［謝鯤］

LTE網(wǎng)和WCDMA網(wǎng)QoS實現(xiàn)機制比較與分析

［謝鯤］

摘要先介紹LTE網(wǎng)和WCDMA網(wǎng)QoS參數(shù)，再對LTE網(wǎng)和WCDMA網(wǎng)承載建立的信令流程進行了詳細介紹，分析LTE網(wǎng)和WCDMA網(wǎng)的QoS是如何實現(xiàn)的，最后比較了兩者的差異。

關(guān)鍵詞：LTE WCDMA QoS 比較 分析

謝鯤

男，工程師，大學本科，畢業(yè)于重慶大學，現(xiàn)任職中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司陜西省分公司運維部網(wǎng)優(yōu)中心，主要從事移動核心網(wǎng)優(yōu)化工作。

1　前言

隨著LTE網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模建設(shè)和完善，移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)資源的需求越來越大，盡管可以通過網(wǎng)絡(luò)擴容的方式解決，但是在業(yè)務(wù)需求越來越大時，網(wǎng)絡(luò)負荷承受不住，就不能保證滿足業(yè)務(wù)質(zhì)量要求。QoS（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量）在移動網(wǎng)絡(luò)的使用，使得在網(wǎng)絡(luò)資源有限的情況下，可以區(qū)分不同的業(yè)務(wù)和用戶，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源，最大限度提升了網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。當網(wǎng)絡(luò)過載或擁塞時，QoS 能確保重要業(yè)務(wù)不受延遲或丟棄，同時保證網(wǎng)絡(luò)的高效運行。LTE網(wǎng)絡(luò)的QoS相對WCDMA網(wǎng)絡(luò)無論參數(shù)數(shù)量還是實現(xiàn)機制都有了很大變化。

2　WCDMA網(wǎng)QoS相關(guān)參數(shù)

WCDMA網(wǎng)絡(luò)承載了不同QoS要求的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),各種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)都可以由一組QoS參數(shù)來保證，它決定了用戶可以在WCDMA網(wǎng)絡(luò)上使用那些業(yè)務(wù)，它描述了這些在WCDMA網(wǎng)使用業(yè)務(wù)的屬性，包括了業(yè)務(wù)處理類別、最大比特速率、交付次序、最大業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元尺寸、SDU格式信息、差錯SDU交付決定、殘留比特差錯率、SDU差錯率、傳輸時延、有保證的比特速率、業(yè)務(wù)處理優(yōu)先級、分配和保留優(yōu)先級、信令指示、源統(tǒng)計描述符等14 個QoS參數(shù)，見表1。

WCDMA網(wǎng)QoS實現(xiàn)過程中有業(yè)務(wù)處理類別、業(yè)務(wù)處理優(yōu)先級、分配與保留優(yōu)先級等參數(shù)起到了關(guān)鍵作用，下面簡要介紹3GPP協(xié)議對它們的定義。

（1）業(yè)務(wù)處理類別包括了四種類型：會話類型、流類型、交互類型和背景類型，在HLR中進行了配置。

（2）業(yè)務(wù)處理優(yōu)先級定義了處理SDU的優(yōu)先級別，是指相對于其他SDU處理級別的，僅對交互類業(yè)務(wù)有效，對其他類型的業(yè)務(wù)．THP可忽略，在HLR中進行了配置。

（3）分配與保留優(yōu)先級確定UMTS承載的分配／保留相對于其他UMTS承載的重要性。ARP屬性是一個簽約屬性而不通過移動終端來協(xié)商，但參數(shù)取值可被SGSN 或GGSN網(wǎng)元進行更改。在執(zhí)行對一個承載的分配／保留功能時，優(yōu)先級用于區(qū)別不同的承載。在資源匱乏時，相關(guān)網(wǎng)元可以在執(zhí)行接納控制時給有高ARP的承載以接納控制的優(yōu)先權(quán)。在HLR中進行了配置。

表 1 UMTs承載業(yè)務(wù)分類及參數(shù)

3　LTE網(wǎng)QoS相關(guān)?參數(shù)

LTE網(wǎng)的QoS參數(shù)具體包括QoS等級標志（QCI），分配與保留優(yōu)先級（ARP），保證比特率（GBR），最大比特率（MBR），聚合最大比特率（AMBR），其中QCI、AMBR是LTE網(wǎng)新增的，下面簡要的介紹QCI，AMBR的定義：

（1）QCI（QoS Class Identifier）：表征了不同業(yè)務(wù)的QoS要求，如包流失率、時延等要求，主要用于承載建立后的資源調(diào)度控制，用于端到端的保證各種業(yè)務(wù)的QoS需求。QCI參數(shù)可以由運營商預先配置。使用QCI參數(shù)可以有效減小QoS參數(shù)傳輸時的數(shù)據(jù)量，也便于不同廠商間產(chǎn)品的互連互通；

QCI是一個數(shù)量等級，其具體含義見表2。

（2）AMBR（Aggregate Maximum Bit Rate）

AMBR僅應(yīng)用于 Non- GBR 承載, 同一個LTE UE 的多個SAE 承載可以共享同一個AMBR, 即一組SAE承載中的每個承載可以使用全部的 AMBR 資源, 例如當其他SAE 承載沒有任何業(yè)務(wù)流時, 有業(yè)務(wù)流的那個承載可以使用全部的 AMBR定義的全部帶寬。如果超出了 AMBR限制,網(wǎng)絡(luò)可能在上行鏈路和下行鏈路使用業(yè)務(wù)流量調(diào)節(jié)算法,就像 MBR的調(diào)節(jié)算法一樣。根據(jù)場景，AMBR又可分為用戶聚合最大比特率(UE-AMBR)和接入點聚合最大比特率(APN-AMBR)。

表2　標準QCI屬性表

4　LTE網(wǎng)和WCDMA網(wǎng)核心EPC側(cè)QoS管理實現(xiàn)機制

在移動用戶使用移動上網(wǎng)業(yè)務(wù)時，QoS管理必須保證端到端的延時和最大延時抖動在可接受的范圍內(nèi)。在大多數(shù)情況下，QoS需要保證三方面的因素：帶寬、延時和準確度。

4.1WCDMA網(wǎng)絡(luò)中QoS控制實現(xiàn)機制

圖1　WCDMA網(wǎng)QoS管理流程

步驟1：手機向SGSN發(fā)送PDP激活上下文請求，其中PDP上下文中包括QoS參數(shù)。

步驟2：SGSN將手機請求的業(yè)務(wù)屬性與該用戶簽約的QoS參數(shù)（這些參數(shù)都是用戶在位置更新時，SGSN 從HLR獲得了，如業(yè)務(wù)類別、上下行最大速率、保證速率、優(yōu)先級等）進行比較（UE請求的QoS是應(yīng)用需要的業(yè)務(wù)能力；簽約QoS是針對用戶所能提供的業(yè)務(wù)能力的上限），結(jié)合系統(tǒng)資源情況，得到協(xié)商QoS（如果終端在發(fā)送激活PDP上下文請求時沒帶QoS參數(shù)，SGSN會使用用戶簽約的QoS參數(shù)）；

步驟3：SGSN向GGSN發(fā)建立PDP上下文請求，其中PDP上下文包括了SGSN協(xié)商確認的QoS參數(shù)；

步驟4：GGSN根據(jù)設(shè)備的資源情況及處理能力對該QoS參數(shù)進行判斷，接受或降級。隨后向SGSN回建立PDP上下文響應(yīng)，其中PDP上下文包括了GGSN確認的QoS參數(shù)；

步驟5：SGSN收到GGSN的建立PDP請求響應(yīng)，向RNC發(fā)RAB ASSIGNMENT REQUEST消息，消息中帶有SGSN和GGSN協(xié)商確認的QoS參數(shù)；

步驟6：RNC根據(jù)資源情況和QoS參數(shù)執(zhí)行調(diào)度策略，執(zhí)行接納控制算法，建立RL/RB，然后返回RNC從“RAB ASSIGNMENT REQUEST”消息中提取QoS參數(shù)，并按照預先定義的業(yè)務(wù)和用戶優(yōu)先級映射表進行映射，RNC根據(jù)映射表中的參數(shù)進行相應(yīng)的資源調(diào)度。之后將結(jié)果反饋給SGSN；

步驟7/8：如果SGSN見到返回的RAB建立消息里QoS屬性降級了，就會向GGSN發(fā)PDP上下文更新請求，GGSN收到進行處理返回結(jié)果；

步驟9：SGSN給UE返回PDP上下文激活響應(yīng)，整條承載也就建立，這時用戶可以進行上網(wǎng)看視頻打游戲等業(yè)務(wù)。

WCDMA網(wǎng)QoS實現(xiàn)機制以協(xié)商為主，任何協(xié)商PDP上下文的QoS都不能超過HLR簽約建立的QoS，HLR簽約的QoS是承載級QoS，簽約規(guī)定了與之采用相同APN的PDP上下文的最大的QoS。

4.2LTE網(wǎng)靜態(tài)QoS管理實現(xiàn)機制：基于HSS簽約信息進行用戶QoS管理：

步驟1：LTE UE附著LTE網(wǎng)絡(luò)時,向eNodeB發(fā)Attach Request消息，eNodeB再將此消息傳給MME；

步驟2：MEE收到LTE用戶Attach Request消息后，判斷用戶歸宿HSS后，MME發(fā)送Update Location request消息給HSS，HSS收到消息后，回MEE消息update Location answer，其中就有簽約QoS參數(shù)，包括默認承載QCI、ARP、UE-AMBR、APN-AMBR；

步驟3：MME請求SAE GW建立默認承載，并攜帶簽約QCI、ARP、APN-AMBR；

圖2　基于靜態(tài)QoS管理流程

步驟4：EPC GW回復建立承載請求，并將QoS參數(shù)返回給MME；

步驟5：MME根據(jù)從EPC GW處獲取的APNAMBR和簽約UE-AMBR，計算用戶的UE-AMBR，將UE-AMBR、QCI、ARP發(fā)給eNodeB建立無線承載，根據(jù)QoS參數(shù)執(zhí)行基于承載的無線資源調(diào)度，將APNAMBR、QCI發(fā)給LTE UE。LTE UE根據(jù)收到的QoS向網(wǎng)絡(luò)發(fā)起建立承載請求，網(wǎng)絡(luò)就根據(jù)請求里消息建立一條承載。

圖3　基于動態(tài)QoS管理流程

步驟1：LTE用戶附著網(wǎng)絡(luò),發(fā)Attach Request消息給eNodeB，eNodeB再傳給MEE；

步驟2：MEE收到LTE用戶Attach Request消息后，判斷用戶歸宿HSS，MME發(fā)送Update Location request消息給HSS，HSS收到消息后，回MEE消息update Location answer，其中就有簽約QoS參數(shù)，包括QCI、ARP、UE-AMBR、APN-AMBR；

步驟3：MME請求SAE GW建立默認承載，并攜帶簽約QCI、ARP、APN-AMBR；

步驟4：EPC GW與PCRF交互，并攜帶獲取的QoS參數(shù)，PCRF可根據(jù)策略修改該參數(shù)；

步驟5：EPC GW回復建立承載請求，并將QoS參數(shù)返回給MME；

步驟6：MME根據(jù)從EPC GW處獲取的APNAMBR和簽約UE-AMBR，計算用戶的UE-AMBR，將UE-AMBR、QCI、ARP發(fā)給eNodeB建立無線承載，根據(jù)QoS參數(shù)執(zhí)行基于承載的無線資源調(diào)度，將APNAMBR、QCI發(fā)給UE。LTE UE根據(jù)收到的QoS向網(wǎng)絡(luò)發(fā)起建立承載請求，網(wǎng)絡(luò)就根據(jù)請求里消息建立一條承載。

從以上兩種LTE的QoS處理機制看，靜態(tài)QoS處理機制策略比較單一，只能基于用戶在HSS中的默認簽約進行QoS管理，無法針對不同的用戶、不同的業(yè)務(wù)動態(tài)配置差異化QoS管理策略。而引入PCRF的QoS處理機制可以針對單個用戶、單個業(yè)務(wù)，結(jié)合不同應(yīng)用場景，配置差異化的QoS和計費策略，在原有靜態(tài)QoS機制的基礎(chǔ)上增加了業(yè)務(wù)級QoS控制，從而實現(xiàn)差異化QoS管理。LTE網(wǎng)絡(luò)增加了UE-AMBR、APN-AMBR，形成了基于承載級、APN級、用戶級三種粒度的 QoS控制機制。LTE網(wǎng)絡(luò)能夠區(qū)分業(yè)務(wù)等級，根據(jù)等級不同建立不同承載，為運營商制定更靈活的業(yè)務(wù)策略提供QoS保證。

5　LTE網(wǎng)和WCDMA網(wǎng)QoS實現(xiàn)機制比較

LTE網(wǎng)相比WCDMA網(wǎng),網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上發(fā)生了簡化,采用eNB單層結(jié)構(gòu)，省去RNC，從而簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和減少網(wǎng)絡(luò)時延，實現(xiàn)了低時延，低復雜度和低成本的要求。

（1）LTE網(wǎng)絡(luò)QoS參數(shù)相對于WCDMA網(wǎng)主要是新增了QCI和AMBE兩個參數(shù)；

（2）LTE網(wǎng)絡(luò)中QoS控制的基本粒度是EPS承載，即相同承載上的所有數(shù)據(jù)流獲得相同的QoS保障，不同的QoS保障需要不同類型的EPS承載來提供。EPS承載取代了WCDMA網(wǎng)的分組數(shù)據(jù)協(xié)議上下文（PDP Context）；

（3）WCDMA用戶在使用上網(wǎng)業(yè)務(wù)時才建立承載，其QoS也是根據(jù)HLR的簽約信息決定的。而LTE用戶在開機附著時，就為用戶建立固定速率的默認承載，提高用戶體驗，減少業(yè)務(wù)建立的時延，真正實現(xiàn)用戶的“永遠在線”，保證其基本業(yè)務(wù)需求，其QoS參數(shù)由MME/SGSN根據(jù)HSS的簽約參數(shù)分配，P-GW可以根據(jù)PCRF信息修改該參數(shù)；

（4）WCDMA網(wǎng)中UE、RNC、SGSN、GGSN共同完成了QoS參數(shù)的傳遞和協(xié)商過程，將用戶簽約的權(quán)限，業(yè)務(wù)需求和系統(tǒng)資源結(jié)合，得到各方都接受的QoS。LTE網(wǎng)絡(luò)的QoS控制，由LTE終端、eNodeB、EPC設(shè)備共同實現(xiàn)，不再進行QoS協(xié)商，不同設(shè)備之間，不允許進行承載級QoS協(xié)商，QoS需求不同時，創(chuàng)建新的承載；

（5）WCDMA網(wǎng)絡(luò)受終端及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備支持情況限制，雖然標準支持一個會話中多個PDP上下文，但同一用戶所有業(yè)務(wù)只能使用一個PDP，也就是QoS都是一樣，無法區(qū)分業(yè)務(wù)等級。LTE網(wǎng)絡(luò)在引入控制層網(wǎng)元PCRF后，增加了業(yè)務(wù)級QoS控制，根據(jù)業(yè)務(wù)等級不同建立不同承載，從而為制定更靈活的業(yè)務(wù)策略提供QoS保證。

總的來說，LTE網(wǎng)絡(luò)和WCDMA網(wǎng)絡(luò)使用了兩種不同的QoS機制，LTE網(wǎng)絡(luò)只有5個QoS參數(shù)，而WCDMA網(wǎng)有14個QoS參數(shù)，那么就存在了在兩網(wǎng)之間發(fā)生業(yè)務(wù)時，這些QoS如何映射，才能保證業(yè)務(wù)的連續(xù)使用。在這些參數(shù)里除了ARP、GBR、MBR可以對應(yīng)外，其余參數(shù)無法一一對應(yīng)。因此LTE網(wǎng)QoS就要考慮QCI 與WCDMA網(wǎng)QoS參數(shù)的TC、THP、傳輸時延、信令指示等11個參數(shù)如何映射。目前3GPP已經(jīng)對QCI=2-4定義了相關(guān)映射關(guān)系，其余的映射關(guān)系需要根據(jù)業(yè)務(wù)類型和現(xiàn)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)情況考慮配置。

6　總結(jié)

LTE網(wǎng)絡(luò)是移動通信網(wǎng)絡(luò)向全IP網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要一步，為了滿足其需求，LTE網(wǎng)絡(luò)的QoS做了諸多改進，數(shù)量也比WCDMA網(wǎng)絡(luò)減少，同時也減少了可能組合數(shù)量，實現(xiàn)機制也更加簡單，特別是減少了QoS協(xié)商，為用戶提供了速度更快且畫面更加流暢的體驗，提高了用戶使用感知度。目前是LTE建設(shè)初期，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模遠遠小于WCDMA網(wǎng)，兩網(wǎng)的QoS機制也不同，這樣就帶來兩網(wǎng)之間QoS映射問題，如果解決不好就會影響用戶感知。

參考文獻

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DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.01.012

收稿日期：（2015-12-07）