LTE核心網QoS管理實現的研究

【摘 要】對建立默認承載和專有承載的信令流程進行了詳細分析，研究了在這兩個流程里QoS參數的差異以及QoS如何在各個網元實現的問題，特別是針對不同用戶、不同業務的QCI不同時其獲得服務質量保障也不一樣。

【關鍵詞】LTE 服務質量 默認承載 專有承載 QCI

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.05.018 中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-1010（2016）05-0085-05

引用格式：謝鯤. LTE核心網QoS管理實現的研究[J]. 移動通信， 2016，40（5）： 85-89.

1 引言

隨著LTE網絡的大規模建設和完善、終端的普及和電信運營商的大力市場營銷，LTE網絡將面臨著飛速增長的移動互聯網用戶，而用戶的移動互聯網業務量也將會迅速飆升。電信運營商需要滿足LTE用戶的不同業務需求，如視頻會議、網絡視頻、手機網絡游戲、VoLTE等，LTE網的QoS提供了嚴格的質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網絡的關鍵QoS參數進行了研究，以確定網絡中的各設備網元對QoS管理的實現。

2 LTE網絡QoS概述

LTE網絡通過端到端的QoS管理以及差異化服務策略來保障業務的QoS要求，LTE網絡中實現QoS的最小單元是EPS（Evolved Packet System，演進分組系統）承載（Bearer），即同一類型的EPS承載上的所有IP數據包都會得到一樣的QoS保障（如資源的分配和調度、鏈路層配置、緩沖區隊列管理等），不同類型的EPS承載所需的QoS保障也是不一樣的。在各個設備接口上，EPS承載關聯到底層承載，各個設備負責維護底層的標識以及接口之間的關聯。

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）數據流和承載都通過TFT（Traffic Flow Template，業務流模板）進行關聯和映射，在核心網中下行鏈路的TFT和核心網的TEID（Tunnel Endpoint ID，隧道終點標識符）進行關聯，在無線網中上行鏈路的TFT和無線的RB-ID（Radio Bearer ID，無線承載標識符）進行關聯，UE又根據上行鏈路的TFT關聯到上行數據流，P-GW根據下行鏈路的TFT關聯到下行數據流，從而實現整個端到端的數據流都得到了相應的QoS保證。

專有EPS承載必須配置相應的業務流模板，而默認EPS承載一般不配置專有的業務流模板，或者配置一般的業務流模板，這樣所有不能關聯到專有EPS承載的業務數據流都會被關聯到默認EPS承載上。在釋放專有EPS承載的情況下，原本關聯到專有EPS承載上的業務數據流會被關聯到默認EPS承載上。

3 LTE網絡QoS相關參數

根據承載的業務不同，EPS承載可以分為GBR承載和Non-GBR承載。LTE網QoS參數包括了GBR（Guaranteed Bit Rate，保證比特速率）、ARP（Allocation and Retention Priority，分配與保留優先級）、MBR（Maximum Bit Rate，最大比特速率）、QCI（QoS Class Identifier，QoS分類標識），AMBR（Aggregate Max Bit Rate，聚合最大比特速率）。

（1）QCI：QCI是一個值，不是一組QoS參數，表示不同業務的QoS要求，包含承載類型、優先級、數據包時延和可接受的誤包丟失率等指標，其具體含義如表1所示。QCI主要用在建立承載后的網絡資源調整和分配，用于保障端到端的各種業務的QoS需求，用于訪問網元內提前設置的的控制承載級分組轉發方式，如調度優先級、接收策略、緩沖區隊列管理、鏈路層配置等，這些都可以由網絡運營商預先定義到eNodeB中。在LTE網的相關接口中傳輸的是QCI的值而不是對應的QoS屬性，使用QCI參數可以有效減小QoS參數傳輸時的數據量，也便于不同設備商之間的設備互連互通；QCI同時應用于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承載，而是用于一組非GBR的承載，如當其它EPS承載上沒有任何數據流時，有數據流的承載可以使用AMBR配置的所有帶寬。AMBR在3GPP中定義了兩種不同的參數：UE-AMBR和APN-AMBR。UE-AMBR定義了每個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可以在網絡資源受限的情況下根據ARP級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等參數決定。ARP可同時應用于GBR和Non-GBR承載。

（4）GBR：它為業務提供的比特速率是可保證的，這些業務包括語音通話、直播流媒體、實時在線游戲等。GBR只用于GBR承載。

（5）MBR：它為業務定義了最大比特速率。如果發現為業務提供的比特速率超過MBR定義的最大比特速率時，系統將根據相關算法來降低其速率。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網絡QoS管理的實現

LTE網絡的接入網相對于WCDMA網進行了簡化，結構更加扁平化，同時取消了WCDMA網復雜的QoS協商機制。為了使用更靈活的動態調度機制，引入了PCRF（Policy and Charging Rules Function，策略與計費規則功能單元）。根據建立承載的先后，定義了兩種不同的EPS承載：默認承載和專有承載。默認承載是LTE UE在開機時就與PDN（Public Data Network，外部數據網絡）之間建立了承載連接，也就為用戶提供“永久在線”的服務；專有承載是該用戶連接到同一PDN網絡的其它EPS承載。在建立專有承載前，相應的默認承載就已經存在。建立或修改專有承載必須由網絡端發起，其QoS參數也必須是由EPC來定義。

4.1 默認承載的建立流程

在LTE用戶開機附著LTE網絡的同時，用戶就建立了一條默認承載LTE網絡，這個默認承載的QoS管理實現機制如圖2所示。

步驟1：LTE用戶附著網絡，發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HSS，MME就向該HSS發送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，包括QCI、ARP、UE-AMBR、APN-AMBR等。

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

步驟4：如網絡引入了PCRF，PDN GW還需要與PCRF交互消息以獲取運營商設置的PCC（Police Control and Charging，策略控制和計費）相關策略，若沒有引入PCRF，則在PDN GW中預先設置PCC規則。PCRF可根據運營商的策略決定修改相關的QoS參數。

步驟5：EPC GW的PGW（PDN GateWay，分組數據網網關）生成Create Session Response回給SAE GW，SAE GW收到消息后再生成Create Session Response消息回復給MME。

步驟6：MME根據從EPC GW處獲取的APN-AMBR和簽約UE-AMBR，計算用戶的UE-AMBR，將UE-AMBR、QCI、ARP等QoS參數放入Initial Context Setup/Attach Accept消息發給eNodeB，eNodeB建立無線承載，無線承載有相應的QoS參數QCI和ARP。無線接入部分eNodeB根據運營商按照實際需求預配置的QoS參數執行基于承載的無線資源調度，將APN-AMBR、QCI放入Attach Accept消息發給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

如果建立了默認承載的用戶要使用更高QoS需求的業務，如可視電話、網絡視頻、VoLTE等，則要建立一個或多個EPS專有承載。EPS專用承載的建立由網絡端發起，但也可以由UE通過某些流程觸發網絡側來建立專用承載。例如，UE發起基于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。下面介紹以網絡端發起的專用承載建立流程，流程圖如圖3所示。

（1）首先，PCRF根據LTE用戶的業務應用層所需要的QoS，生成建立專有承載所要求的QoS，向PGW發RAR（Re-Authentication Request，重新鑒權請求）消息。

（2）PGW收到PCRF的消息后，根據消息里的QoS策略來分配EPS承載的QoS，包括QCI、ARP、MBR、GBR等參數，并發送Create Bearer Request 消息給SGW（Serving Gateway，服務網關），其中有UE建立到SGW承載的QoS和UL-TFT，SGW將相應的消息（QoS、UL-TFT、S1 Bearer ID）傳給MME。

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

（4）eNodeB將EPS承載的QoS映射到無線承載的QoS，然后向UE發送RRC Connection Reconfiguration消息來建立相應的DRB（Data Radio Bearer，數據無線承載），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會關聯到該無線承載，其優先級由Precedence定義，數值越小，級別就越高。UE在發送業務數據流時，按照承載優先級對業務數據流進行關聯，如果關聯成功，UE將會在相應的EPS承載上發送數據流，否則的話，UE會在默認的EPS承載上傳輸數據流。

（5）UE在得到相關QoS數據后，就發RRC Connection Reconfiguration完成消息給eNodeB。eNodeB收到UE的消息后，給MME回Bear Setup響應消息。UE的NAS層就會建立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響應消息，轉送給SGW，再由SGW轉給PGW。

（7）PGW向PCRF回RAR Response。

默認承載的QoS參數可以是HSS（歸屬用戶服務器）中用戶簽約的數據，也可以跟PCRF交互或者交與本地配置策略來改變QoS參數。專有承載的QoS可以根據運營商在PCRF提前設置好的策略，將不同的IP數據包關聯到相應的EPS專有承載上，不同的EPS承載采取不一樣的QoS機制。

5 LTE網QoS管理實現應用

通過默認承載和專有承載的建立流程可以知道專有承載會獲得能保證承載速率的GBR、MBR這兩個QoS參數，而默認承載是不會獲得的。默認承載只能是Non-GBR，而專有承載可以是GBR，也可以是Non-GBR。通過表1的QCI優先級，知道GBR承載比Non-GBR承載的級別高，這樣不同的用戶、不同的業務會獲得不同的業務質量保障。

當一個用戶有一條默認承載（Non-GBR，QCI=9）和兩條專有承載（GBR，QCI=2， 3）時，LTE網絡會優先保證GBR承載的速率（GBR承載級別（QCI的優先級越小級別就越高）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GBR承載的資源分配，會優先保證高級別GBR用戶簽約速率（QCI的優先級越小級別就越高），然后再將剩余資源分配給低級別的GBR用戶。該用戶在系統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：

而對于多個用戶來說，LTE網絡會優先保證使用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網絡會優先保證高級別的GBR用戶，其次再將其余的資源分配給低級別的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，當資源足夠和資源緊張的時候，其承載速率會發生不一樣的變化。如圖5所示。

6 結束語

LTE網絡是移動通信網絡向真正的移動互聯網絡發展的重要一步，為了滿足網絡資源的充分利用以及用戶業務需求，對LTE網絡的業務質量（QoS）做了大量的改善，并引入了一些新的定義，如默認承載、專用承載、GBR承載、Non-GBR承載。LTE網絡的QoS實現不再利用像WCDMA網絡那樣的復雜協商機制，從調度優先級和資源分配兩方面為用戶提供了合適的業務質量（QoS）保證，給用戶帶來了使用感知度的提高。

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