LTE核心網(wǎng)QoS管理實(shí)現(xiàn)的研究

【摘 要】對建立默認(rèn)承載和專有承載的信令流程進(jìn)行了詳細(xì)分析，研究了在這兩個(gè)流程里QoS參數(shù)的差異以及QoS如何在各個(gè)網(wǎng)元實(shí)現(xiàn)的問題，特別是針對不同用戶、不同業(yè)務(wù)的QCI不同時(shí)其獲得服務(wù)質(zhì)量保障也不一樣。

【關(guān)鍵詞】LTE 服務(wù)質(zhì)量 默認(rèn)承載 專有承載 QCI

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.05.018 中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-1010（2016）05-0085-05

引用格式：謝鯤. LTE核心網(wǎng)QoS管理實(shí)現(xiàn)的研究[J]. 移動(dòng)通信， 2016，40（5）： 85-89.

1 引言

隨著LTE網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模建設(shè)和完善、終端的普及和電信運(yùn)營商的大力市場營銷，LTE網(wǎng)絡(luò)將面臨著飛速增長的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)用戶，而用戶的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)量也將會(huì)迅速飆升。電信運(yùn)營商需要滿足LTE用戶的不同業(yè)務(wù)需求，如視頻會(huì)議、網(wǎng)絡(luò)視頻、手機(jī)網(wǎng)絡(luò)游戲、VoLTE等，LTE網(wǎng)的QoS提供了嚴(yán)格的質(zhì)量保障保證了用戶使用感知。文章從建立承載的信令流程入手，針對LTE網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵QoS參數(shù)進(jìn)行了研究，以確定網(wǎng)絡(luò)中的各設(shè)備網(wǎng)元對QoS管理的實(shí)現(xiàn)。

2 LTE網(wǎng)絡(luò)QoS概述

LTE網(wǎng)絡(luò)通過端到端的QoS管理以及差異化服務(wù)策略來保障業(yè)務(wù)的QoS要求，LTE網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)QoS的最小單元是EPS（Evolved Packet System，演進(jìn)分組系統(tǒng)）承載（Bearer），即同一類型的EPS承載上的所有IP數(shù)據(jù)包都會(huì)得到一樣的QoS保障（如資源的分配和調(diào)度、鏈路層配置、緩沖區(qū)隊(duì)列管理等），不同類型的EPS承載所需的QoS保障也是不一樣的。在各個(gè)設(shè)備接口上，EPS承載關(guān)聯(lián)到底層承載，各個(gè)設(shè)備負(fù)責(zé)維護(hù)底層的標(biāo)識(shí)以及接口之間的關(guān)聯(lián)。

如圖1所示，EPS承載建立在UE與PDN GW之間，EPS承載包含了無線承載、S1承載和S5/S8承載。上行（UE到P-GW的方向）/下行（P-GW到UE的方向）數(shù)據(jù)流和承載都通過TFT（Traffic Flow Template，業(yè)務(wù)流模板）進(jìn)行關(guān)聯(lián)和映射，在核心網(wǎng)中下行鏈路的TFT和核心網(wǎng)的TEID（Tunnel Endpoint ID，隧道終點(diǎn)標(biāo)識(shí)符）進(jìn)行關(guān)聯(lián)，在無線網(wǎng)中上行鏈路的TFT和無線的RB-ID（Radio Bearer ID，無線承載標(biāo)識(shí)符）進(jìn)行關(guān)聯(lián)，UE又根據(jù)上行鏈路的TFT關(guān)聯(lián)到上行數(shù)據(jù)流，P-GW根據(jù)下行鏈路的TFT關(guān)聯(lián)到下行數(shù)據(jù)流，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)端到端的數(shù)據(jù)流都得到了相應(yīng)的QoS保證。

專有EPS承載必須配置相應(yīng)的業(yè)務(wù)流模板，而默認(rèn)EPS承載一般不配置專有的業(yè)務(wù)流模板，或者配置一般的業(yè)務(wù)流模板，這樣所有不能關(guān)聯(lián)到專有EPS承載的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流都會(huì)被關(guān)聯(lián)到默認(rèn)EPS承載上。在釋放專有EPS承載的情況下，原本關(guān)聯(lián)到專有EPS承載上的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流會(huì)被關(guān)聯(lián)到默認(rèn)EPS承載上。

3 LTE網(wǎng)絡(luò)QoS相關(guān)參數(shù)

根據(jù)承載的業(yè)務(wù)不同，EPS承載可以分為GBR承載和Non-GBR承載。LTE網(wǎng)QoS參數(shù)包括了GBR（Guaranteed Bit Rate，保證比特速率）、ARP（Allocation and Retention Priority，分配與保留優(yōu)先級(jí)）、MBR（Maximum Bit Rate，最大比特速率）、QCI（QoS Class Identifier，QoS分類標(biāo)識(shí)），AMBR（Aggregate Max Bit Rate，聚合最大比特速率）。

（1）QCI：QCI是一個(gè)值，不是一組QoS參數(shù)，表示不同業(yè)務(wù)的QoS要求，包含承載類型、優(yōu)先級(jí)、數(shù)據(jù)包時(shí)延和可接受的誤包丟失率等指標(biāo)，其具體含義如表1所示。QCI主要用在建立承載后的網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)整和分配，用于保障端到端的各種業(yè)務(wù)的QoS需求，用于訪問網(wǎng)元內(nèi)提前設(shè)置的的控制承載級(jí)分組轉(zhuǎn)發(fā)方式，如調(diào)度優(yōu)先級(jí)、接收策略、緩沖區(qū)隊(duì)列管理、鏈路層配置等，這些都可以由網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商預(yù)先定義到eNodeB中。在LTE網(wǎng)的相關(guān)接口中傳輸?shù)氖荙CI的值而不是對應(yīng)的QoS屬性，使用QCI參數(shù)可以有效減小QoS參數(shù)傳輸時(shí)的數(shù)據(jù)量，也便于不同設(shè)備商之間的設(shè)備互連互通；QCI同時(shí)應(yīng)用于GBR和Non-GBR承載。

（2）AMBR：定義了LTE用戶的最大總比特速率，但是它不是用于一個(gè)承載，而是用于一組非GBR的承載，如當(dāng)其它EPS承載上沒有任何數(shù)據(jù)流時(shí)，有數(shù)據(jù)流的承載可以使用AMBR配置的所有帶寬。AMBR在3GPP中定義了兩種不同的參數(shù)：UE-AMBR和APN-AMBR。UE-AMBR定義了每個(gè)LTE用戶的AMBR，APN-AMBR是針對APN的QoS，它定義了同一種APN中的全部EPS承載需要的總比特速率最大值。AMBR可以對上/下行的承載速率設(shè)置不同的值。

（3）ARP：在資源緊張的情況下，決定是否接受UE建立請求和修改請求。ARP主要用于無線資源緊張的時(shí)候能夠判決是否需要接受UE建立或修改承載的請求。此外，eNodeB可以在網(wǎng)絡(luò)資源受限的情況下根據(jù)ARP級(jí)別大小來決定可以丟棄哪些承載。ARP僅在建立承載前有作用，建立承載成功后如果想要改變承載的屬性，則由QCI、AMBR、GBR和MBR等參數(shù)決定。ARP可同時(shí)應(yīng)用于GBR和Non-GBR承載。

（4）GBR：它為業(yè)務(wù)提供的比特速率是可保證的，這些業(yè)務(wù)包括語音通話、直播流媒體、實(shí)時(shí)在線游戲等。GBR只用于GBR承載。

（5）MBR：它為業(yè)務(wù)定義了最大比特速率。如果發(fā)現(xiàn)為業(yè)務(wù)提供的比特速率超過MBR定義的最大比特速率時(shí)，系統(tǒng)將根據(jù)相關(guān)算法來降低其速率。MBR定義的速率一般等于或大于GBR定義的速率。MBR只用于GBR承載。

4 LTE網(wǎng)絡(luò)QoS管理的實(shí)現(xiàn)

LTE網(wǎng)絡(luò)的接入網(wǎng)相對于WCDMA網(wǎng)進(jìn)行了簡化，結(jié)構(gòu)更加扁平化，同時(shí)取消了WCDMA網(wǎng)復(fù)雜的QoS協(xié)商機(jī)制。為了使用更靈活的動(dòng)態(tài)調(diào)度機(jī)制，引入了PCRF（Policy and Charging Rules Function，策略與計(jì)費(fèi)規(guī)則功能單元）。根據(jù)建立承載的先后，定義了兩種不同的EPS承載：默認(rèn)承載和專有承載。默認(rèn)承載是LTE UE在開機(jī)時(shí)就與PDN（Public Data Network，外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)）之間建立了承載連接，也就為用戶提供“永久在線”的服務(wù)；專有承載是該用戶連接到同一PDN網(wǎng)絡(luò)的其它EPS承載。在建立專有承載前，相應(yīng)的默認(rèn)承載就已經(jīng)存在。建立或修改專有承載必須由網(wǎng)絡(luò)端發(fā)起，其QoS參數(shù)也必須是由EPC來定義。

4.1 默認(rèn)承載的建立流程

在LTE用戶開機(jī)附著LTE網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，用戶就建立了一條默認(rèn)承載LTE網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)默認(rèn)承載的QoS管理實(shí)現(xiàn)機(jī)制如圖2所示。

步驟1：LTE用戶附著網(wǎng)絡(luò)，發(fā)Attach Request消息給eNodeB，eNodeB再傳給MME。

步驟2：MME收到LTE用戶Attach Request消息后，判斷用戶屬于哪個(gè)HSS，MME就向該HSS發(fā)送Update Location Request消息，HSS收到該消息后，給MME回消息Update Location Answer，其中就有用戶簽約QoS參數(shù)，包括QCI、ARP、UE-AMBR、APN-AMBR等。

步驟3：MME向EPC GW的SAE GW發(fā)建立默認(rèn)承載消息Create Session Request，并攜帶簽約QoS參數(shù)，包括QCI、ARP、APN-AMBR，SAE GW向PDN GW發(fā)Create Session Request消息，也帶有相關(guān)QoS。

步驟4：如網(wǎng)絡(luò)引入了PCRF，PDN GW還需要與PCRF交互消息以獲取運(yùn)營商設(shè)置的PCC（Police Control and Charging，策略控制和計(jì)費(fèi)）相關(guān)策略，若沒有引入PCRF，則在PDN GW中預(yù)先設(shè)置PCC規(guī)則。PCRF可根據(jù)運(yùn)營商的策略決定修改相關(guān)的QoS參數(shù)。

步驟5：EPC GW的PGW（PDN GateWay，分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)）生成Create Session Response回給SAE GW，SAE GW收到消息后再生成Create Session Response消息回復(fù)給MME。

步驟6：MME根據(jù)從EPC GW處獲取的APN-AMBR和簽約UE-AMBR，計(jì)算用戶的UE-AMBR，將UE-AMBR、QCI、ARP等QoS參數(shù)放入Initial Context Setup/Attach Accept消息發(fā)給eNodeB，eNodeB建立無線承載，無線承載有相應(yīng)的QoS參數(shù)QCI和ARP。無線接入部分eNodeB根據(jù)運(yùn)營商按照實(shí)際需求預(yù)配置的QoS參數(shù)執(zhí)行基于承載的無線資源調(diào)度，將APN-AMBR、QCI放入Attach Accept消息發(fā)給UE。LTE UE向eNodeB回Attach Complete，eNodeB再將消息回給MME。

4.2 專有承載的建立流程

如果建立了默認(rèn)承載的用戶要使用更高QoS需求的業(yè)務(wù)，如可視電話、網(wǎng)絡(luò)視頻、VoLTE等，則要建立一個(gè)或多個(gè)EPS專有承載。EPS專用承載的建立由網(wǎng)絡(luò)端發(fā)起，但也可以由UE通過某些流程觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)側(cè)來建立專用承載。例如，UE發(fā)起基于IMS的VoIP呼叫或者UE需要接受基于IMS的VoIP呼叫。專有承載可以是GBR，也可以是Non-GBR。下面介紹以網(wǎng)絡(luò)端發(fā)起的專用承載建立流程，流程圖如圖3所示。

（1）首先，PCRF根據(jù)LTE用戶的業(yè)務(wù)應(yīng)用層所需要的QoS，生成建立專有承載所要求的QoS，向PGW發(fā)RAR（Re-Authentication Request，重新鑒權(quán)請求）消息。

（2）PGW收到PCRF的消息后，根據(jù)消息里的QoS策略來分配EPS承載的QoS，包括QCI、ARP、MBR、GBR等參數(shù)，并發(fā)送Create Bearer Request 消息給SGW（Serving Gateway，服務(wù)網(wǎng)關(guān)），其中有UE建立到SGW承載的QoS和UL-TFT，SGW將相應(yīng)的消息（QoS、UL-TFT、S1 Bearer ID）傳給MME。

（3）MME收到SGW的消息后，為每個(gè)EPS承載配置相應(yīng)的TFT和EBI（EPS Bearer ID，EPS承載ID號(hào)），構(gòu)造相應(yīng)的專有承載激活消息（Activate Dedicated EPS Bear）作為NAS PDU信元，放入Bear Setup Request消息中后發(fā)給eNodeB。

（4）eNodeB將EPS承載的QoS映射到無線承載的QoS，然后向UE發(fā)送RRC Connection Reconfiguration消息來建立相應(yīng)的DRB（Data Radio Bearer，數(shù)據(jù)無線承載），通過DRB來配置PDCP層、RLC層、邏輯層。在RRC Connection Reconfiguration消息中還有來自MME的Activate Dedicated EPS Bear的NAS PDU。UE的UL-TFT會(huì)關(guān)聯(lián)到該無線承載，其優(yōu)先級(jí)由Precedence定義，數(shù)值越小，級(jí)別就越高。UE在發(fā)送業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流時(shí)，按照承載優(yōu)先級(jí)對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流進(jìn)行關(guān)聯(lián)，如果關(guān)聯(lián)成功，UE將會(huì)在相應(yīng)的EPS承載上發(fā)送數(shù)據(jù)流，否則的話，UE會(huì)在默認(rèn)的EPS承載上傳輸數(shù)據(jù)流。

（5）UE在得到相關(guān)QoS數(shù)據(jù)后，就發(fā)RRC Connection Reconfiguration完成消息給eNodeB。eNodeB收到UE的消息后，給MME回Bear Setup響應(yīng)消息。UE的NAS層就會(huì)建立Activate Dedicated EPS Bearer上下文完成的消息，并將其作為NAS PDU信元通過Direct transfer消息給eNodeB，eNodeB將此PDU消息不做處理透傳給MME。

（6）MME收到eNodeB消息后，生成Create Beare響應(yīng)消息，轉(zhuǎn)送給SGW，再由SGW轉(zhuǎn)給PGW。

（7）PGW向PCRF回RAR Response。

默認(rèn)承載的QoS參數(shù)可以是HSS（歸屬用戶服務(wù)器）中用戶簽約的數(shù)據(jù)，也可以跟PCRF交互或者交與本地配置策略來改變QoS參數(shù)。專有承載的QoS可以根據(jù)運(yùn)營商在PCRF提前設(shè)置好的策略，將不同的IP數(shù)據(jù)包關(guān)聯(lián)到相應(yīng)的EPS專有承載上，不同的EPS承載采取不一樣的QoS機(jī)制。

5 LTE網(wǎng)QoS管理實(shí)現(xiàn)應(yīng)用

通過默認(rèn)承載和專有承載的建立流程可以知道專有承載會(huì)獲得能保證承載速率的GBR、MBR這兩個(gè)QoS參數(shù)，而默認(rèn)承載是不會(huì)獲得的。默認(rèn)承載只能是Non-GBR，而專有承載可以是GBR，也可以是Non-GBR。通過表1的QCI優(yōu)先級(jí)，知道GBR承載比Non-GBR承載的級(jí)別高，這樣不同的用戶、不同的業(yè)務(wù)會(huì)獲得不同的業(yè)務(wù)質(zhì)量保障。

當(dāng)一個(gè)用戶有一條默認(rèn)承載（Non-GBR，QCI=9）和兩條專有承載（GBR，QCI=2， 3）時(shí)，LTE網(wǎng)絡(luò)會(huì)優(yōu)先保證GBR承載的速率（GBR承載級(jí)別（QCI的優(yōu)先級(jí)越小級(jí)別就越高）越高就越能得到更多的資源），其次是Non-GBR承載的速率。而對于有多個(gè)GBR承載的資源分配，會(huì)優(yōu)先保證高級(jí)別GBR用戶簽約速率（QCI的優(yōu)先級(jí)越小級(jí)別就越高），然后再將剩余資源分配給低級(jí)別的GBR用戶。該用戶在系統(tǒng)資源充足和緊張的情況下，其承載的速率有很大的差別，如圖4所示：

而對于多個(gè)用戶來說，LTE網(wǎng)絡(luò)會(huì)優(yōu)先保證使用GBR承載的用戶，其次再將其余的資源分配給使用Non-GBR承載的用戶。而對于都使用GBR承載的用戶，LTE網(wǎng)絡(luò)會(huì)優(yōu)先保證高級(jí)別的GBR用戶，其次再將其余的資源分配給低級(jí)別的GBR用戶。以使用GBR（QCI=4）承載和Non-GBR（QCI=9）承載的用戶，和都使用GBR承載的用戶（用戶A的QCI=3，用戶B的QCI=2）為例，當(dāng)資源足夠和資源緊張的時(shí)候，其承載速率會(huì)發(fā)生不一樣的變化。如圖5所示。

6 結(jié)束語

LTE網(wǎng)絡(luò)是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)向真正的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要一步，為了滿足網(wǎng)絡(luò)資源的充分利用以及用戶業(yè)務(wù)需求，對LTE網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)質(zhì)量（QoS）做了大量的改善，并引入了一些新的定義，如默認(rèn)承載、專用承載、GBR承載、Non-GBR承載。LTE網(wǎng)絡(luò)的QoS實(shí)現(xiàn)不再利用像WCDMA網(wǎng)絡(luò)那樣的復(fù)雜協(xié)商機(jī)制，從調(diào)度優(yōu)先級(jí)和資源分配兩方面為用戶提供了合適的業(yè)務(wù)質(zhì)量（QoS）保證，給用戶帶來了使用感知度的提高。

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