ＥＰＳ系統的ＱｏＳ機制

摘要：為了適應未來10年移動通信技術的發展，給用戶不斷增強的數據業務需求提供更好支持，3GPP組織啟動了長期演進計劃(LTE)與系統框架演進(SAE)研究項目。針對未來數據業務具有高速、突發性的特征，演進的分組系統(EPS)對服務質量(QoS)機制進行了諸多改進與增強，通過引入默認承載、聚合資源調度等概念，真正實現了用戶的“永遠在線”，提高了業務的數據速率，進而最終提升了用戶體驗。同時，針對未來UTRAN與E-UTRAN網絡之間的互操作場景，設計了EPS的QoS等級標識(QCI)參數與通用移動通信系統(UMTS)QoS參數之間的合理映射。

關鍵詞：系統框架演進(SAE)；EPS承載；聚合最大比特速率(AMBR)；QoS等級標識(QCI)

Abstract: 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 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， 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 mapping of EPS QoS Class Identifier (QCI) and Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) QoS parameters.

Key words: System Architecture Evolution (SAE); EPS bearer; AMBR; QoS Class Identifier (QCI)

提供具有嚴格服務質量(QoS)保證的數據、語音、圖像、視頻等多種多媒體業務是目前移動通信系統面臨的主要挑戰之一[1]。為了保證各種多媒體業務的服務質量，3GPP在通用移動通信系統(UMTS)中清晰地定義了端到端的QoS結構，并引入了多種承載及處理機制，以保證UMTS可以充分發揮自身的技術優勢，為用戶提供各種差異化的服務。

為了保證在未來10年內的技術先發優勢，為運營商和用戶不斷增強的需求提供更好的支持，3GPP于2004年又提出了長期演進(LTE)與系統架構演進(SAE)兩大研究計劃[2]，其中SAE課題則主要是從網絡架構的角度對系統性能進行優化與提高，與之相應的演進網絡被稱為演進的分組系統(EPS)。

EPS系統的QoS機制在UMTS系統基礎上進行了諸多增強與改進。

首先，考慮到未來數據業務具有高速、突發的特征，為有效提高用戶體驗，減小業務建立的時延，真正實現用戶的“永遠在線”，EPS系統引入了默認承載的概念，即在用戶進行網絡附著的同時，為該用戶建立一個固定數據速率的默認承載，保證其基本的業務需求。

其次，由于LTE系統在無線接入網中取消了專用信道的概念，轉而采用了共享信道的機制，并采用更靈活的動態調度機制，EPS取消了UMTS系統中復雜的QoS協商機制。

另外，鑒于LTE/SAE網絡增加了對GSM、WCDMA、LTE、CDMA2000及WiMAX等多種無線技術接入統一分組域核心網的需求，與之對應，EPS系統也要求能夠支持跨不同接入技術的端到端QoS保證，即用戶設備(UE)在跨越不同接入網時，能夠有效地實現QoS參數之間的映射，保證無縫的用戶體驗[3]。

1 無線通信網絡QoS的演進

隨著無線通信技術與IP技術的緊密結合，移動通信網絡從GSM系統的電路交換網發展到通用分組無線業務(GPRS)的分組交換網，再到能提供高速率實時數據業務的UMTS網絡。在整個移動網絡演進過程中，為了根據不同業務特點為用戶提供滿意的服務，移動網絡的QoS機制也在不斷發展成熟。

GSM基于電路交換方式，電路連接建立后即可保證業務的服務質量，QoS保證比較簡單，且QoS參數基本不在網絡中傳遞。

GPRS基于分組交換方式，IP承載方式的引入，使得GPRS網絡的QoS保證比GSM要復雜很多。GPRS定義的QoS參數有：時延級別、可靠級、最大數據流量、優先級、平均數據流量、重發需求等等，這些QoS參數要求能夠在用戶終端(UE)與網絡側實體服務GPRS支持節點(SGSN)、網關GPRS支持節點(GGSN)之間傳遞。

R99版本引入了端到端的QoS分層體系結構，這種架構涉及所有網元，包括用戶終端、接入網實體、核心網實體，而且不同接口的QoS參數處理必須保持一致。可以說，UMTS系統引入的QoS分層體系結構是移動通信網在QoS技術演進方面的大飛躍[4]。同時，R99版本的核心網IP承載還采用了互聯網工程任務組(IETF)定義的QoS技術，包括有：綜合服務/資源預留(Int-Serv/RSVP)、多協議標記交換(MPLS)、差分服務(Diff-Serv)、流量工程和基于約束的尋路等技術，并首次明確定義了4種不同QoS的業務類型：會話類、流類、交互類以及背景類。

R5/R6階段中，為了實現端到端的QoS保證，以滿足IMS移動多媒體業務的服務質量要求，3GPP組織又提出基于IP連接的策略控制機制[5]。隨后，R7版本將R6版本中的策略控制功能(PDF)與流計費功能(FBC)相合并，在業務控制層和接入/承載層之間增加了策略控制和計費(PCC)子系統，完成資源接納控制功能。

R8版本針對未來數據業務具有突發性的特點，引入EPS專用承載及默認承載的概念，有效地減小了業務承載的建立時延，真正實現了用戶的“永遠在線”[6]。同時，針對LTE網絡無線接入網共享信道機制的特征，在EPS網絡的承載處理(承載創建/修改/刪除)過程中，取消了網絡實體間復雜的QoS協商機制。

2 EPS系統的QoS機制

在R8的EPS系統中，QoS控制的基本粒度是承載(Bearer)，即相同承載上的所有數據流量將獲得相同的QoS保障，不同類型的承載提供不同的QoS保障。與UMTS系統相比，EPS系統的承載機制不同之處在于：

采用EPS承載代替分組數據協議(PDP)上下文，一個EPS承載能夠看作UE與分組數據網網關(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總是至少有一個激活的承載存在，從而保證用戶在開始業務時具有更短的時延。

將由終端發起PDP上下文建立流程改為通過網絡側觸發方式的數據承載建立流程，其觸發條件可以是IP多媒體子系統(IMS)會話中的策略與計費規則功能實體(PCRF)交互、初始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絡端發起的業務的QoS及策略控制。

EPS的QoS基于QoS等級標識(QCI)參數，其中QCI可用來代替UMTS系統中一套10多個參數，即演進型基站(eNodeB)可以從QCI推導出全部參數特征。

2.1 EPS承載業務架構

為了實現端到端QoS，EPS系統從業務的起點到業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務，EPS承載業務的分層架構如圖1所示。

從圖1可以看出，EPS承載業務架構繼續沿用了UMTS網絡相似的QoS框架結構——分層次、分區域的QoS體系結構，也就是說每一層的承載業務都是通過其下一層的承載業務來提供的[7-8]。

端到端的QoS業務可以分解為兩部分：EPS承載業務與外部承載業務。其中，外部承載業務用于連接UMTS核心網和位于外部網絡節點之間的業務承載。EPS承載業務則可以分為EPS無線承載業務與EPS接入承載業務兩部分。EPS無線承載業務可根據請求的QoS，實現eNodeB與UE之間的EPS承載業務數據單元的傳送，同時提供IP頭壓縮、用戶平面加密功能，并可以為UE提供映射及復用信息；EPS接入承載業務則可以根據請求的QoS，實現MME與eNodeB之間的EPS承載業務數據單元的傳送，同時提供端到端IP業務流匯聚的QoS保證[9]。

2.2 EPS承載概念

EPS系統中定義了分組數據網絡(PDN)連接業務的概念，PDN連接業務是指EPS網絡在UE與一個PLMN的外部PDN之間提供的IP連接，PDN連接業務可支持一個或者多個業務數據流(SDF)的傳輸。

當服務網關(S-GW)和PDN-GW之間的S5/S8接口基于GPRS隧道協議(GTP)時，EPS網絡中PDN連接業務由EPS承載提供；而當S5/S8接口基于代理移動IP(PMIP)協議時，PDN連接業務將由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對應傳輸流模板(TFT)中的一個數據包過濾器，也就是說每個EPS承載關聯著UE的上行TFT和PDN-GW的下行TFT。

下面基于GTP協議的上行EPS承載為例，分析其建立過程與實現原理，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數據包過濾器，則多個SDF將可以復用相同的EPS承載。隨后依順序，UE通過創建SDF與無線承載之間的綁定，實現UL-TFT與無線承載之間的一一映射；eNodeB通過創建無線承載與S1承載之間的綁定，實現無線承載與S1承載之間的一一映射；S-GW通過創建S1承載與S5/S8承載之間的綁定，實現S1承載與S5/S8承載之間的一一映射。最終，EPS承載數據通過無線承載、S1承載以及S5/S8承載的級聯，實現了UE對外部PDN網絡之間PDN連接業務的支持。

EPS系統中，在PDN連接業務存在期間會始終保持建立一個承載，來給UE提供“永遠在線”的IP連接，這個承載叫做默認承載。默認承載的QoS參數可以來自于從歸屬用戶服務器(HSS)中獲取的簽約數據，也可以通過PCRF交互或者基于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，專有承載的創建或修改只能由網絡側來發起，并且承載級QoS參數值總是由分組核心網來分配。若在承載建立或修改過程中，與EPS承載相關聯的保證比特率(GBR)對應的專有網絡資源被恒定地分配，這個EPS承載就屬于GBR承載；否則，這個承載就屬于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

EPS系統中，承載級QoS參數包括QCI、分配與保持優先級(ARP)、GBR、最大比特速率(MBR)和聚合最大比特速率(AMBR)。其中，QCI與AMBR兩個參數是EPS系統新增加的，其余參數則都沿用于現有的UMTS系統。

無論是GBR承載還是Non-GBR承載，都包含與QCI和ARP兩個參數。QCI是一個數量等級，用來表示控制承載級別的數據包傳輸處理的接入點參數，例如調度權重、接入門限、隊列管理門限、鏈路層協議配置等等。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用于特殊的資源限制時(例如在切換時)，決定丟棄哪個承載。一旦承載成功建立后，ARP將對承載級別的數據包傳輸處理沒有任何影響。

除QCI與APR兩個參數外，每個GBR承載還與GBR和MBR參數相關聯。GBR承載主要用于語音、視頻、實時游戲等業務，采用專用承載和靜態調度的方式進行承載。參數GBR代表了預期能夠由GBR承載提供的比特速率，參數MBR則限制了GBR承載能提供的比特速率，它表示了GBR承載提供期望數據速率的上限。

Non-GBR承載則主要用于各種數據業務的承載，為了盡可能提高系統的帶寬利用率，EPS系統引入了匯聚的概念，并定義了AMBR參數。AMBR是到每個PDN連接的IP-CAN會話級QoS參數，相同PDN連接的多個EPS承載可以共享相同的AMBR值。當其他EPS承載不傳送任何業務時，這些Non-GBR承載中的每一個承載都能夠潛在地利用整個AMBR。因此，AMBR參數實際上限制了共享這一AMBR的所有承載能所能提供的總速率。

AMBR參數基于兩種不同的場景可分為UE-AMBR和(APN)-AMBR。UE-AMBR參數作為UE的簽約數據保存在HSS中，用于指示UE針對不同PDN接入的參數屬性，并通過網絡注冊流程由HSS傳送給MME。當UE建立起到某PDN的第一條數據連接時，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完成其控制與執行。APN-AMBR參數是存儲在HSS中的針對每個接入點名稱(APN)的簽約參數，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負責執行，上行APN-AMBR由UE或PDN-GW負責執行。

2.4 標準QCI屬性

QCI是EPS承載最重要的QoS參數之一，它是一個數量等級，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。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務集合來處理，這就是SDF集合。表1給出了EPS系統定義的標準QCI屬性，所有的QCI屬性均可由運營商根據實際需求預配置在eNodeB上，這些參數決定了無線側承載資源的分配。

上述標準QCI參數屬性描述了一個SDF集合所對應的數據包傳送處理的特性：

資源類型：用來決定與業務或者承載級別的GBR值相關的專有網絡資源能否被恒定地分配。GBR的SDF集合需要動態的策略與計費控制，而Non-GBR的SDF集合可以只通過靜態的策略與計費控制。

優先級：用來區分相同UE的SDF集合，也用來區分不同UE的SDF集合。每個QCI都與一個優先級相關聯，優先級1是最高的優先級別。

數據包時延預算(PDB)：用于表示數據包在UE和PDN-GW之間可能被延遲的時間，引入PDB參數的目的是支持時序和鏈路層功能的配置。對于同一個QCI，PDB值在上行和下行方向相同。

數據包丟失率(PLR)：定義為已經被發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參數實際上體現了非擁塞情況下數據包丟失率的上限。對同一個QCI，PLR值在上下行方向上相同。

3 EPS QCI與UMTS QoS參數的映射

UMTS系統向EPS系統的演進將是一個漸進發展的過程，考慮到LTE建網初期可能是熱點部署，LTE網絡的覆蓋區域將小于UMTS的覆蓋區域，因此UE極可能在UMTS系統與EPS系統之間進行頻繁的互操作，如切換、小區重選等等。

鑒于EPS和UMTS系統使用了兩套不同的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參數與Pre-R8 PDP上下文的QoS參數之間的映射關系。

兩套QoS機制之間的參數映射應當遵循如下規則：

一個EPS承載與一個PDP上下文應是一一映射關系。

EPS承載參數ARP應與Pre-R8承載參數ARP一一映射，與UMTS系統不同的是，EPS系統允許兩個或多個PDP上下文具有不同的ARP值。

基于GBR EPS承載的承載參數GBR、MBR應與Pre-R8“會話類”和“流類”的PDP上下文中的承載參數GBR、MBR一一映射。

當UE從E-UTRAN向UTRAN切換時，Pre-R8系統中傳輸時延、SDU錯誤率兩參數的取值可分別由分組時延預算和數據包丟失率兩個QCI參數分別推導；從UTRAN向E-UTRAN切換時，Pre-R8系統中傳輸時延、SDU錯誤率兩個參數將被忽略。

表2給出了EPS承載參數QCI與Pre-R8系統中業務類別、業務處理優先級、信令指示及源統計描述符等QoS參數之間的一一映射關系。

4 結束語

隨著未來網絡全IP化趨勢的加速，基于LTE/SAE項目的EPS系統將支持全面的分組化，即提供真正意義上的純分組接入，而不再提供電路域業務，同時R8又增加了網絡結構扁平化、降低連接建立時間以及支持多種接入技術的需求，這為EPS系統的QoS機制引入很多新的特征。本文具體闡述了EPS承載概念、承載業務架構，以及相關的QoS參數及屬性，這有助于清晰了解EPS網絡提供的各類應用業務的實現背景。

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，很多具體的實現細節，如QoS映射轉換由哪個實體來實施、IPv4/IPv6雙棧承載的處理原則、切換時AMBR參數的實現方案，以及切換時PCRF如何選擇不同的QCI參數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網絡與EPS網絡之間的QoS映射關系[10]也值得我們進一步去探討。

5 參考文獻

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[10] 3GPP TS23.402. Architecture Enhancements for Non-3GPP Accesses [S]. 2007.

收稿日期：2008-08-04

作者簡介

黃韜，畢業于北京郵電大學，現為中國聯通博士后科研工作站在站博士后，研究方向為下一代移動通信網、網絡融合等。

張智江，教授級高級工程師。現任中國聯通技術部總經理，中國“863”計劃信息安全專家組成員，長期從事電信網絡的規劃、建設和運營管理等工作。

劉韻潔，教授級高級工程師、中國工程院院士。現任中國聯通科技委主任、北京郵電大學博士生導師，主要研究方向為下一代網絡、電信網絡的融合與發展等。