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1、如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流LTE的QoS机制学习总结【精品文档】第 8 页LTE/SAE的QoS机制EPS系统中，QoS控制的基本粒度是EPS承载(Bearer)，即相同承载上的所有数据流将获得相同的QoS保障（如调度策略，缓冲队列管理，链路层配置等），不同的QoS保障需要不同类型的EPS承载来提供。在EPS系统中，PDN指的是外部的数据网络（相对于LTE运营商而言），例如Internet，企业专用数据网等。APN（接入点名称）的值作为PDN网络的标识， PDN GW位于EPC和PDN的边界。EPS Bearer存在于UE和PDN GW之间。通常情况下（GTP Based S5/
2、S8），EPS承载可以看作是UE与分组数据网网关(PDN-GW)之间的逻辑电路，（对于基于PMIP的S5/S8接口，一般认为EPS Bearer存在与UE与SGW之间）。EPS承载取代了UMTS网络中的分组数据协议上下文（PDP Context）。根据QoS的不同， EPS Bear可以划分为两大类： GBR(Guranteed Bit Rate) 和 NonGBR。 所谓GBR，是指承载要求的比特速率被网络“永久”恒定的分配，即使在网络资源紧张的情况下， 相应的比特速率也能够保持。MBR(Maximum Bit Rate)参数定义了GBR Bear在资源充足的条件下，能够达到的速率上限。MB
3、R的值有可能大于或等于GBR的值。相反的，NonGBR指的是在网络拥挤的情况下，业务（或者承载）需要承受降低速率的要求，由于NonGBR承载不需要占用固定的网络资源，因而可以长时间地建立。而GBR承载一般只是在需要时才建立。EPS系统中，为了提高用户体验，减小业务建立的时延，真正实现用户的“永远在线”，引入了默认承载（Default Bearer）的概念，即在用户开机，进行网络附着的同时，为该用户建立一个固定数据速率的默认承载，保证其基本的业务需求，默认承载是一种NonGBR承载。一般来说，每个PDN连接都对应着一个Default Bearer和一个IP Address，只有在UE和PDN都支
4、持IPV4，IPV6双协议栈，一个PDN连接才有可能对应两个Default Bearer和IP Address，UE在此PDN连接的有效期内将会一直保持此Default Bearer（IP 地址有可能变化吗？）。如果UE存在与多个PDN的连接，那么UE可以有多个Default EPS Bear和IP地址。默认承载的QoS参数可以来自于从归属用户服务器(HSS)中获取的签约数据，也可以通过PCRF交互或者基于本地配置来改变这些值。为了给相同IP地址的UE提供具有不同QoS保障的业务，如视频通话，移动电视等，需要在UE和PDN 之间建立一个或多个Dedicated EPS Bear。连接到相同PD
5、N的其他EPS承载称为专有承载，运营商可以根据PCRF（Policy And Charging Resource Function）定义的策略，将不同的数据流映射到相应的Dedicated EPS Bear上，并且对不同的EPS Bear采用不同的QoS机制。专有承载可以是GBR承载，也可以是NonGBR承载。专有承载的创建或修改只能由网络侧来发起，并且承载QoS参数值总是由分组核心网来分配。一个EPSBearer要经过不同的网元和接口，如下图所示。包括：PGW到SGW之间的S5/S8接口，SGW到eNodeB之间的S1接口 和eNodeB到UE之间的Uu接口。EPS Bearer在每个接口上
6、会映射到不同的底层承载，每个网络节点负责维护底层承载的标识以及相互之间的绑定关系。From 3GPP 23.401 4.7.2.2 The EPS bearer with GTP-based S5/S8如上图所示，eNodeB通过创建无线承载与S1承载之间的绑定，实现无线承载与S1承载之间的一一映射；S-GW通过创建S1承载与S5/S8承载之间的绑定，实现S1承载与S5/S8承载之间的一一映射。最终，EPS承载数据通过无线承载、S1承载以及S5/S8承载的级联，实现了UE与PDN之间连接业务的支持。用户的IP数据包需要映射到不同的EPS Bearer，以获得相应的QoS保障。这样的映射关系是通
7、过TFT（Traffic Flow Template）和其中的Packet Filters来实现的。TFT是映射到相应EPS Bearer的所有PacketFilter 的集合，Packet Filter表示将用户的一种业务数据流（SDF，Service DataFlow）映射到相应的EPS Bearer上，Packet Filter通常包括源/目的IP 地址，源/目的IP端口号，协议号等内容。专有的EPS Bearer必须有与之相应的TFT。相反的，缺省的EPS Bear通常并不配置特定的TFT，或者说，配置的是通配TFT，这样所有不能映射到专有EPS Bearer的IP数据包会被映射到缺省
8、的EPS Bearer上。在专有的EPS Bearer被释放的情况下，原来映射到专有EPS Bearer上的数据包也会被重新路由到相应的缺省EPS Bearer上。TFT分为上行和下行两个方向，其中，上行的TFT在UE侧对上行的数据包进行过滤和映射。下行的TFT在PDN侧对下行的数据包进行过滤和映射。在接入网中，空口上承载的QoS是由eNodeB来控制的， 每个承载都有相应的QoS参数QCI（QoS Class Identifier）和ARP （Allocation And Retention Priority）。QCI同时应用于GBR和Non-GBR承载。一个QCI是一个值，包含优先级，包延
9、迟，以及可接受的误包率等指标 ，每个QCI都与一个优先级相关联，优先级1是最高的优先级别。承载QCI的值决定了其在eNodeB的处理策略。例如，对于误包率要求比较严格的Bearer，ENodeB一般通过配置RLC成AM模式来提高空口传输的准确率。标准中（23。203）定义了九种不同的QCI的值，在接口上传输的是QCI的值而不是其对应的QoS属性。通过对QCI的标准化，可以规范不同的厂家对于相应的QoS业务的理解和处理，方便在多厂商互连环境和漫游环境中不同设备系统间的互连互通。Table 6.1.7: Standardized QCI characteristicsQCI Resource Ty
10、pe Priority Packet Delay Budget (NOTE 1) Packet Error LossRate (NOTE 2) Example Services1(NOTE 3) 2 100 ms 10-2 Conversational Voice2(NOTE 3) GBR 4 150 ms 10-3 Conversational Video (Live Streaming)3(NOTE 3) 3 50 ms 10-3 Real Time Gaming4(NOTE 3) 5 300 ms 10-6 Non-Conversational Video (Buffered Strea
11、ming)5(NOTE 3) 1 100 ms 10-6 IMS Signalling6(NOTE 4) 6 300 ms 10-6 Video (Buffered Streaming)TCP-based (e.g., www, e-mail, chat, ftp, p2p file sharing, progressive video, etc.)7(NOTE 3) Non-GBR 7 100 ms 10-3 Voice,Video (Live Streaming)Interactive Gaming8(NOTE 5) 8 300 ms 10-6 Video (Buffered Stream
12、ing)TCP-based (e.g., www, e-mail, chat, ftp, p2p file9(NOTE 6) 9 sharing, progressive video, etc.) ARP是分配和保留优先级(Allocation and Retention Priority)。 ARP同时应用于GBR和Non-GBR承载，主要应用于接入控制，在资源受限的条件下，决定是否接受相应的Bearer建立请求。另外，eNode B可以使用ARP决定在新的承载建立时，已经已经存在承载的抢占优先级。一个承载的 ARP仅在承载建立之前对承载的建立产生影响。承载建立之后QoS特性，应由QCI、G
13、BR、MBR等参数来决定。为了尽可能提高系统的带宽利用率，EPS系统引入了汇聚的概念，并定义了AMBR（Aggregated Maximum Bit Rate）参数。AMBR可以被运营商用来限制签约用户的总速率，它不是针对某一个Bearer，而是针对一组NonGBR的Bearer。当其他EPS承载不传送任何业务时，这些Non-GBR承载中的每一个承载都能够潜在地利用整个AMBR。AMBR参数限制了共享这一AMBR的所有承载能所能提供的总速率。3GPP定义了两种不同的AMBR参数：UE-AMBR和(APN)-AMBR。UEAMBR定义了每个签约用户的AMBR。 APN-AMBR是针对APN的参数
14、，它定义了同一个APN中的所有EPSBearer提供的累计比特速率上限。AMBR对于上行和下行承载可以定义不同的数值。具备更高的数据传输率、 更灵活的频谱带宽配置、更小的系统时延、 更低的运营成本、 更多样化的业务、以及无缝移动性是运营商对下一代移动网络的必然要求。根据 3GPP R8 版本确定的长期演进( LTE)与系统架构演进( SAE) 两大标准所构建的LTE/ SAE 系统,通过基于全 IP的分组核心网, 扁平化的网络层次架构, 并支持多种接入技术灵活接入的特点满足了以上的要求。同时, 提供具有严格服务质量( QoS)保证的数据、语音、 图像、 视频等多媒体业务, 和支持跨不同接入网络
15、的端到端QoS 保证, 成为 LTE/ SAE 系统的研究重点之一。保证服务质量的目的是向用户提供满意的服务,不同类型的业务对服务质量的要求有所不同, 传统的衡量服务质量的参数包括端到端延迟、 抖动、 分组丢失率、 网络吞吐率和数据传输可靠性等。由于LTE/ SAE 系统在接入网络结构上的优化,接入网结构更加扁平化, 即把通用移动通信系统( UMT S)的无线网络控制器( RNC) 和基站( Node B)两个节点, 简化到只有演进型基站( eNode B)一个节点,从而演进系统的 QoS 结构相比 UMT S 的QoS 进行了简化, 但也做了不少增强和改进。比如由于希望更好地实现用户的“永远
16、在线”体验, 故引入了默认承载概念; 为了取消 UMTS 系统复杂的QoS 协商机制, 放弃了专用信道概念, 采用共享信道和配备灵活的动态调度机制。下文将通过介绍 LTE/ SAE 的承载业务架构, 分析承载级QoS的参数和属性, 然后将其与 2G和3G 的QoS 比较, 进一步说明 LTE/ SAE 给用户带来的体验的提高。1、 LTE/SAE的QoS机制1.1 SAE承载业务架构，由于 LTE/ SAE 系统需要提供的是端到端 QoS,所以沿用了 UMTS 系统相似的QoS框架分层次、分区域的QoS体系结构，即上层的QoS要求分解为下层的QoS要求分解为下层的QoS属性, 下层为上层提供承
17、载业务。SAE 的QoS 承载业务架构如下图所示。 图中端到端的承载业务可以沿着端到端的路径划分成不同的网络段业务。端到端承载业务可以分解成两部分: SAE 承载业务与外部承载业务。其中, 外部承载业务用于连接 UMT S 核心网和位于外部网络节点之间的业务承载。SAE 承载业务则可以分为 SAE无线承载业务与 SAE 接入承载业务两部分。SAE 无线承载业务根据必需的QoS, 在eNodeB与 UE 之间传输承载业务数据, 将无线承载链接到对应的承载业务;SAE 接入承载业务根据必需的QoS, 在AGW 和 eNodeB 之间传输承载业务数据, 向 eNode B 提供端到端承载的聚合 Qo
18、S描述, 同时将接入承载链接到对应的承载业务。SAE 的QoS 控制的基本粒度是承载, 即相同承载上的所有流量将获得相同的 QoS 保障, 不同类型的承载提供不同的 QoS 保障。SAE 还提出了一些新的承载类型概念, 比如默认承载、 专用承载、GBR 承载和Non- GBR承载等。1)默认承载: 一种满足默认 QoS 的数据和信令的用户承载。默认承载可以简单理解为一种提供尽力而为 IP 连接的承载, 给用户设备( UE) 提供 永远在线!的 IP连接。默认承载的 QoS参数可以来自于从归属用户服务器( HSS)中获取的签约数据, 也可以通过策略计费规则功能( PCRF)交互或者基于本地配置。
19、2)专用承载: 对某些特定业务所使用的 SAE 承载。一般情况下专用SAE 承载的 QoS 比默认 QoS 的要求高。专用承载在 UE 关联上行( UL )业务流模板( TFT ) , 在PDN GW关联一个 DL( 下行) T FT, T FT 中包含业务数据流的过滤器, 而这些过滤器只能匹配某些准则的分组, 专用承载的QoS 参数总是由分组核心网分配。3) GBR承载: 与保证比特速率( GBR)承载相关的专用网络资源, 在承载建立或修改过程中通过例如eNode B 的接纳控制等功能永久分配给某个承载, 这个承载在比特速率上要求能够保证不变。4) Non- GBR承载: 与 GBR 承载相
20、反, 网络资源不能永久分配给某个承载, 即不能保证该承载的比特速率不变, 就是 Non- GBR承载。专用承载可以是GBR承载或Non- GBR 承载, 而默认承载应该是 Non- GBR 承载。一个承载维护的是一个服务数据流( SDF )的集合体, 对应相同承载级别 QoS 的多个 SDF的集合, 每个SDF是由 IP的5元组(源 IP地址、 目的 IP 地址、 源端口号、 目的端口号、IP 层以上协议 ID)描述, 以此来识别终端和应用或服务。所以 SDF 可以用来连接到Web、 流媒体服务器或邮箱服务器。1.2 SAE QoS参数与属性1. 2. 1 QoS 参数一个 SAE 的承载关联
21、到下列承载级 QoS 参数。( 1) QoS 分类标识( QCI)。QCI 可同时应用于 GBR和 Non- GBR 承载。一个 QCI是一个值, 用于指定访问节点内定义的控制承载级分组转发方式(如调度权重、 接纳门限、 队列管理门限、 链路层协议配置等) , 这些都可以有运营商预先设置到接入网节点(比如eNode B) 中。在接口上使用QCI 而不是传输一组 QoS 参数主要是为了减少接口上的控制信令数据传输量, 并且在多厂商互联和漫游环境下使用不同设备或系统间的互连互通更加容易。( 2)分配和保留优先级( ARP)。ARP 可同时应用于 GBR 和 Non - GBR 承载。ARP的主要目
22、的是能够决定是否接受请求的承载建立/修改(尤其对于 GBR承载的无线容量是否有效) ,或者在资源受限时拒绝上述请求。另外, eNode B 可以使用 ARP 决定资源受限时,哪个承载可以丢弃。一个承载的 ARP仅在承载建立成功之前对承载的建立产生影响。承载建立之后再需要对承载的特性进行改变时, 应该由QCI、 GBR、 MBR和AMBR等参数决定。( 3)保证比特速率( GBR)。GBR仅应用于 GBR承载, 提供给 GBR承载保证的比特速率, GBR承载的业务包括语音、 流媒体、 实时游戏等。( 4)最大比特速率( MBR)。MBR仅应用于 GBR 承载, 它为业务设置数据传输速率的限制。如
23、果发现业务的数据传输速率超过MBR时, 网络将通过业务量整形算法来限制速率。MBR的值一般大于或等于 GBR 的值。( 5)聚合最大比特速率( AMBR)。AMBR仅应用于 Non- GBR 承载, 同一个 UE 的多个SAE 承载可以共享同一个AMBR, 即一组SAE承载中的每个承载可以使用全部的 AMBR 资源, 例如当其他SAE 承载没有任何业务流时, 有业务流的那个承载可以使用全部的 AMBR定义的全部带宽。如果超出了 AMBR限制, 网络可能在上行链路和下行链路使用业务流量调节算法,就像 MBR的调节算法一样。1. 2. 2 标准 QCI 属性一个 QCI 特性可由承载类型、 优先级
24、、 分组延迟预算、 分组丢失率等组成, 它代表了 SAE 系统为某个SDF 提供的QoS 特性。每个SDF仅与一个QCI 关联,如果多个 SDF 具有相同的 QCI 和 ARP 值, 则它们可以作为单独的业务集合来处理, 这就是 SDF 集合。QCI 特性一般由运营商根据实际需求预配置在 eNodeB 上,下表给出了SAE 系统定义的标准QCI 属性。( 1)承载类型: 决定是否需要在整个承载生存时间内固定分配与承载相关的资源,也就是决定是GBR承载还是 Non- GBR承载。对于一个业务的承载类型是由运营商的策略决定, 当有足够的容量时, 实时业务和非实时业务都可由 Non- GBR承载进行
25、传输。( 2)优先级: 用来区分相同或不同 UE 的 SDF 集合。每个 QCI 都与一个优先级相关联, 优先级数越小表示优先级别越高。( 3)分组延迟预算( PDB) : 定义了链路层 SDU 在接入节点和 UE 之间的链路中的逗留时间。链路层中可包括排队管理功能, 对于某一特定的 QCI 特性, PDB对于上行和下行的取值是相同的。采用 PDB 的目的是为了支持对调度和链路层功能进行配置。( 4) 分组丢失率( PLR) : 定义了由发送方链路层ARQ 协议处理的SDU 没有成功到达相应的接收方的比率。因此, PLR是一个非拥塞情况下的分组丢失情况。这个参数允许适当的链路层协议配置。对于某
26、一特定的 QCI 特性, PLR对于上行和下行的取值是相同的。2 、2G、 3G和 LTE/ SAE的 QoS比较LTE/ SAE 承载等价于2G- GPRS 和 3G- UMT S标准中使用的“PDP上下文”，所以在与 2G和 3G的比较中, 重点比较 2G 对应的 R97/ 98 PDP 属性和 3G 对应的 R99 PDP 属性。其中 R97/ 98 PDP 属性是指3GPP标准Release 1997和 1998的 2G- GPRS 部分的分组数据协议( PDP)服务质量属性; R99 PDP 属性是指 3G- UMT S 和 2G- GPRS 在 3GPP 标准 Release99
27、的PDP服务质量属性。下表描述了不同版本标准的服务质量属性。从上表可以看出, 3GPP的服务质量( QoS)是如何从2G发展到 3G最后演进到LTE/ SAE 的过程。在2G- GPRS 的 R97/ 98 版本中, 语音是基于电路交换的, 电路连接建立后即可保证业务的服务质量,所以语音的QoS保证比较简单; 而 GPRS 采用的是分组交换方式, 由于 GSM 无线接口技术的限制, GPRS只能提供尽力而为的服务质量, 这种业务对传输时延和传输速率是没有任何保证的。3G- UMT S 的 R99 版本, 在对 R97/ R98 版本的QoS 参数进一步细化的同时, 也增加了一些新参数, 比如前
28、面提到的传输时延和传输速率, 其目的是: 对已有的和将要出现的所有电路和分组交换服务类型来说,网络的资源分配机制和调度算法要尽可能灵活。这一层面的灵活性和在UTRAN 中专用传输信道定义的所有可能选项是一致的。同时 R99 版本按业务流对时延的敏感程度不同定义了 4种 QoS 的业务类型: 会话类、 流类、 交互类和后台类, 每种类型都有相对应的QoS 具体属性和应用举例。发展到R8 版本的LTE/SAE, 舍弃了电路交换,支持全IP网络, 服务质量( QoS)的表示相比 R99 版本更加简单。由于包括更少的属性域和预定义的标签, 所以减少了可能的组合数量; 通过保持不同制造商对相同类型服务的
29、网络应用的一致性, 实现用户跨网络的无缝移动的体验; 通过预定义的默认承载, 缩短了业务建立的时延, 实现用户的 永远在线!的体验; 通过采用QCI 和预定义的承载类型( GBR或 Non- GBR) , 确定了不同类型的业务的 QoS 具体需求, 提供给用户高速且流畅的体验。总结LTE/SAE 系统是移动网络向全 IP 网络发展的重要一步, 为了满足其需求, LTE/ SAE 的 QoS 做了诸多的改进, 引入了许多新的概念: 比如简化了 UMTS 的承载架构, 发展成LTE/ SAE 的承载业务架构, 提出了默认承载、 专用承载、 GBR 承载和 Non- GBR承载等概念; 在描述 QoS 参数和属性时, 提出了 QCI 和AMBR等新概念。文章最后将LTE/ SAE 的QoS 与2G和3G 的QoS比较, 表明 LTE/ SAE给用户带来的体验的提高。随着 LTE 于 2009 年底在瑞典和挪威开始商用,移动通信网络进入了无线高速分组交换时代, 这将给LTE/ SAE 的QoS管理带来有益的探索, 比如LTE 与3GPP的 2G 或 3G 网络切换导致的 QoS 映射问题,LTE与 Non- 3GPP 网络切换导致的 QoS 映射问题等。