedence class

В этом атрибуте определенны 3 основных класса, определяющих важность проходящих пакетов, на основании которой пакеты с меньшей важностью будут отброшены в случае повышенной нагрузки или ограниченности ресурсов.
Peak Throughput class

Этот класс определяет максимальную пропускную способность (bytes/s), которую ожидает получить пользователь за все время сессии. Однако, нет никаких гарантий, что такая пропускная способность будет достигнута за указанный промежуток времени, т.к. этот фактор будет зависеть как от возможностей самой мобильной станции — MS, так и от выделяемых радиоресурсов. В этом атрибуте определенны 9 основных классов, начиная от Class 1 — 1000 bytes/s (8 kbit/s ), до Class 9 — 256000 bytes/s (2048 kbit/s). При этом емкость предоставляемой пропускной способности удваивается от одного класса к другому. Пиковую пропускную способность оценивают на Gi интерфейсе (между GGSN'ом и внешними сетями internet/intranet) и «выходе» от MS (более детально об основных интерфейсах в пакетной сети можно узнать из статьи GPRS изнутри. Часть 3)
Mean Throughput class

Пропускную способность оценивают на тех же интерфейсах, что и пиковую. Этот атрибут определяет ресурсы, выделяемые под скорость передачи данных, ожидающую получить со стороны оконечного устройства при активации линка. В общей сложности выделяют 19 классов, от Class 1, до Class 18 — предоставляющий скорость передачи на уровне 111 kbit/s, при этом 18 классу будут выделены максимальные ресурсы, дабы обеспечить запрашиваемую скорость. Возможен также т.н. "best effort" класс, обеспечивающий максимально возможную скорость, ему присвоен номер 31.

Схематично QoS классы изображены на рисунке ниже:

Qos and Roaming between wireless networks

Еще одним не определенным вопросом в предоставлении заданного уровня качестве в сетях GPRS/EDGE является вопрос о согласовании уровней качества при переходе абонента в зону действия сети другого оператора, т.е. GPRS Roaming, а тем более роуминг между сетями с различной архитектурой (детальное описание процесса перехода из одной PLMN(en) сети в другую можно найти в статье Expensive GPRS Roaming). В случае роуминга сразу же возникают вопросы: поддерживает ли роуминговый партнер ту же технологию, которую запросил абонент в своей домашней сети (HPLMN), какова стоимость поддержки такой технологии в гостевой сети (VPLMN), и т.д., причем все эти вопросы необходимо согласовать «на лету», без какого-либо вмешательства пользователя, что естественно пока еще не совсем реально. Поэтому многие сервисы при переходе между роуминговыми сетями будут «переведены»в режимы «best effort», если этот режим сможет поддержать гостевая сеть, что обычно влечет за собой уравнивание всех пользователей и естественно, общее падение качества предоставляемых сервисов.

Классы мобильных терминалов

Раз уж мы затронули тему профилей качества предоставляемого сервиса, хочется вскользь упомянуть о мультислотовых качествах мобильных терминалов, которые частично связанны с качеством предоставляемого сервиса.

Существует две основных классификации мобильных терминалов, предназначенных для работы с технологиями GPRS/EDGE: буквенная и числовая. Буквенная классификация указывает на возможность одновременной обработки как голосовых сервисов, так и пакетных услуг и больше связанна с реализацией Gs интерфейса в сети оператора (упоминание об класса мобильных устройств можно найти в статье GPRS не помеха для звонков).

А вот вторая числовая классификация указывает непосредственно на возможности устройства в плане емкости по приему и отдаче полезных данных, т.е. эта классификация указывает на число тайм-слотов, которые мобильная станция (MS) может максимально использовать как в направлении к сети (Uplink — UL), так и вниз от сети (Downlink — DL). Обычно в спецификации к мобильному терминалу указывают либо сам номер класса, либо число TS, например 4/1 — максимально 4 тайм-слота для DL и 1 TS для UL.

Основная спецификация, регулирующая механизмы выделения слотов под передачу — 3GPP TS 45.002, определяет 45 мультислотовых классов, которые могут быть использованы мобильными терминалами, например для 45 класса представлена следующая схема — max 6 DL + max 6 UL, но здесь необходимо учесть, что на соте в одном кадре может быть выделено не более 8 TS, поэтому даже для этого класса одновременное количество TS не будет превышать 7 слотов (один TS на соте выделяется под служебные данные).

Все эти классы также должны учитываться при определении профиля предоставляемого качества, т.к. они напрямую связанны с возможностями MS в скорости принимаемой и отдаваемой информации.

Conclusion

На сегодняшний день к приложениям, реализованным на базе технология GPRS/EDGE, которые наиболее привязаны к качеству предоставляемого сервиса можно отнести:

VoIP
VPN
Real-time Video
Video streaming

Естественно, что это все «представители» real-time приложений, но вот предложить этим приложения вменяемые профили качества в ряде текущих архитектур (GPRS/EDGE для 2G) пока что не представляется возможным, т.к. нет действующих механизмов реализации соответствующих уровней качества предоставляемого сервиса. Частично ситуация меняется уже в следующих архитектурах, например в UMTS «воздействие» QoS профилей значительно расширяется, включая уже границы радиочасти и рубежей протоколов передачи за сетевыми элементами (см. схему ниже).

Эти попытки реализации концепции профилей QoS в архитектуре UMTS говорят о правильности выбора целостного подхода к определению предоставляемого качества сервиса, который будет охватывать весь «путь» пакетов и учитывать особенности как радиочасти, так и опорной сети операторов. Еще более эффективной будет модель применения QoS в отношении:

отдельного приложения
отдельного абонента
используемой APN

Так что будет ожидать полноценных реализаций архитектур следующий поколений — WiMaX/LTE/etc., которые в полной мере смогут реализовать концепцию QoS на практике, а пока что будем довольствоваться тем, что есть…

Небольшой помощник:

BSC — Base Station Controller
BSS — Base Station Subsystem
EDGE — Enhanced Data Rates for GSM Evolution
GGSN — Gateway GPRS Support Node
GMM — GPRS Mobility Management
GPRS — General Packet Radio Service
GTP — GPRS Tunnelling Protocol
HLR — Home Location Register
HPLMN — Home PLMN
LLC — Logical Link Control
MS — Mobile Station
PDP — Packet Data Protocol
PLMN — Public Land Mobile Network
PS — Packet Switched
SGSN — Serving GPRS Support Node
VPLMN — Visitors PLMN
UMTS — Universal Mobile Telecommunications System

GPRS QoS — миф или реальность?