實(shí)現(xiàn)支撐LTE QoS運(yùn)維的OSS關(guān)鍵技術(shù)研究

趙飛龍，章建功

（1.福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院 福州350002；2.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)福建分公司 福州350108；3.億陽(yáng)信通股份有限公司北京100093）

1 引言

盡管LTE網(wǎng)絡(luò)中采用了多種技術(shù)使無(wú)線頻譜利用率得到了較大的提高，但仍無(wú)法滿(mǎn)足爆炸式發(fā)展的數(shù)據(jù)流量的承載需求，必須通過(guò)適度的管控才能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的健康穩(wěn)定運(yùn)行。QoS技術(shù)能夠保證被接納的業(yè)務(wù)獲得最低要求的業(yè)務(wù)質(zhì)量，避免資源被某個(gè)用戶(hù)或業(yè)務(wù)過(guò)度占用，是3GPP規(guī)范的重要內(nèi)容，也是開(kāi)展流量經(jīng)營(yíng)、避免網(wǎng)絡(luò)管道化的關(guān)鍵技術(shù)[1]。

運(yùn)營(yíng)支撐系統(tǒng)（operation support system，OSS）是通信運(yùn)營(yíng)商開(kāi)展日常網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維的主要工具，其主要功能可以分為兩大類(lèi)：配置管理和性能管理，以網(wǎng)元為單位管理資源、統(tǒng)計(jì)性能。LTE是一張全I(xiàn)P、只承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、具有QoS保證的網(wǎng)絡(luò)，為了支持對(duì)QoS保證效果的評(píng)估、開(kāi)展基于SLA的通信服務(wù)等，LTE的OSS要求能夠?qū)崿F(xiàn)端到端分用戶(hù)、分業(yè)務(wù)的資源關(guān)聯(lián)和性能管理。因此，如何在OSS中實(shí)現(xiàn)對(duì)QoS保證的支撐成為運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備商和集成商面臨的一道難題。

本文擬在深入剖析LTE中QoS保證技術(shù)的基礎(chǔ)上，說(shuō)明實(shí)現(xiàn)端到端分業(yè)務(wù)的資源關(guān)聯(lián)和性能統(tǒng)計(jì)的關(guān)鍵所在，為建立支持LTE QoS保證的運(yùn)營(yíng)支撐系統(tǒng)提供技術(shù)參考。

2 LTE中的QoS保證技術(shù)

Release 8之前的GSM/GPRS和UMTS網(wǎng)絡(luò)QoS保證機(jī)制相當(dāng)復(fù)雜，QoS參數(shù)需要在多個(gè)網(wǎng)元之間傳遞，通過(guò)協(xié)商得到一組折中值。3GPP定義了QoS的框架，將部分承載的映射工作留給運(yùn)營(yíng)商和制造商，不同設(shè)備制造商對(duì)QoS的理解存在很大的差異，在異構(gòu)設(shè)備組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)中往往無(wú)法取得成功，這使得QoS保證機(jī)制未能在實(shí)際商用網(wǎng)絡(luò)中得到充分運(yùn)用。為簡(jiǎn)化QoS保證機(jī)制，使其更為實(shí)用，Release 8對(duì)QoS保證機(jī)制做了大幅改變，基于量化的QoS類(lèi)別和網(wǎng)絡(luò)側(cè)決定QoS兩大原則，大大簡(jiǎn)化了QoS的協(xié)商過(guò)程和參數(shù)傳遞，統(tǒng)一了對(duì)QoS的理解，強(qiáng)化了網(wǎng)絡(luò)對(duì)QoS的控制。

2.1 量化的QoS類(lèi)別

EPS QoS控制的基本粒度是EPS承載。為規(guī)范不同廠商對(duì)于相應(yīng)的QoS業(yè)務(wù)的理解和處理，實(shí)現(xiàn)多廠商互連環(huán)境和漫游環(huán)境中不同設(shè)備/系統(tǒng)間的互連互通，3GPP Release 8對(duì)QoS參數(shù)及其組合進(jìn)行了簡(jiǎn)化，并總結(jié)為9種標(biāo)準(zhǔn)組合[2]，每個(gè)應(yīng)用或業(yè)務(wù)（業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流‘SDF’）的QoS映射為其中一個(gè)質(zhì)量等級(jí)標(biāo)識(shí)（QCI）值。特別地，Release 10版本的QCI屬性定義與Release 8略有不同[3]。QCI是一個(gè)數(shù)量等級(jí)，每個(gè)值代表了QoS參數(shù)分配保留優(yōu)先級(jí)（ARP）、保證比特率（GBR）、最大比特率（MBR）和聚合最大比特率（AMBR）、分組時(shí)延預(yù)算（PDB）和分組丟失率（PLR）的特定取值的一個(gè)組合，其中ARP、PDB和PLR取值已由規(guī)范明確定義，GBR、MBR和AMBR則由運(yùn)營(yíng)商根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的可用資源大小進(jìn)行設(shè)置，標(biāo)準(zhǔn)QCI屬性和各參數(shù)的含義參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[2]。

定義了EPS承載和標(biāo)準(zhǔn)QCI之后，QoS保證就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)EPS承載（多個(gè)SDF可能聚合到一個(gè)承載中）級(jí)粒度進(jìn)行QCI類(lèi)別的控制，因此，網(wǎng)元間的QoS協(xié)商需要傳遞QCI，而不需要像GSM/UMTS網(wǎng)絡(luò)那樣基于流傳遞眾多QoS參數(shù)的具體取值，R98和R99的QoS參數(shù)參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[4]。

通過(guò)QCI標(biāo)準(zhǔn)化，不但簡(jiǎn)化了QoS協(xié)商的過(guò)程和信令開(kāi)銷(xiāo)，而且映射到同一個(gè)等級(jí)的應(yīng)用或業(yè)務(wù)在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中可以獲得相同等級(jí)的QoS保證。

2.2 網(wǎng)絡(luò)側(cè)決定QoS

當(dāng)用戶(hù)終端（UE）附著到EPS網(wǎng)絡(luò)時(shí)，被分配一個(gè)永久的IP地址，并創(chuàng)建一條具有非保證比特率（non-GBR）屬性的默認(rèn)承載。默認(rèn)承載的QoS取決于HSS（home subscriber server）中的用戶(hù)簽約數(shù)據(jù)。默認(rèn)承載總是伴隨UE存在并激活，在無(wú)業(yè)務(wù)傳遞時(shí)不占用網(wǎng)絡(luò)資源，并提供“永遠(yuǎn)在線”的快速接入能力[5]。專(zhuān)用承載建立和承載修改的信令流程只能由網(wǎng)絡(luò)側(cè)發(fā)起并決定QoS參數(shù)的設(shè)置，參數(shù)由分組核心網(wǎng)（EPC）與PCRF（策略與計(jì)費(fèi)規(guī)則功能）實(shí)體的交互或者基于本地配置來(lái)分配。觸發(fā)條件可以是IP多媒體子系統(tǒng)（IMS）與PCRF的交互、初始附著時(shí)移動(dòng)性管理實(shí)體（MME）指示，或UE請(qǐng)求。

這樣做的好處是不要求UE上的應(yīng)用層了解EPS承載層QoS的具體信息，保證了相同應(yīng)用在不同類(lèi)型終端上都有相同的體驗(yàn)。網(wǎng)絡(luò)側(cè)集中化的策略控制，避免了眾多終端制造商可能產(chǎn)生的對(duì)策略理解的差異，方便了未來(lái)很多由網(wǎng)絡(luò)端發(fā)起的push類(lèi)型業(yè)務(wù)的QoS及策略控制，同時(shí)保證在QoS出現(xiàn)異常時(shí)有一致的處理方法[6]。

3 端到端分業(yè)務(wù)資源關(guān)聯(lián)

端到端分業(yè)務(wù)資源關(guān)聯(lián)是考察具體業(yè)務(wù)過(guò)程中各網(wǎng)元傳輸時(shí)占用的資源及其綁定關(guān)系，這些資源包括帶寬、物理標(biāo)識(shí)、屬性描述等信息，理清資源關(guān)聯(lián)對(duì)于一個(gè)完全共享信道（Uu口PDSCH/PUSCH信道和IP無(wú)連接）的EPS實(shí)現(xiàn)端到端控制面信令過(guò)程跟蹤和用戶(hù)面測(cè)量關(guān)聯(lián)具有重要的意義。LTE的QoS框架采用分層結(jié)構(gòu)，定義了承載的概念來(lái)具體化各業(yè)務(wù)的資源使用，承載的建立過(guò)程體現(xiàn)了QoS的協(xié)商過(guò)程，承載屬性的實(shí)現(xiàn)就是對(duì)業(yè)務(wù)QoS的保證。

在PGW之上，EPS執(zhí)行分組流級(jí)別的QoS保證，為IP-CAN承載綁定PCC規(guī)則，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的識(shí)別；在PGW之下，EPS執(zhí)行承載級(jí)的QoS保證，為EPS承載綁定相應(yīng)的QoS參數(shù)。理解承載綁定對(duì)于一個(gè)完全共享信道 （Uu口PDSCH/PUSCH信道和IP無(wú)連接）的EPS實(shí)現(xiàn)端到端分業(yè)務(wù)資源關(guān)聯(lián)具有重要的意義。

3.1 PGW之上

一個(gè)UE可通過(guò)EPS同時(shí)連接多個(gè)PDN（此時(shí)EPS相當(dāng)于提供L2的承載）。EPS通過(guò)APN識(shí)別PDN，并為UE分配對(duì)應(yīng)的IP地址，建立一條默認(rèn)EPS承載（當(dāng)PDN和UE同時(shí)支持IPv4/IPv6雙協(xié)議時(shí)，對(duì)于一個(gè)PDN，UE可以有兩個(gè)IP地址和兩個(gè)默認(rèn)EPS承載）。通常地，UE和PDN之間存在多個(gè)IP連接——IP-CAN承載 （一種L3的承載，用 IP/PORT@UE+IP/PORT@Server標(biāo)識(shí)，其 QoS信息由PCC規(guī)則描述），其集合為IP-CAN會(huì)話(huà)（用IP@UE+APN標(biāo)識(shí)，其QoS信息由PCC規(guī)則集描述）。在EPC，QoS信息的存儲(chǔ)是以UE為單位的，每個(gè)UE最多有10個(gè)PCC規(guī)則集，1 000個(gè)PCC規(guī)則，10 000個(gè)L4過(guò)濾器或50 000個(gè)L7過(guò)濾器。

3.2 PGW之下

在下行方向，PGW根據(jù)IP-CAN承載的源/目的IP地址、源/目的UDP端口號(hào)、協(xié)議等信息，按優(yōu)先級(jí)順序匹配相應(yīng)的傳輸流模板（TFT）過(guò)濾器，從而將具有相同源/目的IP地址和QoS要求的IP-CAN承載綁定到相同的EPS承載。通過(guò)一個(gè)TFT過(guò)濾器的數(shù)據(jù)分組流叫一個(gè)SDF（與IP-CAN承載一一對(duì)應(yīng)），承載在同一個(gè)EPS承載上的多個(gè)SDF叫做一個(gè)聚合SDF。

一個(gè)UE最多只能建立11條EPS承載，EPS承載用EBI標(biāo)識(shí)，長(zhǎng)度為4 bit，其中0～4被保留，可用的取值范圍為5～15（與GSM/UMTS兼容，一個(gè)EPS承載映射為一個(gè)PDP上下文，PDP上下文由NSAPI標(biāo)識(shí)，其中0～4已被分配）。對(duì)于一個(gè)單棧APN，UE可以有1個(gè)默認(rèn)EPS承載和最多10個(gè)專(zhuān)用EPS承載，或者最多可以同時(shí)連接11個(gè)不同的PDN （此時(shí)沒(méi)有專(zhuān)用EPS承載）。EPS承載與RB、E-RAB和S5/S8承載一一對(duì)應(yīng)，且它們的標(biāo)識(shí)取值相同，即EBI=E-RAB ID=RB ID。值得注意的是，每個(gè)UE可以建立多達(dá)11條EPS承載，共享一個(gè)控制面的NAS層連接，這個(gè)控制面連接在 Uu口，3條信令 RB（SRB）對(duì)應(yīng)的RB ID分別為0、1、2。有關(guān)EPS端到端的數(shù)據(jù)傳輸如圖1所示。

專(zhuān)用承載通過(guò)LBI（取值與默認(rèn)承載的EBI相同）找到對(duì)應(yīng)的默認(rèn)承載。每個(gè)承載（含默認(rèn)承載）都唯一對(duì)應(yīng)1個(gè)或0個(gè)TFT（一個(gè)IP-CAN會(huì)話(huà)最多只能有一個(gè)EPS承載沒(méi)有TFT；TFT可以是雙向或單向的，如為單向則另一個(gè)方向的數(shù)據(jù)流將被阻塞），對(duì)于一個(gè)UE/APN對(duì)下的EPS承載，也可以通過(guò)QCI+ARP進(jìn)行區(qū)分。每個(gè)TFT最多可包含8個(gè)TFT過(guò)濾器，TFT過(guò)濾器由PFI標(biāo)識(shí) （取值范圍為0～7，需與EBI結(jié)合才能唯一標(biāo)識(shí)），一個(gè)APN下最多有256個(gè)TFT過(guò)濾器，這些過(guò)濾器都被分配了一個(gè)唯一的優(yōu)先級(jí)（取值范圍為0～255，越小越優(yōu)先）。承載綁定關(guān)系如圖2所示。

綜上，要實(shí)現(xiàn)端到端分業(yè)務(wù)資源關(guān)聯(lián)首先必須跟蹤EPS承載（默認(rèn)和專(zhuān)用）建立的信令過(guò)程，記錄業(yè)務(wù)占用各類(lèi)資源的唯一標(biāo)識(shí)（承載ID和QoS參數(shù)），然后才能建立起一份與該業(yè)務(wù)相關(guān)的資源描述表，該表的建立是后續(xù)開(kāi)展端到端分業(yè)務(wù)的性能統(tǒng)計(jì)的基本前提。

4 端到端分業(yè)務(wù)性能統(tǒng)計(jì)

端到端分業(yè)務(wù)性能統(tǒng)計(jì)是考察具體業(yè)務(wù)過(guò)程中各接口的性能表現(xiàn)，業(yè)務(wù)性能通常從接入性、保持性和完整性3個(gè)維度來(lái)描述，見(jiàn)表1。端到端分業(yè)務(wù)的性能統(tǒng)計(jì)是確認(rèn)QoS保證是否按規(guī)劃得到執(zhí)行、發(fā)現(xiàn)和定位QoS故障、衡量網(wǎng)絡(luò)整體性能、進(jìn)行QoS參數(shù)優(yōu)化和開(kāi)展基于SLA的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的關(guān)鍵信息來(lái)源。性能統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的來(lái)源有兩大類(lèi)：基于 eNode B、MME、SGW 和 PGW 的 網(wǎng)元計(jì)數(shù)器（counter）的網(wǎng)管性能統(tǒng)計(jì)和基于標(biāo)準(zhǔn)接口的外掛協(xié)議分析儀。由于用戶(hù)面的數(shù)據(jù)極為龐大，且需要復(fù)雜的承載關(guān)聯(lián)，外掛測(cè)量設(shè)備通常只用于采集和分析控制面的信令，如圖3所示，在實(shí)際運(yùn)維中，除了在Uu口采用特殊的UE模擬用戶(hù)進(jìn)行主動(dòng)式測(cè)量（路測(cè)）外，其他接口上的外掛設(shè)備很少得到使用。

EMS（網(wǎng)元管理系統(tǒng)）采用基于CORBA的北向接口與各網(wǎng)元相連，匯總各網(wǎng)元內(nèi)部計(jì)數(shù)器的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，它是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的組成部分之一，有關(guān)網(wǎng)管性能統(tǒng)計(jì)規(guī)范請(qǐng)參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[7]，各QoS維度與網(wǎng)管性能統(tǒng)計(jì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1，在業(yè)務(wù)性能統(tǒng)計(jì)上需要注意以下要點(diǎn)。

·由于QoS保證以EPS承載為對(duì)象，因此測(cè)量粒度必須細(xì)化到EPS承載，但在一些情況下，網(wǎng)元以UE為單位進(jìn)行管理，如移動(dòng)性管理、控制面異常釋放等，因此需要對(duì)消息中的IE（信息單元）進(jìn)行進(jìn)一步解碼以統(tǒng)計(jì)受影響的E-RAB。

·RRC過(guò)程中同時(shí)包含了附著、PDN連接、默認(rèn)承載或?qū)Ｓ贸休d的建立過(guò)程，因此RRC成功率包含了對(duì)附著成功率、默認(rèn)承載建立成功率和專(zhuān)用成功建立成功率的統(tǒng)計(jì)。

·默認(rèn)承載建立的過(guò)程包含附著和PDN連接建立過(guò)程，比專(zhuān)用承載的建立過(guò)程要復(fù)雜一些，應(yīng)分開(kāi)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

·對(duì)于一些業(yè)務(wù)如VoLTE，需要先建立一條默認(rèn)承載傳輸SIP信令，然后再建立一條GBR類(lèi)型的專(zhuān)用承載傳輸話(huà)音分組，這樣業(yè)務(wù)的接通率應(yīng)為默認(rèn)承載接通率和專(zhuān)用承載接通率的乘積。

·對(duì)于移動(dòng)性統(tǒng)計(jì)，由于eNode B內(nèi)的切換不通知MME，所以只能獲得對(duì)eNode B間的切換性能。

除了上述這些需要注意的要點(diǎn)外，應(yīng)特別指出：EMS的性能統(tǒng)計(jì)僅僅包含EPS網(wǎng)內(nèi)的網(wǎng)元，無(wú)法做到真正的端到端性能統(tǒng)計(jì)，如對(duì)于話(huà)音的SIP會(huì)話(huà)建立成功率，需要包含IMS內(nèi)的AS（應(yīng)用服務(wù)器）；由于網(wǎng)元只是采集E-RAB級(jí)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，而沒(méi)有記錄E-RAB的清單，所以無(wú)法將單業(yè)務(wù)的分段統(tǒng)計(jì)性能關(guān)聯(lián)起來(lái)；對(duì)于業(yè)務(wù)完整性的指標(biāo)，還需要依賴(lài)下層IP承載網(wǎng)的相關(guān)統(tǒng)計(jì)。由此可見(jiàn)，通過(guò)EMS只能實(shí)現(xiàn)對(duì)EPS承載級(jí)平均業(yè)務(wù)性能的監(jiān)控，在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)QCI級(jí)的性能監(jiān)控，而無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)對(duì)具體單個(gè)業(yè)務(wù)的性能監(jiān)控，要開(kāi)展基于SLA的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，需要通過(guò)自定義QCI實(shí)現(xiàn)，而且用戶(hù)數(shù)不能超過(guò)246個(gè)（QCI取值范圍[1,255]，扣除規(guī)范定義9個(gè)），此類(lèi)服務(wù)只能向有限數(shù)量的集團(tuán)客戶(hù)開(kāi)放。

表1 業(yè)務(wù)需求與KPI的映射關(guān)系

通過(guò)測(cè)量，可以在各個(gè)接口上參照表1獲得相應(yīng)資源的性能統(tǒng)計(jì)，以資源標(biāo)識(shí)為索引，與業(yè)務(wù)資源描述表相關(guān)聯(lián)，即可實(shí)現(xiàn)端到端分業(yè)務(wù)的性能統(tǒng)計(jì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于現(xiàn)有的QoS實(shí)現(xiàn)機(jī)制、EMS的功能定位和3GPP的網(wǎng)管規(guī)范，OSS只能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)元粒度的資源關(guān)聯(lián)和QCI粒度的性能統(tǒng)計(jì)，與QoS保證要求的端到端的業(yè)務(wù)粒度和用戶(hù)粒度的資源關(guān)聯(lián)和性能統(tǒng)計(jì)還有很大的差距。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，必須借助于外在的被動(dòng)式測(cè)量系統(tǒng)，同時(shí)采集控制面和用戶(hù)面數(shù)據(jù)，而采用外掛儀表存在系統(tǒng)維護(hù)工作量大、數(shù)據(jù)采集不完整和數(shù)據(jù)處理難度大等諸多困難，比較可行的方案是由設(shè)備廠商在網(wǎng)元內(nèi)部以新增板卡的方式實(shí)現(xiàn)外掛儀表的功能，但在異構(gòu)設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)中，由于缺乏相應(yīng)的規(guī)范，難以構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)。

1 NGMN Requirement Document.NGMN Recommendations on SON and OAM Requirements,Dec 2008

2 3GPP TS23.203v10.2.0 Release 10.Policy and Charging Control Architecture,2010

3 3GPP TS23.203v8.2.0 Release 8.Policy and Charging Control Architecture,2008

4 3GPP TS23.401v9.4.0 Release 9.General Packet Radio Service(GPRS)Enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E-UTRAN)Access,2009

5 3GPP TS36.300v10.2.0 Release 10.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E-UTRAN);Overall Description,2010

6 Hannes E.QoS Control in the 3GPP Evolved Packet System.IEEE,2009

7 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)公司.EPS網(wǎng)元統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)需求規(guī)范(1.1.0),2011