端到端的LTE QoS控制技術與策略研究

池煒成

1 引言

根據GSA統計，截至2013年10月，全球已經建成222個商用LTE網絡。LTE在全球的快速發展源于其技術的先進性，作為新一代移動寬帶技術，LTE采用了OFDM、MIMO等無線技術，顯著提高了空口的傳輸速率，同時采用了扁平化的系統結構，大大降低了數據傳輸的時延。除了高帶寬、低時延的特性之外，LTE網絡還提供了非常重要的QoS（服務質量）保證特性，為LTE承載的各種業務提供端到端的QoS保證。

QoS保證特性可控制不同業務、不同用戶具有不同的QoS，為實現差異化服務和網絡資源智能化管理提供了重要手段。然而，端到端QoS控制涉及QoS規則的定義，QoS參數的傳遞，QoS規則在UE、無線網、核心網中多個網絡實體中執行，同時QoS規則的定義和變化又與業務支撐系統中的用戶數據緊密相關，涉及LTE網元與業務支撐系統的整合問題。因此，端到端QoS控制是LTE技術的難點之一，非常值得研究和探討。本文將在分析LTE QoS控制對象和LTE QoS參數的基礎上，提出從業務支撐系統到LTE網絡的端到端QoS控制架構以及系統控制流程，并探討LTE QoS控制技術的應用策略。

2 LTE QoS

2.1 LTE QoS控制對象

LTE系統由核心網（EPC）、無線網（E-UTRAN）

和終端（UE）3部分組成，整個系統稱為EPS（Evolved Packet System）。在LTE系統中，QoS控制的基本對象是EPS承載（Bearer），它是由EPS提供的數據通訊通道，該通道定義了容量、時延和錯誤率的信息傳輸質量要求。所有映射到同一個EPS承載的業務會受到同一種數據傳輸待遇，即同一個EPS承載上的所有業務得到相同的承載級別的分組傳送處理，如時序策略、隊列管理策略、速率整形策略、無線連接控制配置等，不同承載級別的分組傳送處理需要不同的EPS承載。EPS承載架構如圖1所示：

圖1 EPS承載架構

其中，端到端服務是指從UE到UE或UE到外部網絡的應用服務器的全程服務，它由EPS承載服務和外部網絡承載服務共同承擔。EPS承載服務分為EPS無線承載服務（eNodeB基站與UE之間）和EPS接入承載服務（eNodeB基站與S-GW/P-GW之間），兩者分別由底層的物理無級承載服務和物理承載服務實現。

按照承載速率是否有保證，EPS承載可以分為兩種類型：GBR（Guranteed Bit Rate，保證比特速率）承載和Non-GBR（Non Guranteed Bit Rate，非保證比特速率）承載。LTE網絡會保證GBR承載的比特速率的分配，在網絡資源緊張的情況下比特速率也得到保持，但不能保證Non-GBR承載的比特速率，在網絡擁擠的情況下，Non-GBR承載的比特速率可能被降低。GBR承載要占用固定的網絡資源，只有在需要的時候才建立，而Non-GBR承載不占用固定的網絡資源，可以長時間地建立。按照承載的用途，EPS承載可以分為默認承載（Default Bearer）和專用承載（Dedicated Bearer）。默認承載是一種Non-GBR承載，它是在用戶進行網絡附著時，為用戶建立的一個缺省的EPS承載，用于保證用戶的基本業務需求，實現“永遠在線”。每個PDN連接對應一個默認承載與一個IP地址，在PDN連接服務存在期間會始終保持著默認承載。UE與相同PDN建立的其它承載都稱為專用承載，專用承載主要用于為特定業務提供特定的QoS，如專門為VoLTE、高清視頻等業務提供高級別的承載服務。

2.2 LTE QoS參數

EPS通過控制承載的QoS參數來保證承載所提供的服務質量水平，如速率、時延丟包率等。EPS承載的QoS參數主要包括QCI（QoS Class Identifier，QoS級別標識）、GBR（保證比特速率）、MBR（Maximum Bit Rate，最大比特速率）、AMBR（Allocation and Retention Priority，聚合最大比特速率）以及APR（分配和保留優先級）。

QCI是一個數量等級，3GPP定義了9個標準QCI等級，每個等級定義了相應的資源類型、優先級、時延、錯誤丟失率，如表1所示：

表1 9個標準QCI等級

QCI

值 資源

類型 優先級 包時延預算/ms 錯誤丟失率/% 業務樣例

1 GBR 2 100 1 語音通話

2 4 150 0.1 視頻通話（在線流媒體）

3 3 50 實時游戲

4 5 300 0.000 1 非通話視頻（緩存流媒體）

5 Non-

GBR 1 100 IMS信令

6 6 300 視頻（緩存流媒體）、基于TCP的業務（如www、E-mail、chat、ftp、P2P文件共享等）

7 7 100 0.1 音頻、視頻（在線流媒體）、交互游戲

8 8 300 0.000 1 視頻（緩存流媒體）、基于TCP的業務（如www、E-mail、chat、ftp、P2P文件共享等）共享、漸進式視頻

9 9

其中，資源類型指定了是否使用專用的網絡資源，有GBR和Non-GBR兩種。包時延預算（Packet Delay Budget）定義了UE與PCEF之間的包時延的最大上限，它用于支持時序和鏈接層功能。優先級用于標識同一個UE上不同業務流的優先處理次序，最高優先級是1，最低優先級是9。包錯誤丟失率（Packet Error Loss Rate）定義了IP包的最大錯誤丟失率。每個業務數據流只與一個QCI關聯，具有相同QCI的業務數據流有相同的承載待遇。endprint

GBR和MBR指定了每個承載業務的比特速率，MBR定義了GBR承載在網絡資源充足的條件下能夠達到的最大速率，MBR的值大于或等于GBR的值。AMBR用來限制用戶的總速率，它針對一組Non-GBR承載來定義。AMBR細分為UE-AMBR和APN-AMBR，UE-AMBR定義了每個簽約用戶的總速率上限，APN-AMBR定義了同一個APN中的所有承載的總速率上限。APR包含優先級、占先能力標志位和允許占先標志位。其中，優先級是指承載建立的優先級，主要用于資源受限情況下決定是否接受承載的建立或修改請求，確保優先建立擁有高優先級的承載。占先能力標志位表示該承載是否有能力占用APR優先級更低的承載資源。允許占先標志位表示該承載是否允許其它具有更高APR優先級的承載占用自己的已有資源。

3 LTE QoS控制架構

為了提高網絡的智能管控水平，實現區分用戶和業務的服務，3GPP引入了PCC架構（Policy and Charging Control，策略與計費控制）。由于QoS規則內含在PCC規則當中，所以LTE的QoS控制功能主要通過PCC架構來承接。另外，因為用戶數據成為QoS決策的重要依據，為了在用戶級別上進行QoS控制，PCC架構必須從業務支撐系統中實時獲取用戶數據，用戶數據在業務支撐系統發生的任何變化，例如用戶級別、用戶狀態、用戶累積量狀態（即配額狀態）等發生變化，都必須及時傳遞給PCC相關網元，以便實時改變用戶的QoS，從而實現實時的QoS控制。故此，PCC架構與運營商的業務支撐系統必須結合起來，形成從業務支撐系統與LTE網元端到端的QoS控制架構，如圖2所示。

其中，LTE網絡側涉及的網元包括PCRF、PCEF、BBERF、AF、SPR等，PCEF（策略與計費控制功能）位于EPC的P-GW，負責執行QoS控制規則；PCRF（策略與計費規則功能）負責提供QoS規則的定義和發布；SPR（用戶屬性存儲）存儲有與所有簽約用戶或簽約相關的信息，包括簽約用戶允許的業務、每個允許業務的優先級、簽約用戶允許的QoS信息、簽約用戶的類型等；BBERF（承載綁定與事件報告功能）負責將QoS規則映射到非LTE網絡中并執行；AF（Application Function）提供應用業務單元，可向PCRF提出QoS要求。業務支撐系統側的系統包括CRM、OCS、OFCS等，CRM（客戶關系管理系統）負責受理業務及管理客戶和用戶數據，并將用戶數據實時同步給SPR；OCS（在線計費系統）負責預付費用戶的實時信用控制，并作為統一接口點向PCRF提供所有用戶（包括以預付費用戶與后付費用戶）的累積量狀態（或稱配額狀態）信息，例如套餐中所包的流量配額已用完。OFCS（離線計費系統）負責后付費用戶的計費處理，它向OCS提供后付費用戶的累積量數據。

PCRF以業務支撐系統獲得用戶數據為依據，靈活生成QoS規則。QoS規則主要由業務標識、業務數據流過濾器、優先級、QoS參數等描述。業務標識是與業務數據流相關的業務或業務組件；業務數據流過濾器用于選擇應用規則的流量，可使用通配符；優先級用于在不同QoS規則的業務數據流過濾器可能存在交集時決定哪個規則被執行。QoS參數包括服務質量級別標識QCI、ARP和授權的上行和下行比特率（如GBR、MBR）等。從QoS控制的角度看，PCEF為每個接收到的IP包選擇一個QoS規則，按照QoS規則的優先級，將QoS規則中的業務數據流過濾器與IP包進行匹配，當IP包與一個業務數據流過濾器匹配時，該過濾器的QoS規則就會執行。

4 LTE QoS控制流程

在EPS中，一個IP-CAN會話中會涉及EPS承載的建立、修改和終止等，EPS承載建立的時候需要指定承載的QoS，而在業務需要的時候可以對承載原有的QoS進行修改，實現QoS的動態控制。用戶數據動態變化是導致QoS改變的重要因素之一。用戶數據變化可能是用戶簽約數據發生變化，如用戶由普通用戶變化為金牌用戶，這時根據運營商業務策略應該提高用戶的QoS，或者是用戶的消費限額已到達，如達到用戶套餐中包含的流量，這時根據運營商業務策略應該降低用戶的QoS，以免用戶出現太多的超額流量。用戶數據變化導致QoS變化的LTE QoS動態控制流程如圖3所示。

圖3描述了從業務受理或用戶消費行為發生后到LTE網元落實QoS控制的全過程，主要包括以下環節：

（1）CRM系統受理業務，比如用戶新開、業務變更等，業務受理導致用戶簽約數據新增或發生變化，此時CRM向SPR同步最新的用戶數據，由SPR再根據PCRF的要求向PCRF發送用戶簽約數據更新消息。

（2）或者，當用戶使用了LTE業務后，如消費了流量，對于后付費用戶，OFCS進行準實時計費和信用控制，并更新后付費用戶的積累量。當用戶的積累量狀態發生特定變化時，如套餐中既有的流量用完時，OFCS通過OCS統一向PCRF通知用戶配額狀態已改變。對于預付費用戶，OCS對用戶進行實時信用控制，實時更新預付費用戶的積累量，當用戶的積累量狀態發生特定變化時，OCS直接向PCRF通知用戶配額狀態已改變。

（3）PCRF接收到用戶簽約數據或用戶積累量狀態的新變化后，按照運營商的業務策略決定提高或降低用戶的QoS，生成新的QoS規則。

（4）PCRF向P-GW發送IP-CAN會話修改消息，消息中下發新生成的QoS規則策略信息，P-GW向S-GW發送更新承載請求，S-GW向MME發送更新承載請求，請求消息中都攜帶更新的QoS信息。

（5）MME向eNodeB發送E-RAB（無線承載）修改請求，消息中攜帶更新的QoS信息，該請求也包含了修改EPS承載上下文請求的NAS消息。

（6）eNodeB將承載QoS匹配成無線承載QoS，然后向UE發送RRC連接重配置消息，UE響應RRC連接重配置完成。endprint

（7）在無線資源和S1（eNodeB與S-GW之間）資源修改完成后，eNodeB向MME發送成功的E-RAB修改應答消息，UE向eNodeB發送修改EPS承載上下文接受消息，表示成功修改了承載。

（8）eNodeB向MME發送修改EPS承載上下文接受消息，MME向S-GW發送更新承載應答，S-GW向P-GW發送更新承載應答，P-GW向PCRF發送PCRFIP-CAN會話修改結束消息。

5 LTE QoS控制策略

運營商可以應用LTE的QoS機制靈活控制不同業務不同用戶的QoS，針對不同業務場景情況，機動地提升或降低用戶的QoS，實現管道智能化和服務差異化。應用LTE的QoS控制機制，能夠實現多種QoS控制策略，下面探討幾種典型QoS控制策略的應用：基于業務的QoS控制、基于時間的QoS控制、基于用戶級別的QoS控制、基于用戶累計消費量的QoS控制。

基于業務的QoS控制策略是對不同業務給予不同QoS的策略，它有利于保障重點業務的服務體驗，限制非重點業務對正常業務的網絡資源侵占。例如：對視頻通話業務給予最高級的QoS待遇（如最大速率達到30Mb/s），對在線游戲業務給予中高級QoS待遇（如最大速率達到10Mb/s），對P2P業務給予最低級的QoS待遇（如最大速率達到1Mb/s），應用效果圖4所示。

基于時間的QoS控制策略是在不同時段給予不同QoS的策略，它有利于帶動閑時時段的帶寬收入，充分利用網絡資源。例如：8：00至23：00為忙時時段，忙時時段內限制用戶的最高速率為2Mb/s，23：00至次日8：00為閑時時段，閑時時段內允許用戶最高速率達30Mb/s。

基于用戶級別的QoS控制策略是在網絡資源受限時不同級別的用戶給予不同QoS的策略，它有利于保障高端用戶的業務體驗，實現服務的差異化。例如：在網絡擁塞情況下，金牌用戶可以仍保持原有的QoS，銀牌用戶的QoS自動下降1/2，而銅牌用戶的QoS自動下降5/6，應用效果圖5所示。

基于用戶累計消費量的QoS控制策略是在用戶累計消費流量達到限額前后給予不同QoS的策略，它提高了用戶的服務體驗，避免用戶因出現太多的超額流量而造成不必要的額外支出。例如，用戶訂購的流量套餐包含有12G流量，當用戶累計消費流量到達12G時，先將用戶的QoS降下來，并通知用戶將到達流量限額，還可以同時咨詢用戶是否需要增加流量包的訂購。

除了上述策略外，運營商還可以推出基于位置、基于APN、基于終端類型的QoS控制策略，或者綜合上述多種因素（如業務、用戶等級、位置等）作QoS決策的條件，靈活制定出各種適應運營要求的QoS控制策略。

6 結束語

移動數據業務流量的爆炸性增長為網絡運營帶來了新的挑戰和機遇，運營商希望提高網絡的智能化管理水平，為用戶提供差異化服務，從而提升用戶體驗，提高單位流量的收益。LTE端到端的QoS控制是實現此目標的重要手段，同時也是技術難點之一。本文分析了LTE QoS控制對象和LTE QoS參數，然后提出了從業務支撐系統到LTE網絡的端到端QoS控制架構以及系統控制流程，并探討了LTE QoS控制的應用策略，希望能為LTE網絡的服務質量控制提供一點參考。值得注意的是，LTE/LTE-A作為新型的移動寬帶網絡，其QoS控制技術仍在不斷完善當中，同時運營商對QoS控制策略的應用還需在實際運營中進一步累積經驗。

參考文獻：

[1] 3GPP TS 23.203. Policy and charging control architecture（Release 12）[S]. 2013.

[2] 3GPP TR 21.905. Vocabulary for 3GPP Specifications

（Release 11）[S]. 2012.

[3] 3GPP TR 23.882. 3GPP System Architecture Evolution： Report on Technical Options and Conclusions（Release 8）[S]. 2008.

[4] 3GPP TS 29.212. Policy and Charging Control（PCC）； Reference points（Release 12）[S]. 2013.

[5] 3GPP TR 29.219. Policy and Charging Control： Spending Limit Reporting over Sy reference point（Release 11）[S]. 2013.

[6] 辛偉，楊紅梅，許慕鴻，等. 演進分組系統（EPS）業務應用技術[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2011.

[7] 龐韶敏. 3G UMTS與4G LTE核心網[M]. 北京： 電子工業出版社， 2012.

[8] 曹敏，蒲翰，周峰，等. LTE業務發展現狀及重點業務淺析[J]. 電信科學， 2013（2）.

[9] 袁鵬輝，龍彪，陳潔. LTE網絡引入PCC的業務保障策略分析[J]. 電信科學， 2012（11）.

[10] GSA. Evolution to LTE Report[R]. 2013.endprint

（7）在無線資源和S1（eNodeB與S-GW之間）資源修改完成后，eNodeB向MME發送成功的E-RAB修改應答消息，UE向eNodeB發送修改EPS承載上下文接受消息，表示成功修改了承載。

（8）eNodeB向MME發送修改EPS承載上下文接受消息，MME向S-GW發送更新承載應答，S-GW向P-GW發送更新承載應答，P-GW向PCRF發送PCRFIP-CAN會話修改結束消息。

5 LTE QoS控制策略

運營商可以應用LTE的QoS機制靈活控制不同業務不同用戶的QoS，針對不同業務場景情況，機動地提升或降低用戶的QoS，實現管道智能化和服務差異化。應用LTE的QoS控制機制，能夠實現多種QoS控制策略，下面探討幾種典型QoS控制策略的應用：基于業務的QoS控制、基于時間的QoS控制、基于用戶級別的QoS控制、基于用戶累計消費量的QoS控制。

基于業務的QoS控制策略是對不同業務給予不同QoS的策略，它有利于保障重點業務的服務體驗，限制非重點業務對正常業務的網絡資源侵占。例如：對視頻通話業務給予最高級的QoS待遇（如最大速率達到30Mb/s），對在線游戲業務給予中高級QoS待遇（如最大速率達到10Mb/s），對P2P業務給予最低級的QoS待遇（如最大速率達到1Mb/s），應用效果圖4所示。

基于時間的QoS控制策略是在不同時段給予不同QoS的策略，它有利于帶動閑時時段的帶寬收入，充分利用網絡資源。例如：8：00至23：00為忙時時段，忙時時段內限制用戶的最高速率為2Mb/s，23：00至次日8：00為閑時時段，閑時時段內允許用戶最高速率達30Mb/s。

基于用戶級別的QoS控制策略是在網絡資源受限時不同級別的用戶給予不同QoS的策略，它有利于保障高端用戶的業務體驗，實現服務的差異化。例如：在網絡擁塞情況下，金牌用戶可以仍保持原有的QoS，銀牌用戶的QoS自動下降1/2，而銅牌用戶的QoS自動下降5/6，應用效果圖5所示。

基于用戶累計消費量的QoS控制策略是在用戶累計消費流量達到限額前后給予不同QoS的策略，它提高了用戶的服務體驗，避免用戶因出現太多的超額流量而造成不必要的額外支出。例如，用戶訂購的流量套餐包含有12G流量，當用戶累計消費流量到達12G時，先將用戶的QoS降下來，并通知用戶將到達流量限額，還可以同時咨詢用戶是否需要增加流量包的訂購。

除了上述策略外，運營商還可以推出基于位置、基于APN、基于終端類型的QoS控制策略，或者綜合上述多種因素（如業務、用戶等級、位置等）作QoS決策的條件，靈活制定出各種適應運營要求的QoS控制策略。

6 結束語

移動數據業務流量的爆炸性增長為網絡運營帶來了新的挑戰和機遇，運營商希望提高網絡的智能化管理水平，為用戶提供差異化服務，從而提升用戶體驗，提高單位流量的收益。LTE端到端的QoS控制是實現此目標的重要手段，同時也是技術難點之一。本文分析了LTE QoS控制對象和LTE QoS參數，然后提出了從業務支撐系統到LTE網絡的端到端QoS控制架構以及系統控制流程，并探討了LTE QoS控制的應用策略，希望能為LTE網絡的服務質量控制提供一點參考。值得注意的是，LTE/LTE-A作為新型的移動寬帶網絡，其QoS控制技術仍在不斷完善當中，同時運營商對QoS控制策略的應用還需在實際運營中進一步累積經驗。

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（7）在無線資源和S1（eNodeB與S-GW之間）資源修改完成后，eNodeB向MME發送成功的E-RAB修改應答消息，UE向eNodeB發送修改EPS承載上下文接受消息，表示成功修改了承載。

（8）eNodeB向MME發送修改EPS承載上下文接受消息，MME向S-GW發送更新承載應答，S-GW向P-GW發送更新承載應答，P-GW向PCRF發送PCRFIP-CAN會話修改結束消息。

5 LTE QoS控制策略

運營商可以應用LTE的QoS機制靈活控制不同業務不同用戶的QoS，針對不同業務場景情況，機動地提升或降低用戶的QoS，實現管道智能化和服務差異化。應用LTE的QoS控制機制，能夠實現多種QoS控制策略，下面探討幾種典型QoS控制策略的應用：基于業務的QoS控制、基于時間的QoS控制、基于用戶級別的QoS控制、基于用戶累計消費量的QoS控制。

基于業務的QoS控制策略是對不同業務給予不同QoS的策略，它有利于保障重點業務的服務體驗，限制非重點業務對正常業務的網絡資源侵占。例如：對視頻通話業務給予最高級的QoS待遇（如最大速率達到30Mb/s），對在線游戲業務給予中高級QoS待遇（如最大速率達到10Mb/s），對P2P業務給予最低級的QoS待遇（如最大速率達到1Mb/s），應用效果圖4所示。

基于時間的QoS控制策略是在不同時段給予不同QoS的策略，它有利于帶動閑時時段的帶寬收入，充分利用網絡資源。例如：8：00至23：00為忙時時段，忙時時段內限制用戶的最高速率為2Mb/s，23：00至次日8：00為閑時時段，閑時時段內允許用戶最高速率達30Mb/s。

基于用戶級別的QoS控制策略是在網絡資源受限時不同級別的用戶給予不同QoS的策略，它有利于保障高端用戶的業務體驗，實現服務的差異化。例如：在網絡擁塞情況下，金牌用戶可以仍保持原有的QoS，銀牌用戶的QoS自動下降1/2，而銅牌用戶的QoS自動下降5/6，應用效果圖5所示。

基于用戶累計消費量的QoS控制策略是在用戶累計消費流量達到限額前后給予不同QoS的策略，它提高了用戶的服務體驗，避免用戶因出現太多的超額流量而造成不必要的額外支出。例如，用戶訂購的流量套餐包含有12G流量，當用戶累計消費流量到達12G時，先將用戶的QoS降下來，并通知用戶將到達流量限額，還可以同時咨詢用戶是否需要增加流量包的訂購。

除了上述策略外，運營商還可以推出基于位置、基于APN、基于終端類型的QoS控制策略，或者綜合上述多種因素（如業務、用戶等級、位置等）作QoS決策的條件，靈活制定出各種適應運營要求的QoS控制策略。

6 結束語

移動數據業務流量的爆炸性增長為網絡運營帶來了新的挑戰和機遇，運營商希望提高網絡的智能化管理水平，為用戶提供差異化服務，從而提升用戶體驗，提高單位流量的收益。LTE端到端的QoS控制是實現此目標的重要手段，同時也是技術難點之一。本文分析了LTE QoS控制對象和LTE QoS參數，然后提出了從業務支撐系統到LTE網絡的端到端QoS控制架構以及系統控制流程，并探討了LTE QoS控制的應用策略，希望能為LTE網絡的服務質量控制提供一點參考。值得注意的是，LTE/LTE-A作為新型的移動寬帶網絡，其QoS控制技術仍在不斷完善當中，同時運營商對QoS控制策略的應用還需在實際運營中進一步累積經驗。

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