無線中繼網絡中的QoS控制

趙俁鈞 魏志恒 戴源廷

（中國鐵道科學研究院集團有限公司城市軌道交通中心 100081）

1 概述

1.1 基于承載的QoS

演進的分組系統（Evolved Packet System：EPS）的網絡架構如圖1所示[1]。其中用戶設備（User Equipment：UE）和演進的通用陸地無線接入系統（Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network：E-UTRAN）以及二者之間的Uu接口屬于接入網的范疇。其余節點則屬于演進的核心網（Evolved Packet Core：EPC）的范疇。不同節點之間定義了相應的接口。

QCI Resource Type Priority Packet Delay Budget (NOTE1)Packet Error Loss Rate (NOTE2)Example Services 1 (NOTE3)2 100ms 10-2 Conversational Voice 2 (NOTE3) 4 150ms 10-3 Conversational Video (Live Streaming)3 GBR(NOTE3) 3 50ms 10-3 Real Time Gaming 4 (NOTE3) 5 300ms 10-6 Non-Conversational Video (Buffered Streaming)5 (NOTE3)1 100ms 10-6 IMS Signalling 6 (NOTE4) 6 300ms 10-6 Video (Buffered Streaming) TCP-based (e.g., www, e-mail, chat, ftp, p2p file sharing, progressive video, etc.)Non-GBR 7 (NOTE3) 7 100ms 10-3 Voice, Video (Live Streaming) Interactive Gaming 8 (NOTE5) 8 300ms 10-6 Video (Buffered Streaming) TCP-based (e.g., www, e-mail, chat, ftp, p2p file 9 (NOTE6) 9 sharing, progressive video, etc.)

QoS（Quality of Service）是EPS系統的重要內容。從數據傳輸角度來看，QoS定義了不同網絡節點對于數據分組的處理策略，以提供特定的傳輸有效性和可靠性保障；從用戶的角度來看，QoS是使用戶在通信過程中保持良好的體驗的基本因素。EPS中采用基于承載的QoS機制。

EPS中的承載結構如圖2所示，其中端到端服務包括EPS承載和外部承載，外部承載依賴于EPS以外的系統。EPS承載包括兩部分：E-RAB(Evolved RadioAccess Bearer)和S5/S8承載。E-RAB建立于UE和Serving-Gateway之間；S5/S8承載建立于Serving-Gateway和PDNGateway之間。E-RAB承載又進一步分為Uu承載和S1承載。Uu承載建立于UE和eNB之間；S1承載位于eNB和Serving-Gateway之間。

對于每一個EPS承載，統一的QoS參數被配置到EPS承載所建立的各個節點上，各節點根據QoS參數定義相應的數據分組處理策略，分別實現各部分承載的QoS控制。結合圖2，Uu承載、S1承載和S5/S8承載均由承載建立的節點根據統一的QoS參數單獨控制，從EPS承載的角度來看，總的效果滿足QoS參數所定義的需求。

1.2 QoS參數

EPS承載的QoS參數包括：ARP（Allocation and Retention Priority characteristics）、QCI（QoS Class Identifier）、GBR（Guaranteed Bit Rate）和MBR（Maximum Bit Rate），各參數的具體含義如下：

（1）ARP：用于定義當資源受限時，一個承載的建立、更新是否被接收或拒絕。ARP也應用于接入網側，定義當意外的資源受限（如切換）發生時，是否允許將某個已經建立的承載釋放。

（2）QCI：接入網節點相關的QoS參數，用于控制數據包的傳輸策略，如調度、接納、隊列管理和鏈路層協議的配置。

（3）GBR：指示為一個GBR承載提供的傳輸速率。

（4） MBR：為一個GBR承載提供的傳輸速率的上限，在目前的協議中，MBR被設置為等于GBR。

目前規范[2]中定義的QCI(見附錄)包括以下四類參數：

（1）資源類型（Resource Type）：分為保證比特速率（GBR）或者非保證比特速率（Non-GBR)。對于GBR類型，網絡將為對應的EPS承載預留相應的資源；對于Non-GBR類型，網絡不會為對應的EPS承載預留相應的資源。

（2）優先級（Priority）：定義EPS承載之間的優先級。當資源受限時，優先級高的EPS承載將優先獲得資源。

（3）分組延時預算（Packet Delay Budget：PDB）：EPS承載在UE和PDN-Gateway之間的數據傳輸過程中98%的數據分組傳輸延時應該小于PDB定義的延時；

（4）分組錯誤丟失率（Packet Error Loss Rate：PELR）：定義為已經被鏈路層協議（如E-UTRAN的RLC）處理，卻沒有被收端的高層協議（如UE的PDCP）成功接收的數據分組的比例。由網絡擁塞導致的數據分組丟棄不計算在內。

1.3 Uu接口的QoS控制

E-UTRAN的結構如圖3所示。

其中E-UTRAN僅包括一個節點——eNB（evloved NodeB）。eNB與EPC之間通過有線S1接口相連；eNB與UE之間通過無線的Uu接口進行通信。eNB需要根據QCI參數進行Uu的數據傳輸。在協議中，QCI是在無線承載建立過程中通過S1AP（S1 Application protocol）消息：E-RAB SETUP REQUEST，從MME（Mobility Management Entity）配置到eNB的，其信令流程如圖4示[3]。eNB根據ARP進行承載的接入控制和負荷控制，并根據QCI和GBR在Uu進行分組數據的調度傳輸。

由于QCI應用的范圍是從EPC到UE，所以在eNB中必須考慮從EPC到eNB的承載的影響。在目前的規范中，由于EPC和UE之間既有有線傳輸（S5/S8承載和S1承載），也有無線傳輸（Uu承載），為了使eNB能夠有效的調度Uu口的數據傳輸，有如下假設：

（1）S5/S8承載和S1承載的時延一共是20ms。

（2）對于PELR，由于有線傳輸的可靠性非常高，所以在S5/S8接口上的PELR為0。

上述兩個假設對于采用有線傳輸的S5/S8承載是合理的。據此可以很容易的計算出應用于Uu接口的QCI參數，如表1所示。

表1中QCI-EPS表示應用于整個EPS承載（S5/S8承載+S1承載+ Radio承載）的QCI參數，也即EPC配置給每個節點的QCI參數，其中PDB為Pall，PELR為Lall。QCI1表示應用于EPC到eNB的承載（S5/S8承載+S1承載）的QCI參數；QCI2表示應用于Uu承載的參數。其中Resource Type和priority對各部分承載都相同。對于PDB，用于Uu承載的延時應該減去從EPC到eNB的延時。對于PELR，由于S5/S8承載和S1承載的影響可以忽略，所以EPS承載的PELR完全應用于Uu。

表1 現有系統中應用于Uu的QCI參數

2 無線中繼網絡的QoS控制

2.1 引入Relay的E-UTRAN結構

在LTE-A（LTE Advanced）的標準化過程中，為了實現低成本增加覆蓋范圍、提高小區邊緣吞吐量等目標，引入了無線中繼（Relay）[4]。引入Relay后的E-UTRAN的結構如圖5所示。

在圖5中，E-UTRAN包括兩個節點，DeNB（Donor eNB）和Relay。Relay負責在UE和DeNB之間轉發數據，Relay到UE的無線接口仍然稱為Uu，RN和DeNB之間的無線接口稱為Un。當UE在Relay下工作時，就像在通常的eNB下工作一樣。

對于引入Relay后的承載結構如圖6所示。

圖6中S1承載被分為兩部分，一部分位于DeNB和Serving-Gateway之間，另外一部分位于DeNB和Relay之間。其中DeNB和Relay之間的S1承載嵌套在Un承載中（S1中的數據進一步通過Un承載傳輸）。DeNB在兩部分S1承載之間起到代理的作用，即DeNB能夠解析EPC節點與Relay之間的消息交互。

與E-UTRAN相比，在存在Relay的網絡中，出現了兩個空中接口Uu和Un，這必將對已有的QoS機制產生影響。首先Un的引入必將帶來額外的延時，Un口的延時是固定的還是動態的，將取決于Un接口的物理資源配置；此外Un作為無線接口，也必將影響PELR，即需要統一考慮Un和Uu誤碼性能對QoS的影響。

2.2 Relay網絡的QoS機制

QoS是與業務特性相關聯的，在不同的網絡結構中傳輸相同的業務，都要保證業務相同的QoS，所以在圖5中，QCI的作用范圍仍然應該是從EPC到UE。為了在引入Relay后進行E-UTRAN的QoS控制，需要在現有機制基礎上，在Un和Uu上進行QCI參數的協調分配。DeNB根據分配的QCI參數進行Un口的調度；RN根據分配的QCI參數進行Uu口的調度。使總的效果仍然滿足EPS承載的QoS要求。具體的分配方式包括靜態分配和動態分配兩種方案。

為更清楚的說明兩種方案，引入如下術語：

（1）QCI-EPS：由EPC配置到E-UTRAN各節點的QCI參數，即應用于EPS承載的QCI參數。

（2）QCI-Uu：應用于Uu承載的QCI參數；

（3）QCI-Un：應用于Un承載的QCI參數。

2.3 靜態分配

在靜態分配的方案中，DeNB節點存儲QCI-EPS與QCI-Uu，QCI-Un的對應關系。當UE的EPS承載建立時，由UE的PDN-Gateway將待建立UE承載的QCI-EPS配置到DeNB，DeNB根據待建立UE承載的以及存儲的QCI-EPS與QCI-Uu，QCI-Un的對應關系確定該UE的EPS承載對應的QCI-Uu和QCI-Un。上述過程的信令流程如圖7所示。

在圖7中的步驟1和步驟2，經過MME轉發，UE的PDN-Gateway向DeNB發起承載建立請求。在請求消息中，包含待建立的UE的EPS承載的QCI參數。DeNB根據請求消息，查找所存儲的QCI-EPS與QCI-Uu，QCI-Un的對應關系，確定該UE的EPS承載對應的QCI-Uu和QCI-Un參數。在步驟2a中，DeNB將QCI-Uu參數發送給RN。在步驟3中，RN根據QCI-Uu參數配置Uu接口參數，用于后續的數據傳輸。在步驟4，步驟4a和步驟5中，經過MME轉發，RN向UE的PDNGateway節點發送UE EPS承載建立完成響應消息。通過上述過程，UE的PDN-Gateway通過承載映射的方式（將UE EPS承載映射到可以滿足QCI-Un需求的RN EPS承載上）和參數傳遞的方式（將QCI-Uu傳遞給RN）實現了UE EPS QCI的空口分配。

作為上述過程的改進，可以將QCI-EPS與QCI-Uu，QCI-Un的對應關系分別存在DeNB和RN。這樣DeNB將待建立UE的EPS承載對應的QCI-EPS參數傳遞給RN，RN查找存儲的QCI-EPS與QCI-Uu，QCI-Un的對應關系，確定該UE EPS承載對應的QCI-Uu和QCI-Un參數。并根據RN EPS承載的QCI信息以及QCI-Un參數，確定UE的EPS承載應該映射的RN EPS承載。避免了實施例3中，需要傳遞UE的EPS承載與RN EPS承載映射關系的過程，進一步簡化了信令傳輸過程。

上述QCI_EPS與QCI_Uu，QCI_Un之間的映射關系可以制成表格，體現在協議中。

2.4 動態分配

在這種方案中，由DeNB分別計算用于Un和Uu的QoS參數，并通過DeNB和RN之間的信令交互，分別配置Un和Uu的QoS參數。以下給出可能的幾種過程。

2.4.1 過程1

DeNB不解析MME配置到RN的QCI-EPS，RN和DeNB之間通過RRC信令過程實現QCI-Uu和QCI-Un的分配。在此方案中，UE的承載建立/修改/刪除過程，觸發了RN的承載更新過程，DeNB中P-GW功能（對應于Relay）發起RN的EPS承載更新過程，MME再向DeNB發起RN的EPS承載更新過程（S1-AP），DeNB經過處理后，通過RRC消息把QCI-Uu發送到RN，如圖8所示。

圖8中“QCI計算”表示根據QCI-EPS計算QCI-Uu和QCI-Un的功能。QCI-EPS參數中的PDB和PELR分別用DQCI和PQCI表示，則

PDB：DeNB根據期望的Un的鏈路配置，計算出Un的平均傳輸延時為DUn，則應用于Uu口調度的延時為DUu= DQCI - DUn - 20ms；

PELR：根據(1-PUu)× (1-PUn) = 1-PQCI可以計算出應用于Un的PUn和對應的應用于Uu的PUu。

2.4.2 過程2

在Relay的架構中，由于DeNB代理功能，能夠截獲并解析MME配置到RN的QCI-EPS，然后計算QCI-Uu和QCI-Un，并通過RRC消息將QCI-Uu配置到RN。兩種可能的信令流程如圖9所示。

圖9中給出了兩種信令過程，在圖9（a）中，DeNB解析MME發送到Relay的QCI-EPS后，仍將QCI-EPS配置到Relay，后續再通過RRC信令將計算出的QCI-Uu發送給Relay。而在圖9（b）中，DeNB解析MME配置到RN的S1AP消息中的QCI-EPS，計算QCI-Un和QCIUu后，并直接用QCI-Un代替S1AP消息中的QCI-EPS，并發送給RN。圖9中的“QCI計算”功能與方案1相同。

3 結論

為適應一個空中接口Uu而設計的E-UTRAN的QoS機制，在引入Relay后不再適用。針對引入Relay后的網絡結構特點，本文提出了靜態分配和動態分配進行QoS控制的兩種方案，并給出了相應的信令流程，以期為后續的標準化工作提供參考。