LTEEPS系統(tǒng)的QoS機制

1、eps系統(tǒng)的qos機制qos mechanism in evolved packet system2008-12-17      作者:黃韜 張智江 劉韻潔摘要:為了適應未來10年移動通信技術的發(fā)展，給用戶不斷增強的資料業(yè)務需求提供更好支援，3gpp組織啟動了長期演進計畫(lte)與系統(tǒng)框架演進(sae)研究專案。針對未來資料業(yè)務具有高速、突發(fā)性的特徵，演進的分組系統(tǒng)(eps)對服務品質(zhì)(qos)機制進行了諸多改進與增強，通過引入默認承載、聚合資源調(diào)度等概念，真正實現(xiàn)了用戶的“永遠線上”，提高了業(yè)務的資料速率，進而最終提升了用戶體驗。

2、同時，針對未來utran與e-utran網(wǎng)路之間的互操作場景，設計了eps的qos等級標識(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。關鍵字:系統(tǒng)框架演進(sae)；eps承載；聚合最大比特速率(ambr)；qos等級標識(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 organiza

3、tion began to the long time evolution (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

4、, aggregate resources scheduling technologies, 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 mappin

5、g of eps qos class identifier (qci) and universal mobile telecommunications system (umts) qos parameters.英文關鍵字:system architecture evolution (sae); eps bearer; ambr; qos class identifier (qci)     具有嚴格服務品質(zhì)(qos)保證的資料、語音、圖像、視頻等多種多媒體業(yè)務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)務的服務品質(zhì)，3gpp在通用移動通信

6、系統(tǒng)(umts)中清晰地定義了端到端的qos結(jié)構，並引入了多種承載及處理機制，以保證umts可以充分發(fā)揮自身的技術優(yōu)勢，為用戶提供各種差異化的服務。    為了保證在未來10年內(nèi)的技術先發(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(lte)與系統(tǒng)架構演進(sae)兩大研究計畫2，其中sae課題則主要是從網(wǎng)路架構的角度對系統(tǒng)性能進行優(yōu)化與提高，與之相應的演進網(wǎng)路被稱為演進的分組系統(tǒng)(eps)。    eps系統(tǒng)的qos機制在umts系統(tǒng)基礎上進行了諸多增強與改進。  

7、60; 首先，考慮到未來資料業(yè)務具有高速、突發(fā)的特徵，為有效提高用戶體驗，減小業(yè)務建立的時延，真正實現(xiàn)用戶的“永遠線上”，eps系統(tǒng)引入了默認承載的概念，即在用戶進行網(wǎng)路附著的同時，為該用戶建立一個固定資料速率的默認承載，保證其基本的業(yè)務需求。    其次，由於lte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制，並採用更靈活的動態(tài)調(diào)度機制，eps取消了umts系統(tǒng)中複雜的qos協(xié)商機制。    另外，鑒於lte/sae網(wǎng)路增加了對gsm、wcdma、lte、cdma2000及wimax等多種無線技術接入統(tǒng)一分組域核

8、心網(wǎng)的需求，與之對應，eps系統(tǒng)也要求能夠支援跨不同接入技術的端到端qos保證，即用戶設備(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    隨著無線通信技術與ip技術的緊密結(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(gprs)的分組交換網(wǎng)，再到能提供高速率即時資料業(yè)務的umts網(wǎng)路。在整個移動網(wǎng)路演進過程中，為了根據(jù)不同業(yè)務特點為用戶提供滿意的服務，移動網(wǎng)路的qos機制也在不斷發(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)

9、務的服務品質(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版本引入了端到端的qos分層體系結(jié)構，這種架構涉及所有網(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

10、qos分層體系結(jié)構是移動通信網(wǎng)在qos技術演進方面的大飛躍4。同時，r99版本的核心網(wǎng)ip承載還採用了互聯(lián)網(wǎng)工程任務組(ietf)定義的qos技術，包括有：綜合服務/資源預留(int-serv/rsvp)、多協(xié)定標記交換(mpls)、差分服務(diff-serv)、流量工程和基於約束的尋路等技術，並首次明確定義了4種不同qos的業(yè)務類型：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移動多媒體業(yè)務的服務品質(zhì)要求，3gpp組織又提出基於ip連接的策略控制機制5。隨後，r7版本將r6版本中的策略控制功能(pdf)與流

11、計費功能(fbc)相合併，在業(yè)務控制層和接入/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)務具有突發(fā)性的特點，引入eps專用承載及默認承載的概念，有效地減小了業(yè)務承載的建立時延，真正實現(xiàn)了用戶的“永遠線上”6。同時，針對lte網(wǎng)路無線接入網(wǎng)共用通道機制的特徵，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)商機制。2 eps系統(tǒng)的qos機制    在r8的eps系統(tǒng)中，qos控制的基本粒度是承載(bearer)，即相同承載上的所有資料流程量將獲

12、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qos等級建立一個默認承載，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、初始附著時移動性管

13、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)務的qos及策略控制。· eps的qos基於qos等級標識(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)，即演進型基站(enodeb)可以從qci推導出全部參數(shù)特徵。2.1 eps承載業(yè)務架構    為了實現(xiàn)端到端qos，eps系統(tǒng)從業(yè)務的起點到業(yè)務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，eps承載業(yè)務的分層架構如圖1所示。    從圖1可以看出，eps承載業(yè)務架構繼續(xù)沿用了umts網(wǎng)路相似的qos框架結(jié)構分層次、分區(qū)域的

14、qos體系結(jié)構，也就是說每一層的承載業(yè)務都是通過其下一層的承載業(yè)務來提供的7-8。    端到端的qos業(yè)務可以分解為兩部分：eps承載業(yè)務與外部承載業(yè)務。其中，外部承載業(yè)務用於連接umts核心網(wǎng)和位於外部網(wǎng)路節(jié)點之間的業(yè)務承載。eps承載業(yè)務則可以分為eps無線承載業(yè)務與eps接入承載業(yè)務兩部分。eps無線承載業(yè)務可根據(jù)請求的qos，實現(xiàn)enodeb與ue之間的eps承載業(yè)務資料單元的傳送，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)務資料單元的傳送，同

15、時提供端到端ip業(yè)務流彙聚的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)連接業(yè)務的概念，pdn連接業(yè)務是指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)務可支援一個或者多個業(yè)務資料流程(sdf)的傳輸。    當服務閘道(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)務由eps承載提供；而當s5/s8介面基於代理移動ip(pmip)協(xié)議時，pdn連接業(yè)務將由eps承載和s-gw與pdn-gw之間的ip承載連接而成

16、。一個eps承載唯一標識sdf的一個集合體，對應相同承載級別qos的多個sdf的集合，每個sdf對應傳輸流範本(tft)中的一個資料包篩檢程式，也就是說每個eps承載關聯(lián)著ue的上行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

17、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/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)務的支援。    eps系統(tǒng)中，在pdn連接業(yè)務存在期間會始終保持建立一個承載，來給ue提供“永遠線上”的ip連接，這個承載叫做默認承載。默認承載的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

18、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承載相關聯(lián)的保證比特率(gbr)對應的專有網(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non-gbr承載。專有承載可以是gbr承載或者non-gbr承載，而默認承載一定是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

19、，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)相關聯(lián)。

20、gbr承載主要用於語音、視頻、即時遊戲等業(yè)務，採用專用承載和靜態(tài)調(diào)度的方式進行承載。參數(shù)gbr代表了預期能夠由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)。ambr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。當其他eps承載不傳送任何業(yè)務時，這些non-gbr承載中的每一個承載都能夠潛在地利用整個am

21、br。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ue建立起到某pdn的第一條資料連接時，相應的上下行ue-ambr即可以通過默認承載建立流程，傳送到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

22、接期望提供的累計比特速率。其中，下行apn-ambr由pdn-gw負責執(zhí)行，上行apn-ambr由ue或pdn-gw負責執(zhí)行。2.4 標準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應該為這個sdf提供的qos特性，每個sdf都與且僅與一個qci相關聯(lián)。與相同ip-can會話相對應的多個sdf，若具有相同的qci和arp值，可以作為一個單獨的業(yè)務集合來處理，這就是sdf集合。表1給出了eps系統(tǒng)定義的標準qci屬性，所有的qci屬性均可由運營商根據(jù)實際需求預配置在enodeb上，這些參數(shù)決定了無線側(cè)承載資源的分配。上述

23、標準qci參數(shù)屬性描述了一個sdf集合所對應的資料包傳送處理的特性：· 資源類型：用來決定與業(yè)務或者承載級別的gbr值相關的專有網(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)先順序相關聯(lián)，優(yōu)先順序1是最高的優(yōu)先順序別。· 資料包時延預算(pdb)：用於表示資料包在ue和pdn-gw之間可能被延遲的時間，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

24、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)的演進將是一個漸進發(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)之間進行頻繁的互操作，如切換、社區(qū)重選等等。    鑒於eps和umts系統(tǒng)使用了兩套

25、不同的qos機制，當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)之間的映射關係。兩套qos機制之間的參數(shù)映射應當遵循如下規(guī)則：· 一個eps承載與一個pdp上下文應是一一映射關係。· eps承載參數(shù)arp應與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ue從e-utran

26、向utran切換時，pre-r8系統(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算和資料包丟失率兩個qci參數(shù)分別推導；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)務類別、業(yè)務處理優(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，同時r8又增加了網(wǎng)路

27、結(jié)構扁平化、降低連接建立時間以及支援多種接入技術的需求，這為eps系統(tǒng)的qos機制引入很多新的特徵。本文具體闡述了eps承載概念、承載業(yè)務架構，以及相關的qos參數(shù)及屬性，這有助於清晰瞭解eps網(wǎng)路提供的各類應用業(yè)務的實現(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映射關係10也值得我們進一步去探討。5 參考文獻1 劉威, 易波, 毛珊. umts核心網(wǎng)中基於區(qū)分服務的qos控制模型j. 微電子學與電腦, 2004, 21(4): 41-45.2 3gpp t