基于用戶價值的LTE網絡差異化QoS策略實施的研究

許 強，郭 威，常艷生（中國聯通河南省分公司，河南鄭州450008）

0 引言

當前各種王卡、冰激凌等不限流量用戶發展迅速，致使LTE網絡擴容壓力激增，同時流量單價的大幅下降，部分用戶ARPU已經低于流量成本線。現有用戶對流量、價格、服務品質的需求已有較大差異，僅以業務量的多少對全部客戶進行簡單化、單維度、普惠型的服務保障，已經不能滿足發展和管理需要，必須從“質”的維度增加服務保障策略。高端用戶是運營商的收入基石和主要的利潤之源，尤其在移動市場競爭白熱化的態勢下，保證高價值用戶的在網率顯得更加重要，運營商需要轉變重量不重質的發展思路，通過差異化的業務質量服務的手段，提升高價值用戶的業務體驗。

通過對現網移動數據使用情況的分析對比，發現移動數據約80%的流量是由低價值用戶產生的，占用了大量網絡資源，由于HSS中所有用戶簽約QoS策略都是一致的，貢獻利潤最大的20%高價值用戶和普通用戶在業務感知度方面沒有區別，其業務感受并沒有因高ARPU值而得到較高的業務使用體驗和保障，其業務質量滿意度在NPS調查方面呈現逐步下降趨勢。在無線資源有限和市場競爭激烈的情況下，做好高價值用戶的業務質量保障已成為提升網絡投資回報率的重點工作，也是今后網絡精細化運維優化的方向。

1 基于用戶價值的差異化QoS策略

1.1 LTE QoS主要參數

LTE網絡中不同的QoS代表著不同業務服務質量等級，QoS主要通過預先配置在網絡中的QCI和ARP 2個參數來實現。

服務質量等級標識（QCI）是一個標度值，用于衡量特定的提供給服務數據流（SDF）的包轉發行為（如丟包率、包延遲預算），它同時應用于GBR和Non-GBR承載，用于指定訪問節點內定義的控制承載級分組轉發方式（如調度權重、接納門限、隊列管理門限、鏈路層協議配置等），3GPP協議中LTE系統定義了9種常用標準QCI。

分配和保留優先級（ARP）：主要應用于接入控制，在資源受限的條件下，決定是否接受相應的Bearer建立請求，同時應用于GBR和Non-GBR承載。一個承載的ARP僅在承載建立之前對承載的建立產生影響，承載建立之后的QoS特性，應由QCI、GBR、MBR等參數來決定。3GPP協議規定ARP有15個等級，取值為1～15，1為最高優先級，除了等級參數外，ARP里還有搶占能力（Pre-EmptionCapability）和被搶占能力（Pre-EmptionVulnerability）2個參數。

1.2 差異化QoS策略

差異化QoS策略需要EPC核心網和無線eNodeB協同實施，通過核心側的策略下發，在無線接入側對空口資源進行調度分配，優先保證高價值用戶的接入，或者賦予高價值用戶體驗較好的保障業務速率。為方便后續描述，將高價值用戶簡稱為VIP用戶，實施下發策略的小區簡稱為保障小區，保障小區歸屬的eNodeB簡稱為保障基站。

圖1 動態方式QoS策略實施典型工作流程

1.2.1 靜態方式

通常HSS中配置有LTE用戶的QoS參數模板，定義具體的QCI值、ARP值和業務接入速率，沒有特殊要求下，全網用戶一般使用的都是統一的QoS值。如果需要針對VIP用戶做業務質量保證，可通過在HSS中定義新的QoS模板，配置較高等級的ARP和QCI。由于較普通用戶的QoS等級高，VIP用戶在網絡內的傳輸接入時延和資源分配會得到優先保障，從而得到更好的業務體驗。因為是用戶簽約的屬性，所以無論何時何地，高等級用戶接入的優先級始終會高于普通用戶。

1.2.2 動態方式

動態方式指通過PCRF來動態下發不同的QoS策略（見圖1）。根據不同的業務質量場景，在PCRF中配置相應的QoS模板，用戶在觸發業務時，通過PCRF向SPR查詢是否為訂閱用戶，符合條件就由PCRF來執行下發相應的策略配置。通過動態方式可以依據網絡的情況，實現基于區域、建立業務專載通道等多種QoS保障，更加靈活地調度實施差異化的業務服務質量保障。

1.2.3 策略實施的選擇

采用靜態方式，不論移動無線網絡資源負荷如何，QoS簽約等級較高用戶的業務接入和帶寬會優先保證。在當前移動業務行為場景復雜多變的情況下，單純采取靜態方式并不能適應網絡變化和用戶感知變化的需求，所以更多是采用動態方式或動靜結合的方式來保證差異化服務質量。實施差異化QoS服務的目的是優先保障VIP用戶的使用感知，但并不是完全以犧牲普通用戶感知為代價，所以本文重點研究動態方式差異化QoS策略的實施，并對其效果進行評價，給出無線資源調度的合理配比。

2 現網動態差異化QoS測試方案

2.1 測試場景

選取數個高流量話務小區，預先在PCRF配置基于小區位置下發的QoS策略，在SPR中簽約測試VIP用戶號碼信息，保障基站中配置基于QCI的差異化調度參數。VIP用戶移動到保障小區時，PCRF依據PGW/GGSN上報的小區ECGI信息匹配后下發策略，保障基站收到新的QoS后，對相關小區執行差異化的調度配置。具體流程如下。

a）用戶接入的認證。終端通過eNodeB向EPC網絡上報其所處位置，PCRF收到PGW上報的接入請求中攜帶有用戶的位置信息，PCRF向SPR發起查詢請求，查詢是否為簽約用戶。

b）策略事件訂閱。用戶認證通過后，PCRF根據簽約信息，向PGW下發訂閱的相關策略模板，PGW記錄并存儲用戶的測試事件。

c）QoS策略執行。PCRF根據當前上報的位置信息進行匹配，如果符合就下發對應的QoS策略，PGW收到QoS變化的請求隨即發起修改承載的流程，將新的QCI和ARP傳遞給eNodeB。

d）eNodeB根據新的QCI和APR，執行差異化的調度策略。

圖2 無法觸發位置上報的場景及解決辦法

e）如果用戶沒有簽約，或者上報的位置信息沒有匹配，PCRF會通知PGW不進行QoS變更，用戶仍舊沿用簽約默認的QoS。

2.2 關鍵技術點及方案采用

2.2.1 小區位置的上報實現

PCRF收到的小區信息是由PGW通過Gx接口上報的，PGW本身是無法感知用戶位置變化的，需由MME將位置信息通過SGW傳遞給PGW。當前網絡中MME一般都是池組化組網，有利于減少intra TAU的信令，在同一池組內進行基于小區的切換時，MME不上報位置信息，因為開啟且實時上報小區位置信息，將在全網產生巨量的信令負荷，對網絡設備帶來巨大沖擊，可采用以下2種方式解決。

a）基于X2切換上報ECGI。eNodeB之間部署X2接口，發生eNodeB之間切換時，目標eNodeB會發送Path Switch Request消息給MME請求S1-U GTP tunnel指向目標eNodeB，在消息中攜帶有小區的ECGI信息。但有時會出現策略實施不生效的場景：假使VIP用戶進入保障基站下的非保障小區，或者在非保障小區重啟終端，此時VIP用戶攜帶的是和普通用戶一樣的默認簽約QoS，后續移動到保障小區，由于MME對于小區切換的變化是不上報的，造成PGW無法更新ECGI信息，即使進入保障小區，PCRF也無法執行策略下發。解決辦法是在PCRF中將保障基站下所有小區都進行配置（見圖2），這樣在整個保障基站下的小區內VIP用戶始終攜帶下發的QoS參數，只要移動到保障小區，相應配置便能夠觸發。這種做法的缺點是擴大了不必要保障的范圍，PCRF上需要增加的數據量也較多。

b）基于PRA（Presence Reporting Area）上報ECGI。PRA所處上報區域，即預先定義需要上報的小區列表，當UE觸發PRA或PRA狀態發生變化時，MME將ECGI信息立即通知PGW（PCEF）。為實現基于PRA上報位置信息，EPC網元需要進行相關配置（見表1），通過PRA功能可實現精準化的ECGI上報，但要對相應網元進行配置，網絡改造的工作量較大。

表1 EPC網元PRA配置

2.2.2 無線QoS控制方法

2.2.2.1 基于ARP的QoS控制

ARP是分配保持優先級，該參數標識了承載的搶占或者被搶占屬性，在資源受限情況下，eNodeB可以根據ARP決定是否接受一個承載建立/修改請求；在發生擁塞時，eNodeB可以根據ARP決定釋放掉某一個或者多個承載。

2.2.2.2 基于QCI的QoS控制

對于GBR承載類型，eNodeB基于GBR QoS滿意率/PRB準入策略和ARP決定是否接受GBR業務的接入請求；在上行和下行調度時需要優先保證GBR業務的速率和時延。對于Non-GBR承載類型，eNodeB不保證Non-GBR業務的速率和時延，但可以基于不同QCI配置差異化的調度參數，讓被保障用戶獲得盡可能高的速率。

2.2.3 試點方案的技術采用

a）現網已經部署X2接口，考慮最大程度減少對EPC網絡的改動，采用基于X2切換上報小區的ECGI位置信息，在PCRF上配置保障基站的全部小區ECGI值。

b）無線QoS控制方面，ARP主要定義了用戶在使用GBR業務時接入和搶占能力，而QCI主要定義了用戶在業務過程中的調度優先級、決定了用戶的速率和時延感知。由于當前網絡中GBR業務占比很低，因此可通過基于QCI的QoS控制來保障VIP用戶的差異化感知。

c）VIP用戶、普通用戶HSS均簽約QCI=8，PCRF下發的VIP用戶QCI=6。

d）無線參數啟用差異化服務，普通用戶默認承載QCI＝8，VIP用戶QCI＝6，這種情況下可以保證VIP用戶在網絡負荷較高時更有可能達到較高速率。基站對不同QCI差異化配置“調度優先級加權因子”，該參數設置的越大，對應QCI的上下行業務調度優先級越高，其業務速率越能得到優先保證（見表2）。

表2 保障基站不同調度權重參數配置

3 實施效果評估及建議

3.1 效果評估

通過S1-MME接口信令跟蹤，X2切換后PGW成功接收到ECGI變化，PCRF能夠成功匹配保障小區并把QCI=6的策略下發給無線側。

為了充分驗證不同負荷、不同無線環境下的保障效果，本文選擇高負荷（≥85%）、中等負荷（50%～60%）和低負荷（＜30%）小區等3類場景，在覆蓋好、中、差點驗證不同調度權重配置下高價值試驗用戶的速率感知保障效果及對普通用戶的影響。

3.1.1 低負荷小區差異化實施效果

圖3給出了低負荷小區實施效果。好、中、差點在1∶1、2∶1、4∶1、10∶1 4種配比下，FTP下行速率基本與配置一致；在2∶1、4∶1時，保障VIP用戶的同時、普通用戶速率也均在6 Mbit/s以上，但在10∶1時，普通用戶速率較低。

3.1.2 中負荷小區差異化實施效果

圖4給出了中負荷小區實施效果。好、中、差點在1∶1、2∶1、4∶1、10∶1 4種配比下，FTP下行速率基本與配置一致。在2∶1時，保障高價值用戶的同時、普通用戶速率在差點也在4 Mbit/s以上，但4：1、10∶1時，普通用戶在覆蓋差點速率很低。

3.1.3 高負荷小區差異化實施效果

圖5給出了高負荷小區實施效果。好、中、差點在1∶1、2∶1、4∶1、10∶1 4種配比下，FTP下行速率基本與配置一致。但由于負荷高，高價值用戶和普通用戶差點速率均無法得到較好保障。

綜合3.1.1～3.1.3可知：為了平衡高價值用戶和普通用戶的感知，建議兩者“調度優先級加權因子”的配比為2∶1。

圖3 低負荷不同調度權重DL速率

圖4 中負荷不同調度權重DL速率

圖5 高負荷不同調度權重DL速率

3.1.4 高負荷小區最低保障速率驗證

測試中發現在高負荷小區下，若VIP用戶、普通用戶的“調度優先級加權因子”配置為2∶1時，在中、差點VIP用戶的速率較低。為了驗證該場景下對VIP用戶的速率保障能力，修改了高價值用戶（QCI=6）的“下行最小保證速率”，由8 kbit/s修改為4 096 kbit/s后，用戶的速率均保持在4 000 kbit/s以上。但此時，普通用戶的下行速率只有200～500 kbit/s。

3.2 策略網絡部署建議

從以上驗證效果來看，通過PCRF和無線網配合，對VIP用戶下發較高等級QCI，適配不同的調度參數，可以實現對VIP用戶較高的速率保障。主要結論如下。

a）“調度優先級加權因子”配比為2：1可以實現高價值用戶的速率保障并平衡普通用戶感知，但在高負荷小區下效果不佳。當小區負荷較高時（下行PRB利用率＞85%），差異化策略已無法兼顧普通用戶感知，需要通過小區擴容來解決。

b）在高負荷場景下，可以適當修改“上下行最小保證速率”來保障高價值用戶的速率感知。但負荷較高時容易造成GBR業務接入擁塞，需慎重使用。

c）差異化QoS實施前，需要提前統一全網默認簽約QoS參數，避免不同區域用戶規則不一致影響實施效果。

4 結束語

隨著自動化運維技術的發展，可以運用IT手段將策略下發和無線網動態負荷數據適時聯動，實現更加智能、敏捷的QoS調整和部署，以適應網絡的快速發展和變化。同時，差異化QoS的網絡服務可以與業務發展聯動，形成完善的差異化產品和服務能力，比如游戲加速、視頻加速等，實現價值服務的變現，挖掘網絡的增值潛力，為運營商提供新的利潤增長點。