LTEEPS系統(tǒng)的QoS機(jī)制

1、eps系統(tǒng)的qos機(jī)制qos mechanism in evolved packet system2008-12-17作者:黃韜 張智江 劉韻潔摘要:為了適應(yīng)未來10年移動通信技術(shù)的發(fā)展，給用戶不斷增強的資料業(yè)務(wù)需求提供更好支援，3gpp組織啟動了長期演進(jìn)計畫(lte)與系統(tǒng)框架演進(jìn)(sae)研究專案。針對未來資料業(yè)務(wù)具有高速、突發(fā)性的特徵，演進(jìn)的分組系統(tǒng)(eps)對服務(wù)品質(zhì)(qos)機(jī)制進(jìn)行了諸多改進(jìn)與增強，通過引入默認(rèn)承載、聚合資源調(diào)度等概念，真正實現(xiàn)了用戶的“永遠(yuǎn)線上”，提高了業(yè)務(wù)的資料速率，進(jìn)而最終提升了用戶體驗。同時，針對未來utran與e-utran網(wǎng)路之間的互操作場景，設(shè)計了ep

2、s的qos等級標(biāo)識(qci)參數(shù)與通用移動通信系統(tǒng)(umts)qos參數(shù)之間的合理映射。關(guān)鍵字:系統(tǒng)框架演進(jìn)(sae)；eps承載；聚合最大比特速率(ambr)；qos等級標(biāo)識(qci)英文摘要:for adapting the development of mobile communication technology in the next 10 years, and providing support for the enhancing data services continually, 3gpp organization began to the long time evolutio

3、n (lte)/system architecture evolution (sae) research project. considering the character of high-speed and bursting data services, the evolved packet system (eps) makes many improvements in the quality of service (qos) scheme. with application of the default bearer, aggregate resources scheduling tec

4、hnologies, the eps actually realizes the users always-online, improves the operational data rate and enhances the user experience ultimately. at the same time, for the inter-operation scene between e-utran and utran, this system designs the mapping of eps qos class identifier (qci) and universal mob

5、ile telecommunications system (umts) qos parameters.英文關(guān)鍵字:system architecture evolution (sae); eps bearer; ambr; qos class identifier (qci) 具有嚴(yán)格服務(wù)品質(zhì)(qos)保證的資料、語音、圖像、視頻等多種多媒體業(yè)務(wù)是目前移動通信系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)之一1。為了保證各種多媒體業(yè)務(wù)的服務(wù)品質(zhì)，3gpp在通用移動通信系統(tǒng)(umts)中清晰地定義了端到端的qos結(jié)構(gòu)，並引入了多種承載及處理機(jī)制，以保證umts可以充分發(fā)揮自身的技術(shù)優(yōu)勢，為用戶提供各種差異化的服務(wù)。 為了

6、保證在未來10年內(nèi)的技術(shù)先發(fā)優(yōu)勢，為運營商和用戶不斷增強的需求提供更好的支持，3gpp於2004年又提出了長期演進(jìn)(lte)與系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)(sae)兩大研究計畫2，其中sae課題則主要是從網(wǎng)路架構(gòu)的角度對系統(tǒng)性能進(jìn)行優(yōu)化與提高，與之相應(yīng)的演進(jìn)網(wǎng)路被稱為演進(jìn)的分組系統(tǒng)(eps)。 eps系統(tǒng)的qos機(jī)制在umts系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行了諸多增強與改進(jìn)。 首先，考慮到未來資料業(yè)務(wù)具有高速、突發(fā)的特徵，為有效提高用戶體驗，減小業(yè)務(wù)建立的時延，真正實現(xiàn)用戶的“永遠(yuǎn)線上”，eps系統(tǒng)引入了默認(rèn)承載的概念，即在用戶進(jìn)行網(wǎng)路附著的同時，為該用戶建立一個固定資料速率的默認(rèn)承載，保證其基本的業(yè)務(wù)需求。 其次，由於lte

7、系統(tǒng)在無線接入網(wǎng)中取消了專用通道的概念，轉(zhuǎn)而採用了共用通道的機(jī)制，並採用更靈活的動態(tài)調(diào)度機(jī)制，eps取消了umts系統(tǒng)中複雜的qos協(xié)商機(jī)制。 另外，鑒於lte/sae網(wǎng)路增加了對gsm、wcdma、lte、cdma2000及wimax等多種無線技術(shù)接入統(tǒng)一分組域核心網(wǎng)的需求，與之對應(yīng)，eps系統(tǒng)也要求能夠支援跨不同接入技術(shù)的端到端qos保證，即用戶設(shè)備(ue)在跨越不同接入網(wǎng)時，能夠有效地實現(xiàn)qos參數(shù)之間的映射，保證無縫的用戶體驗3。1 無線通信網(wǎng)路qos的演進(jìn) 隨著無線通信技術(shù)與ip技術(shù)的緊密結(jié)合，移動通信網(wǎng)路從gsm系統(tǒng)的電路交換網(wǎng)發(fā)展到通用分組無線業(yè)務(wù)(gprs)的分組交換網(wǎng)，再到能

8、提供高速率即時資料業(yè)務(wù)的umts網(wǎng)路。在整個移動網(wǎng)路演進(jìn)過程中，為了根據(jù)不同業(yè)務(wù)特點為用戶提供滿意的服務(wù)，移動網(wǎng)路的qos機(jī)制也在不斷發(fā)展成熟。 gsm基於電路交換方式，電路連接建立後即可保證業(yè)務(wù)的服務(wù)品質(zhì)，qos保證比較簡單，且qos參數(shù)基本不在網(wǎng)路中傳遞。gprs基於分組交換方式，ip承載方式的引入，使得gprs網(wǎng)路的qos保證比gsm要複雜很多。gprs定義的qos參數(shù)有：時延級別、可靠級、最大資料流程量、優(yōu)先順序、平均資料流程量、重發(fā)需求等等，這些qos參數(shù)要求能夠在用戶終端(ue)與網(wǎng)路側(cè)實體服務(wù)gprs支援節(jié)點(sgsn)、閘道gprs支援節(jié)點(ggsn)之間傳遞。 r99版本引入

9、了端到端的qos分層體系結(jié)構(gòu)，這種架構(gòu)涉及所有網(wǎng)元，包括用戶終端、接入網(wǎng)實體、核心網(wǎng)實體，而且不同介面的qos參數(shù)處理必須保持一致?？梢哉f，umts系統(tǒng)引入的qos分層體系結(jié)構(gòu)是移動通信網(wǎng)在qos技術(shù)演進(jìn)方面的大飛躍4。同時，r99版本的核心網(wǎng)ip承載還採用了互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(ietf)定義的qos技術(shù)，包括有：綜合服務(wù)/資源預(yù)留(int-serv/rsvp)、多協(xié)定標(biāo)記交換(mpls)、差分服務(wù)(diff-serv)、流量工程和基於約束的尋路等技術(shù)，並首次明確定義了4種不同qos的業(yè)務(wù)類型：會話類、流類、交互類以及背景類。 r5/r6階段中，為了實現(xiàn)端到端的qos保證，以滿足ims移動多媒體

10、業(yè)務(wù)的服務(wù)品質(zhì)要求，3gpp組織又提出基於ip連接的策略控制機(jī)制5。隨後，r7版本將r6版本中的策略控制功能(pdf)與流計費功能(fbc)相合併，在業(yè)務(wù)控制層和接入/承載層之間增加了策略控制和計費(pcc)子系統(tǒng)，完成資源接納控制功能。 r8版本針對未來資料業(yè)務(wù)具有突發(fā)性的特點，引入eps專用承載及默認(rèn)承載的概念，有效地減小了業(yè)務(wù)承載的建立時延，真正實現(xiàn)了用戶的“永遠(yuǎn)線上”6。同時，針對lte網(wǎng)路無線接入網(wǎng)共用通道機(jī)制的特徵，在eps網(wǎng)路的承載處理(承載創(chuàng)建/修改/刪除)過程中，取消了網(wǎng)路實體間複雜的qos協(xié)商機(jī)制。2 eps系統(tǒng)的qos機(jī)制 在r8的eps系統(tǒng)中，qos控制的基本粒度是承載

11、(bearer)，即相同承載上的所有資料流程量將獲得相同的qos保障，不同類型的承載提供不同的qos保障。與umts系統(tǒng)相比，eps系統(tǒng)的承載機(jī)制不同之處在於： 採用eps承載代替分組資料協(xié)定(pdp)上下文，一個eps承載能夠看作ue與分組資料網(wǎng)閘道(pdn-gw)之間的邏輯電路。 在初始附著的過程中按照用戶簽約的默認(rèn)qos等級建立一個默認(rèn)承載，即每個ue總是至少有一個啟動的承載存在，從而保證用戶在開始業(yè)務(wù)時具有更短的時延。 將由終端發(fā)起pdp上下文建立流程改為通過網(wǎng)路側(cè)觸發(fā)方式的資料承載建立流程，其觸發(fā)條件可以是ip多媒體子系統(tǒng)(ims)會話中的策略與計費規(guī)則功能實體(pcrf)交互、初始

12、附著時移動性管理實體(mme)指示，或是由ue請求，從而方便未來很多由網(wǎng)路端發(fā)起的業(yè)務(wù)的qos及策略控制。 eps的qos基於qos等級標(biāo)識(qci)參數(shù)，其中qci可用來代替umts系統(tǒng)中一套10多個參數(shù)，即演進(jìn)型基站(enodeb)可以從qci推導(dǎo)出全部參數(shù)特徵。2.1 eps承載業(yè)務(wù)架構(gòu) 為了實現(xiàn)端到端qos，eps系統(tǒng)從業(yè)務(wù)的起點到業(yè)務(wù)的終點都建立和使用了具有明確定義屬性與功能的承載業(yè)務(wù)，eps承載業(yè)務(wù)的分層架構(gòu)如圖1所示。 從圖1可以看出，eps承載業(yè)務(wù)架構(gòu)繼續(xù)沿用了umts網(wǎng)路相似的qos框架結(jié)構(gòu)分層次、分區(qū)域的qos體系結(jié)構(gòu)，也就是說每一層的承載業(yè)務(wù)都是通過其下一層的承載業(yè)務(wù)來提

13、供的7-8。 端到端的qos業(yè)務(wù)可以分解為兩部分：eps承載業(yè)務(wù)與外部承載業(yè)務(wù)。其中，外部承載業(yè)務(wù)用於連接umts核心網(wǎng)和位於外部網(wǎng)路節(jié)點之間的業(yè)務(wù)承載。eps承載業(yè)務(wù)則可以分為eps無線承載業(yè)務(wù)與eps接入承載業(yè)務(wù)兩部分。eps無線承載業(yè)務(wù)可根據(jù)請求的qos，實現(xiàn)enodeb與ue之間的eps承載業(yè)務(wù)資料單元的傳送，同時提供ip頭壓縮、用戶平面加密功能，並可以為ue提供映射及複用資訊；eps接入承載業(yè)務(wù)則可以根據(jù)請求的qos，實現(xiàn)mme與enodeb之間的eps承載業(yè)務(wù)資料單元的傳送，同時提供端到端ip業(yè)務(wù)流彙聚的qos保證9。2.2 eps承載概念 eps系統(tǒng)中定義了分組資料網(wǎng)路(pdn)

14、連接業(yè)務(wù)的概念，pdn連接業(yè)務(wù)是指eps網(wǎng)路在ue與一個plmn的外部pdn之間提供的ip連接，pdn連接業(yè)務(wù)可支援一個或者多個業(yè)務(wù)資料流程(sdf)的傳輸。 當(dāng)服務(wù)閘道(s-gw)和pdn-gw之間的s5/s8介面基於gprs隧道協(xié)定(gtp)時，eps網(wǎng)路中pdn連接業(yè)務(wù)由eps承載提供；而當(dāng)s5/s8介面基於代理移動ip(pmip)協(xié)議時，pdn連接業(yè)務(wù)將由eps承載和s-gw與pdn-gw之間的ip承載連接而成。一個eps承載唯一標(biāo)識sdf的一個集合體，對應(yīng)相同承載級別qos的多個sdf的集合，每個sdf對應(yīng)傳輸流範(fàn)本(tft)中的一個資料包篩檢程式，也就是說每個eps承載關(guān)聯(lián)著ue的

15、上行tft和pdn-gw的下行tft。 下面基於gtp協(xié)議的上行eps承載為例，分析其建立過程與實現(xiàn)原理，如圖2所示。首先，ue通過ul-tft將一個上行sdf綁定成一個eps承載，若在ul-tft中包含多個上行分組資料包篩檢程式，則多個sdf將可以複用相同的eps承載。隨後依順序，ue通過創(chuàng)建sdf與無線承載之間的綁定，實現(xiàn)ul-tft與無線承載之間的一一映射；enodeb通過創(chuàng)建無線承載與s1承載之間的綁定，實現(xiàn)無線承載與s1承載之間的一一映射；s-gw通過創(chuàng)建s1承載與s5/s8承載之間的綁定，實現(xiàn)s1承載與s5/s8承載之間的一一映射。最終，eps承載資料通過無線承載、s1承載以及s5

16、/s8承載的級聯(lián)，實現(xiàn)了ue對外部pdn網(wǎng)路之間pdn連接業(yè)務(wù)的支援。 eps系統(tǒng)中，在pdn連接業(yè)務(wù)存在期間會始終保持建立一個承載，來給ue提供“永遠(yuǎn)線上”的ip連接，這個承載叫做默認(rèn)承載。默認(rèn)承載的qos參數(shù)可以來自於從歸屬用戶伺服器(hss)中獲取的簽約資料，也可以通過pcrf交互或者基於本地配置來改變這些值。連接到相同pdn的其他eps承載稱為專有承載，專有承載的創(chuàng)建或修改只能由網(wǎng)路側(cè)來發(fā)起，並且承載級qos參數(shù)值總是由分組核心網(wǎng)來分配。若在承載建立或修改過程中，與eps承載相關(guān)聯(lián)的保證比特率(gbr)對應(yīng)的專有網(wǎng)路資源被恒定地分配，這個eps承載就屬於gbr承載；否則，這個承載就屬於

17、non-gbr承載。專有承載可以是gbr承載或者non-gbr承載，而默認(rèn)承載一定是non-gbr承載。2.3 承載級qos參數(shù) eps系統(tǒng)中，承載級qos參數(shù)包括qci、分配與保持優(yōu)先順序(arp)、gbr、最大比特速率(mbr)和聚合最大比特速率(ambr)。其中，qci與ambr兩個參數(shù)是eps系統(tǒng)新增加的，其餘參數(shù)則都沿用于現(xiàn)有的umts系統(tǒng)。 無論是gbr承載還是non-gbr承載，都包含與qci和arp兩個參數(shù)。qci是一個數(shù)量等級，用來表示控制承載級別的資料包傳輸處理的接入點參數(shù)，例如調(diào)度權(quán)重、接入門限、佇列管理門限、鏈路層協(xié)定配置等等。arp的主要目的是在資源限制的情況下決定接

18、受還是拒絕承載的建立或修改請求。同時，arp用於特殊的資源限制時(例如在切換時)，決定丟棄哪個承載。一旦承載成功建立後，arp將對承載級別的資料包傳輸處理沒有任何影響。 除qci與apr兩個參數(shù)外，每個gbr承載還與gbr和mbr參數(shù)相關(guān)聯(lián)。gbr承載主要用於語音、視頻、即時遊戲等業(yè)務(wù)，採用專用承載和靜態(tài)調(diào)度的方式進(jìn)行承載。參數(shù)gbr代表了預(yù)期能夠由gbr承載提供的比特速率，參數(shù)mbr則限制了gbr承載能提供的比特速率，它表示了gbr承載提供期望資料速率的上限。 non-gbr承載則主要用於各種資料業(yè)務(wù)的承載，為了盡可能提高系統(tǒng)的帶寬利用率，eps系統(tǒng)引入了彙聚的概念，並定義了ambr參數(shù)。a

19、mbr是到每個pdn連接的ip-can會話級qos參數(shù)，相同pdn連接的多個eps承載可以共用相同的ambr值。當(dāng)其他eps承載不傳送任何業(yè)務(wù)時，這些non-gbr承載中的每一個承載都能夠潛在地利用整個ambr。因此，ambr參數(shù)實際上限制了共用這一ambr的所有承載能所能提供的總速率。 ambr參數(shù)基於兩種不同的場景可分為ue-ambr和(apn)-ambr。ue-ambr參數(shù)作為ue的簽約資料保存在hss中，用於指示ue針對不同pdn接入的參數(shù)屬性，並通過網(wǎng)路註冊流程由hss傳送給mme。當(dāng)ue建立起到某pdn的第一條資料連接時，相應(yīng)的上下行ue-ambr即可以通過默認(rèn)承載建立流程，傳送到

20、enodeb實體，由enodeb完成其控制與執(zhí)行。apn-ambr參數(shù)是存儲在hss中的針對每個接入點名稱(apn)的簽約參數(shù)，它實際上限制了同一個apn中的所有pdn連接期望提供的累計比特速率。其中，下行apn-ambr由pdn-gw負(fù)責(zé)執(zhí)行，上行apn-ambr由ue或pdn-gw負(fù)責(zé)執(zhí)行。2.4 標(biāo)準(zhǔn)qci屬性 qci是eps承載最重要的qos參數(shù)之一，它是一個數(shù)量等級，代表了eps應(yīng)該為這個sdf提供的qos特性，每個sdf都與且僅與一個qci相關(guān)聯(lián)。與相同ip-can會話相對應(yīng)的多個sdf，若具有相同的qci和arp值，可以作為一個單獨的業(yè)務(wù)集合來處理，這就是sdf集合。表1給出了e

21、ps系統(tǒng)定義的標(biāo)準(zhǔn)qci屬性，所有的qci屬性均可由運營商根據(jù)實際需求預(yù)配置在enodeb上，這些參數(shù)決定了無線側(cè)承載資源的分配。上述標(biāo)準(zhǔn)qci參數(shù)屬性描述了一個sdf集合所對應(yīng)的資料包傳送處理的特性： 資源類型：用來決定與業(yè)務(wù)或者承載級別的gbr值相關(guān)的專有網(wǎng)路資源能否被恒定地分配。gbr的sdf集合需要動態(tài)的策略與計費控制，而non-gbr的sdf集合可以只通過靜態(tài)的策略與計費控制。 優(yōu)先順序：用來區(qū)分相同ue的sdf集合，也用來區(qū)分不同ue的sdf集合。每個qci都與一個優(yōu)先順序相關(guān)聯(lián)，優(yōu)先順序1是最高的優(yōu)先順序別。 資料包時延預(yù)算(pdb)：用於表示資料包在ue和pdn-gw之間可能被

22、延遲的時間，引入pdb參數(shù)的目的是支援時序和鏈路層功能的配置。對於同一個qci，pdb值在上行和下行方向相同。 資料包丟失率(plr)：定義為已經(jīng)被發(fā)送端鏈路層處理但沒有被接收端成功傳送到上層sdu的比率，因此，plr參數(shù)實際上體現(xiàn)了非擁塞情況下資料包丟失率的上限。對同一個qci，plr值在上下行方向上相同。3 eps qci與umts qos參數(shù)的映射 umts系統(tǒng)向eps系統(tǒng)的演進(jìn)將是一個漸進(jìn)發(fā)展的過程，考慮到lte建網(wǎng)初期可能是熱點部署，lte網(wǎng)路的覆蓋區(qū)域?qū)⑿§秛mts的覆蓋區(qū)域，因此ue極可能在umts系統(tǒng)與eps系統(tǒng)之間進(jìn)行頻繁的互操作，如切換、社區(qū)重選等等。 鑒於eps和umts

23、系統(tǒng)使用了兩套不同的qos機(jī)制，當(dāng)ue在e-utran與utran之間切換時，必須重點考慮eps承載的qci參數(shù)與pre-r8 pdp上下文的qos參數(shù)之間的映射關(guān)係。兩套qos機(jī)制之間的參數(shù)映射應(yīng)當(dāng)遵循如下規(guī)則： 一個eps承載與一個pdp上下文應(yīng)是一一映射關(guān)係。 eps承載參數(shù)arp應(yīng)與pre-r8承載參數(shù)arp一一映射，與umts系統(tǒng)不同的是，eps系統(tǒng)允許兩個或多個pdp上下文具有不同的arp值。 基於gbr eps承載的承載參數(shù)gbr、mbr應(yīng)與pre-r8“會話類”和“流類”的pdp上下文中的承載參數(shù)gbr、mbr一一映射。 當(dāng)ue從e-utran向utran切換時，pre-r8系

24、統(tǒng)中傳輸時延、sdu錯誤率兩參數(shù)的取值可分別由分組時延預(yù)算和資料包丟失率兩個qci參數(shù)分別推導(dǎo)；從utran向e-utran切換時，pre-r8系統(tǒng)中傳輸時延、sdu錯誤率兩個參數(shù)將被忽略。 表2給出了eps承載參數(shù)qci與pre-r8系統(tǒng)中業(yè)務(wù)類別、業(yè)務(wù)處理優(yōu)先順序、信令指示及源統(tǒng)計描述符等qos參數(shù)之間的一一映射關(guān)係。4 結(jié)束語 隨著未來網(wǎng)路全ip化趨勢的加速，基於lte/sae專案的eps系統(tǒng)將支援全面的分組化，即提供真正意義上的純分組接入，而不再提供電路域業(yè)務(wù)，同時r8又增加了網(wǎng)路結(jié)構(gòu)扁平化、降低連接建立時間以及支援多種接入技術(shù)的需求，這為eps系統(tǒng)的qos機(jī)制引入很多新的特徵。本文具

25、體闡述了eps承載概念、承載業(yè)務(wù)架構(gòu)，以及相關(guān)的qos參數(shù)及屬性，這有助於清晰瞭解eps網(wǎng)路提供的各類應(yīng)用業(yè)務(wù)的實現(xiàn)背景。 同時，文中還針對用戶在utran與e-utran之間切換時，所涉及的eps qci與umts qos參數(shù)之間映射的問題進(jìn)行了初步探討。但是，目前3gpp組織還僅僅只是給出了一個初略的思路，很多具體的實現(xiàn)細(xì)節(jié)，如qos映射轉(zhuǎn)換由哪個實體來實施、ipv4/ipv6雙棧承載的處理原則、切換時ambr參數(shù)的實現(xiàn)方案，以及切換時pcrf如何選擇不同的qci參數(shù)等問題都還需要進(jìn)一步去研究，有的問題甚至可能會放到r9版本去解決。另外，如何保證non-3gpp網(wǎng)路與eps網(wǎng)路之間的qos映射關(guān)係10也值得我們進(jìn)一步去探討。5 參考文獻(xiàn)1 劉威, 易波, 毛珊. umts核心網(wǎng)中基於區(qū)分服務(wù)的qos控制模型j. 微電子學(xué)與電腦, 2004, 21(4): 41-45.2 3gpp ts23.401. general packet radio service (gprs)